張 航，劉超峰，方 彤，董 成，周倪敏，劉 杰

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化明顯加快，城市中的高樓大廈也日益增多，玻璃幕墻面、瓷磚面、石磚面、金屬墻面等作為高樓外墻主要結(jié)構(gòu)面而被廣泛應(yīng)用。這些外墻面常年暴露在外，易受到大氣、塵垢和雨水等污染，這些外墻表層會積累污漬而失去光澤，影響建筑物的美觀性甚至造成侵蝕損壞，因此需要對這些外墻面進(jìn)行定期清洗。

高樓外墻清潔工作日益繁重，目前主要以傳統(tǒng)人工清潔作業(yè)（也稱為“蜘蛛人”）為主，清潔工人搭乘吊籃，或使用升降平臺，或腰系安全繩索，挎著水桶拿著刷條和橡膠刮條進(jìn)行高空清污作業(yè)，一段一段地向下洗，清潔工具和其他設(shè)備均較為簡單，高空作業(yè)危險性高，安全性保障不足。這樣的清潔作業(yè)方式雖然在一定程度上操作簡單，但人工清潔效率較低、成本較高，并且還存在極大的人身安全隱患，這種清潔方式必將被淘汰。

目前，國內(nèi)外各大高校、科研機(jī)構(gòu)、科技企業(yè)等均在研發(fā)高樓外墻清潔機(jī)器人［1］，大多都正處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)測試階段，技術(shù)不成熟，市場化推廣進(jìn)程還需要一段時間，其主要難點(diǎn)是復(fù)雜的樓面環(huán)境及高空遠(yuǎn)距離操作與控制。傳統(tǒng)外墻清潔機(jī)器人的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)是滾刷刷洗與接觸式爬行運(yùn)動，輪式、腳足式、履帶吸盤式［2-4］等接觸式爬行主要依靠靈敏的傳感器、較復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及良好的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動。接觸式運(yùn)動具有一定的技術(shù)研究價值，但其實(shí)用性有所限制。滾刷刷洗的轉(zhuǎn)速不高，刷洗次數(shù)較低，直接影響清潔效果，其體積與結(jié)構(gòu)較為粗大笨重，會影響機(jī)器整體的平穩(wěn)性。本文基于前人研究，提出一種新型高樓外墻清潔機(jī)器人，其在升降運(yùn)動方式（非接觸式）、越障技術(shù)（傳感器+越障輪）、清洗技術(shù)（高效盤刷）以及操作控制技術(shù)上都具有一定的創(chuàng)新性及研究價值。要進(jìn)一步滿足清潔行業(yè)需求，需增強(qiáng)該清潔機(jī)器人的實(shí)用性。

1 工作環(huán)境與功能指標(biāo)

分析清潔工作環(huán)境是開發(fā)機(jī)器人的首要工作，確保所研發(fā)的機(jī)器人能應(yīng)對環(huán)境并滿足功能需求。城市常規(guī)大樓的高度大多集中在60m、100m 左右，150m 及以上較為稀少，有居民樓、辦公寫字樓以及商業(yè)大樓等。常規(guī)高樓的外墻結(jié)構(gòu)一般是玻璃幕墻、石墻、金屬墻、磚墻，其表面污質(zhì)主要為灰塵、雨水垢等，初步確定以150m 以下高度的大樓為工作環(huán)境目標(biāo)，根據(jù)高樓的樓頂、樓面以及樓底環(huán)境提出清潔機(jī)器人的功能需求：①要求清潔機(jī)器人能在樓面上下及左右運(yùn)動；②針對多種類型的外墻面，機(jī)器人均有良好的清潔質(zhì)量，增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性；③對于常規(guī)的樓面橫條障礙，機(jī)器人均有可靠的越障能力；④機(jī)器人與地面要有良好的通信與控制管理，確保機(jī)器人具有良好的響應(yīng)性、穩(wěn)定性及可靠性。要求機(jī)器人實(shí)現(xiàn)輕量化，以便于工人搬運(yùn)操作。

2 總體技術(shù)方案

2.1 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案

根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境及功能需求，初步確定總體設(shè)計(jì)方案，其功能組成可分為機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)兩大類，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。對清潔機(jī)器人整體進(jìn)行可行性研究分析，可以確定方案的科學(xué)性、安全性及可行性。針對樓頂、樓面與樓底的三大工作環(huán)境進(jìn)行分析，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對清潔機(jī)器人的功能模塊及輔助功能模塊進(jìn)行具體的三維模型建立，進(jìn)一步分析機(jī)器的總體結(jié)構(gòu)情況，為后續(xù)理論分析及樣機(jī)加工制造提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。三維模型如圖2、圖3 所示。

