“高空清道夫”智能机器人的研究和应用分析

刘海波+周璇+许晓春

摘 要：随着经济高速发展，越来越多拥有玻璃幕墙的高楼大厦出现了，从而带来的是如何清洁玻璃幕墙的问题。而市场上现有的清洁方式安全系数低、成本高昂，所以该文旨在利用现有的清洁机器人技术，将多个清洁机器人组成阵列，并使用PC机、PLC技术进行实时监控及行动路线的控制，使之具有高效、安全、廉价的特点。

关键词：高空玻璃幕墙 清洁机器人 PLC

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）12（b）-0002-02

近年来，由于改革开放的深入贯彻落实，国内经济飞速发展，城市里的高层建筑越来越多，各种各样的摩天大楼成为现代都市中一道美丽的风景。而玻璃幕墙由于具有采光性好、隔音隔热、保温防潮、抗风压强度大以及实用美观等优点，在高层建筑的外墙建设中被广泛使用。但是美中不足的是外墙玻璃容易沾染上水渍、粉尘或者其他污垢。为了保证建筑外观的整洁美丽，需要定期对玻璃壁面进行清洗，以美化市容市貌。特别是在很多城市先后推出政策规定每年必须对玻璃幕墙进行清洁后，如何安全高效的对玻璃幕墙进行清洁的问题越来越引人瞩目。

1 发展前景

目前高层建筑玻璃幕墙的清洗方法主要有两种，一种是依靠升降平台吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗，虽简便易行，但是劳动强度大，工作效率又低，属于高空极限作业，对人身安全及玻璃壁面都有很大的危险性。

另一种是用安装在楼顶的轨道及吊索系统将擦窗机对准窗户进行自动擦洗。这种方式初次投资成本较高（高达数百万元），并且要求必须在建筑物设计之初就要考虑擦窗系统，因而不能后期添加，此系统的弊端限制了其使用。

玻璃幕墙一般面积较大，大多处于几十米甚至上百米的高处，并且周围无可攀援的支架，这就使得高空对玻璃幕墙的清洗成为一项繁重、危险、耗资的工作。如果用人去清洗，花费高、不安全。再加上目前一些国家和地区已经通过立法对包括擦窗作业在内的人工高空攀爬进行了限制，寻找一种能够代替人，而又有一定灵活性和适用性的自动机器来完成清洁迫在眉睫。高层建筑清洗机器人正是在这种背景下应运而生。它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善工人的劳动环境，提高生产效率，也必将极大地推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。因此，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作。

2 相关产品分析

在国际上，几年前韩国一家公司发明了一个叫做WINDORO的玻璃清洁机器人，它利用钕磁铁将两个机器人分别紧贴在玻璃窗两面进行清洁，自带距离感应器和防坠落功能。对面窗挂有垫子的清洁器会跟随着磁石一并运行的方式。并且安装了人工智能，可自动识别玻璃窗的厚度和宽度，而设定进行清洁的方法，清洁完了后，會恢复到初始位置。在清洁的时候，机器人会自动定量喷射绿色清洁剂到玻璃窗上，能进一步增强清洁能力。

我国对于壁面移动机器人的研究工作起步较晚，但是发展较快。哈尔滨工业大学机器人研究所特种机器人研究室已研究开发成功负压吸附和磁吸附两个系列共5个品种，可对瓷砖和玻璃壁面进行清洗。北京航空航天大学与北京铁路局合作研制的擦窗机器人样机，有8个真空吸盘，用于北京西客站玻璃顶棚的清洗。上海科技大学机器人研究所研制的双足式爬壁机器人，与步行式两足机器人比较，结构较为简单。最近，北京航空航天大学将推进型壁面机器人附着于壁面上。但机器人本身不具有自主移动的功能，由装在楼顶的缆车通过缆绳拉动机器人上下移动，其移动机构不带动力，仅为四只导向轮，结构极其简单。

3 “高楼清道夫”技术分析

我们不妨假想一下，上述这些都是单个的机器人，如果将这些机器人投入实际应用，一幢十多层的高楼，使用这样一个机器人需要多长时间才能清理干净，并且现行的机器人的耗电量大，工作到一半出现损坏、关机的情况比比皆是，知道实际运行的问题所在，我们试图找出一种更优化的方案来清洁玻璃幕墙。

