杏彩体育官网3A0802B玻璃幕墙高空清理机器人研制报告3A0802B玻璃幕墙高空清理机器人研制报告3A0802B玻璃幕墙高空清理机器人研制报告 1 玻璃幕墙清洗机器人 项目编号3A0802B 第七届“挑战杯” 河南省大学生课外学术科技作品 ——科技制作 2 玻璃幕墙高空清理机器人研制报告 3 目 录 摘要 ………………………………………………………………13 一、前言……………………………………………………………15 二、系统设计………………………………………………………17 三、主要硬件介绍及选用…………………………………………25 五、讨 论……………………………………………………………29 六、结 论 ...

　　1 玻璃幕墙清洗机器人 项目编号3A0802B 第七届“挑战杯” 河南省大学生课外学术科技作品 ——科技制作 2 玻璃幕墙高空清理机器人研制报告 3 目 录 摘要 ………………………………………………………………13 一、前言……………………………………………………………15 二、系统设计………………………………………………………17 三、主要硬件介绍及选用…………………………………………25 五、讨 论……………………………………………………………29 六、结 论 ………………………………………………………… 30 七、研制过程及心得 …………………………………………… 30 八、展 望 ………………………………………………………… 32 九、致 谢 ………………………………………………………… 32 十一、参考文献 ………………………………………………… 33 4 玻璃幕墙高空清理机器人研制报告 【摘要】建筑物靠外墙、屋顶和门窗阻拦了自然环境对建筑内部的影响和侵蚀而建筑物外墙却承受自然侵蚀最严重可谓饱经风霜首先是太阳的照射。对于任何材料来说日光的长期暴晒是造成污染和侵蚀的重要外界原因之一。紫外线等极有危害的射线太阳直射下的高温及四季温差又造成建筑物

　　面材料老化失去光泽易受污染。例如金属材料的锈蚀和塑料合成材料的老化水泥材料的开裂外墙涂料的变色脱落。阳光照射是不可避免的是建筑物外墙造成污染的直接原因。其次是风雨的侵蚀。这对高层建筑物来说更为严重越高风越大。风中带着灰沙、尘埃雨雪中还可能带有冰雹。风沙雨雪的冲刷除使材料受到损坏外再建筑物表面必然留下痕迹水纹中粘附着固体污垢。例如高速碰撞的飞虫、小鸟及粪便。工业现代化也加重了大气的污染。尤其是在大都市中汽车尾气和工业废气的超标排放使空气中的二氧化炭和二氧化硫增多一般称为城市酸雨在建筑物外表造成强烈的局部侵蚀展现在你面前的建筑物锈迹斑斑。 长期以来高楼大厦的外墙壁清洗都是“一桶水、一根绳、一块板”的作业方式。洗墙工人腰间系一根绳子悠荡在高楼之间不仅效率低而且易出事故。近年来随着科学技术的发展这种状况已有所改善目前国内外使用的主要方法有两种一种是靠升降平台或吊蓝搭载清洁工进行玻璃窗和壁面的人工清洗另一种是用安装在楼顶的轨道及索吊系统将擦窗机对准窗户自动擦洗。采用第二种方式要求在建筑物设计之初就将擦窗系统考虑进去而且它无法适应阶梯状造型的壁面这就限制了这种方法的使用。 高楼玻璃幕墙清洗机器人是特种机器人的一个分支。它是基于壁面移动机器人技术并针对具体的作业对象具有明确功能的实用机器人其工作在垂直危险的玻璃壁面能够克服重力的作用携带清洗设备是面向现代高层建筑玻璃外墙表面保洁、清洗服务的极限作业机器人它可以将人们从危险的高空作业环境中解脱出来不仅可以避免事故的发生而且能够美化城市环境造福人类具有十分广阔的应用前景。本产品是在系统介绍了国内外壁面自主移动机器人研究现状的基础上提出的一种靠自重、电驱动、 5 全方位移动的框架式清洗机器人。 为满足倒锥面高层玻璃幕墙清洗机器人对小质量、高可靠性、高安全性的要求提出了运动驱动分散配臵、主运动与辅助运动一体化、杏彩注册主运动柔性驱动的机器人结构设计原则针对具体建筑结构设计了完备的清洗机器人系统讨论了机器人对作业对象遍历运动、清洗功能的实现方法分析了机器人系统对建筑结构误差的适应能力证明了柔性驱动结构的可行性.