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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 水射流抽氣式清洗機(jī)器人
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品以清洗用水作為唯一的動(dòng)力源，利用水射流所產(chǎn)生的負(fù)壓特性實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在清洗壁面上的吸附，利用水壓驅(qū)動(dòng)的活塞附以連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直行、轉(zhuǎn)彎等爬行動(dòng)作，并利用水浸式超聲波去污原理實(shí)現(xiàn)壁面的清洗。所研制的機(jī)器人因其質(zhì)量小、可靠性高、供能方式簡單等優(yōu)點(diǎn)，非常適用于高樓外墻清洗，現(xiàn)場試驗(yàn)也證實(shí)了該機(jī)器人的實(shí)用性和可靠性。
- 詳細(xì)介紹：
- 目前大廈外墻玻璃的清洗，仍以人工作業(yè)為主，清潔工人在高空作業(yè)，具有一定的危險(xiǎn)性，因此我們設(shè)計(jì)了一種能自動(dòng)清洗玻璃的真空吸附機(jī)器人。 以往的真空吸附清洗機(jī)器人存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、附屬設(shè)施多、可靠性低、制造成本高和清洗效果不理想等缺陷，所采用的外接驅(qū)動(dòng)電源也帶來漏電的安全隱患。 我們設(shè)計(jì)的水射流抽氣式清洗機(jī)器人，巧妙地把供水、供能、抽氣整合為一體。利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)生器入口時(shí)產(chǎn)生的背壓來推動(dòng)活塞桿，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的爬行驅(qū)動(dòng)；利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)生器出口時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓來控制吸盤，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的抽真空吸附；最后將清潔水引入超聲波清洗器，實(shí)現(xiàn)了非接觸式清洗作業(yè)。此外，在驅(qū)動(dòng)方式上采用了單一活塞驅(qū)動(dòng)和吸盤的交叉控制，實(shí)現(xiàn)了爬行和轉(zhuǎn)彎兩種運(yùn)動(dòng)，簡化了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制由單片機(jī)、旋轉(zhuǎn)光學(xué)編碼器、電磁閥及相關(guān)控制電路共同完成。通過預(yù)先設(shè)定的程序來機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，使機(jī)器人在沿外墻玻璃爬行的同時(shí)，自動(dòng)完成玻璃的清洗。 在我們的作品中，水既是清洗劑，又是爬行和吸附的動(dòng)力源，不僅簡單輕便、成本低廉，而且還避免了在潮濕環(huán)境中使用外電源的安全隱患，是一種只需要接上自來水就能夠完成玻璃自動(dòng)清洗的機(jī)器人，比以往真空吸附清洗機(jī)器人有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和市場競爭力。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，對高樓外墻進(jìn)行定期清洗非常有必要。人工擦洗的方式效率較低，且具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性。機(jī)器人代替人工作業(yè)具有清洗效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，避免人身傷亡事故等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。 目前已有幾種真空吸附清洗機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)爬行、供水和擦洗的功能，但它們幾乎都存在三個(gè)共同的問題：①水、電、氣分路控制：供水清洗、爬行驅(qū)動(dòng)和真空吸附三個(gè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，需要水泵來供給清洗用水，需要?dú)獗脕韺?shí)現(xiàn)抽真空吸附，需要活塞缸或電動(dòng)機(jī)來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人爬行，增加了機(jī)器人的附屬設(shè)施和制造成本；②直行與轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)分別驅(qū)動(dòng)：采用兩套機(jī)構(gòu)來分別驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的直行和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)裝置復(fù)雜、笨重，需要外接驅(qū)動(dòng)電源，降低了可靠性和安全性；③接觸式清洗：采用擦布和滾刷組成的復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)直接磨擦玻璃進(jìn)行清洗，這種方式容易擦傷高檔玻璃的表面保護(hù)層，還需要清潔劑，污染環(huán)境，更主要的是擦拭所需的下壓力正好與機(jī)器人的吸附力方向相反，很難保證機(jī)器人穩(wěn)定吸附的同時(shí)又有足夠的擦拭壓力。 