豎直玻璃幕墻清洗機器人的設計

徐東 楊鳴凱 齊文 陳戈 西南交通大學

豎直玻璃幕墻清洗機器人的設計

徐東 楊鳴凱 齊文 陳戈 西南交通大學

本文介紹了一種多吸盤組交替吸附工作、本體框架式移動并附帶高效清洗裝置的壁面清潔機器人系統，具體闡述了各組成部分的結構和工作原理，并通過實驗對爬壁清洗機器人在玻璃壁面上的行走適應情況以及壁面清洗效果進行了探究。該爬壁清洗機器人具有體積小、重量輕、控制方便、清洗效果好等優點，有較強的市場推廣價值。

真空吸附;爬壁機器人;清洗

引言

目前玻璃幕墻作為高樓外防護結構的現象越來越普遍，為了保證玻璃外觀的整潔美麗，就需要定期對玻璃表面進行清洗，而大部分玻璃幕墻采用人工清洗作業。這種清洗方法是靠升降平臺或吊繩懸掛由人進行玻璃幕墻的清洗，作業方式簡單易行，但效率低且成本高，更重要的是高空環境條件惡劣易引發安全事故。隨著控制和機電技術的發展，壁面清洗機器人應運而生。利用壁面清洗機器人作業將大大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環境，提高勞動生產率，具有相當的社會、經濟意義和廣闊的應用前景。玻璃幕墻爬壁清洗機器人的研制成功，將會實現清洗作業的自動化，給清洗業帶來一次新的革命。

1、機體總體方案設計

為實現高空自動清洗作業，機器人首先必須具有在壁面上吸附和移動功能，此外還應該有相應的清洗作業功能、控制功能、污水回收功能以及高壓氣體、水等的供應功能。所以壁面清洗機器人系統應包括機器人本體、控制系統、清洗系統、供應保障系統四大部分。

1）機器人本體主要包括吸附和移動兩大部分

吸附部分，通過空壓機產生高壓氣體，由真空發生器產生真空負壓，使機器人本體安全可靠地吸附在工作壁面上。

移動部分，通過兩個雙作用氣缸的伸縮分別實現橫向與縱向的移動。

2）控制系統的主要任務是通過單片機控制機器人在壁面上的作業。它主要由電源、單片機、繼電器構成。控制系統設計遵循可靠、小型、輕量、便于維護的原則，直接安裝在機器人本體上。

3）清洗系統的主要任務是清洗壁面，同時還要做到廢水的回收。主要實現過程是噴淋壁面、滾刷清洗、雨刷收集污水，然后污水通過回水管道回收，從而達到清洗壁面和廢水回收的目的。

4）供應保障系統主要實現氣、水等的供應。主要由空壓機、水泵等組成。它們由專門的管路送至機器人本體，保證機器人正常作業。

在總結和借鑒國內外各種壁面移動機構和清洗裝置的基礎上，我們設計了一種多吸盤組交替吸附工作、本體框架式移動并附帶高效清洗裝置的壁面清潔機器人系統，并制作了實物。

爬壁清洗機器人整體設計參數：

機器人總長為800mm，總寬為700mm，總高為230mm。總重量為18KG，行程175mm。

2 爬壁清洗機器人基本結構及工作原理

2.1 爬壁清洗機器人行走部分基本結構及工作原理

機器人采用兩個伸縮氣缸呈十字形交叉型，分別固定到中間連接板，行走時進行上下和左右移動，該機器人利用四個吸盤組產生的吸力緊貼玻璃。機器人的尾部連接清洗裝置，清洗裝置由滾刷和雨刷組成，滾刷由一個電機驅動進行清洗工作。雨刷安裝在清洗裝置底部的四周，使清洗裝置貼住玻璃時密閉不漏水，同時也有一定的清洗作用。

圖1 爬壁清洗機器人行走部分

爬壁清洗機器人行走工作原理

機器人的行走部分中氣缸a和氣缸b由中間連接板連接，使其構成一個整體，完成十字交叉行走，吸盤組2和吸盤組3一起動作，吸盤組1和吸盤組4一起動作，分別連接在兩個氣缸的兩邊，每組吸盤由三個吸盤組成，每組吸盤均帶有雙作用氣缸，在機器人行走時使吸盤組抬起或落下，以達到緊貼玻璃或越障的功能。