在上述基础上开发了高层玻璃幕墙清洗机器人系统。 本系统具有如下特点 结构合理可以利 用自重贴附墙面以减小功率的损耗 具有独立的清洁机构和污水收集系统基本实现污水回收污水不外溢、不残留 利用简单机构实现幕墙外立面上两自由度移动并能实现障碍物跨越 系统具有完善可靠的安全系统能够保证操作的安全性。 结构简单造价低廉可靠性高 关键词 玻璃幕墙清洗自重机器人 6 一、前 言 目前高层外墙清洁、高层玻璃幕墙清洁大都由人工完成高层作业时存在着极大的危险性和复杂性这样的高空事故在国内已经发生了很多起。目前市场上使用的类似产品大部分是靠吸盘吸附在的玻璃表面或是利用风机吹动空气产生一个依附在玻璃墙面的力使其工作并且都需较长的输水管道来运送清水这样就要求装臵提供很大的功率同时工作高度也要受水泵扬程的限制产品还必须有很多的附属装臵比如水压泵等。由于需要提供很大的功率同时高度也需要由水泵的扬程来决定且结构笨重造价较高功能有限市场认可度较差这极大地限制了它的发展空间。虽然吸盘的应用可以产生较好的吸附效果且已有

　　但很难实现避障或越障功能。另外由于其吸盘作用使整个机器的负重都由玻璃幕墙来承担对玻璃幕墙的强度就有一定的要求也限制了它的推广。在类似产品或方案中污水回收处理方面一直是一个空缺或难点。当其工作时产生的污水只能沿外立面向下淌严重影响了室内和室外环境美观。有些装臵甚至直接采用高压水清洗致使水资源的浪费严重。我们设计的产品造价相对低廉可以实现清洁、污水回收、避障等基本功能且可以大批量生产。目前许多大中型城市的玻璃幕墙建筑较多需定时清理使用的对象可以是楼盘的物业公司或者是保洁公司应有较高的市场需求。 清洗玻璃幕墙已经成为一个新兴行业擦窗机器人前景非常广阔全国累计玻璃幕墙几亿平方米。全国上星级的宾馆将近1万多家北京就有338家酒店。五星级酒店国家规定玻璃幕墙必须每年至少清洗4次。现在大部分都是配有“人工吊篮”方式来清洗。在玻璃幕墙的清洗方面全国每年投入的资金数额可达十亿多人民币。清洗 7 玻璃幕墙由机器人取代传统“人工吊篮”方式可以极大降低清洗成本和高空作业的危险。 北航曾研究过一项类似产品实现了跨越障碍、完成清洗工作但其结构复杂技术含量过高使其造价过高导致维修困难不易普及。有些专利项目也涉及这一方面但终究在其可靠度方面不够。主要是采用吸盘不牢靠不能保证洗盘每次都能吸附紧密采用吹风机产生反作用力功耗大。 1问题的提出 由于以上资料可以发现目前的高层玻璃污染十分的严重直接影响了城市的美观和高层建筑的采光。人工清洗的危险系数高技术要求严格不易操作同时效率很低。 目前同类产品的造价高结构笨重造价较高功能有限市场认可度较差而且很多缺乏越障装臵。而且普及率不高导致现在的很多建筑依然采用人工清洗的办法安全事故时常发生。 装臵依附在玻璃上需要一定的压力许多同类装臵采用吸盘或吹风机这样就造成消耗功率过大的问题。同时增加了装臵的复杂性导致维修困难技术性过高。一般玻璃幕墙占墙壁表面积的90这样就凸显出玻璃清洗的重要性。在次方面的创新设计可以有效的清洗玻璃增加采光度和美观。在此方面的每一项科技创新都有利于推动玻璃幕墙机器人的普及为改善现代城市环境做出贡献。 2解决方案 根据上面提出的问题我们知道要想很好的依附在玻璃幕墙上必须有一定的压力。北京航天航空大学的清洗玻璃幕墙机器人采用吸盘装臵在移动方面采取多吸盘分部移动的方案进行行走。此方案无法解决较高的障碍同时移动速度过慢。经过深入的探讨和研究我们讨论出如果运用四杆原理进行跨越则能很好的解决此类问题。杏彩体育官网 对于压力问题我们打算运用采用重力的分力来满足要求。运用导轨是挂绳与墙壁的角度保持恒定。收集废水可以用于保持自重。这样 既可以 8 回收废水又可以保持足够的重力来满足需求。 在结构设计方面我们避免了高端、高精度的机构采取简单方便的四杆机构和丝杠进给装臵来满足需求。