创新SIT全自动可跨越障碍擦玻璃机器人分析.docx

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创新SIT全自动可跨越障碍擦玻璃机器人分析

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划

项　目　申　报　表

项目名称:

全自动可跨越障碍擦玻璃机器人

学校名称

湖南大学

学生姓名

专业

性别

入学年份

蔡睿

机械设计制造及其自动化

男

2013

杨伟峰

机械设计制造及其自动化

男

2013

朱艺豪

机械设计制造及其自动化

男

2013

郭云瑞

机械设计制造及其自动化

男

2013

任诗媛

机械设计制造及其自动化

女

2013

指导教师

周聪

职称

助理研究员

学科专业

机械制造工程系

学生曾经参与科研的情况

中学时期同班级老师一起进行过空气气垫导轨的实验研究。

中学参加北京市科技创新大赛

指导教师承担科研课题情况

现主持国家科技重大专项《大尺寸三维多层曲面高功率高精度激光焊接技术与装备》子课题1项，主持湖南省自然科学青年基金《基于预测控制理论的激光搭接未熔透焊熔深精确控制研究》1项，主持湖南大学青年教师成长计划资助项目《激光修整超硬砂轮系统中砂轮形貌测量方法研究》1项，主持汽车车身先进设计制造国家重点实验室自主课题《白车身激光焊缝跟踪算法及其质量监测方法》1项。

目前参与国家自然科技基金《基于激光诱导等离子体光谱学的合金成分与相变实时无损探测机理研究》面上项目1项

项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题

1.研究目的

可跨越障碍的擦玻璃机器人是在现有的擦玻璃机器人上进行改进的，保留原来自动擦玻璃的便捷，并且实现简单的跨越玻璃间横栏，进一步减少人工操作的麻烦性，并且可擦拭高空处的玻璃，减少危险。

方便人们的生活，减少人们的劳动量。

机器人可以更好地控制放水量，减少资源不必要的浪费。

在能源方面采用低能耗机器人是现在的主流，所以尽可能的降低功率，达到节能的效果。

2.主要研究内容

（1）真空吸附装置：

为了实现从一个玻璃跨越到另一个玻璃，我们采用前后两个吸附装置，为了防止在跨越过程中机器人的掉落，必须详细研究真空装置所能提供的吸力，以此设计机器人的重量，受力，材料等问题。

（2）跨越装置：

吸附装置之间用连杆连接，所以要研究使用连杆时跨越动作的进行和实现该动作所需的智能控制系统。

（3）智能装置：

主要实现单块玻璃擦拭路线设计和跨越动作，对此要研究机器人简单动作实现程序。

3.拟解决问题：

（1）跨越动作的智能化问题和单一玻璃擦拭智能路线拟合问题

（2）真空吸附装置受力问题和保证跨越过程机器人不脱落问题

（3）连杆跨越动作实现问题

国内外研究现状和发展动态

一、国内外现状

现在市场上已有自动擦玻璃机器人，但是仅限于研究阶段，还没有十分广泛的普及（比较受欢迎的是德国的“波妞”—使用真空吸附原理，单面吸附玻璃和Ecovacs公司的Winbot窗七），Ecovacs公司在CES2013展会上推出了一款自动擦玻璃机器人Winbot7，Winbot擦窗机器人的真空封接技术帮助它紧紧贴合窗户，内置感应器能够避免它卡在窗户的边角，使其能按照预设路径自动沿玻璃表面移动，清洁每个角落[1]，你要做的仅仅是把配套的喷雾剂喷到机器的清洁垫上，然后打开电源就行了。

