西北工业大学

李事坪，薛 栋，王海晨，邹志华，陈润博

1 背景简介

目前，中国建筑面积为500亿平方米，其中幕墙占5%，而中国每年新建幕墙达9 000万平方米。即使以最低收费标准计算，国内的高层外立面清洗市场超100 亿元，市场潜力巨大。随着机器人技术的进步与快速发展，家政服务机器人有望成为继电脑和手机之后大批量进入家庭的消费类电子产品。人工擦洗玻璃（尤其是外窗户面）存在作业困难和较高风险，而大型擦窗机投入成本过高，因此擦窗机器人成为安全经济的选择。国内擦窗机器人产品主要来自于科沃斯和嘉世达两家公司，两家公司的产品功能相似度高，均无法翻越窗户边框，且只能够擦洗单块玻璃，实用性有待增强，竞争优势不明显。

2 作品简介

西北工业大学研究生创新团队设计的可越障擦窗机器人—TaichiRobot，不仅能够紧贴玻璃窗户壁面，实现整块玻璃擦洗，还具备独特的越障能力，可快速高效完成窗户内外玻璃面的擦洗作业。

TaichiRobot的设计主要包括三部分：

（1）整体机械结构的设计，主要难点包括整机越障机构设计、自适应浮动吸盘设计、强度设计；

（2）硬件电路设计，主要包括驱动电机、不间断电源、采集传感器信息、通信电路；

（3）软件编程，实现自动/半自动擦洗功能与自主越障。

技术优势：

（1）TaichiRobot安装了防跌落传感器，能够擦洗无边框玻璃。

（2）TaichiRobot首次实现了越障，能够完整擦洗具有高低落差的玻璃窗。

（3）TaichiRobot具有干擦、湿擦和干湿混合擦三种擦洗模式，工作效率高，擦洗更干净。

（4）TaichiRobot体 积 小（400 mm×200 mm×70 mm），重量轻（≤3.5 kg），耗能少，绿色环保。

3 工作原理

3.1 集负压吸附功能

机器人内部电机抽出吸盘内的空气，实现真空状态，以便机器人牢靠地吸附在多种材质上，如玻璃镜面、大理石、不锈钢表面等，吸附强劲，负压可以达到-30 kPa，载重性能约为自重的2倍。

3.2 擦洗功能

自适应抹布能够适应不同的玻璃面，具有干擦、湿擦和干湿混合擦三种擦洗模式，在机器人前进过程中对脏污进行擦-刮-抹处理，清洁效率高。

3.3 越障功能

采用机械臂辅助抬高越障，两个机器人在擦完一块玻璃后迅速靠近另一块玻璃，其中一个机器人固定，另一个机器人依靠机械臂中的抬升电机缓慢抬升，实现越障。当第一个机器人越障成功并固定在还未擦洗的玻璃上之后，另一个机器人实施越障。该越障技术填补了国内履带式小型擦窗机器人的越障功能空缺。

3.4 防跌落功能

机器人装有防跌落传感器，能够有效感知吸附表面的边缘，尤其在无边框环境下，能够判断边缘位置，防止跌落。此外，TaichiRobot具有防跌落安全扣，可承重约10 kg。

3.5 自动清洁/手动清洁路径

自动清洁模式可自动识别窗户的大小，优化出“Z”字型清洁路径；手动清洁模式下，用户可以通过手机APP端对机器人进行遥控，对部分污染区域进行重点擦洗与清洁。

3.6 紧急报警功能

搭载WiFi无线通信模块。机器人在工作中遇到突然断电的情况时，启动机载备用电源，保证机器人能够停留在安全位置并报警，提醒用户采取措施。

4 创新点

（1）首次实现了可越障擦窗功能；

（2）设计的自适应浮动吸盘可大幅提升机器人越障吸附玻璃成功率；

（3）设计的硅胶密封圈具有较好的柔软度及密封度；

（4）设计的“Z”字形擦洗方式可提高擦洗效率，减小重复擦洗面积；

（5）设计的浮动式擦洗装置可在保证稳定越障吸附玻璃面的同时擦洗玻璃；

（6）设计的电源切换电路，当主电源断电时自动切换至电池供电并报警。

5 市场前景

随着高层建筑的增加，以玻璃壁面为代表的幕墙结构逐渐演绎成华丽的“城市外衣”，同时家庭中的落地窗也逐渐增多，因此衍生出繁重的壁面清洗任务。另一方面，越来越奇特的建筑结构使清洗的难度成倍增加，传统的清洗方法已无法满足需求。

根据实际情况，我们将用户群体分为以下几类：

（1）家庭

由于城市工作压力大，人们在家庭清洁方面能够投入的时间和精力较少，因此他们更容易接受通过智能化的机器人完成繁琐的清洁工作。

（2）物业公司

相比于窗户内壁面，窗户外壁面更容易受到灰尘、雨水的污染，因此窗户外壁面擦洗需求的频率高于窗户内壁面。小区和写字楼的物业更注重环境的整洁，物业公司更倾向于通过方便、经济的方式来完成范围内公共设施的玻璃擦洗作业。

（3）保洁公司

清洁公司在清洗玻璃外墙时只有“蜘蛛人”和大型擦窗机两种方式，“蜘蛛人”擦洗存在着高风险的固有缺陷，而大型擦窗机则存在着投入成本过高的缺点。设计的擦窗机器人拥有投入费用低、受外部环境影响小的优势，完全可以取代旧的擦洗方式完成大部分的擦窗作业。同时，通过擦窗机器人作业可以降低清洁公司的运营成本，降低作业风险。