孙浩铭 贺可涛 郭辉 薛凯峰

【摘 要】目前，玻璃幕墙普遍采取人工清洁方式，清洁成本高、危险系数大、清洁效率低，因此这需要使用爬壁机器人代替人进行作业。综上，本文介绍一种高效率的越障幕墙清洁机器人。这种幕墙越障清洁机器人包括机器人主框架，控制系统，检测系统，运动系统，卷扬机辅助系统，图传系统，清洁系统和污水收集处理系统，最终实现对玻璃幕墙的清理。

【关键词】玻璃幕墙清理;智能避障;STM32单片机

中图分类号： TP242 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）23-0023-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.009

0 前言

有数据显示，目前中国建筑面积为500亿平方米，其中幕墙建筑面积占5%，每年新建幕墙达9000万平方米。国内的幕墙清洗市场规模在百亿以上。这个有百亿规模的市场，却一直主要依赖三种清洁方式：

（1）常见的“蜘蛛人“一人，一绳，一板，一桶的常见方式。

（2）通过升降平台、吊篮等工具承载清洁工清洗。

（3）楼顶吊索轨道系统将插窗机对准窗户进行清洁。

前两种效率低、劳动强度大、危险性高，第二种作业成本高;第三种初期投入高，还需要在建设时就将擦窗系统考虑在内，因此并不现实。目前市面上最常见的是“蜘蛛人”人工清洗。高空幕墙清洁行业的从业者被称为“蜘蛛人”，属于高空作业，是高风险的职业。有媒体报道，我国每年都有数以万计的高空作业事故发生，其中死亡率高达80%以上。所以，机器人清洗代替人工清洗成为趋势。

1 玻璃幕墙清洁机器人的主要结构和功能

本幕墙越障清洁机器人主要包括机器人主框架，控制系统，检测系统，运动系统，卷扬机辅助系统，图传系统，清洁系统和污水收集处理系统。

主框架是其他系统的搭载主体。

控制系统是整个机器的控制中心，利用单片机内存储的程序对检测系统，运动系统，卷扬机辅助系统，清洁系统和污水处理系统进行控制。使机器人具有手动控制清洁和自动清洁两种模式。手动控制清洁模式为工作人员根据图传系统传输回地面的墙壁实时图像，进行操控机器人对墙壁进行清洁;自动清洁模式为在单片机中写入指定路线的程序，机器人按照指定路线清理墙壁。

检测系统主要由传感器组成，位于机器人前端，负责检测楼体的边缘，将信号传给控制中心，控制中心控制运动系统改变前进线路，防止机器人掉落。

运动系统主要由涵道，电机和车轮组成，涵道将机器人吸附在墙上，电机带动车轮旋转使得机器人运动。

卷扬机辅助系统包括外框架、电动绞盘、滑轨、丝杠连杆A、滑块--、滑块二、绳索、水管、导线和定滑轮，所述滑轨、丝杠和连杆A均设置在外框架上，电动绞盘与滑轨上的滑块一相连，定滑轮与连杆A上的滑块二相连，缠绕在电动绞盘的钢丝绳绕过定滑轮与机器人主框架相连。

图传系统主要由图传摄像头，图传接收机，图传发射机和显示屏组成。图传摄像头安装在机器人头部，下部安装舵机辅助摄像头上下左右转动。图传发射机位于机器人上与摄像头相连，将摄像头拍摄的画面转化成电磁波信号为无线传输给图传接收机。图传接收机位于地面，接收发射机无线传输过来的电磁波信号有线传输个显示屏。显示屏也位于地面，与接收机相连接收接收机传过来的信号转化成图像信息。整个系统各部分配合运行完成将摄像头所拍摄的图像远距离传输在显示屏上的功能。

