一種自動清洗玻璃裝置的研究

王燦+施泓博+孫長范

【摘 要】本文介紹了一種能讓清潔玻璃更加自動化，同時又具有一定的安全性和較高的清潔效率的裝置，所做的研究采用把傳統機械工藝和自動化控制相結合的方法，采用履帶結合吸盤的行動部件，擦洗和吹塵并存的清潔部件，該研究的結果規避了不能完全實現自動化，安全性能低，清潔效率低這些現存的缺點。在經過3D建模和模型設計及制作后，根據研究成果表明，該裝置的設計是可行且具有創新性的。

【關鍵詞】玻璃清洗；自動化；安全；機電結合

【Abstract】A device is introduced that makes the cleaning of glass more automatic and that has certain security and higher cleaning efficiency. The research adopts a method of combining the traditional mechanical process and automation control. The method uses action parts that the crawler combined with sucker and cleaning components that can clean followed with blow the dust. The results of the study can avoid some existent drawbacks such as the imperfection of automation， the absence of safety and cleaning efficiency. According to the research results， the design of the device is feasible and innovative after the 3D modeling and model design and production.

【Key words】Glass cleaning； Automation； Safety； Mechanical and electrical integration

0 引言

隨著我國建筑業的飛速發展，出現了越來越多的高層建筑，因為玻璃幕墻美觀、透光性好，所以很多建筑外表也都以玻璃幕墻為主，但與此同時就產生了一項高危工作——高空清洗玻璃。現實中曾經多次出現因為在高空作業時，由于風向等環境因素的多變性和不可控性，使得吊車搖晃撞擊至玻璃幕墻，嚴重危及了工作人員的生命安全。因此將玻璃清潔工從此項工作中解放出來非常必要[1]。目前的研究中已經有不少該方面的成果及案例，但實用性不高，大規模地投入生產使用較為困難[2]。該項目所研究的“清洗玻璃裝置”從實用性出發，用機電結合的結構，巧妙的設計方法，實現自動化的清洗玻璃裝置，整體結構設計如圖1所示。

1 運動機構設計

1.1 行走部件

首先在爬行方式上，充分利用玻璃的易吸附性，采用多個吸盤實現與玻璃之間的固定，為了使裝置行走起來更加穩定，同時考慮到擦洗玻璃時裝置無需較高的速度，故采用履帶作為行動部件。

如圖2所示吸盤裝置尾端的機械閥，分別安裝在兩條履帶的外表面，用螺栓與從動件連接。

設輪子直徑R=42mm，吸盤固定端的距離L=15mm，輪子與帶摩擦系數u=0.8，如果同時有2個吸盤進入圓軌道，則履帶伸長量？駐L=4*（L/2-R/2*arctan（L/2/（R/2））=1.1mm，則由計算結果可得出履帶的伸長量是很小的。

當吸盤全部進入圓軌道時，主動輪減小的包角設為？駐θ，則？駐θ=4* arctan（7.5/21）≈75°，設輪子與履帶之間各處的摩擦力相等，則包角的總量減少75°。

設車的重力為60N，由2*F0*sin（75°/2）*0.8≥60，計算得出此時的預緊力F0≥30/sin37.5°/0.8=61N。所以當有兩個吸盤進入圓軌道時，履帶與帶輪之間不會產生打滑。

從動件在導軌的指引下隨著輪的轉動平穩運動，位于導軌之間的曲面凸輪控制機械閥的運動，如圖3右所示，當吸盤未進入導軌之前，由于機械閥內的彈簧作用，機械閥內的開口關閉，一旦吸盤移動至導軌內，如圖3左，位于機械閥頂端的滾動支承被曲面凸輪下推，真空閥與吸盤之間形成自由的空氣流動，使其與外接的真空抽氣管接通，調壓膜內部產生負壓，吸盤則被緊緊的吸附在玻璃表面上[1]。吸盤運動出導軌后，滾動支承則被彈簧彈起上移，吸盤被釋放，由于履帶運動的拉力作用，使吸盤與玻璃脫落。隨著機械閥的重復開啟和關閉，使整個裝置能夠平穩行走在玻璃表面上[2]。

再者，這樣的行走部件使得裝置的實際大小具有一定的靈活性和可調整性，當裝置較大時，固然重量會增加，但同時履帶會變長，吸盤的數目也就隨之變多，產生的吸力就會變大，從而能夠與裝置的重量相匹配。

