玻璃幕墻越障清潔機(jī)器人

孫浩銘 賀可濤 郭輝 薛凱峰

【摘 要】目前，玻璃幕墻普遍采取人工清潔方式，清潔成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大、清潔效率低，因此這需要使用爬壁機(jī)器人代替人進(jìn)行作業(yè)。綜上，本文介紹一種高效率的越障幕墻清潔機(jī)器人。這種幕墻越障清潔機(jī)器人包括機(jī)器人主框架，控制系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)，圖傳系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)和污水收集處理系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)對玻璃幕墻的清理。

【關(guān)鍵詞】玻璃幕墻清理;智能避障;STM32單片機(jī)

中圖分類號(hào)： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2019）23-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.009

0 前言

有數(shù)據(jù)顯示，目前中國建筑面積為500億平方米，其中幕墻建筑面積占5%，每年新建幕墻達(dá)9000萬平方米。國內(nèi)的幕墻清洗市場規(guī)模在百億以上。這個(gè)有百億規(guī)模的市場，卻一直主要依賴三種清潔方式：

（1）常見的“蜘蛛人“一人，一繩，一板，一桶的常見方式。

（2）通過升降平臺(tái)、吊籃等工具承載清潔工清洗。

（3）樓頂?shù)跛鬈壍老到y(tǒng)將插窗機(jī)對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行清潔。

前兩種效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高，第二種作業(yè)成本高;第三種初期投入高，還需要在建設(shè)時(shí)就將擦窗系統(tǒng)考慮在內(nèi)，因此并不現(xiàn)實(shí)。目前市面上最常見的是“蜘蛛人”人工清洗。高空幕墻清潔行業(yè)的從業(yè)者被稱為“蜘蛛人”，屬于高空作業(yè)，是高風(fēng)險(xiǎn)的職業(yè)。有媒體報(bào)道，我國每年都有數(shù)以萬計(jì)的高空作業(yè)事故發(fā)生，其中死亡率高達(dá)80%以上。所以，機(jī)器人清洗代替人工清洗成為趨勢。

1 玻璃幕墻清潔機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)和功能

本幕墻越障清潔機(jī)器人主要包括機(jī)器人主框架，控制系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)，圖傳系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)和污水收集處理系統(tǒng)。

主框架是其他系統(tǒng)的搭載主體。

控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器的控制中心，利用單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的程序?qū)z測系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)進(jìn)行控制。使機(jī)器人具有手動(dòng)控制清潔和自動(dòng)清潔兩種模式。手動(dòng)控制清潔模式為工作人員根據(jù)圖傳系統(tǒng)傳輸回地面的墻壁實(shí)時(shí)圖像，進(jìn)行操控機(jī)器人對墻壁進(jìn)行清潔;自動(dòng)清潔模式為在單片機(jī)中寫入指定路線的程序，機(jī)器人按照指定路線清理墻壁。

檢測系統(tǒng)主要由傳感器組成，位于機(jī)器人前端，負(fù)責(zé)檢測樓體的邊緣，將信號(hào)傳給控制中心，控制中心控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)改變前進(jìn)線路，防止機(jī)器人掉落。

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由涵道，電機(jī)和車輪組成，涵道將機(jī)器人吸附在墻上，電機(jī)帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)包括外框架、電動(dòng)絞盤、滑軌、絲杠連桿A、滑塊--、滑塊二、繩索、水管、導(dǎo)線和定滑輪，所述滑軌、絲杠和連桿A均設(shè)置在外框架上，電動(dòng)絞盤與滑軌上的滑塊一相連，定滑輪與連桿A上的滑塊二相連，纏繞在電動(dòng)絞盤的鋼絲繩繞過定滑輪與機(jī)器人主框架相連。

圖傳系統(tǒng)主要由圖傳攝像頭，圖傳接收機(jī)，圖傳發(fā)射機(jī)和顯示屏組成。圖傳攝像頭安裝在機(jī)器人頭部，下部安裝舵機(jī)輔助攝像頭上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)。圖傳發(fā)射機(jī)位于機(jī)器人上與攝像頭相連，將攝像頭拍攝的畫面轉(zhuǎn)化成電磁波信號(hào)為無線傳輸給圖傳接收機(jī)。圖傳接收機(jī)位于地面，接收發(fā)射機(jī)無線傳輸過來的電磁波信號(hào)有線傳輸個(gè)顯示屏。顯示屏也位于地面，與接收機(jī)相連接收接收機(jī)傳過來的信號(hào)轉(zhuǎn)化成圖像信息。整個(gè)系統(tǒng)各部分配合運(yùn)行完成將攝像頭所拍攝的圖像遠(yuǎn)距離傳輸在顯示屏上的功能。

