基于模块化家用擦玻璃机器人机构及控制系统研究
发布时间：2021-08-14 09:38
近年来,随着我国城市化进程越来越多的人涌入城市,城市住宅建筑不断向高处发展。为了满足住宅玻璃清洁的需要,把人从擦玻璃这样繁重危险的家务劳动中解放出来,擦玻璃机器人运用而生。本文在研究总结国内外玻璃清洁机器人技术和成果的基础上,研发出一款面向居民住宅楼玻璃清洁的家用擦玻璃机器人。本文围绕以下几点开展工作:1.擦玻璃机器人总体方案的确定。应用模块化设计理论,首先确定擦玻璃机器人要实现清洁玻璃所需要的基本功能即子功能。综合考虑并得出各个子功能在功能相关、装配相关、空间相关、能量相关、信息相关、时间相关等准则上的相关度,然后采用谱系聚类法对所有的子功能进行聚合得出聚类谱系图,依据得到的聚类谱系图将擦玻璃机器人划分成四大功能模块,即运动吸附模块、支撑模块、控制模块、清洁模块。确定出擦玻璃机器人的总体方案。2.擦玻璃机器人功能模块的实现。本文对所确定出的四个功能模块进行了研究,构建出基于框架结构电驱真空吸盘吸附的擦玻璃机器人。并对机器人清洁模块进行重点研究,结构上实现了抹布快换的功能,提出并研究了能对紧密附着在玻璃上的污渍进行重点清洁的可伸缩刮板机构,保证了机器人对玻璃的有效清洁。3.擦玻璃机器人...
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
西亮教授的二号样机1978年，日本的一家公司制作了一种名
基于模块化家用擦玻璃机器人机构及控制系统研究2带给工业生产和科学研究十分巨大的改变，而且将会给人类的实际生活带来长远的影响[2]。目前来看，机器人在农业、制造业、服务业以及国防工业等领域发挥着越来越重要的作用，在社会生产活动和人类生活中被广泛地使用。家庭服务机器人是一种半自动或全自动工作的特种机器人，它可以代替人做家务。最近几年家庭服务机器人行业获得了快速地发展。家庭服务机器人逐渐趋向小型化，同时也越来越容易操作，功能也更加的全面和丰富。这些小型家庭服务机器人开辟了机器人应用的新领域，逐渐步入了人们的日常生活。家用擦玻璃机器人属于移动式家庭服务机器人的一种，将爬壁机器人应用于清洁玻璃成为了研究热点。1.3国内外研究现状1.3.1国外的研究现状国外对爬壁机器人这一领域开展研究的时间较早。其中日本走在了前列，率先研制出了世界上第一台爬壁机器人样机。随后，许多工业国家开始投入物力人力加大对其的研发力度。如美国、日本、德国、俄罗斯、英国等国家陆续研究出一些具备不同特色的爬壁机器人样机。1966年，在大阪府立大学工学部当讲师的西亮对风扇转动时造成进气一侧气压较小从而产生负压这一原理加以运用研制出全球第一台壁面移动机器人样机[3]。1975年，在宫崎大学工学部担任教授一职的西亮通过使用单吸盘吸附轮式移动结构研制出了第二号样机[4]，如图1.1所示。图1.1西亮教授的二号样机图1.2“步行者”爬壁机器人1978年，日本的一家公司制作了一种名叫“步行者”的爬壁机器人[5]。如图1.2所示。该机器人的吸附功能由真空泵生成负压的单吸盘吸附机构来实现，移动功能通过上下两个滚轮带动左右两条行走皮带来实现。皮带和滚子组成一个密闭的真空
河北工业大学硕士学位论文3腔体。通过调节滚轮和皮带的速度差来实现转向。但该机器人存在一个严重的不足：当墙体有裂缝时，真空就会被破坏。随后，清水建设株式会社在1991年开发出一款应用于玻璃清洁的爬壁机器人，如图1.3所示。其总体采用真空吸附，气体驱动的机构。整体系统由室内外支援设备、机器人本体这几部分构成。机器人本体由三个气缸组成，其中两个用于横向移动同时装有可升降吸盘和清洁机构，另一个装有吸盘用于纵向移动。室内支援设备主要由电线、水泵、计算机、气管、水管收放机构、真空泵等组成。室外支援设备是一个用来吊挂机器人安全绳和牵引管线的移动平台。机器人依照从左到右，从上到下的顺序对玻璃幕墙进行作业。该机器人将移动与清洁合为一体，具有紧凑的结构，较轻的重量和一定的越障能力。科技处于顶尖水平的美国也很早就对爬壁机器人展开了研究。1986年，为了应对美国高楼数量不断上升这一情况，美国国际机器人公司研制了清洁高楼幕墙的机器人“SkyWasher”[6]如图1.4所示。由两组能够实现相对滑动的L型框架构成该机器人的运动机构。每组框架上均有三个安装真空吸盘的掌状机构，通过吸盘的交替吸附和L型框架的相对滑动实现运动。1990年在联邦航空局的支持下，一款采用十字几何结构的直动式爬壁机器人“安迪”诞生于卡内基梅隆大学[7]，如图1.5所示。“安迪”第一次使用由横梁和龙骨组成的十字构型，巧妙地将机器人任务和运动相结合，结构简化的同时工作效率得到提高。该机器人通过底部吸盘交替吸附和横梁沿龙骨滑动实现横向、纵向运动。不难看出，这种十字构型在满足机器人越障、移动等要求的同时极大简化了控制算法，使机器人的可靠性和运行稳定性得到提高。对后续的科研有极高的借鉴意义。图1.3玻璃清洁机器人图1.4?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PLC的对称式爬壁机器人的设计[J]. 韩以伦,梁彦高,李志恒,郑辉,郭唤唤. 机床与液压. 2017(07)
