幕墻清潔機(jī)器人分析與設(shè)計(jì)

陳曦 李森 陳釋文

摘 要：傳統(tǒng)人工清潔建筑幕墻不僅會(huì)耗費(fèi)大量的人力，而且還存在著巨大的潛在危險(xiǎn)，需要設(shè)計(jì)出合理的幕墻清潔機(jī)器人來解決這一系列問題。目前，幕墻清潔機(jī)器人技術(shù)距離市場應(yīng)用還有差距。本文對現(xiàn)有幕墻清潔機(jī)器人進(jìn)行分析，總結(jié)常見類型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出幕墻清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則，以期對幕墻清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：幕墻清潔;設(shè)計(jì);機(jī)器人;結(jié)構(gòu)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.122

1 背景介紹

現(xiàn)代城市建筑中，幕墻大量使用，中國建筑面積約為500億平米，幕墻占比約為5%，每年新建幕墻約為9000萬平方米。與此同時(shí)由于空氣中的灰塵等多方面因素的影響，出現(xiàn)了幕墻清潔的問題?，F(xiàn)有的社會(huì)條件下，由于技術(shù)條件的限制，大多數(shù)幕墻清潔都是采用人工清潔的方式，主要依賴人工清潔方式：除了常見的蜘蛛人一人一繩一板一桶的常見方式;還有通過升降平臺(tái)、吊籃等工具承載清潔工清洗，效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高，第二種作業(yè)成本高，存在人身安全隱患。

隨著技術(shù)的發(fā)展以及以人為本的理念的意識(shí)逐漸增強(qiáng)，未來需要安全高效的解決高空幕墻清洗的清潔機(jī)器人。從現(xiàn)有市場狀況看，目前的清潔機(jī)器人研究成果還不夠成熟，其原因包括設(shè)計(jì)的可靠性、功能實(shí)現(xiàn)、生產(chǎn)成本等因素。

2 現(xiàn)有清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

目前清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常見有以下幾種：（1）仿生蜘蛛爬行機(jī)構(gòu)[1]，爬行過程中多個(gè)爬行機(jī)構(gòu)共同作用，復(fù)雜度很高，會(huì)極大的增加生產(chǎn)成本，同時(shí)降低了可靠性。（2）履帶吸盤式爬行機(jī)構(gòu)[2]，比較穩(wěn)定，但對墻體有一定的破壞性。（3）滾輪吸盤爬行機(jī)構(gòu)，靈活性最高，但穩(wěn)定性差。

最早在20世紀(jì)60年代的時(shí)候，世界上第一臺(tái)墻壁表面清洗機(jī)器人被日本最早研究出來，在日本之后，美國、以色列、德國等國家也開始了對墻壁清潔機(jī)器人的研究工作，并取得了相應(yīng)的進(jìn)展。2016年成立于美國波士頓的一家幕墻清潔公司R storm technology設(shè)計(jì)研發(fā)出第一代22足幕墻清潔機(jī)器人，其清洗效率能達(dá)到9M?/min，并且擁有一定的穿越障礙的能力，其外形為立方體，清洗方式依靠在長度一端設(shè)置了清洗滾刷刷毛進(jìn)行移動(dòng)刷洗，并且由于采用了蜘蛛腳的仿生設(shè)計(jì)，使之能跨越不明顯的階梯框架墻面[3-5]。

國內(nèi)幕墻行業(yè)相對較晚，但發(fā)展?jié)摿ψ?，國家?chuàng)新推動(dòng)著幕墻行業(yè)的升級(jí)換代。沈陽新松機(jī)器人自動(dòng)化有限公司研制出的玻璃幕墻清洗機(jī)器人，其不同于以往的清洗機(jī)器人，它并非獨(dú)立的個(gè)體，而是安裝在幕墻上的一個(gè)基本的組件，通過幕墻上的軌道進(jìn)行移動(dòng)，它解決了分隊(duì)機(jī)器人目前還無法突破的障礙，讓成本大幅度下降，并且使得結(jié)構(gòu)簡化，讓安全性得到很大的提升。華蔚第一代高空幕墻清洗機(jī)器人，通過機(jī)器底部的磁吸附技術(shù)，吸附住墻面，可以承受30kg重力，80kg的垂力，不用擔(dān)心掉落的風(fēng)險(xiǎn)，可以輕松的行走在幕墻表面。同時(shí)轉(zhuǎn)彎掉頭非常容易，能輕松的跨越障礙物，該機(jī)器人外部安裝有監(jiān)測傳感器，通過傳感器接收到的圖像信息來判斷墻面是否清洗干凈，同時(shí)由于其搭載智能控制系統(tǒng)，它能自動(dòng)規(guī)劃路徑避免重復(fù)清洗[3-7]。

3 常見幕墻清潔機(jī)器人工作系統(tǒng)

常見幕墻清潔機(jī)器人與擦窗機(jī)器人原理類似，擦窗機(jī)器人是我們平時(shí)生活中應(yīng)用較多的機(jī)器，擦窗機(jī)器人身體一般裝有真空泵或者風(fēng)機(jī)機(jī)構(gòu)，通過它們產(chǎn)生的吸附作用牢牢固定住玻璃表面，并且擦窗機(jī)器人擁有人工智能操作系統(tǒng)，能智能處理工作過程中傳感器傳回的數(shù)據(jù)，會(huì)自動(dòng)測算墻面面積，和測量墻面邊角的距離，并在清潔完成后，會(huì)自動(dòng)尋跡回歸初始位置。幕墻清潔相較于窗戶清潔難度更高，清潔也相對更加困難，尤其是在高空外墻這種復(fù)雜的環(huán)境中，因此幕墻清潔機(jī)器人一般都會(huì)有一個(gè)安全裝置，防止在高空中突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生不可預(yù)估的后果。

