CN105795995B

CN105795995B - 一种高层壁面清洗机器人

Info

Publication number: CN105795995B
Application number: CN201610305262.8A
Authority: CN
Inventors: 乔印虎; 张春燕; 朱宗魁; 杨杰; 陈杰平; 张春雨
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2016-05-07
Filing date: 2016-05-07
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2036-05-07
Also published as: CN105795995A

Abstract

本发明公开了一种高层壁面清洗机器人，包括控制系统、卷扬机系统以及清洗本体系统。所述清洗本体系统包括：滚刷、刮净器、储水箱、水循环回收装置、喷水装置以及风机推进装置。所述滚刷包括沿前进方向纵向设置的前滚刷和后滚刷；所述刮净器设置于前滚刷与后滚刷之间；所述水循环回收装置包括设置于前滚刷与后滚刷之间的接水漏斗、污水管以及滤网；所述接水漏斗收集所述前滚刷的污水，并通过连接的污水管输入至所述储水箱中；所述滤网设置在储水箱中；所述风机推进装置形成负压以使所述清洗本体系统紧贴壁面。所述高层壁面清洗机器人具有安全可靠、重量轻、清洗效率高等优点，有良好的应用前景。

Description

一种高层壁面清洗机器人

技术领域

本发明涉及机器人设备技术领域，尤其涉及一种高层壁面清洗机器人。

背景技术

随着玻璃幕墙在高层大厦的广泛使用，出现了高层大厦外表面玻璃幕墙定时清洗的问题。为了解决这个问题，出现了高层玻璃清洗机器人。这是壁面机器人应用的一个方向。

壁面移动机器人是把吸附技术和移动机器人技术结合起来，能够在与地面呈一定角度的壁面上附着爬行并进行特定作业的自动化机械装置。由于能代替人工在一些极限环境作业，因此在高强度、高危险的工作环境中具有良好的应用前景而被广泛的研究。

目前，现有的壁面清洗机器人面临以下几个技术难点：首先是移动机构要小型、高效，使机器人可以在壁面上移动，并可灵活，自如调节行走的速度和方向，具有较强的越障能力。

另外，必须保证信号通讯的实时性、可靠性，控制机器人的整体工作，进行故障诊断和综合管理，实现机器人各部分的协调工作和配合。

最后，在清洗机构的设计上，要求设计安全有效的清洗机构，识别清洗质量，达到令人满意的清洗效果。上述的几个方面目前尚未能得到有效的解决，壁面清洗机器人的进一步推广受到了一定的限制。

因此，现有技术还有待发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种高层壁面清洗机器人，旨在解决现有技术中壁面清洗机器人移动和清洗机构的使用不能很好的满足使用需求的问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种高层壁面清洗机器人，包括控制系统、驱动清洗本体系统移动的卷扬机系统以及清洗壁面的清洗本体系统；其中，所述清洗本体系统包括：滚刷、刮净器、储水箱、水循环回收装置、喷水装置以及风机推进装置；

所述滚刷包括沿前进方向纵向设置的前滚刷和后滚刷；所述刮净器设置于前滚刷与后滚刷之间；

所述喷水装置包括扇形喷头及供水水泵，所述扇形喷头设置于滚刷的前方，所述供水水泵提供预定压力，将储水箱中的清洁用水从所述扇形喷头喷出；

所述水循环回收装置包括设置于前滚刷与后滚刷之间的接水漏斗、污水管以及滤网；所述接水漏斗收集所述前滚刷的污水，并通过连接的污水管输入至所述储水箱中；所述滤网设置在储水箱中，过滤污水管输入的污水；

所述风机推进装置设置于所述清洗本体系统中，形成负压以使所述清洗本体系统紧贴壁面。

所述的高层壁面清洗机器人，其中，所述滚刷包括：内层尼龙筒，穿制在所述内层尼龙筒外壁上的猪鬃以及设置在所述内层尼龙筒两端，用于支撑的轴头；

驱动滚刷的电机通过一端的轴头与所述滚刷连接；所述猪鬃通过粘胶固定在内层尼龙筒外壁的穿制孔中，穿制孔深大于10mm。

所述的高层壁面清洗机器人，其中，所述猪鬃包括软硬程度不同的两种猪鬃；

软猪鬃和硬猪鬃沿所述内层尼龙筒对称中心人字形缠绕，均匀分布设置。

所述的高层壁面清洗机器人，其中，所述供水水泵包括两个不同型号的第一供水水泵和第二供水水泵，分别为前滚刷供水和为后滚刷供水。

所述的高层壁面清洗机器人，其中，所述卷扬机系统包括依次连接的电动机、联轴器、制动器、减速器、开式齿轮传动以及卷筒；所述电动机通过依次联轴器、制动器、减速器以及开式齿轮传动，带动所述卷筒旋转；

