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1、擦玻璃清洗機(jī) 摘要 本文主要介紹了擦玻璃清洗機(jī)結(jié)構(gòu)部分和采用相關(guān)技術(shù)以及預(yù)測研究成果前景，還有設(shè)計任務(wù)分配。 關(guān)鍵詞 擦玻璃清洗機(jī) 真空吸附 機(jī)器手 機(jī)器腳 中間體 1 引言 近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市高層建筑成倍的增長，由于高層外壁的玻璃隨著時間的延長，外壁玻璃上增加了許多的粉塵和其他污物。至今，有95%城市高樓玻璃外壁采用的是人工清洗完成，它不僅投入大，效率低，費(fèi)工時時，而且極其危險，因此我們小組決定設(shè)計一種能攜帶清洗裝置或其他功能在高樓玻璃外壁移動的機(jī)器。代替人進(jìn)行高空作業(yè)，使人脫離人生安全的危險自動化的機(jī)器。我們采用了吸盤和履帶合作的技術(shù)。它具有結(jié)

2、構(gòu)簡單，穩(wěn)定可靠，操作方便，成本低，便于大量生產(chǎn)等特點。對于以上特點，該機(jī)器可應(yīng)用大量高樓玻璃的清洗工作，也可以再一層樓上用多個機(jī)器，這樣可以大大的改善工作效率提高，具有一定的使用價值，可減少人工清洗的危險度，也大大地解放社會生產(chǎn)力，所以有一定的開發(fā)前景和經(jīng)濟(jì)市場。 擦玻璃清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)部分 擦玻璃清洗機(jī)的結(jié)構(gòu)部分分二大類; 一 機(jī)器本體; 二 控制系統(tǒng); 機(jī)器本體又分二大類; 一 機(jī)器支架, 二 運(yùn)動動力系統(tǒng)。機(jī)器支架分為；擦玻璃機(jī)器手，中間體，機(jī)器腳。 2 擦玻璃機(jī)器手 對于整個擦玻璃清洗機(jī),經(jīng)過我們小組對幾種擦玻璃機(jī)器手的對比加分析后，得出最優(yōu)的方案,所

3、以我們小組采用曹天真發(fā)明一種擦玻璃機(jī)械手，其特征在于它是由轉(zhuǎn)盤擦頭、手桿、軸承及雙拉線所構(gòu)成；所說的轉(zhuǎn)盤擦頭是一帶一個直角的硬板及與之固定的擦拭軟布構(gòu)成，該轉(zhuǎn)盤擦頭的硬板面中心位置有一連接座，連接座處裝有軸承，所說的手桿與軸承中的軸心相連接，手桿下端裝有呈平行板狀的拉線支架，二拉線的各一端裝在拉線支架上呈可拉動狀，另一端分別固定連接于轉(zhuǎn)盤擦頭的直角下兩端，轉(zhuǎn)盤擦頭依軸承、手桿及二拉線呈180可旋轉(zhuǎn)狀。 我們選擇小組選擇這種擦玻璃機(jī)器手的理由是: 1.構(gòu)造簡單，使用方便、安全，可解決擦玻璃的各種情況；2.成本低。 在機(jī)器手的清洗端，我們采用市面上最新的去污方法，就是采用非接觸式去污技術(shù)，采用

4、這種技術(shù)的優(yōu)點是，既無壓力，又不加清洗劑，體現(xiàn)了簡潔，環(huán)保的設(shè)計理念。 3 中間體 中間體主要是控制系統(tǒng)和無線攝像頭。 為了設(shè)計成本的考慮，我們小組采用了玩具賽車的控制系統(tǒng)，原理是用遙控板對擦玻璃機(jī)器人遙控控制。所以我們小組用玩具賽車上的STAR ES598PCI單板開發(fā)機(jī)和接口芯片設(shè)計一個擦玻璃清洗劑控制器，能實現(xiàn)速度可調(diào)，并能實現(xiàn)左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向的同時要有指示燈。上面我們小組采用無線電控制系統(tǒng)，這樣就可以使擦玻璃清潔機(jī)和地面人員操作分離了。 為了讓擦玻璃清洗機(jī)在高樓的外壁玻璃上準(zhǔn)確無誤的擦玻璃，所以我們小組采用了無線攝像頭實時監(jiān)控技術(shù)，是在地面人員可以實時觀察擦玻璃清洗機(jī)高空作業(yè)的

