基于TRIZ 理論的玻璃面巡檢清潔機器人＊

六盤水師范學院 田紅路 高森林 彭雯靜 張曉薔 張萬賀

基于TRIZ 理論的玻璃面巡檢清潔機器人采用真空負壓與數字圖像識別等技術，由真空吸附履帶、GP2Y1010AU 灰塵傳感器、納米滾刷等裝置組成，能夠在豎立的玻璃幕墻上自由移動，精確識別灰塵與污漬，無死角高效清潔玻璃面。同時內設超聲波等傳感器，能有效對玻璃面板進行探傷與松動檢測，及時回傳相應數據，減少不必要的損失，具有廣泛的應用前景。

每年中國建筑面積約為500 億平方米，玻璃幕墻占比約為5%，新建玻璃幕墻約為9000 萬平方米，而現有的除塵解決方案雖然逐步由人工向機械過渡，但都面臨著成本高昂效率低下的問題且具有很大的危險性。現有的清潔機器人不具備視覺識別及檢測損壞中傷玻璃的功能，導致裝置不能精準清潔灰塵與污漬，也不能及時發現松動與中傷的玻璃，容易造成安全隱患。

1 技術參數

（1）設備內置邊緣及GP2Y1010AU 灰塵等傳感器，檢測玻璃面板灰塵與污漬，為設備運轉提供識別障礙及確定灰塵與污漬的范圍，時間周期約為0.02s，正確率高于99%。（2）在運動控制方面采用PID 控制算法，通過傳感器和控制單元對機器人進行智能控制，在工作時系統運行穩定，故障率低，平均故障率在2%。（3）視覺處理使用ORB-SLAM2 算法的視覺處理效果，運動估計基于幀與幀的特征點跟蹤和基于特征的光束平差對灰塵與污漬進行精確識別定位，操控機器人“重點清潔”。（4）在吸附貼合移動方面采用HUTTHINK 智能變頻吸力算法的真空吸附方式及履帶式驅動，臟玻璃表面附著硬顆粒污漬，大吸力干擦會導致玻璃劃傷，變頻算法自動識別表面臟污，柔和濕擦保護玻璃，干凈玻璃也能自動識別并增大壓力，清潔效率與清潔度增加10%；履帶式驅動可使機器人跨越小型障礙，使機器人的清潔區域不再受限。

2 發明問題初始形勢分析

2.1 問題分析

針對目前技術困境，團隊進行相應問題分析并且提出問題。

（1）怎樣高效的解決現有的除塵問題？（2）機器人怎樣才能在豎直面爬行？（3）機器人如何才能實現移動功能，達到自動清潔的目的？（4）既是清潔機器人，如何實現清潔？（5）遇到玻璃老化、裂紋等情況無法進行檢測反饋。

研究分析得出如下幾種解決方案：

方案1：根據現有的除塵方式以及除塵需求，研發一款靜電吸附除塵的裝置；

方案2：研發一種真空吸附履帶式驅動的機械裝置，以兼顧吸附系統本身不受復雜的壁面環境的影響，適合不同樣式樓梯清洗需要，逾越障礙的自適應機械裝置；

方案3：在現有的清潔設備上添加視覺使其具備良好的可視化越障能力和智能化研判能力，既考慮運動的連續性控制和運動方向的隨意性；

方案4：測繪及規劃整棟樓清洗布局，可視化研判清洗刷頭轉速、碳刷靜電轉換吸附和清洗時長等智能化控制，高效清潔替代人工；

方案5：增加超聲波探傷傳感器，增加探傷檢測功能。

2.2 限制條件

（1）設計中希望將設備的清掃面積擴大從而提升設備清掃效率，但是過大的面積也就意味著更大的重量，太重容易產生吸附不牢固出現高空掉落這種危險情況發生；（2）設備存在的功能兼顧較多，多樣的功能會增加設備負載，導致續航能力下降；（3）高空玻璃上除污漬多樣，使用普通刷頭會影響清潔效率；（4）高空玻璃幕墻具有復雜的壁面環境，機器需要良好自適應越障能力。

3 系統分析

3.1 因果分析

現有的高空玻璃清潔主要由人工與機器來清潔，目前存在的主要問題是費用高、效率低、安全系數低，造成原因如圖1 所示。

圖1 因果鏈分析圖Fig.1 Causal chain analysis diagram

（1）其中造成設備工作效率不高的原因是由于：設備是塑料材質且使用周期長導致吸盤易氧化，或者吸盤漏氣和功率小形成的橫向吸力較小，從而導致接觸能力不足；還有受重力平衡鋼繩、墻體結構、清潔刮板的局限，從而導致清潔范圍受限。（2）其中造成設備工作效率不高的原因是污漬頑固，飛禽糞便板結，灰塵與雨水結合形成污垢，從而導致污漬粘連清潔周期長。

3.2 九屏圖分析

如圖2 所示分析可以得出當前清潔系統是人工清潔系統到智能清潔系統的過渡，未來高空玻璃清潔是以智能清潔機器人為主流。

圖2 九屏分析圖Fig.2 Nine-screen analysis

針對以上問題我們提出了兩種解決方案：

方案6：在玻璃幕墻上涂裝納米防污材料、在建筑上加裝驅禽裝置；

方案7：磁力吸附運行清掃系統，噴氣推動運行清掃系統。

3.3 功能分析

（1）工程系統：Louluo 高空清潔機器人；（2）主要功能：對高空玻璃幕墻進行清洗檢測；（3）組成部分：清潔組件、電池組件、水箱組件、吸附組件、移動組件、識別組件、檢測組件、水；（4）建立功能模型圖：對現有高空清洗系統的功能模型進行裁剪，如圖3 所示，直線表示充分的作用，虛線表示不足的作用；（5）根據圖3對功能模塊圖進行裁剪時我們發現了3 個不足之處：1）刮板對塵垢清潔不足；2）絲繩對機架支撐不足；3）行走輪對機架支撐不足。

