傳動式玻璃幕墻清洗機器人設(shè)計

姜 濤，鄭明輝，萬志遠(yuǎn)

（山東華宇工學(xué)院 機械工程學(xué)院，山東 德州 253034）

引言

玻璃幕墻，是指由面板與支承結(jié)構(gòu)體系（支承裝置與支承結(jié)構(gòu)）組成的、可相對主體有一定位移能力或自身有一定變形能力、不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護墻或裝飾性結(jié)構(gòu)。墻體有單層和雙層玻璃兩種。玻璃幕墻是一種美觀新穎的建筑墻體裝飾方法，是現(xiàn)代高層建筑時代的顯著特征。隨著我國社會的不斷發(fā)展，人們生活水平的提高，高層建筑不斷拔地而起，玻璃幕墻的應(yīng)用變得極為廣泛，而清洗玻璃幕墻這一高危職業(yè)便隨之誕生[1-2]。

現(xiàn)在對于玻璃幕墻的清洗基本依賴人工完成，人工清洗玻璃幕墻通常是利用兩根繩索將清洗人員吊在玻璃幕墻外，人工通過清洗工具完成對玻璃幕墻的清洗工作。上述清洗方法一方面由于玻璃幕墻基本設(shè)置在中高層，人工在極高的位置作業(yè)容易造成危險，另一方面清潔人員在高空作業(yè)在保證安全的前提下無法過度活動，導(dǎo)致清洗效率低，故本文研究一種可替代人工的傳動式玻璃幕墻清洗機器人[3-5]。

1 傳動式玻璃幕墻清洗機器人設(shè)計內(nèi)容

本文設(shè)計的傳動式玻璃幕墻清洗機器人主要在控制單元的控制下，吸附機構(gòu)使清洗單元與玻璃幕墻接觸并抵緊，配合行走單元，使清洗單元清洗玻璃幕墻；行走機構(gòu)驅(qū)動第一支座和底盤交替相向或背向移動，使清洗裝置移動，通過清洗單元對玻璃幕墻進行清洗。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

包括：底盤；第一支座，與底盤相對設(shè)置；行走單元，包括行走機構(gòu)和吸附機構(gòu)，行走機構(gòu)分別與底盤和第一支座連接，用于驅(qū)動第一支座和底盤相向或背向移動；吸附機構(gòu)設(shè)置在第一支座和底盤靠近玻璃幕墻的一側(cè)，用于將清洗裝置抵緊玻璃幕墻；清洗單元，設(shè)置在底盤和第一支座靠近玻璃幕墻的一側(cè)；以及控制單元，分別與行走單元和清洗單元連接，用于控制行走單元和清洗單元運轉(zhuǎn)。

圖1 玻璃幕墻清洗機器人的立體結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 運動設(shè)計

行走機構(gòu)包括驅(qū)動電機、傳動組件和螺旋傳動元件，驅(qū)動電機與底盤固定連接，驅(qū)動電機通過傳動組件與螺旋傳動元件傳動連接；螺旋傳動元件可繞自身軸線旋轉(zhuǎn)地連接在底盤上，螺旋傳動元件的外壁上設(shè)置有第一螺紋部，第一支座上設(shè)置有轉(zhuǎn)動孔，轉(zhuǎn)動孔的內(nèi)壁上設(shè)有與第一螺紋部相配合的第二螺紋部。螺旋傳動元件包括兩個，兩個螺旋傳動元件分別位于底盤寬度方向的兩側(cè)端部，傳動組件分別與兩個螺旋傳動元件傳動連接。

圖2 玻璃幕墻清洗機器人的俯視圖

傳動組件包括主動輪、從動輪和傳動帶，主動輪設(shè)置在兩個螺旋傳動元件中的其中一個螺旋傳動元件的端部，從動輪設(shè)置在兩個螺旋傳動元件中的另一個螺旋傳動元件的端部，主動輪與驅(qū)動電機的輸出軸連接，傳動帶繞過主動輪和從動輪。

吸附機構(gòu)包括多個吸盤組件，吸盤組件分設(shè)在底盤和第一支座靠近玻璃幕墻的一側(cè)，吸盤組件包括：真空泵，與控制單元連接；與真空泵耦合的多個吸盤，控制單元控制真空泵運轉(zhuǎn)以使吸盤吸附或脫離玻璃幕墻。