Fig.1 Robot structure design process圖1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

Fig.2 Three dimensional model of cleaning machine圖2 清潔機(jī)整體三維模型

Fig.3 Modeling of cleaning robot platform圖3 清潔機(jī)器人平臺建模

2.2 盤刷濕式清潔技術(shù)

濕式清潔是應(yīng)用最廣泛的清潔技術(shù)，其操作簡單、成本最低以及便于實(shí)現(xiàn)自動控制。濕式清潔機(jī)理是運(yùn)用物理力摩擦與清水（或可根據(jù)污質(zhì)配合化學(xué)藥劑）混合摩擦清洗，使污質(zhì)脫離物體表面以達(dá)到清潔目的，因此將濕式清潔方式應(yīng)用于外墻清潔是可行的。目前，外墻清潔機(jī)的清潔方式基本是滾刷加噴淋，滾刷與盤刷比較而言，還是盤刷的性能更加優(yōu)越［5-6］。具體如表1 所示。

Table 1 Application comparison of disk brush and roller brush in exterior wall cleaning表1 盤刷與滾刷在外墻清潔上的應(yīng)用比較

根據(jù)以上分析，選用盤刷清潔是最優(yōu)方案。該清潔機(jī)器人采用的清潔工作原理是：將清水與清潔液霧化（霧化水顆粒直徑尺寸約為0.06mm），將水霧與清潔液霧混合噴灑至墻面，然后由盤刷進(jìn)行刷洗，在清潔液和盤刷的刷洗作用下，灰塵等其他污質(zhì)會脫離玻璃面，最后達(dá)到清潔玻璃的效果。如圖4 所示。清潔機(jī)器人可以上下雙向進(jìn)行清洗作業(yè)，清潔劑自身攜帶5L 容積的水箱，用水量較大，需從外部樓頂拉水管供水，其外部與機(jī)器內(nèi)部水路系統(tǒng)圖如圖5 所示?？梢愿鶕?jù)墻面的臟污情況更換噴頭調(diào)節(jié)水量，或者是采用扇形噴淋的方式加大水量，用水量是影響清潔質(zhì)量的重要因素之一。

Fig.4 Working principle of cleaning圖4 清潔工作原理

盤刷清潔方式在玻璃幕墻、石墻、金屬皮墻面、磚墻面等墻面清潔上是可行的。調(diào)研分析可得，尼龍絲材質(zhì)的刷毛具有良好的耐磨性、柔軟性及自潔性（一般的污漬不會粘附在尼龍絲上），其在玻璃面、石墻面、金屬皮墻面均有良好的清潔性，旋轉(zhuǎn)飛起的刷毛可以進(jìn)一步消滅邊角邊框以及縫隙等“清潔死角”，本方案選定尼龍絲作為刷毛。根據(jù)盤刷的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與刷洗方式進(jìn)行分析，提出一對盤刷相向旋轉(zhuǎn)的清洗作業(yè)方式，不僅可以保障清潔機(jī)器人清洗工作時的平穩(wěn)性，也可以匯集污水于交合區(qū)并增加清洗寬度，進(jìn)而保證清潔質(zhì)量并提高清潔效率，如圖6 所示。根據(jù)多次組合測試實(shí)驗(yàn)，對得到的數(shù)據(jù)及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行整理與分析，得到影響清潔效果因素的最佳數(shù)據(jù)組合，其中有清潔機(jī)平臺的上下移動速度、盤刷上施加的壓力、盤刷轉(zhuǎn)速及用水量等。清洗實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，內(nèi)旋式雙盤刷在玻璃面上有良好清潔效果，如圖7 所示。

Fig.5 External water-electricity supply and robot internal waterway system圖5 外部供水電與機(jī)器人內(nèi)部水路系統(tǒng)