清潔系統(tǒng)包括噴射裝置、滾擦裝置和刮擦裝置。噴射裝置設(shè)置在機(jī)器人主框架的上端，滾擦裝置和 刮擦裝置與純機(jī)械自適應(yīng)越障裝置相連。噴射裝置包括高壓噴頭、皂液泵、管道混合器、高壓離心泵和濃縮清潔液，各部件通過橡膠軟管相連，皂液泵將濃縮清潔劑泵入管道混合器，與水混合，混合后的清潔液經(jīng)高壓離心泵從高壓噴頭處泵向墻面。滾擦裝置包括遮擋裝置、傳動(dòng)裝置與滾刷裝置，遮擋裝置設(shè)置在滾刷裝置的上方，傳動(dòng)裝置與滾刷裝置連接，傳動(dòng)裝置由控制系統(tǒng)控制帶動(dòng)滾刷裝置轉(zhuǎn)動(dòng)。刮擦裝置為 “V”字型刮板， “V”字型傾角為15度，其下方開有小孔，小孔出水口通過橡膠軟管將污水導(dǎo)流至污水收集處理統(tǒng)。

污水收集處理系統(tǒng)包括污水收集裝置、液位傳感器和微型隔膜水泵。污水收集裝置與微型隔膜水泵通過橡膠軟管連接，刮擦裝置收集的污水在污水收集裝置中進(jìn)行儲(chǔ)存，液位傳感器設(shè)置在污水收集裝置內(nèi)檢測污水收集裝置的水位，當(dāng)水位達(dá)到預(yù)先設(shè)定的高度時(shí)，微型隔膜水泵將儲(chǔ)存的水通過橡膠軟管泵入下水道。

純機(jī)械自適應(yīng)越障裝置主要包括放大機(jī)構(gòu)和限位機(jī)構(gòu)。放大機(jī)構(gòu)主要由長短彈簧組成，保證清潔系統(tǒng)時(shí)刻緊貼墻面。限位系統(tǒng)用于規(guī)范放大機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。純機(jī)械自適應(yīng)越障裝置與清潔系統(tǒng)連接，控制清潔系統(tǒng)隨純機(jī)械自適應(yīng)越障裝置抬起或落下，使清潔系統(tǒng)的清潔面一直貼附于玻璃幕墻。

其大體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

此機(jī)器人的優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn)：

（1）不僅僅局限于清潔玻璃幕墻，其他天然石材幕墻、金屬板幕墻、陶瓷幕墻均可清潔。

（2）機(jī)器人依靠位于四個(gè)角的涵道的強(qiáng)大吸力吸在墻上，因此要比采用磁吸附、真空吸盤等方法使機(jī)器人吸附在墻上的機(jī)器人要有更大的吸力，載重量更大，更加靈活。

（3）相對于其他機(jī)器人的單模式控制，本機(jī)器人具有手動(dòng)控制清潔和自動(dòng)清潔兩種模式。

（4）機(jī)器人具有的卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)，保證了機(jī)器人不會(huì)墜落，以免發(fā)生意外事故。同時(shí)，樓頂卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)可為機(jī)器人提供供水和供電，這將為機(jī)器人省去很大一部分重量，而且解決了機(jī)器人的續(xù)航問題。

（5）本機(jī)器人上安裝的圖傳系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)地面人員對機(jī)器人所處環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（6）本機(jī)器人上安裝的的檢測裝置可以使機(jī)器人檢測到樓里邊緣進(jìn)而停止前進(jìn)并完成下一步命令。

（7）本機(jī)器人上的清潔系統(tǒng)對墻壁進(jìn)行清潔，刮鏟，污水處理系統(tǒng)對污水進(jìn)行回收處理。阻尼器與清潔系統(tǒng)連接使用，保證清潔裝置可以越過障礙物。

3 結(jié)論

本幕墻越障清潔機(jī)器人主要包括機(jī)器人主框架，控制系統(tǒng)，檢測系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)，圖傳系統(tǒng)，清潔系統(tǒng)和污水收集處理系統(tǒng)。機(jī)器人靠涵道的吸力吸在墻上，靈活且具有越障功能。樓頂具有卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)，卷揚(yáng)機(jī)繩索另一端固定在機(jī)器人上，保證了機(jī)器人不會(huì)墜落還可為機(jī)器人供水和供電。機(jī)器人上安裝的圖傳系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)地面人員對機(jī)器人所處環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。機(jī)器人上安裝的檢測裝置可以使機(jī)器人檢測到樓里邊緣進(jìn)而停止前進(jìn)并完成下一步命令。清潔系統(tǒng)對墻壁進(jìn)行清潔，刮鏟，污水處理系統(tǒng)對污水進(jìn)行回收處理。純機(jī)械自適應(yīng)越障裝置與清潔系統(tǒng)連接使用，保證清潔裝置可以越過障礙物。各系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合運(yùn)行，具有成本低，效果好，易推廣使用等特點(diǎn)。

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