針對這些問題，我們設(shè)計(jì)了一種水射流抽氣式清洗機(jī)器人，其創(chuàng)新性主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：①新原理：利用水射流原理，以水為唯一的動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)了吸附、爬行和清洗三種功能，系統(tǒng)更緊湊、輕巧；②新結(jié)構(gòu)：只用一個(gè)活塞缸實(shí)現(xiàn)了直行和轉(zhuǎn)彎兩個(gè)運(yùn)動(dòng)，機(jī)構(gòu)更簡單、可靠；③新理念：采用超聲波非接觸式去污，既無壓力、又不加洗滌劑，體現(xiàn)了簡潔、環(huán)保的設(shè)計(jì)理念。與以往的真空吸附清洗機(jī)器人相比，本作品的技術(shù)創(chuàng)新性與成本優(yōu)勢明顯，市場競爭力更強(qiáng)。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本作品的科學(xué)性和先進(jìn)性: ①本作品的主要特點(diǎn)是以水流作為唯一的外部動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)器人的吸附、爬行、清洗三大功能，水既是清洗劑，又是吸附和爬行的動(dòng)力源。與現(xiàn)有的清洗機(jī)器人相比，本作品扔掉了氣泵、電動(dòng)機(jī)和復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，且無需外接動(dòng)力電源，其結(jié)構(gòu)更簡單，體量更輕便，運(yùn)行更安全，是一種只需接上自來水就能自動(dòng)清洗玻璃的新型環(huán)保機(jī)器人。 ②本作品利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)生器時(shí)產(chǎn)生的負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的抽真空吸附，區(qū)別于以往采用專門氣泵來抽真空吸附的清洗機(jī)器人； ③本作品利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)生器時(shí)產(chǎn)生背壓來推動(dòng)活塞桿，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的爬行驅(qū)動(dòng)，區(qū)別于以往采用專門的電動(dòng)機(jī)動(dòng)力源來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的清洗機(jī)器人； ④本作品利用單一活塞驅(qū)動(dòng)和吸盤的交叉控制來實(shí)現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)彎兩種運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的二自由度爬行驅(qū)動(dòng)，區(qū)別于以往采用直行和轉(zhuǎn)彎兩個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的清洗機(jī)器人； ⑤本作品利用超聲波去污原理來實(shí)現(xiàn)玻璃的非接觸式清洗，區(qū)別于以往采用刷子和滾筒直接擦拭玻璃的清洗機(jī)器人。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 2008年10月獲第三屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽全國一等獎(jiǎng)； 2008年6月獲浙江省第五屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽二等獎(jiǎng)； 2008年5月獲本校第十三屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)競賽二等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 已完成原理樣機(jī)研制
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓。
作品可展示的形式
- 實(shí)物 、圖紙 、現(xiàn)場演示 、錄像
