多涵道幕墻清洗機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

鄢 鵬，吳明暉，錢 莉

（上海工程技術(shù)大學 機械與汽車工程學院，上海 201620）

0 引言

在現(xiàn)代城市中，大多數(shù)的高層樓宇都使用外形美觀、保溫效果較好的玻璃幕墻作為建筑材料之一。然而，具有大面積玻璃幕墻的定期清洗工作逐漸成為日常生活中的一大難題。目前，國內(nèi)高樓玻璃幕墻的清洗方式主要是吊籃清洗和升降機清洗。這2 種傳統(tǒng)的清潔方式不僅效率低、成本高，而且容易出現(xiàn)安全事故，遠遠不能滿足社會的需求。設(shè)計一款幕墻清洗機器人來智能完成清洗工作已然成為一項迫切需求。

錢志源等人設(shè)計了2 個自身無行走機構(gòu)并依靠壁面牽引移動的清洗機器人系統(tǒng)，通過雙負壓吸盤交替完成跨越窗框障礙物。Tun 等人提出一種由自鎖導(dǎo)螺桿驅(qū)動的被動吸盤，用于將玻璃幕墻清洗機器人接合到玻璃壁面。哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院研發(fā)的幕墻清洗機器人通過螺旋槳轉(zhuǎn)動產(chǎn)生推力將清洗機器人貼合在玻璃幕墻表面，由樓頂提升裝置驅(qū)動繩索帶動清洗機器人完成上下清洗工作。

本文以國內(nèi)玻璃幕墻清洗工作的迫切需要和玻璃幕墻清洗機器人的現(xiàn)狀為導(dǎo)向，針對現(xiàn)有幕墻清洗機器人的不足，研發(fā)了一類多涵道的高樓幕墻清洗機器人，利用涵道電機為機器人提供清洗壓力、越障升力和抗風阻力。通過清洗和越障實驗證明，該機器人清洗效率高，能平穩(wěn)跨越障礙物，將極大降低清洗作業(yè)的成本，降低事故風險，具有一定的社會效益和應(yīng)用前景。

1 幕墻清洗機器人的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 機械結(jié)構(gòu)總體方案設(shè)計

根據(jù)玻璃幕墻清洗機器人實際作業(yè)情景的功能需求和技術(shù)要求，玻璃幕墻清洗機器人在完成對高樓幕墻清洗任務(wù)的同時，需要實現(xiàn)跨越窗框等障礙物的功能和貼合在玻璃幕墻表面的功能。因此，采用模塊化設(shè)計理念，多涵道幕墻清洗機器人本體結(jié)構(gòu)主要包含用于承載的支撐機構(gòu)、對幕墻進行清洗作業(yè)的清洗機構(gòu)和跨越障礙物與抗橫風的運動越障機構(gòu)。機身由主支撐架和殼體組成，總長0.9 m，寬0.6 m，高0.45 m，其整體結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 機器人本體機械結(jié)構(gòu)Fig.1 Robot body mechanical structure

1.2 清洗機構(gòu)設(shè)計

清洗裝置包含清洗單元和污水回收單元，用于機器人清洗玻璃幕墻和污水過濾循環(huán)利用。機器人清洗作業(yè)采用噴嘴和盤刷聯(lián)合作業(yè)的工作方式，通過噴嘴對幕墻表面進行濕潤，在清洗液和機械力的雙重作用下將表面污漬分離，利用刮板將多余的清洗液擦拭干凈，實現(xiàn)玻璃幕墻表面的清洗。機器人清洗機構(gòu)如圖2 所示。由圖2 可知，機器人清洗作業(yè)采用雙清洗盤相向轉(zhuǎn)動的機械清洗方式，依靠雙調(diào)速電機反向轉(zhuǎn)動，可精確控制洗刷裝置的啟動停止，同時針對不同的玻璃幕墻表面材料和不同的表面污染程度，可設(shè)定不同的轉(zhuǎn)速進行清洗作業(yè)；兩洗刷盤向內(nèi)轉(zhuǎn)動，將污水在中間收集，可有效避免幕墻的二次污染。

圖2 機器人清洗機構(gòu)Fig.2 Robot cleaning mechanism

為減少一再添水帶來的繁瑣，實現(xiàn)對水資源的高效利用，污水回收單元也是極為重要的一部分。污水回收裝置主要由噴嘴、過濾器、水泵、電磁閥、水箱和刮板組成。凈水從水箱經(jīng)水泵由噴嘴噴灑在幕墻表面，清洗完畢后，在雙向清洗盤和刮板的作用下，污水收集在污水箱中，再經(jīng)由過濾器過濾后，由水泵抽取進入水箱，實現(xiàn)清洗用水循環(huán)利用。

