一種爬蟲清洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)＊

王松富，程 穩(wěn)

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院，湖北 十堰 442000）

隨著設(shè)計(jì)和建造技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)有玻璃幕墻的建筑越來越多，雖然讓建筑增加了美觀性，但是隨之而來的幕墻玻璃清洗問題需要解決。幕墻玻璃清洗是一門高危行業(yè)，傳統(tǒng)的清洗是采用人工清洗，存在很大的安全隱患，造成了很多意外的傷亡。為了保障人身安全，提高清洗效率，清洗機(jī)器人不斷被研究探索，技術(shù)也不斷被完善。為解決上述問題，本文介紹了一種爬蟲清洗機(jī)器人。

1 爬蟲清洗機(jī)器人的功能介紹

本機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)功能有清洗功能和爬墻功能，主要解決以下問題。

固定問題：采用履帶吸盤式設(shè)計(jì)，履帶接觸面設(shè)計(jì)有多個吸盤，吸盤采用活塞式抽吸來吸進(jìn)和松開。履帶中間有磁鐵。機(jī)器人吸附裝置參考真空吸盤負(fù)壓吸附，驅(qū)動方式采用履帶式驅(qū)動來設(shè)計(jì)，能有效增大吸盤與玻璃墻面的吸附面積，提高機(jī)器人在玻璃墻面上的吸附能力[1]。

安全問題：為了防止機(jī)器發(fā)生意外掉落，在機(jī)器后面設(shè)計(jì)有電纜和安全繩。

加固問題：履帶中間設(shè)有磁鐵，室內(nèi)玻璃上設(shè)計(jì)有電磁鐵導(dǎo)軌架，該導(dǎo)軌架可拆卸移動，也可安裝一臺一樣的機(jī)器，實(shí)現(xiàn)雙面同時(shí)清洗，大大提高清潔效率。本清洗器還設(shè)有可安裝的活動導(dǎo)桿，大大提高了靈活性。

移動靈活性問題：采用雙頭、雙履帶和四伸縮桿設(shè)計(jì)，雙頭設(shè)計(jì)是為了解決掉頭難的問題，前進(jìn)后退依靠履帶內(nèi)的磁鐵和每個活塞內(nèi)設(shè)計(jì)的線圈的通斷來實(shí)現(xiàn)收縮來運(yùn)動，雙履帶設(shè)計(jì)是為了增加穩(wěn)定性和為四伸縮桿設(shè)計(jì)提供方便，四伸縮桿設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)上下滑動，四桿的伸縮巧妙利用電磁原理實(shí)現(xiàn)收縮。簡稱為“224”設(shè)計(jì)，這樣大大提高了靈活性。

清洗效率問題：清洗結(jié)構(gòu)合理利用斜度，把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為噴、刷、刮、吹和擦一體且同時(shí)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)一遍過的高效率。

廢水回收問題：在履帶前面設(shè)有擋水板，擋水板抵擋住廢水往下流，擋水板上邊設(shè)有一條絲杠，絲桿上設(shè)計(jì)有海綿塊，通過絲桿的正反轉(zhuǎn)來收集廢水，把廢水?dāng)D進(jìn)兩邊的廢水收集口。

控制問題：利用無線電模塊控制，步進(jìn)電機(jī)和PLC交替使用。

爬蟲幕墻清洗機(jī)器人整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 爬蟲幕墻清洗機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

2 爬墻機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬墻功能的實(shí)現(xiàn)是利用電磁鐵原理來實(shí)現(xiàn)收縮，結(jié)合真空吸盤技術(shù)，利用壓強(qiáng)差來實(shí)現(xiàn)吸附功能，同時(shí)設(shè)計(jì)有2層鏈齒，第一層是為了能夠與齒輪嚙合的鏈條，第二層是為了提起吸盤，設(shè)計(jì)成鏈條機(jī)構(gòu)有利于鏈輪運(yùn)動的平滑，同時(shí)還能翹起吸盤，比直接拔起吸盤還要省力，活塞筒內(nèi)也設(shè)計(jì)有送氣孔，利用改變電流的方向來實(shí)現(xiàn)活塞運(yùn)動。兩種技術(shù)的結(jié)合能夠更快和更省力地提起吸盤，增加了機(jī)器人的靈活性。吸盤設(shè)計(jì)采用高性能的稀土永磁材料（NdFeB，牌號NTSP200/210），稀土永磁材料具有各向異性場Hk很強(qiáng)，內(nèi)稟矯頑力極大，一旦被磁化，其磁場強(qiáng)度M就將保持不變[2]。

圖2 活塞鏈輪

3 清洗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

清洗機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)依靠行星齒輪設(shè)計(jì)來保持每一個部件的轉(zhuǎn)速一致，如圖3所示，分別由噴、洗、刮和擦4個清洗部件組成。

圖3 清洗機(jī)構(gòu)

清洗裝置的噴水桶主要是用來儲存清洗液，設(shè)計(jì)有2個斜面槽，靜置狀態(tài)下不會漏水，只有旋轉(zhuǎn)起來的時(shí)候，依靠離心力把清洗液甩出去，斜面槽的位置設(shè)計(jì)是通過計(jì)算的，通過模擬計(jì)算，清洗液剛好能甩到幕墻的指定位置。

刷桿是由毛刷材料制成，主要是對幕墻的灰塵雜質(zhì)清洗掉。刮桿是由橡膠材料制成，主要是對幕墻進(jìn)一步清洗，刮洗那些難于清洗的黏附物。擦桿是由海綿材料制成，主要是吸收清洗液和初步擦干水漬。

4 電磁伸縮桿設(shè)計(jì)

電磁伸縮桿的設(shè)計(jì)是利用了電磁鐵原理，通過改變電流大小、方向或線圈來實(shí)現(xiàn)伸縮功能，由于電磁的響應(yīng)速度非常快，而且容易調(diào)節(jié)，所有電磁技術(shù)增加了部件運(yùn)動的穩(wěn)定性。

5 其他巧妙設(shè)計(jì)

5.1 支架吹吸部件

利用吸塵器原理實(shí)現(xiàn)的吹吸設(shè)計(jì)，是為了加快幕墻干燥速度，增強(qiáng)廢水回收功能。將部件設(shè)計(jì)成支架模樣，可以支撐清洗機(jī)構(gòu)，避免清洗機(jī)構(gòu)出現(xiàn)不穩(wěn)定的工作狀況，支架內(nèi)部挖空，中空部分裝有吸氣和噴氣孔。

5.2 支承旋轉(zhuǎn)部件

利用電磁吸盤的原理，解決機(jī)器人轉(zhuǎn)向問題，該部件工作時(shí)，利用斥力把吸盤壓在幕墻上，當(dāng)吸盤內(nèi)部空氣擠壓完全后，步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的程序把連接桿旋轉(zhuǎn)到一定的距離，利用銜接桿銜接外殼，然后把整個機(jī)器頂起一定的高度，再利用電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，使整個機(jī)器轉(zhuǎn)向。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種可以替代人工的爬蟲幕墻清洗機(jī)器人，針對清洗機(jī)器人工作時(shí)存在的問題，作出相應(yīng)的設(shè)計(jì)，本機(jī)器人集安全、高效、智能和成本低等優(yōu)勢于一體，初代產(chǎn)品還有不夠完善的地方，后續(xù)會不斷從實(shí)際中提取數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)問題，不斷改進(jìn)本機(jī)器，努力解決幕墻清洗中存在的各種問題。