Fig.6 Internal rotating double disc brush cleaning test圖6 內(nèi)旋雙盤刷清潔測試

Fig.7 Experimental comparison of cleaning effect圖7 清潔效果實(shí)驗(yàn)對比

尼龍絲的粗細(xì)尺寸對清潔質(zhì)量有一定影響，定制多組不同尺寸的刷毛進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與清潔現(xiàn)象進(jìn)行分析可以得出，刷毛絲越粗，越僵硬，刷毛柔軟性與密集性下降，不利于刷毛絲緊密貼合到墻面上，則清潔質(zhì)量下降；刷毛越細(xì)就越柔軟，盤刷旋轉(zhuǎn)起來時，細(xì)軟的刷毛絲就會被甩飛起來，也不利于刷毛貼附到墻面，同時刷毛絲越細(xì)甩起來也越亂，揉成一團(tuán)，不便于清潔與整理。尼龍絲刷毛的粗細(xì)會影響本身的自潔性，越細(xì)則自潔性越差。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可以得出，刷毛絲直徑在0.15mm 左右的盤刷清潔性與自潔性最佳，同時也可以根據(jù)清潔需求，搭配不同尺寸與材質(zhì)的刷毛絲組合使用，進(jìn)一步滿足清潔需求并提高清潔質(zhì)量。具體實(shí)驗(yàn)對比如圖8 所示。

Fig.8 Comparison of different sizes of bristles圖8 不同尺寸刷毛絲對比

2.3 樓頂升降軟導(dǎo)軌平臺設(shè)計(jì)

與墻面接觸或非接觸是清潔機(jī)器人在外墻上的兩大運(yùn)動方式，接觸方式是機(jī)器與墻面吸附在一起，利用接觸的摩擦力平面二自由度運(yùn)動，主要依靠負(fù)壓吸附磁吸附等技術(shù)，這對墻面的材質(zhì)、粗糙度有所要求，在一定程度上限制了機(jī)器的適應(yīng)性。接觸式可以很自由地在墻平面內(nèi)運(yùn)動，不需要其他輔助設(shè)施，但其依靠較為復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)（輪足式、履帶式等），以及需要靈敏的傳感器和控制系統(tǒng)，制造成本較高，且發(fā)生故障的幾率較大，易造成高空事故，高空作業(yè)對機(jī)器的安全性要求極高，顯然此類運(yùn)動方式有待進(jìn)一步研究。非接觸式運(yùn)動基本采用升降輔助設(shè)施實(shí)現(xiàn)機(jī)器人上下運(yùn)動及左右運(yùn)動，墻面二維度運(yùn)動較為不便，但是其安全性、平穩(wěn)性較高，且研發(fā)成本低，極為實(shí)用。因此，本方案采用卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行單點(diǎn)升降運(yùn)動，且可用變頻器或減速箱極為方便地對卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行速度調(diào)節(jié)［7-8］。為適應(yīng)樓頂環(huán)境，本方案設(shè)計(jì)了兩種架子，一種由鋁合金型材拼接而成，另一種由鋼材焊接而成。相比較而言，鋼材焊接的架子實(shí)用性更好，鋼材結(jié)構(gòu)性比鋁合金要高很多，更為重要的是焊接而成的架子搭建十分方便，省時省工，具體如圖9 所示。

Fig.9 Structural drawing of elevator frame圖9 升降機(jī)架子結(jié)構(gòu)

城市為樓群結(jié)構(gòu)，大多數(shù)樓群在60m 左右，也即60m 以下風(fēng)力基本很小。但是高于60m 以上或者是100m 以上的高空風(fēng)力是低空的幾倍甚至幾十倍，因此高空作業(yè)必須考慮風(fēng)力影響。卷揚(yáng)機(jī)單線牽引機(jī)器上下運(yùn)動中，機(jī)器在XYZ 方向均有自由度，風(fēng)力干擾會使機(jī)器擾動起來。為避免此類現(xiàn)象，可在機(jī)器中引入導(dǎo)軌繩，將其限制在上下單向運(yùn)動中，進(jìn)一步提高機(jī)器的作業(yè)平穩(wěn)性。導(dǎo)軌繩需具有一定彈性，可選用尼龍繩，捆綁導(dǎo)軌繩時需繃緊，給予導(dǎo)軌繩一定的預(yù)緊力?？筛鶕?jù)風(fēng)力大小及機(jī)器平穩(wěn)性適當(dāng)增加導(dǎo)軌繩數(shù)量，具體如圖10 所示。

Fig.10 Schematic diagram of wind resistance of guide rope圖10 導(dǎo)軌繩抗風(fēng)受力示意圖

2.4 越障技術(shù)設(shè)計(jì)