圖3 裁剪功能模塊圖Fig.3 Cutting function module diagram

針對以上不足我們提出了兩個解決方案：

方案8：把刮板式清潔裝置改為電動滾刷式毛刷清潔裝置；

方案9：運用有控制吸附方式的驅動履帶取代鋼絲繩及行走輪。

4 運用TRIZ 工具解決問題

4.1 技術矛盾

如果A+：提高機器吸附力；那么B+：提高負壓裝置功率；但是C-：降低移動阻率；如果A-：降低機器的吸附力；那么B-：降低負壓機功率；但是C+：增加移動阻率；選擇TC-1：技術矛盾發生在（吸附力）和（移動速率）之間，發生在清潔工作過程中[1]。

根據以上分析我們提出了兩種解決方案：

方案10：應用15 動態性原理，增加功率控制模塊，不工作時或者表面較干凈時，速度快，工作時或表面污漬較多時，速度慢；

方案11：應用35 物理化學參數原理，改變刮板結構采用電動滾筒毛刷，采用納米級清潔海綿材料。

4.2 物理矛盾[2]

該設備需要吸附力足夠大，以增加設備的可靠性。該設備又需要吸附力小，以實現設備的靈活移動。

物理矛盾：設備又需要吸附力既大又小。

利用時間分離原理提出方案12：增加自動負壓控制裝置，在沒有靠近玻璃時使用大吸附力，在玻璃上移動時減小吸附力。

4.3 金魚法[3]

（1）將問題分為現實和幻想兩部分：幻想部分-高效清除高空玻璃污漬；現時部分-高空玻璃污漬困難。

（2）幻想部分為什么不能實現？1）清潔技術不成熟，高空易墜落，安全隱患高；2）飛禽糞便不易刮落，污漬頑固，效率低下。

（3）在什么條件下，幻想部分可以變為現實？1）鋼絲繩吸盤組合工作；2）增加視覺識別模塊，臟的地方清潔時間長，干凈的地方清理時間短。

（4）列出子系統、系統、超系統中的可利用資源，電動毛刷滾筒、OpenMV 模塊、軟化劑（反滲透阻垢劑）。

（5）從可利用資源的視角出發，提出可能解決問題的構想方案。

根據以上分析提出方案13：運用OpenMV 模塊視覺識別使其對污漬進行精準清潔。

4.4 STC 算子分析

（1）想象研究對象的尺寸無窮大（S＞∞）的解決思路。機器人的尺寸無窮大，使用超聲波對整個建筑物進行超聲波震動除塵。（2）想象研究對象的尺寸無窮小（S＞0）的解決思路。機器人的尺寸無窮小，分子式機械，對單個灰塵進行分子清潔。（3）想象工作過程的時間或對象運動的速度無窮大（T＞∞）的解決思路。機器人清潔污漬的時間無窮大，改進機器人的結構加設超聲波檢測模塊，對玻璃進行探傷檢測。（4）想象工作過程的時間或對象運動的速度無窮小（T＞0）的解決思路。機器人清潔污漬的時間無窮小，改進刮板，使用滾筒毛刷，做到迅速除塵。（5）想象支出的成本（允許的支出）無窮大（C＞∞）的解決思路。在玻璃上加裝納米涂層，定期進行更換。（6）想象支出的成本（允許的支出）無窮小（C ＞0）的解決思路。鋼絲繩刮刷，地面手搖清潔機。

根據以上分析得出以下兩種方案：

方案14：使用高壓水射流裝置對頑強污漬進行沖刷；

方案15：對玻璃幕墻的表面使用熱膨脹及振動清潔裝置。

5 技術方案整理與評價

對以上方案進行對比分析，可以看出方案5、方案6、方案7、方案9、方案12、方案13、方案14 這幾個方案的性能更加優越，因此將這幾種方案進行綜合運用，提出最終理想解決方案。

在運動控制方面采用PID 控制算法，通過傳感器和控制單元對機器人進行智能控制，以達到機械對高空玻璃面板進行巡檢除塵，增大潔塵效率，并加入真空吸附驅動技術使設備能夠附著在豎立的玻璃面板上。履帶輪采用三層復合工藝提升摩擦力，不脫圈不打滑，與齒輪組配合，增大摩擦力使其驅動，同時加入運視覺處理效果。擁有豐富的硬件資源可利用在各種機械，并且涵蓋范圍廣并在設備中添加超聲波模塊對進行玻璃面板松動及中傷檢測，大大地減少了人工探查的成本，同時可使損壞的玻璃面板得到及時有效的更換。

6 結語

該系統采用智能變頻負壓吸附與履帶式驅動相結合、視覺識別以及超聲波雷達探傷處理裝置。該系統工作時可以平穩地在豎直玻璃面板運行，控制清潔滾刷及高壓水射流對污漬不同程度清刷，達到“重點清潔”，同時具有玻璃幕墻探傷功能，針對玻璃松動及裂傷，超聲波模塊可對玻璃面板松動進行智能巡檢，實時通信反饋。提高了玻璃清潔工作速率同時也降低了危險性，大大降低了清潔成本，減少了資源浪費，具有很好的應用及推廣價值。