所述卷扬机系统通过绕卷在卷筒上的钢丝绳与清洗本体系统连接；所述电动机为交流伺服电动机，开式齿轮传动的总传动比为24比280。

所述的高层壁面清洗机器人，其中，所述卷筒包括用于收放电缆的电缆容纳部和用于收放钢丝绳的钢丝绳容纳部；

所述电缆容纳部设置在卷筒的中间，钢丝绳容纳部设置于所述电缆容纳部的两侧。

所述的高层壁面清洗机器人，其中，所述卷筒长度为1380mm，卷筒壁厚为13mm，绳槽节距为8mm，槽底半径6mm，卷筒节距为400mm。

所述的高层壁面清洗机器人，其中，所述卷筒采用多层绕形式，卷筒槽为标准槽。

所述的高层壁面清洗机器人，其中，所述钢丝绳直径为4mm。

所述的高层壁面清洗机器人，其中，所述卷筒为内齿轮啮合式卷筒。

有益效果：本发明提供的一种高层壁面清洗机器人，通过针对性的设置相应的清洗系统，能够很好的应用于高层建筑的玻璃幕墙清洗中。所述高层壁面清洗机器人具有安全可靠、重量轻、清洗效率高等优点，有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明具体实施例的高层壁面清洗机器人结构示意图。

图2为本发明具体实施例的高层壁面清洗机器人的清洗本体系统的结构示意图。

图3为本发明具体实施例的高层壁面清洗机器人的清洗本体系统的侧视图。

图4为本发明具体实施例的高层壁面清洗机器人的滚刷的结构示意图。

图5为本发明具体实施例的高层壁面清洗机器人的滚刷的鬃毛膨胀示意图。

图6为本发明具体实施例的高层壁面清洗机器人的滚刷受力分析图。

图7为本发明具体实施例的高层壁面清洗机器人的钢丝绳的受力分析图。

图8为本发明具体实施例的高层壁面清洗机器人的卷扬机系统结构示意图。

图9为本发明具体实施例的高层壁面清洗机器人的卷筒的示意简图。

具体实施方式

本发明提供一种高层壁面清洗机器人。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明具体实施例的高层壁面清洗机器人。其包括：控制系统100、驱动清洗本体系统移动的卷扬机系统200以及清洗壁面的清洗本体系统300。由卷扬机系统为清洗本体系统提供动力，实现清洗本体系统在高层建筑物表面的移动。

其中，如图2和图3所示，所述清洗本体系统300包括：滚刷、刮净器、储水箱330、水循环回收装置、喷水装置以及风机推进装置360。

所述滚刷310为两个，包括沿前进方向纵向设置的前滚刷311和后滚刷312。所述刮净器包括设置于前滚刷311与后滚刷312之间的刮水板，还可以包括设置在后滚刷后的清洁绒321。

所述喷水装置包括扇形喷头351及供水水泵352。所述扇形喷头351设置于滚刷的前方，所述供水水泵352提供预定压力，将储水箱中的清洁用水从所述扇形喷头351喷出。

具体的，所述扇形喷头351可以为标准金属扇形喷雾喷头。这一喷头能产生高冲击力的液柱或扇形喷雾，喷流角度为0°-110°。这种喷嘴产生的喷雾分布均匀，液滴大小为小到中等。

高压水经过喷头形成高速水流，其能量的形式由压能变换成动能，根据水力学可知喷射流的速度和喷头出口压力的计算公式为:

其中，V_o为喷头出口流速(m/s)，p为喷头入口压力(Pa)，P_o为喷头出口压力(Pa)，γ为水的密度(Kg/mg)，g为重力加速度，为喷头流速系数(一般的，对于良好的喷头，)。

