劉海波+周璇+許曉春

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，越來越多擁有玻璃幕墻的高樓大廈出現(xiàn)了，從而帶來的是如何清潔玻璃幕墻的問題。而市場(chǎng)上現(xiàn)有的清潔方式安全系數(shù)低、成本高昂，所以該文旨在利用現(xiàn)有的清潔機(jī)器人技術(shù)，將多個(gè)清潔機(jī)器人組成陣列，并使用PC機(jī)、PLC技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及行動(dòng)路線的控制，使之具有高效、安全、廉價(jià)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：高空玻璃幕墻 清潔機(jī)器人 PLC

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）12（b）-0002-02

近年來，由于改革開放的深入貫徹落實(shí)，國內(nèi)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，城市里的高層建筑越來越多，各種各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道美麗的風(fēng)景。而玻璃幕墻由于具有采光性好、隔音隔熱、保溫防潮、抗風(fēng)壓強(qiáng)度大以及實(shí)用美觀等優(yōu)點(diǎn)，在高層建筑的外墻建設(shè)中被廣泛使用。但是美中不足的是外墻玻璃容易沾染上水漬、粉塵或者其他污垢。為了保證建筑外觀的整潔美麗，需要定期對(duì)玻璃壁面進(jìn)行清洗，以美化市容市貌。特別是在很多城市先后推出政策規(guī)定每年必須對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行清潔后，如何安全高效的對(duì)玻璃幕墻進(jìn)行清潔的問題越來越引人矚目。

1 發(fā)展前景

目前高層建筑玻璃幕墻的清洗方法主要有兩種，一種是依靠升降平臺(tái)吊籃承載清潔工進(jìn)行玻璃幕墻的清洗，雖簡(jiǎn)便易行，但是勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率又低，屬于高空極限作業(yè)，對(duì)人身安全及玻璃壁面都有很大的危險(xiǎn)性。

另一種是用安裝在樓頂?shù)能壍兰暗跛飨到y(tǒng)將擦窗機(jī)對(duì)準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動(dòng)擦洗。這種方式初次投資成本較高（高達(dá)數(shù)百萬元），并且要求必須在建筑物設(shè)計(jì)之初就要考慮擦窗系統(tǒng)，因而不能后期添加，此系統(tǒng)的弊端限制了其使用。

玻璃幕墻一般面積較大，大多處于幾十米甚至上百米的高處，并且周圍無可攀援的支架，這就使得高空對(duì)玻璃幕墻的清洗成為一項(xiàng)繁重、危險(xiǎn)、耗資的工作。如果用人去清洗，花費(fèi)高、不安全。再加上目前一些國家和地區(qū)已經(jīng)通過立法對(duì)包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進(jìn)行了限制，尋找一種能夠代替人，而又有一定靈活性和適用性的自動(dòng)機(jī)器來完成清潔迫在眉睫。高層建筑清洗機(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，改善工人的勞動(dòng)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率，也必將極大地推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣?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。

2 相關(guān)產(chǎn)品分析

在國際上，幾年前韓國一家公司發(fā)明了一個(gè)叫做WINDORO的玻璃清潔機(jī)器人，它利用釹磁鐵將兩個(gè)機(jī)器人分別緊貼在玻璃窗兩面進(jìn)行清潔，自帶距離感應(yīng)器和防墜落功能。對(duì)面窗掛有墊子的清潔器會(huì)跟隨著磁石一并運(yùn)行的方式。并且安裝了人工智能，可自動(dòng)識(shí)別玻璃窗的厚度和寬度，而設(shè)定進(jìn)行清潔的方法，清潔完了后，會(huì)恢復(fù)到初始位置。在清潔的時(shí)候，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)定量噴射綠色清潔劑到玻璃窗上，能進(jìn)一步增強(qiáng)清潔能力。

我國對(duì)于壁面移動(dòng)機(jī)器人的研究工作起步較晚，但是發(fā)展較快。哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所特種機(jī)器人研究室已研究開發(fā)成功負(fù)壓吸附和磁吸附兩個(gè)系列共5個(gè)品種，可對(duì)瓷磚和玻璃壁面進(jìn)行清洗。北京航空航天大學(xué)與北京鐵路局合作研制的擦窗機(jī)器人樣機(jī)，有8個(gè)真空吸盤，用于北京西客站玻璃頂棚的清洗。上?？萍即髮W(xué)機(jī)器人研究所研制的雙足式爬壁機(jī)器人，與步行式兩足機(jī)器人比較，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單。最近，北京航空航天大學(xué)將推進(jìn)型壁面機(jī)器人附著于壁面上。但機(jī)器人本身不具有自主移動(dòng)的功能，由裝在樓頂?shù)睦|車通過纜繩拉動(dòng)機(jī)器人上下移動(dòng)，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)不帶動(dòng)力，僅為四只導(dǎo)向輪，結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單。

3 “高樓清道夫”技術(shù)分析

我們不妨假想一下，上述這些都是單個(gè)的機(jī)器人，如果將這些機(jī)器人投入實(shí)際應(yīng)用，一幢十多層的高樓，使用這樣一個(gè)機(jī)器人需要多長(zhǎng)時(shí)間才能清理干凈，并且現(xiàn)行的機(jī)器人的耗電量大，工作到一半出現(xiàn)損壞、關(guān)機(jī)的情況比比皆是，知道實(shí)際運(yùn)行的問題所在，我們?cè)噲D找出一種更優(yōu)化的方案來清潔玻璃幕墻。

