玻璃外墻智能清洗機(jī)設(shè)計(jì)

蘇陽，陳杰，張航，周倪敏，黃朋輝

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué)）

0 引言

伴隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，城市高樓群不斷擴(kuò)大，以玻璃為主要型材的百米樓群屢見不鮮。玻璃長期曝露在陽光下、經(jīng)受風(fēng)霜雨雪難免污濁，美觀起見需要定期對樓宇玻璃外墻進(jìn)行清洗。目前高樓外墻的清潔仍由“蜘蛛人”上墻或搭乘纜車清洗，對工人而言，長時(shí)間高空作業(yè)不僅危險(xiǎn)，而且效率低。另一方面，從事一線清潔的工人年齡處于40～55 歲之間，30 歲以下青年人鮮有從事這一職業(yè)。若干年后，將面臨清潔行業(yè)人力短缺。為解決以上問題，樓宇清潔行業(yè)迫切需要一款清洗效果好、安全可靠、智能高效的玻璃外墻清洗機(jī)[1]。

1 整體思路設(shè)計(jì)

玻璃外墻清洗機(jī)主要由升降機(jī)構(gòu)、清洗平臺、配重系統(tǒng)三大獨(dú)立的部分組成[2]，玻璃外墻清洗機(jī)整體思路設(shè)計(jì)如圖1 所示。卷揚(yáng)機(jī)通過鋼絲繩牽引升降機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)清洗平臺在玻璃墻面的豎直方向運(yùn)動。清洗平臺內(nèi)部裝有噴淋系統(tǒng)、旋翼和越障輪結(jié)構(gòu)，可分別實(shí)現(xiàn)清洗、越障功能。

圖1 玻璃外墻清洗機(jī)整體思路設(shè)計(jì)Fig.1 Overall idea design of glass exterior wall cleaning machine

為減小清洗平臺在百米高空因氣流擾動產(chǎn)生側(cè)偏，配重系統(tǒng)由配重小車搭配2 根尼龍繩可有效解決上述影響。清洗機(jī)總體以交流電源形式供電，擺脫對蓄電池續(xù)航安全和續(xù)航能力的困擾。由輸電管和輸水管組成的水電集合管為了防止因牽引力過大出現(xiàn)管壁撕裂，不與鋼絲繩集成，獨(dú)立從升降機(jī)構(gòu)的頂端圓環(huán)處接入,沿玻璃外墻面直下，至清洗平臺的左側(cè)面進(jìn)入平臺內(nèi)部。此外，清洗機(jī)上方安裝有監(jiān)視功能的探頭，操作員可全天時(shí)監(jiān)控清洗機(jī)的工作姿態(tài)以及清洗工況。

2 整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 升降機(jī)構(gòu)

清洗平臺在玻璃墻面上下移動是依靠升降機(jī)構(gòu)鋼絲繩牽引實(shí)現(xiàn)的[3]。如圖2 所示。卷揚(yáng)機(jī)作為升降機(jī)構(gòu)的主要單元，為清洗平臺在豎直方向的運(yùn)動提供動力支撐。升降機(jī)構(gòu)的底部安裝有自鎖結(jié)構(gòu)的萬向輪，可在樓宇陽臺的鋪設(shè)面上實(shí)現(xiàn)水平橫移。清洗平臺的水平橫移依靠升降機(jī)構(gòu)和配重小車的主動橫移，配合鋼絲繩的牽引以及2 根軟導(dǎo)軌的固定作用完成清洗平臺的被動橫移[4]。

圖2 清洗平臺豎直及水平移動Fig.2 Vertical and horizontal movement of cleaning platform

2.2 清洗平臺

玻璃外墻清洗平臺內(nèi)部主要由清洗單元和越障單元組成。

清洗單元中，遠(yuǎn)程控制端以電信號傳輸?shù)姆绞綄⑴渲煤脻舛鹊那鍧崉┯善脚_內(nèi)部的清潔劑箱通過液壓泵抽取，依次通過溢流閥、單活塞杠桿和電磁閥，最終以一定的速率從噴嘴中噴向墻面。清水從平臺內(nèi)部輸出的方式與清潔劑基本相似[5]。在清洗工作中，通過遙控信號，先使清潔劑向外噴灑，達(dá)到軟化玻璃表面污漬的作用，在一定的時(shí)間間隔后，使用清水對墻面污漬進(jìn)行全面噴洗，并且遠(yuǎn)程控制三盤刷對墻面進(jìn)行二次刷洗。這種水劑分離及刷洗的結(jié)構(gòu)，一方面發(fā)揮出清潔劑本身濃度的最優(yōu)效果；另一方面經(jīng)過清水和三盤刷的強(qiáng)力清潔，墻面可以更加潔凈[6]。清洗流程如圖3 所示。

