“高空清道夫”智能機器人的研究和應用分析

劉海波+周璇+許曉春

摘 要：隨著經濟高速發展，越來越多擁有玻璃幕墻的高樓大廈出現了，從而帶來的是如何清潔玻璃幕墻的問題。而市場上現有的清潔方式安全系數低、成本高昂，所以該文旨在利用現有的清潔機器人技術，將多個清潔機器人組成陣列，并使用PC機、PLC技術進行實時監控及行動路線的控制，使之具有高效、安全、廉價的特點。

關鍵詞：高空玻璃幕墻 清潔機器人 PLC

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）12（b）-0002-02

近年來，由于改革開放的深入貫徹落實，國內經濟飛速發展，城市里的高層建筑越來越多，各種各樣的摩天大樓成為現代都市中一道美麗的風景。而玻璃幕墻由于具有采光性好、隔音隔熱、保溫防潮、抗風壓強度大以及實用美觀等優點，在高層建筑的外墻建設中被廣泛使用。但是美中不足的是外墻玻璃容易沾染上水漬、粉塵或者其他污垢。為了保證建筑外觀的整潔美麗，需要定期對玻璃壁面進行清洗，以美化市容市貌。特別是在很多城市先后推出政策規定每年必須對玻璃幕墻進行清潔后，如何安全高效的對玻璃幕墻進行清潔的問題越來越引人矚目。

1 發展前景

目前高層建筑玻璃幕墻的清洗方法主要有兩種，一種是依靠升降平臺吊籃承載清潔工進行玻璃幕墻的清洗，雖簡便易行，但是勞動強度大，工作效率又低，屬于高空極限作業，對人身安全及玻璃壁面都有很大的危險性。

另一種是用安裝在樓頂的軌道及吊索系統將擦窗機對準窗戶進行自動擦洗。這種方式初次投資成本較高（高達數百萬元），并且要求必須在建筑物設計之初就要考慮擦窗系統，因而不能后期添加，此系統的弊端限制了其使用。

玻璃幕墻一般面積較大，大多處于幾十米甚至上百米的高處，并且周圍無可攀援的支架，這就使得高空對玻璃幕墻的清洗成為一項繁重、危險、耗資的工作。如果用人去清洗，花費高、不安全。再加上目前一些國家和地區已經通過立法對包括擦窗作業在內的人工高空攀爬進行了限制，尋找一種能夠代替人，而又有一定靈活性和適用性的自動機器來完成清潔迫在眉睫。高層建筑清洗機器人正是在這種背景下應運而生。它的出現將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環境，提高生產效率，也必將極大地推動清洗業的發展，帶來相當的社會效益、經濟效益。因此，國內外多家研究機構都在積極開展此項研究工作。

2 相關產品分析

在國際上，幾年前韓國一家公司發明了一個叫做WINDORO的玻璃清潔機器人，它利用釹磁鐵將兩個機器人分別緊貼在玻璃窗兩面進行清潔，自帶距離感應器和防墜落功能。對面窗掛有墊子的清潔器會跟隨著磁石一并運行的方式。并且安裝了人工智能，可自動識別玻璃窗的厚度和寬度，而設定進行清潔的方法，清潔完了后，會恢復到初始位置。在清潔的時候，機器人會自動定量噴射綠色清潔劑到玻璃窗上，能進一步增強清潔能力。

我國對于壁面移動機器人的研究工作起步較晚，但是發展較快。哈爾濱工業大學機器人研究所特種機器人研究室已研究開發成功負壓吸附和磁吸附兩個系列共5個品種，可對瓷磚和玻璃壁面進行清洗。北京航空航天大學與北京鐵路局合作研制的擦窗機器人樣機，有8個真空吸盤，用于北京西客站玻璃頂棚的清洗。上海科技大學機器人研究所研制的雙足式爬壁機器人，與步行式兩足機器人比較，結構較為簡單。最近，北京航空航天大學將推進型壁面機器人附著于壁面上。但機器人本身不具有自主移動的功能，由裝在樓頂的纜車通過纜繩拉動機器人上下移動，其移動機構不帶動力，僅為四只導向輪，結構極其簡單。

