孫浩銘 賀可濤 郭輝 薛凱峰
【摘 要】目前,玻璃幕墻普遍采取人工清潔方式,清潔成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大、清潔效率低,因此這需要使用爬壁機(jī)器人代替人進(jìn)行作業(yè)。綜上,本文介紹一種高效率的越障幕墻清潔機(jī)器人。這種幕墻越障清潔機(jī)器人包括機(jī)器人主框架,控制系統(tǒng),檢測系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng),圖傳系統(tǒng),清潔系統(tǒng)和污水收集處理系統(tǒng),最終實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃幕墻的清理。
【關(guān)鍵詞】玻璃幕墻清理;智能避障;STM32單片機(jī)
中圖分類號(hào): TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 2095-2457(2019)23-0023-002
DOI:10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.009
0 前言
有數(shù)據(jù)顯示,目前中國建筑面積為500億平方米,其中幕墻建筑面積占5%,每年新建幕墻達(dá)9000萬平方米。國內(nèi)的幕墻清洗市場規(guī)模在百億以上。這個(gè)有百億規(guī)模的市場,卻一直主要依賴三種清潔方式:
(1)常見的“蜘蛛人“一人,一繩,一板,一桶的常見方式。
(2)通過升降平臺(tái)、吊籃等工具承載清潔工清洗。
(3)樓頂?shù)跛鬈壍老到y(tǒng)將插窗機(jī)對(duì)準(zhǔn)窗戶進(jìn)行清潔。
前兩種效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、危險(xiǎn)性高,第二種作業(yè)成本高;第三種初期投入高,還需要在建設(shè)時(shí)就將擦窗系統(tǒng)考慮在內(nèi),因此并不現(xiàn)實(shí)。目前市面上最常見的是“蜘蛛人”人工清洗。高空幕墻清潔行業(yè)的從業(yè)者被稱為“蜘蛛人”,屬于高空作業(yè),是高風(fēng)險(xiǎn)的職業(yè)。有媒體報(bào)道,我國每年都有數(shù)以萬計(jì)的高空作業(yè)事故發(fā)生,其中死亡率高達(dá)80%以上。所以,機(jī)器人清洗代替人工清洗成為趨勢。
1 玻璃幕墻清潔機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)和功能
本幕墻越障清潔機(jī)器人主要包括機(jī)器人主框架,控制系統(tǒng),檢測系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng),圖傳系統(tǒng),清潔系統(tǒng)和污水收集處理系統(tǒng)。
主框架是其他系統(tǒng)的搭載主體。
控制系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器的控制中心,利用單片機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的程序?qū)z測系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng),清潔系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)進(jìn)行控制。使機(jī)器人具有手動(dòng)控制清潔和自動(dòng)清潔兩種模式。手動(dòng)控制清潔模式為工作人員根據(jù)圖傳系統(tǒng)傳輸回地面的墻壁實(shí)時(shí)圖像,進(jìn)行操控機(jī)器人對(duì)墻壁進(jìn)行清潔;自動(dòng)清潔模式為在單片機(jī)中寫入指定路線的程序,機(jī)器人按照指定路線清理墻壁。
檢測系統(tǒng)主要由傳感器組成,位于機(jī)器人前端,負(fù)責(zé)檢測樓體的邊緣,將信號(hào)傳給控制中心,控制中心控制運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)改變前進(jìn)線路,防止機(jī)器人掉落。
運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要由涵道,電機(jī)和車輪組成,涵道將機(jī)器人吸附在墻上,電機(jī)帶動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)使得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。
卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)包括外框架、電動(dòng)絞盤、滑軌、絲杠連桿A、滑塊--、滑塊二、繩索、水管、導(dǎo)線和定滑輪,所述滑軌、絲杠和連桿A均設(shè)置在外框架上,電動(dòng)絞盤與滑軌上的滑塊一相連,定滑輪與連桿A上的滑塊二相連,纏繞在電動(dòng)絞盤的鋼絲繩繞過定滑輪與機(jī)器人主框架相連。
圖傳系統(tǒng)主要由圖傳攝像頭,圖傳接收機(jī),圖傳發(fā)射機(jī)和顯示屏組成。圖傳攝像頭安裝在機(jī)器人頭部,下部安裝舵機(jī)輔助攝像頭上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)。圖傳發(fā)射機(jī)位于機(jī)器人上與攝像頭相連,將攝像頭拍攝的畫面轉(zhuǎn)化成電磁波信號(hào)為無線傳輸給圖傳接收機(jī)。圖傳接收機(jī)位于地面,接收發(fā)射機(jī)無線傳輸過來的電磁波信號(hào)有線傳輸個(gè)顯示屏。顯示屏也位于地面,與接收機(jī)相連接收接收機(jī)傳過來的信號(hào)轉(zhuǎn)化成圖像信息。整個(gè)系統(tǒng)各部分配合運(yùn)行完成將攝像頭所拍攝的圖像遠(yuǎn)距離傳輸在顯示屏上的功能。