5、情況。 從成本和個方面的考慮，我們采用了普通的攝像頭，它不但價格相對較低，而且可以達(dá)到操作的要求。 4 機(jī)器腳 機(jī)器腳主要是動力系統(tǒng)，吸盤和履帶，則擦玻璃清洗機(jī)行走方式是吸盤和履帶并用方式。 動力系統(tǒng)的動力我們采用玩具車上的有刷電機(jī)。有刷電機(jī)有成本低和動力的功率足以能讓機(jī)器在玻璃上自由的移動。如下是動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 有刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)如下：它的定子上安裝有固定的主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子上安裝有電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流產(chǎn)生的磁場與主磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動負(fù)載?！∮兴⒅绷麟姍C(jī)的工作原理圖如圖。在有刷直流電機(jī)的固定部分有磁鐵

6、，這里稱作主磁極;固定部分還有電刷。轉(zhuǎn)動部分有環(huán)形鐵芯和繞在環(huán)形鐵芯上的繞組。　圖2-1所示的兩極有刷直流電機(jī)的固定部分(定子)上裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁極N和S，在旋轉(zhuǎn)部分(轉(zhuǎn)子)上裝設(shè)電樞鐵芯。定子與轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。在電樞鐵芯上放置了由A和X兩根導(dǎo)體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向器固定在轉(zhuǎn)軸上，換向片與轉(zhuǎn)軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。 吸盤的作用使擦玻璃清洗機(jī)貼住在高樓的玻璃上不能掉下來。經(jīng)過

7、我們小組多天的收集相關(guān)的資料，從真空吸附型，緊握吸附型，粘貼吸附型，靜電吸附型以及磁力吸附型。經(jīng)過各方面因素的考慮，所以我們采用了真空吸附型。 這種吸附型：它是一種較為輕便，具有易于控制的吸附類型。主要依靠真空負(fù)壓原理，使得吸盤吸盤吸附在壁上。對于這種吸盤的大小和吸力的函數(shù)關(guān)系。如下 吸盤直徑D（cm） 10 13 16 20 25 32 40 50 吸持面積（cm2） 0.785 1.33 3.01 3.14 4.47 8.04 12.6 14.6 吸盤的垂直提升力（N）(-0.04MPa) 6.83 11.57 17.59 27．32 42

8、.72 69.95 109.6 170.5 這種吸附存在一定的缺陷，就是在不平整的墻面上的吸附能力急劇下降，所以我們設(shè)計的機(jī)器在適應(yīng)范圍被限制在表面粗糙較小，表面相對平整的壁面上。在至今為止，采用這種吸附類型的有品貝大學(xué)的DEXTER機(jī)器人和香船大學(xué)的WALLWALKER機(jī)器人。 履帶的作用使擦玻璃清洗機(jī)能在玻璃向前向后移動以及自由的轉(zhuǎn)動。對于擦玻璃清洗機(jī)行走方式這個難題，我們小組進(jìn)行了討論之后，從坦克的移動方式得到了啟示，大家一致認(rèn)為用坦克的履帶式，因為想增大清洗機(jī)與玻璃的摩擦力增大，由摩擦力公式得：f摩=K*F，有二種方式。增加接觸面積，和用摩擦系數(shù)大的物質(zhì)。由于坦克的履帶是接觸

9、面積最大，使之擦玻璃清洗機(jī)在高樓玻璃外壁上不容易打滑。在履帶表面加一種特殊的摩擦物質(zhì)——聚四氟乙稀。這種物質(zhì)有較好的摩擦系數(shù)。在（一）溫度性能：聚四氟乙烯（PTFE）樹脂材料的高溫穩(wěn)定性來自于極強(qiáng)的碳-氟原子鍵，并且由此確定了聚四氟乙烯（PTFE）樹脂材料成為一種非常有用的抗高溫聚合物。因而聚四氟乙烯（PTFE）樹脂材料在超過幾乎所有其它熱塑料和合成橡膠的高溫極限下仍保持其性質(zhì)不變。同時，與其它聚合物相比，在抗純壓力和高溫時，聚四氟乙烯（PTFE）樹脂材料的熔融粘度也非常高。因為聚四氟乙烯（PTFE）樹脂材料具有極高的抗熱裂變極限和很高的熔點和自燃點，聚四氟乙烯（PTFE）樹脂材料能耐高溫和火

