基于STM32 的外墻噴洗清潔機設計

王勝藍， 葉邦松， 袁 方， 侯飛宇， 湯志仁， 江鴻博

（上海工程技術大學機械與汽車工程學院， 上海 201620）

0 引 言

隨著國內經濟不斷發展，城市化發展迅速，帶來了人口的迅速的增長。 與之相適應，城市中高樓建筑層出不窮，玻璃幕墻作為一種新穎的高端建筑墻體，是如今高層建筑的首選［1］，繁重、高風險、高成本、低效的清潔工作成為困擾人們的一大問題。 目前，高空清洗外墻施工通常有2 種方式。 一種是高空吊籃，另外一種是高空吊繩，需要經過專業施工人員進行作業［2］，這無疑會提高了危險幾率，長時間外墻作業、天氣條件變化等均會影響外墻清洗工作。因此，為了解決外墻清潔問題，研制一款智能、高效、輕量、安全的外墻噴洗機尤為重要。

1 整體方案設計

針對本次高樓外墻工作環境，噴洗機在升降機構的帶領下，完成大面積高樓外墻清洗動作，為了簡化空中平臺、減小質量，噴洗平臺所需的氣路、水與清潔液均由平臺本體外部提供，提高了噴洗平臺工作的穩定性與安全性，為了擺脫高墻障礙物對清潔效果的影響，噴洗平臺在清洗作業時實現了非接觸式清潔。

根據噴嘴射流清潔工作原理出發，噴洗機主要包括3 個主要部分，即：樓頂部分為升降機構與供給系統、電源控制系統，空中清洗部分為噴洗清潔平臺與框架、軟導軌等，樓底包括配重小車、遠程遙控等。此外，為了能及時監測到清洗狀況，噴洗機內部安裝小型攝像頭，及時觀察噴洗機工作狀態，通過遠程遙控器調整內部搖臂機構擺動幅度、水泵與空壓機開關等，為了簡化整體方案圖形，給讀者充分理解，整體設計方案如圖1 所示，基本參數表見表1。

表1 噴洗清潔機基本參數Tab. 1 Basic parameters of spray cleaning machine

圖1 外墻噴洗機整體清潔方案Fig. 1 Overall cleaning scheme of exterior wall spray washer

2 整體結構設計

2.1 噴洗平臺

外墻噴洗平臺的設計結構如圖2 所示。 噴洗機清潔作業時，為了保證噴洗作業過程穩定性與安全性，外墻噴洗平臺在外部安裝了防撞框架，4 根導軌繩引導防撞框架在豎直方向運動，在一定程度上避免了噴洗平臺側傾，噴洗平臺主要包括兩工作層與電源層，噴洗機在作業時，由上向下進行清潔工作，首先由底層噴嘴噴洗清潔液，清洗液由水、酒精、乙二醇、緩蝕劑及多種表面活性劑組成［3］，降低液體冰點，起到防凍作用，然后由上層噴嘴進行氣、水兩相清潔，電源裝置在內部供電給搖臂機構，在搖臂機構帶動下，擴大清潔面積。

圖2 外墻噴洗平臺Fig. 2 Exterior wall spray washing platform

噴洗平臺內部結構如圖3 所示，第一層為24 V、2.5 AH 防水充電電源，所采用鋰電池能量密度高、輸出功率大、工作范圍寬、可隨時替換［4］，其工作時間可持續10 h，內部搖臂機構通過調速器調節其轉速，噴洗機可通過無線控制接收指令完成所有設計功能，通過視頻傳輸及時反饋給操作終端，可以在數據異常的情況下及時停機，保證噴洗機作業過程安全［5］。 第二、第三層采用錐形噴嘴清潔，以高速水作用在被清洗物表面上，進而實現清洗作業［6］，高壓水清洗屬于物理清洗，相比于化學清洗，適用范圍廣、清洗速度快、易于機械化及自動化［7］。

圖3 噴洗平臺部分內部結構Fig. 3 Internal structure of spray cleaning platform

為了提高抗風等級，噴洗平臺框架設置4 根軟導軌，空中平臺抗風受力圖如圖4 所示。 由圖4 可知，利用導軌繩拉力克服橫向風力干擾，預緊的軟導軌具有一定張力，在不影響機器人自由度的情況下，約束噴洗平臺位置［8］。

