光滑弧形表面智能清洁机器人项目申请书

1. 项目概述

1.1 项目背景

1.1.1 光滑弧形表面清洁的挑战

• 弧形表面清洁一直是工业和日常生活中的一大难题，尤其是对于大面积的弧形玻璃、金属或塑料容器。
• 传统的清洁工具和方法难以达到完美的清洁效果，而且费时费力，效率低下。
• 在建筑领域，弧形玻璃的大范围应用为清洁工作带来了新的挑战，尤其是在人力难以触及的高空部分。

1.1.2 智能清洁机器人的需求

• 智能清洁机器人的出现为解决弧形表面清洁问题提供了新的思路和方法。
• 智能清洁机器人可以自动完成人力难以完成的弧形表面及曲型玻璃壁清洗工作，提高清洗效率。
• 智能清洁机器人的使用可以降低事故发生率，特别是需要人工悬挂在高空进行清洗高空玻璃壁的工作。

1.2 项目目的与意义

1.2.1 研发目标

• 研发一款适用于不同材质的曲面结构的智能清洁机器人，如玻璃、瓷砖等。
• 实现机器人对光滑弧形表面的自动清洁，提高清洁效率和质量。

1.2.2 研究意义

• 光滑弧形表面清洁问题涉及到多个领域，如工业生产、食品加工、建筑装饰等。
• 研发智能清洁机器人可以提高这些领域的生产效率，降低劳动强度，保障工人安全。
• 智能清洁机器人的应用可以推动相关产业的技术进步，为社会智能化、方便化提供技术支持。

2. 项目内容

2.1 机械结构设计

2.1.1 吸附结构设计

• 创新机械结构，采用柔软海绵式吸盘结构，使其能够更好适应各种弧形面。
• 优化吸盘机械结构，增大传统机器擦拭布的面积和厚度，避免漏气导致的机器坠落危险。

2.1.2 移动部件设计

• 机器人采用履带式移动方法，利用履带与物体之间的摩擦力实现移动与转向。
• 精准控制电机转动和电子器件的配合，实现机器人的灵活运动。

2.1.3 擦拭部件设计

• 增大传统机器擦拭布的面积和厚度，避免漏气导致的机器坠落危险。
• 优化擦拭布的结构和材料，提高擦拭效果和耐用性。

2.2 控制算法开发

2.2.1 控制算法目标

• 开发适用于光滑弧形表面的清洁机器人控制算法。
• 实现机器人的自动清洁，提高清洁效率和质量。

2.2.2 控制算法实现

• 采用机器学习技术，记录保存玻璃大小、弧度、起点位置和路径规划等信息。
• 通过优化算法，实现最优擦拭路径，提高清洁效率。

3. 已具备的条件

3.1 成员条件

• 项目小组成员熟练应用Solidworks、Thonny、PS、Keyshot、Adams、Matlab, Ansys等软件。
• 成员掌握机械原理、理论力学、物理学原理等初步知识。

3.2 实验条件

• 郑州大学深蓝科技部实验室为“全国小平科技创新团队”，在科技创新领域有丰富的经验和实践。
• 实验室有充足的设备如多台高性能3d打印机，数字示波器，信号发生器，可控电源，高性能计算平台等。

3.3 指导教师

• 李晨阳，工学博士学位，毕业于上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室。
• 主要从事结构振动分析、减振降噪、机械设备诊断等研究与教学工作。

4. 项目方案及进度安排

4.1 项目方案

• 结合已有基础研究，设计机械结构、电路结构、运动控制方式，实现适应各个曲面的运动。
• 测定常见光滑弧面的弧度，摩擦系数设计机器与曲面接触方式，选择最优电机方案。
• 通过力学分析、排气孔位置标定、外观美观度，建立最佳外壳模型。
• 建立数学模型和运动学模型，通过计算测定舵机扭矩、舵机臂长、驱动间距来达到最优驱动效率。
• 吸附技术。擦玻璃机器人通过底部的真空泵抽出吸盘空气形成负压，使其牢固吸附在玻璃表面上。
• 运动控制。机器人采用小型轮组或气垫在玻璃表面精准移动。
• 传感器技术。机器人使用激光雷达或视觉传感器等设备识别玻璃表面。

4.2 进度安排

• 2024年3-4月: 初步构想项目目标以及可实现的方案，通过仿真模拟进行模型、机构改进，设计出基本适应大多数光滑弧形表面的动力布局以及电子器件排布方案和机器大体框架，小组成员商议讨论负责相关部分，进行任务分配。
• 2024年5月：进行主要零件选择和材料的采购，对于使用海绵的负压吸盘吸附效果验证。
• 2024年6-7月：进行细节测绘，图纸第二次改进，要求完成细致，把机器模型样貌以及各种细节最终敲定。
• 2024年8月：零件加工、拼装，装机测试，发现与预期差别点，根据实际情况进行一定改进。
• 2024年9-10月：进行机器的初组装以及真实环境运行。收集实验数据，二次排查机械、动力问题，并做最后优化。
• 2024年11-12月：进行软件与电子器件的调试。采集相关数据和总结经验，整理出可靠数据，准备论文以及相关专利申请。
• 2025年1月-2月：排查软件以及电子器件问题以及机械结构微改进。完成或超额完成最初目标，整理所有资料。

5. 整体机器的建模与制作

5.1 建模与制作目标

• 根据所使用的控制模块，以及波推进器的大小和所确定的技术指标，使用Soild works 建立整体机器的三维模型。
• 使用3D打印技术，以及部分机械制造加工，完成实物制作。

5.2 建模与制作步骤

• 建立模拟设计初代验证模型，以用来仿真计算分析，为后续各种细节问题提供理论依据。
• 采用Adams进行简单应力分析，在理论所需摩擦力束缚下，计算器件质量，估算与玻璃接触面摩擦系数，以来优化真空泵功率，泡沫吸盘面积，链条推进装置摩擦系数大小与接触面积大小，使全机达到理论最优。
• 进行负压方面的计算和选择，保证机器人在工作过程中的稳定吸附。
• 优化弧形旋转海绵吸盘的机械结构，使其能够适应多数弧面。
• 考虑后期维护与安全问题，如清洁抹布清洗更换、装水与充电，电池防水处理等。

6. 力学分析

6.1 吸盘受力分析

• 物理原理：吸盘贴合于接触面，气泵快速抽取吸盘中空气，使吸盘中产生压强差，形成负压效应，产生对吸盘部分的压力，利用摩擦力实现对光滑平面的贴附。
• 计算公式：单位时间内泵出空气体积、单位时间内渗入气体体积、单位时间内总气体改变量。

6.2 移动部件受力分析

• 物理原理：移动部件与接触面之间存在摩擦力，通过控制电机的转速和方向，实现机器人的移动和转向。
• 计算公式：摩擦力计算公式、电机转速与扭矩关系公式。

6.3 擦拭部件受力分析

• 物理原理：擦拭部件与接触面之间存在摩擦力，通过控制擦拭部件的移动速度和方向，实现对光滑弧形表面的清洁。
• 计算公式：摩擦力计算公式、擦拭部件移动速度与电机转速关系公式。

7. 结论

• 光滑弧形表面智能清洁机器人的研发可以解决工业和日常生活中的一大难题，提高清洁效率和质量，降低劳动强度，保障工人安全。
• 通过技术创新和机械结构设计，可以实现对光滑弧形表面的自动清洁，推动相关产业的技术进步，为社会智能化、方便化提供技术支持。
• 项目团队具备良好的技术条件和指导教师的支持，有望实现项目目标，为光滑弧形表面智能清洁机器人的研发做出贡献。