高樓玻璃幕墻清洗機器人

高樓玻璃幕墻清洗機器人

關鍵詞：玻璃幕墻清洗 機器人

簡介：

此機器人主要應用于高樓玻璃幕墻的自動化清洗，代替“蜘蛛人”的清洗方式。此機器人采用真空吸盤的吸附方式，具有能耗低、安全可靠、效率高等優點。整體由上下兩層組成，兩層交替移動，完成機器人的攀爬；機器人后面裝有清洗裝置，完成清洗任務；機器人可實現自動清洗和人工清洗兩種清洗方式，并可自動切換。本機器人能夠將“蜘蛛人”從高危險、高強度的工作環境中解脫出來，具有有很大市場前景和實用價值。

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詳細介紹：

此高樓玻璃幕墻清洗機器人采用真空吸盤吸附的方式吸附在玻璃幕墻表面，主要包括吸附裝置、攀爬裝置、清洗裝置、污水回收凈化循環利用裝置、電氣控制五大部分。 吸附裝置是本高樓玻璃幕墻清洗機器人能夠完成所有清洗任務的前提，由真空泵、真空吸盤、電磁閥及通氣管路等組成。真空泵可以減小整個管路及吸盤組的真空度,使真空吸盤產生負壓，吸附在玻璃墻面，進而使得機器人吸附于玻璃幕墻上；兩位二通電磁閥一端與大氣相連，另一端連接于管路之中，平常為關閉狀態，使整組吸盤可以產生負壓吸附在玻璃壁面上，若機器人要運動，則需要接通電磁閥，讓此組管路與大氣相連，使吸盤組不能產生負壓，進而此組吸盤脫離壁面。通過電磁閥可以完成對吸盤組的控制，使得清洗機器人可以在玻璃墻面上自由的運動。 　　攀爬裝置使得高樓玻璃幕墻清洗機器人能夠在豎直墻面上自由移動，可分為上下兩層，其移動方式為：當上層吸附時下層脫離墻面，并且相對于墻面運動；反之，當下層吸附時上層脫離墻面并相對于墻面移動，類似于兩足動物在地面上的行走。在整個移動過程中，上下兩層相互切換吸附、移動，實現高樓玻璃幕墻清洗機器人的運動。主要機構包括上下層吸盤兩組支架、兩組齒輪齒條機構、中心轉盤、移動電機、旋轉電機等。由上層移動電機驅動上層齒輪在上層齒條上移動，完成上層機體的運動，同樣，下層移動電機驅動下層齒輪在下層齒條上移動，就完成下層機體的運動。中心轉盤上帶有齒盤，通過旋轉電機上的齒輪，能夠實現兩組吸盤之間360度自由轉動，從而實現機器人在豎直幕墻上全方位自由移動。 　　清洗裝置主要用來除去幕墻上的污垢，由清洗刷、驅動電機、刮板、高壓水泵、霧化噴頭、水箱等組成。驅動電機通過同步帶輪帶動清洗刷高速旋轉，同時高壓水泵把清洗液從霧化噴頭向清洗刷與幕墻切線方向噴出，通過刷子與玻璃間的相當摩擦，完成對玻璃幕墻上污垢的清洗。 　　考慮到機器人不能攜帶過大水箱使得機器人過于笨重、防止污水流到干凈墻面及節約水資源；特設計污水回收凈化循環利用裝置，包括污水收集器、污水凈化器、污水凈化動力泵、回流管路、雜質收集瓶。污水收集器中污水由污水凈化動力泵壓入污水凈化器，通過污水凈化器，污水中的雜質沉淀，回收到雜質收集瓶中，經過凈化的清洗液回流到水箱，從而實現對污水的收集污水的收集和再次利用； 電氣控制部分是機器人的指揮中心，包括主控芯片Mc9s12xs128高功能芯片、電機驅動模塊、攝像頭數據采集模塊、顯示模塊、電源電壓檢測裝置、報警裝置、無線通訊模塊等。主控芯片通過程序控制各個模塊之間的協調順利完成機器人對玻璃幕墻的清洗，主要包括控制電磁閥的動作、移動電機的動作、通過無線模塊實現機器人自動清洗和人工控制清洗兩種控制方式的轉換。

設計、發明的目的和基本思路、創新點、技術關鍵和主要技術指標

一、設計發明目的： 隨著社會的發展，一座座高樓拔地而起，現今絕大多數高樓的玻璃清洗都是由人工完成，人稱“蜘蛛人”，這種方式清洗不僅由于清洗難度大，并且由于危險和清洗費用高。高樓的墻壁和玻璃不能得到及時清洗，使許多樓房陳舊、影響市容。因此制造出一個清洗機器人能夠隨時隨地的清洗高樓上的灰塵和污漬， 顯得非常重要。 二、設計基本思路： 此高樓玻璃幕墻清洗機器人采用真空吸盤吸附的方式吸附在玻璃幕墻表面，主要包括吸附裝置、攀爬裝置、清洗裝置、污水回收凈化循環利用裝置、電氣控制五大部分，通過各部分之間的相互協調工作，能夠實現機器人自由全方位移動。 三、創新點： 1、采用真空吸盤吸附方式吸附在墻面上，與螺旋槳負壓相比，大大降低了機器人吸附所需功率，能耗可降低5-10倍，使機器人對自身攜帶的電源要求大大降低，并延長了機器人的工作時間。 2、能夠通過無線模塊實現自主清洗和人工控制清洗兩種方式的自由切換，大大提高機器人的靈活性。通過上下兩層移動機構和中心旋轉機構，機器人能夠實現全方位移動，到達玻璃墻面的各個地方。與繩索牽引相比，提高了機器人的自主性。 3、自帶清洗液，并帶有污水回收凈化裝置，不需頻繁更換清洗液，大大提高了清洗效率，節能環保、清洗成本低。 四、關鍵技術及指標： 1、最大清洗能力為100平方米/小時； 2、每次清洗寬度：400-600mm； 3、清潔度：完成所有塵土和95%難處理污垢的清洗； 4、使用壽命：10000小時。

