智能清潔機器人在現(xiàn)代建筑外墻清潔中的研究與應用

魯曉莉　畢鵬

摘要：現(xiàn)代建筑由于其新的設計特點，給外墻清潔帶來了一系列新的問題。智能清潔機器人的使用，為建筑外墻清潔帶來了諸多便利。文章針對目前的清潔現(xiàn)狀，分析了現(xiàn)階段智能清潔機器人的發(fā)展與應用，并結(jié)合現(xiàn)實情況給出了未來清潔機器人的研究方向及應用前景。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)代建筑；外墻清潔；智能清潔機器人；建筑設計；清潔產(chǎn)業(yè) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP242 文章編號：1009-2374（2015）16-0044-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.16.021

1 我國現(xiàn)代建筑外墻清潔現(xiàn)狀

1.1 現(xiàn)代建筑的特點

現(xiàn)代建筑隨時代而發(fā)展，同工業(yè)化社會相適應，主張積極采用新材料、新結(jié)構(gòu)，并在建筑設計中發(fā)揮新的特性。在建筑外墻上，現(xiàn)代建筑越來越多的采用大面積玻璃、鋁板等建筑材料進行裝飾，將現(xiàn)代風格全方面地詮釋出來。通透的光體建筑不僅為城市景觀增添亮色，更引領(lǐng)了城市發(fā)展的潮流。在資源稀缺的城市，土地最大化利用使得現(xiàn)代建筑擁有高聳和密集的特點，但這也為其清潔帶來難題。

由于常年日曬和風吹雨打以及大氣中有害的氣體和油煙等污染和化學反應的侵蝕，使得建筑外墻產(chǎn)生了污垢和風化，這不但降低了建筑物的使用壽命，更嚴重影響了市容環(huán)境，因此，現(xiàn)代建筑外墻的清潔十分必要。

1.2 清潔現(xiàn)狀及面臨問題

1.2.1 清潔現(xiàn)狀?，F(xiàn)代建筑多為高層建筑，外墻主要采用大面積玻璃、鋁板等建筑材料進行裝飾。玻璃幕墻容易附著灰塵，為保持現(xiàn)代建筑的清潔美觀，應定期對外墻進行清洗。在高空清潔領(lǐng)域，部分發(fā)達國家已經(jīng)實行了機器人實施清洗作業(yè)，而國內(nèi)大部分城市依舊沿用人工清洗模式。

在人工清潔領(lǐng)域，人工擦洗方式存在效率低、具有安全隱患等一系列缺點。目前現(xiàn)代建筑外墻清潔主要借助于高處吊板、吊繩、吊籃等工具，將工人運送到指定位置進行施工操作，這種施工方式雖然靈活，但安全性和效率較低。為增強安全系數(shù)，部分地區(qū)運用蜘蛛車、升降車等平臺設備將工人運送到指定位置進行施工操作，但這種方式一般僅適用于低高度的高難度工程，成本高，局限性較大。

在機器清潔領(lǐng)域，市場上出現(xiàn)的智能清潔機器人目前只適用于家庭住宅的小范圍清潔，清潔對象多為地面、玻璃窗、光滑的瓷磚墻等。相對于現(xiàn)代建筑外墻，室內(nèi)清潔對象面積小，污染物單一，清潔難度低。根據(jù)調(diào)查，市場上用于外墻清潔的智能清潔機器人暫未出現(xiàn)。

1.2.2 面臨問題。現(xiàn)代建筑物造型各異，講究藝術(shù)性，多為高層建筑。由于常年裸露，污染物復雜，風化殘跡、酸堿侵蝕、灰塵堆積等都是清潔過程中必須要克服的困難。人工清潔方式效率低、風險高，工作人員安全沒有保障，且清潔費用高。

隨著科技的發(fā)展和人民生活水平的提高，僅僅具有清潔功能的擦窗機器人已不能滿足于消費者對產(chǎn)品附加功能的需求，亟待增添一些新的功能。通過市場調(diào)研我們發(fā)現(xiàn)：消費者對于機器人實現(xiàn)越障感應、智能辨別污垢、定時清潔、APP遠程遙控、音樂播放等的需求較高。目前已有的研究成果在智能清潔機器人吸塵技術(shù)、傳感技術(shù)、路徑規(guī)劃技術(shù)中有了一些突破，但在智能越障技術(shù)和污垢辨識與清潔技術(shù)方面還需改良。目前市場所售的智能清潔機器人價格不等，功能單一，考慮到性價比，消費者購買熱情不高。

1.3 智能清潔機器人在該領(lǐng)域的優(yōu)勢

現(xiàn)代建筑外墻清潔是清潔產(chǎn)業(yè)的一大難題。在經(jīng)濟高速發(fā)展的21世紀，通過機械化、智能化方式高效率的實現(xiàn)建筑外墻清洗工作的智能清潔機器人具有非常廣闊的市場，它不僅節(jié)省勞動力資源，還解決了人類在復雜惡劣環(huán)境下不能持續(xù)工作的問題。應用智能清潔機器人能省時、省力，提高工作效率和能源利用率，且整個清潔過程不需要人控制，這極大地減輕了勞動者的操作負擔。對消費者而言，使用機械化清潔方式在減少清潔費用的同時更是獲得了一個良好的生活和工作環(huán)境。