圖3 A部分的局部放大圖

圖4 B部分的局部放大圖

1.3 清洗設(shè)計

清洗裝置包括第二支座，第二支座的一側(cè)與底盤固定連接，另一側(cè)插入第一支座內(nèi)并沿第一支座的運動方向延伸。

圖5 玻璃幕墻清洗機器人的立體結(jié)構(gòu)示意圖

清洗單元包括：第一固定件，與底盤靠近玻璃幕墻一側(cè)固定連接，第一固定件上設(shè)置有多個出水孔。清潔刷，連接于第一固定件背向底盤的一側(cè)。供水裝置，與第一固定件上的出水孔連通。第一固定件內(nèi)設(shè)置有水腔，水腔與出水孔連通。供水裝置包括：儲水箱，設(shè)置在底盤上。泵體，泵體的進水口與儲水箱連通、出水口與水腔連通。

清洗單元還包括：第二固定件，與第一支座靠近玻璃幕墻一側(cè)固定連接。吸水件，與第一固定件背向第一支座的一側(cè)固定連接。吸水件背向第一支座的一側(cè)與玻璃幕墻貼合。

1.4 控制設(shè)計

控制單元包括控制器和觸發(fā)裝置，觸發(fā)裝置與控制器連接，控制器被設(shè)置為當(dāng)接收到觸發(fā)裝置的觸發(fā)信號后控制行走單元和清洗單元運轉(zhuǎn)。

1.5 設(shè)計優(yōu)點

（1）在控制單元的控制下，吸附機構(gòu)使清洗單元與玻璃幕墻接觸并抵緊，從而使清洗單元對玻璃幕墻進行清洗，行走機構(gòu)驅(qū)動第一支座和底盤交替相向或背向移動，從而使清洗裝置移動，通過清洗單元對玻璃幕墻進行清洗，相對人工清洗，減少了危險性，提高了清洗的效率和質(zhì)量。

（2）兩個螺旋傳動元件繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，使第一支座相對底盤朝向或背向移動，且兩個螺旋傳動組件分設(shè)清洗裝置的兩側(cè)位置，使移動更加穩(wěn)定。

（3）第一支座內(nèi)設(shè)置有滑動槽，且滑動槽的兩側(cè)形成有出口和入口，第二支座的另一側(cè)通過入口插入滑動槽內(nèi)，第一支座相對于底盤朝向或背向移動時，第一支座沿滑動槽的長度方向相應(yīng)移動，以起到引導(dǎo)和限位的作用。出口的設(shè)置增加了第一支座的相對移動范圍。

（4）一個真空泵控制三個吸盤同時進氣、放氣。三個吸盤呈三角形設(shè)置，可保證清洗裝置在工作的時候有強大的吸力，以相對增加了清洗裝置的吸附穩(wěn)定性。

（5）供水裝置將水通過出水孔進入清潔刷即玻璃幕墻上，通過吸附機構(gòu)和行走機構(gòu)配合，使清潔刷在玻璃幕墻上移動，以完成初步用水清潔。在清洗裝置的移動過程中吸水件二次擦拭玻璃幕墻并吸收玻璃幕墻上的剩余水，配合清潔刷，通過清洗裝置的往復(fù)移動進一步清潔玻璃幕墻，完成玻璃幕墻清洗工作。

2 傳動式玻璃幕墻清洗機器人吸附及清洗功能實現(xiàn)

2.1 吸附功能實現(xiàn)

吸附機構(gòu)包括多個吸盤組件，吸盤組件分設(shè)在底盤和第一支座靠近玻璃幕墻的一側(cè)，吸盤組件包括：真空泵，與控制單元連接。與真空泵耦合的多個吸盤，控制單元控制真空泵運轉(zhuǎn)以使吸盤吸附或脫離玻璃幕墻。具體的，底盤和第一支座的底部分別設(shè)置有四個機械腿，每個機械腿上安裝有三個吸盤，三個吸盤和真空泵連接，真空泵控制三個吸盤同時進氣、放氣。三個吸盤呈三角形設(shè)置，可保證清洗裝置在工作的時候有強大的吸力，相對增加了清洗裝置的吸附穩(wěn)定性?？刂茊卧刂普婵毡茫瑢崿F(xiàn)吸盤的吸附，從而將整個清洗裝置吸附在玻璃幕墻上。

2.2 清洗功能實現(xiàn)

