白茂成 徐永祥 郭東升

摘要：介紹了一款自主研發(fā)的智能高樓外墻清潔設(shè)備。模仿人工外墻清洗模式而設(shè)計(jì)的擁有智能系統(tǒng)以及清洗流程的一款高樓外墻自主清潔設(shè)備。

關(guān)鍵詞：高樓外墻清潔 智能機(jī)器 清潔機(jī)器

一、研究背景

在超高層建筑物建設(shè)方面，根據(jù)2018年4月8日《日本經(jīng)濟(jì)新聞》報(bào)道，預(yù)計(jì)在今年，全世界將有約230座超高層建筑物竣工，同比增加60%，其中60%在中國(guó)的大中城市，即中國(guó)就約有138座。

亞洲其他新興國(guó)家也在爭(zhēng)先恐后地建設(shè)超高層大廈，吉隆坡、曼谷等城市都在推進(jìn)超高層建筑物開(kāi)發(fā)：阿聯(lián)酋的迪拜等地計(jì)劃中的超高層建筑物也有約30座。這些國(guó)家和地區(qū)人口的平均年齡低，城市地區(qū)就業(yè)人口持續(xù)增長(zhǎng)，寫(xiě)字樓和住宅需求快速膨脹，助推了超高層建筑物的出現(xiàn)，另外，由于企業(yè)業(yè)績(jī)良好也維持了堅(jiān)挺的需求。

隨著高層、超高層建筑物的不斷增加，市場(chǎng)對(duì)于高樓幕墻的保潔作業(yè)需求也將會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前全世界約有8000家左右的清潔用品供應(yīng)商，僅p、3M等清潔用品生產(chǎn)商每年的營(yíng)業(yè)額達(dá)數(shù)百億美元。其中歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家占了2/3的比率。其年產(chǎn)值超過(guò)500億美元。在這些國(guó)家，制定了清洗行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確保清潔行業(yè)的健康發(fā)展，并作為公共衛(wèi)生的一部分。但在這8000家左右的國(guó)際清潔用品供應(yīng)商中，僅僅只有5%的廠家進(jìn)入了中國(guó)市場(chǎng)。2004年5月，世界最大的清潔展覽會(huì)ISSA/INTERCLEAN在荷蘭舉行，展會(huì)吸引了來(lái)自世界上的大約3000家清潔用品供應(yīng)商的參與，但中國(guó)的參展商只有5家左右。由此可見(jiàn)，中國(guó)清潔行業(yè)發(fā)展空間很大。

在高層建筑外墻清潔方面，部分新式高層建筑在建筑初期考慮到后期的外墻清潔問(wèn)題，在內(nèi)部安裝了外墻清洗設(shè)備的軌道，但當(dāng)前大量的高層建筑在建設(shè)初期均未安裝相關(guān)軌道設(shè)備，因此在外墻清潔方面大多依然采用蜘蛛人進(jìn)行外墻的清潔，采用升降機(jī)、腳手架與蜘蛛人配合，對(duì)操作人員的技術(shù)要求具有較高的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)存在諸多的安全隱患，各國(guó)每年都會(huì)出現(xiàn)數(shù)起由于鋼絲繩斷裂、升降機(jī)故障等而導(dǎo)致擦窗工人被傾斜懸掛在高空、或從高空墜落的事故。

二、產(chǎn)品簡(jiǎn)介

本產(chǎn)品為自主研發(fā)的智能高樓外墻清潔設(shè)備，產(chǎn)品基于一個(gè)長(zhǎng)方體框架，通過(guò)模仿人工外墻清洗模式設(shè)計(jì)產(chǎn)品智能系統(tǒng)以及清洗流程。本產(chǎn)品由樓頂?shù)鯔C(jī)、拼裝導(dǎo)軌、升降尼龍繩和清洗機(jī)主體四部分組成，其中主體部分又由清洗系統(tǒng)、檢測(cè)控制系統(tǒng)、支撐穩(wěn)定部件三部分組成。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化處理具體體現(xiàn)為軌道小車(chē)運(yùn)行、機(jī)器越障處理、毛刷電機(jī)轉(zhuǎn)速控制等。

綜合樓頂?shù)鯔C(jī)、拼裝導(dǎo)軌配合升降尼龍繩對(duì)設(shè)備進(jìn)行吊掛升降及水平移動(dòng)：升降尼龍繩、封面支撐輪、螺旋槳葉和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備穩(wěn)定：通過(guò)緩沖臂履帶輪、壓力傳感器實(shí)現(xiàn)在不同表面樓面平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)作業(yè)：通過(guò)水泵、毛刷、刮板等組成的清洗系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)供水及清洗;通過(guò)圖傳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和外墻材質(zhì)檢測(cè)來(lái)調(diào)整清洗速度。