笔者提出的这项方案“高楼清道夫”主要是在现有玻璃墙清洁机器人的基础上进行改进，使之兼具体积小、重量更轻、吸附力强、清洁速度快、效率更高、操作简单、成本低的优点。

高楼清道夫主要是一组墙面清洁机器人阵列（根据实际清洁面积决定机器人个数），且清洁机器人阵列利用现场总线技术组成一个工业控制网络。此系统能够完成高楼墙面自动清洁，双向同时作业，并通过PC机和PLC对每个机器人的清洁过程进行实时监控。在PC机中完成对机器人运动控制运算、信息存储、状态可视化处理、对PLC发出一系列命令或对机器人直接发命令，PLC主要完成输出控制、数据采集、状态判别及实时传输机器人工作状态，各机器人与PC机、PLC之间通过构建的现场总线网络进行通讯。每个机器人上装有GPS可以随时看机器人的位置，并且可以进行故障检测、看见异物报警、清洁度检查评分。机器人清洁过程中出现故障无法工作时启动冗余控制器使之回到制定位置。

高楼清道夫的设计原理是利用现场总线技术构建一个墙面清洁机器人控制网络，可以通过PC机或者PLC对每个机器人进行实时监控以及控制，设置冗余机制可以使每个机器人在完成任务后回到起点。此机器人各组成成分由爬行机构、气动真空模块等构成。爬行机构由点击驱动连杆，模仿壁虎的爬行动作。气动真空模块由真空器产生真空，是吸盘产生足够的吸附力，使机器人吸附在玻璃上。擦玻璃模块由点击驱动实现擦玻璃动作。底脚自动喷水机构由在接近底脚处的支架根部设置洗涤剂以及水，自动切换水来完成。气动真空模块由真空器产生真空，使吸盘产生足够吸附力，吸附在墙上。擦玻璃模块由电机驱动，并且可以实现自动喷水。移动模块如四足动物移动类似，先移动一侧，呈之字型移动。还有故障检测机构、看见异物报警、清洁度检查评分等机构。实现过程涉及到的技术：机器人结构设计、机器人控制技术、现场总线技术。

4 需要解决的重点问题

4.1 设计问题

对目前常用机器人结构、清洗装置、安全保险装置及控制系统进行改进设计，使之体积小、重量轻、吸附力强、清洁速度快、效率更高、操作简单、成本更低。对清洁机器人利用现场总线技术构建一个工业控制网络，实现分布式控制。对PC机中的监控界面设计，使之方便操作，获取信息准确，及时了解各机器人的工作状态且能进行及时进行故障诊断和报警。实现机器的自动移动和边际探测，以及水的输送和回收。

4.2 价格问题

如今的高空清理机器人的价格在几千元左右，然而这种价格对于普通的家庭来说是不小的负担。因此如何实现价格的亲民化，也是我们需要解决的问题之一。

4.3 突发问题

高楼的幕墙可能过高，因此会导致水压不够。且机器人要避免被水淋坏等突发问题。

5 总结

以机器代替手工的科技发展已经成为当今时代发展的趋势之一。近年来在国内外人工智能科技兴起并不断发展，科技改变了我们的生活，人工智能的手段已经不仅仅局限于大型的制造业，它已经融入了我们生活的每个角落，就像我们所研究的“高空清道夫”智能机器人，它不仅为高空作业带来了便利和效率，还可以应用于我们家庭生活中。基于人工智能的设计与实现涉及多方面的理论、方法和技术，“高空清道夫”智能机器人还有许多新的问题需要解决，需要在实际应用中不断积累和完善，还需要做进一步的研究和开发。

参考文献

[1] 刘淑霞，赵言正，王炎.高楼壁面清洗机器人及相关技术的研究[J].自动化博览，1999（5）：22-25.

[2] 姚重彬.智能擦玻璃机器人的研究和应用分析[J].科技风，2015（15）：119-120.