幕墙清洁机器人分析与设计

2019-07-22陈曦李森陈释文

山东工业技术 2019年19期

陈曦李森陈释文

摘要：传统人工清洁建筑幕墙不仅会耗费大量的人力，而且还存在着巨大的潜在危险，需要设计出合理的幕墙清洁机器人来解决这一系列问题。目前，幕墙清洁机器人技术距离市场应用还有差距。本文对现有幕墙清洁机器人进行分析，总结常见类型及结构特点，提出幕墙清洁机器人的设计原则，以期对幕墙清洁机器人设计提供参考。

关键词：幕墙清洁;设计;机器人;结构

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.19.122

1 背景介绍

现代城市建筑中，幕墙大量使用，中国建筑面积约为500亿平米，幕墙占比约为5%，每年新建幕墙约为9000万平方米。与此同时由于空气中的灰尘等多方面因素的影响，出现了幕墙清洁的问题。现有的社会条件下，由于技术条件的限制，大多数幕墙清洁都是采用人工清洁的方式，主要依赖人工清洁方式：除了常见的蜘蛛人一人一绳一板一桶的常见方式;还有通过升降平台、吊篮等工具承载清洁工清洗，效率低、劳动强度大、危险性高，第二种作业成本高，存在人身安全隐患。

随着技术的发展以及以人为本的理念的意识逐渐增强，未来需要安全高效的解决高空幕墙清洗的清洁机器人。从现有市场状况看，目前的清洁机器人研究成果还不够成熟，其原因包括设计的可靠性、功能实现、生产成本等因素。

2 现有清洁机器人的运动机构

目前清洁机器人的运动机构常见有以下几种：（1）仿生蜘蛛爬行机构[1]，爬行过程中多个爬行机构共同作用，复杂度很高，会极大的增加生产成本，同时降低了可靠性。（2）履带吸盘式爬行机构[2]，比较稳定，但对墙体有一定的破坏性。（3）滚轮吸盘爬行机构，灵活性最高，但稳定性差。

最早在20世纪60年代的时候，世界上第一台墙壁表面清洗机器人被日本最早研究出来，在日本之后，美国、以色列、德国等国家也开始了对墙壁清洁机器人的研究工作，并取得了相应的进展。2016年成立于美国波士顿的一家幕墙清洁公司R storm technology设计研发出第一代22足幕墙清洁机器人，其清洗效率能达到9M?/min，并且拥有一定的穿越障碍的能力，其外形为立方体，清洗方式依靠在长度一端设置了清洗滚刷刷毛进行移动刷洗，并且由于采用了蜘蛛脚的仿生设计，使之能跨越不明显的阶梯框架墙面[3-5]。

国内幕墙行业相对较晚，但发展潜力足，国家创新推动着幕墙行业的升级换代。沈阳新松机器人自动化有限公司研制出的玻璃幕墙清洗机器人，其不同于以往的清洗机器人，它并非独立的个体，而是安装在幕墙上的一个基本的组件，通过幕墙上的轨道进行移动，它解决了分队机器人目前还无法突破的障碍，让成本大幅度下降，并且使得结构简化，让安全性得到很大的提升。华蔚第一代高空幕墙清洗机器人，通过机器底部的磁吸附技术，吸附住墙面，可以承受30kg重力，80kg的垂力，不用担心掉落的风险，可以轻松的行走在幕墙表面。同时转弯掉头非常容易，能轻松的跨越障碍物，该机器人外部安装有监测传感器，通过传感器接收到的图像信息来判断墙面是否清洗干净，同时由于其搭载智能控制系统，它能自动规划路径避免重复清洗[3-7]。

3 常见幕墙清洁机器人工作系统

常见幕墙清洁机器人与擦窗机器人原理类似，擦窗机器人是我们平时生活中应用较多的机器，擦窗机器人身体一般装有真空泵或者风机机构，通过它们产生的吸附作用牢牢固定住玻璃表面，并且擦窗机器人拥有人工智能操作系统，能智能处理工作过程中传感器传回的数据，会自动测算墙面面积，和测量墙面边角的距离，并在清洁完成后，会自动寻迹回归初始位置。幕墙清洁相较于窗户清洁难度更高，清洁也相对更加困难，尤其是在高空外墙这种复杂的环境中，因此幕墙清洁机器人一般都会有一个安全装置，防止在高空中突发风险，发生不可预估的后果。

