高空清潔組合設計

蔣卓一 吳燦 何其雋 宋俊延 劉姝岑

摘? 要：近年來城市的高層建筑隨著社會的發展而不斷增多，玻璃以其特有的魅力為城市建筑增添不少設計感，但也造成了光污染、高空清潔等問題。本文就城市高空清潔問題，以高空清潔行業的現狀及其弊端為導向，結合無人機和清潔機器人的發展趨勢以及“無人機+”的概念，探討通過創新組合方式設計，深入研究高空清潔這一創新性設計。并且在高空玻璃清潔的基礎上對產品原型進行應用拓展，例如生物仿生、機械結構仿生;輸送清潔機器人的不同方式;適用于玻璃、石材、鋁板及異面墻面等不同環境的清潔方式。這有助于實現產品形態和控制系統的多元化延展，探尋解決更多高空清潔領域問題的可能性，嘗試創造更高的社會價值和經濟價值。

關鍵詞：高空清潔? 無人機? 清潔機器人? 應用拓展

中圖分類號：V235? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0004-04

Abstract： In recent years， high-rise buildings in cities have been increasing with the development of society. Glass has added a lot of design to urban buildings with its unique charm， but it has also caused problems such as light pollution and high-altitude cleaning. On the issue of urban high-altitude cleaning， guided by the current situation and shortcomings of the high-altitude cleaning industry， combined with the development trend of drones and cleaning robots and the concept of "UVA+"， this paper explores this innovative design through an new combination of methods design， and expand the application of product prototypes on the basis of high-altitude glass cleaning， such as bio-bionics， mechanical structure bionics， different ways to transport cleaning robots， and study on the cleaning methods suitable for different environments such as glass， stone， aluminum plate and different wall surfaces， which is conducive to the realization of the diversified extension of product forms and control systems， the exploration of the possibility of solving more problems in the field of high-altitude cleaning， and the high value creation of society and economy.

Key Words： High altitude cleaning; UVA; Cleaning robot; Application development

目前，高空清潔還是以人工作業為主，清潔人員用一根保險繩和一根作業繩把自己懸掛在建筑外壁，這是一種高危的作業的方式，不僅如此，高空清潔對就業人員的身體素質有較高的要求。此外，高空作業還受天氣的限制，遇到四級以上的風力、能見度差時，以及氣溫超過35℃或低于0℃時都不適合高空清潔。因此，市場急需一款可以替代人工高空作業的產品，以減少工作的危險性，同時也減少高空清潔公司的清潔成本費用、人工開支。

1? 研究背景及意義

近年來城市規模不斷擴大，城市建筑如雨后春筍般地拔地而起，玻璃又是城市現代高層建筑中不可或缺的材料。為了美觀及采光的需求，不少高層建筑都采用了玻璃幕墻，這就帶來了玻璃窗（頂棚、壁面）的清洗問題[1]。

1.1 高空玻璃清潔的發展現狀

如今，高空玻璃清洗主要依靠人工清潔，作業人員大部分是文化水平較低，部分清潔員缺乏操作規范，每年都會有由于操作不當引發的高空墜落事件。

一些清潔公司用一些比較粗暴的方式清洗，使用腐蝕性化學試劑的現象比較嚴重，可以看到被腐蝕性的化學試劑清洗過的高空玻璃，早已改變了原有的質感。清潔公司為降低成本，清潔設備長時間不更換或采用劣質清潔劑，導致建筑物下的植物出現不同程度的枯萎、汽車表面受到腐蝕等惡劣情況。

1.2 本課題研究的意義

由于玻璃長期暴露在空氣中經過暴曬和風吹雨打，以及大氣中產生的有害氣體等污染和一些玻璃清潔劑對玻璃的腐蝕，在高空玻璃上產生了一層污垢。長久以往，這樣既會損壞了高層建筑物，又影響了城市建筑的整體美觀性。隨著科學技術的逐步成熟，高空清潔可以由機械代替人工作業，不僅可以把作業風險降到最小，也可以節省人工作業費用。

2? 無人機清潔系統設計原則

確定設計主題后，對其進行了設計延伸，確定以無人機和清潔機器人作為產品主體后，展開創意構想，總結每個構想的優勢與不足，確定設計方案所要具備的優勢。

2.1 效果要好

玻璃清潔機器人直接與玻璃面接觸，通過底部的密植纖維抹布精細擦除玻璃表面的灰塵污漬，效果比直接沖洗玻璃窗會更好，同時也避免清潔劑流至下層玻璃以及地面。

2.2 效率要高

實現無人機+清潔機器人的多機操作、多模式系統化控制，縮短了清潔整棟建筑物玻璃外墻的時間，提高了清潔效率，改變人工作業工序繁瑣、效率低下的現狀。

2.3 節省水資源

相較于其他噴水清潔方式，該設計通過無人機噴灑霧狀特質清潔劑，清潔機器人進行擦洗的形式清潔玻璃面，極大地節省了水資源，避免了無人機需多次飛回地面取水的需求。

2.4 替代人工作業

依靠操控人員在地面控制中心操縱，不需要人員加入高空清洗環境，解決了工作人員的人身安全問題，降低了人力成本，可替代“蜘蛛人”完成清潔工作。

2.5 運用智能化、網絡化、信息化技術

運用視覺技術，無線網絡，后臺數據采集分析，三維建模，VR 虛擬技術和AR增強現實技術，智能路徑規劃，GPS 定位，紅外傳感等技術進行系統化的智能控制和管理，實現無人機和清潔機器人工作運行。

