基本信息
- 项目名称：
- 水射流抽气式清洗机器人
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品以清洗用水作为唯一的动力源，利用水射流所产生的负压特性实现机器人在清洗壁面上的吸附，利用水压驱动的活塞附以连杆机构实现机器人的直行、转弯等爬行动作，并利用水浸式超声波去污原理实现壁面的清洗。所研制的机器人因其质量小、可靠性高、供能方式简单等优点，非常适用于高楼外墙清洗，现场试验也证实了该机器人的实用性和可靠性。
- 详细介绍：
- 目前大厦外墙玻璃的清洗，仍以人工作业为主，清洁工人在高空作业，具有一定的危险性，因此我们设计了一种能自动清洗玻璃的真空吸附机器人。 以往的真空吸附清洗机器人存在结构复杂、附属设施多、可靠性低、制造成本高和清洗效果不理想等缺陷，所采用的外接驱动电源也带来漏电的安全隐患。 我们设计的水射流抽气式清洗机器人，巧妙地把供水、供能、抽气整合为一体。利用清洁水流经射流发生器入口时产生的背压来推动活塞杆，实现了机器人的爬行驱动；利用清洁水流经射流发生器出口时产生的负压来控制吸盘，实现了机器人的抽真空吸附；最后将清洁水引入超声波清洗器，实现了非接触式清洗作业。此外，在驱动方式上采用了单一活塞驱动和吸盘的交叉控制，实现了爬行和转弯两种运动，简化了驱动机构。 机器人运动控制由单片机、旋转光学编码器、电磁阀及相关控制电路共同完成。通过预先设定的程序来机器人的运动路径，使机器人在沿外墙玻璃爬行的同时，自动完成玻璃的清洗。 在我们的作品中，水既是清洗剂，又是爬行和吸附的动力源，不仅简单轻便、成本低廉，而且还避免了在潮湿环境中使用外电源的安全隐患，是一种只需要接上自来水就能够完成玻璃自动清洗的机器人，比以往真空吸附清洗机器人有明显的技术优势和市场竞争力。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 随着现代城市的发展，对高楼外墙进行定期清洗非常有必要。人工擦洗的方式效率较低，且具有相当的危险性。机器人代替人工作业具有清洗效率高，劳动强度低，避免人身伤亡事故等优点，经济效益和社会效益显著。 目前已有几种真空吸附清洗机器人能够实现自动爬行、供水和擦洗的功能，但它们几乎都存在三个共同的问题：①水、电、气分路控制：供水清洗、爬行驱动和真空吸附三个系统相互独立，需要水泵来供给清洗用水，需要气泵来实现抽真空吸附，需要活塞缸或电动机来驱动机器人爬行，增加了机器人的附属设施和制造成本；②直行与转弯运动分别驱动：采用两套机构来分别驱动机器人的直行和转弯运动，驱动装置复杂、笨重，需要外接驱动电源，降低了可靠性和安全性；③接触式清洗：采用擦布和滚刷组成的复杂机械结构直接磨擦玻璃进行清洗，这种方式容易擦伤高档玻璃的表面保护层，还需要清洁剂，污染环境，更主要的是擦拭所需的下压力正好与机器人的吸附力方向相反，很难保证机器人稳定吸附的同时又有足够的擦拭压力。 针对这些问题，我们设计了一种水射流抽气式清洗机器人，其创新性主要表现在三个方面：①新原理：利用水射流原理，以水为唯一的动力源实现了吸附、爬行和清洗三种功能，系统更紧凑、轻巧；②新结构：只用一个活塞缸实现了直行和转弯两个运动，机构更简单、可靠；③新理念：采用超声波非接触式去污，既无压力、又不加洗涤剂，体现了简洁、环保的设计理念。与以往的真空吸附清洗机器人相比，本作品的技术创新性与成本优势明显，市场竞争力更强。
科学性、先进性
- 本作品的科学性和先进性: ①本作品的主要特点是以水流作为唯一的外部动力源实现清洗机器人的吸附、爬行、清洗三大功能，水既是清洗剂，又是吸附和爬行的动力源。与现有的清洗机器人相比，本作品扔掉了气泵、电动机和复杂的驱动机构，且无需外接动力电源，其结构更简单，体量更轻便，运行更安全，是一种只需接上自来水就能自动清洗玻璃的新型环保机器人。 ②本作品利用清洁水流经射流发生器时产生的负压来实现机器人的抽真空吸附，区别于以往采用专门气泵来抽真空吸附的清洗机器人； ③本作品利用清洁水流经射流发生器时产生背压来推动活塞杆，实现机器人的爬行驱动，区别于以往采用专门的电动机动力源来实现驱动的清洗机器人； ④本作品利用单一活塞驱动和吸盘的交叉控制来实现直行和转弯两种运动，实现机器人的二自由度爬行驱动，区别于以往采用直行和转弯两个独立驱动机构的清洗机器人； ⑤本作品利用超声波去污原理来实现玻璃的非接触式清洗，区别于以往采用刷子和滚筒直接擦拭玻璃的清洗机器人。
