玻璃外墻智能清洗機設計

蘇陽，陳杰，張航，周倪敏，黃朋輝

（201620 上海市 上海工程技術大學）

0 引言

伴隨著社會經濟的不斷發展，城市高樓群不斷擴大，以玻璃為主要型材的百米樓群屢見不鮮。玻璃長期曝露在陽光下、經受風霜雨雪難免污濁，美觀起見需要定期對樓宇玻璃外墻進行清洗。目前高樓外墻的清潔仍由“蜘蛛人”上墻或搭乘纜車清洗，對工人而言，長時間高空作業不僅危險，而且效率低。另一方面，從事一線清潔的工人年齡處于40～55 歲之間，30 歲以下青年人鮮有從事這一職業。若干年后，將面臨清潔行業人力短缺。為解決以上問題，樓宇清潔行業迫切需要一款清洗效果好、安全可靠、智能高效的玻璃外墻清洗機[1]。

1 整體思路設計

玻璃外墻清洗機主要由升降機構、清洗平臺、配重系統三大獨立的部分組成[2]，玻璃外墻清洗機整體思路設計如圖1 所示。卷揚機通過鋼絲繩牽引升降機構，實現清洗平臺在玻璃墻面的豎直方向運動。清洗平臺內部裝有噴淋系統、旋翼和越障輪結構，可分別實現清洗、越障功能。

圖1 玻璃外墻清洗機整體思路設計Fig.1 Overall idea design of glass exterior wall cleaning machine

為減小清洗平臺在百米高空因氣流擾動產生側偏，配重系統由配重小車搭配2 根尼龍繩可有效解決上述影響。清洗機總體以交流電源形式供電，擺脫對蓄電池續航安全和續航能力的困擾。由輸電管和輸水管組成的水電集合管為了防止因牽引力過大出現管壁撕裂，不與鋼絲繩集成，獨立從升降機構的頂端圓環處接入,沿玻璃外墻面直下，至清洗平臺的左側面進入平臺內部。此外，清洗機上方安裝有監視功能的探頭，操作員可全天時監控清洗機的工作姿態以及清洗工況。

2 整體的結構設計

2.1 升降機構

清洗平臺在玻璃墻面上下移動是依靠升降機構鋼絲繩牽引實現的[3]。如圖2 所示。卷揚機作為升降機構的主要單元，為清洗平臺在豎直方向的運動提供動力支撐。升降機構的底部安裝有自鎖結構的萬向輪，可在樓宇陽臺的鋪設面上實現水平橫移。清洗平臺的水平橫移依靠升降機構和配重小車的主動橫移，配合鋼絲繩的牽引以及2 根軟導軌的固定作用完成清洗平臺的被動橫移[4]。

圖2 清洗平臺豎直及水平移動Fig.2 Vertical and horizontal movement of cleaning platform

2.2 清洗平臺

玻璃外墻清洗平臺內部主要由清洗單元和越障單元組成。

清洗單元中，遠程控制端以電信號傳輸的方式將配置好濃度的清潔劑由平臺內部的清潔劑箱通過液壓泵抽取，依次通過溢流閥、單活塞杠桿和電磁閥，最終以一定的速率從噴嘴中噴向墻面。清水從平臺內部輸出的方式與清潔劑基本相似[5]。在清洗工作中，通過遙控信號，先使清潔劑向外噴灑，達到軟化玻璃表面污漬的作用，在一定的時間間隔后，使用清水對墻面污漬進行全面噴洗，并且遠程控制三盤刷對墻面進行二次刷洗。這種水劑分離及刷洗的結構，一方面發揮出清潔劑本身濃度的最優效果；另一方面經過清水和三盤刷的強力清潔，墻面可以更加潔凈[6]。清洗流程如圖3 所示。

圖3 清洗流程示意圖Fig.3 Cleaning process diagram

清洗機的越障單元由四旋翼結構和雪橇式排輪組成。四旋翼無人機按照定義的前進方向設置成“X”型結構[7]，如圖4 所示。這樣設計的目的是，當4 個旋翼旋轉速度相同時可以抵消每個旋翼產生的扭矩，使作用于清洗平臺的氣流形成的推力作為吸附力，從而實現清洗機器在作業區的有效貼合。四旋翼傾轉無人機技術的動力輸出裝置為2 對相反螺紋座的直流無刷電機，分別通過四電調以單片機閉環系統加以控制[8]。

圖4 旋翼“X”型結構示意圖Fig.4 "X" type structure of rotor

雪橇式排輪的結構是以點式接觸的方式先與墻面突起的障礙物碰觸，再轉由面式滑動移向另一個滾輪，如此重復下去，移至末端的滾輪，即可完成對墻面突起障礙的越障，這種結構使得整個系統智能且高效。圖5 所示為清洗機外觀結構示意圖。

圖5 清洗機外觀結構示意圖Fig.5 Appearance structure of cleaning machine

3 控制系統與視訊監視系統

清洗平臺控制模塊是STM32F103ZE，144 引腳，512 K FLASH 的單片機[9]，其系統內核為32 位的ARM 處理器，主頻72 MHz 工作頻率，在存儲器的0 等待周期訪問時可達1.25 DMips/MHz，其閃存程序儲存器為64 k，擁有37 個快速I/O 端口，所有的I/O 口可以映像到16 個外部中斷，完全適用本智能清洗機的開發。整個系統的控制系統電路圖如圖6 所示。

圖6 整個系統的控制電路圖Fig.6 Control circuit diagram of whole system

整個平臺運行操作中，視訊監視系統相當于人的第3 只眼，可以精確地觀察清洗平臺的工作近景，碰到異常狀態時可及時將信息反饋到手機終端，被操作工人接收。該型攝像頭具備可吸附性、超清像素、內置電池、紅外夜視、移動偵測、循環錄像等多重功能。同時具備150°廣角鏡頭，可有效減少盲區，既可通過4G 網絡，也可連接WiFi，可直接將信號傳遞到手機終端。

整臺機器經過機械加工、安裝調試以及外場測試，驗證了本次設計的清洗機機械系統和控制系統的可行性。圖7 所示為清洗機樣機外場測試圖。

圖7 清洗機樣機外場測試圖Fig.7 Outfield test drawing of cleaning machine prototype

4 結語

通過對城市樓宇外墻面清潔的調查，設計了一種高空玻璃外墻清洗機。提出系統整體方案，對樓頂升降機構和清洗平臺兩大結構展開研究，分別實現了清洗機在外壁面兩個自由度的控制、清洗功能和越障功能。清洗機的控制核心由STM32 單片機控制主路及各個分路，通過機械加工和實驗測試，研制出平臺樣機，并順利完成現場施工。清洗效果驗證了玻璃外墻清洗機的實用性，為后續清潔機的發展提供了一定的技術參考。