小型可越障玻璃擦洗機器人—TaichiRobot

西北工業(yè)大學

李事坪，薛 棟，王海晨，鄒志華，陳潤博

1 背景簡介

目前，中國建筑面積為500億平方米，其中幕墻占5%，而中國每年新建幕墻達9 000萬平方米。即使以最低收費標準計算，國內(nèi)的高層外立面清洗市場超100 億元，市場潛力巨大。隨著機器人技術(shù)的進步與快速發(fā)展，家政服務(wù)機器人有望成為繼電腦和手機之后大批量進入家庭的消費類電子產(chǎn)品。人工擦洗玻璃（尤其是外窗戶面）存在作業(yè)困難和較高風險，而大型擦窗機投入成本過高，因此擦窗機器人成為安全經(jīng)濟的選擇。國內(nèi)擦窗機器人產(chǎn)品主要來自于科沃斯和嘉世達兩家公司，兩家公司的產(chǎn)品功能相似度高，均無法翻越窗戶邊框，且只能夠擦洗單塊玻璃，實用性有待增強，競爭優(yōu)勢不明顯。

2 作品簡介

西北工業(yè)大學研究生創(chuàng)新團隊設(shè)計的可越障擦窗機器人—TaichiRobot，不僅能夠緊貼玻璃窗戶壁面，實現(xiàn)整塊玻璃擦洗，還具備獨特的越障能力，可快速高效完成窗戶內(nèi)外玻璃面的擦洗作業(yè)。

TaichiRobot的設(shè)計主要包括三部分：

（1）整體機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計，主要難點包括整機越障機構(gòu)設(shè)計、自適應浮動吸盤設(shè)計、強度設(shè)計；

（2）硬件電路設(shè)計，主要包括驅(qū)動電機、不間斷電源、采集傳感器信息、通信電路；

（3）軟件編程，實現(xiàn)自動/半自動擦洗功能與自主越障。

技術(shù)優(yōu)勢：

（1）TaichiRobot安裝了防跌落傳感器，能夠擦洗無邊框玻璃。

（2）TaichiRobot首次實現(xiàn)了越障，能夠完整擦洗具有高低落差的玻璃窗。

（3）TaichiRobot具有干擦、濕擦和干濕混合擦三種擦洗模式，工作效率高，擦洗更干凈。

（4）TaichiRobot體 積 小（400 mm×200 mm×70 mm），重量輕（≤3.5 kg），耗能少，綠色環(huán)保。

3 工作原理

3.1 集負壓吸附功能

機器人內(nèi)部電機抽出吸盤內(nèi)的空氣，實現(xiàn)真空狀態(tài)，以便機器人牢靠地吸附在多種材質(zhì)上，如玻璃鏡面、大理石、不銹鋼表面等，吸附強勁，負壓可以達到-30 kPa，載重性能約為自重的2倍。

3.2 擦洗功能

自適應抹布能夠適應不同的玻璃面，具有干擦、濕擦和干濕混合擦三種擦洗模式，在機器人前進過程中對臟污進行擦-刮-抹處理，清潔效率高。

3.3 越障功能

采用機械臂輔助抬高越障，兩個機器人在擦完一塊玻璃后迅速靠近另一塊玻璃，其中一個機器人固定，另一個機器人依靠機械臂中的抬升電機緩慢抬升，實現(xiàn)越障。當?shù)谝粋€機器人越障成功并固定在還未擦洗的玻璃上之后，另一個機器人實施越障。該越障技術(shù)填補了國內(nèi)履帶式小型擦窗機器人的越障功能空缺。

3.4 防跌落功能

機器人裝有防跌落傳感器，能夠有效感知吸附表面的邊緣，尤其在無邊框環(huán)境下，能夠判斷邊緣位置，防止跌落。此外，TaichiRobot具有防跌落安全扣，可承重約10 kg。

3.5 自動清潔/手動清潔路徑

自動清潔模式可自動識別窗戶的大小，優(yōu)化出“Z”字型清潔路徑；手動清潔模式下，用戶可以通過手機APP端對機器人進行遙控，對部分污染區(qū)域進行重點擦洗與清潔。

3.6 緊急報警功能

搭載WiFi無線通信模塊。機器人在工作中遇到突然斷電的情況時，啟動機載備用電源，保證機器人能夠停留在安全位置并報警，提醒用戶采取措施。

4 創(chuàng)新點

（1）首次實現(xiàn)了可越障擦窗功能；

（2）設(shè)計的自適應浮動吸盤可大幅提升機器人越障吸附玻璃成功率；

（3）設(shè)計的硅膠密封圈具有較好的柔軟度及密封度；

（4）設(shè)計的“Z”字形擦洗方式可提高擦洗效率，減小重復擦洗面積；

（5）設(shè)計的浮動式擦洗裝置可在保證穩(wěn)定越障吸附玻璃面的同時擦洗玻璃；

（6）設(shè)計的電源切換電路，當主電源斷電時自動切換至電池供電并報警。

5 市場前景

隨著高層建筑的增加，以玻璃壁面為代表的幕墻結(jié)構(gòu)逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，同時家庭中的落地窗也逐漸增多，因此衍生出繁重的壁面清洗任務(wù)。另一方面，越來越奇特的建筑結(jié)構(gòu)使清洗的難度成倍增加，傳統(tǒng)的清洗方法已無法滿足需求。

根據(jù)實際情況，我們將用戶群體分為以下幾類：

（1）家庭

由于城市工作壓力大，人們在家庭清潔方面能夠投入的時間和精力較少，因此他們更容易接受通過智能化的機器人完成繁瑣的清潔工作。

（2）物業(yè)公司

相比于窗戶內(nèi)壁面，窗戶外壁面更容易受到灰塵、雨水的污染，因此窗戶外壁面擦洗需求的頻率高于窗戶內(nèi)壁面。小區(qū)和寫字樓的物業(yè)更注重環(huán)境的整潔，物業(yè)公司更傾向于通過方便、經(jīng)濟的方式來完成范圍內(nèi)公共設(shè)施的玻璃擦洗作業(yè)。

（3）保潔公司

清潔公司在清洗玻璃外墻時只有“蜘蛛人”和大型擦窗機兩種方式，“蜘蛛人”擦洗存在著高風險的固有缺陷，而大型擦窗機則存在著投入成本過高的缺點。設(shè)計的擦窗機器人擁有投入費用低、受外部環(huán)境影響小的優(yōu)勢，完全可以取代舊的擦洗方式完成大部分的擦窗作業(yè)。同時，通過擦窗機器人作業(yè)可以降低清潔公司的運營成本，降低作業(yè)風險。