玻璃清潔機器人的研究和應用分析

莊子槺，方嘉煒，黃慶典，李琪

玻璃清潔機器人的研究和應用分析

莊子槺，方嘉煒，黃慶典，李琪

（廣東慧航物聯科技有限公司，廣東 東莞 523000）

隨著城市化的建設，高層住宅與商業大樓越來越多，玻璃壁的應用越來越普及。由于高層玻璃壁的清潔工作難度高、危險、工作量大，設計一種玻璃清潔機器人，能夠吸附在玻璃上，攜帶清潔機構，在垂直的玻璃上按設定的路線行走并清洗玻璃，并最終回到原始起點，高效安全地完成高層玻璃壁的清潔工作。

玻璃清潔；機器人；螺旋槳吸附；清洗工作

1 引言

從1950年開始，高樓大廈的外圍建設傾向于使用玻璃幕墻而不再使用泥土，由于玻璃幕墻的美觀與隔音、隔熱、隔風等實用性，被廣大民眾與建筑設計師所喜愛，玻璃幕墻也成為高樓大廈的一個重要標志[1]。擦洗玻璃的傳統方法是清潔工人站在窗戶旁邊或懸吊機構上依靠清潔劑與清潔工具結合清洗玻璃壁，這種方法耗費時間，綜合成本高，安全系數低，而高層建筑幕墻清洗作業量大面廣，且適合實現自動化。

目前國內外基本尚處于人工清洗階段[2]。提出了一種高效的玻璃清潔機器人，代替人工清洗玻璃的工作，能夠在高空的玻璃壁上自動完成清洗的工作，提高清洗工作的效率，降低事故發生率。從吸附系統、行走系統、清洗系統幾個方面對該機器人進行闡述。

2 吸附系統

玻璃清潔機器人通過安全線固定在建筑的某一點后，首先必須實現吸附在玻璃壁上的功能。目前應用于玻璃清潔的機器人吸附方式主要有磁式吸附、負壓吸附、螺旋槳吸附。三種方式的原理都是通過不同的方式使玻璃清潔機器人對玻璃壁面施加正壓力則得到玻璃壁面的反作用力，進而產生摩擦力克服機器人的重力，以至于玻璃清潔機器人吸附在玻璃壁面，原理如圖1所示。

設定玻璃清潔機器人的質量=5 kg，玻璃清潔機器人與玻璃壁面之間的摩擦系數為0.2，根據力的平衡原理可知吸附力>g/，即>5 kg×9.8（N/kg）/0.2，那么吸附力必須大于245 N。

磁吸附的原理是通過永磁鐵或電磁鐵對導磁壁面材料產生的吸附力，從而產生對玻璃壁面的正壓力，并依靠機器人與壁面間的摩擦力克服重力。磁吸附式機器人不受壁面凹凸不平或裂縫的限制，相較于真空吸附、推力吸附等吸附方式而言，對工作環境具有更好的適應性，但只適用于導磁性材料構成的壁面。負壓吸附的原理是通過真空泵對真空吸盤內抽取空氣，從而真空盤內形成負壓，進而對玻璃壁面形成正壓力，并依靠機器人與壁面間的摩擦力克服重力。負壓吸附具有結構簡單容易集成、噪聲小等優點，但對玻璃壁面的表面光潔度與透氣性有嚴格的要求。螺旋槳吸附的原理是將幾個螺旋槳按一定角度設置于玻璃清潔機器人內，利用螺旋槳旋轉時產生的推力轉化為玻璃清潔機器人對玻璃壁的正壓力，克服重力。螺旋槳吸附的方式不受玻璃壁面材料的限制，對壁面具有高適應性。

由于玻璃壁面大多數不是導磁性材料，表面平整，而且考慮到待清潔的玻璃面表面光潔度低，因此采用螺旋槳的吸附方式，使玻璃清潔機器人對玻璃有高適應性、速度快、對墻壁的吸附力強等優點。

圖1 吸附原理圖

3 行走系統

玻璃清潔機器人需要具備行走能力才能完成全區域的清潔工作。現有的移動行走系統大致分為足式行走方式、履帶式行走方式、輪式行走方式。各種方式具有不同的結構，具有不同的特性，適合不同的工作環境。

足式行走方式采用有多個仿生機械足來模擬多足動物的行走，仿生機械足可以在機器人附近地面的任意點接觸，有利于承載較大的負荷。同時，足式移動機構對崎嶇壁面具有很好的適應能力，可以跨越障礙物。另外，足式行走方式還具有隔振能力，盡管壁面高低不平，機器人的運動仍然可以相當平穩。但足式行走機構相當復雜且控制難度大，理論模型難以構建。

履帶式行走方式的車輪不與壁面接觸，對不平整的壁面具有高適應性、強驅動性、空間利用能力強、重心低穩定性好等優點。但履帶式行走方式轉向不靈活，而且履帶會與壁面產生摩擦從而對壁面造成損壞。輪式行走方式利用電機驅動車輪，使用滾動的方式行走，是最常見的運動行走方式，具有效率高、重量輕、結構簡單的優點，但缺點是只適合在平坦的路面行駛。

綜合上述特點，采用輪式行走方式，利用兩電機單獨驅動左右車輪，并在前方設置一個萬向輪，提高機器人的平衡性，具體結構如圖2所示。

圖2 結構示意圖

4 清洗系統

在玻璃清潔機器人行走的過程中必須同時對玻璃壁紙進行清洗，才能實現整個玻璃清潔功能。清洗系統結構如圖3所示，利用鋁合金型材搭建整體框架，上刮板設置于鋁型材框架的上方，下刮板設置于鋁型材框架的下方，上下刮板設置有緩沖彈簧，當遇到障礙物時緩沖彈簧能夠收縮，越過障礙物；滾刷通過帶座軸承安裝于鋁型材框架內，與驅動裝置連接；鋁型材框架上下方設置有噴嘴，噴嘴將清洗液霧化后噴射至玻璃幕墻。

另一方面，通過清洗液循環裝置將清洗液回收的方式提高清洗液的利用率。機器人的清洗液循環裝置主要有濾芯、過濾水箱、污水收集箱、水泵等。

玻璃清潔機器人流程如下：①噴嘴內的液態清潔液經過噴嘴的霧化作用后噴至玻璃幕墻；②機器人帶動電機驅動的滾刷將被清洗液溶解的污垢清洗掉；③機器人通過刮板刮清清洗液的方式實現幕墻壁面的清潔；④下刮板將污水攔截匯集并使匯集的污水被收集至污水收集箱；⑤利用水泵和進水管將污水輸送到濾芯，過濾后再次利用[3]。

1—鋁型材框架；2—上刮板；3—下刮板；4—滾筒；5—驅動裝置。

5 結語

主要分析了機器人在玻璃清潔上的具體應用，并對吸附系統、行走系統、清洗系統進行詳細分析，結合實際應用場景進行設計，可為玻璃幕墻清潔方面提供參考借鑒。

［1］賈明，劉克謙，宗光華.應運而生的玻璃幕墻【清潔機器人】——談玻璃幕墻清潔自動化［J］.建設科技，2002（5）：84-86.

［2］王妹婷.壁面自動清洗機器人關鍵技術研究［D］.上海：上海大學，2010.

［3］倪偉，吳英濤，趙曉賀.玻璃幕墻清洗機器人清洗系統的設計［J］.南方農機，2017，48（16）：40.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.14.068

2095－6835（2019）14－0148－02

莊子槺（1990—），男，廣東廣州人，學士，研究方向為機電工程。

〔編輯：嚴麗琴〕