10、焰。在正常的工作溫度范圍內(nèi)，聚四氟乙烯（PTFE）額定溫度上限是260℃，在此情況下，它不熱裂變。在觀察260-360℃范圍內(nèi)，重量損失相當(dāng)小，并且損失是由于在聚合中吸收少量氣體和水分。只有在溫度超過400℃情況下，聚四氟乙烯（PTFE）樹脂材料的熱裂變才變得明顯。（二）化學(xué)穩(wěn)定性，（三）電學(xué)性能，（四）安全可靠性。從這方面的考慮，我們小組決定用這種物質(zhì)相對較好。 5 應(yīng)用原理 遙控板——擦玻璃清洗機(jī)——操作行動 6 技術(shù)采用 1吸盤和履帶技術(shù) 2無線控制技術(shù) 3無線攝像頭實時監(jiān)控技術(shù) 4 非接觸式去污技術(shù) 7 結(jié)論 我們小組對這個擦玻璃清洗機(jī)設(shè)計的思路，

11、對于高樓外壁玻璃的清洗工作，我們借用了賽車的STAR ES598PCI單板開發(fā)機(jī)和接口芯片設(shè)計一個擦玻璃清洗劑控制器，實現(xiàn)了通過地面手持人機(jī)交互設(shè)備無線控制高空擦玻璃器擦洗玻璃的一些功能，如：控制終端和主機(jī)能進(jìn)行良好交互，主機(jī)可根據(jù)指令而做相應(yīng)工作；控制設(shè)備可以根據(jù)主機(jī)應(yīng)答對本次操作結(jié)果進(jìn)行提示；主機(jī)可沿著玻璃面實現(xiàn)上移、下移運(yùn)行；主機(jī)有一定的跨越障礙物功能，且其上裝有無線攝像頭為地面操作者提供操作信息；主機(jī)具備了一定的擦洗能力。該系統(tǒng)解決了人工高空清洗玻璃存在的投入大、危險性高、難度高等問題。不足點是我們小組采用吸盤和履帶協(xié)同技術(shù)，使擦玻璃清洗機(jī)在玻璃上的運(yùn)動速度較慢的問題。 9 預(yù)期研究

12、成果 從研究的成果上，我們小組主要是從人文觀點和經(jīng)濟(jì)角度的方面去考慮。從人文觀點看：由于城市高層建筑成倍的增長，由于高層外壁的玻璃隨著時間的延長，外壁玻璃上增加了許多的粉塵和其他污物。現(xiàn)在清洗工作大多數(shù)都是人工清洗，這樣使工作人員生命受到極度的危險，所以如果用擦玻璃清洗機(jī)就可以代替人做清洗工作。其次，從經(jīng)濟(jì)角度來看：人工清洗，它不僅投入大，效率低，費(fèi)工時；如果用機(jī)器來清洗，一層樓上用多個機(jī)器，這樣可以大大的改善工作效率提高，也大大地解放社會生產(chǎn)力，所以有一定的開發(fā)前景和經(jīng)濟(jì)市場。 10 設(shè)計任務(wù)分配 我們組的成員有嚴(yán)靜靜 白大蓋 萬廣旭 任慧童 李宏剛 任務(wù)分配；萬廣旭和白大蓋收集馬達(dá)，攝像頭，機(jī)器手和機(jī)器腳相關(guān)資料，任慧童畫機(jī)器動力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，李宏剛整理相關(guān)圖片和提出設(shè)計思路，嚴(yán)靜靜整理各方資料。 [參考文獻(xiàn)] 《機(jī)器人學(xué)》 蔡自興 《機(jī)器人導(dǎo)論》 （美） John.Craig 《機(jī)器人工程》 John.Angeles 李昌輝 自動上料機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2009