高空清潔組合設(shè)計

蔣卓一 吳燦 何其雋 宋俊延 劉姝岑

摘? 要：近年來城市的高層建筑隨著社會的發(fā)展而不斷增多，玻璃以其特有的魅力為城市建筑增添不少設(shè)計感，但也造成了光污染、高空清潔等問題。本文就城市高空清潔問題，以高空清潔行業(yè)的現(xiàn)狀及其弊端為導(dǎo)向，結(jié)合無人機和清潔機器人的發(fā)展趨勢以及“無人機+”的概念，探討通過創(chuàng)新組合方式設(shè)計，深入研究高空清潔這一創(chuàng)新性設(shè)計。并且在高空玻璃清潔的基礎(chǔ)上對產(chǎn)品原型進行應(yīng)用拓展，例如生物仿生、機械結(jié)構(gòu)仿生;輸送清潔機器人的不同方式;適用于玻璃、石材、鋁板及異面墻面等不同環(huán)境的清潔方式。這有助于實現(xiàn)產(chǎn)品形態(tài)和控制系統(tǒng)的多元化延展，探尋解決更多高空清潔領(lǐng)域問題的可能性，嘗試創(chuàng)造更高的社會價值和經(jīng)濟價值。

關(guān)鍵詞：高空清潔? 無人機? 清潔機器人? 應(yīng)用拓展

中圖分類號：V235? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0004-04

Abstract： In recent years， high-rise buildings in cities have been increasing with the development of society. Glass has added a lot of design to urban buildings with its unique charm， but it has also caused problems such as light pollution and high-altitude cleaning. On the issue of urban high-altitude cleaning， guided by the current situation and shortcomings of the high-altitude cleaning industry， combined with the development trend of drones and cleaning robots and the concept of "UVA+"， this paper explores this innovative design through an new combination of methods design， and expand the application of product prototypes on the basis of high-altitude glass cleaning， such as bio-bionics， mechanical structure bionics， different ways to transport cleaning robots， and study on the cleaning methods suitable for different environments such as glass， stone， aluminum plate and different wall surfaces， which is conducive to the realization of the diversified extension of product forms and control systems， the exploration of the possibility of solving more problems in the field of high-altitude cleaning， and the high value creation of society and economy.

Key Words： High altitude cleaning; UVA; Cleaning robot; Application development

目前，高空清潔還是以人工作業(yè)為主，清潔人員用一根保險繩和一根作業(yè)繩把自己懸掛在建筑外壁，這是一種高危的作業(yè)的方式，不僅如此，高空清潔對就業(yè)人員的身體素質(zhì)有較高的要求。此外，高空作業(yè)還受天氣的限制，遇到四級以上的風(fēng)力、能見度差時，以及氣溫超過35℃或低于0℃時都不適合高空清潔。因此，市場急需一款可以替代人工高空作業(yè)的產(chǎn)品，以減少工作的危險性，同時也減少高空清潔公司的清潔成本費用、人工開支。

1? 研究背景及意義

近年來城市規(guī)模不斷擴大，城市建筑如雨后春筍般地拔地而起，玻璃又是城市現(xiàn)代高層建筑中不可或缺的材料。為了美觀及采光的需求，不少高層建筑都采用了玻璃幕墻，這就帶來了玻璃窗（頂棚、壁面）的清洗問題[1]。

1.1 高空玻璃清潔的發(fā)展現(xiàn)狀

如今，高空玻璃清洗主要依靠人工清潔，作業(yè)人員大部分是文化水平較低，部分清潔員缺乏操作規(guī)范，每年都會有由于操作不當(dāng)引發(fā)的高空墜落事件。

一些清潔公司用一些比較粗暴的方式清洗，使用腐蝕性化學(xué)試劑的現(xiàn)象比較嚴(yán)重，可以看到被腐蝕性的化學(xué)試劑清洗過的高空玻璃，早已改變了原有的質(zhì)感。清潔公司為降低成本，清潔設(shè)備長時間不更換或采用劣質(zhì)清潔劑，導(dǎo)致建筑物下的植物出現(xiàn)不同程度的枯萎、汽車表面受到腐蝕等惡劣情況。

1.2 本課題研究的意義

由于玻璃長期暴露在空氣中經(jīng)過暴曬和風(fēng)吹雨打，以及大氣中產(chǎn)生的有害氣體等污染和一些玻璃清潔劑對玻璃的腐蝕，在高空玻璃上產(chǎn)生了一層污垢。長久以往，這樣既會損壞了高層建筑物，又影響了城市建筑的整體美觀性。隨著科學(xué)技術(shù)的逐步成熟，高空清潔可以由機械代替人工作業(yè)，不僅可以把作業(yè)風(fēng)險降到最小，也可以節(jié)省人工作業(yè)費用。

