只“喝水”的多功能清洗机器人

作者: 王雅茹福建省泉州市第七中学

生活在城市里的小伙伴们,一定会经常看到工人清洗高楼玻璃外墙的场景,每次看到这些工人高空作业时,我都会替他们捏一把汗,担心他们的安全。针对这一问题,我和老师们研发了一款多功能清洗机器人。它的工作原理是利用文丘里真空发生器产生真空,从而驱动真空吸盘吸附在墙面上,并利用水压驱动气缸带动行走,具有安全、高效、环保等优点,很大程度上降低了高空外墙清洗作业的风险,提高了工作效率,而且还能提高水资源的利用率。不仅如此,这款清洗机器人还能帮助我们清洗瓷砖地面、木地板、大理石柱、玻璃门窗等各类较光滑的表面,功能十分强大,是我们的清洁好帮手。

值得一提的是,这款多功能清洗机器人只需要接上高压水就能完成自动清洗。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接电源的安全隐患。

整体设计方案

这款清洗机器人,集供水、供能、抽气为一体。利用清洁水流经文丘里管真空发生器入口时产生的背压推动活塞杆,实现机器人的爬行驱动;利用清洁水流经文丘里管真空发生器出口时产生的负压控制吸盘,实现机器人的抽真空吸附;最后将清洁水引入双动气缸带动改造后的雨刮器实现清洗。

另外,在机器人驱动方式上采用了单一活塞驱动和吸盘的交叉控制,实现了爬行和后退两种运动,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。按照程序预先设定的路径,机器人可以在沿外墙玻璃爬行的同时,自动完成玻璃的清洗。

多功能清洗机器人实物图

工作状态构想

如工作示意图所示。图中实线箭头表示水流方向,水流从进水口流入,在文丘里真空发生器抽气元件进水口处把水流分成两股:一股通入到文丘里真空发生器抽气元件用于产生负压,为真空吸盘抽气,抽气过程中气体流向如虚线箭头所示,真空吸盘中的空气流经电磁阀进入到文丘里真空发生器抽气原件的抽气口,当电磁阀开启,气路接通,真空吸盘抽气吸附;当电磁阀关闭,气路切断,真空吸盘放气松开。另一股水流进入水压驱动机构,水压驱动机构与真空吸盘相连接,水压驱动机构的动作与真空吸盘的吸、放动作相结合,实现清洗机器人在清洗壁面上的行走。进入文丘里真空发生器抽气元件用于产生负压的水流,与通入到水压驱动机构用于驱动清洗机器人的水流,在完成各自任务后又在文丘里真空发生器抽气元件出水口处合并成一股,一起流入由雨刮器、双动气缸、淋浴头改装组合的清洗机构,为壁面清洗提供用水。

多功能清洗机器人工作示意图

多功能清洗机器人小档案

长:500毫米

宽:400毫米

高:250毫米

净重:8千克

最大载重:20千克

真空吸盘直径:50毫米

真空吸盘吸附力:40牛

最大移动速度:1.5米/分钟

最大爬坡角度:90度

耗水量与清洗面积:在水压≥0.4兆帕条件下,耗水量为5升/分钟,单次清洗面积为400毫米×400毫米

(该作品获第三十一届全国青少年科技创新大赛一等奖,有删改)

(指导老师/梁良飞 杨利 陈思鑫 插画绘制/KIKI酱)