三、文獻(xiàn)綜述

本項(xiàng)目在人工外墻清洗機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)設(shè)計(jì)了適用于多種復(fù)雜情況的智能高樓外壁清潔機(jī)。作業(yè)時(shí)首先在樓頂靠近墻面位置固定好長(zhǎng)導(dǎo)軌，長(zhǎng)導(dǎo)軌兩端各固定一個(gè)電機(jī)，導(dǎo)軌上有運(yùn)行的軌道車(chē)，軌道車(chē)上帶有吊機(jī)和可以正反轉(zhuǎn)的電機(jī)。樓頂上通下兩根尼龍導(dǎo)軌繩作為設(shè)備運(yùn)動(dòng)的軌道、吊機(jī)上通下兩根尼龍升降繩并在其上附著水管和電線進(jìn)行供水供電。機(jī)器的清潔裝置由兩根導(dǎo)軌繩固定位置使其緊貼于與墻面，軌道車(chē)上的驅(qū)動(dòng)電機(jī)連接尼龍升降繩控制清潔裝置的上下運(yùn)動(dòng)，使清潔裝置完成清潔工作。當(dāng)清潔裝置完成上下一個(gè)單元的清潔任務(wù)后，軌道兩側(cè)電機(jī)控制軌道車(chē)吊機(jī)沿長(zhǎng)軌道橫向運(yùn)動(dòng)，軌道車(chē)通過(guò)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)向右（左）運(yùn)動(dòng)到下一個(gè)清洗單元，整體運(yùn)動(dòng)軌跡采用“s”形路線（即從樓底直線運(yùn)動(dòng)到樓頂，側(cè)移一個(gè)工作位置，然后再直線運(yùn)動(dòng)到樓底），采用倒“s”運(yùn)動(dòng)方式可更高效的完成清潔任務(wù)。

機(jī)器在清洗墻面時(shí)會(huì)遇到墻面連接之間的障礙，此時(shí)清潔裝置中的距離傳感器會(huì)將數(shù)據(jù)傳回到樓頂運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)分析判斷后控制履帶輪的折疊伸縮以及毛刷和刷板的收縮程度，從而保證清潔裝置穩(wěn)定順利的越過(guò)障礙繼續(xù)工作。

清潔裝置由樓頂向下運(yùn)動(dòng)，在遇到障礙時(shí)位于最底端的兩個(gè)履帶輪，其連接桿收縮系統(tǒng)設(shè)定距離后，折疊桿會(huì)控制輪帶面傾斜一定角度使履帶輪貼于障礙物表面，等履帶輪越過(guò)障礙后恢復(fù)到原狀態(tài)。接著裝置里的每一平行位置的刮板毛刷也會(huì)由連接的伸縮桿收縮一定距離依次通過(guò)障礙物，最后的兩個(gè)履帶輪以相同原理進(jìn)行伸縮折疊運(yùn)動(dòng)，這樣這個(gè)裝置經(jīng)過(guò)伸縮桿的調(diào)整可以平穩(wěn)順利的越過(guò)障礙。

本清潔機(jī)器中還加入了圖傳系統(tǒng)，清潔裝置中安裝了網(wǎng)絡(luò)攝像頭，攝像頭通過(guò)wifi無(wú)線信號(hào)將機(jī)器工作的實(shí)時(shí)畫(huà)面?zhèn)鞯讲僮髡叩囊苿?dòng)監(jiān)控端，從而達(dá)到監(jiān)控機(jī)器的工作情況，使機(jī)器工作中遇到問(wèn)題后能夠被操作者及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并解決。同時(shí)，終端軟件還可以通過(guò)圖像智能分析外墻材質(zhì)調(diào)節(jié)毛刷電機(jī)轉(zhuǎn)速。

另外，清洗液也進(jìn)行了配比，使得清潔更加簡(jiǎn)單徹底。

四、產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)

（一）效率優(yōu)勢(shì)

本產(chǎn)品相對(duì)于傳統(tǒng)作業(yè)具有明顯的效率優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)在以下方面：