機器人向上運動時，吸盤組2，3吸附，吸盤組1，4在起升氣缸作用下抬起，并觸碰到行程開關，使氣缸a收縮，從而帶動中部連接板及氣缸b向上運動；當氣缸a活塞桿觸碰到行程開關時，吸盤組1，4的起升氣缸伸出，同時觸碰到行程開關，開始延時，兩吸盤組吸附后緊貼在玻璃上，延時結束后自動關閉吸盤2，3的供氣管，同時使吸盤2，3的起升氣缸抬起，并觸碰到行程開關，氣缸a伸出，帶動中部連接板及氣缸b向上運動。此過程為機器人向上運動的一個周期，向其余三個方向的行走原理同向上行走一樣。

2.2 爬壁清洗機器人清洗部分基本結構及工作原理

帶清洗部分的機器人結構簡圖如下：

圖2

1.清洗部分與中間連接板的連接桿2.清洗部分連接板3.起升氣缸 4.清洗密封裝置 5.電機

爬壁清洗機器人清洗部分工作原理：

機器人清洗玻璃時，滾刷由電機帶動旋轉以達到清洗玻璃的目的。清洗裝置內連有噴水管和污水回收管，水泵啟動，噴嘴向壁面噴水，清洗電機帶動滾刷開始清洗壁面。當前方遇到障礙物時，水泵停止供水，清洗裝置在雙作用氣缸的作用下抬起，以達到越障的功能。清洗密封裝置由角鋁制作成構架，四周貼裝修用塑料板，密封裝置四周安裝雨刷。雙作用氣缸有兩個作用，第一，遇障時抬起清洗裝置，第二，清洗時使清洗裝置貼住玻璃并提供一定的預緊力，使雨刷緊貼玻璃壁面，防止清洗裝置漏水。

2.3 機器人控制模塊和檢測模塊

考慮到城市的玻璃墻面比較高，機器人采用無線遙控。有兩種控制模式，第一種是手動模式，在該模式下，機器人每移動一步都需要遙控器發出指令。第二種模式是自動模式，在該模式下，操作者可以預先設定機器人的運動軌跡，機器人可以在預先設定的軌跡上自動清洗。同時，在上述任何一種模式下，為了防止意外，遙控器隨時可以控制機器人緊急停車。

為了幫助操作人員更好地確定玻璃墻面的清潔程度，機器人的頭部和尾部分別安裝了一個攝像頭，畫面可以通過無線模塊傳輸到地面的顯示器上顯示出來。

3 實驗結論及前景分析

根據爬壁清洗機器人的設計思路，我們首先運用了軟件建立了機器人的三維模型，并進行了運動仿真分析，分析結果與理論計算結果存在一定差異。最后在實驗室按照1:1進行了機器人的制作。完成制作后，對爬壁清洗機器人進行了實驗調試，對機器人在玻璃壁面上的行走適應情況和壁面清洗效果進行了探究與驗證。實驗中分別對行進速度、吸附力冗余量、單位時間內清洗有效面積以及越障高度等進行了測量與計算。實驗結果表明，該爬壁清洗機器人在豎直玻璃壁面上行走穩定，吸附力仍有較大冗余，清洗效果好，并具備一定的越障能力，對壁面具有較強的適應能力。

相信隨著人們對高空清洗研究的深入和機器人高空作業技術的不斷發展，爬壁清洗機器人作為高空人工清洗作業的替代，必將具有廣闊的市場前景和巨大的實用價值。

[1] 王巍，曹彤. 一種輕型玻璃幕墻清洗機器人模型的研究[B]. 液壓與氣動.2006；01：17-19

[2] 胡啟寶. 多吸盤式玻璃幕墻清洗機器人本體設計. 上海交通大學碩士論文. 2007

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.108

徐東，男，1990-07-24，西南交通大學機械工程學院，專業：機械設計制造及其自動化，研究方向：工程機械驅動與控制。