高空幕墙清洗机器人的机构及分析

高空幕墙清洗机器人的机构及分析

谷若瑜

青岛工学院      山东省青岛市胶州市          266300

摘要：随着时间的推移，许多新兴的科技企业在不断涌现，导致许多城市的高楼林立。玻璃幕墙在建筑业中被广泛应用，尤其是在高层办公写字楼中，具有良好的采光性、保温防潮和美观功能，然而，这也导致了许多玻璃幕墙的清洁问题。因此，决定在高风险、负担沉重的工作场景中使用玻璃幕墙清洁装置。本文是对全自动玻璃幕墙清洁装置的结构进行设计，首先要了解工作装置作业的设计要求，在国内外主要的研究形式，其次对全自动玻璃幕墙清洗的整体进行结构设计，主要对设计方案进行分析和创新，包括移动方案的选择、吸附方案的选择、清洗方案的选择和驱动方式的选择。最后，使用3D建模软件进行工作设备的几何建模。玻璃幕墙工作装置各构件的三维实体设计，主要包括上刮板、下刮板、内框架、外框架、清洗循环装置等零部件，并对各部件进行装配，得到玻璃幕墙清洗装置的整体结构模型。　

关键词：玻璃幕墙；清洁机器人；真空吸附

1.研究背景及目的

目前，用于清洁玻璃外墙的方法主要是人为控制的方法，即用绳子提起清洁剂，清洁玻璃表面。虽然这种“一绳一刷”的清洗方法相对简单，但却是一种危险系数相对较高的操作，清洗速度和效率相对较低，对清洗人员和玻璃存在风险。因此，国内的大学和研究机构都在研究关于玻璃清洗机器人的研究，让机器人取代传统的人力劳动，使人们脱离危险工作环境。

2.国内国外研究现状

2.1国内研究现状

国内高校研究的玻璃清洗机器人。原理是用双柔性电缆连接到机器人的两侧，或用两根电缆连接到机器人机体的两侧，其中运动机体的电缆不动，带电机的电缆由齿轮箱驱动，本实用新型利用电缆，实现机体的运动和清洗操作通道上缠绕着有凹槽的杆件，以产生摩擦，从而进行工作。抽吸装置产生垂直于幕墙表面的力，使装置粘附在工作面上，即使在外部负载下，机器人也能顺利移动。

上海交通大学机器人研究所研发的墙体牵引式可移动玻璃幕墙清洁机器人，采用屋顶提升机和双吸盘装置，实现了机器人的升降。该机器人的主要特点是，它与现有的擦窗机结构相结合，与已有的人工清洁工作一样，它用机器人取代了人工的位置。该机器人的整体结构，是通过主体不动绳的移动，来使机器人在竖直的方向上移动，同时被提升机牵引，并依靠机器人本身的引力，二者之间的协调，来完成主体结构的下移。该过程与清洁装置相互协作，来完成设定的清洁任务。

2.2国外研究现状

日本研究出了一种爬壁机器人。通过分别选择机器人的负压和吸附模式，开发了一种新的去污机器人WALKER。其基本原理是密封室中的气体通过吸气泵排出，在密封室和墙壁之间形成真空，然后被吸附在墙壁上。机器人的运动类似于在轮子上移动：运动是由两个与机器人相同宽度的滚轮滚动完成的。这种设计使机器人能够创造一个封闭的空间，增加吸附能力。然而，它克服障碍和搬运重物的能力是有限的。

受一家德国公司委托，SKYWAH是在地球上成功生产的第一个清洁机器人。机器人的垂直移动由一个框架移动机构协助，框架之间的移动由机载伺服电机协助，附件则由安装在框架上的真空吸附器提供。这种高顶玻璃墙清洁机器人体积大、重量重，清洁作业需要一个巨大的龙门，很难为清洁做准备，而且不能自动移动以避免障碍物。

Interation Climbing Robot公司是英特力攀爬机器人公司开发的电动、齿轮驱动的爬墙机器人，其负压室由被动滚轮和柔性材料包裹的主动轨道所包围[9]。真空室由被动滚轮和包裹在柔性材料中的主动轨道包围。负压可由真空泵、离心式鼓风机或其他负压发生器产生，尺寸为609.6 mm × 203.2 mm，重量为13.6 kg，可以以60-75 mm/s的速度移动。不能产生大气压力，需要一个密封的负压室来移动，并且不能爬过障碍物。