在空气中喷射水，喷射流的扩散不十分明显，则喷射流在射流轴的半径为:

其中，K为系数，X为壁面与喷头的距离。

在空气中喷射，K＝8.3，在本实施例中(根据实际选择的水泵参数)，喷头直径选用1.36mm，射流压力5M Pa和流量为8L/min和0.9L/min的扇形喷头。

滚刷长度为800mm，喷头安装与滚刷距离初步估计为150mm，根据上述算式(1-1)、(1-2)、(1-3)，喷射流的速度，喷头出口的压力和轴上的半径分别为：

考虑到滚刷长度为0.8m，因此喷射流的半径必须大于0.4m，则算出的喷头位置为离壁面2.3mm。所以上下滚刷只需要各安装1个喷头即可达到高压冲击壁面清洗的效果。喷头具体可以选用快速Veejet扇形喷雾喷头，QVV-110015和QVV-11015。

所述水循环回收装置包括：设置于前滚刷与后滚刷之间的接水漏斗341、污水管342以及滤网343。所述接水漏斗341收集所述前滚刷的污水，并通过连接的污水管342输入至所述储水箱330中。所述滤网343可以为双层滤网结构，包括粗滤网A和精滤网B。

所述滤网343设置在储水箱330中，过滤污水管342输入的污水。

在上述具体实施例中，机器人采用的是双滚刷刷洗、刮板刮洗和清洁绒擦洗联合作业的清洗作业方式。同时为防止清洗后形成的污水再次污染壁面，设置污水漏斗及时回收污水，接水漏斗是安装在刮板两边的，可直接通过刮板一旁的污水管道进入安装在本体框架下方的储水箱中，储水箱中的水经过滤网过滤处理，利用泵再将其输送到喷头。

其中，前滚刷利用具有一定压力的处理后的污水进行第一次刷洗，喷淋前滚刷所用喷嘴流量大，紧接着后滚刷用少量清水进行冲洗，从而达到清洗要求。

较佳的，为了保证滚刷的清洁，在刮板的上部为每个滚刷都装了一个梳板，可将滚刷上粘着的污物梳掉，污物可随着污水一起进入储水箱，进行过滤处理。

因此，总体清洁工序为：喷淋壁面，然后前滚刷刷洗、后滚刷冲洗。然后清洁滚刷，刮水。然后，清洁绒擦玻璃，接水并进行污水处理。最后排空污物。

具体的，如图4所示，所述滚刷310的结构具体为：内层尼龙筒301，穿制在所述内层尼龙筒外壁上的猪鬃302以及设置在所述内层尼龙筒两端，用于支撑的轴头303。

驱动滚刷的电机通过一端的轴头303与所述滚刷连接。所述猪鬃通过粘胶固定在内层尼龙筒外壁的穿制孔中。而根据工艺要求，穿制孔深不能小于10mm，否则，猪鬃与尼龙筒之间无法牢固的连接。具体的，可以选尼龙层的厚度为15mm，选择穿制空的直径d为4mm。

滚刷的长度L应依据壁面窗框的窗幅来确定。在本实施例中选定为800mm。在移动过程中，滚刷依赖鬃毛的变形越过障碍，而鬃毛的长度h越长，越容易变形，也就越容易越过障碍。但是过长的鬃毛将导致机构尺寸加大。较佳的，可以选择鬃毛长度60mm，中间轴的直径设置为50mm，滚刷的直径为170mm。

更具体的，所述猪鬃包括软硬程度不同的两种猪鬃。一硬一软的猪鬃对称滚筒中心人字形缠绕，均匀分布，去污能力强。鬃毛的根部扎紧，头部由于自然膨胀效应呈倒圆锥发散(如图5所示)。

