玻璃壁面清洗机器人负压吸附系统的研究

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1、玻璃壁面清洗机器人负压吸附系统的研究　　摘要：针对玻璃壁面清洗机器人风机噪声大和吸附稳定性问题，通过变形设计和实验研究方法，设计出适合玻璃壁面清洗的负压吸附系统，并分析了负压吸附原理，给出了与吸附系统相配合的最佳移动机构，并提出了低噪声离心风扇设计方法。实验表明所设计的负压吸附系统能满足玻璃壁面清洁与移动的基本需求，能够适应高层建筑玻璃清洗的复杂环境。　　关键词：玻璃清洗；负压吸附；离心风扇；噪声污染　　引言　　壁面清洗机器人作为爬壁机器人的一种，主要在距离地面一定高度、人无法触及的建筑物竖直表面上进行工作，如高

2、层建筑玻璃幕墙的清洗。本文结合负压吸附技术，针对低噪声离心风扇、最佳吸附力的选取等方面进行研究，设计的机器人样机能构适应高层建筑外壁面的工况环境。　　1壁面清洗机器人结构　　图1为玻璃壁面清洗机器人整体结构。机器人由运动机构、离心风扇、无刷电机、负压腔、清洗装置构成，通过遥控器实现远距离无线通信。机器人接收到控制信号后，本体吸附在玻璃壁面并通过对角设置的运动机构实现移动与转向。在机器人移动期间，机器人底部安装的清洗抹布可以实现负压腔的密封和玻璃壁面的清洗两个功能。　　1.运动机构；2.离心风扇；3.无刷电机；4.

3、无线传输模块；5.玻璃壁面；6.清洗装置；7.负压腔；8.无线遥控器　　图1壁面清洗机器人机构示意图　　1.1运动轮接触应力分析　　运动轮包含主动轮和被动轮，通过研究竖直玻璃壁面上主动轮和被动轮在滚动时表面的应力对运动的影响因素，确定运动机构构型和驱动方式。机器人通过运动轮在玻璃壁面移动，在运动轮表面会产生接触应力。在机器人静止时，运动轮产生的静摩擦力可以平衡机器人自身的重力；当机器人处于运动状态时，动摩擦力的运动方向与其运动性质有关。假设机器人与壁面刚性接触、壁面存在一定倾角，从动轮受力情况如图2所示。　　当机

4、器人在运动状态时，根据从动轮的受力平衡情况，机器人在壁面上不会发生倾覆，可以得出力矩平衡方程：　　（1）　　式中，N-壁面对从动轮的反作用力；Fp-机器人本体作用在轮轴上的正压力；Ff-壁面对从动轮的摩擦力；Mo-墙壁对从动轮的阻力矩；T-轮轴对从动轮的作用力；r-运动轮半径。　　从动轮的动摩擦力方向与机器人运动方向相反，起阻碍运动的作用。机器人的吸附系统能够提供的最大吸附力为某一固定值，若机器人运动系统中存在从动轮，本质上浪费了一定的吸附力，离心风扇需要更高的转数来维持机器人在壁面不发生倾覆，增大了负压吸附系统

5、的功率。因此本文中运动论的设计不采用从动轮的形式，只选取驱动轮。　　1.2运动机构设计　　在实际情况下，玻璃表面可能沾满灰尘和污渍，运动机构既要保证机器人在竖直壁面灵活快速移动同时保证在壁面上安全吸附，这一技术难题是玻璃壁面清洗?C器人研究的关键技术。运动机构如图3所示，运动轮采用摩擦系数大的软橡胶，两个轮子左右对角分布在机器人底盘两侧，由独立的减速电机控制。改变减速电机的转速可以实现机器人的前进、后退和转向。运动系统中没有采用被动轮，负压腔产生的吸附力垂直于壁面由外向内将机器人“推压”在玻璃壁面。一般来讲，吸附

6、力与以下两种作用力的合力组成平衡力系：（1）主动轮支持力；（2）清洁抹布支持力。二者在数量关系上有以下关系：　　图3爬壁机器人运动机构三维图　　Fa=FN1+FN2（2）　　式中，Fa-负压腔产生的吸附力；FN1-主动轮支持力；FN2-清洁抹布支持力。　　为使机器人安全吸附在玻璃壁面上，需要用摩檫力去平衡机器人的重力。对角设置两个驱动轮有以下三方面的作用：（1）只有驱动轮而未设置从动轮可以提高负压腔吸附力的利用率；（2）增加了清　　洁抹布与玻璃壁面的接触应力，有利于玻璃壁面上较脏污渍的擦拭；（3）减小了机器人的转

7、向半径，增强了机器人的灵活性。　　1.3密封及清洁抹布设计　　密封及清洁抹布如图4所示，安装在机器人底部，摩擦力适中、密封性能良好的密封系统，同时可以起到负压腔体的密封和玻璃壁面的擦拭两个作用。　　一般说来，玻璃壁面较为光滑平坦，对于密封机构的气密性有较高要求，适合采用有正压力的密封机构。尽管正压力的存在，会抵消一部分吸附力降低吸附利用率，但是对于玻璃壁面清洗擦拭的场合，使用带有正压力的密封机构可以大大改善玻璃壁面的清洗效果同时降低空气泄漏量，从而减小吸附功耗。　　图4密封及清洁抹布设计　　2低噪声负压吸附系统的

8、研究　　应用于室内或室外环境的清洗机器人运动在具有一定高度的玻璃壁面上，离心风扇的气动噪声是清洗机器人噪声的主要来源。研究负压吸附系统中的关键部位――离心风扇，设计并选取适合低噪声负压吸附系统的离心风扇结构，同时对其各项结构参数进行优化设计，使负压吸附系统能够实现最大化的吸附力利用，从而在安全吸附的条件下降低风扇转数降低噪声的目的。　　2.1玻璃壁面清洗机器人吸附及噪声产