2 智能清潔機器人的研究與發(fā)展

近年來計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感技術(shù)以及移動機器人技術(shù)飛速發(fā)展，機器人控制系統(tǒng)的研究和開發(fā)已具備了堅實的基礎和良好的發(fā)展前景。現(xiàn)階段，傳感技術(shù)、智能越障技術(shù)、能源供給技術(shù)是制約智能清潔機器人研發(fā)的三大瓶頸。

2.1 傳感技術(shù)

智能清潔機器人往往需要多種傳感器同時工作并進行數(shù)據(jù)融合才能獲得精確的信息以確定其工作狀態(tài)。機器人要想高效率地在環(huán)境中運動并到達目的地，實現(xiàn)定位清潔功能，就需要依賴于傳感技術(shù)使它根據(jù)環(huán)境中已有的一些特征判斷出自身位置。

由于傳感技術(shù)在智能清潔機器人研發(fā)過程中起關(guān)鍵作用，它的發(fā)展水平極大地影響著機器人的智能化水平。傳感器的價格在清潔機器人的成本中占有很大的比例，國外的傳感器研究發(fā)展水平較高，有大量的性能優(yōu)良的陀螺儀、測距儀等傳感器可供選擇使用，因而清潔機器人的研究發(fā)展水平領(lǐng)先于國內(nèi)。

未來的智能清潔機器人必須在傳感技術(shù)有所突破的基礎上，結(jié)合現(xiàn)有的移動機器人運動規(guī)劃和控制技術(shù)，規(guī)劃對障礙物具有安全可靠的防碰撞功能和越障功能的智能運動，從而使其在實際環(huán)境中具有更好的適應性。

2.2 智能越障技術(shù)

基于現(xiàn)代建筑外墻的復雜性，智能清潔機器人不能僅限于光滑完整平面的移動，還需在區(qū)域化、個性化的未知墻面進行移動。

國內(nèi)很多研究機構(gòu)正在克服這一難題，西北工業(yè)大學設計了一種爬壁機器人的負壓吸附式雙足，采用兩個足部模塊固定在同軸線上，運動時后足直接從前足上方跨越，吸附在壁面上變?yōu)榍白?，周轉(zhuǎn)運動單步跨越距離大，運動靈活。昆山昆航機器人研究所研發(fā)的高層建筑外壁面清潔機器人，利用飛行器實現(xiàn)壁面行走越障。飛行器位于機器人主體的上部，其通過下部的牽引索與機器人主體連接，飛行器的下部設置有推進器，在飛行器內(nèi)置有機器人支援系統(tǒng)。建筑外墻清潔機器人可以通過應用仿生學與飛行器設計技術(shù)，提高壁面越障靈活度。通過多種方式智能越障，以此來應對結(jié)構(gòu)復雜的現(xiàn)代建筑外墻，提高清潔效率。

2.3 能源供給技術(shù)

在能源方面，鋰電池具有體積小、電動勢高、能量密度高、工作溫度范圍大、自放電少的特點，是一種理想的機器人能源。但在實際應用中，其安全性差，易發(fā)生爆炸，且不能大電流放電。因此需保護線路，防止電池過充過放電，這無疑給生產(chǎn)帶來了更高的成本要求。

在科學技術(shù)日益發(fā)展的時代，無線充電技術(shù)是未來能源供給的焦點。使用無線充電技術(shù)，電池裝置不需要借助于電導線，依據(jù)電磁波感應原理以及其他相關(guān)的交流感應技術(shù)，通過發(fā)送端和接收端的相應設備來發(fā)送和接收產(chǎn)生感應的交流信號，從而進行充電。

目前無線充電技術(shù)仍存在諸多挑戰(zhàn)，充電效率低，且實用性有待考察。隨著無線充電技術(shù)的不斷升級，相信充電技術(shù)可以廣泛應用到電器之中，智能清潔機器人的供電系統(tǒng)實現(xiàn)遠距離無線化指日可待。

3 應用與前景展望

盡管目前已研發(fā)的智能清潔機器人未能實現(xiàn)預期目標，但隨著21世紀各學科之間的相互交融以及科學技術(shù)的不斷發(fā)展，智能清潔機器人研發(fā)過程中遇到的瓶頸，將會取得重大突破。同時結(jié)合新興技術(shù)，智能清潔機器人將能成功應對更多的未知環(huán)境，它的實用性也會被驗證。應用智能清潔機器人清潔現(xiàn)代建筑外墻，不僅能夠代替清潔人員從事復雜繁瑣的清潔工作，更能夠從事一些具有危險性、人類能力所限不能從事或不宜從事、極端枯燥和簡單重復的清潔工作。

總而言之，智能清潔機器人是實現(xiàn)高層建筑外墻清潔產(chǎn)業(yè)機械化、智能化的強有力工具，其在市場中的應用將帶來智能清潔產(chǎn)業(yè)的革新，同時將促進清潔產(chǎn)業(yè)形成規(guī)模，便于改善目前國內(nèi)清潔產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品良莠不齊的

現(xiàn)狀。

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作者簡介：魯曉莉（1994-），女，陜西安康人，就讀于西北工業(yè)大學生命學院。

（責任編輯：秦遜玉）