2.6 優化外觀造型

無人機的外觀設計以“節省材料、節省空間、減少重量”為設計原則，且盡可能貼合城市建筑風格，具有一定的科技感;對于清潔機器人來說，其風格要簡潔大方，最核心的是要方便無人機攜帶。

3? 無人機清潔系統設計方案

3.1 設計定位

在這款組合設計中，無人機作為輔助清潔工具，輸送清潔機器人至玻璃面上，利用攝像頭部分為清潔機器人規劃清潔路徑并起到實時監控的作用;清潔機器人主要負責擦洗窗戶。

3.2 機器運作所需部件

在確定了設計定位和具體功能需求后，機器運作過程中需要用到激光雷達、液體泵、超聲波測距單元（紅外）、2.4GHz無線通信技術、慣性導航單元、磁力計、電動伸縮桿、電動滑臺、電磁鐵、噴頭、水箱。

3.3 “無人機+清潔機器人”技術實現

飛行器和機器人可通過自身配置的激光雷達、導航單元和磁力計進行無人機和多臺機器人的同時操作。通過2.4GHz的無線數字通信收發器完成數據傳輸，地面會進行不同模式的控制，從而實現多機組合模式的控制。無人機依靠慣性導航單元和磁力計可準確導航，從而能夠準確的運送清潔機器人至指定工作區域。

3.4 確定無人機的機型

針對此項目，考慮到無人機需要負載電動伸縮桿、電動滑臺、清潔機器人、水箱等部件，無人機的負載能力不能低于15kg，所以選擇大功率四旋翼無人機。并做出最終方案，效果圖如圖1。

4? 工作流程及可行性論證

4.1 規劃路徑

無人機通過頂端的攝像頭，并結合激光雷達，運用視覺技術對建筑物外墻進行掃描，規劃出清潔機器人的工作路徑，無人機飛回地面后，再由工作人員將清潔機器人懸掛在無人機底部的電動伸縮桿前端的電磁鐵上。

4.2 噴灑清潔劑

無人機再次起飛至玻璃清潔區域，微型液體泵抽出水箱內的清潔劑，通過無人機噴頭向玻璃面噴灑清潔劑。

4.3 輸送清潔機器人

無人機噴灑清潔劑之后，無人機的距離感應器利用超聲波測距，精準地向玻璃面輸送清潔機器人。無人機底端的電動滑臺和電動伸縮桿依次移動，將清潔機器人送至玻璃表面。

4.4 開始清潔

將清潔機器人送至玻璃面時，內部的傳感器感受到清潔機器人與玻璃面接觸信號，開始通電，清潔機器人吸附到玻璃面上。之后電磁鐵斷電，使無人機與清潔機器人分離，并給清潔機器人發送清潔指令。

4.5 多機工作

飛行器和機器人可通過自身配置的激光雷達、導航單元和磁力計進行無人機和多臺機器人的同時操作。第一臺清潔機器人開始工作后，無人機飛回地面運送其他清潔機器人，并重復工作流程2～4。

4.6 回收擦窗機器人

在工作期間，無人機與清潔機器人使用2.4GHz無線通信技術完成數據傳輸，當清潔機器人工作結束，發送信號至地面控制中心，無人機通過紅外感應器精準的與清潔機器人對接回收（見圖2）。回收的清潔機器人若有足夠的電量，將其送至其他需要清潔的玻璃面;若電量不足，將其回收至地面進行充電。

5? 應用拓展

城市建筑不僅僅是依靠玻璃材質，還由石材、鋁板、磨砂材質構成，同時為了建筑的整體效果還會出現異面墻，基于這種情況下，以原型產品的能力是達不到清潔目的的，這就需要對產品進行應用拓展，以滿足不同場景的需求。

可以利用生物（如壁虎）仿生、機械結構仿生和月球車等原理，研究適用于玻璃、石材、鋁板及異面墻等不同場景的清洗，實現產品形態的多元化延伸及遠程控制等。

在“無人機+機器人”模式的基礎上，轉換思維，可考慮改變輸送清潔機器人的方式，轉變為從高層通過固定的繩索或其他固定裝置向下輸送，將清潔機器人送至清潔區域。不僅可以提升清潔效率，還可以避免無人機輸送清潔機器人時因故障問題造成的意外。

電作為清潔機器人唯一的動力來源，續航成為一個最大的障礙。若清潔機器人外殼采用光伏發電板，可運用光伏發電新能源技術解決續航不足的問題。

6? 結語

高空清潔從各方面來講都是一個較為棘手的問題，但在經濟與科技發展迅速的時代背景下，技術難點將一一被突破，日漸趨于完善的高空智能清洗設備將會成為現實。本創新成果作為高空清潔類產品的探索，提出“無人機+清潔機器人”的概念，具有高安全性、高適應性、高效節能和高度智能化的特點，是先進、合理的高空清洗解決方案和替代產品。對其拓展研究的產品又可適用于玻璃、石材、鋁板墻面等不同場景的清洗，為解決高空玻璃清潔問題提出更多可能性。

參考文獻

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