異形玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

摘" 要：隨著現(xiàn)代城市化的發(fā)展，如今眾多高層建筑都采用了玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，此類建筑需要經(jīng)常性的清潔維護(hù)。目前玻璃幕墻清洗工作大都仍采用人工的方式，僅僅有少量豎直玻璃幕墻清洗機(jī)器人問世。隨著人類社會(huì)發(fā)展的進(jìn)步，人們對(duì)于審美追求也逐漸提高，異形玻璃幕墻的市場(chǎng)份額將會(huì)逐漸增大，但是目前國內(nèi)異形玻璃幕墻清洗機(jī)器人幾乎是一個(gè)空白領(lǐng)域。文章針對(duì)高空玻璃幕墻清洗現(xiàn)狀，提出了一種仿生蜘蛛爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)。采用一足多吸技術(shù)，結(jié)合SLAM和OpenCV輔助控制，使用氣缸控制清洗滾筒伸縮，實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)器人在異形玻璃幕墻的應(yīng)用，更好地解決人工清洗造成的高成本、高危險(xiǎn)性和工程冗雜等問題，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：異形玻璃幕墻;清洗機(jī)器人;一足多吸;SLAM;OpenCV

中圖分類號(hào)：TP242" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2021）13-0102-04

Abstract： With the development of modern urbanization， many high-rise buildings now adopt glass curtain wall structure， such buildings need frequent cleaning and maintenance. At present， most of the glass curtain wall cleaning work is still manual， and only a small number of vertical glass curtain wall cleaning robots come out. With the development of human society， people's pursuit of aesthetics is also gradually improved， and the market share of special-shaped glass curtain wall will gradually increase， but at present， the domestic special-shaped glass curtain wall cleaning robot can almost be said to be a blank field. In this paper， a kind of bionic spider climbing robot structure is proposed according to the current situation of high-altitude glass curtain wall cleaning. Using single-foot multi-suction technology， combined with SLAM and OpenCV auxiliary control， using cylinder to control the expansion of cleaning drum， it is possible to apply the cleaning robot to the profile-shaped glass curtain wall， so as to better solve the problems of high cost， high risk and engineering complexity caused by manual cleaning. It has a very broad application prospect.

Keywords： special-shaped glass curtain wall; Cleaning robot; One foot more suction; SLAM; OpenCV

1 緒論

1.1 研究背景

當(dāng)今社會(huì)，眾多高層建筑都采用了玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，相比磚墻，幕墻質(zhì)輕，能大大減輕樓宇重量，提升城市美觀度。據(jù)調(diào)查顯示，目前中國建筑面積有500億平方米，其中幕墻建筑面積占5%，每年新建幕墻高達(dá)9000萬平方米。國內(nèi)的幕墻清洗市場(chǎng)規(guī)模在百億以上。但如此廣闊的市場(chǎng)，卻一直主要依賴三種清潔方式：（1）“蜘蛛人”一人，一繩，一板，一桶的是最常見的清洗方式。（2）利用升降平臺(tái)、吊籃等工具承載清潔工清洗。（3）樓頂?shù)跛鬈壍老到y(tǒng)將擦窗機(jī)對(duì)準(zhǔn)窗戶進(jìn)行清潔。這幾種清潔方式成本高、安全低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率差;第三種初期投入高，不好實(shí)現(xiàn)。目前市面上最常見的是“蜘蛛人”人工清洗。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國每年都有數(shù)以萬計(jì)的高空作業(yè)事故發(fā)生，其中死亡率甚至高達(dá)80%以上。

異形玻璃幕墻清洗機(jī)器人正是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生。它的出現(xiàn)將極大降低高層建筑的清洗成本，改善人工高空作業(yè)高危險(xiǎn)、高成本的局面，提高生產(chǎn)效率，也將極大地推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。因此，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項(xiàng)研究工作。

1.2 市場(chǎng)分析

過去的幾年中，全球玻璃幕墻的市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)張，銷售市場(chǎng)增長(zhǎng)率超過了8.2%。2019年，結(jié)構(gòu)玻璃幕墻的銷售額已超過290.7百萬平米。2019年，全球結(jié)構(gòu)玻璃幕墻市場(chǎng)規(guī)模為52066百萬美元。有數(shù)據(jù)表明，預(yù)計(jì)在2026年可以達(dá)到84491百萬美元，在預(yù)測(cè)期內(nèi)以7.18%的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。

目前國內(nèi)已經(jīng)出臺(tái)相關(guān)政策，大型建筑物使用到一定年限就必須進(jìn)行清洗。隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)以及人民生活水平的不斷提高，形狀百態(tài)的高層建筑數(shù)量呈“爆發(fā)式”增加，高空保潔也就成為了城市安全和美觀不可缺少的一部分?？萍嫉陌l(fā)展成熟將給高空清洗行業(yè)帶來巨大的變革，也會(huì)成為玻璃幕墻清洗行業(yè)的潮流。因此，玻璃幕墻清洗機(jī)器人擁有很好的應(yīng)用前景。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

