幕墻清潔機器人分析與設計

陳曦 李森 陳釋文

摘 要：傳統人工清潔建筑幕墻不僅會耗費大量的人力，而且還存在著巨大的潛在危險，需要設計出合理的幕墻清潔機器人來解決這一系列問題。目前，幕墻清潔機器人技術距離市場應用還有差距。本文對現有幕墻清潔機器人進行分析，總結常見類型及結構特點，提出幕墻清潔機器人的設計原則，以期對幕墻清潔機器人設計提供參考。

關鍵詞：幕墻清潔;設計;機器人;結構

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.122

1 背景介紹

現代城市建筑中，幕墻大量使用，中國建筑面積約為500億平米，幕墻占比約為5%，每年新建幕墻約為9000萬平方米。與此同時由于空氣中的灰塵等多方面因素的影響，出現了幕墻清潔的問題。現有的社會條件下，由于技術條件的限制，大多數幕墻清潔都是采用人工清潔的方式，主要依賴人工清潔方式：除了常見的蜘蛛人一人一繩一板一桶的常見方式;還有通過升降平臺、吊籃等工具承載清潔工清洗，效率低、勞動強度大、危險性高，第二種作業成本高，存在人身安全隱患。

隨著技術的發展以及以人為本的理念的意識逐漸增強，未來需要安全高效的解決高空幕墻清洗的清潔機器人。從現有市場狀況看，目前的清潔機器人研究成果還不夠成熟，其原因包括設計的可靠性、功能實現、生產成本等因素。

2 現有清潔機器人的運動機構

目前清潔機器人的運動機構常見有以下幾種：（1）仿生蜘蛛爬行機構[1]，爬行過程中多個爬行機構共同作用，復雜度很高，會極大的增加生產成本，同時降低了可靠性。（2）履帶吸盤式爬行機構[2]，比較穩定，但對墻體有一定的破壞性。（3）滾輪吸盤爬行機構，靈活性最高，但穩定性差。

最早在20世紀60年代的時候，世界上第一臺墻壁表面清洗機器人被日本最早研究出來，在日本之后，美國、以色列、德國等國家也開始了對墻壁清潔機器人的研究工作，并取得了相應的進展。2016年成立于美國波士頓的一家幕墻清潔公司R storm technology設計研發出第一代22足幕墻清潔機器人，其清洗效率能達到9M?/min，并且擁有一定的穿越障礙的能力，其外形為立方體，清洗方式依靠在長度一端設置了清洗滾刷刷毛進行移動刷洗，并且由于采用了蜘蛛腳的仿生設計，使之能跨越不明顯的階梯框架墻面[3-5]。

國內幕墻行業相對較晚，但發展潛力足，國家創新推動著幕墻行業的升級換代。沈陽新松機器人自動化有限公司研制出的玻璃幕墻清洗機器人，其不同于以往的清洗機器人，它并非獨立的個體，而是安裝在幕墻上的一個基本的組件，通過幕墻上的軌道進行移動，它解決了分隊機器人目前還無法突破的障礙，讓成本大幅度下降，并且使得結構簡化，讓安全性得到很大的提升。華蔚第一代高空幕墻清洗機器人，通過機器底部的磁吸附技術，吸附住墻面，可以承受30kg重力，80kg的垂力，不用擔心掉落的風險，可以輕松的行走在幕墻表面。同時轉彎掉頭非常容易，能輕松的跨越障礙物，該機器人外部安裝有監測傳感器，通過傳感器接收到的圖像信息來判斷墻面是否清洗干凈，同時由于其搭載智能控制系統，它能自動規劃路徑避免重復清洗[3-7]。

3 常見幕墻清潔機器人工作系統

常見幕墻清潔機器人與擦窗機器人原理類似，擦窗機器人是我們平時生活中應用較多的機器，擦窗機器人身體一般裝有真空泵或者風機機構，通過它們產生的吸附作用牢牢固定住玻璃表面，并且擦窗機器人擁有人工智能操作系統，能智能處理工作過程中傳感器傳回的數據，會自動測算墻面面積，和測量墻面邊角的距離，并在清潔完成后，會自動尋跡回歸初始位置。幕墻清潔相較于窗戶清潔難度更高，清潔也相對更加困難，尤其是在高空外墻這種復雜的環境中，因此幕墻清潔機器人一般都會有一個安全裝置，防止在高空中突發風險，發生不可預估的后果。

幕墻清潔機器人系統結構一般具有結構支架、清洗機構、爬行機構、監測傳感器、控制處理系統這五個部分，當機器工作時，由傳感器監測墻面污漬黏附狀態，但清洗一次后繼續由傳感器監測墻面是否清洗干凈，如果沒有清洗干凈，則機器會進行重復清洗，如清洗干凈，機器會通過移動機構爬行到下一個未清洗區域進行清洗。在爬行的過程中會由中央傳感器自動規劃路徑，以最優的爬行的方式，最短的爬行距離獲取最好的清洗效果。