清潔機(jī)器人平臺是實(shí)現(xiàn)清潔目標(biāo)的主體，其中融合了盤刷清潔結(jié)構(gòu)、越障結(jié)構(gòu)、四旋翼結(jié)構(gòu)、水路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及框架結(jié)構(gòu)，清潔機(jī)器人的越障功能需依靠機(jī)器平臺結(jié)構(gòu)支撐輔助才能實(shí)現(xiàn)。越障運(yùn)動涉及機(jī)器平臺結(jié)構(gòu)支撐、超聲波測距單元檢測、四旋翼控制系統(tǒng)主控、越障輪機(jī)械結(jié)構(gòu)安全保障與輔助［9-11］。越障是機(jī)器平臺對障礙的跨越，主要是盤刷清潔結(jié)構(gòu)對墻面橫欄的跨越。機(jī)器平臺框架采用鋁合金型材拼接而成，其優(yōu)點(diǎn)在于型材上有安裝槽，便于機(jī)器拼裝。清潔盤刷由加工定制而成，盤刷電機(jī)選用57 與42 無刷直流減速電機(jī)，無刷電機(jī)性能良好穩(wěn)定。采用超聲波傳感器回波測位原理進(jìn)行障礙物檢測，利用卡爾曼濾波算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，減小誤差，提供更加可靠的距離數(shù)據(jù)。四旋翼控制是基于無人機(jī)技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用的，不僅可以調(diào)節(jié)風(fēng)壓力，也可以配合軟導(dǎo)軌適當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)器平臺的姿態(tài)，確保機(jī)器平穩(wěn)作業(yè)［12-16］。越障輪支架選用鋁合金材質(zhì)，輪子采用塑料材質(zhì)，輪胎面選用柔軟的橡膠材質(zhì)，起緩沖作用以減少碰撞對機(jī)器平臺產(chǎn)生的沖擊，也有減重作用。

越障運(yùn)動是基于四旋翼控制技術(shù)、超聲波測距技術(shù)［17-18］以及越障輪機(jī)械結(jié)構(gòu)協(xié)同配合實(shí)現(xiàn)，清潔時需要四旋翼提供風(fēng)壓力（四旋翼給機(jī)器平臺提供的風(fēng)壓力轉(zhuǎn)接為盤刷壓力，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為清潔所需的摩擦力，如圖11 所示），越障時需要四旋翼減小風(fēng)壓力，風(fēng)壓力調(diào)節(jié)由超聲波測距單元檢測到墻面橫欄障礙時將信號發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將信號發(fā)送給電調(diào)，從而調(diào)節(jié)四旋翼電機(jī)轉(zhuǎn)速，減小風(fēng)壓力，并且在軟導(dǎo)軌的彈性力恢復(fù)作用下，機(jī)器平臺將遠(yuǎn)離墻面，進(jìn)而完成越障運(yùn)動。超聲波傳感器安裝在框架的4 個角落上，越障輪機(jī)械結(jié)構(gòu)主要起安全保險輔助作用，盤刷圓盤基體被保護(hù)在越障輪滾動軌跡之內(nèi)（見圖12），可避免盤刷基體與墻面橫欄相撞?？梢员ＷC在傳感器發(fā)生故障的情況下，機(jī)器仍能順利完成越障，增加清洗作業(yè)安全性。并且，越障輪的滾動也可以輔助機(jī)器平穩(wěn)平滑地完成越障。具體的越障運(yùn)動過程前、中、后狀態(tài)測試如圖13所示。

Fig.11 Schematic diagram of quadrotor wind pressure圖11 四旋翼風(fēng)壓力示意圖

Fig.12 Anti collision protection structure of brush wheel圖12 盤刷基體越障輪防撞保護(hù)結(jié)構(gòu)

Fig.13 Process test before，during and after obstacle crossing圖13 越障前、中、后過程測試

2.5 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)是機(jī)器人的關(guān)鍵核心，是協(xié)調(diào)控制清潔機(jī)器人各功能子系統(tǒng)有序運(yùn)行的發(fā)令者。該清潔機(jī)器人選用STM32 系列核心開發(fā)板［19-20］，其功能齊全、資源豐富，設(shè)計(jì)開發(fā)比較靈活。根據(jù)方案的功能需求，清潔機(jī)器人整體控制技術(shù)方案流程如圖14 所示。

Fig.14 System flow of cleaning robot control technology scheme圖14 清潔機(jī)器人控制技術(shù)方案系統(tǒng)流程

