{管理信息化智能制造}小型壁面清洁机器人.pdf

管理信息化智能制造小 型壁面清洁机器人 管理信息化智能制造小 型壁面清洁机器人 本设计采用正负压结合的吸附方式 螺旋桨通过桨叶异型曲面产生的空气动力与桨叶扭角向后推空气产生的反作用力共同 作用，产生指向壁面的正压力；内部离心风叶，高速旋转，将内腔中空气沿径向导出，使 腔内外形成一定压差，在外表面上产生指向壁面的负压力同时，其也起到吸尘的作用， 携带灰尘的空气经过滤网后可将灰尘过滤 螺旋桨和离心风叶共同旋转，正、负压吸附有机结合，共同作用于机器人本体，产生 足够大的摩擦力来克服自身重力，使机器人吸附在壁面上这种方式吸附力强，壁面适应 性好，越障容易，以能够弥补单一吸附所带来的不足，达到良好吸附效果 （二）特色 1.清扫方式，采用滚刷清洁，效率及清洗效果较其他类清洗方式更好 2.本设计采用四轮推进方式,其控制及运动灵活,操作方式,宜于操作 3.本设计配备干擦和湿擦两种功能，适应面广并设计有吸水刷抬起机构，人性化 设计，只需用手抬起，即可单独执行吸灰功能 4.本设计采用遥控方式控制其前进、后退和转弯，操作灵活，人机交互性好；而且 可遥控控制螺旋桨及离心风叶的转速，进而灵活地调节其吸附力，以适应不同的场合。

5.本设计综合运用机械、电控等领域的技术，具备机、电相结合的特点，符合现代 机械行业发展趋势 本项目在继承传统吸附方式的同时，引入正压吸附，这不仅丰富了壁面机器人的吸附技 术，弥补吸附方式的不足，同时也对吸附技术朝更深层次领域发展起到了推进作用，为正 压吸附领域的研究奠定了一定基础 （三）项目总结 本项目的目的在于提供一种基于正负压吸附原理的，结构简单，具有一定壁面适应能 力的，可以遥控的小型壁面清洁机器人 一个实用的壁面清洁机器，要能良好的吸附于接近垂直的壁面；要有良好的移动方 式，以便于高效率作业；要有良好的清洁方式，以便于达到彻底清洁的目的 1.功能要求 （1）可以牢固地吸附于壁面上； （2）可以在有一定曲率半径或有一定障碍的壁面行走； （3）可以灵活的前进、后退和转向； （4）可以达到高效率清洁的目的 2.基本参数如下 （1）基本尺寸：长 400mm宽 410mm高 200mm； （2）整体重量：6 千克； （3）工作壁面：玻璃壁面和墙面； （4）载体方式：正、负压吸附原理相结合； （5）移动方式：四轮驱动； （6）移动速度：10m/min，可调速； （7）控制方式：遥控； （8）越障能力：可跨越 15mm 以下的障碍。

3.具体实现方案 本项目从整体上来说，分为五部分，如下所示 图 1 机器人本体正视图图 2 机器人本体后视图 各部分的实施方式与关键点如下： （1）吸附部分 吸附技术是本项目的关键技术此处采用正压吸附原理和负压吸附原理相结合的吸附方 式 正压吸附，即通过在机体外表面安装螺旋桨，通过桨叶异型曲面产生的空气动力与桨 扭角向后推空气产生的反作用力共同作用，产生指向壁面的正压力，通过螺旋桨传递到电 机，进而传递车体，使车轮与壁面产生摩擦力来克服重力，以达到吸附的目的而且正压 吸附能降低机器人对作业表面属性的依赖程度 图 3 螺旋桨正压吸附原理示意图图 4 螺旋桨实物 关于螺旋桨产生的正压静拉力大小可由下式计算： 式中： 为静拉力，单位为克； 为螺旋桨的桨距，单位为英寸； 为螺旋桨的直径，单位为英寸； 为螺旋桨的转速，单位为千转/分钟 表 1 各型号桨静拉力计算 编号参数桨距 P（英寸）直径 D（英寸） 转速KRP （r/min） 静拉力 T(g)静拉力 T(g) 161380002391.72391.7 281380003189.03189.0 361480002987.22987.2 481480003982.93982.9 581580004898.94898.9 上面表 1 列举了几种不同参数的螺旋桨所产生的静拉力的数值。