2? 無人機清潔系統(tǒng)設(shè)計原則

確定設(shè)計主題后，對其進行了設(shè)計延伸，確定以無人機和清潔機器人作為產(chǎn)品主體后，展開創(chuàng)意構(gòu)想，總結(jié)每個構(gòu)想的優(yōu)勢與不足，確定設(shè)計方案所要具備的優(yōu)勢。

2.1 效果要好

玻璃清潔機器人直接與玻璃面接觸，通過底部的密植纖維抹布精細擦除玻璃表面的灰塵污漬，效果比直接沖洗玻璃窗會更好，同時也避免清潔劑流至下層玻璃以及地面。

2.2 效率要高

實現(xiàn)無人機+清潔機器人的多機操作、多模式系統(tǒng)化控制，縮短了清潔整棟建筑物玻璃外墻的時間，提高了清潔效率，改變?nèi)斯ぷ鳂I(yè)工序繁瑣、效率低下的現(xiàn)狀。

2.3 節(jié)省水資源

相較于其他噴水清潔方式，該設(shè)計通過無人機噴灑霧狀特質(zhì)清潔劑，清潔機器人進行擦洗的形式清潔玻璃面，極大地節(jié)省了水資源，避免了無人機需多次飛回地面取水的需求。

2.4 替代人工作業(yè)

依靠操控人員在地面控制中心操縱，不需要人員加入高空清洗環(huán)境，解決了工作人員的人身安全問題，降低了人力成本，可替代“蜘蛛人”完成清潔工作。

2.5 運用智能化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化技術(shù)

運用視覺技術(shù)，無線網(wǎng)絡(luò)，后臺數(shù)據(jù)采集分析，三維建模，VR 虛擬技術(shù)和AR增強現(xiàn)實技術(shù)，智能路徑規(guī)劃，GPS 定位，紅外傳感等技術(shù)進行系統(tǒng)化的智能控制和管理，實現(xiàn)無人機和清潔機器人工作運行。

2.6 優(yōu)化外觀造型

無人機的外觀設(shè)計以“節(jié)省材料、節(jié)省空間、減少重量”為設(shè)計原則，且盡可能貼合城市建筑風(fēng)格，具有一定的科技感;對于清潔機器人來說，其風(fēng)格要簡潔大方，最核心的是要方便無人機攜帶。

3? 無人機清潔系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 設(shè)計定位

在這款組合設(shè)計中，無人機作為輔助清潔工具，輸送清潔機器人至玻璃面上，利用攝像頭部分為清潔機器人規(guī)劃清潔路徑并起到實時監(jiān)控的作用;清潔機器人主要負(fù)責(zé)擦洗窗戶。

3.2 機器運作所需部件

在確定了設(shè)計定位和具體功能需求后，機器運作過程中需要用到激光雷達、液體泵、超聲波測距單元（紅外）、2.4GHz無線通信技術(shù)、慣性導(dǎo)航單元、磁力計、電動伸縮桿、電動滑臺、電磁鐵、噴頭、水箱。

3.3 “無人機+清潔機器人”技術(shù)實現(xiàn)

飛行器和機器人可通過自身配置的激光雷達、導(dǎo)航單元和磁力計進行無人機和多臺機器人的同時操作。通過2.4GHz的無線數(shù)字通信收發(fā)器完成數(shù)據(jù)傳輸，地面會進行不同模式的控制，從而實現(xiàn)多機組合模式的控制。無人機依靠慣性導(dǎo)航單元和磁力計可準(zhǔn)確導(dǎo)航，從而能夠準(zhǔn)確的運送清潔機器人至指定工作區(qū)域。

3.4 確定無人機的機型

針對此項目，考慮到無人機需要負(fù)載電動伸縮桿、電動滑臺、清潔機器人、水箱等部件，無人機的負(fù)載能力不能低于15kg，所以選擇大功率四旋翼無人機。并做出最終方案，效果圖如圖1。

4? 工作流程及可行性論證

4.1 規(guī)劃路徑

無人機通過頂端的攝像頭，并結(jié)合激光雷達，運用視覺技術(shù)對建筑物外墻進行掃描，規(guī)劃出清潔機器人的工作路徑，無人機飛回地面后，再由工作人員將清潔機器人懸掛在無人機底部的電動伸縮桿前端的電磁鐵上。