为了防止意外的断电和掉落情况，Winbot7还有一个备用电池，以保证机器的吸附能力。

用户也可以通过遥控器来控制它[2]。

另一种擦玻璃机器人为悬臂式擦玻璃机器人，例如：

PUMA560属于关节式的机器人，6个关节都是转动关节，前3个关节确定手方位[2]，如图3所示。

但是，这两种机器人均存在着一些问题，如下：

首先讨论吸附式自动擦玻璃机器人：

1.在该机器人的清洗面，由于无法自动清洗，所以导致如果不及时换洗清洗布，则会导致清洗效率大大的降低。

但是认为更换清洗布又会带来不必要的麻烦，比如安装细节没有注意导致了清洗布的脱落、因为残留水分过多导致机器损坏等等。

2.如图1、2所示，若采用真空吸附方式，需要一根相对较长的线来协助吸附和运动，在家里面如果条件不够允许的话自动擦玻璃机器人就无法正常工作。

3.该机器人没有任何跨越装置只能擦单面玻璃，所以缺少了跨越装置，又会产生了认为搬运，增加了窗外更换的危险性。

4.智能系统并没有把机器人的最终停止方位固定下来，同样在擦完玻璃以后如果在窗外摘除机器人增加了危险性。

5.由于涉及到很多高科技的成分，该机器人的价钱在2000到6000不等，成为了高消费品，成本的过高导致售价昂贵不受欢迎。

其次是悬臂式擦玻璃机器人：

1.有些人家的窗户外面并不具备固定条件，所以该机器人在这些家庭中就无法应用。

2.悬臂式擦玻璃机器人只能擦到有限范围内的窗户，如需擦满还要更换位置，这样同样增加了搬运的危险性。

以上就是两种机器人的不足之处。

因为该项目主要研究吸附式擦玻璃机器人，所以对第二种机器人暂不涉及。

对于第一种机器人，本项目主要研究跨越式问题，通过该项目的研究解决自动擦玻璃机器人不能跨越障碍的难题。

另外在智能系统上本项目也会进行改良，具体是在路径规划上面，使其的擦玻璃效率更高。

随着近几年机器人在日常生活中的普及，自动擦玻璃机器人具有很好的市场前景。

本项目通过完善自动擦玻璃机器人，使其能够在各种地方作业，真正实现自动化操作。

2、趋势

随着生活水平提高，同时因为社会科技的进步，自动化成为发展的主要方向，越来越多人倾向于家务机器人，因此擦玻璃机器人应运而生。

它能擦玻璃里外表面，减少生活负担，同时减少擦外玻璃的危险性。

图5所示为攀爬式机器人机器人在国家大剧院真实环境下进行了作业。

在建筑物导轨上设计安装了滑动导杆，利用它作为机器人在建筑物导轨之间运动的中介，从而避免机器人直接抓持建筑物导轨带来的不安全因素。

机器人本体分为攀爬机构、移动机构、清洗机构、俯仰调节机构。

机身由主框架和后箱体组成，总长约3m，宽lm，高0．5m，由轻质铝型材搭建而成，其它结构均以这两部分为载体。

主框架与后箱体通过由高分子材料自制滑块形成滑动连接，攀升电机安装于主框架顶部，同步带活动端位于后箱体上，它带动同步带运动，从而后箱体相对框架前后移动。

在机器人主框架前端左右两侧为前r插抓持机构，后箱体的左右两侧为后下插抓持机构，两组下插机构用于在攀爬时变替抓持滑动导杆。

[3]

能源也是现在科技发展的一个很重要的部分，所以各个企业尽可能的降低机器的能耗，一个自动擦玻璃机器人仅需15V的电源。

在安全方面，真空吸附和磁铁吸附是该机器人的两大吸附方式。

真空吸附需要装置相对复杂可是更稳定。

而磁铁吸附设备简单可是吸附的效果相对较差。

本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩

1.技术基础

目前国内外已有相应的擦玻璃机器人，并且在智能控制和外观造型上基本成型，（但是却没有实现擦玻璃机器人的跨越设计，导致每次只能擦拭一块玻璃），我们将在已有的基础上进行技术革新，实现跨越智能化。

2.人员基础

（1）.小组成员对于SIT项目有较大的热情，并且具有一定计算机编程能力，和学习能力

（2）.小组成员中有善于机械制图和计算机编程的，可以为跨越自动化的程序编写提供便利

（3）.通过调查报告，大家对此次SIT项目所需的技术能力，设计思路有了相应的认识，对整个项目的实施过程有大致的轮廓，并且将在接下来的一年和寒暑假进行相应能力强化。