上述鬃毛螺旋穿制的目的是引流，因此对螺旋升角的要求不高。可以选定螺旋升角Ф为15度，有如下关系式：

p_a＝πd₀tg(φ)＝π×50×tg(15)＝42.09

其中，d为滚刷穿制直径(mm)，P为鬃毛螺旋直径(mm)。根据经验，取鬃毛圆锥发散角r＝5°，如图5可知：

d₂＝2htg(r)+d₁＝2×60×tg(6)+4＝16.6mm

其中，h为鬃毛的长度(mm)，P为鬃毛穿制孔的直径(mm)。

由于采用双头螺线，所以滚刷边缘鬃毛束之间的间距t为：

一般的，5mm左右的间隙既能保证滚刷连续清洗壁面，又能使清洗液得到顺畅导流。在实际穿制滚刷时，选取导程42mm，这样在800mm长的滚刷上鬃毛的缠绕圈数n为:

滚刷边缘鬃毛束之间的间距为：

在实际使用中，滚刷转速直接影响清洗速度和清洗清洁度。显然的，在保证清洗清晰度的前提下，移动速度越快越好。滚刷的旋转速度必须与清洗作业装置的移动速度相匹配，保证在运动过程中，滚刷与壁面之间具有较小的相对滑动，以降低滚刷的磨损。

假设所述清洗本体系统的正常工作速度8m/min，滚刷的转速具体通过如下方法进行估算：

其中，n为滚刷的回转速度(r/min)，v为清洗装置移动速度(m/s)，k为刷洗重复系数，D为滚刷半径(m)。一般的，采用上述清洗方式，令刷洗重复次数k＝5，可以达到令人满意的清洗效果。

由此，通过算式(1)可以计算得n＝75r/min。

上述滚刷的载荷分析具体如下(如图6所示，为滚刷工作状态的受力分析图)。

M＝uP_fR (2)

其中，u为滚刷鬃毛与壁面的摩擦因数，P为壁面对滚刷的反作用力(主要取决于鬃毛的变形情况N)，R为滚刷半径(m)。

驱动滚刷所需的功率为:

W＝KMω (3)

其中，K为负载系数，M为滚刷驱动力矩(Nm)，W为滚刷旋转角速度(rad/s)。经过实验测定，u在0.45-0.68之间变化，取u＝0.5。则p_f的测定结果，鬃毛变形量5mm时，F＝50.25±0.23N；而变形量为10mm时F＝139.64±0.11N。

取p_f＝140N，根据算式(2)和(3)：

M＝uP_fR＝0.5×140×0.085N·m＝6N·m

W＝KMω＝3×6×3.14w＝56.5w

如上所述，滚刷是主要的执行部件，在清洗过程中滚刷被动越障。因此，滚刷只需要一个旋转自由度。在本实施例中，可以利用两个交流力矩电机直接分别带动两个滚刷。使用交流力矩电机有效的迹象特性，低转速，大转矩。而且这一传动运转平稳，并且满足了机器人结构紧凑，体积小的要求。

更具体的，所述清洗本体系统的供水方式具体如下：

如上所述，在本实施例中，所述清洗本体系统的上下移动速度为8m/min，一般的，清洗壁面的清洗液需要约为(1-3)L/m²。由于管路较长，以下计算沿程损失均忽略局部压力损失。

供水方式为利用水管从楼顶送水：为减轻水管及带水重量和缠绕结构体积，可以尽量使用小直径水管。清水管选用天津东浩软管科技有限公司生产的尼龙管Ф6x1，工作压力(MPa):2.0，最小爆破压力(Mpa):8.0。

为保证用水量12L/min，水在尼龙管中的平均流速为15.9m/s，雷诺数为：

其中，R_e为雷诺数；V为流体平均流速(m/s)d为管直径(m)；v为运动粘度m²/s。

代入数据可以计算得雷诺数：

紊流时沿程能量损失，计算公式：

其中，h₁为沿程损失(m)；λ为沿程阻力系数；d为管直径(m)；v为运动粘度m²/s；g为重力加速度。

光滑管，当Re＜10⁵时

计算可得，λ＝0.002，h₁＝7282m。

在本发明的具体实施例中，如上所述，前滚刷刷洗过程清除掉了大部分尘土，可以将刷洗后的水收集过滤再用作前滚刷的清洗用水，后边的滚刷接着用少量的清水冲洗一次壁面。这一重复利用过程可以保证壁面的清洁和节省用水。

前滚刷刷洗过程中起到浸湿壁面、刷、刮的主要作用，因此用水量大，气压要求高。前滚刷用水为8L/min，若损失率为10％，则消耗用水0.8L/min，后滚刷用水为0.9L/min，收集后可补充前滚刷的消耗。