1.3 運動越障裝置設(shè)計

受四旋翼飛行器運動升降的啟迪，運動越障裝置采用涵道風扇式螺旋槳作為動力源。相比于自由螺旋槳，由于扇葉受涵道尺寸大小限制，對外界氣流產(chǎn)生沖擊造成的噪音有所減小，同時在相同的功率下，涵道風扇螺旋槳可產(chǎn)生更大的推力，由于其安全性較高、產(chǎn)生推力較大，可為玻璃幕墻清洗機器人提供清洗壓力、越障升力和抗風阻力。

在勻速清洗工作過程中，機器人本體由2 根高強度繩索懸吊，始終與玻璃幕墻壁面保持平行，靠近玻璃壁面的四涵道風扇轉(zhuǎn)動時，所產(chǎn)生的推力驅(qū)動機器人本體遠離壁面，提供越障升力；遠離壁面另一側(cè)四涵道風扇轉(zhuǎn)動時，所產(chǎn)生的推力為機器人本體提供清洗壓力。這里，設(shè)α 為清洗機器人本體在牽引時與玻璃幕墻壁面的夾角，機器人在向下降過程中，夾角逐漸變小，在最高點時機器人清洗和越障時所需的推力最大，此處需用到的數(shù)學公式為：

其中，表示清洗機器人本體的質(zhì)量；表示清洗機器人與玻璃幕墻壁面的夾角﹔表示一個涵道風扇工作時所提供的推力﹔表示清洗機器人本體與提升點的豎直距離；表示清洗機器人本體與提升點的水平距離。

因此，機器人本體前后2 側(cè)各布置4 個涵道風扇，有利于提升機器人運動和越障過程中的平穩(wěn)性，2 側(cè)各布置一個涵道風扇有利于抵抗外界環(huán)境變化，維持機器人本體的橫向穩(wěn)態(tài)，如圖3 所示。

圖3 涵道風扇安裝位置Fig.3 Installation position of ducted fans

2 幕墻清洗機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)是幕墻清洗機器人的主要核心部件，其性能直接決定該系統(tǒng)的表現(xiàn)、能否實現(xiàn)清洗功能和能否越過障礙物。該清洗機器人控制系統(tǒng)采用STM32F103 單片機，對清洗裝置和移動越障裝置發(fā)出控制信號，同時從傳感器獲取機器人本體姿態(tài)信息；采用無線藍牙模塊，實現(xiàn)遠程監(jiān)督機器人本體姿態(tài)信息，并發(fā)出相應(yīng)的控制信號，維持機器人正常清洗作業(yè)和穩(wěn)態(tài)。

依據(jù)清洗機器人功能需求設(shè)計整體硬件系統(tǒng)，主要包含STM32F103 控制器、清洗結(jié)構(gòu)硬件驅(qū)動裝置、傳感器數(shù)據(jù)采集裝置、無線通訊硬件結(jié)構(gòu)等，機器人硬件系統(tǒng)設(shè)計如圖4 所示。

圖4 清洗機器人硬件系統(tǒng)Fig.4 Cleaning robot hardware system

幕墻清洗機器人清洗過程中姿態(tài)的穩(wěn)定是確保清洗效率的關(guān)鍵因素。利用陀螺儀、加速度計傳感器獲取各軸的角速度和加速度原始數(shù)據(jù)，進行濾波、融合處理后，通過IIC 接口向STM32 主控器輸出姿態(tài)角度信息，通過無線藍牙模塊，利用安卓控制端對機器人姿態(tài)進行監(jiān)控，同時對主控制器發(fā)出控制信號，實現(xiàn)對機器人本體姿態(tài)的控制。文中給出的姿態(tài)控制流程如圖5 所示。

圖5 姿態(tài)控制流程圖Fig.5 Attitude control flow chart

3 上位機控制界面設(shè)計

上位機控制面板作為幕墻清洗機器人遠程的控制終端，需具備接收機器人本體傳感器數(shù)據(jù)信息和解析并發(fā)送機器人控制指令兩大功能。

機器人底層控制系統(tǒng)采用STM32F103 為主控制器，包含繼電器、超聲波傳感器、姿態(tài)傳感器、藍牙和無刷電調(diào)等外部元件。啟動后，主控制器通過輸出不同高低電平時間的PWM 信號來控制涵道風扇的轉(zhuǎn)速，進而達到控制機器人本體的姿態(tài)、提供清洗壓力和抗風阻的目的。主控制器通過低功耗藍牙與人機交互界面實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸和控制指令的解析發(fā)送。工作人員可根據(jù)人機交互界面觀察機器人本體的實時姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，并發(fā)出相應(yīng)的控制信號，從而實現(xiàn)遠程的“監(jiān)”和“控”。

控制軟件界面示意如圖6 所示。由圖6 可知，人機交互界面包括清洗機器人姿態(tài)顯示區(qū)域、藍牙搜索連接區(qū)域和清洗機器人遠程控制區(qū)域三大部分。對此，擬做研究分述如下。