圖4 空中平臺抗風受力圖Fig. 4 Wind resistance chart of aerial platform

2.2 樓頂升降裝置與供給系統

2.2.1 升降裝置

卷揚機帶動鋼絲繩進行上下牽引運動，提高了噴洗平臺工作的穩定性。 升降裝置如圖5 所示。 升降裝置在壁面架設，上下運動依靠卷揚機提供動力，升降機架具有越過高樓女墻上環形避雷針的重要作用，在保證機架強度的情況下，采用40 鋼材拼接而成，盡量降低機架質量［9］，可以根據高樓女墻高度調整機架，機架依靠女墻環形作為導軌在水平方向進行移動，卷揚機鋼纜通過升降機構上方三滑輪帶動噴洗平臺，導軌繩、水管、風管穿過機架外伸環扣，避免因繩索太多出現打結問題。 外伸扣件如圖6 所示。

圖5 升降裝置Fig. 5 Lifting device

圖6 外伸扣件Fig. 6 Overhanging coupler

2.2.2 氣、水兩路供給系統

樓頂供給系統如圖7 所示。 由圖7 可知，噴洗平臺在外墻工作需及時供給水、氣與清潔液，水與清潔液主要根據高壓水泵提供，空壓機主要為噴嘴提供氣體，空壓機壓力設定為固定值，能夠在清潔作業的同時及時吹散殘留在外墻上的水珠，外側清水、清潔液與水泵相連并安裝溢流閥，保證水供給系統不因壓力過高而發生事故。

圖7 樓頂供給系統Fig. 7 Roof supply system

3 遠程控制系統

為了進一步滿足智能化遠程控制要求，噴洗平臺控制系統采用 STM32F103ZET6 單片機，STM32F103ZET6 是一種嵌入式－微控制器的集成電路，該單片機主頻達到72 MHz［10］，片內Flash 容量512 kB，SRAM 容量64 kB，內核規格為32 位，電源電壓為2.0～3.6 V。 中央控制系統協調控制樓頂升降系統、外墻噴洗系統、空中監視系統以及地面遙控操作系統，各子系統豐富，控制系統電路如圖8 所示。

圖8 控制系統電路圖Fig. 8 Flow chart of control system

外墻噴洗平臺采用遠距離WiFi 信號傳輸視頻數據，圖9 為噴洗平臺所用小型攝像頭，主要依靠2.4 G802.11nWiFi 內置天線，內置電池滿電續航2.5 h，若發生異常情況可及時推送到手機，采用128 G儲存卡循環儲存錄像。

圖9 小型攝像頭Fig. 9 Miniature camera

系統技術路線如圖10 所示。 空中噴洗平臺依靠內置天線發送視頻數據傳輸，在樓底操作人員觀察顯示器之后，利用遙控發出電信號進行遠距離控制，以12 V 低電壓控制220 V 高電壓，抗干擾能力強，覆蓋范圍廣，可調整空中噴洗平臺姿態，該遙控通過樓頂控制器，進而控制樓頂升降裝置、水泵、空壓機開關啟停。

圖10 系統技術路線Fig. 10 Technical route of the system

4 樣機調試與實驗

為了進一步驗證噴洗機清潔方案的可行性與遠程控制系統的可靠性，需要對噴洗樣機進行實驗驗證，首先根據三維模型進行樣機外形加工，其次進行樣機封裝與電路調試，圖11 為噴洗機平臺外殼加工。

圖11 樣機加工Fig. 11 Prototype processing

噴洗平臺整機經過內部安裝、整機封裝以及外場試驗，進一步驗證外墻噴洗機遠程控制方案的可行性以及水路、氣路密閉連接的可靠性，圖12 為噴洗機外場試驗圖。

圖12 噴洗機樣機與外場試驗Fig. 12 Spray washing machine prototype and field test

5 結束語

高效、低廉、具有普適性作為外墻噴洗機的特點，充分說明外墻噴洗機針對墻面清潔的重要意義。本文基于傳統人工清潔方式效果不佳、局限性大的難點，研制出一款新型外墻噴洗清潔機，提出了噴洗機整體系統方案，主要對空中噴洗平臺、樓頂供給系統以及升降越障裝置進行了詳細介紹，為噴洗機在復雜環境條件下進行外墻清潔奠定了基礎。 通過樣機加工與外場實驗測試，驗證了噴洗機在高樓外墻下的適應能力，進一步間接證明了噴洗機遠距離控制的可行性，對高樓外墻清潔機具有借鑒與指導意義。