由此，如图2所示，可以使用两个不同型号的第一供水水泵C和第二供水水泵D，分别为前滚刷供水和为后滚刷供水。

分别对两个供水水泵的沿程损失计算如下：

第一供水水泵沿程损失计算：d＝8mm，流量8L/min，流速2.7m/s，由算式(4)得Re＝0.12e5。对于紊流：由算式(5)得λ＝0.03，由式(6)得h₁＝2.2m。

第二供水水泵沿程损失计算：d＝4mm，流量0.9L/min，流速1.2m/s，由算式(4)得Re＝2664。对于紊流，由式(5)得λ＝0.044，由式(6)得h₁＝1.29m。

通过对两者之间的比较，最后采用第二种方式：自带水和污水循环使用。水泵为上海冠丰泵业生产的MP-6RZ和MP-20RZ，工作频率50Hz。

所述清洗本体系统还包括一风机推进装置360。所述风机推进装置形成负压以使所述清洗本体系统紧贴壁面，从而达到较好的清洗效果和产生足够的摩擦力来克服自身的风阻。

其原理为：当风机由电动机带动高速旋转时，叶片猛烈推动它前端的空气形成高压区，而叶片的背面则形成负压区(如图3所示)。在这一压强差的作用下，机器人清洗机构本体被压向壁面，从而达到上述目的。

如图7所示，为拉锁的受力分析简图。

T为绳中的张力(N)机器人拉索是两根并联的，其等效刚度。

k₂＝2k (2-2)

其中，P为a处所受的集中力(N)；δ为P产生的位移(m)。由h₁的风速得到任意高度处h₂的风速:

其中，u₁为h₁处的风速；u₂为h₂处的风速。由风速计算风压公式

其中，P_w为风压(KN/m²)；V_W为拉索附近的最高风速(m/s)。风力计算公式为：

P＝9.8·P_w·A (2-6)

其中，A为物体垂直于风向的迎风面积m²；P为物体所受风力。

高空作业的风速要求是低于风力等级6级(蒲氏风力等级表)，即风速低于10.8m/s，也是工作环境10m处的风速。机器人迎风面积为A＝0.2m²。由以上公式计算可得50m处的风力为272N，100m处的风力为358N，辅助轨道拉索中点刚性最差，考虑风力随高度的变化，综合以上公式可得出清洗本体在风力作用下产生的位移与工作点高度h的关系:

其它参数意义与上面相同，拉索张力T是一常量，因此在h＝0.58·l处，位移δ占最大为：

假设L＝100m，T＝3000N，计算得位移δ＝1.17m；L＝100m，T＝5000N，计算得位移δ＝0.70m，可见，拉索载荷力在很大的情况下，风力使清洗本体产生的位移将对实际工作造成很大的误差，这是不允许的。

因此采用给机器人足够推力，利用清洁绒与壁面的摩擦克服风力，设摩擦力f＝50N，推力要求计算公式：

其中，T为推力(N)，f为摩擦力(N)，u为清洁绒与玻璃壁面的摩擦因数。

沿风力方向，清洁绒与壁面之间为静摩擦，压力一定时，摩擦系数越大，摩擦力越大，可以克服的风力也就越大，摩擦因数为0.2则要求推力T≥250N。

一般的，控制滚刷变形量为10mm时，可以获得最好的清洗效果。若变形量过小，清洗执行部件和壁面未接触或少量接触，出现滚刷脱开玻璃壁面、漏水、刮水不平等现象，但若变形过大，清洗执行部件过度挤压壁面，摩擦阻力陡增，致使清洗工作无法正常进行。因此需要利用风机产生的推力来使滚刷变形。

风机形成的机器人空气负压区是封闭的清洗本体外壳内部，滚刷被全部包含在内。由此存在压力差可以有利于污水的回收。

机器人外壳框架接触壁面处是橡胶弹性密封材料。较佳的，为了减小摩擦，可以在框架底部涂上玻璃纤维。因为风机很容易产生要求的推力，负压区真空度要求不大，所以对于外壳框架而言，密封要求不高。