3 “高樓清道夫”技術分析

我們不妨假想一下，上述這些都是單個的機器人，如果將這些機器人投入實際應用，一幢十多層的高樓，使用這樣一個機器人需要多長時間才能清理干凈，并且現行的機器人的耗電量大，工作到一半出現損壞、關機的情況比比皆是，知道實際運行的問題所在，我們試圖找出一種更優化的方案來清潔玻璃幕墻。

筆者提出的這項方案“高樓清道夫”主要是在現有玻璃墻清潔機器人的基礎上進行改進，使之兼具體積小、重量更輕、吸附力強、清潔速度快、效率更高、操作簡單、成本低的優點。

高樓清道夫主要是一組墻面清潔機器人陣列（根據實際清潔面積決定機器人個數），且清潔機器人陣列利用現場總線技術組成一個工業控制網絡。此系統能夠完成高樓墻面自動清潔，雙向同時作業，并通過PC機和PLC對每個機器人的清潔過程進行實時監控。在PC機中完成對機器人運動控制運算、信息存儲、狀態可視化處理、對PLC發出一系列命令或對機器人直接發命令，PLC主要完成輸出控制、數據采集、狀態判別及實時傳輸機器人工作狀態，各機器人與PC機、PLC之間通過構建的現場總線網絡進行通訊。每個機器人上裝有GPS可以隨時看機器人的位置，并且可以進行故障檢測、看見異物報警、清潔度檢查評分。機器人清潔過程中出現故障無法工作時啟動冗余控制器使之回到制定位置。

高樓清道夫的設計原理是利用現場總線技術構建一個墻面清潔機器人控制網絡，可以通過PC機或者PLC對每個機器人進行實時監控以及控制，設置冗余機制可以使每個機器人在完成任務后回到起點。此機器人各組成成分由爬行機構、氣動真空模塊等構成。爬行機構由點擊驅動連桿，模仿壁虎的爬行動作。氣動真空模塊由真空器產生真空，是吸盤產生足夠的吸附力，使機器人吸附在玻璃上。擦玻璃模塊由點擊驅動實現擦玻璃動作。底腳自動噴水機構由在接近底腳處的支架根部設置洗滌劑以及水，自動切換水來完成。氣動真空模塊由真空器產生真空，使吸盤產生足夠吸附力，吸附在墻上。擦玻璃模塊由電機驅動，并且可以實現自動噴水。移動模塊如四足動物移動類似，先移動一側，呈之字型移動。還有故障檢測機構、看見異物報警、清潔度檢查評分等機構。實現過程涉及到的技術：機器人結構設計、機器人控制技術、現場總線技術。

4 需要解決的重點問題

4.1 設計問題

對目前常用機器人結構、清洗裝置、安全保險裝置及控制系統進行改進設計，使之體積小、重量輕、吸附力強、清潔速度快、效率更高、操作簡單、成本更低。對清潔機器人利用現場總線技術構建一個工業控制網絡，實現分布式控制。對PC機中的監控界面設計，使之方便操作，獲取信息準確，及時了解各機器人的工作狀態且能進行及時進行故障診斷和報警。實現機器的自動移動和邊際探測，以及水的輸送和回收。

4.2 價格問題

如今的高空清理機器人的價格在幾千元左右，然而這種價格對于普通的家庭來說是不小的負擔。因此如何實現價格的親民化，也是我們需要解決的問題之一。

4.3 突發問題

高樓的幕墻可能過高，因此會導致水壓不夠。且機器人要避免被水淋壞等突發問題。

5 總結

以機器代替手工的科技發展已經成為當今時代發展的趨勢之一。近年來在國內外人工智能科技興起并不斷發展，科技改變了我們的生活，人工智能的手段已經不僅僅局限于大型的制造業，它已經融入了我們生活的每個角落，就像我們所研究的“高空清道夫”智能機器人，它不僅為高空作業帶來了便利和效率，還可以應用于我們家庭生活中。基于人工智能的設計與實現涉及多方面的理論、方法和技術，“高空清道夫”智能機器人還有許多新的問題需要解決，需要在實際應用中不斷積累和完善，還需要做進一步的研究和開發。

參考文獻

[1] 劉淑霞，趙言正，王炎.高樓壁面清洗機器人及相關技術的研究[J].自動化博覽，1999（5）：22-25.

[2] 姚重彬.智能擦玻璃機器人的研究和應用分析[J].科技風，2015（15）：119-120.