摘要：针对高楼玻璃幕墙清洁问题设计了一款高楼玻璃幕墙清洗机器人，该机器人具有以下功能：吸附功能、运动功能、清洗作业功能、越障功能、自主环境感知功能、自主路径规划功能，并做出样机进行相应测试。该款产品能够实现高空玻璃幕墙的清洁任务，适用于当前高空清洗作业的市场化需求。
关键词：清洗机器人；玻璃幕墙；附着技术；绳牵引
1.引言
国内外已经研究了一些用于高楼玻璃幕墙清洗的爬壁机器人模型，但目前都还没有实用。
针对高楼玻璃幕墙的清洗要求和清洗作业的实际情况，在国内外壁面自主移动机器人研究的基础上，设计出一种利用可倾转旋翼控制清洁小车在玻璃表面行走，通过悬挂装置和自主行走楼顶小车连接通过无线通讯实现行走清洗功能的清洗机器人。通过对机器人的设计，使其在高层建筑壁面清洗工作中彻底解放工人的劳动力问题，规避人工高处擦窗的危险。实现自动化、高效率擦窗，以解决高楼玻璃幕墙难题。
2.方案设计
2.1 机器人系统整体设计
清洁机器人主要面对高楼玻璃幕墙，现在全玻璃幕墙、半隐框玻璃幕墙以及内部点支撑玻璃幕墙由于外观美观，使用率越来越高。针对此类玻璃幕墙的清洗，该机器人由楼顶小车、清洁小车组成，楼顶小车通过安全悬挂装置负责清洁路线的自主规划和机器人整体的安全性，采用可调节卡槽结构，可用于不同厚度楼台；清洁小车主要负责清洁高楼玻璃幕墙，利用可倾转旋翼控制清洁小车在玻璃表面行走，通过橡胶刮和高压水射流配合完成清洗作业。机器人系统包括运动系统，清洁系统，控制系统，系统结构简图如图1所示,机器人整体三维模型及运动状态模拟如图2所示。
图1 机器人系统结构简图 图2 三维模型及运动状态模拟
2.2 运动系统设计
运动系统由三部分组成，分为楼顶小车、清洁小车和悬挂装置。
楼顶小车采用4轮独立驱动小车，在待清洁的玻璃幕墙楼顶楼台上进行自动行走，具有自主避障功能，实现自动控制来回往复移动。采用4轮独立驱动，可以实现较大的转矩，当楼台具有一定坡度时可以正常行走。小车上安装有可调节卡槽结构，根据滑槽原理，利用卡槽保证楼顶小车在楼台可靠行走，防止坠落。
清洁小车采用两个无刷电机作为动力装置，电机带动旋翼产生压力，使清洁小车压附在玻璃表面。在旋翼底座旁安装有舵机控制旋翼倾斜用于控制旋翼所提供推力的方向，当舵机转过一定角度时，其产生的大气流对小车的推力会产生一个分力，由这个分力来提供清洁小车行走的驱动力，使得清洁小车可以实现在玻璃幕墙上的运动功能。
楼顶小车和清洁小车通过安全绳索连接，在楼顶小车上设置有步进电机控制的绳索收放装置，采用安全绳索除了承受清洁小车的自重，起安全保护作用外还起到清洁小车自主规划路线的作用采用无线通讯。两车之间通过无线通讯进行信息传递，互相协调实现运动。
2.3控制系统设计
控制系统分为楼顶小车控制、清洁小车控制、远程通讯三大模块。如图3所示。
楼顶小车和清洁小车采用基于zigbee的远程通讯模块，实现楼顶小车和清洁小车的指令传输。楼顶小车采用stm32作为主控板，利用超声波实现自主避障，并安装有旋转编码器，检测移动速度，根据运动情况通过zigbee发送信息。清洁小车采用arduino作为主控板，根据Zigbee模块采集的信息调节舵机转动角度，输出pwm信号通过电调控制旋翼进而控制推力大小。
图3 控制系统功能图
2.4清洁系统设计
清洁系统由两个具有自动收放功能的橡胶刮和一个高压水射流喷头组成。通过一个高度和角度均可调节的高压喷头产生高压水射流斜向冲击玻璃表面，起到强力去污的作用。同时使用清洁小车前后两个橡胶刮进行刮擦，清洁小车带动橡胶刮往复运动完成对清洗区域的进一步清洗。
3.结论
国内外高层幕墙玻璃的清洗机器装置大多比较昂贵、沉重、结构复杂，性价比低。本文针对此现状研制了一种旋翼式的清洗擦窗机器人应用于高层玻璃上。此机器人机构简单，重量轻，清洗作业效率高，稳定控制性能好。通过试验测试证明该设计方案符合高层玻璃的清洗作业性能要求，且该机器人的自动化程度较高，成本低，达到了预期的设计效果。
参考文献
[1]张兆君,颜宁，宗光华.壁面吊挂清洗机器人真空吸附力和牵引力设计研究.北京航空航天大学机器人研究所,2005.01.12
[2]贾强.玻璃幕墙清洁机器人的模态分析及优化设计.北京理工大学，TH112
[3]唐伯雁.自攀爬幕墙清洗机器人机械结构的设计与研究.北京工业大学，TP242
基金资助：大学生创新创业基金（G201710702021），西安工业大学大学生创新专项经费资助
论文作者:周公延,张航飞,赵鹏飞,王港,李文杰
论文发表刊物:《基层建设》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/20
标签：小车论文; 清洁论文; 机器人论文; 楼顶论文; 玻璃幕墙论文; 功能论文; 作业论文; 《基层建设》2017年第26期论文;