異形玻璃幕墻的清洗機(jī)器人包括一多足機(jī)器人，多足機(jī)器人包括殼體1、位于殼體1內(nèi)的控制器，與殼體1連接的數(shù)個(gè)行走腿機(jī)構(gòu)2，且多足機(jī)器人經(jīng)電源線14連接市電，還包括真空吸附機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)、沖洗機(jī)構(gòu)和供水單元（見圖1）。

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

本產(chǎn)品的基礎(chǔ)是清潔機(jī)器人、多足機(jī)器人的結(jié)合，結(jié)合了清潔機(jī)器人的清潔功能、以及多足機(jī)器人的無障礙行走功能。

多足機(jī)器人包括數(shù)個(gè)行走腿機(jī)構(gòu)，能在水平面自由行走和跨越障礙，為了使其在豎直或傾斜的玻璃表面行走，增加了真空吸附機(jī)構(gòu)，通過真空吸附機(jī)構(gòu)和行走腿機(jī)構(gòu)的配合，將行走腿機(jī)構(gòu)吸附在玻璃上，實(shí)現(xiàn)在玻璃上的行走（見圖2）。

2.1.1 吸附行走技術(shù)

當(dāng)需要吸附時(shí)，則氣泵開啟，對(duì)真空倉進(jìn)行抽氣，真空倉連通真空吸盤，從而對(duì)真空吸盤抽真空，使真空吸盤吸附在玻璃上。對(duì)于數(shù)個(gè)行走腿機(jī)構(gòu)，在真空倉連接真空吸盤的每根分氣管上，都設(shè)置了氣閥，氣閥打開時(shí)，主氣管、分氣管均導(dǎo)通，氣泵直接控制真空吸盤。若關(guān)閉某個(gè)氣閥，則該氣閥對(duì)應(yīng)的分氣管不導(dǎo)通，當(dāng)氣泵工作時(shí)，該關(guān)閉的氣閥對(duì)應(yīng)的真空吸盤無法實(shí)現(xiàn)真空吸附，則對(duì)應(yīng)的行走腿機(jī)構(gòu)不會(huì)被吸附在玻璃表面。我們可以通過控制器控制氣泵的開關(guān)、配合行走腿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在玻璃上的行走（見圖3）。

2.1.2 清洗技術(shù)

第一電動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)的第一旋轉(zhuǎn)噴頭位于殼體底部中心，當(dāng)其旋轉(zhuǎn)噴水時(shí)，噴灑范圍是殼體下方。電動(dòng)滾刷兩端通過電動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)連接在殼體兩側(cè)，而電動(dòng)滾刷位于殼體正下方，不清潔時(shí)，電動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)收縮在殼體下方，需要清潔時(shí)，電動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)伸長(zhǎng)至電動(dòng)滾刷與玻璃表面接觸，此時(shí)第一電動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)噴水，電動(dòng)滾刷滾動(dòng)清潔。

2.1.3 沖洗技術(shù)

包括一個(gè)三自由度機(jī)械手和第二電動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)，三自由度機(jī)械手可以在三維空間內(nèi)移動(dòng)，它連接一第二電動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)第二電動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，可以根據(jù)需要對(duì)縫隙、較臟的地方進(jìn)行沖洗。第二電動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)的第二旋轉(zhuǎn)噴頭上套接一第二滾刷，可以在沖洗的同時(shí)進(jìn)行刷洗。

2.1.4 供水技術(shù)

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)了一供水單元位于殼體上方，水在重力作用下經(jīng)第一水管、第二水管進(jìn)入第一電動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)、第二電動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)，并從第一旋轉(zhuǎn)噴頭、第二旋轉(zhuǎn)噴頭噴出。由于第一水管、第二水管上分別設(shè)有第一電動(dòng)閥、第二電動(dòng)閥，可以分別控制清洗機(jī)構(gòu)噴水、沖洗機(jī)構(gòu)噴水、或二者共同噴水。

2.2 技術(shù)創(chuàng)新

2.2.1 SLAM技術(shù)

本機(jī)器人搭載最新的SLAM技術(shù)，在運(yùn)動(dòng)過程中通過不斷重復(fù)觀測(cè)環(huán)境特征，再根據(jù)自身位置構(gòu)建周圍環(huán)境的增量式地圖，從而達(dá)到同時(shí)定位和地圖構(gòu)建的目的，以此來規(guī)劃清洗路線，既節(jié)能又可以提高效率。