由此可以看出，只要 机器人本体 吸附部分推进部分清洁部分控制部分安全保护部分 正负压相结合四轮驱动干、湿擦结合遥控绳索牵引保护 选好一定参数的桨，使其达到某种转速时，即可达到所要求的静拉力 负压吸附，即内部安装有离心风叶，高速旋转，将内腔中空气沿径向导出，使腔内外 形成一定压差，在外表面上产生指向壁面的负压力，同样也使车轮与壁面产生摩擦力来克 服重力，达到吸附目的负压吸附技术是利用真空原理进行吸附的，采用离心式风机作为 真空发生源，真空度通常在 2kpa15kpa 之间，因此称为负压吸附 图 5 负压吸附原理示意图 图 6 离心叶片实物图 7 机器人附着模型简图 关于离心风机产生的负压力大小可由下式计算： 式中： 为负压力，单位为牛顿； 为内压腔的压差，即真空度，单位为帕斯卡; 为有效作用面积，单位为平方米 设定可达到真空度为 3kpa,有效作用面积为 340mm340mm,则计算得为 231.2N 本项目将两种吸附方式相结合，电动机固定在内腔中，带动螺旋桨和离心风叶旋转， 正、负压原理有机结合，共同作用于机器人本体，产生足够大的摩擦力来克服自身重力， 使机器人本体吸附在壁面上而且共同作用，将会降低滑落、翻倒的可能性，使吸附效果 达到最佳状态。

机器人的附着模型如图 7，计算如下： 式中： G 表示机器人的重力（N） ； 表示的等效附着力（N） ； 表示的等效附着力（N） ； 表示点的反力（N） ； 表示点的反力（N） ； 表示点的驱动力（N） ； 表示点的驱动力（N） ； 表示壁面与水平面的夹角； 表示，由机器人的结构确定 表 2 电机相关参数 编号马达型号电压范围KV 值(rpm/v)电调(A)电池(节)/桨 XYH-W-023XYH-W-023OK-C4250-A6v-18v60060LiPoX4 表 1 中电机的外型尺寸为42.5X50（mm） ，出轴为5.0X20.0(mm)，重量为 195g 图 8 主电机图 9 无刷电子调速器 配合电机选用无刷电子调速器，其特征及技术参数如下所示 特 征 : 特 征 : 无刷电子调速器主要 特性和功能如下： 电调功能设定简单, 操作方便 油门行程会自动设 定，线性极好，具有 平滑细腻的手感 安全通电功能，接 通电源时无论遥控器 的油门摇杆在任何位 置均不会立即启动电 机，防止电机突然旋 转伤人 防堵转设计，电机 出现堵转时自动切断 电源避免电调损坏 调制频率 (PWM):8KHZ 超温保护 110。

遥控信号丢失 3 秒 后自动关断 可以连接编程卡， 容易地设定电调的各 种参数 具有两种设置模式 以满足不同磁铁极数 电机的要求 a：软模式适合普通电 机（2，4，6 极）提供 最大效率 b：硬模式适合 6 极或 更多极数电机提供最 高转速和电流 技 术 参 数 : 技 术 参 数 : 产品名称：HiModel60A 无 刷电子调速器 厂家编号：FLY-60A 重量:35g 尺寸:22185mm 标准电流:60A 最大电流:70A(10 秒) BEC 输出:无(需另配 UBEC) 输入:2-6 节锂电池,或 6-16 节镍氢电池 图 10 机器人本体剖视图 综上所述：正压力与负压力共同作用，产生拉力为约为 280N，取橡胶车轮与墙面的摩 擦系数为 0.3，则可使重量为 8.4Kg 的车体吸附于壁面即项目所设定机器人本体重量满足 要求 （2）推进部分 这里采用四轮驱动机器人本体左、右侧单独驱动，四轮皆可产生有用的摩擦力来克 服重力当两侧速度相同时，可实现直线前进与后退当两侧速度不同时，可实现转弯 前后车轮装配图如图所示其中车轮表面要求齿状挂胶处理，以增加其表面与壁面的 摩擦力 图 11 主动轮装配图 图 12 从动轮装配图 车轮电机配制有 CSKJ 无级电子调速器，可制电机速度大小及方向，其产品特性及参数如 下。