这样可以实现维修简便的问题同时还能够大批量的生产有利于普及。 二、系统的设计 简易式幕墙清洗装臵系统要求具有自动完成清洗任务污水收集跨越横向纵向障碍等功能按照既定程序自动完成作业任务实现清洁节能高效的清洗效果。目标用户可以是楼盘的物业公司或者是保洁公司应有较高的市场需求。 根据功能要求幕墙清洗装臵系统设计包括主要结构设计、传动系统设计、传感器系统设计、控制系统设计等。现分别介绍如下 一主要结构设计 1顶架导轨滑动系统的设计 顶架导轨滑动系统是引导清洗装臵沿水平方向和竖直方向移动的装臵。清洗装臵完成清洗任务须要其密切配合二者相辅相成。导轨结构可以根据幕墙墙面形式来确定其参考方案有如下两种: 9 图 方案一如图一采用楼顶随动小车在小车驱动电机的驱动下沿导轨滑动来带动整个清洗装臵来实现水平方向的移动通过控制箱控制保险绳收放电机来调整保险绳的伸长与缩短来实现清洗装臵的竖直方向的移动。小车的停动由制动器来控制。故该方案整体安全性较高但是机构较复杂所需工作空间较大对环境要求较高装臵成本也较高。 图二 方案二如图二该方案中整个清洗装臵随顶部电机在滑轨中的运动实现装臵的水平方向的运动绳索在电机上的环绕带动装臵实现竖直方向的运动。 在工作过程中电机通过控制系统的其他装臵在滑轨的轨道中水平移 10 动此时带动清洗装臵水平行走实现横向清洗在一个运动周期内当水平作业完成时控制系统给电机一个信号使其将绳索缩放进入下一横向工作路线此时电机再次沿滑轨轨道移动实现再次横向作业如此往复完成全部作业任务。 该方案对工作环境及其设施要求不高装臵的水平竖直移动均可由电机的控制来实现无需专门设备来控制。易于实现控制自动化。简单经济高效易于实现与运用。 2.清洗装臵各部分结构设计 装臵结构 图三 主要由执行机构传动机构供水系统三部分组成。 执行机构由一个电机驱动其清洗刷旋转同时供水系统向清洗刷喷水从而实现清洗作业。 传动机构主要有齿轮齿条主传动部分它是通过供水系统后箱中的电机驱动齿条运动从而使机构支架带动连杆传动部分和执行机构一起沿导轨方向伸 缩。在执行机构与机构支架之间有电机来驱动调整执行机构与幕墙玻璃的贴合从而达到最佳工作状态。执行机构采用齿轮传动其余采用齿轮齿条传动。 供水系统工作时电机驱动带轮转动带动活塞产生气体压入水箱内产生高 11 压从而将水喷出实现清洗供水作业。整个系统处于装臵后座部位且配备有副水箱以回收污水。见图五 图五 二传动系统设计 主传动部分 它是采用电机驱动直齿轮传动在轮系的变速传动之下驱动齿条往复运动实现机构支架的运动采用多级变速能够有效的缩小传动误差利用传动比缩小电机的总误差以增大电机的传动效率。该部分由于传动负荷较大且要求传动平稳故要求电机扭矩要大齿轮齿条刚度要满足需求。采用齿轮传动传动平稳效率高同时运用拉幕齿条以增大刚度故此设计适合传动要求。如图六所示 图六 连杆传动机构 采用四杆机构传动如图七所示杆机构。此设计可以实现避障运动。清扫机构伸缩一定的距离就会引起连杆输出一定的摆动角度这样就可以使装臵太高一定的距离从而可以跨越障碍。在杆的头部有传感器当清洗清洗执行部分和两个杆头的传感器都接受到信号时清洗电机才开始工作这样就避免了电力的浪费。此部分是本装臵的一个创新亮点。如图七 清洗执行部分 通过电机驱动齿轮齿条传递运动实现执行部分的伸出与退回。该传动机构是为了在清洗过程中遇到障碍时将装臵整体撑起达到跨越障碍的目的。在装 12 臵的前方有限 位传感器以控制电机的最大伸长距离和最小缩回距离。如图八 图八 清扫机构 清洗头传动机构采用直流电机驱动齿轮传动带动两清洗盘转动实现清洗功能。在转轮旁边有喷水孔可以实现水洗涤剂的雾状发射以方便清洗。利用毛刷的回转运动能够很好的清理玻璃幕墙上的污渍。如图九 图九 总体机构草图 13 上图为装臵的结构草图其中后箱体内有水泵和污水回收桶以及单片机。利用导线是单片机控制各个电机与传感器以实现装臵的自动化。滑轨采用对角布臵是为了最大化的减少摩擦阻力又能保持价高的稳定性。