清洗裝置在清洗過程中，控制單元控制第一支座底部的真空泵動作使相應(yīng)的吸盤吸附在玻璃幕墻上，底盤底部的真空泵放氣使吸盤部分脫離玻璃幕墻，同時，控制驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，通過傳動組件帶動第一螺旋傳動元件和第二螺旋傳動元件正向旋轉(zhuǎn)，由于第一支座底部吸盤的吸附作用，使底盤相對背向第一支座移動即向前方移動至位置，底盤底部的真空泵吸氣使吸盤吸附在玻璃幕墻上，第一支座底部的真空泵放氣使吸盤部分脫離玻璃幕墻，驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，通過傳動組件帶動第一螺旋傳動元件和第二螺旋傳動元件反向旋轉(zhuǎn)，由于底盤底部吸盤的吸附作用，使第一支座朝向底盤移動即向前方移動至位置。重復(fù)上述操作，實現(xiàn)清洗裝置的移動?？刂茊卧部赏ㄟ^控制真空泵和驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)，不限于一直向前移動，使清洗裝置可以往復(fù)移動。

清洗單元包括：第一固定件，與底盤靠近玻璃幕墻一側(cè)固定連接，第一固定件上設(shè)置有多個出水孔。清潔刷，連接于第一固定件背向底盤的一側(cè)。供水裝置，與第一固定件上的出水孔連通。清潔刷背向底盤的一側(cè)與玻璃幕墻貼合，以清潔玻璃幕墻。供水裝置將水通過出水孔進入清潔刷至玻璃幕墻上，通過吸附機構(gòu)和行走機構(gòu)配合，使清潔刷在玻璃幕墻上移動，以完成初步用水清潔。

清洗單元還包括：第二固定件，與第一支座靠近玻璃幕墻一側(cè)固定連接。吸水件，與第一固定件背向第一支座的一側(cè)固定連接。吸水件背向第一支座的一側(cè)與玻璃幕墻貼合。吸水件可以為吸水海綿，在清洗裝置的移動過程中二次擦拭玻璃幕墻并吸收玻璃幕墻上的剩余水，配合清潔刷，通過清洗裝置的往復(fù)移動進一步清潔玻璃幕墻，完成玻璃幕墻清洗工作。

圖6 玻璃幕墻清洗機器人的側(cè)視圖

3 傳動式玻璃幕墻清洗機器人控制系統(tǒng)

3.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括控制器和觸發(fā)裝置，觸發(fā)裝置與控制器連接，控制器被設(shè)置為當(dāng)接收到觸發(fā)裝置的觸發(fā)信號后控制行走單元和清洗單元運轉(zhuǎn)。該觸發(fā)裝置可以為開關(guān)，開關(guān)與控制器連接，啟動開關(guān)，控制器控制清洗裝置中的行走單元和清洗單元依據(jù)設(shè)定路線和步驟運轉(zhuǎn)工作。該觸發(fā)裝置還可以為遙控器，遙控器與控制器連接，用于向控制器發(fā)送控制信號?？刂破鞅辉O(shè)置為依據(jù)接收到的控制信號控制真空泵和驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)或停止，以實現(xiàn)清洗裝置的清洗工作。使用者可以在地面操作遙控器控制清洗裝置的運行，機械結(jié)構(gòu)合理，行動靈活，可靠性高。

圖7 玻璃幕墻清洗機器人的控制流程圖

3.2 電氣件采用的種類以及作用

水壓控制器，選用佛山市浩捷電子儀器有限公司的 PTJ 206壓力傳感器/變送器。采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu)，具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性；采用自主研發(fā)放大電路大大提高傳感器信號輸出穩(wěn)定性；采用40 000次每秒的反應(yīng)速度，使得傳感器能在任何時間能都能反映出液壓力的變化，更準(zhǔn)確無誤地測量效果。

圖8 水壓控制器

圖9 自鎖式開關(guān)

開關(guān)選用樂清市碩騰電子有限公司生產(chǎn)的 R16-503AD系列的自鎖式開關(guān)；在開關(guān)按鈕第一次按時，開關(guān)接通并保持，即自鎖，在開關(guān)按鈕第二次按時，開關(guān)斷開，同時開關(guān)按鈕彈出來。

控制器，可以選用Arduino系列單片機。單片機Microcon-trollers是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器等功能還可以包括顯示驅(qū)動電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的微型計算機系統(tǒng)，在工業(yè)控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

圖10 控制器

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種可替代人工的傳動式玻璃幕墻清洗機器人，在控制單元的控制下，吸附機構(gòu)使清洗單元與玻璃幕墻接觸并抵緊，配合行走單元，使清洗單元對玻璃幕墻進行清洗；行走機構(gòu)驅(qū)動第一支座和底盤交替相向或背向移動，使清洗裝置移動，通過清洗單元對玻璃幕墻進行清洗。解決了現(xiàn)有技術(shù)中人工清洗玻璃幕墻的安全和效率低的問題，簡化了系統(tǒng)機構(gòu)，降低了成本，增加了清洗裝置的吸附穩(wěn)定性。