幕墻清潔機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般具有結(jié)構(gòu)支架、清洗機(jī)構(gòu)、爬行機(jī)構(gòu)、監(jiān)測傳感器、控制處理系統(tǒng)這五個(gè)部分，當(dāng)機(jī)器工作時(shí)，由傳感器監(jiān)測墻面污漬黏附狀態(tài)，但清洗一次后繼續(xù)由傳感器監(jiān)測墻面是否清洗干凈，如果沒有清洗干凈，則機(jī)器會(huì)進(jìn)行重復(fù)清洗，如清洗干凈，機(jī)器會(huì)通過移動(dòng)機(jī)構(gòu)爬行到下一個(gè)未清洗區(qū)域進(jìn)行清洗。在爬行的過程中會(huì)由中央傳感器自動(dòng)規(guī)劃路徑，以最優(yōu)的爬行的方式，最短的爬行距離獲取最好的清洗效果。

4 幕墻清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)原則

根據(jù)以上分析總結(jié)得出，幕墻清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)原則主要考慮兩個(gè)主要方面：（1）單位時(shí)間清潔足夠大的有效區(qū)域，工作效率高，幕墻機(jī)器人需要清潔高空大面積區(qū)域，所以對其單位時(shí)間清潔面積有一定的要求，所以需要設(shè)計(jì)有效工作面;（2）輕便，幕墻清潔機(jī)器人在外部墻體環(huán)境工作，使得其續(xù)航能力成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)著重需要考慮的因素，輕便使得幕墻清潔機(jī)器人能更加方便、更加穩(wěn)定的地進(jìn)行工作。這些問題需要在設(shè)計(jì)的層面上解決。

設(shè)計(jì)具體涉及以下內(nèi)容：

（1）色彩選擇。由于幕墻清潔機(jī)器人長時(shí)間工作在高空幕墻環(huán)境中，陽光的照射與玻璃墻面的反射光聚集到幕墻清潔機(jī)器人裝置上，所以需要設(shè)計(jì)淺色外殼，減少對光的吸收，避免使幕墻清潔機(jī)器人裝置溫度過高，而影響幕墻清潔機(jī)器人內(nèi)部系統(tǒng)?？紤]色彩對人的視覺影響問題，使機(jī)器人工作時(shí)對控制人員的視覺反饋更加明晰。

（2）外部殼體與外觀設(shè)計(jì)。在高空工作環(huán)境中，會(huì)受到氣流的影響，所以設(shè)計(jì)符合流體動(dòng)力學(xué)的外觀，減小空氣阻力，避免受到風(fēng)的影響而造成的危險(xiǎn)。在高空工作時(shí)，設(shè)計(jì)簡潔的外形，給操作者和觀察者帶來舒適視覺效果。

（3）安全結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料選擇。機(jī)器人在工作狀態(tài)下要能夠穩(wěn)定的附著于工作區(qū)域，所以設(shè)計(jì)附著于墻面的機(jī)構(gòu)時(shí)要求可靠性和穩(wěn)定性高，同時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)安全繩索，避免幕墻清潔機(jī)器人從高空脫落?；跍?zhǔn)確移動(dòng)和控制的要求，幕墻清潔機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)，必須要有一定的精度與強(qiáng)度，且內(nèi)部主要是機(jī)械結(jié)構(gòu)，工作時(shí)需要考慮其耐久性與材料的疲勞度。其外殼部分相對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)來說一般起到支撐、遮蔽、美觀的作用，同時(shí)符合空氣動(dòng)力學(xué)要求，避免高空氣流對機(jī)器人產(chǎn)生較大的氣流沖擊力。以上設(shè)計(jì)特點(diǎn)要求外殼材料應(yīng)密度小、比強(qiáng)度高、耐熱性好?？墒褂锰祭w維類復(fù)合材料。

5 幕墻清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)

根據(jù)以上問題分析與設(shè)計(jì)要求，進(jìn)行幕墻機(jī)器人設(shè)計(jì)，提出主要針對無階梯幕墻的清洗機(jī)器人。具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：

5.1 結(jié)構(gòu)上

分為上下兩個(gè)支撐部分，連接處采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使工作狀態(tài)下展開，不工作時(shí)旋轉(zhuǎn)收回。同時(shí)將外部清洗裝置也為可旋轉(zhuǎn)收回。

5.2 仿生爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

將毛蟲多足的方式簡化為“雙足”，自然界中的毛蟲通過蠕動(dòng)的方式爬行，其爬行方式可以簡化為“前足”與“后足”通過前后足相互遞進(jìn)的方式爬行，在設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)“雙足”爬行機(jī)構(gòu)能有效簡化運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

5.3 造型上

（1）采用曲面造型，盡可能的減少塊面與減小機(jī)器體積，以達(dá)到減少空氣阻力的作用，工作時(shí)減少迎風(fēng)面積，降低風(fēng)阻，保持其整體攀附墻體的穩(wěn)定性。

（2）主體色彩采用反射光線強(qiáng)的白色，防止機(jī)器主體過度吸熱。

具體設(shè)計(jì)如下，圖1為主體結(jié)構(gòu)圖，圖2為工作狀態(tài)下外觀圖。

下圖（圖3）為幕墻清潔機(jī)器人從工作前到工作狀態(tài)的主要流程。

6 結(jié)語

本文分析當(dāng)前幕墻清潔機(jī)器人主要特征，以及幕墻清潔機(jī)器人工作環(huán)境的特點(diǎn)，提出幕墻清潔機(jī)器人遵循的主要設(shè)計(jì)原則，并設(shè)計(jì)出可靠性較高的無階梯幕墻清潔機(jī)器人，為幕墻清潔機(jī)器人市場應(yīng)用提供支持。

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