工作時(shí)長(zhǎng)方面：本產(chǎn)品工作動(dòng)力由電機(jī)提供，所需的水源電源均來(lái)自樓頂，通過(guò)不間斷的供水，可實(shí)現(xiàn)持續(xù)工作。免去了人工作業(yè)休息和換用清潔工具的時(shí)間，工作時(shí)長(zhǎng)得到大幅提升，工作時(shí)長(zhǎng)是工作效率的基本保障，從而工作效率得到大幅提升。

有效工作面積方面：本產(chǎn)品對(duì)墻面的吸附主要靠設(shè)備自身重力將設(shè)備前可伸長(zhǎng)的機(jī)械手臂連接改良皮質(zhì)材料輪與墻壁緊密結(jié)合，且可在附墻臂的同時(shí)移動(dòng)定向工作。清洗單元也有突破性進(jìn)展，在清洗墻面的過(guò)程中清洗毛刷，且毛刷尺寸大，使得單位時(shí)間可清洗面積最大化，即有效工作面積增大。

工作穩(wěn)定性方面：在同樣的單位工作周期內(nèi)，使用機(jī)器的作業(yè)量也是固定的，不會(huì)忽高忽低。并且每一單位工作時(shí)間是固定化，玻璃幕墻的清潔率和完成度也高。

工作受制因素方面：傳統(tǒng)作業(yè)方式易受天氣、時(shí)令、季節(jié)、地域等因素的影響和限制，但本產(chǎn)品進(jìn)行作業(yè)的前提條件極其簡(jiǎn)單，受制因素少，可在嚴(yán)寒、高溫等極端天氣下進(jìn)行持續(xù)不間斷作業(yè)，極大地提高了工作效率。

綜上所述，經(jīng)過(guò)計(jì)算，產(chǎn)品的效率為傳統(tǒng)保潔的十倍左右。

（二）安全優(yōu)勢(shì)

材料方面：在主體材料的選取上，本產(chǎn)品另辟蹊徑，采用碳纖維以及金屬合金，不僅重量輕，而且繩索好固定。材料的輕巧，會(huì)減輕整個(gè)清潔機(jī)器的重量，使得升降更加便捷。再輔以繩索聯(lián)結(jié)，由此，產(chǎn)品的安全系數(shù)大大提高。本機(jī)器也有許多精密細(xì)小的零件，這些零件的材料就由鋁型材來(lái)制作。鋁型材具有優(yōu)良的抗腐蝕性、優(yōu)良的可機(jī)加工性、一定的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、可延展性和相應(yīng)的加工硬化率。

作業(yè)方式方面：本產(chǎn)品在作業(yè)方式上有別于傳統(tǒng)方式，墻壁結(jié)合采用可附著材料制成圓輪，萬(wàn)向橡膠輪可使機(jī)器按照要求朝既定方向運(yùn)動(dòng)，智能機(jī)械臂的移動(dòng)附著，進(jìn)行超高效作業(yè)。

控制方面：通過(guò)智能機(jī)械臂的移動(dòng)附著，實(shí)現(xiàn)超高效作業(yè)，作業(yè)全程控制采用APP遠(yuǎn)程監(jiān)控，減少人力操作，保證絕對(duì)安全。通過(guò)電路設(shè)計(jì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)爬壁清潔機(jī)器人在壁面上的移動(dòng)，有效地提高了清潔率。同時(shí)樓頂，部采用滑索固定，將固定裝置成本減至最低。操作和一般編程上來(lái)講，本產(chǎn)品與其他品牌機(jī)器人的體驗(yàn)差別不大，但控制系統(tǒng)用的是經(jīng)過(guò)多次調(diào)試優(yōu)化后的系統(tǒng)為。外圍組件豐富程度比較高，自配的爬行系統(tǒng)也很棒，引導(dǎo)作業(yè)效果比較好，而三維導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)和應(yīng)用使得安全系數(shù)大大提高，作業(yè)難度系數(shù)大幅下降。

五、結(jié)語(yǔ)

根據(jù)對(duì)呼和浩特市和天津市十家保潔公司的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，百分之八十保潔公司需要替代人工的保潔設(shè)備，并隨著國(guó)家政策的完善，政策門(mén)檻的提高，對(duì)與新型高樓保潔設(shè)備的需求將會(huì)越來(lái)越大。同時(shí)隨著對(duì)于工匠的重視度不斷提升，人工成本將會(huì)不斷增加，將會(huì)增加相關(guān)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)壓力。

而我們的高樓保潔設(shè)備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，提高清洗效率.也必將極大地推動(dòng)清洗業(yè)的發(fā)展.帶來(lái)相當(dāng)?shù)纳鐣?huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益。