高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)＊

李芳麗，高鵬，龔希祚

高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)＊

李芳麗，高鵬，龔希祚

（江西科技學(xué)院，江西 南昌 330098）

隨著城鎮(zhèn)化快速推進(jìn)與發(fā)展，城市的高層建筑越來(lái)越多，玻璃幕墻成為當(dāng)今世界最重要的裝飾材料之一。然而，人們對(duì)玻璃幕墻的美觀要求以及政府對(duì)高層建筑外墻的清潔標(biāo)準(zhǔn)，使外墻清洗、維護(hù)等懸掛高空作業(yè)越來(lái)越難。以PLC智能控制技術(shù)、雷達(dá)遠(yuǎn)程控制技術(shù)等為核心，以工程力學(xué)、機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)為技術(shù)要點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)了一種高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人，給城市玻璃幕墻的清洗帶來(lái)了便捷。

高層建筑；玻璃幕墻；智能清洗機(jī)器人；傳感技術(shù)

1 引言

以玻璃幕墻為主要裝飾材料的摩天大樓正在迅速崛起，形成了巨大的玻璃幕墻清洗市場(chǎng)。玻璃幕墻清洗的高成本及高風(fēng)險(xiǎn)性成為市政清潔的一大難題，但這為高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人提供了巨大的發(fā)展空間。傳統(tǒng)的人工清洗作業(yè)需要工人克服巨大的心理恐懼，且存在諸多的安全隱患。鑒于此，研發(fā)一種適合當(dāng)今社會(huì)建筑發(fā)展、性能好、特點(diǎn)鮮明、作業(yè)安全可靠的高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人十分必要。

高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人是一種垂直吸附在玻璃墻面上通過(guò)自由移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)墻面清洗，融合傳感技術(shù)、控制、機(jī)構(gòu)學(xué)等為一體的高科技產(chǎn)品，可有效替代人工進(jìn)行高空極限作業(yè)，降低人工作業(yè)的危險(xiǎn)性，不僅極大地提高了清洗工作效率，還能降低清洗成本。

2 機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案

機(jī)器人在高空玻璃幕墻上進(jìn)行安全、高效的玻璃幕墻清洗，必須具備足夠的吸附和移動(dòng)功能，同時(shí)，還應(yīng)具備意外事故的應(yīng)急能力，以保證機(jī)器人自身設(shè)備及他人的安全。此外，還應(yīng)具有高效的清洗功能，以保證玻璃墻面的潔凈性。所以，高空玻璃幕墻清洗系統(tǒng)應(yīng)具備PLC智能控制模塊、吸附模塊、清洗模塊、移動(dòng)模塊、傳感器模塊、風(fēng)速監(jiān)測(cè)模塊、無(wú)線遙控模塊等，其中，為了能使清洗機(jī)器人精確檢測(cè)玻璃壁面的障礙物，在傳感器及風(fēng)速監(jiān)測(cè)模塊的選擇上應(yīng)具有廣泛的適用性，且不易受到外界電磁光線等因素的干擾。設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

機(jī)器人主體主要包括三大功能：吸附功能、移動(dòng)功能、清洗功能。吸附功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在玻璃墻面上移動(dòng)清洗的基本功能，采用多個(gè)真空吸盤均勻分布在每條履帶上構(gòu)成移動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)履帶移動(dòng)及真空閥的控制可有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在玻璃墻面上的移動(dòng)，采用履帶式真空吸盤組使機(jī)器人具有強(qiáng)大的吸附力，支撐機(jī)器人在高空玻璃外墻進(jìn)行工作。

清洗系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用清洗液過(guò)濾循環(huán)利用的原理，符合機(jī)器人整體輕量化的設(shè)計(jì)。清洗功能涉及到物理清洗以及化學(xué)清洗兩種清洗方式，采用霧化水噴射、海綿擦洗、刮板帶水掛臟以及污水過(guò)濾回收系統(tǒng)，此功能具有節(jié)水、環(huán)保、低噪和不損傷玻璃墻面等優(yōu)點(diǎn)。清洗功能過(guò)濾循環(huán)原理如圖2所示。