根据机器人结构特点，在本发明的具体实施例中，选用轴流风机。轴流风机的性能以其施加于气流的推力来衡量，风机产生的推力在理论上等于风机进出口气流的动量差(动量等于气流质量流量与流速的乘积)。

在风机测试条件下，进口气流的动量为零，所以可以计算出在测试条件下，风机的理论推力：

F＝ρ·Q·V＝ρ·Q²/A(N)

其中，ρ为空气密度(取常温20度下的空气密度：1.205Kg/m³)；Q为风量m³/s；A为风机出口面积m²。

试验台架测量推力或一般为理论推力的0.85一1.05倍，取为1。应当说明的是，测量推力还不等于风机装在机器人上所能产生的可用推力T，这是因为风机装在机器人上时会受到高空中气流速度产生的卸荷作用的影响，可用推力减少(柯达思效应)。

综上，推力为250N，风机出口面积为0.1256，则风量Q为2457。根据城市噪声的执行标准，居住、商业、工业混杂区的要求噪声在60-50分贝之间。据此，可以选择使用上海金蓝风机公司的SF3一4型低噪声轴流通风机，其具体参数如下表所示：

如图8所示，为本发明具体实施例的所述卷扬机系统。所述卷扬机系统包括：依次连接的电动机10、联轴器20、制动器30、减速器40、开式齿轮传动机构50以及卷筒60。

所述电动机10通过依次联轴器20、制动器30、减速器40以及开式齿轮传动机构50，带动所述卷筒60旋转。操作过程中，通过电动机的通电或断电以实现卷扬机的工作或制动，提升或下降则由电动机的正反转来实现。

在本发明的具体实施例中，所述电动机为交流伺服电动机。其机构运转时所需静功率和转速可以按下式计算：

其中，Q为额定起升载荷(N)；v为起升速度(m/s)，η为机构总效率，它包括滑轮组的效率、导向滑轮效率、卷筒的机械效率和传动机构的机械效率。

初步计算时，对于圆柱齿轮减速器传动的起升机构，可取η＝0.85-0.9。

因此有：

其中，一级圆柱齿轮传动的传动比为3：7，二级圆柱齿轮传动比为8：40，则总传动比为24：280，故电动机转速的可选范围为：

n_d＝i·n＝(24～280)×6.36＝152.64～1780.8r/min

电机额定功率：N_e≥69w，额定转速可选：750r/min，1000r/min，1400r/min。综上，可以选择电动机型号为YS6314，额定电压：380V，额定功率：120W，转速：1400转/分。

所述卷扬机系统通过绕卷在卷筒60上的钢丝绳与清洗本体系统连接。

具体的，通过如下方式选择合适的钢丝绳。首先，根据GB/T8918-1996知，钢丝绳直径可由钢丝绳最大工作静拉力确定，按下式确定：

其中，d为钢丝绳最小直径(mm)；C为选择系数(mm/N^1/2)，取C＝0.1；S为钢丝绳最大静拉力N。

S＝G+f＝40×9.8+50＝442N

由上述公式可知：

因此，在具体实施例中，所述钢丝绳直径为4mm。按钢丝绳所在机构工作级别来选钢丝绳直径时，所选的钢丝绳拉断力应满足下式：

F0≥n Fmax

其中，F₀为所选用钢丝绳最小拉断力(N)；n为安全系数，查手册选n＝7所以：F₀≥7×442＝3092N。

又钢丝绳最小拉断力总和等于钢丝绳最小拉断力×1.134(纤维芯)或×1.214(钢芯)，所以钢丝绳最小拉断力总和为3506N。(在本实施例中，钢丝绳横向压力较小，选用纤维芯钢丝绳)。结构选择X-t型钢，钢丝绳型号选择：6×19-4-170。

具体的，所述卷筒采用多层绕形式，可以缩小卷筒的外形尺寸。卷筒槽为标准槽，可以计算获得：

绳槽深度：c₁＝(0.25～0.4)d

绳槽节距：t₁＝d+(2～4)