清潔機(jī)器人耗電量較大，自身攜帶電源很難實(shí)現(xiàn)，得從外部樓頂拉電線供電，確保供電充足。中央控制系統(tǒng)需協(xié)調(diào)控制好樓頂升降系統(tǒng)、樓面清潔機(jī)器人系統(tǒng)以及地面遙控器操作管理系統(tǒng)；機(jī)器人總體功能子系統(tǒng)豐富，功能硬件較多，具體的硬件接線原理如圖15 所示。

Fig.15 Overall wiring circuit of robot圖15 機(jī)器人總體接線電路

3 樣機(jī)研制與實(shí)驗(yàn)測試

對清潔機(jī)器人進(jìn)行三維建模分析，了解零部件外形規(guī)格型號并選購及定制，樓頂升降機(jī)架子采用鋼材焊接而成或者是利用鋁合金型材拼接搭建。軟導(dǎo)軌采用尼龍繩，機(jī)器人平臺框架結(jié)構(gòu)采用不銹鋼管焊接或者是鋁合金型材拼接而成。機(jī)器人平臺內(nèi)部功能零部件選擇合適的電機(jī)、水泵、電磁閥與控制板等；外形封裝及內(nèi)部隔層利用亞克力板進(jìn)行安裝；將零部件依次安裝至機(jī)器框架內(nèi)，安裝時注意內(nèi)部排列，保證機(jī)器平臺平衡穩(wěn)定，內(nèi)部做好水電隔離與防水處理。具體樣機(jī)如圖16 所示。

Fig.16 Schematic diagram of overall prototype圖16 整體樣機(jī)示意圖

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對清潔機(jī)器人的各功能子系統(tǒng)進(jìn)行功能實(shí)驗(yàn)測試，包括升降機(jī)上下運(yùn)動、水路噴霧系統(tǒng)、超聲波測距聯(lián)控四旋翼轉(zhuǎn)速、盤刷旋轉(zhuǎn)、越障測試、遠(yuǎn)程控制性能測試（有效距離及穿透建筑物能力）以及最后的控制系統(tǒng)響應(yīng)性。功能子系統(tǒng)核查調(diào)試完成后，對清潔機(jī)器人進(jìn)行整體聯(lián)調(diào)清潔測試。利用一些器材搭建墻面設(shè)置障礙模擬高樓外墻情況，具體如圖17 所示。

Fig.17 Laboratory cleaning test圖17 實(shí)驗(yàn)室清潔測試

清潔機(jī)器人在玻璃幕墻、大理石墻和金屬鋁皮墻均可進(jìn)行清洗現(xiàn)場測試。大樓高度在100m 以內(nèi)，全面真實(shí)地檢測清潔機(jī)器人的清洗工作性能，對于玻璃幕墻面、金屬墻以及大理石墻均有良好的清潔效果，以盤刷寬度h清洗下來的矩形面就是清洗的面積，卷揚(yáng)機(jī)設(shè)定清洗速度為v，則機(jī)器的清洗效率為q=hv。相較于人工清洗，機(jī)器的清洗效率是人工的好幾倍。經(jīng)現(xiàn)場多環(huán)境清洗測試，該清潔機(jī)器人均能正常進(jìn)行清洗作業(yè)，如圖18 所示。

Fig.18 Field cleaning test圖18 現(xiàn)場清洗測試

4 結(jié)語

高效、實(shí)用、低成本是該清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，先后通過實(shí)驗(yàn)測試及現(xiàn)場測試，充分說明該清潔機(jī)器人對于常規(guī)的高樓均可進(jìn)行有效清潔。清潔機(jī)器人原先的升降機(jī)輔助架子由鋁合金型材拼接改進(jìn)為鋼材焊接，極大縮短了安裝時間，也加強(qiáng)了架子對樓頂環(huán)境的適應(yīng)性；盤刷結(jié)合噴霧噴淋，足以應(yīng)對各種不同臟污程度的清洗需求，經(jīng)測試刷絲選用0.15mm 規(guī)格，自潔性與清潔性最佳；傳感器結(jié)合四旋翼及機(jī)械越障輪的輔助，對于常規(guī)高樓的橫條障礙均有良好的越障能力，極大提高了機(jī)器的安全性；手持式遠(yuǎn)程無線遙控器的使用更加便于操作。本文介紹的外墻清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)方案具有較好的可實(shí)施性與實(shí)用性，對于推動高樓清潔行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有一定研究價值。下一步將繼續(xù)從實(shí)用性角度出發(fā)對清洗機(jī)器人作進(jìn)一步完善，并深入研究不規(guī)則高樓外墻面清洗，推進(jìn)高空清潔行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。