清洁系统包括喷射装置、滚擦装置和刮擦装置。喷射装置设置在机器人主框架的上端，滚擦装置和 刮擦装置与纯机械自适应越障装置相连。喷射装置包括高压喷头、皂液泵、管道混合器、高压离心泵和浓缩清洁液，各部件通过橡胶软管相连，皂液泵将浓缩清洁剂泵入管道混合器，与水混合，混合后的清洁液经高压离心泵从高压喷头处泵向墙面。滚擦装置包括遮挡装置、传动装置与滚刷装置，遮挡装置设置在滚刷装置的上方，传动装置与滚刷装置连接，传动装置由控制系统控制带动滚刷装置转动。刮擦装置为 “V”字型刮板， “V”字型倾角为15度，其下方开有小孔，小孔出水口通过橡胶软管将污水导流至污水收集处理统。

污水收集处理系统包括污水收集装置、液位传感器和微型隔膜水泵。污水收集装置与微型隔膜水泵通过橡胶软管连接，刮擦装置收集的污水在污水收集装置中进行储存，液位传感器设置在污水收集装置内检测污水收集装置的水位，当水位达到预先设定的高度时，微型隔膜水泵将储存的水通过橡胶软管泵入下水道。

纯机械自适应越障装置主要包括放大机构和限位机构。放大机构主要由长短弹簧组成，保证清洁系统时刻紧贴墙面。限位系统用于规范放大机构的运动轨迹。纯机械自适应越障装置与清洁系统连接，控制清洁系统随纯机械自适应越障装置抬起或落下，使清洁系统的清洁面一直贴附于玻璃幕墙。

其大体结构图如图1所示。

2 主要创新点

此机器人的优势在于以下几点：

（1）不仅仅局限于清洁玻璃幕墙，其他天然石材幕墙、金属板幕墙、陶瓷幕墙均可清洁。

（2）机器人依靠位于四个角的涵道的强大吸力吸在墙上，因此要比采用磁吸附、真空吸盘等方法使机器人吸附在墙上的机器人要有更大的吸力，载重量更大，更加灵活。

（3）相对于其他机器人的单模式控制，本机器人具有手动控制清洁和自动清洁两种模式。

（4）机器人具有的卷扬机辅助系统，保证了机器人不会坠落，以免发生意外事故。同时，楼顶卷扬机辅助系统可为机器人提供供水和供电，这将为机器人省去很大一部分重量，而且解决了机器人的续航问题。

（5）本机器人上安装的图传系统可以实现地面人员对机器人所处环境的实时监控。

（6）本机器人上安装的的检测装置可以使机器人检测到楼里边缘进而停止前进并完成下一步命令。

（7）本机器人上的清洁系统对墙壁进行清洁，刮铲，污水处理系统对污水进行回收处理。阻尼器与清洁系统连接使用，保证清洁装置可以越过障碍物。

3 结论

本幕墙越障清洁机器人主要包括机器人主框架，控制系统，检测系统，运动系统，卷扬机辅助系统，图传系统，清洁系统和污水收集处理系统。机器人靠涵道的吸力吸在墙上，灵活且具有越障功能。楼顶具有卷扬机辅助系统，卷扬机绳索另一端固定在机器人上，保证了机器人不会坠落还可为机器人供水和供电。机器人上安装的图传系统可以实现地面人员对机器人所处环境的实时监控。机器人上安装的检测装置可以使机器人检测到楼里边缘进而停止前进并完成下一步命令。清洁系统对墙壁进行清洁，刮铲，污水处理系统对污水进行回收处理。纯机械自适应越障装置与清洁系统连接使用，保证清洁装置可以越过障碍物。各系统协调配合运行，具有成本低，效果好，易推广使用等特点。

【参考文献】

[1]梅燕民，彭光正，范伟.气动爬墙机器人[J].液压气动与密封，2002（1）：19-21.

[2]刘淑霞，王炎，徐殿国，等.爬墙机器人技术应用[J].机器人，1999，2.

[3]邵翌鑫.智能仿生玻璃清洁机器人造型设计及功能配置[J].北华大学学报（自然科学版），2016，17（2）：278-280.

[4]王志勇，李松桀.智能爬墻机器人的设计与制作[J].电子技术与软件工程，2016（20）：134-134.

[5]邵浩，赵言正.用于玻璃幕墙清洗作业的爬壁机器人系统[J].制造业自动化，2000，22（2）：6-9.