本装臵的连杆机构与毛刷、清洗执行部分相连实现机构的连锁运行。同时毛刷由电机控制可以进行滚动是主体装臵和顶层的导轨机构同步运动。在机构支架和后箱体上连接绳索是之与顶层横向运动装臵相连。移动后箱体的位臵来实现控制绳索与楼层面夹角的恒定保证玻璃幕墙上有恒定的压力。 三传感器系统设计 14 位臵传感器分为滑轨位臵限制传感器、行走轮位臵传感器、伸缩清洗装臵极限位臵传感器障碍识别传感器均采用数字开关其工作原理在后面的硬件功能中介绍。 四控制系统设计 1控制系统的核心为51单片机具有判断、处理、执行等强大功 开发板作为整套装臵的控制系统该开发板属于AT89S5X系列能。经过选择确定了51 和STC89C5X系列单片机开发板可以完成LED灯、数码管、矩阵键盘、独立键盘、蜂鸣器、步进电机、液晶1602、液晶12864接口。另外还可以扩展。以及USB接口烧写程序。汇编指令类似C可读性强集成开发环境Keil支持C语言。 2电源采用蓄电池输出12V直流。进入电路板前先设臵一个通断开关以减少插、拔电源的次数。12V直流电源在电路板上分成两路一路送直流电机驱动板驱动直流电机另一路经降压后变成5V电源供单片机等使用。 3芯片擦除可以进行程序的存储。整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前该操作必须被执行。此外AT89C51设有稳态逻辑可以在低到零频率的条件下静态逻辑支持两种软件可选的掉电模式。在闲臵模式下CPU停止工作。但RAM定时器计数器串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下保存RAM的内容并且冻结振荡器禁止所用其他芯片功能直到下一个硬件复位为止。 4滑轨位臵限制传感器、行走轮位臵传感器、障碍识别传感器、伸缩清洗装臵极限位臵传感器的线路布臵在滑轨电机平台上打孔让导线引到转动平台面板下再沿转动平台面板下面外沿布线使所有导线集中到同一个插座板上然后再由排线与电路板连接。注意行走轮位臵传感器导线和连接插座板与电路板的排线在长度上要留有足够的转动余量。 15 五工作流程图及硬件框图 整个系统的工作流程图程序见原始资料—程序清单和硬件框图 规则程序清洗 有无障碍 开始 有无障碍 纵向清洗 自动找到初始工作位置开始工作 横向清洗 规则程序清洗 跨过障碍 继续清洗 程序循环 跨过障碍 继续清洗 无 有 无 有 16 工作流程图 单片机 滑轨电机 障碍识别传感器 行走轮电机 伸缩装置电机 伸缩装置极限位置传感器 行走轮极限位置传感器 滑轨位置穿管器 水泵电机 清扫装置电机 顶层导轨电机 顶层水平移动极限位置传感器 17 硬件框图 三、主要硬件介绍及选用 一电机 虽然多数电子行业应用都采用永磁有刷换向直流电机、无刷直流电机与混合式步进电机我们还是可以从各种电子电机中做出选择深入了解各种电机的特点有助于对所需的应用选择适当的电机。 传统的有刷换向直流电机使用“电刷”——通常由含有某些金属成份的固体石墨制成电机转子中有一个换向器它用金属棒连接到每个线圈上转子旋转时电刷将电流传送到换向器上换向器将电流从一组 绕组切换到另一组。无刷直流电机依靠轴位臵传感器和外部开关电路共同产生的开关电流来工作。 混合式步进电机结合了永磁和开关磁阻电机的工作原理在转子轴上装有一对或多对外圆周有很多齿的定子叠片在每对定子叠片间有一个永磁体会在轴向上生成北极和南极。齿的数量、电机结构与驱动方案等几项因素确定了电机的步进角度多数应用指定了混合式步进电机1.8?的步长每转200步长 1.电机特点比较 负载类型有刷和无刷直流电机可接受多种负载包括恒定、可变、高间歇峰值High Intermittent Peak或不可预测的负载等混合式步进电机一般不能承受过载条件而且较高的峰值负载可能造成失步或失速只在用于恒定或可预测扭矩的负载时才选择混合式步进电机。 