如上所述，钢丝绳直径选用4mm，标准槽由上述算式得：

c＝(0.25-0.4)

d＝1-1.6mm

取c＝1mm，绳槽节距：t＝d+(2-4)＝8mm。更具体的，所述卷筒为内齿轮啮合式卷筒。

具体的，所述卷筒的参数选择，结构设置分析过程具体如下：

卷筒的节径(卷筒的卷绕直径)，由设计知D₀不能小于下式：

D_0min＝hd

其中，D_0min为按钢丝绳中心计算的卷筒最小直径(mm)，h为与机构工作级别和钢丝绳结构有关的系数。(查机械设计手册h＝100mm)，d为钢丝绳的直径(mm)。按下述算式计算得：

D₀＝hd＝100×4＝400mm

具体的，如图9所示，所述卷筒包括用于收放电缆的电缆容纳部M1和用于收放钢丝绳的钢丝绳容纳部M2。所述电缆容纳部设置在卷筒的中间，钢丝绳容纳部设置于所述电缆容纳部的两侧。

卷筒的长度：L＝2(L₀+L₁+L₂+L₃)+L₄，其中，L为卷筒总长度(mm)，L₄电线的卷筒长度，L_o为绳槽部分长度，其计算公式为：

其中，H为最大起升高度(mm)；D₀为卷筒卷绕直径(mm)；t为绳槽节矩(mm)。n为附加安全圈数(使钢丝绳端受力减小，便于固定，通常取n＝1.5-3圈)。l₁为固定钢丝绳所需要的长度(一般的，l₁＝3t)；l₂两端的边缘长度(包括凸台在内)，根据卷筒结构而定。

l₃为卷筒中间无绳槽部分长度，由钢丝绳的允许偏斜角α和卷筒轴到动滑轮轴的最小距离决定。对于有螺旋槽的两层绕卷筒，钢丝绳允许偏斜度通常为1：10，可知选取l₃＝100mm。

由算式(4-1)可得：

取L₀为370mm，l₁＝3t＝24mm。

所以L＝2×(370+24+8+100)+370＝1374mm。据此，标准卷筒长度设置为1380mm。

在本发明的具体实施例中，所述卷筒为铸铁卷筒，可以延长钢丝绳的寿命。

对于铸铁卷筒的筒壁有：

δ＝0.02D+(6～10)mm

根据铸造工艺的要求，铸铁卷筒的壁厚不应小于12mm。

综上所述，在本实施例中，所述卷筒长度为1380mm，卷筒壁厚为13mm，绳槽节距为8mm，槽底半径6mm，卷筒节距为400mm。

以下对于上述卷筒的强度进行分析计算和检验：

卷筒材料一般采用不低于HT200的铸铁，特殊需要时可采用ZG230-450、ZG270-500铸钢或Q235-A焊接制造。针对本发明的应用场景，较佳的，可以选择HT200的铸铁制造。

一般卷筒壁厚相对于卷筒直径较小，所以卷筒壁厚可以忽略不计，在钢丝绳的最大拉力作用下，使卷筒产生压应力、弯曲应力和扭曲应力。其中压应力最大。当L≤3D₀时弯曲应力和扭曲应力的合成力不超过压应力10％，所以当L≤3D₀时只计算压应力即可。

上述实施例中，L＝1380mm，D＝400mm，符合L≤3D₀的要求，所以只计算压应力即可。当钢丝绳双层卷绕时，卷筒所受压应力为：

其中，σ为钢丝绳单层卷绕时卷筒所受压应力(MPa)；F_max为钢丝绳最大拉力(N)；δ为卷筒壁厚(mm)；A为应力减小系数(一般取A＝0.75)；[δ_bc]为许用压力(对于铸铁)；σ_b为铸铁抗压强度极限。

因此有：

查教材机械设计基础知σ_b≥195MPa，所以[δ_bc]≥39MPa，所以σ≤[δ_bc]。经上述检验计算，卷筒抗压强度符合要求。

应当说明的是，卷筒轴是支持卷扬机正常工作的重要零件，需要对其进行设计和分析以确保卷扬机具有足够的性能。

在卷扬机卷筒工作时，钢丝绳在卷简上的位置是变化的。钢丝绳拉力经卷筒及支承作用到轴上产生的力矩，其大小随钢丝绳在卷简上位置的变化而不同。强度计算时应按钢丝绳在卷筒上两个极限位置分别计算。

