高空玻璃幕墻清洗機器人的研究與設計＊

李芳麗，高鵬，龔希祚

高空玻璃幕墻清洗機器人的研究與設計＊

李芳麗，高鵬，龔希祚

（江西科技學院，江西 南昌 330098）

隨著城鎮化快速推進與發展，城市的高層建筑越來越多，玻璃幕墻成為當今世界最重要的裝飾材料之一。然而，人們對玻璃幕墻的美觀要求以及政府對高層建筑外墻的清潔標準，使外墻清洗、維護等懸掛高空作業越來越難。以PLC智能控制技術、雷達遠程控制技術等為核心，以工程力學、機械工業設計為技術要點，研究設計了一種高空玻璃幕墻清洗機器人，給城市玻璃幕墻的清洗帶來了便捷。

高層建筑；玻璃幕墻；智能清洗機器人；傳感技術

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。玻璃幕墻清洗的高成本及高風險性成為市政清潔的一大難題，但這為高空玻璃幕墻清洗機器人提供了巨大的發展空間。傳統的人工清洗作業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，研發一種適合當今社會建筑發展、性能好、特點鮮明、作業安全可靠的高空玻璃幕墻清洗機器人十分必要。

高空玻璃幕墻清洗機器人是一種垂直吸附在玻璃墻面上通過自由移動實現對墻面清洗，融合傳感技術、控制、機構學等為一體的高科技產品，可有效替代人工進行高空極限作業，降低人工作業的危險性，不僅極大地提高了清洗工作效率，還能降低清洗成本。

2 機器人總體設計方案

機器人在高空玻璃幕墻上進行安全、高效的玻璃幕墻清洗，必須具備足夠的吸附和移動功能，同時，還應具備意外事故的應急能力，以保證機器人自身設備及他人的安全。此外，還應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應具備PLC智能控制模塊、吸附模塊、清洗模塊、移動模塊、傳感器模塊、風速監測模塊、無線遙控模塊等，其中，為了能使清洗機器人精確檢測玻璃壁面的障礙物，在傳感器及風速監測模塊的選擇上應具有廣泛的適用性，且不易受到外界電磁光線等因素的干擾。設計流程如圖1所示。

機器人主體主要包括三大功能：吸附功能、移動功能、清洗功能。吸附功能是實現機器人在玻璃墻面上移動清洗的基本功能，采用多個真空吸盤均勻分布在每條履帶上構成移動機構，通過履帶移動及真空閥的控制可有效實現機器人在玻璃墻面上的移動，采用履帶式真空吸盤組使機器人具有強大的吸附力，支撐機器人在高空玻璃外墻進行工作。

清洗系統的設計采用清洗液過濾循環利用的原理，符合機器人整體輕量化的設計。清洗功能涉及到物理清洗以及化學清洗兩種清洗方式，采用霧化水噴射、海綿擦洗、刮板帶水掛臟以及污水過濾回收系統，此功能具有節水、環保、低噪和不損傷玻璃墻面等優點。清洗功能過濾循環原理如圖2所示。

圖1 高空玻璃幕墻清洗機器人設計流程圖

圖2 清洗功能過濾循環原理圖

3 機器人控制分析

控制系統的功能實現是通過PLC智能控制機器人各個部分系統的正常工作。控制系統設計應遵循安全、可靠、高效的原則，以確保機器人的工作狀態。機器人選用整體式PLC智能控制系統，將電源、CPU、I/O接口集中在一個機箱內，具有結構緊湊、體積小、操作簡單等特點，更有利于機器人整體控制編程設計。

PLC控制系統結構如圖3所示。

圖 3 PLC控制系統結構圖

4 風載仿真分析

根據《玻璃幕墻工程技術規范一》（JGJ 102—2003）高空作業要求，幕墻外表面的檢查、清洗、保養與維修工作不應在4級以上風力下進行。所以，在考慮清洗機器人本體最危險的狀態時，假定其所受風荷載最大值是4級風產生，且大小恒定不變，當清洗機器人本體外框架上的4個吸盤組與玻璃幕墻處于脫離狀態，內框架的4個吸盤組與玻璃幕墻處于吸附狀態，風荷載方向豎直向下，此時最易出現滑落和傾覆，所以，將此時風荷載作為清洗機器人本體最不利靜力風荷載。

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

max=max·p（1）

式（1）中：max為機器人本體在水平面上的投影，即迎風面面積，m2；p為4級風產生的風壓，N/m2。

5 結束語

本文從主體設計、控制分析、仿真分析三個方面研究了高空玻璃幕墻清洗機器人，筆者團隊根據此設計思路制作了模型，經過不斷地設計、修改、完善，實現了預期效果，是國內唯一無需繩索或軌道進行輔助的高空玻璃幕墻清洗機器人，填補了國內無索軌式清洗機械的空白。在社會文明不斷發展的今天，科技創新是提高社會生產力和綜合國力的戰略支撐，國家政策要求加大力度研發智能機器人代替高危人工作業，全新一代高空玻璃清洗機器人將有效代替人工進行極限作業，在未來具有廣闊的發展空間。

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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，研究方向為車聯網、物聯網。

江西省教育廳基金項目“智能網聯汽車車載網絡信息安全防護機制研究”（編號：GJJ180975）；江西省教育廳質量工程項目“汽車服務工程省級卓越工程師培養計劃”（編號：贛教高字〔2013〕78號）

〔編輯：張思楠〕