圖1 高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)流程圖

圖2 清洗功能過(guò)濾循環(huán)原理圖

3 機(jī)器人控制分析

控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)是通過(guò)PLC智能控制機(jī)器人各個(gè)部分系統(tǒng)的正常工作。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循安全、可靠、高效的原則，以確保機(jī)器人的工作狀態(tài)。機(jī)器人選用整體式PLC智能控制系統(tǒng)，將電源、CPU、I/O接口集中在一個(gè)機(jī)箱內(nèi)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，更有利于機(jī)器人整體控制編程設(shè)計(jì)。

PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖 3 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 風(fēng)載仿真分析

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范一》（JGJ 102—2003）高空作業(yè)要求，幕墻外表面的檢查、清洗、保養(yǎng)與維修工作不應(yīng)在4級(jí)以上風(fēng)力下進(jìn)行。所以，在考慮清洗機(jī)器人本體最危險(xiǎn)的狀態(tài)時(shí)，假定其所受風(fēng)荷載最大值是4級(jí)風(fēng)產(chǎn)生，且大小恒定不變，當(dāng)清洗機(jī)器人本體外框架上的4個(gè)吸盤組與玻璃幕墻處于脫離狀態(tài)，內(nèi)框架的4個(gè)吸盤組與玻璃幕墻處于吸附狀態(tài)，風(fēng)荷載方向豎直向下，此時(shí)最易出現(xiàn)滑落和傾覆，所以，將此時(shí)風(fēng)荷載作為清洗機(jī)器人本體最不利靜力風(fēng)荷載。

最不利風(fēng)荷載作用在清洗機(jī)器人本體上可以近似認(rèn)為以集中力的形式施加于內(nèi)外框架的連接處，集中力max為：

max=max·p（1）

式（1）中：max為機(jī)器人本體在水平面上的投影，即迎風(fēng)面面積，m2；p為4級(jí)風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)壓，N/m2。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從主體設(shè)計(jì)、控制分析、仿真分析三個(gè)方面研究了高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人，筆者團(tuán)隊(duì)根據(jù)此設(shè)計(jì)思路制作了模型，經(jīng)過(guò)不斷地設(shè)計(jì)、修改、完善，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期效果，是國(guó)內(nèi)唯一無(wú)需繩索或軌道進(jìn)行輔助的高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)無(wú)索軌式清洗機(jī)械的空白。在社會(huì)文明不斷發(fā)展的今天，科技創(chuàng)新是提高社會(huì)生產(chǎn)力和綜合國(guó)力的戰(zhàn)略支撐，國(guó)家政策要求加大力度研發(fā)智能機(jī)器人代替高危人工作業(yè)，全新一代高空玻璃清洗機(jī)器人將有效代替人工進(jìn)行極限作業(yè)，在未來(lái)具有廣闊的發(fā)展空間。

［1］郝少鵬，鄧凱吉，董志方.屋頂太陽(yáng)能電池板智能清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)［J］.山東工業(yè)技術(shù)，2019（5）：98.

［2］代峰燕，邢爽，陸營(yíng)，等.管程清洗機(jī)器人導(dǎo)軌的輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.北京石油化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2019，27（1）：67-71，80.

［3］劉凌.玻璃幕墻清洗機(jī)器人攀爬部分結(jié)構(gòu)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2018，47（1）：46-49.

［4］唐華.一種外墻清洗機(jī)器人控制系統(tǒng)［J］.電子測(cè)試，2018（1）：25-26.

［5］梁子躍，蔡強(qiáng)，楊昊，等.基于注射器吸附的玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)［J］.電子器件，2018，41（1）：274-278.

［6］張勇.玻璃幕墻清洗機(jī)器人電氣控制系統(tǒng)的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2018.

TP242

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.17.029

2095－6835（2019）17－0067－02

李芳麗（1982—），碩士研究生，講師，研究方向?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)。

江西省教育廳基金項(xiàng)目“智能網(wǎng)聯(lián)汽車車載網(wǎng)絡(luò)信息安全防護(hù)機(jī)制研究”（編號(hào)：GJJ180975）；江西省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目“汽車服務(wù)工程省級(jí)卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃”（編號(hào)：贛教高字〔2013〕78號(hào)）

〔編輯：張思楠〕