幕墙清洁机器人系统结构一般具有结构支架、清洗机构、爬行机构、监测传感器、控制处理系统这五个部分，当机器工作时，由传感器监测墙面污渍黏附状态，但清洗一次后继续由传感器监测墙面是否清洗干净，如果没有清洗干净，则机器会进行重复清洗，如清洗干净，机器会通过移动机构爬行到下一个未清洗区域进行清洗。在爬行的过程中会由中央传感器自动规划路径，以最优的爬行的方式，最短的爬行距離获取最好的清洗效果。

4 幕墙清洁机器人设计原则

根据以上分析总结得出，幕墙清洁机器人的设计原则主要考虑两个主要方面：（1）单位时间清洁足够大的有效区域，工作效率高，幕墙机器人需要清洁高空大面积区域，所以对其单位时间清洁面积有一定的要求，所以需要设计有效工作面;（2）轻便，幕墙清洁机器人在外部墙体环境工作，使得其续航能力成为产品设计着重需要考虑的因素，轻便使得幕墙清洁机器人能更加方便、更加稳定的地进行工作。这些问题需要在设计的层面上解决。

设计具体涉及以下内容：

（1）色彩选择。由于幕墙清洁机器人长时间工作在高空幕墙环境中，阳光的照射与玻璃墙面的反射光聚集到幕墙清洁机器人装置上，所以需要设计浅色外壳，减少对光的吸收，避免使幕墙清洁机器人装置温度过高，而影响幕墙清洁机器人内部系统。考虑色彩对人的视觉影响问题，使机器人工作时对控制人员的视觉反馈更加明晰。

（2）外部壳体与外观设计。在高空工作环境中，会受到气流的影响，所以设计符合流体动力学的外观，减小空气阻力，避免受到风的影响而造成的危险。在高空工作时，设计简洁的外形，给操作者和观察者带来舒适视觉效果。

（3）安全结构设计与材料选择。机器人在工作状态下要能够稳定的附着于工作区域，所以设计附着于墙面的机构时要求可靠性和稳定性高，同时应设计安全绳索，避免幕墙清洁机器人从高空脱落。基于准确移动和控制的要求，幕墙清洁机器人内部结构，必须要有一定的精度与强度，且内部主要是机械结构，工作时需要考虑其耐久性与材料的疲劳度。其外壳部分相对于内部结构来说一般起到支撑、遮蔽、美观的作用，同时符合空气动力学要求，避免高空气流对机器人产生较大的气流冲击力。以上设计特点要求外壳材料应密度小、比强度高、耐热性好。可使用碳纤维类复合材料。

5 幕墙清洁机器人设计

根据以上问题分析与设计要求，进行幕墙机器人设计，提出主要針对无阶梯幕墙的清洗机器人。具体设计内容如下：

5.1 结构上

分为上下两个支撑部分，连接处采用旋转机构，使工作状态下展开，不工作时旋转收回。同时将外部清洗装置也为可旋转收回。

5.2 仿生爬行机构设计

将毛虫多足的方式简化为“双足”，自然界中的毛虫通过蠕动的方式爬行，其爬行方式可以简化为“前足”与“后足”通过前后足相互递进的方式爬行，在设计上实现“双足”爬行机构能有效简化运动机构。

5.3 造型上

（1）采用曲面造型，尽可能的减少块面与减小机器体积，以达到减少空气阻力的作用，工作时减少迎风面积，降低风阻，保持其整体攀附墙体的稳定性。

（2）主体色彩采用反射光线强的白色，防止机器主体过度吸热。

具体设计如下，图1为主体结构图，图2为工作状态下外观图。

下图（图3）为幕墙清洁机器人从工作前到工作状态的主要流程。

6 结语