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 使用說明： 將機(jī)器人置于垂直玻璃表面，在其進(jìn)水管道中接入壓力不低于0.3MPa的普通自來水。開啟啟動(dòng)按鈕，機(jī)器人通過預(yù)先設(shè)定的程序自動(dòng)完成清洗作業(yè)。 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢： 本作品利用清潔水同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的吸附、爬行和清洗，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，且避免了在潮濕環(huán)境中使用外電源的安全隱患。采用超聲波非接觸式去污，無需洗滌劑，是一種安全、環(huán)保的自動(dòng)清洗機(jī)器人。 市場分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測： 我國有玻璃外墻幾億平方米，且以每年約600萬平方米的速度增長。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國星級賓館有上萬家，按國家規(guī)定，五星級賓館的玻璃外墻必須每年清洗4次以上，以此推算，我國玻璃清洗機(jī)器人的年需求量將達(dá)到上萬臺(tái)。 現(xiàn)有玻璃清洗機(jī)器人的價(jià)格昂貴，以北京金汛新世紀(jì)機(jī)器人股份有限公司生產(chǎn)的高空擦窗機(jī)器人為例，售價(jià)約30萬元人民幣，與人工清洗相比不具備成本優(yōu)勢。 本作品直接制造成本不到1萬元，若按售價(jià)3萬元，年銷售量2000臺(tái)計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)6000萬元的年銷售額，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益均十分顯著。
同類課題研究水平概述
- 高樓壁面清洗機(jī)器人研究水平概述 爬壁清洗機(jī)器人是一種特種機(jī)器人，用以代替人工對高大建筑玻璃外墻進(jìn)行清洗維護(hù)工作。為實(shí)現(xiàn)在壁面上的清洗作業(yè)，爬壁清洗機(jī)器人必須具有三個(gè)基本功能：一是在壁面上的吸附功能，二是在壁面上的移動(dòng)功能，三是清洗壁面的功能。 國外對壁面移動(dòng)機(jī)器人已有大量研究，最早的研究工作是在日本大阪府立大學(xué)開展的，他們在1966年研制出一種利用風(fēng)扇產(chǎn)生的負(fù)壓來實(shí)現(xiàn)吸附功能的壁面移動(dòng)機(jī)器人原型樣機(jī)，之后，又在1975年研制出一種用單吸盤吸附和輪子驅(qū)動(dòng)的壁面移動(dòng)機(jī)器人，日本在爬壁清洗機(jī)器人的研究方面，總體上處于國際領(lǐng)先地位。 我國在壁面移動(dòng)機(jī)器人方面的研究工作起步較晚，但發(fā)展很快。1哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、上?？萍即髮W(xué)以及國內(nèi)多家企業(yè)開展了相關(guān)的研究工作。目前，已公開報(bào)道幾種典型爬壁清洗機(jī)器人如下： （1）日本BVE公司研制的固定軌道式全自動(dòng)擦窗機(jī)器人：該機(jī)器人依靠安裝在樓頂?shù)能壍篮退鞯跸到y(tǒng)，控制擦窗機(jī)沿固定的導(dǎo)槽垂直上下移動(dòng)，進(jìn)行自動(dòng)清洗。該設(shè)備自動(dòng)化程度和效率較高，但價(jià)格十分昂貴。此外，該設(shè)備要求在建筑物設(shè)計(jì)之初就將擦窗系統(tǒng)考慮進(jìn)去，鋪設(shè)相應(yīng)的軌道，也無法適應(yīng)階梯狀壁面和窗戶，使用范圍受到限制。 （2）北京航空航天大學(xué)與北京鐵路局合作研制的擦窗機(jī)器人：該機(jī)器人采用“十”字框架式結(jié)構(gòu)，靠驅(qū)動(dòng)框架作相對運(yùn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在壁面上的移動(dòng)，機(jī)器人的吸附由八個(gè)真空吸盤交替完成。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，重量達(dá)25公斤，移動(dòng)速度較慢，需外接動(dòng)力電源。 （3）上海科技大學(xué)機(jī)器人研究所研制的雙足式爬壁機(jī)器人：該機(jī)器人采用腳腕傾斜和圓規(guī)腿開閉的協(xié)調(diào)配合來實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，能適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。與步行式兩足機(jī)器人比較，結(jié)構(gòu)較為簡單，省略了膝關(guān)節(jié)，但由于腿長、重心高，在垂直壁面和天花板壁面步行時(shí)易脫落。 此外，根據(jù)教育部科技查新工作站（Z09）出具的科技查新報(bào)告，現(xiàn)有清洗機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)、吸附和清洗幾乎都是采用電機(jī)或纜繩、真空泵或風(fēng)扇、擦布或滾輪等機(jī)構(gòu)和裝置來分別完成的，科技查新的結(jié)論表明：目前尚未見利用水射流技術(shù)，以水為唯一的動(dòng)力源實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的吸附、爬行、清洗三大功能，并利用超聲波去污原理來實(shí)現(xiàn)玻璃的非接觸式清洗的水射流抽氣式清洗機(jī)器人的文獻(xiàn)報(bào)道。