[2]用于玻璃幕墙清洗的爬壁机器人的研制[J]. 张子博,刘荣,杨慧轩. 自动化与仪表. 2016(05)
[3]3D打印金属材料研究进展[J]. 郑增,王联凤,严彪. 上海有色金属. 2016(01)
[4]窗户尺寸影响室内采光的模拟研究[J]. 查全芳,方廷勇. 安徽建筑大学学报. 2015(03)
[5]短距离无线通信技术的优势及运用[J]. 郑达峰. 通信电源技术. 2014(06)
[6]柔顺五杆三稳态机构的设计方法[J]. 勾燕洁,陈贵敏,贾建援. 西安电子科技大学学报. 2015(04)
[7]新型数控机床用镁铝合金的组织与性能研究[J]. 刘志刚. 制造业自动化. 2014(19)
[8]ANSYS Workbench的应用现状及分析[J]. 喻永巽. 机电工程技术. 2014(09)
[9]步进电机与交流伺服电机性能比较[J]. 黄志瑛,李威. 广西轻工业. 2010(03)
[10]基于蚁群算法的完全遍历路径规划研究[J]. 张赤斌,王兴松. 中国机械工程. 2008(16)
博士论文
[1]北京地区城市住宅天然光环境优化设计研究[D]. 张滨.哈尔滨工业大学 2010
[2]自攀爬幕墙清洗机器人机械机构的设计与研究[D]. 唐伯雁.北京工业大学 2005
硕士论文
[1]玻璃幕墙清洗机器人的设计与研究[D]. 赵启超.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于PLC控制的双熔敷极焊条涂压机送丝系统的研究[D]. 穆兵兵.山东大学 2017
[3]非侵入式的基于功耗的PLC异常监测系统[D]. 肖玉珺.浙江大学 2017
[4]玻璃幕墙清洁机器人的模态分析及优化设计[D]. 贾强.北京理工大学 2016
[5]智能窗户清洁机器人控制系统设计[D]. 朱春佳.浙江大学 2015
[6]真空吸附式壁面清洗机器人结构设计与研究[D]. 田静眉.西南交通大学 2013
[7]高适应爬壁机器人的研发[D]. 刘雪飞.重庆大学 2010
[8]新型高楼清洗爬壁机器人的研究与设计[D]. 吴神丽.成都理工大学 2009
[9]基于模块化的童车设计方法的研究与应用[D]. 仰扬帆.中南大学 2008
[10]壁面清洗机器人的运动控制系统设计[D]. 闫军涛.重庆大学 2007
本文编号：3342226
【文章来源】：河北工业大学天津市 211工程院校
【文章页数】：84 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
西亮教授的二号样机1978年，日本的一家公司制作了一种名
基于模块化家用擦玻璃机器人机构及控制系统研究2带给工业生产和科学研究十分巨大的改变，而且将会给人类的实际生活带来长远的影响[2]。目前来看，机器人在农业、制造业、服务业以及国防工业等领域发挥着越来越重要的作用，在社会生产活动和人类生活中被广泛地使用。家庭服务机器人是一种半自动或全自动工作的特种机器人，它可以代替人做家务。最近几年家庭服务机器人行业获得了快速地发展。家庭服务机器人逐渐趋向小型化，同时也越来越容易操作，功能也更加的全面和丰富。这些小型家庭服务机器人开辟了机器人应用的新领域，逐渐步入了人们的日常生活。家用擦玻璃机器人属于移动式家庭服务机器人的一种，将爬壁机器人应用于清洁玻璃成为了研究热点。1.3国内外研究现状1.3.1国外的研究现状国外对爬壁机器人这一领域开展研究的时间较早。其中日本走在了前列，率先研制出了世界上第一台爬壁机器人样机。随后，许多工业国家开始投入物力人力加大对其的研发力度。如美国、日本、德国、俄罗斯、英国等国家陆续研究出一些具备不同特色的爬壁机器人样机。1966年，在大阪府立大学工学部当讲师的西亮对风扇转动时造成进气一侧气压较小从而产生负压这一原理加以运用研制出全球第一台壁面移动机器人样机[3]。1975年，在宫崎大学工学部担任教授一职的西亮通过使用单吸盘吸附轮式移动结构研制出了第二号样机[4]，如图1.1所示。图1.1西亮教授的二号样机图1.2“步行者”爬壁机器人1978年，日本的一家公司制作了一种名叫“步行者”的爬壁机器人[5]。如图1.2所示。该机器人的吸附功能由真空泵生成负压的单吸盘吸附机构来实现，移动功能通过上下两个滚轮带动左右两条行走皮带来实现。皮带和滚子组成一个密闭的真空
