我国智能外墙清洁机器人发展及应用

周倪敏 刘超峰 刘杰 方彤 董成 张航

摘要：现代城市化发展造就了更多高层建筑，但也伴随着一系列非常繁重的清洗任务。智能外墙清洗机器人的使用，将极大程度上将人从高危、繁重的劳动环境中解放出来。近年来，我国建筑外表面清洁机器人获得了一定的发展，多家企业及高校就智能外墙清洁技术展开深入研究，但仍无法满足大规模市场需求。针对建筑清洁现状，结合智能外墙清洁关键技术及国內清洁市场行情，探究当前我国智能外墙清洁机器人发展及应用状况，为相关技术创新和产品研发提供参考。

关键词：外墙清洁;智能清洁机器人;传感技术;人工智能

DOI：10.11907/rjdk.192073 开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP301文献标识码：A 文章编号：1672-7800（2020）006-0053-04

0 引言

随着现代城市化的发展，城市高层及超高层建筑成为普遍现象。在外墙建设方面，这些建筑趋向于采用大面积的玻璃、铝板等作为墙面材料，这为城市景观增添了亮色。但常年曝露在外经历风吹雨打日晒的建筑外墙表面会严重风化并积累大量污垢，不仅影响其美观，更会降低其使用寿命。因此，定期清洁维护现代建筑外墙尤为重要。

迄今为止，国内本土房屋建筑面积近600亿m²，其中外墙占5%，且逐年递增，假如按2-3元/m²的收费标准每年清洗一次计算，国内幕墙清洗市场规模也达到近百亿。这个近百亿的市场规模，却长期依赖于3种清洁方式：“蜘蛛人”运用吊绳、吊板、水桶进行清洗;借助升降平台、吊篮等工具移动工人至指定位置进行清洗;楼顶吊索轨道系统将插窗机对准窗户进行清洁。前两种不仅效率低下且劳动强度及危险系数极高，第二种作业成本高，第三种初期投入高，要求其在建设时就将擦窗系统考虑在内，不符合现实。此外，我国老龄化不断加深，新一代年轻劳动者鲜有愿意从事一线清洁作业，且高空清洁对劳动者要求更高，因此极少有人选择从事该项工作。鉴于此，清洁市场迫切需要能够部分或者全部代替人工的清洁用机器，将人从繁重的工作环境中解放出来。

1 国内智能外墙清洁技术研究现状

随着时代的发展与科技的进步，国内外学者就智能外墙清洗模式纷纷提出各自的解决方案，相关研究成果涌现，许多专利已产品化甚至商业化。由于国外研究较早，且机器人技术较为成熟，故其高楼外墙智能清洁技术发展较快，与国内相比优势明显;国内研究起步较晚，相关产品依赖进口，研发技术也受限，但随着业内人士的不懈努力，近年来也已取得了长足进步。

1996年，上海大学特种机器人应用研究室提出了一种能行走于高层全封闭玻璃结构外墙的垂直壁面行走机器人。该机器人采用真空吸附方式、两组独立驱动的脚掌以及三层框架相对移动的结构设计。

在国家“863”高科技机器人计划资助下，1999年哈尔滨工业大学机器人研究所针对高层建筑玻璃幕墙的清洁，专门设计了单吸盘负压吸附结构的CLR-Ⅱ型壁面清洗机器人，其密封结构采用自行设计的气囊一弹簧组合的囊式气垫密封法，使得机器人在跨过壁面几毫米沟台的同时仍能维持可靠移动。

北京航空航天大学于2000年提出了一种灵巧擦窗机器人设计，该机器人采用滑动密封吸盘吸附及履带驱动的双车体结构，利用风机产生真空实现吸附。其独特的腰关节设计，赋予各单车体最大限度的独立运动能力;其肘关节设计实现了双车体间的协作运动，可实现越障和壁面转换运动。

上海交通大学于2006年开发出一种带滑动式吸盘的爬壁机器人，其采用柔性吸附机构作为密封装置的滑动式吸盘，可实时调整控制滑动吸盘吸附力，以适应不光整的玻璃幕墙表面，通过楼顶安全装置控制机器人遍历幕墙，极大程度简化了机器人系统。

哈尔滨理工大学设计了一种主要运用于中低层建筑的仿生爬壁机器人，依靠双柔索驱动机构和偏角检测机构，协调收放双柔索以实现机器人在玻璃幕墙上任意位置的移动。

哈尔滨工业大学采用螺旋桨产生压力吸附于壁面的玻璃幕墙清洗机器人，根据各旋翼产生的不同推力调整姿态，以适应不同倾斜程度的壁面，采用距离与视觉同步检测方式，准确定位障碍。

