用于玻璃幕墻清洗的爬壁機器人的研制

（北京航空航天大學 機器人研究所，北京 100191）

現代城市高樓林立，出于美觀與采光方便的考慮，高樓壁面多采用玻璃幕墻結構，由于常年風吹日曬，玻璃幕墻需經常進行清潔維護。經調查發現，壁面清洗行業存在以下特點：第1，市場需求量大；第2，工作量大、工作強度高、工作環境惡劣；第 3，需要重復進行操作，適合實現作業自動化[1]。目前，高樓的玻璃幕墻大多還是依靠人工進行清洗，然而人工清洗必定會有一定的危險，價格昂貴且效率普遍較低，而且需要重復作業。隨著移動機器人[2-4]技術的進步，機器人已經被越來越多地應用到了實際作業中去。其中爬壁機器人在壁面特種作業中有著廣泛的應用，將其應用于玻璃幕墻的清洗，既可以降低人工操作的危險性，又可以提高玻璃幕墻清洗的效率和智能化水平。

本論文結合國內外爬壁機器人結構設計和玻璃幕墻清洗技術的研究成果，設計了一種用于玻璃幕墻清洗的并且可跨越10～15 mm溝槽的雙腔體負壓爬壁機器人。該機器人能夠在玻璃壁面上自由行走并通過前端安裝的清洗機構對玻璃進行噴水清洗作業。目前已開發完成了清洗機器人樣機，并通過樣機實驗和性能分析驗證了將爬壁機器人作為玻璃幕墻清洗作業的可行性與合理性。

1 總體方案介紹

爬壁機器人必須具備吸附和移動2個基本功能。吸附方式可分為負壓吸附、磁吸附、靜電吸附、特種吸附等。移動方式有輪式、十字框架式、履帶式和步足式等。對于本文研究的爬壁機器人來說，由于其作業環境為光滑的幕墻玻璃，并且要求機器人的體積和質量不能過大，同時要求機器人移動靈活、操作簡單，還有考慮到機器人要能夠跨過幕墻玻璃間的凹槽，因此機器人整體設計時采用了雙腔體負壓吸附方式以及輪式移動方式。

考慮到機器人清洗機構原理與清洗作業的方便性與可行性，當前玻璃清洗機器人的清洗方式主要是刷洗式。該工藝是目前最常用的清洗方法，通過清洗液的溶解與刷子的機械摩擦雙重作用清洗污垢，適用于硬質物品的表面去污。刷洗方式可分為滾筒刷洗式、渦旋刷洗式、移動刷洗式3種[5]。滾筒刷洗式和渦旋刷洗式機械結構較為復雜，并且尺寸以及重量不適合小型清洗機器人。本文借鑒了汽車清洗玻璃的方案，由雨刮電機直接驅動雨刮機構完成清洗作業。此結構簡單安裝方便并且效率較高。同時裝在機器人尾部的刮條可以刮去殘留的液滴來獲得清潔的幕墻玻璃表面。

綜上所述，機器人擦洗高樓玻璃的總體方案設計如圖1所示。

圖1 玻璃幕墻清洗的總體方案Fig.1 General scheme of glass-cleaning

具體工作過程如下：將機器人尾部綁上繩索，另一端固定在高樓樓頂，或者從中間某層窗口伸出繩子和電線，從該層的玻璃窗開始自上向下地進行清洗作業；過程中，樓下的操作者遙控機器人進行清洗作業，通過觀看機器人攝像頭拍攝并回傳到Android手機端的視頻圖像來判斷玻璃的清洗狀況，并適時操控機器人行走、噴水以及清洗動作；清洗作業時，機器人從上到下依次清洗。清洗完一列玻璃之后，再從上到下依次清洗第二列玻璃。這種從上到下的清洗方式與從下到上的清洗方式對比，避免了污水倒流造成對已清洗完玻璃的污染，同時也避免了機器人在吸附的玻璃面轉彎等危險且耗時的多余動作，提高了機器人清洗的效率和操作安全系數。

