小型可越障玻璃擦洗機器人—TaichiRobot

西北工業大學

李事坪，薛 棟，王海晨，鄒志華，陳潤博

1 背景簡介

目前，中國建筑面積為500億平方米，其中幕墻占5%，而中國每年新建幕墻達9 000萬平方米。即使以最低收費標準計算，國內的高層外立面清洗市場超100 億元，市場潛力巨大。隨著機器人技術的進步與快速發展，家政服務機器人有望成為繼電腦和手機之后大批量進入家庭的消費類電子產品。人工擦洗玻璃（尤其是外窗戶面）存在作業困難和較高風險，而大型擦窗機投入成本過高，因此擦窗機器人成為安全經濟的選擇。國內擦窗機器人產品主要來自于科沃斯和嘉世達兩家公司，兩家公司的產品功能相似度高，均無法翻越窗戶邊框，且只能夠擦洗單塊玻璃，實用性有待增強，競爭優勢不明顯。

2 作品簡介

西北工業大學研究生創新團隊設計的可越障擦窗機器人—TaichiRobot，不僅能夠緊貼玻璃窗戶壁面，實現整塊玻璃擦洗，還具備獨特的越障能力，可快速高效完成窗戶內外玻璃面的擦洗作業。

TaichiRobot的設計主要包括三部分：

（1）整體機械結構的設計，主要難點包括整機越障機構設計、自適應浮動吸盤設計、強度設計；

（2）硬件電路設計，主要包括驅動電機、不間斷電源、采集傳感器信息、通信電路；

（3）軟件編程，實現自動/半自動擦洗功能與自主越障。

技術優勢：

（1）TaichiRobot安裝了防跌落傳感器，能夠擦洗無邊框玻璃。

（2）TaichiRobot首次實現了越障，能夠完整擦洗具有高低落差的玻璃窗。

（3）TaichiRobot具有干擦、濕擦和干濕混合擦三種擦洗模式，工作效率高，擦洗更干凈。

（4）TaichiRobot體 積 小（400 mm×200 mm×70 mm），重量輕（≤3.5 kg），耗能少，綠色環保。

3 工作原理

3.1 集負壓吸附功能

機器人內部電機抽出吸盤內的空氣，實現真空狀態，以便機器人牢靠地吸附在多種材質上，如玻璃鏡面、大理石、不銹鋼表面等，吸附強勁，負壓可以達到-30 kPa，載重性能約為自重的2倍。

3.2 擦洗功能

自適應抹布能夠適應不同的玻璃面，具有干擦、濕擦和干濕混合擦三種擦洗模式，在機器人前進過程中對臟污進行擦-刮-抹處理，清潔效率高。

3.3 越障功能

采用機械臂輔助抬高越障，兩個機器人在擦完一塊玻璃后迅速靠近另一塊玻璃，其中一個機器人固定，另一個機器人依靠機械臂中的抬升電機緩慢抬升，實現越障。當第一個機器人越障成功并固定在還未擦洗的玻璃上之后，另一個機器人實施越障。該越障技術填補了國內履帶式小型擦窗機器人的越障功能空缺。

3.4 防跌落功能

機器人裝有防跌落傳感器，能夠有效感知吸附表面的邊緣，尤其在無邊框環境下，能夠判斷邊緣位置，防止跌落。此外，TaichiRobot具有防跌落安全扣，可承重約10 kg。

3.5 自動清潔/手動清潔路徑

自動清潔模式可自動識別窗戶的大小，優化出“Z”字型清潔路徑；手動清潔模式下，用戶可以通過手機APP端對機器人進行遙控，對部分污染區域進行重點擦洗與清潔。

3.6 緊急報警功能

搭載WiFi無線通信模塊。機器人在工作中遇到突然斷電的情況時，啟動機載備用電源，保證機器人能夠停留在安全位置并報警，提醒用戶采取措施。

4 創新點

（1）首次實現了可越障擦窗功能；

（2）設計的自適應浮動吸盤可大幅提升機器人越障吸附玻璃成功率；

（3）設計的硅膠密封圈具有較好的柔軟度及密封度；

（4）設計的“Z”字形擦洗方式可提高擦洗效率，減小重復擦洗面積；

（5）設計的浮動式擦洗裝置可在保證穩定越障吸附玻璃面的同時擦洗玻璃；

（6）設計的電源切換電路，當主電源斷電時自動切換至電池供電并報警。

5 市場前景

隨著高層建筑的增加，以玻璃壁面為代表的幕墻結構逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，同時家庭中的落地窗也逐漸增多，因此衍生出繁重的壁面清洗任務。另一方面，越來越奇特的建筑結構使清洗的難度成倍增加，傳統的清洗方法已無法滿足需求。

根據實際情況，我們將用戶群體分為以下幾類：

（1）家庭

由于城市工作壓力大，人們在家庭清潔方面能夠投入的時間和精力較少，因此他們更容易接受通過智能化的機器人完成繁瑣的清潔工作。

（2）物業公司

相比于窗戶內壁面，窗戶外壁面更容易受到灰塵、雨水的污染，因此窗戶外壁面擦洗需求的頻率高于窗戶內壁面。小區和寫字樓的物業更注重環境的整潔，物業公司更傾向于通過方便、經濟的方式來完成范圍內公共設施的玻璃擦洗作業。

（3）保潔公司

清潔公司在清洗玻璃外墻時只有“蜘蛛人”和大型擦窗機兩種方式，“蜘蛛人”擦洗存在著高風險的固有缺陷，而大型擦窗機則存在著投入成本過高的缺點。設計的擦窗機器人擁有投入費用低、受外部環境影響小的優勢，完全可以取代舊的擦洗方式完成大部分的擦窗作業。同時，通過擦窗機器人作業可以降低清潔公司的運營成本，降低作業風險。