获奖情况及鉴定结果
- 2008年10月获第三届全国大学生机械创新设计竞赛全国一等奖； 2008年6月获浙江省第五届机械创新设计竞赛二等奖； 2008年5月获本校第十三届机械创新设计竞赛二等奖。
作品所处阶段
- 已完成原理样机研制
技术转让方式
- 专利转让。
作品可展示的形式
- 实物 、图纸 、现场演示 、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 将机器人置于垂直玻璃表面，在其进水管道中接入压力不低于0.3MPa的普通自来水。开启启动按钮，机器人通过预先设定的程序自动完成清洗作业。 技术特点和优势： 本作品利用清洁水同时实现了机器人的吸附、爬行和清洗，结构简单，成本低，且避免了在潮湿环境中使用外电源的安全隐患。采用超声波非接触式去污，无需洗涤剂，是一种安全、环保的自动清洗机器人。 市场分析和经济效益预测： 我国有玻璃外墙几亿平方米，且以每年约600万平方米的速度增长。据统计，我国星级宾馆有上万家，按国家规定，五星级宾馆的玻璃外墙必须每年清洗4次以上，以此推算，我国玻璃清洗机器人的年需求量将达到上万台。 现有玻璃清洗机器人的价格昂贵，以北京金汛新世纪机器人股份有限公司生产的高空擦窗机器人为例，售价约30万元人民币，与人工清洗相比不具备成本优势。 本作品直接制造成本不到1万元，若按售价3万元，年销售量2000台计算，可实现6000万元的年销售额，经济效益和社会效益均十分显著。
同类课题研究水平概述
- 高楼壁面清洗机器人研究水平概述 爬壁清洗机器人是一种特种机器人，用以代替人工对高大建筑玻璃外墙进行清洗维护工作。为实现在壁面上的清洗作业，爬壁清洗机器人必须具有三个基本功能：一是在壁面上的吸附功能，二是在壁面上的移动功能，三是清洗壁面的功能。 国外对壁面移动机器人已有大量研究，最早的研究工作是在日本大阪府立大学开展的，他们在1966年研制出一种利用风扇产生的负压来实现吸附功能的壁面移动机器人原型样机，之后，又在1975年研制出一种用单吸盘吸附和轮子驱动的壁面移动机器人，日本在爬壁清洗机器人的研究方面，总体上处于国际领先地位。 我国在壁面移动机器人方面的研究工作起步较晚，但发展很快。1哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、上海科技大学以及国内多家企业开展了相关的研究工作。目前，已公开报道几种典型爬壁清洗机器人如下： （1）日本BVE公司研制的固定轨道式全自动擦窗机器人：该机器人依靠安装在楼顶的轨道和索吊系统，控制擦窗机沿固定的导槽垂直上下移动，进行自动清洗。该设备自动化程度和效率较高，但价格十分昂贵。此外，该设备要求在建筑物设计之初就将擦窗系统考虑进去，铺设相应的轨道，也无法适应阶梯状壁面和窗户，使用范围受到限制。 （2）北京航空航天大学与北京铁路局合作研制的擦窗机器人：该机器人采用“十”字框架式结构，靠驱动框架作相对运动，来实现机器人在壁面上的移动，机器人的吸附由八个真空吸盘交替完成。该机器人结构比较复杂，重量达25公斤，移动速度较慢，需外接动力电源。 （3）上海科技大学机器人研究所研制的双足式爬壁机器人：该机器人采用脚腕倾斜和圆规腿开闭的协调配合来实现移动，能适应复杂的工作环境。与步行式两足机器人比较，结构较为简单，省略了膝关节，但由于腿长、重心高，在垂直壁面和天花板壁面步行时易脱落。 此外，根据教育部科技查新工作站（Z09）出具的科技查新报告，现有清洗机器人的驱动、吸附和清洗几乎都是采用电机或缆绳、真空泵或风扇、擦布或滚轮等机构和装置来分别完成的，科技查新的结论表明：目前尚未见利用水射流技术，以水为唯一的动力源实现机器人的吸附、爬行、清洗三大功能，并利用超声波去污原理来实现玻璃的非接触式清洗的水射流抽气式清洗机器人的文献报道。