3.已取得成绩

（1）进行过市场调查，确定现在擦玻璃机器人还属于研究阶段，不具备自动跨越障碍功能，我们的方案实用性较强

（2）初步了解自动擦玻璃机器人的工作原理，明确了亟待解决的问题，有了初步设计改良方案

（3）小组成员已在学习机器人运动程序相关知识，了解简单的程序编辑

（4）正在学习真空吸附原理及其影响因素，具备一定知识储备

项目的创新点和特色

创新点：

本项目主要在有擦玻璃机器人上进行改进，实现可跨越玻璃间的横栏等阻碍，实现擦玻璃更加智能化，并且可擦拭高处玻璃和反面玻璃，降低危险性。

特色：

（1）本项目改变以往的使用磁力吸附装置，采用最新的真空吸附装置，使玻璃厚度不在成为影响因素，并且实现跨越的可能

（2）本项目在原基础上增加跨越装置，实现整面玻璃擦拭，一概以往所需人为转换擦拭位置的弊端

（3）实现擦玻璃全自动化，人们可以在机器人擦玻璃期间舒适地享受生活。

减低高空玻璃擦拭和反面玻璃擦拭的危险性。

项目的技术路线、进度安排及预期成果

1.技术路线

1、固定及安全装置（真空吸附装置）

真空吸盘采用了真空原理，即用真空负压来“吸附”工件以达到夹持工件的目的。

如图所示：

通气口与真空发生装置相接，当真空发生装置启动后，通气口通气，吸盘内部的空气被抽走，形成了压力为P2的真空状态。

此时，吸盘内部的空气压力低于吸盘外部的大气压力P1，即P2

吸盘内部的真空度越高，吸盘与工件之间贴的越紧。

本项目采用真空吸附方式，机器人利用了真空原理牢固的锁定在窗户上面，大大的提高了安全性能。

并且携带了备用电源，如果电池耗尽就会启动备用电源和报警系统。

2、跨越装置

机器人内部安装了可跨越装置和相应智能处理系统（实现跨越智能化），分为前置跨越装置和后置跨越装置。

原理是当机器人到达窗框的时候自动识别装置启动并且升高前横梁，后跨越装置继续移动直到前横梁吸附在另一面玻璃上面。

后横梁原理与前横梁类似，这样就实现了自动跨越，节省了手动换玻璃的麻烦和人为摘下机器人的危险性。

3、智能装置

采用已经有的玻璃机器人识别装置（例如winbot7的识别系统）。

在清洗完一块玻璃后实现跨越。

智能装置中包括了移动装置和清洗装置，均仿照前人已有的经验进行制作。

动机传感模块感测到的信息而得到的所述随动机的状态信息发送给所述驱动机处理模块（即智能装置），所述驱动机处理模块将控制所述随动机工作的控制信息发送给所述随动机处理模块[4]；跨越控制体在连杆间，由跨越智能装置控制。

本机器人有效的解放了劳动力；自动巡边，水平方向自动运行，实现对玻璃的无死角，全覆盖擦拭；单块玻璃擦拭完毕后自动进位到玻璃上方，实行跨越动作，擦拭另一块玻璃。

项目研究进度安排（预计18个月左右完成该项目）

2015，05-2015-08调研利用课余时间调查窗户的构造，不同规格的尺寸，内外环境，从而确定设计的自动擦玻璃机器人所需跨越的高度，尺寸及运行路线等参数.

2015,09-2015,12设计阅读关于自动擦玻璃机器人的相关书籍，机器人运动路径相关程序，并学习相应程序设计工作，购买真空吸附装置，查阅文献并熟练掌握真空吸附的相关知识，确定真空吸附装置动力，所能承载重量等参数。

2016,01-2015，07：

制造对跨越装置的研究和讨论，初步完成跨越装置的设计，并且做出跨越装置样品；对自动擦玻璃机器人内部构造进行改良，并将跨越装置安放其中进行测试。

2016，08-2016，12：

检验完成全自动擦玻璃机器人的制作并对细节进行改良。

撰写论文，记录各种相关参数并结束课题，完成专利申请。

2.预期成果：

成功改良自动擦玻璃机器人，使其具有自动识别并且跨越障碍的能力，探明真空吸原理，并成功改良并利用该原理使机器人安全系数更高。

掌握智能系统的制作并且成功运用在机器人中。

上述成果以样品和论文的形式呈现，在国内外重要学术刊物上发表论文至少1篇；申请实用新型专利1项

指导教师意见

签字：

日期：

注：

本表栏空不够可另附纸张