圖3 清洗流程示意圖Fig.3 Cleaning process diagram

清洗機(jī)的越障單元由四旋翼結(jié)構(gòu)和雪橇式排輪組成。四旋翼無人機(jī)按照定義的前進(jìn)方向設(shè)置成“X”型結(jié)構(gòu)[7]，如圖4 所示。這樣設(shè)計(jì)的目的是，當(dāng)4 個旋翼旋轉(zhuǎn)速度相同時(shí)可以抵消每個旋翼產(chǎn)生的扭矩，使作用于清洗平臺的氣流形成的推力作為吸附力，從而實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)器在作業(yè)區(qū)的有效貼合。四旋翼傾轉(zhuǎn)無人機(jī)技術(shù)的動力輸出裝置為2 對相反螺紋座的直流無刷電機(jī)，分別通過四電調(diào)以單片機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)加以控制[8]。

圖4 旋翼“X”型結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 "X" type structure of rotor

雪橇式排輪的結(jié)構(gòu)是以點(diǎn)式接觸的方式先與墻面突起的障礙物碰觸，再轉(zhuǎn)由面式滑動移向另一個滾輪，如此重復(fù)下去，移至末端的滾輪，即可完成對墻面突起障礙的越障，這種結(jié)構(gòu)使得整個系統(tǒng)智能且高效。圖5 所示為清洗機(jī)外觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 清洗機(jī)外觀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Appearance structure of cleaning machine

3 控制系統(tǒng)與視訊監(jiān)視系統(tǒng)

清洗平臺控制模塊是STM32F103ZE，144 引腳，512 K FLASH 的單片機(jī)[9]，其系統(tǒng)內(nèi)核為32 位的ARM 處理器，主頻72 MHz 工作頻率，在存儲器的0 等待周期訪問時(shí)可達(dá)1.25 DMips/MHz，其閃存程序儲存器為64 k，擁有37 個快速I/O 端口，所有的I/O 口可以映像到16 個外部中斷，完全適用本智能清洗機(jī)的開發(fā)。整個系統(tǒng)的控制系統(tǒng)電路圖如圖6 所示。

圖6 整個系統(tǒng)的控制電路圖Fig.6 Control circuit diagram of whole system

整個平臺運(yùn)行操作中，視訊監(jiān)視系統(tǒng)相當(dāng)于人的第3 只眼，可以精確地觀察清洗平臺的工作近景，碰到異常狀態(tài)時(shí)可及時(shí)將信息反饋到手機(jī)終端，被操作工人接收。該型攝像頭具備可吸附性、超清像素、內(nèi)置電池、紅外夜視、移動偵測、循環(huán)錄像等多重功能。同時(shí)具備150°廣角鏡頭，可有效減少盲區(qū)，既可通過4G 網(wǎng)絡(luò)，也可連接WiFi，可直接將信號傳遞到手機(jī)終端。

整臺機(jī)器經(jīng)過機(jī)械加工、安裝調(diào)試以及外場測試，驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的清洗機(jī)機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的可行性。圖7 所示為清洗機(jī)樣機(jī)外場測試圖。

圖7 清洗機(jī)樣機(jī)外場測試圖Fig.7 Outfield test drawing of cleaning machine prototype

4 結(jié)語

通過對城市樓宇外墻面清潔的調(diào)查，設(shè)計(jì)了一種高空玻璃外墻清洗機(jī)。提出系統(tǒng)整體方案，對樓頂升降機(jī)構(gòu)和清洗平臺兩大結(jié)構(gòu)展開研究，分別實(shí)現(xiàn)了清洗機(jī)在外壁面兩個自由度的控制、清洗功能和越障功能。清洗機(jī)的控制核心由STM32 單片機(jī)控制主路及各個分路，通過機(jī)械加工和實(shí)驗(yàn)測試，研制出平臺樣機(jī)，并順利完成現(xiàn)場施工。清洗效果驗(yàn)證了玻璃外墻清洗機(jī)的實(shí)用性，為后續(xù)清潔機(jī)的發(fā)展提供了一定的技術(shù)參考。