2.2.2 OpenCV技術(shù)

我們的產(chǎn)品應(yīng)用OpenCV庫中的機(jī)器視覺識(shí)別算法來處理由外端攝像輸入的圖像反饋到主控板，由主控板發(fā)出指令信息，完成避障以及移動(dòng)。

2.2.3 壓力傳感器和多吸盤的應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)吸附強(qiáng)度精確控制：“凌空”還應(yīng)用了壓力傳感器，給定一個(gè)固定的壓力值，通過壓力傳感器傳輸?shù)膲毫π盘?hào)，經(jīng)過PID算法不斷調(diào)整真空泵功率的大小，形成一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)。如圖4所示。

2.2.4 包絡(luò)追蹤電源

機(jī)器人包絡(luò)追蹤電源電路直接給電機(jī)供電，通過調(diào)節(jié)傳感器反饋端的等效電阻改變電壓輸出，輸出電壓隨傳感器數(shù)據(jù)變化，不斷調(diào)整功率實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)效率可控。

2.2.5 多吸盤的應(yīng)用

吸附能力得到大幅提升：采用一足多吸的設(shè)計(jì)，當(dāng)遇到表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形玻璃，這一性能就表現(xiàn)得極為優(yōu)越了，極大提高了清洗機(jī)器人清洗時(shí)的吸附能力以及容錯(cuò)率。

2.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在于：（1）本產(chǎn)品采用多足機(jī)器人的行走腿機(jī)構(gòu)配合真空吸附機(jī)構(gòu)，使本產(chǎn)品可以在玻璃上移動(dòng)，且能跨越障礙，適用于異形玻璃幕墻。（2）帶有清洗機(jī)構(gòu)，通過控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)第一電動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)和電動(dòng)滾刷的控制配合，實(shí)現(xiàn)邊沖水，邊刷洗。具有水洗功能。（3）帶有沖洗機(jī)構(gòu)，通過控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)三自由度機(jī)械手和第二電動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)的控制配合，可以對(duì)縫隙、角落、頑固污漬區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性沖洗。適合異形玻璃幕墻及有衛(wèi)生死角的玻璃。（4）設(shè)置了攝像機(jī)，攝像機(jī)用于與手機(jī)無線通信，且攝像機(jī)的攝像頭區(qū)域覆蓋清洗機(jī)構(gòu)和沖洗機(jī)構(gòu)的工作區(qū)域，這樣工作人員可通過手機(jī)觀察工作區(qū)域是否干凈，是否存在衛(wèi)生死角。（5）殼體內(nèi)設(shè)有蓄電池和電源選擇開關(guān)，可以在供電時(shí)選擇切換蓄電池和市電供電。例如市電斷電時(shí)立即采用蓄電池供電，避免出現(xiàn)斷電掉落的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 安全保障

脫離了卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)，若氣路系統(tǒng)或者供電系統(tǒng)運(yùn)行異常時(shí)，機(jī)器人足底吸盤可能會(huì)漏氣導(dǎo)致機(jī)器人脫離玻璃幕墻表面而墜落。由于機(jī)器人在高層作業(yè)，其墜落不僅會(huì)導(dǎo)致自身的毀損，還可能砸傷樓下過往的行人，造成一定的人員和財(cái)產(chǎn)損失，因此存在很大的安全隱患。

2.4.1 氣路系統(tǒng)保障

由于機(jī)器人自身有一定的重量，加之電線、水管等的重量，對(duì)機(jī)器人的吸附能力是一個(gè)極大考驗(yàn)。因此本產(chǎn)品設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)急系統(tǒng)，在氣路系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)以提供保障。具體實(shí)施為當(dāng)氣路系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，機(jī)器人三色指示燈亮紅燈，主控板控制所有氣閥關(guān)閉，機(jī)器人四足均處于吸附狀態(tài)，等待操作人員處理故障。

2.4.2 供電系統(tǒng)保障

本產(chǎn)品具有復(fù)雜的電路控制結(jié)構(gòu)，因此一旦供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個(gè)機(jī)器人將處于癱瘓狀態(tài)，機(jī)器人將不可避免的從高空墜落。機(jī)器人將自帶一塊蓄電池作為備用電源，當(dāng)供電端出現(xiàn)故障導(dǎo)致斷電時(shí)，蓄電池將替代供電端作為臨時(shí)電源，同時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急系統(tǒng)。

3 總結(jié)與展望

3.1 全文總結(jié)

本文針對(duì)目前國內(nèi)高空玻璃幕墻的清洗現(xiàn)狀以及異形建筑清洗市場(chǎng)的空白，開發(fā)設(shè)計(jì)出了一種專用于異形玻璃幕墻清洗的爬壁清洗機(jī)器人，該清洗機(jī)器人具有安全性高、重量輕、清洗力度強(qiáng)、結(jié)構(gòu)新穎等特點(diǎn)。