4.2 噴灑清潔劑

無人機再次起飛至玻璃清潔區(qū)域，微型液體泵抽出水箱內(nèi)的清潔劑，通過無人機噴頭向玻璃面噴灑清潔劑。

4.3 輸送清潔機器人

無人機噴灑清潔劑之后，無人機的距離感應(yīng)器利用超聲波測距，精準(zhǔn)地向玻璃面輸送清潔機器人。無人機底端的電動滑臺和電動伸縮桿依次移動，將清潔機器人送至玻璃表面。

4.4 開始清潔

將清潔機器人送至玻璃面時，內(nèi)部的傳感器感受到清潔機器人與玻璃面接觸信號，開始通電，清潔機器人吸附到玻璃面上。之后電磁鐵斷電，使無人機與清潔機器人分離，并給清潔機器人發(fā)送清潔指令。

4.5 多機工作

飛行器和機器人可通過自身配置的激光雷達、導(dǎo)航單元和磁力計進行無人機和多臺機器人的同時操作。第一臺清潔機器人開始工作后，無人機飛回地面運送其他清潔機器人，并重復(fù)工作流程2～4。

4.6 回收擦窗機器人

在工作期間，無人機與清潔機器人使用2.4GHz無線通信技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)清潔機器人工作結(jié)束，發(fā)送信號至地面控制中心，無人機通過紅外感應(yīng)器精準(zhǔn)的與清潔機器人對接回收（見圖2）。回收的清潔機器人若有足夠的電量，將其送至其他需要清潔的玻璃面;若電量不足，將其回收至地面進行充電。

5? 應(yīng)用拓展

城市建筑不僅僅是依靠玻璃材質(zhì)，還由石材、鋁板、磨砂材質(zhì)構(gòu)成，同時為了建筑的整體效果還會出現(xiàn)異面墻，基于這種情況下，以原型產(chǎn)品的能力是達不到清潔目的的，這就需要對產(chǎn)品進行應(yīng)用拓展，以滿足不同場景的需求。

可以利用生物（如壁虎）仿生、機械結(jié)構(gòu)仿生和月球車等原理，研究適用于玻璃、石材、鋁板及異面墻等不同場景的清洗，實現(xiàn)產(chǎn)品形態(tài)的多元化延伸及遠程控制等。

在“無人機+機器人”模式的基礎(chǔ)上，轉(zhuǎn)換思維，可考慮改變輸送清潔機器人的方式，轉(zhuǎn)變?yōu)閺母邔油ㄟ^固定的繩索或其他固定裝置向下輸送，將清潔機器人送至清潔區(qū)域。不僅可以提升清潔效率，還可以避免無人機輸送清潔機器人時因故障問題造成的意外。

電作為清潔機器人唯一的動力來源，續(xù)航成為一個最大的障礙。若清潔機器人外殼采用光伏發(fā)電板，可運用光伏發(fā)電新能源技術(shù)解決續(xù)航不足的問題。

6? 結(jié)語

高空清潔從各方面來講都是一個較為棘手的問題，但在經(jīng)濟與科技發(fā)展迅速的時代背景下，技術(shù)難點將一一被突破，日漸趨于完善的高空智能清洗設(shè)備將會成為現(xiàn)實。本創(chuàng)新成果作為高空清潔類產(chǎn)品的探索，提出“無人機+清潔機器人”的概念，具有高安全性、高適應(yīng)性、高效節(jié)能和高度智能化的特點，是先進、合理的高空清洗解決方案和替代產(chǎn)品。對其拓展研究的產(chǎn)品又可適用于玻璃、石材、鋁板墻面等不同場景的清洗，為解決高空玻璃清潔問題提出更多可能性。

參考文獻

[1] 苗正紅，楊清臣，邱中軍，畢強.一種基于激光雷達技術(shù)的水庫庫容計算方法[J].地理空間信息，2018，16（5）：14-15+8.

[2] 趙赫，魯旭，姚金池，呂海霆.高空玻璃清潔機器人的設(shè)計及研究[J].中外企業(yè)家，2019（15）：136.

[3] 邵翌鑫.智能仿生玻璃清潔機器人造型設(shè)計及功能配置[J].北華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，17（2）：278-280.

[4] 王明宇，胡陽光，崔儷馨，于捷.可控式玻璃清洗機器人的研究[J].內(nèi)燃機與配件，2020（8）：248-249.

[5] 劉海波，周璇，許曉春.“高空清道夫”智能機器人的研究和應(yīng)用分析[J].科技資訊，2016，14（35）：2-3.

[6] 陳攀.工業(yè)機器人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].科技資訊，2019，17（4）：60-61.