筆者提出的這項(xiàng)方案“高樓清道夫”主要是在現(xiàn)有玻璃墻清潔機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之兼具體積小、重量更輕、吸附力強(qiáng)、清潔速度快、效率更高、操作簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

高樓清道夫主要是一組墻面清潔機(jī)器人陣列（根據(jù)實(shí)際清潔面積決定機(jī)器人個(gè)數(shù)），且清潔機(jī)器人陣列利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)組成一個(gè)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。此系統(tǒng)能夠完成高樓墻面自動(dòng)清潔，雙向同時(shí)作業(yè)，并通過PC機(jī)和PLC對(duì)每個(gè)機(jī)器人的清潔過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。在PC機(jī)中完成對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)算、信息存儲(chǔ)、狀態(tài)可視化處理、對(duì)PLC發(fā)出一系列命令或?qū)C(jī)器人直接發(fā)命令，PLC主要完成輸出控制、數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)判別及實(shí)時(shí)傳輸機(jī)器人工作狀態(tài)，各機(jī)器人與PC機(jī)、PLC之間通過構(gòu)建的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。每個(gè)機(jī)器人上裝有GPS可以隨時(shí)看機(jī)器人的位置，并且可以進(jìn)行故障檢測(cè)、看見異物報(bào)警、清潔度檢查評(píng)分。機(jī)器人清潔過程中出現(xiàn)故障無法工作時(shí)啟動(dòng)冗余控制器使之回到制定位置。

高樓清道夫的設(shè)計(jì)原理是利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)建一個(gè)墻面清潔機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)，可以通過PC機(jī)或者PLC對(duì)每個(gè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控以及控制，設(shè)置冗余機(jī)制可以使每個(gè)機(jī)器人在完成任務(wù)后回到起點(diǎn)。此機(jī)器人各組成成分由爬行機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)真空模塊等構(gòu)成。爬行機(jī)構(gòu)由點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)連桿，模仿壁虎的爬行動(dòng)作。氣動(dòng)真空模塊由真空器產(chǎn)生真空，是吸盤產(chǎn)生足夠的吸附力，使機(jī)器人吸附在玻璃上。擦玻璃模塊由點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)擦玻璃動(dòng)作。底腳自動(dòng)噴水機(jī)構(gòu)由在接近底腳處的支架根部設(shè)置洗滌劑以及水，自動(dòng)切換水來完成。氣動(dòng)真空模塊由真空器產(chǎn)生真空，使吸盤產(chǎn)生足夠吸附力，吸附在墻上。擦玻璃模塊由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴水。移動(dòng)模塊如四足動(dòng)物移動(dòng)類似，先移動(dòng)一側(cè)，呈之字型移動(dòng)。還有故障檢測(cè)機(jī)構(gòu)、看見異物報(bào)警、清潔度檢查評(píng)分等機(jī)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)過程涉及到的技術(shù)：機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)器人控制技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。

4 需要解決的重點(diǎn)問題

4.1 設(shè)計(jì)問題

對(duì)目前常用機(jī)器人結(jié)構(gòu)、清洗裝置、安全保險(xiǎn)裝置及控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，使之體積小、重量輕、吸附力強(qiáng)、清潔速度快、效率更高、操作簡(jiǎn)單、成本更低。對(duì)清潔機(jī)器人利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)建一個(gè)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)分布式控制。對(duì)PC機(jī)中的監(jiān)控界面設(shè)計(jì)，使之方便操作，獲取信息準(zhǔn)確，及時(shí)了解各機(jī)器人的工作狀態(tài)且能進(jìn)行及時(shí)進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)移動(dòng)和邊際探測(cè)，以及水的輸送和回收。

4.2 價(jià)格問題

如今的高空清理機(jī)器人的價(jià)格在幾千元左右，然而這種價(jià)格對(duì)于普通的家庭來說是不小的負(fù)擔(dān)。因此如何實(shí)現(xiàn)價(jià)格的親民化，也是我們需要解決的問題之一。

4.3 突發(fā)問題

高樓的幕墻可能過高，因此會(huì)導(dǎo)致水壓不夠。且機(jī)器人要避免被水淋壞等突發(fā)問題。

5 總結(jié)

以機(jī)器代替手工的科技發(fā)展已經(jīng)成為當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)之一。近年來在國內(nèi)外人工智能科技興起并不斷發(fā)展，科技改變了我們的生活，人工智能的手段已經(jīng)不僅僅局限于大型的制造業(yè)，它已經(jīng)融入了我們生活的每個(gè)角落，就像我們所研究的“高空清道夫”智能機(jī)器人，它不僅為高空作業(yè)帶來了便利和效率，還可以應(yīng)用于我們家庭生活中。基于人工智能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)涉及多方面的理論、方法和技術(shù)，“高空清道夫”智能機(jī)器人還有許多新的問題需要解決，需要在實(shí)際應(yīng)用中不斷積累和完善，還需要做進(jìn)一步的研究和開發(fā)。

參考文獻(xiàn)

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