2 機器人結構設計

玻璃清洗機器人的機械系統主要由底盤結構、移動模塊、風機吸附模塊、清洗模塊和視頻監控模塊5部分組成，清洗機器人的整體結構裝配如圖2所示。

圖2 機器人整體裝配Fig.2 Assenmbly drawing of the robot

2.1 底盤結構模塊

負壓式爬壁機器人整體設計時，自身重量是必須要考慮的關鍵因素，包括零部件選型時重量參數也是重要參考指標；因為機器人吸附在玻璃移動時，必須要依靠玻璃面的摩擦力來抵消自身重力才能保持平衡避免跌落，產生摩擦力所需的正壓力需通過風機旋轉產生的負壓來提供。重力越大所需平衡的摩擦力也越大，同時風機轉速也越大，從而造成機器人功耗的提高以及噪音分貝的加大。這點將在后面吸附模塊時再詳細闡述，在此不做贅述。

為減輕機器人的整體重量，機器人的底盤選用高強度低密度的ABS材料，并采用最新的3D打印技術來加工。相比傳統的機加工，3D打印技術提高了精度的同時，也降低了加工難度，能夠輕松達到傳統機加工很難完成甚至根本完不成的加工需求，并且也降低了成本。

為了提高機器人的便攜性以及降低加工難度，底盤采用模塊化組裝的思想，通過前后2個底盤模塊拼接組成，連接處做成了類似燕尾槽結構的插裝結構，方便連接。同時通過鎂鋁合金連接板，把前后2個模塊連接起來，增加了整體結構的剛度。

2.2 移動模塊

清洗機器人采用輪式移動機構，分別由2個12 V直流伺服電機驅動2個主動輪，并通過同步帶將運動動力傳遞給2個被動輪系使得4個輪子都為驅動輪，保證了機器人擁有足夠的驅動力來克服自身重力和所受摩擦力，能夠在玻璃面移動并且完成清洗作業。電機減速器輸出軸通過剛性聯軸器和輪子相連，輪子由輪轂、輪套、同步帶輪，主動軸輪系組成。

爬壁機器人的抗傾覆性是很重要的一個參數，它決定了機器人能否在玻璃面上安全平穩的吸附。機器人的清洗工作路線是在玻璃面上從上到下依次擦洗，取此時的機器人勻速向下行走時的受力如圖3所示。雨刮和電機軸固定處有彈簧使雨刮壓緊玻璃面，同時雨刮受到玻璃面的反作用力F1。機器人風機產生負壓，從而依靠大氣壓把機器人壓緊在玻璃上，Fp1和Fp2分別為2個風機產生的負壓產生的壓力，N1和N2分別為玻璃面給機器人輪子的正壓力，f1和f2分別為機器人吸附在玻璃面上時輪子所受的摩擦力。F2為機器人所受安全繩的拉力，實際清洗工作時會用到，此時受力分析時暫且不考慮F2。機器人重力為G，作用在機器人重心O處。L1和L2分別為所受大氣壓力距離輪子支點的距離。L0為Fp1和Fp2之間的距離。Lf為清洗位置距離機器人底盤前端的距離。Na為作用在密封圈上的等效支持力的合力。機器人的重心相對于玻璃面的高度為h，如圖3所示。

以z為支點，機器人的傾覆力矩為

圖3 吸附時受力Fig.3 Absorbing analysis graph

其中，Mz為以z為支點時，機器人的受力矩之和。如果Mz≥0，則機器人能夠吸附在玻璃上，且Mz值越大，則機器人吸附性能越好。在下文的樣機實驗階段中，沒有用安全繩的情況下，機器人可以平穩地吸附在壁面上，驗證公式的正確性。同時，由公式可知，降低機器人的重心可以顯著提高抗傾覆力矩；同時減小機器人前后輪子的間距，也可以增大Mz的值，從而增加機器人吸附的安全性。

2.3 吸附模塊

吸附模塊選用外轉子直流無刷電機作為動力源，電機帶動徑流式離心葉輪旋轉作為負壓發生裝置，葉輪旋轉時通過導流罩，把密閉腔體中的空氣抽出從而形成負壓使機器人吸附在墻面上。無刷電機由電調驅動，通過頻率20 kHz的PWM波可以方便地控制電調進而調節無刷電機轉速。

機器人的清洗模塊主要由清洗機構和噴水電機組成。考慮到爬壁機器人的輕量化設計原則，清洗機構不能復雜并且結構尺寸不能太大，否則不適用于小型機。因此清洗裝置采用類似于汽車玻璃窗清洗的機構，由雨刮電機軸帶動雨刮裝置進行周期性的擺動來擦洗玻璃面。同時噴水電機間歇性的噴出清洗液，乳化分解玻璃面雜質，提高擦洗質量。最后安裝在機器人尾部的刮條刮去輪胎印痕和雜質污水，提高機器人清洗效率。