河北工业大学硕士学位论文3腔体。通过调节滚轮和皮带的速度差来实现转向。但该机器人存在一个严重的不足：当墙体有裂缝时，真空就会被破坏。随后，清水建设株式会社在1991年开发出一款应用于玻璃清洁的爬壁机器人，如图1.3所示。其总体采用真空吸附，气体驱动的机构。整体系统由室内外支援设备、机器人本体这几部分构成。机器人本体由三个气缸组成，其中两个用于横向移动同时装有可升降吸盘和清洁机构，另一个装有吸盘用于纵向移动。室内支援设备主要由电线、水泵、计算机、气管、水管收放机构、真空泵等组成。室外支援设备是一个用来吊挂机器人安全绳和牵引管线的移动平台。机器人依照从左到右，从上到下的顺序对玻璃幕墙进行作业。该机器人将移动与清洁合为一体，具有紧凑的结构，较轻的重量和一定的越障能力。科技处于顶尖水平的美国也很早就对爬壁机器人展开了研究。1986年，为了应对美国高楼数量不断上升这一情况，美国国际机器人公司研制了清洁高楼幕墙的机器人“SkyWasher”[6]如图1.4所示。由两组能够实现相对滑动的L型框架构成该机器人的运动机构。每组框架上均有三个安装真空吸盘的掌状机构，通过吸盘的交替吸附和L型框架的相对滑动实现运动。1990年在联邦航空局的支持下，一款采用十字几何结构的直动式爬壁机器人“安迪”诞生于卡内基梅隆大学[7]，如图1.5所示。“安迪”第一次使用由横梁和龙骨组成的十字构型，巧妙地将机器人任务和运动相结合，结构简化的同时工作效率得到提高。该机器人通过底部吸盘交替吸附和横梁沿龙骨滑动实现横向、纵向运动。不难看出，这种十字构型在满足机器人越障、移动等要求的同时极大简化了控制算法，使机器人的可靠性和运行稳定性得到提高。对后续的科研有极高的借鉴意义。图1.3玻璃清洁机器人图1.4?
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PLC的对称式爬壁机器人的设计[J]. 韩以伦,梁彦高,李志恒,郑辉,郭唤唤. 机床与液压. 2017(07)
[2]用于玻璃幕墙清洗的爬壁机器人的研制[J]. 张子博,刘荣,杨慧轩. 自动化与仪表. 2016(05)
[3]3D打印金属材料研究进展[J]. 郑增,王联凤,严彪. 上海有色金属. 2016(01)
[4]窗户尺寸影响室内采光的模拟研究[J]. 查全芳,方廷勇. 安徽建筑大学学报. 2015(03)
[5]短距离无线通信技术的优势及运用[J]. 郑达峰. 通信电源技术. 2014(06)
[6]柔顺五杆三稳态机构的设计方法[J]. 勾燕洁,陈贵敏,贾建援. 西安电子科技大学学报. 2015(04)
[7]新型数控机床用镁铝合金的组织与性能研究[J]. 刘志刚. 制造业自动化. 2014(19)
[8]ANSYS Workbench的应用现状及分析[J]. 喻永巽. 机电工程技术. 2014(09)
[9]步进电机与交流伺服电机性能比较[J]. 黄志瑛,李威. 广西轻工业. 2010(03)
[10]基于蚁群算法的完全遍历路径规划研究[J]. 张赤斌,王兴松. 中国机械工程. 2008(16)
博士论文
[1]北京地区城市住宅天然光环境优化设计研究[D]. 张滨.哈尔滨工业大学 2010
[2]自攀爬幕墙清洗机器人机械机构的设计与研究[D]. 唐伯雁.北京工业大学 2005
硕士论文
[1]玻璃幕墙清洗机器人的设计与研究[D]. 赵启超.哈尔滨工业大学 2017
[2]基于PLC控制的双熔敷极焊条涂压机送丝系统的研究[D]. 穆兵兵.山东大学 2017
[3]非侵入式的基于功耗的PLC异常监测系统[D]. 肖玉珺.浙江大学 2017
[4]玻璃幕墙清洁机器人的模态分析及优化设计[D]. 贾强.北京理工大学 2016
[5]智能窗户清洁机器人控制系统设计[D]. 朱春佳.浙江大学 2015
[6]真空吸附式壁面清洗机器人结构设计与研究[D]. 田静眉.西南交通大学 2013
[7]高适应爬壁机器人的研发[D]. 刘雪飞.重庆大学 2010
[8]新型高楼清洗爬壁机器人的研究与设计[D]. 吴神丽.成都理工大学 2009
[9]基于模块化的童车设计方法的研究与应用[D]. 仰扬帆.中南大学 2008
[10]壁面清洗机器人的运动控制系统设计[D]. 闫军涛.重庆大学 2007
本文编号：3342226
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