4 幕墻清潔機器人設計原則

根據以上分析總結得出，幕墻清潔機器人的設計原則主要考慮兩個主要方面：（1）單位時間清潔足夠大的有效區域，工作效率高，幕墻機器人需要清潔高空大面積區域，所以對其單位時間清潔面積有一定的要求，所以需要設計有效工作面;（2）輕便，幕墻清潔機器人在外部墻體環境工作，使得其續航能力成為產品設計著重需要考慮的因素，輕便使得幕墻清潔機器人能更加方便、更加穩定的地進行工作。這些問題需要在設計的層面上解決。

設計具體涉及以下內容：

（1）色彩選擇。由于幕墻清潔機器人長時間工作在高空幕墻環境中，陽光的照射與玻璃墻面的反射光聚集到幕墻清潔機器人裝置上，所以需要設計淺色外殼，減少對光的吸收，避免使幕墻清潔機器人裝置溫度過高，而影響幕墻清潔機器人內部系統。考慮色彩對人的視覺影響問題，使機器人工作時對控制人員的視覺反饋更加明晰。

（2）外部殼體與外觀設計。在高空工作環境中，會受到氣流的影響，所以設計符合流體動力學的外觀，減小空氣阻力，避免受到風的影響而造成的危險。在高空工作時，設計簡潔的外形，給操作者和觀察者帶來舒適視覺效果。

（3）安全結構設計與材料選擇。機器人在工作狀態下要能夠穩定的附著于工作區域，所以設計附著于墻面的機構時要求可靠性和穩定性高，同時應設計安全繩索，避免幕墻清潔機器人從高空脫落。基于準確移動和控制的要求，幕墻清潔機器人內部結構，必須要有一定的精度與強度，且內部主要是機械結構，工作時需要考慮其耐久性與材料的疲勞度。其外殼部分相對于內部結構來說一般起到支撐、遮蔽、美觀的作用，同時符合空氣動力學要求，避免高空氣流對機器人產生較大的氣流沖擊力。以上設計特點要求外殼材料應密度小、比強度高、耐熱性好。可使用碳纖維類復合材料。

5 幕墻清潔機器人設計

根據以上問題分析與設計要求，進行幕墻機器人設計，提出主要針對無階梯幕墻的清洗機器人。具體設計內容如下：

5.1 結構上

分為上下兩個支撐部分，連接處采用旋轉機構，使工作狀態下展開，不工作時旋轉收回。同時將外部清洗裝置也為可旋轉收回。

5.2 仿生爬行機構設計

將毛蟲多足的方式簡化為“雙足”，自然界中的毛蟲通過蠕動的方式爬行，其爬行方式可以簡化為“前足”與“后足”通過前后足相互遞進的方式爬行，在設計上實現“雙足”爬行機構能有效簡化運動機構。

5.3 造型上

（1）采用曲面造型，盡可能的減少塊面與減小機器體積，以達到減少空氣阻力的作用，工作時減少迎風面積，降低風阻，保持其整體攀附墻體的穩定性。

（2）主體色彩采用反射光線強的白色，防止機器主體過度吸熱。

具體設計如下，圖1為主體結構圖，圖2為工作狀態下外觀圖。

下圖（圖3）為幕墻清潔機器人從工作前到工作狀態的主要流程。

6 結語

本文分析當前幕墻清潔機器人主要特征，以及幕墻清潔機器人工作環境的特點，提出幕墻清潔機器人遵循的主要設計原則，并設計出可靠性較高的無階梯幕墻清潔機器人，為幕墻清潔機器人市場應用提供支持。

參考文獻：

[1]劉軍，張實，康世林.六足攀爬清潔機器人的結構設計[J].機械工程師，2016（09）：54-55.

[2]唐雯珍，錢瑞明.一種玻璃幕墻清潔機器人的設計[J].機械設計與制造工程，2017（01）：45-48.

[3]陳賢雷.履帶式爬壁機器人的設計及其在船舶檢測中的應用研究[D].杭州：浙江大學碩士學位論文，2013：18-20.

[4]趙亞楠.新松機器人：科技創新，領跑智能機器人時代[J].自動化博覽，2018（09）：20-23.

[5]華蔚公司主頁[DB/OL].http：//www.xmhuaway.com/.

[6]杜微，陳光，魏澤忠等.一種新型自動玻璃清潔機器人的系統設計[J].科學技術創新，2013（31）：62.

[7]趙啟超.玻璃幕墻清洗機器人的設計與研究[D].碩士論文，哈爾濱工業大學.