青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

1 設(shè)計(jì)背景

目前，玻璃幕墻的清洗工作主要依靠人工［1］。在人工進(jìn)行清洗作業(yè)的過程中事故頻發(fā)，使清潔工人的生命安全受到嚴(yán)重威脅，并且人工清洗效率低下，在一定程度上抑制了玻璃幕墻行業(yè)的發(fā)展。在智能機(jī)器人方面，目前的主流是吸盤吸附式清潔機(jī)器人，這種機(jī)器人相對于人工清洗而言安全且速度快，但是以此來代替人工清潔還相差甚遠(yuǎn)，因?yàn)榍逑葱Чh(yuǎn)不及人工清潔，越障能力方面技術(shù)也不成熟，只能在無邊框或隱形邊框的玻璃幕墻上工作，可靠性和安全程度受到制約［2］。可見，從安全和環(huán)境適應(yīng)方面考慮，采用纜索式機(jī)器人進(jìn)行清洗作業(yè)更安全，效果也更好。

圖1所示為一款真空吸盤式爬壁機(jī)器人，主要由真空吸盤、氣體分配器、鏈條約束罩、清洗機(jī)構(gòu)、鏈輪鏈條、電動機(jī)、真空泵、離合器及蝸輪蝸桿組成［3］。機(jī)器人由電動機(jī)驅(qū)動，通過真空吸盤在壁面上攀爬，清洗機(jī)構(gòu)同步清洗。鏈輪由電動機(jī)帶動，左右兩側(cè)真空吸盤分別由兩對鏈輪帶動，與玻璃幕墻壁面接觸的底面部分由真空泵形成真空，吸附在壁面上。由于真空吸盤與鏈輪一同轉(zhuǎn)動，因此在同步帶輪上嵌入氣體分配器，避免了真空吸盤與氣體分配器之間的管道纏繞。

▲圖1 真空吸盤式爬壁機(jī)器人

▲圖2 WRN70型擦窗機(jī)器人

科沃斯公司研制并且已經(jīng)投入市場的WRN70型擦窗機(jī)器人［4］如圖2所示。該機(jī)器人清洗窗戶時(shí)依靠內(nèi)外兩圈真空吸盤，在外圈真空吸盤失效后可由內(nèi)圈真空吸盤提供吸附力，除此以外還有安全扣設(shè)計(jì)，提供了多重安全保障。在斷電情況下，該機(jī)器人由內(nèi)部安全電池驅(qū)動，可以使用15 min左右。吸附機(jī)構(gòu)承重為200 N，依靠履帶式防滑驅(qū)動輪在玻璃表面進(jìn)行移動。該機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)小巧靈活、安全性高，缺點(diǎn)是清洗范圍必須保證在電源線可到達(dá)的范圍內(nèi)，僅可服務(wù)于家庭式的玻璃表面清洗，清洗效率較低［5］。

2 整體方案

筆者基于國內(nèi)外玻璃幕墻清洗機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和玻璃幕墻清洗的研究成果，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于中低層玻璃幕墻清洗，并可實(shí)現(xiàn)2 cm障礙跨越的自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人。機(jī)器人本體可以在壁面上攀爬纜索進(jìn)行移動，進(jìn)而完成清洗工作［6］。機(jī)器人采用框架式結(jié)構(gòu)，分上下兩層，中間用滾珠絲杠及支座連接。自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體包括夾緊纜索的夾緊部件、用于機(jī)器人本體在豎直方向進(jìn)行運(yùn)動的移動部件、對玻璃幕墻進(jìn)行清洗及污水回收的清洗部件、將機(jī)器人本體進(jìn)行懸吊的懸吊裝置及對清洗面進(jìn)行監(jiān)控的傳感器監(jiān)控裝置。

▲圖3 自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人整機(jī)結(jié)構(gòu)

3 部件設(shè)計(jì)

3.1 夾緊部件

夾緊部件是自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人的重要組成部分［7］，由夾緊爪、錐形頂桿、拉力彈簧、機(jī)架等組成，如圖4所示。夾緊爪用于對纜索的夾緊抓取，氣缸活塞桿驅(qū)動錐形頂桿為夾緊爪提供夾緊力，拉力彈簧用于夾緊爪的釋放。夾緊部件配合移動部件完成機(jī)器人整機(jī)的移動。夾緊爪對纜索的夾緊力是夾緊部件設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，夾緊力需要克服機(jī)器人自身重力所產(chǎn)生的靜載荷及工作過程中所產(chǎn)生的慣性載荷。夾緊力Fn的計(jì)算式為：