特 征 : 特 征 : CSKJ 比例遥控双向带刹无级电子调速器采用微处理器为控制芯片，智能化处理信号，利用 软件优化，提高了抗干扰能力 刹车功能打油门是刹车，回中，再反打油门即可倒车前进刹车回中后 退 运转平滑性出功率为 PWM 调制，调制频率为 3KHz，极大地提高了马达从低速到高速的运 转平滑性，特别是低速时，马达的运转线性非常平滑 低内阻输出精心挑选的低内阻大功率场效应管，确保动力澎湃 技 术 参 数 : 技 术 参 数 : 体积：45mmx35mmx23mm 重量：55g 持续电流：前 75A 后 75A 瞬间峰值电流：150A 内阻：4 毫欧-即 0.004 欧 工作电压：5V17V BEC:5V/1A 图 13CSKJ 比例遥控双向带刹无级电子调速器 （3）清洁部分 机器人本体内部配有干擦和湿擦双清洁结构 干刷旋转时，将壁面的灰尘扫起，同时离心风叶又起到抽气吸尘的作用，将灰尘吸起 通过过滤网将其过滤收集 湿擦为有水清洗，湿刷和海绵材料制作，带水擦洗，污水沿壁面流下，流经吸水辊子 将水收集，并与挤水辊子相挤，将污水挤出，回收到污水收集箱 当壁面只需要扫灰而不需要带水清洗时，可将湿刷停转，将吸水辊子沿槽抬起，在结 构上设计有卡槽，将吸水辊子移动到卡槽内，并用弹簧卡住固定，此时只进行干擦洗。

图 14 机器人内部结构视图图 15 抬起机构局部视图 湿刷电机选用德国冯哈勃 Faulhaber 空心杯减速电机 2342L012，电机通过联轴器连接有蜗 轮蜗杆减速器减速，通过齿轮传动将动力传递至湿刷电机参数如下 图 16 德国冯哈勃 Faulhaber 带编码器空心杯减速电机 2342L012 工作电压:12V 空载转速：8100RPM（转每分钟）减速后速：120RPM（转每分钟）直径：30mm 电机长度：42mm 总共长度：85mm 出轴直径：6mm 出轴长度：35mm 输出功率：17W 空载电 流：75mA 堵转电流：1400mA 减速箱型号：日本定制（全金属精密行星减速箱）减速比： 64：1 （4）控制部分 本机器人采用遥控控制操作人员可在地面进行操作 根据实际壁面的情况来调节螺旋桨和风叶动力电机的转速，进而提高吸附力，以适应 不同壁面要求；也可以遥控调节其左右侧推进电机的转速来实现前进、后退和转向；调节 湿刷和喷水的频率，来适应不同壁面的清洗 发射机 （5）安全保护部分 在垂直壁面上吸附作业时，为避免其滑落，需要有保险装置对这种意外情况实施保 险，可在楼顶或屋顶提供保险绳作为安全保险措施。

接收机 1 号电子调速器2 号电子调速器3 号电子调速器 主电机左车轮右车轮 图 17 机器人吸附于表面的图片 四、 问题、体会与收获四、 问题、体会与收获 壁面清洁机器人技术作为多学科交叉的特种机器人技术，尚有诸多共性问题亟待进一 步研究 1、机器人载体设计中的通用性技术的深入研究，如吸附技术、能源供给技术、新材料、多 传感器融合技术等，使壁面清洗机器人设计做到面向对象与通用性相结合 2、对机器人路径规划器之间的问题应作深入的研究，找到适合于机器人作业的路径规划方 法 3、针对壁面清洁机器人样机应进一步提高其工作效率，减轻载体重量，并进行结构简化， 以求具有更加良好的适应性和机动性 在项目进展过程中，我们体会最深就是创新所谓创新，既要求所做的项目要求一定 的创新性，要不同于以往，要有所突破，也可以有所借鉴，不仅所提出来的思想要新，而 且要有可行性好的东西保留，不好的东西舍弃，并将这些东西合理地运用在自己的项目 中去，通过一定的努力去将其实现这就是我们所理解的创新 本项目从设计到制作的过程中，发现理论与实践有较大差距有时我们所想象出来的 想法或结构，虽然想的很好，但是与实际脱轨当我们带着激动而又紧张的心情，拿着辛 辛苦苦画好的图纸来到工厂准备加工时，工人师傅往往都在看后，给我们的设计指出了很 多的错误，需要做较大的改动。

因为有些零件是不合理的或根本加工不出来的比如，我 们最初的设计方案为六轮驱动，但是从重量和结构稳定性方面考虑是不合理的，所以经师 傅们指点改为了四轮驱动。