科學性、先進性

先進性分析： 　　自20世紀80年代中期以來，玻璃幕墻因其采光性好、實用美觀等特點，被現在的建筑物廣泛采用，但其存在清洗困難大，清洗過程危險、清洗效率低等問題。 　　目前玻璃幕墻基本全部依靠人工清洗，俗稱“清洗蜘蛛人”，曾多次出現事故，危險性太高，擦洗成本高，效率低，也有少量此類機器也在被研發，但大都采用繩索拖曳并帶有導軌，行動不靈活，適應能力差，只能在特定的樓層上清洗，使得這類清洗機器人未能推廣使用，如日本BISOH公司制造的清洗機器人存在以下缺陷： 　　a、必須在樓頂安裝軌道及吊裝裝置； 　　b、其窗框是特制的，帶有垂直方向的導軌； 　　c、大樓設計必須征求業主的同意，否則機器人無法應用。 　　其次哈爾濱工業大學研制的CLR-1型清洗機器人也有以下缺陷： 　　a、采用單吸盤吸附方式； 　　b、負壓由高速離心式風機產生； 　　c、采用輪式移動機構，不能跨越窗框等障礙。

使用說明,技術特點和優勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測

盡管國內外已有研究，但目前還沒有比較實用的自動清洗方案，清洗作業的自動化遠未得到實現。機器人的制造成本、壁面適應性、越障能力等關鍵問題制約了清洗機器人的發展。 此機器人采用真空吸盤吸附方式吸附在墻面上，大大降低能量損耗，并真空吸盤上裝有真空安全閥，能夠保證機器人在玻璃幕墻上的可靠吸附；機器人可全方位移動，同時還能跨越一定高度的障礙，適應性強；能夠將污水回收凈化再利用、節能環保、清洗成本低。可以實現自動清洗和人工清洗兩種清洗方式。自動清洗時，通過傳感器采集幕墻信息，反饋給主控芯片，用主控芯片控制各個模塊之間協調運轉，完成清洗。人工控制通過無線傳輸實現清洗過程，機器人通過無線傳輸模塊將攝像頭采集的高樓幕墻信息反饋到地面顯示器上，操作者操作手中的遙控器控制機器人各大模塊相互協調運轉，實現對機器人的動作控制。 據統計，每年高樓玻璃幕墻的數量在快速增加，此機器可以解決幕墻清洗困難這一問題，保護環境，營造良好的生存空間，具有廣闊的市場前景。

同類課題研究水平概述

1 、日本BISOH公司的壁面移動機器人 　　日本BISOH公司曾經為宮崎市的國際會議中心制造了一臺擦窗機器人，這個中心大樓高45層，在樓頂安裝有軌道吊裝裝置，每一個窗戶的窗框都是特制的帶有垂直方向的軌道。這款清洗機器人能夠使用的前提是大樓設計和施工時須征求業主的同意，否則該機器人也無法應用。 2 、IPA 的清洗機器人 　　德國馬格堡的弗勞恩霍費爾自動控制與操作研究所(IPA)按照模塊化的設計方法設計了一系列高樓玻璃幕墻清洗機器人，此系列高樓外玻璃幕墻清洗機器人采用樓頂提升機構，協調機器人移動，從下往上清洗并能通過該機器人的兩個長條型框架式移動模塊實現越障和姿態調整。 3 、SkyBot公司研制的清洗機器人 　　以色列的SkyBot公司也在研制清洗機器人，圖3為該公司研制的清洗機器人，該機器人采用真空吸附雙纜繩懸掛噴霧潤濕清洗機構，與本體一體化設計。 4、北航的多足式清洗機器人 　 北京航空航天大學機器人研究所研制了WashmanCleanbot-I和藍天潔士-I型等系列真空吸附足式擦窗機器人，適合于不同玻璃幕墻清洗，其主要技術特征是采用全氣動驅動方式的框架式移動機構，并采用多足多吸盤吸附，因此對玻璃壁面的凹凸有一定的適應能力，清洗效果也較好，智能化程度高，但移動速度慢、清洗效率低、結構復雜且造價高。 5、哈爾濱工業大學研制的機器人 　 哈爾濱工業大學機器人研究所對于壁面移動機器人和地面移動機器人從20世紀90年代初開始做了大量的研究和開發工作，并制成了CLR-1和CLR-2兩臺樣機。其技術特征是采用輪式移動機構、單吸盤吸附方式移動、速度較快,但不能跨越窗框等障礙、消耗能量大，只能單方向移動。