圖6 控制軟件界面示意圖Fig.6 Schematic diagram of the control software interface

（1）無線通訊模塊。采用低功耗藍牙數(shù)傳模塊，最大有效傳輸距離可達80 m，主要負責各項傳感器數(shù)據(jù)和控制指令的傳輸。

（2）姿態(tài)檢測模塊。采用MPU6050 對機器人本體的姿態(tài)進行實時測量收集，經(jīng)姿態(tài)解算后的數(shù)據(jù)輸出為偏航角（）、俯仰角（）和滾動角（），實現(xiàn)對機器人本體姿態(tài)實時監(jiān)測。

（3）運動控制模塊。根據(jù)機器人本體姿態(tài)數(shù)據(jù)顯示，設(shè)計人機交互的控制輸出指令，便于操控清洗機器人水泵、電磁閥的啟停，控制清洗機器人的清洗、提升越障和抗橫風動作。

4 樣機試驗

根據(jù)上文對幕墻清洗機器人機械結(jié)構(gòu)與控制硬件的詳細介紹，搭建出整套清洗機器人系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 幕墻清洗機器人樣機Fig.7 Curtain-wall cleaning robot prototype

為驗證清洗機器人的可行性，根據(jù)實驗室的現(xiàn)有條件，對機器人進行了清洗實驗、越障實驗和抗橫風實驗。實驗時，清洗機器人本體的STM32 主控制器利用無線藍牙通信實現(xiàn)與人機交互界面的通信，從而控制機器人本體清洗和越障等功能。這里將展開研究論述如下。

（1）清洗實驗。實驗平臺搭建完畢后，在室內(nèi)外分別進行清洗測試。將灰塵隨機撒在待清洗玻璃幕墻表面，當機器人到達清洗位置時，上位機發(fā)出清洗指令，機器人本體執(zhí)行盤刷清洗去塵動作，同時提高外涵道風扇轉(zhuǎn)速，為機器人提供清洗壓力。在雙繩索懸吊裝置牽引下，機器人勻速下降，對玻璃幕墻壁面進行清洗，清洗結(jié)束后，對機器人本體斷電并將機器人提升至安全位置等待。

實驗結(jié)果表明，該機器人清洗后的玻璃壁面干凈程度良好，幕墻表面灰塵沖洗干凈，在上刮板的刮擦下，清洗殘留液流入污水收集箱，有效避免清洗污漬殘留。

（2）越障實驗。清洗機器人在清洗過程中，容易碰撞窗框的水平障物。為驗證機器人實際的越障效果，在機器人清洗過程中，將內(nèi)側(cè)涵道風扇轉(zhuǎn)速調(diào)至最大安全轉(zhuǎn)速，實驗測得機器人本體的最大提升高度為10 cm，能滿足不同窗框的越障需求。二次測試時，將目標提升高度設(shè)置在8 cm 位置，記錄此時超聲波傳感器初始數(shù)據(jù)，在機器人完成提升后讓其懸停，記錄超聲波傳感器返回數(shù)據(jù)，計算2 次傳感器返回數(shù)據(jù)差值。

實驗結(jié)果表明，提升高度的誤差值大致保持在0.8 cm 范圍內(nèi)，提升高度數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好，滿足控制要求。

（3）抗橫風實驗?？箼M風實驗?zāi)康氖菣z驗清洗機器人對橫風的抵抗能力，機器人清洗過程中，在機器人本體左右兩側(cè)用風扇模擬空中作業(yè)受自然風吹動的環(huán)境，觀察機器人在左、右涵道風扇的作用下抵抗橫風的實驗結(jié)果。實驗表明左、右兩側(cè)涵道風扇能夠在有外界風力干擾下開始工作，產(chǎn)生反作用力抵消外部風力影響。實驗測得，機器人最大能在4級和風作用下，穩(wěn)定貼合在玻璃幕墻表面。

5 結(jié)束語

該新型玻璃幕墻清洗機器人主要包含清洗裝置、支撐裝置、移動越障裝置和控制系統(tǒng)四個組成部分。本次研究中，以STM32 為控制核心，MPU6050為姿態(tài)傳感器，低功耗藍牙為無線通訊模塊，集清洗、移動和越障功能于一體，開發(fā)了機器人控制系統(tǒng)。設(shè)計了人機交互界面，還進行了機器人清洗、越障和抗橫風實驗。實驗結(jié)果表明，該高樓玻璃幕墻清洗機器人能夠正常在玻璃幕墻上實施清洗作業(yè)、進行移動、并跨越障礙物，不易掉落，且能夠有效應(yīng)對外界環(huán)境對機器人本體姿態(tài)產(chǎn)生的影響。

實驗數(shù)據(jù)表明，越障高度仍存在一定的數(shù)據(jù)誤差，仍需做進一步研究，可能存在的影響因素有：提升裝置的震動因素和機器人殼體自重對越障高度的影響。