由于是第一代樣機，沒有為機器人開發圖像識別功能，因此清洗效果判斷只能通過機器人前端的攝像頭拍攝視頻，然后實時回傳給手機端的遙控操作人員進行甄別。攝像頭是720P高清鏡頭，并且自帶夜視儀，內置麥克風，模塊通過USB2.0接口連接無線模塊，無線模塊通過無線網絡WiFi信號和Android手機建立通信。通信連接傳輸方式是TCP/IP協議。具體情況，后面控制部分會做詳細說明，此處不再贅述。

3 控制系統設計

清洗機器人的控制系統分為Android上位機客戶端程序和下位機STM32單片機程序，上下位機之間通過無線WiFi模塊建立通訊關系。

機器人的整體控制系統結構框圖如圖4所示。機器人的控制流程可描述為操作人員通過Android手機的人機交互界面輸入控制指令，指令按照WiFi通訊協議打包，通過無線WiFi傳送至機器人的無線模塊，無線模塊內刷有Openwrt路由系統，按照通訊協議對發送的指令進行解析，然后數據通過串口和STM32單片機串口相連，最后單片機程序解析出每幀字節的協議，實現對風機、舵機以及行走電機的控制。

圖4 控制系統結構Fig.4 Structure diagram of control system

在清洗裝置的左右運動極限位置安裝有光電開關，在清洗裝置運動到靠近極限位置時，光電開關就會產生信號，通知單片機改變電機轉向。

上位機程序采用Eclipse軟件開發，本程序可運行在基于Android 4.4版本的錘子手機Smartisan OS 2.0系統下；界面劃分為運動方向控制、速度指示、網絡連接狀態指示、清洗動作控制、風機控制以及舵機控制等幾個功能區域，并具有拍照保存在本地的功能。

下位機控制板采用了時下非常流行的ST公司的STM32F103主控芯片，它是基于ARM內核的32位處理器，主頻達到72 MHz，256 K的片上Flash，64 K的SRAM，4個普通定時器，2個高級定時器，5個USART接口，多達16路的PWM波輸出，資源豐富，完全滿足本項目程序的開發需求。下位機主控程序流程如圖5所示。

4 樣機簡介與測試實驗

清洗機器人的樣機整體參數如表1所示。

清洗機器人在玻璃壁上清洗工作時如圖6所示，機器人可以平穩地吸附在玻璃壁面上，使用Android手機通過無線WiFi和機器人上位機完成通信，機器人接收Android手機指令并完成雨刮的清洗作業。經測試，機器人吸附平穩。在機器人后部加裝安全繩之后，在玻璃壁面上自上而下的運動即可更加安全可靠地完成清洗作業。

圖5 下位機程序流程Fig.5 Flow chart of lower program

表1 機器人樣機參數Tab.1 Parameters of sample robot

圖6 機器人吸附和清洗工作展示Fig.6 Display of working state

另外，當機器人吸附在玻璃面上完成原地轉彎運動實驗中，機器人逆時針轉彎時會產生向下的滑移，這是由于自身重力以及吸附力不足導致的。越溝槽試驗中，所選取的凹槽寬度為15mm。實驗證實，機器人在跨越凹槽的過程中，移動平穩，吸附正常。

5 結語

本文依據高樓玻璃幕墻清洗的需求，提出了一種可組裝的雙體爬壁玻璃清洗機器人的設計方案，并對該設計方案進行了總體結構設計以及控制系統設計，并確定了對具有凹槽玻璃幕墻的清洗方案和路徑規劃。對機器人樣機進行了多項實驗測試，包括吸附實驗、爬行實驗、轉彎實驗以及清洗動作實驗等。經測試實驗表明，該樣機主控系統工作穩定，風機電機功率強勁，機器人吸附穩定，移動以及轉彎方便靈活，可跨過寬度為15 mm左右的凹槽。經過實際玻璃幕墻清洗的實驗，機器人尚存在清洗不夠干凈的問題，等待后期進一步解決。該玻璃清洗機器人作為樣機設計實驗測試，為后期玻璃清洗機器人設計提供了一種思路和借鑒。

[1]楊小彪.高層建筑清洗行業的現狀與市場淺析[J].洗凈技術，2003（3）：46-48.

[2]付宜利，李志海.爬壁機器人的研究進展[J].機械設計，2008（4）：1-5.

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