由卷扬机工作情况和轴的受力分析可知，固定心轴相对于转动心轴，其弯曲应力一般为对称循环变化。对固定心轴，其应力循环特征为0≤r≤+1，视具体的载荷性质而定。

对固定心轴的疲劳失效而言，最危险的应力情况是脉动循环变化，为安全起见，卷筒的固定心轴应力应当以按脉动循环处理。

根据上述陈述，本实施例中，所述壁面清洁机器人的相关参数包括：绳的额定拉力为440N，速度为8m/min，卷筒直径400mm，钢丝绳的直径44mm，外齿轴套齿轮分度圆直径D＝224mm。通过查机械传动设计手册，轴的材质选择45钢，调质处理，σ_B＝650MPa，σ_S＝360MPa，σ_-1＝300MPa，[σ_b]₀＝100MPa。

转速公式：

卷筒输出功率计算公式：P’＝F×V＝440×8/60＝58.6W

轴的最小直径公式为：

其中系数A＝126-103，取A＝112，于是得：

查机械设计手册、机械传动设计手册、起重机设计手册，初步得到心轴各段直径从左至右为23mm，31mm，40mm，31，27mm，23mm和各长度。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种高层壁面清洗机器人，包括控制系统、驱动清洗本体系统移动的卷扬机系统以及清洗壁面的清洗本体系统；其特征在于，所述清洗本体系统包括：滚刷、刮净器、储水箱、水循环回收装置、喷水装置以及风机推进装置；

所述风机推进装置设置于所述清洗本体系统中，形成负压以使所述清洗本体系统紧贴壁面；

所述滚刷包括：内层尼龙筒，穿制在所述内层尼龙筒外壁上的猪鬃以及设置在所述内层尼龙筒两端，用于支撑的轴头；

驱动滚刷的电机通过一端的轴头与所述滚刷连接；所述猪鬃通过粘胶固定在内层尼龙筒外壁的穿制孔中，穿制孔深大于10mm；

所述猪鬃包括软硬程度不同的两种猪鬃；

软猪鬃和硬猪鬃沿所述内层尼龙筒对称中心人字形缠绕，均匀分布设置；

所述供水水泵包括两个不同型号的第一供水水泵和第二供水水泵，分别为前滚刷供水和为后滚刷供水；

所述扇形喷头设置个数的计算方法如下：高压水经过喷头形成高速水流，其能量的形式由压能变换成动能，根据水力学可知喷射流的速度和喷头出口压力的计算公式为:

其中，V_o为喷头出口流速(m/s)，p为喷嘴入口压力(Pa)，P_o为喷头出口压力(Pa)，γ为水的密度(Kg/mg)，g为重力加速度，为喷头流速系数

其中，K为系数，X为壁面与喷头的距离；

在空气中喷射，K＝8.3，喷头直径选用1.36mm，射流压力5M Pa和流量为8L/min和0.9L/min的扇形喷头；

考虑到滚刷长度为0.8m，因此喷射流的半径必须大于0.4m，则算出的喷头位置为离壁面2.3mm，所述前滚刷和后滚刷只需要各安装1个喷头即可达到高压冲击壁面清洗的效果。

2.根据权利要求1所述的高层壁面清洗机器人，其特征在于，所述卷扬机系统包括依次连接的电动机、联轴器、制动器、减速器、开式齿轮传动以及卷筒；所述电动机通过依次联轴器、制动器、减速器以及开式齿轮传动，带动所述卷筒旋转；

3.根据权利要求2所述的高层壁面清洗机器人，其特征在于，所述卷筒包括用于收放电缆的电缆容纳部和用于收放钢丝绳的钢丝绳容纳部；

4.根据权利要求2所述的高层壁面清洗机器人，其特征在于，所述卷筒长度为1380mm，卷筒壁厚为13mm，绳槽节距为8mm，槽底半径6mm，卷筒节距为400mm。

5.根据权利要求2所述的高层壁面清洗机器人，其特征在于，所述卷筒采用多层绕形式，卷筒槽为标准槽。

6.根据权利要求2所述的高层壁面清洗机器人，其特征在于，所述钢丝绳直径为4mm。

7.根据权利要求2所述的高层壁面清洗机器人，其特征在于，所述卷筒为内齿轮啮合式卷筒。