悬挂式清洗机器人的设计与研究

刘杰辉+唐建祥

摘 要：文章介绍了国际上对高楼壁面清洗机械的研究成果与发展趋势，设计了一个吊挂与吸附相结合的机械结构，控制系统由传感器、执行器、监控器和通信网络等组成，该系统具有可靠性高、运行稳定、机械结构简单等诸多优点，大大提高了壁面清洗的效率。

关键词：清洗机器人；PLC控制；无线通讯；监控站

引言

随着现代都市的蓬勃发展，人们对建筑物美的需求日益迫切，很多高层采用玻璃作为建筑外幕，但也都为建筑外幕易脏且难清理所困扰，尤其是构造越复杂的建筑外幕清洗起来越困难，原来采用人工在吊篮中清洗的方式很难满足现代高大建筑物的清洗需要。在1966年日本大阪府立大学讲师首先开始了对垂直壁面上移动的机器人的研制[1]，随后美国、英国、意大利等国也都对壁面清洗机器人做出了相应研究[2-3]。

高楼外幕清洗机器人是有着确定功用的机器人，它作用在危险系数高且垂直于地面的高楼外壁，要自带清洗装备，是能够满足现代都市建筑外幕外部洗濯服务的极限工作机器人，它可以将人们从危险的高空作业环境中解脱出来，不仅可以避免事故的发生，减少人员伤亡，并且可以美化都市外貌，具有良好的发展空间。

现在国内外壁面清洗机器人运动方式大概有两类，一类是吸盘式的结构[4-5]，主要是使吸盘达到真空状态将机器人本体吸附在外壁上，采用相应的驱动方式进行运动控制；另外一种则采用吊挂式，使用吊塔及缆绳控制机器人清洗机构的位置与移动方向。本文要采用的是吊挂式和吸附式相结合的结构，提高了系统的稳定性与安全性。

1 机械结构

壁面清洗机器人在机械上为两大机构：楼房顶端的吊塔、机器人的清洗机构和水箱如图1。

1.1 楼顶吊塔

安放于楼房顶端的吊塔由悬臂、塔体、导轨三部分组成，悬臂部分可折叠，体积小，便于安放，方便搬运；塔体为三角形，稳定性好，又使拆卸与组装变得很方便；导轨固定于楼顶，并配备相应的配重，防止吊塔侧歪发生危险，导轨为可拼接导轨，可根据需要调整长度，使底座与机器人本体能水平运动。

1.2 机器人本体

壁面清洗机器人本体在由滚动刷、风机和吸盘、喷水系统、用过水循环、喷气系统等组成。

（1）滚动毛刷：在滚轴上安放毛刷，由滚轴的转动带着毛刷同步转动来洗涤表面。

（2）风机和吸盘：由于风机的吸力作用，使吸盘内产生负压而贴于建筑物表面，确保毛刷的清洗效果。

（3）喷水系统：系统用水泵和旋转喷头，使建筑物表面均匀湿润，有更好的洗涤效果。

（4）废水回收：废水过滤后返回水箱，使废水循环使用，节约水资源。

（5）喷气系统：采用风机连接气管，将表面水分吹干，以免再次粘连杂物、尘土。

2 控制系统构成

由于工作的需要，要同时满足机器的安全性和稳定性，可编程控制器具有良好的性能，满足工作需求，故机器人主体选取可编程控制器控制；在机器人本体上和钢索上安装速度传感器，通过传感器反馈，使机器上升速度与钢索收放速度同步；通过对PC端和遥控器命令的接收，控制机器人各个执行元件的开关，执行清洁任务。

2.1 机器人本体控制

机器人本体机构主要由滚动毛刷、水泵、风机及吸盘、速度传感器、喷气机构等组成。清洗过程是：风机启动后使吸盘内产生负压让机器人本体贴在建筑外幕，接着水泵启动，可旋转喷头喷水将建筑外壁湿润，随着水泵的开启滚动刷开始工作，当自下向上工作时毛刷逆时针转动，当自上到下工作时毛刷顺时针转动，清洁建筑物表面；最后喷气管喷出气体将表面风干，防止粉尘粘附。

2.2 监控系统

监控系统由PC端、手动遥控器和时观测摄像头组成。PC端站置于楼下控制室，作用是向机器人发送控制命令和接收机器人工作状态，还有接收机器人实时视频数据。机器人在高空作业时高度较高，用人眼观察要长时间仰头，人容易劳累，另外，由于高楼高度较高，人眼不能准确判断是否清洗干净，达到清洗要求。在PC端可以直接通过无线数据对摄像头的焦距进行调节，这样无论是机器人的清洗合格情况还是机器人本体情况都可以达到实时监控。操作人员可以直接的在PC端用鼠标就可以在控制界面进行清洗机器人的监控以及控制，另外遥控器也可以达到控制效果，两种控制使系统更灵活、更方便。