清潔系統(tǒng)包括噴射裝置、滾擦裝置和刮擦裝置。噴射裝置設(shè)置在機(jī)器人主框架的上端,滾擦裝置和 刮擦裝置與純機(jī)械自適應(yīng)越障裝置相連。噴射裝置包括高壓噴頭、皂液泵、管道混合器、高壓離心泵和濃縮清潔液,各部件通過橡膠軟管相連,皂液泵將濃縮清潔劑泵入管道混合器,與水混合,混合后的清潔液經(jīng)高壓離心泵從高壓噴頭處泵向墻面。滾擦裝置包括遮擋裝置、傳動(dòng)裝置與滾刷裝置,遮擋裝置設(shè)置在滾刷裝置的上方,傳動(dòng)裝置與滾刷裝置連接,傳動(dòng)裝置由控制系統(tǒng)控制帶動(dòng)滾刷裝置轉(zhuǎn)動(dòng)。刮擦裝置為 “V”字型刮板, “V”字型傾角為15度,其下方開有小孔,小孔出水口通過橡膠軟管將污水導(dǎo)流至污水收集處理統(tǒng)。
污水收集處理系統(tǒng)包括污水收集裝置、液位傳感器和微型隔膜水泵。污水收集裝置與微型隔膜水泵通過橡膠軟管連接,刮擦裝置收集的污水在污水收集裝置中進(jìn)行儲(chǔ)存,液位傳感器設(shè)置在污水收集裝置內(nèi)檢測污水收集裝置的水位,當(dāng)水位達(dá)到預(yù)先設(shè)定的高度時(shí),微型隔膜水泵將儲(chǔ)存的水通過橡膠軟管泵入下水道。
純機(jī)械自適應(yīng)越障裝置主要包括放大機(jī)構(gòu)和限位機(jī)構(gòu)。放大機(jī)構(gòu)主要由長短彈簧組成,保證清潔系統(tǒng)時(shí)刻緊貼墻面。限位系統(tǒng)用于規(guī)范放大機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡。純機(jī)械自適應(yīng)越障裝置與清潔系統(tǒng)連接,控制清潔系統(tǒng)隨純機(jī)械自適應(yīng)越障裝置抬起或落下,使清潔系統(tǒng)的清潔面一直貼附于玻璃幕墻。
其大體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)
此機(jī)器人的優(yōu)勢在于以下幾點(diǎn):
(1)不僅僅局限于清潔玻璃幕墻,其他天然石材幕墻、金屬板幕墻、陶瓷幕墻均可清潔。
(2)機(jī)器人依靠位于四個(gè)角的涵道的強(qiáng)大吸力吸在墻上,因此要比采用磁吸附、真空吸盤等方法使機(jī)器人吸附在墻上的機(jī)器人要有更大的吸力,載重量更大,更加靈活。
(3)相對(duì)于其他機(jī)器人的單模式控制,本機(jī)器人具有手動(dòng)控制清潔和自動(dòng)清潔兩種模式。
(4)機(jī)器人具有的卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng),保證了機(jī)器人不會(huì)墜落,以免發(fā)生意外事故。同時(shí),樓頂卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng)可為機(jī)器人提供供水和供電,這將為機(jī)器人省去很大一部分重量,而且解決了機(jī)器人的續(xù)航問題。
(5)本機(jī)器人上安裝的圖傳系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)地面人員對(duì)機(jī)器人所處環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
(6)本機(jī)器人上安裝的的檢測裝置可以使機(jī)器人檢測到樓里邊緣進(jìn)而停止前進(jìn)并完成下一步命令。
(7)本機(jī)器人上的清潔系統(tǒng)對(duì)墻壁進(jìn)行清潔,刮鏟,污水處理系統(tǒng)對(duì)污水進(jìn)行回收處理。阻尼器與清潔系統(tǒng)連接使用,保證清潔裝置可以越過障礙物。
3 結(jié)論
本幕墻越障清潔機(jī)器人主要包括機(jī)器人主框架,控制系統(tǒng),檢測系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)系統(tǒng),卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng),圖傳系統(tǒng),清潔系統(tǒng)和污水收集處理系統(tǒng)。機(jī)器人靠涵道的吸力吸在墻上,靈活且具有越障功能。樓頂具有卷揚(yáng)機(jī)輔助系統(tǒng),卷揚(yáng)機(jī)繩索另一端固定在機(jī)器人上,保證了機(jī)器人不會(huì)墜落還可為機(jī)器人供水和供電。機(jī)器人上安裝的圖傳系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)地面人員對(duì)機(jī)器人所處環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控。機(jī)器人上安裝的檢測裝置可以使機(jī)器人檢測到樓里邊緣進(jìn)而停止前進(jìn)并完成下一步命令。清潔系統(tǒng)對(duì)墻壁進(jìn)行清潔,刮鏟,污水處理系統(tǒng)對(duì)污水進(jìn)行回收處理。純機(jī)械自適應(yīng)越障裝置與清潔系統(tǒng)連接使用,保證清潔裝置可以越過障礙物。各系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合運(yùn)行,具有成本低,效果好,易推廣使用等特點(diǎn)。
【參考文獻(xiàn)】
[1]梅燕民,彭光正,范偉.氣動(dòng)爬墻機(jī)器人[J].液壓氣動(dòng)與密封,2002(1):19-21.
[2]劉淑霞,王炎,徐殿國,等.爬墻機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用[J].機(jī)器人,1999,2.
[3]邵翌鑫.智能仿生玻璃清潔機(jī)器人造型設(shè)計(jì)及功能配置[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,17(2):278-280.
[4]王志勇,李松桀.智能爬墻機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作[J].電子技術(shù)與軟件工程,2016(20):134-134.
[5]邵浩,趙言正.用于玻璃幕墻清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2000,22(2):6-9.