3.爬行机器人的设计方案及驱动方式

3.1设计方案

（1）移动方案

在结构设计上，全自动玻璃幕墙清洗设备的结构设计存在着结构上的差别，总结了国内外清洗设备的运动形式。创新点就是在原有的框架式移动上加入滑动块，使他的移动速度加快，覆盖面积更广。全自动玻璃幕墙清洗设备的结构设计中，吸附壁为玻璃壁，存在着裂缝、窗框等障碍物，所以清洗设备必须具备一定的越障能力。

（2）吸附方案

高海拔玻璃幕墙清洁机器人的安全、可靠的吸附性是其在高空工作的基础。创新点就是在原有的框架式移动上多加入几个吸盘，使他吸附力度更强，移动速度更快。高海拔玻璃幕墙清洁机器人的吸附壁为玻璃壁面，而不是导磁墙壁。

（3）清洗方案

通常情况下，在城市中，高空玻璃幕墙表面会出现一些斑点，这是因为长时间暴露在户外，导致灰尘在空中飘荡。所以，针对以上原因，设计出一种简便、有效的清洁方法，对本设计研制的高海拔玻璃幕墙清洁机器人具有十分重要的意义。目前常用的清洗方法有：高压水喷射清洗、激光清洗、超声波清洗、化学清洗和机械清洗。创新点在于这个清洗装置可以循环利用，有粗过滤网和细过滤网，使得水可

以循环利用。本课题开发的玻璃幕墙清洁机器人，依据其技术指标和工作环境的需要，选用机械清洗比较合适。

3.2驱动方式

机器人的驱动系统是其动力核心，合理地选用其驱动系统，必须满足整体重量、控制精度、运动稳定性、运动速度等多个方面。此外，当机械臂的惯性载荷较大时，传动系统必须为其提供适当的加速度以满足工作要求。因此，机器人本身明智地选择驱动系统是非常重要的。由于物理上的差异，驱动系统目前主要分为三类：电动、液压和气动。电力驱动系统的原理是通过电机的高速旋转获得输出力或扭矩，通过机械传动系统驱动执行器，实现各种运动。本课题所研制的高海拔玻璃幕墙清洁机器人，由于其工作环境和操作要求，要求其能够准确地控制速度、位置，同时具有体积小、重量轻、负荷少等特点。采用电传动的爬壁机器人具有更大的优越性。

4.全自动玻璃幕墙清洁机器人的装配

solidword的组装装配体功能，明确各部件位置约束，组装成装配整体，零件之间有没有干涉现象，使运动符合设计要求。使用者也可在导出组装体时，依照现实情况添加新部件。组装方法有：一是由底向上设计，二是由顶向下设计。产品总体的外在概念及功能概念得到确定后，产品展开不断完善设计。自上而下的设计方法更接近事实，而自下而上的方法对更成熟的产品更有效。为了最大限度地发挥这两种方法的优势，应该以交叉融合的方式来应用它们。

5 .总结

玻璃幕墙清洁机器人是自动清洁装置，它附着在玻璃外墙的表面，对其进行清洁。在使用该机器人前，需要先将其进行装配，装配时需要检查机器人各部件的安装是否牢固可靠，确保机器人能够稳定运行。装配完成后，即可开始使用机器人进行清洁。在清洁前，需要对机器人进行设置。设置时需要设置清洁的时间、清洁区域、清洁速度等参数。在设置完成后，机器人会自动启动，开始进行清洁。清洁过程中，机器人会自动切换清洁区域，清洁玻璃幕墙表面的污垢和灰尘。清洁过程结束后，机器人会自动返回原点。使用玻璃幕墙清洁机器人的好处在于可以节省人力、提高效率，同时还可以保证清洁质量，避免人为操作带来的安全隐患。通过使用这种自动化清洁装置，可以将清洁时间缩短，减少清洁次数，有效降低长期清洁成本。

参考文献：

[1] 胡启宝. 多吸盘式玻璃幕墙清洗机器人本体设计[D]. 上海: 上海交通大学, 2007.

[2] 张燕. 幕墙清洁机器人系列[J]. 艺术百家, 2016(04).

[3] 张永德, 张金刚, 张舒, 等. 柔索驱动的玻璃幕墙清洗机器人研制及实验研究[J]. 仪器仪表学报. 2013, 34(3): 494~501.

[4] 陆津龙, 左蔚文, 刘雄, 等. 国内外幕墙的发展历史及现状[J]. 住宅科技, 2009