式中：K1為安全因子，K1=1.8；K2為工況因子，K2=1.002；K3為 方位因子，K3=1；G為機(jī)器人本體重力，G=294 N。

▲圖4 自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人夾緊部件結(jié)構(gòu)

相應(yīng)參數(shù)代入式（1），解得Fn=530 N。

驅(qū)動氣缸選用單活塞桿雙作用氣缸［8］，氣缸活塞桿端部裝有錐形頂桿，通過拉力彈簧和錐形頂桿來實(shí)現(xiàn)夾緊爪的張合［9］。對夾緊爪進(jìn)行受力分析，得出：

式中：F為活塞桿驅(qū)動力，N；α為夾緊爪與活塞桿的夾角，α=30°。

相應(yīng)參數(shù)代入式（2），解得F=408 N。

傳動效率η=0.85，則實(shí)際所需要的活塞桿驅(qū)動力Fc為：

取氣壓p=0.6 MPa，則氣缸直徑D為：

根據(jù)液壓氣壓手冊中的缸體內(nèi)徑系列，圓整后取氣缸直徑D=32 mm，活塞桿直徑d=0.5D=16 mm，氣缸缸體長度L≤（20～30）D，取L=130 mm。

3.2 移動部件

在玻璃壁面豎直方向沒有障礙的前提條件下，自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人可以在豎直方向壁面上通過絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)連續(xù)移動，在水平方向上則以人工輔助方式，配合懸吊裝置來完成移動。整體結(jié)構(gòu)由三維運(yùn)動轉(zhuǎn)換為二維運(yùn)動，在很大程度上簡化了機(jī)構(gòu)，工作的安全性、可靠性也得到大幅度提高。自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人移動部件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

移動部件工作過程如下：① 初始狀態(tài)時(shí)，上板和下板兩組夾緊氣缸的活塞桿均處于伸出狀態(tài)，使夾緊爪夾緊纜索，上板和下板均處于靜止?fàn)顟B(tài)；② 上板夾緊氣缸的活塞桿收縮，夾緊爪在拉力彈簧作用下分開，電動機(jī)接收到控制系統(tǒng)發(fā)送的信號轉(zhuǎn)動，使絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動上板移動預(yù)設(shè)的距離；③上板夾緊氣缸的活塞桿伸出，夾緊爪夾緊纜索，上板和下板兩組夾緊裝置的夾緊爪處于夾緊狀態(tài)，上板和下板均處于靜止?fàn)顟B(tài)；④下板夾緊氣缸的活塞桿收縮，夾緊爪在拉力彈簧的作用下分開，電動機(jī)接收到控制系統(tǒng)發(fā)送的信號轉(zhuǎn)動，使絲杠螺母機(jī)構(gòu)帶動下板移動預(yù)設(shè)的距離；⑤下板夾緊氣缸的活塞桿伸出，夾緊爪夾緊纜索，上板和下板兩組夾緊裝置的夾緊爪處于夾緊狀態(tài)，上板和下板均處于靜止?fàn)顟B(tài)，完成一個(gè)移動周期。如此多次反復(fù)，利用上下板的相對運(yùn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動。

▲圖5 自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人移動部件結(jié)構(gòu)

自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人在正常移動清洗過程中采取上下板交替的移動方式［10］，在夾緊部件作用下實(shí)現(xiàn)豎直移動，在懸吊裝置作用下實(shí)現(xiàn)水平移動，這種移動方式的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、移動平穩(wěn)。

3.3 清洗部件

自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)采用國內(nèi)外主流工作方式：噴水、滾刷、盤刷，這種工作方式具有較強(qiáng)的去污效果，工作可靠性毋庸置疑。通過噴霧嘴對壁面進(jìn)行濕潤，在清洗液和機(jī)械力的雙重作用下將壁面與污染物、灰塵分離，利用擦板將壁面多余的水體擦拭干凈，實(shí)現(xiàn)壁面的清潔。清洗過程中多余的清洗液經(jīng)過刮板進(jìn)入過濾回收裝置，待凈化、過濾之后重復(fù)利用，提高了清洗液利用率。自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人清洗過程框圖如圖6所示。

▲圖6 自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人清洗過程框圖

滾刷是自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人進(jìn)行清洗作業(yè)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動機(jī)和帶傳動裝置組成清洗部件驅(qū)動機(jī)構(gòu)。電動機(jī)固定安裝在支架上，機(jī)器人下板與滾刷連接，中間有緩沖彈簧，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人跨越式行走，并具有減振效果。滾刷結(jié)構(gòu)如圖7所示。

▲圖7 滾刷結(jié)構(gòu)

盤刷結(jié)構(gòu)如圖8所示。電動機(jī)將動力傳遞給盤刷，為防止污水濺出，將兩個(gè)盤刷設(shè)計(jì)為反方向轉(zhuǎn)動，使污水在中間收集，防止造成二次污染。