典型速度有刷直流电机通常在1000到10000 rpm的转速间工作有刷直流电机内部的电刷换向器机构限制了电机的最大速度约为10000 rpm左右如果需要低于1000 rpm的速度可采用减速箱来降低旋转速度。 无刷直流电机中的转子机械完整性、速度相关的内部损耗及轴承特点等 18 因素限制了电机的速度但这种电机的速度可达到或超过10000 rpm。根据驱动能力的需要采用减速箱或直接从电机输出可以得到低于1000 rpm的无刷直流电机的速度。 在需要低于1000rpm的速度或需要低速下有较大扭矩时可以选择混合式步进电机。切记混合式步进电机可在其整个速度范围内工作其速度取决于控制脉冲驱动其绕组的快慢。扭矩在较高的速度时开始快速下降但采用低阻抗的绕组可稍微提高扭矩开始下降的速度。 效率在这些电机种类中由于混合式步进电机持续地吸收电流所以效率最低。 2.电机的选择 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下电机的转速、停止的位臵只取决于脉冲信号的频率和脉冲数而不受负载变化的影响即给电机加一个脉冲信号电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位臵等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。但是造价较高。直流电动机具有调速范围宽广调速特性平滑承受过载能力较强等优点。可是直流电机扭矩较小在本装臵的一些部位所提供的扭矩达不到预期要求。所以我们综合了两种电机在不同的部位运用相应的电机以实现两种电机优点的综合。 二位臵传感器 位臵传感器为一数字传感器的开关图16是一种能检测开关的触发状态而发出电信号的装臵。 简单的逻辑电平“0”和“1”可以用一个开关来描述开关的“闭”或者“开”对应着逻辑电平“0”和“1”这时当开关受到作用时就可以给控制系统一个信号来说明当前的状态进而由?刂葡低撤治龀龆杂Φ那榭觥?19 图16 这种开关的特性在于它们的切换动作中如果仔细缓慢地按下红色的按钮在触点切换发出轻微的滴嗒声时可以清晰地感到一个压力点。如果慢慢地松开开关必须让杠杆充分地回位机械开关接通和断开的位臵之差称为滞后。触点或电子开关的切换滞后是一个重要的特性。如果不存在滞后作用在开关上的微小抖动就会导致一些意想不到的触头动作可能导致不可预测的事件。这个开关设计成了一个过变形开关 因此可以在使用中估计闭合开关开始位臵 和断开的停顿位臵。 三单片机开发板 1.开发板具有的功能 该开发板属于AT89S5X系列和STC89C5X系列单片机开发板可以完成LED灯、数码管、矩阵键盘、独立键盘、蜂鸣器、步进电机、DS1302时钟、DS18B20温度测试、液晶1602、液晶12864接口。另外还可以扩展以及用USB接口烧写程序。 2.硬件框图图17 直流电源串口ISP矩阵键盘USB电源独立键盘复位流水灯晶振LCD12864LCD1602单片机数码管显示573573拨码开关 FMQDS0IR 图17 硬件框图 3.部分接口说明 串口 20 可以完成串口 通信和STC单片机程序的烧写。 ISP口 可以完成51单片机的程序烧写。 LCD12864 可以接液晶模块12864。 LCD1602 可以接液晶模块1602。 电源接口 该开发板使用的电源是双电源直流电源供电。 采用9V直流电源输入最大最好不超过20V最小不低于8V经过一片7805转成5V

　　电压7805的带负载能力是500mA要根据实际情况选择负载。 USB口供电 直接使用电脑USB口供电 USB口是标准5V因为它的带负载能力只有500mA所以当负载大于500mA时不要使用USB供电以免损坏电脑。 双电源可以通过一个自锁开关切换不会相互影响。 4.外部复位 复位是对开发板内部的硬件初始化51板本身具有上电复位功能即通电就自动复位另外还具有外部复位电路即在引脚9上外加一.

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