現(xiàn)從以下兩個(gè)方面作以總結(jié)：（1）設(shè)計(jì)出了一個(gè)完整的爬壁清洗機(jī)器人系統(tǒng)。主要包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)框架、關(guān)鍵技術(shù)、安全保障等部分。機(jī)器人采用一足多吸的設(shè)計(jì)，當(dāng)遇到表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的異形玻璃，這一性能就極大提高了清洗機(jī)器人清洗時(shí)的吸附能力以及容錯(cuò)率。此外，應(yīng)用壓力傳感器，給定一個(gè)固定的壓力值，通過壓力傳感器傳輸?shù)膲毫π盘?hào)，經(jīng)過PID算法不斷調(diào)整真空泵功率的大小，形成一個(gè)閉環(huán)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)吸附強(qiáng)度精確控制。（2）結(jié)合SLAM和OpenCV技術(shù)?；跈C(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息更新機(jī)器人當(dāng)前狀態(tài)、基于路標(biāo)信息更新估計(jì)狀態(tài)、在當(dāng)前狀態(tài)中增加新的狀態(tài)，從而解決移動(dòng)機(jī)器人在未知環(huán)境運(yùn)行時(shí)定位導(dǎo)航與地圖構(gòu)建的問題。OpenCV通過對(duì) 360°攝像機(jī)組攝入的圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理，將避障信息傳入主控板，由主控板控制移動(dòng)模塊完成避障，從而達(dá)到避障系統(tǒng)得到優(yōu)化、機(jī)動(dòng)能力得到大幅提升、死角定點(diǎn)清理能力增強(qiáng)、機(jī)器人的可控性增強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

總之，目前異形玻璃幕墻清洗機(jī)器人在我國幾乎沒有展開具體應(yīng)用，國內(nèi)高層建筑仍主要以“吊籃+人工”的方式完成清洗工作。隨著社會(huì)技術(shù)的進(jìn)步，異形建筑高樓在我國未來的數(shù)量也將越來越多。因此，異形玻璃幕墻清洗機(jī)器人有十分廣闊的應(yīng)用前景，研制出一種能真正投入使用的清洗機(jī)器人對(duì)改變我國目前高危險(xiǎn)、高成本、低效率的人工清洗方式十分必要。

3.2 研究展望

在本文的研究成果基礎(chǔ)上，以下內(nèi)容值得我們進(jìn)一步研究：（1）個(gè)性化定制設(shè)計(jì)。根據(jù)不同高層建筑的外觀結(jié)構(gòu)、材料分類等要素，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)專用性，開發(fā)適應(yīng)更多環(huán)境的清洗機(jī)器人，進(jìn)一步提高其通用性及適應(yīng)能力。（2）簡(jiǎn)化機(jī)器人結(jié)構(gòu)、尋找減輕機(jī)器人重量的方法，并提高系統(tǒng)的可維護(hù)性、可操作性與自動(dòng)化程度。（3）開發(fā)適用于不同類型建筑壁面的吸附裝置、移動(dòng)裝置、清洗裝置等，實(shí)現(xiàn)模塊化，從而達(dá)到根據(jù)樓宇壁面具體情況選擇最合適的清洗機(jī)器人。（4）制作出異形玻璃幕墻機(jī)器人樣機(jī)。通過在實(shí)際中的不斷應(yīng)用來發(fā)現(xiàn)弊端，以此改進(jìn)更新，從而使研究成果商品化、市場(chǎng)化。（5）降低成本。不斷提高產(chǎn)品性能，同時(shí)為達(dá)到普及化應(yīng)用，從各個(gè)方面尋找降低成本的方法。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫浩銘，賀可濤，郭輝，等.玻璃幕墻越障清潔機(jī)器人[J].科技視界，2019（23）：23-24.

[2]宋秋芝，劉志海.我國玻璃幕墻發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].玻璃，2009，36（2）：29-31.

[3]唐伯雁.自攀爬幕墻清洗機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究[D].北京：北京工業(yè)大學(xué)，2005.

[4]胡啟寶.多吸盤式玻璃幕墻清洗機(jī)器人本體設(shè)計(jì)[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[5]王園宇，武利生，李元宗.壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)淺析[J].引進(jìn)與咨詢，2002（4）：3-4+12.

[6]錢志源.帶滑動(dòng)式吸盤的爬壁機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性分析及其應(yīng)用研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[7]王國慶，孟凡召.淺談玻璃幕墻清洗機(jī)器人現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（11）：94-95.

[8]李芳麗，高鵬，龔希祚.高空玻璃幕墻清洗機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新，2019（17）：67-68.

[9]劉星.高層玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計(jì)與分析[D].青島：山東科技大學(xué)，2017.