4 夾緊部件仿真分析

4.1 三維建模

在SolidWorks軟件中創(chuàng)建夾緊部件三維模型，然后將整個(gè)裝配體導(dǎo)出為.xt格式，再導(dǎo)入ADAMS軟件，三維模型效果如圖9所示。夾緊部件由上板、左上氣缸及夾緊爪、右上氣缸及夾緊爪、下板、左下氣缸及夾緊爪、右下氣缸及夾緊爪、絲杠等組成。

▲圖8 盤刷結(jié)構(gòu)

▲圖9 夾緊部件三維模型效果圖

4.2 創(chuàng)建錐形頂桿

根據(jù)夾緊部件實(shí)際運(yùn)動情況，創(chuàng)建錐形頂桿，如圖10所示。

▲圖10 創(chuàng)建錐形頂桿示意圖

4.3 創(chuàng)建運(yùn)動副及驅(qū)動

根據(jù)夾緊部件實(shí)際運(yùn)動情況，創(chuàng)建上板、下板、氣缸、夾緊爪、絲杠螺母機(jī)構(gòu)等運(yùn)動副，如圖11所示。

根據(jù)驅(qū)動函數(shù)，對相應(yīng)的運(yùn)動副創(chuàng)建驅(qū)動，如圖12所示。

4.4 創(chuàng)建接觸

在夾爪緊與錐形頂桿、夾緊爪之間創(chuàng)建接觸，如圖13所示。接觸參數(shù)可以根據(jù)試驗(yàn)情況進(jìn)行調(diào)整。

▲圖11 創(chuàng)建運(yùn)動副示意圖

▲圖12 創(chuàng)建運(yùn)動副驅(qū)動示意圖

4.5 創(chuàng)建重力及彈簧

對夾緊部件創(chuàng)建沿+Z軸方向的重力，重力加速度為 9.8 m/s2，如圖 14所示。

根據(jù)夾緊爪實(shí)際情況，在拉力彈簧裝配位置創(chuàng)建4個(gè)彈簧剛度系數(shù)為10 N/mm的拉力彈簧，如圖15所示。

4.6 創(chuàng)建計(jì)算方案并求解

夾緊部件作為自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人的重要組成部分，其承載能力直接影響機(jī)器人的效率和壽命，所以對夾緊部件進(jìn)行動力學(xué)分析十分有必要［11-13］。創(chuàng)建求解方案，設(shè)置求解終止時(shí)間為4.6 s，求解總步數(shù)為460步，求解計(jì)算結(jié)果如圖16～圖18所示。

氣缸活塞桿位移、速度和加速度曲線反映了氣缸活塞桿在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動效果。氣缸活塞桿夾緊力曲線如圖19、圖 20所示。

由圖19、圖20可以看出，夾緊爪在夾緊和松開狀態(tài)下受力大小與計(jì)算值吻合，且大于計(jì)算值，稍有冗余，保證了自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人在工作過程中的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果與理論分析相符。

▲圖13 創(chuàng)建接觸示意圖

▲圖14 創(chuàng)建重力示意圖

▲圖15 創(chuàng)建拉力彈簧示意圖

拉力彈簧受力曲線如圖21所示，可以看出在夾緊爪夾緊和松開狀態(tài)下，拉力彈簧受力分別為538.7 N和605 N，沒有超出拉力彈簧的彈性極限強(qiáng)度，仿真結(jié)果是可行的。

▲圖16 氣缸活塞桿位移曲線

▲圖17 氣缸活塞桿速度曲線

▲圖18 氣缸活塞桿加速度曲線

▲圖19 夾緊爪放松過程夾緊力曲線

▲圖20 夾緊爪夾緊過程夾緊力曲線

▲圖21 拉力彈簧受力曲線

5 結(jié)束語

根據(jù)玻璃幕墻清洗的需求，設(shè)計(jì)了自攀爬式玻璃幕墻清洗機(jī)器人的主體、夾緊部件、移動部件、清洗部件。應(yīng)用SolidWorks軟件建立了機(jī)器人三維模型，將模型導(dǎo)入 ADAMS軟件，通過施加各種轉(zhuǎn)動副、約束副和定義接觸，建立虛擬樣機(jī)模型。通過應(yīng)用Step階躍函數(shù)對虛擬樣機(jī)定義運(yùn)動，施加載荷，對夾緊部件進(jìn)行了工作工況下的動力學(xué)仿真分析，得出夾緊部件隨時(shí)間變化曲線，并與理論值進(jìn)行比較，使機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上更加完善。