2.3 楼顶吊塔控制

在钢索和吸盘上安装速度传感器，通过传感器数据，确保清洗机主体吸盘的速度与钢索收放速度的同步性。最后由PLC控制两个电机的正反转和转速，分别控制着辊筒上钢索的收放和塔吊在轨道上平行移动，进而使机器人实现竖直和水平方向的运动。

3 硬件构成

因为高空壁面清洗作业在高空，进而对于机器人的稳定性和安全性要求相对较高，为满足机器人的需求，故采用性能稳定可靠性高的PLC对壁面清洗机器人进行控制，监控站采用PC作为控制平台。

可编程控制器（PLC）在控制领域应用相当广泛，尤其德国西门子（SIEMENS）公司PLC体积小、速度快，具有网络通信能力，功能更强，可靠性高。故本设计中我们选用西门子S7-300型号PLC。

（1）监控站：采用PC为计算机平台，由PC机远程监控端及机器人下位控制器（PLC）以及负责两者间无线数据传递的无线通讯设备组成，由PC机向机器人发送控制命令和接收机器人工作状态，还有接收机器人实时视频数据，达到对清洗机器人的实时视频观测。

（2）手持便携遥控器：通过遥控器上的按键可以直接控制机器人的上下左右各个方向的运动，另外，机器人的开始工作、停止以及急停都可通过遥控器实现。

（3）清洗机器人本体：采用西门子S7系列S7-300型號可编程控制器（PLC）作为控制器，PC端和遥控器发出的指令，经过无线接收设备的接收，进而控制机器人本体各个机构工作顺利进行。

（4）楼顶塔吊：与机器人本体共用一个 PLC 为控制器，塔吊上装有两个交流伺服电机，由 PLC控制两个电机的正反转和转速，分别控制着辊筒上钢索的收放和塔吊在轨道上平行移动，进而使机器人实现竖直和水平方向的运动。

4 PLC软件设计

该系统有两种控制模式：手动控制或自动控制；施工人员可以通过操作遥控器来控制清洗机器人，亦可通过PC与控制器的无线连接实现自动控制。

其中人员通过PC发出各项指令，也通过遥控器向机器人发出行动指令，这些指令通过无线通讯设备发到下位机控制器的无线接收模块中，机器人对运动指令进行解析，按照要求协调控制各子系统按照设定的工作模式，启动各种执行结构，同步控制电机旋转、水泵工作、真空吸盘、吊塔绳索伸缩、摄像头拍照等模块协同作业以完成墙壁清洗工作，并实时采集各传感器数据和图像数据，通过无线模块传给 PC 机以实现清洗机器人的实时监控功能[6]。其中，机器人的路径规划可自动设定，也可由远程工作人员通过操控遥控设定，更符合实际工作要求。

控制程序利用西门子公司开发的Step-7WIN编程软件来编辑程序，采用梯形图来编辑控制指令，有较好的通用性，并且容易理解。控制流程图如图2所示。

5 结束语

针对高层楼房外壁依赖人工方式危险系数高、工作效率低的问题，PLC自动控制系统在壁面清洗机器人上的应用，使壁面清洁的用时大大减少，提高了工作效率，缩减了劳动力数量，自动控制将使壁面清洗工作越发的安全，控制更加灵活。可以把人们从危险的高空作业环境中解脱出来，并能提高工作效率，降低清洗成本，具有很大的市场潜力和实用价值。

参考文献

[1]王园宇，武利生，李元宗.壁面清洗机器人发展趋势浅谈[J].引进与咨询，2002（6）.

[2]娄陇筑，郑敏志，雷志豪.壁面清洗机器人——“蓝色超人”的开发研制 [J].清洗世界，2003（9）.

[3]唐伯雁，刘荣.复杂弧面幕墙清洗机器人的自攀爬机构设计 [A].第四届中日机械技术史及机械设计国际学术会议[C].2004.

[4]Qian Zhiyuan， Zhao Yanzheng， Fu Zhuang， Cao Qixin. Design and realization of a non-actuated glass-curtain wall-cleaning robot prototype with dual suction cups[J]. Advanced Manufacturing Technology.Springer London Ltd.England， 2016，30（1-2）：147-155.

[5]徐东，杨鸣凯，齐文，等.竖直玻璃幕墙清洗机器人的设计[J].中国科技信息，2015（8）.

[6]王巍，唐博雁.倒锥面高层玻璃幕墙清洗机器人设计[J].北京航空航天大学学报，2006（6）.

作者简介：唐建祥（1990-），男，碩士研究生，主要研究方向为机械制造及其自动化。