1.2 系統程序設計

該裝置的控制系統本著實用簡單的原則，以atm89c52單片機作為控制核心[4]，程序流程如圖4（a）所示，因為擦洗玻璃時不需要復雜的曲線運動路徑，所以在方向控制上，用往返直線運動作為一個擦洗循環。如果遇到小型的障礙物，如玻璃之間的粘合帶，運動中利用履帶上兩個吸盤之間的間距就能直接跨越障礙[3]，如果遇到較大的障礙，可以通過控制兩個電機的不同轉速，從而形成兩條履帶的運動速度差，當左邊履帶速度大于右邊時，裝置向左邊轉向，當右邊履帶速度大于左邊速度時，裝置向右邊轉向。

整個裝置的控制由無線信號遙控完成，當距離較遠時，可能會出現控制信號強度不夠的現象，故設計了信號強度反饋機制，當信號接收不穩定的時候，裝置能夠自動做出調整并做返回運動，避免出現裝置完全不受控制的情況發生。

2 清潔機構設計

該裝置在清潔方面采用吹塵和擦洗相結合的設計，吹塵裝置位于裝置的前方，除去玻璃上的積塵同時又有利于吸盤與玻璃的吸附，吹塵的氣流來源于真空發生器在抽吸吸盤調壓膜時產生的氣體，有效地提高了動力的利用率。擦洗裝置位于后方，由存放有清潔劑的毛刷組成，通過主動輪上的齒輪帶動旋轉，對玻璃表面進行進一步的清潔，同時產生向前的摩擦力，能夠推動裝置的前進。

3 安全應急預案設計

作為一個垂直運動在玻璃幕墻上的裝置，預防其在突發情況下（比如突然斷電或者遇到外力撞擊）發生墜落的危險是非常必要的。經過實驗的分析和研究，該裝置在安全設計上，準備了兩種應急預案，控制流程如圖4（b）所示，第一種是當裝置在清洗時處在離地高度不超過10m的玻璃幕墻上時，采用足夠長度的繩子一端系住裝置，另一端固定在高處，這樣在裝置出現突然墜落的時候就能夠不讓其摔落在地或者砸傷人員，第二種是當裝置在清洗時的離地高度超過10m時，在裝置的腹部安裝紅外線傳感器，一旦裝置離開玻璃表面，控制單元便會發送指令給降落傘彈出裝置，讓其在短時間內迅速做出響應，彈出并打開降落傘使得裝置能夠安全降落。

設計這兩種方案的目的是保證在安全的前提下，能使得裝置在清洗的過程中更加流暢，當高度不足以讓降落傘打開產生阻力，讓裝置安全下落時，用繩子是最安全可靠的，而且此時高度不高，清潔的作業面積有限，繩子對裝置清潔及運動的干擾也較小，當高度足以讓降落傘彈出打開，讓裝置的下落降到安全速度時，采用信號控制降落傘彈出打開的方案比較合適，因為此時清潔的作業范圍較大，使用安全繩可能會對裝置的運動造成干擾，而且使用起來不夠便捷，此時裝置自身攜帶的降落傘彈出裝置，及時對突發情況做出響應，避免安全事故的發生。

4 結語

綜上所述，該裝置以“能夠穩定運動在玻璃幕墻上并對玻璃進行一定程度的清潔”為目的，在行走部件上，很充分的利用了機電結合的優勢，提高了動力的利用率，降低了控制系統的復雜性。在清潔環節上，設計了兩次清潔的過程，使得清潔程度得到了提高，并且利用了氣流吹吸的循環以及清潔毛刷自身產生的摩擦力，有效的降低了動力的損耗。在安全設置上，對不同環境做出應急預案，提高了裝置整體運作的靈活性。

【參考文獻】

[1]孟憲超，王祖溫，包鋼，SKTSO，邵浩.一種多吸盤爬壁機器人原型的研制[J].機械設計，2003，20（8）∶30-33.

[2]姬國釗，張世偉，王奇斌，李俊秀，王卓.真空吸盤式爬壁清洗機器人的研究與開發[J].機械研究與應用，2009（4）∶5-8.

[3]謝宇，曹彤，焦曉凱.多吸盤式擦窗機器人的吸附系統研究[J].液壓與氣動，2007（2）∶10-11.

[4]駢根，漢文政，薛志超.基于單片機的三種爬墻機器人設計與實現[J].科技風，2014（21）∶69-70.

[責任編輯：楊玉潔]