青岛科技大学通过夹紧装置中夹紧爪的交替夹紧和释放，配合竖直方向移动机构丝杠的往复运动实现玻璃幕墙清洗机器人的竖直方向运动。

天津理工大学采用新型简易无源负压机构实现智能擦窗爬壁机器人功耗降低与噪音减轻。

东南大学推出一种采用电动推杆腿足式吸盘吸附行走方式配合水雾喷淋及盘、滚刷双清洗方案的玻璃幕墻清洁机器人等。

虽然国内智能外墙清洁技术研究成果颇丰，但很多研究仍局限于理论范畴内，其实践应用还有待进一步加强。

2 智能外墙清洁关键技术及难点

2.1 传感技术

机器人需采用大量传感器以探测和识别周围环境，并由控制系统根据采集到的不同数据对应调整机器人工作策略。智能外墙清洁机器人在运动中高度依赖于传感技术，传感技术也直接关系到机器人智能程度。虽然我国传感器市场发展很快，但国内传感器技术与世界水平相比仍存有相当大的差距，传感精确度不高、技术低等问题直接导致机器人不能更快速准确地作出判断并采取应对策略。

例如机器人在外场工作时，不可避免地会受到风或其它因素干扰，加上工作过程中动作反作用力产生的姿态偏移，使得机器人无法正常实施清洁工作。因此，需要可靠的传感技术支持，确保机器人在空中能长时间维持稳定姿态。传感器在智能外墙清洁机器人中的应用如图1所示。

2.2 智能攀爬及越障技术

现代建筑风格良莠不齐，个性化建筑屡见不鲜，为适应各种不同外墙环境，机器人需要具备高度适应的越障技术与攀爬能力。

目前，外墙清洁机器人攀爬方式主要有自攀爬或依赖辅助机器通过绳索牵引的方式。其中，自攀爬方式又以磁吸附式、真空负压吸附式、足式移动、轮式移动等为主。

对于越障技术，由于楼盘与楼盘间风格迥异，故机器人每次工作环境都在变化。为了应对这些变化，机器人需要综合借助传感技术、机器视觉技术及图像处理技术等检测障碍物，同时与机器人的运动机构相配合，克服工作中的各种障碍。

2.3 能源供给技术

由于是高空作业，机器人需要维持较长的工作时间，故需要一定的能源储备。锂离子电池具有能量密度高、输出功率大、工作温度范围宽、充电效率高、可随时替换等优点;锂聚合物电池具有安全性能好（相比液态电芯电池）、厚度小、重量轻、容量大、内阻小、可定制形状等优点。但这两种电池均存在安全隐患，有随时爆炸的危险，且无法过大充放电，需要保护电路，又由于其生产条件高，故生产成本随之升高。

另一种供能方式是连接电线供能，可以随时保证机器人的能源供应。但由于是高空作业，需要储备与楼盘高度相仿的电线余量，以及伴随其后的线缆收放问题。

最理想的方式是无线充电。隔空充电是多家企业的终极目标，这类技术大多通过发射RF（射频）电波发挥作用，在电器上配备接收器，能够将接收到的电波转化为电能，从而完成充电;抑或是利用太阳能，由于机器人处于外场环境工作，对天气有一定要求，晴天利用太阳能储备能源也是一种较好方式。

2.4 清洗效率

作为一种替代人工的清洁用机器，其清洗效率是最重要的考核指标。目前，人工清洗每天工作8小时约能完成300～500m²的清洁工作量，机器需在相同时间内，保证使用安全、操作简便及清洗干净的前提下完成多名工人的工作量，才能在市场上有足够竞争力。

3 国内智能外墙清洁技术应用

为了加快智能外墙清洁技术研发与应用进程，国内众多大企业联合高校及国外先进企业致力于攻克各技术难点，研发了适用于国内建筑的智能外墙清洗机器人，取得了系列成果，更有一些产品成功应用于市场。

北京历途研制的历途机器人采用内置负压吸附设计和四旋翼设计，即使在运动过程中突遇横风，机器人也能紧贴外墙表面，并根据风速大小作出姿态调整;当机器人越障时，旋翼相应调节转速，同时利用向下的推力，保证机器人牢牢抓住墙面。此外，凭借自主研发的基于Linux的智能机器人操作系统配合搭载的传感器并运用视觉Slam技术和图像检测等技术，可对楼字外立面结构进行空间建模，智能识别楼宇表面材质，根据不同材质及污染程度，自动选择对应的清洗策略。

苏州艾士德的蓝天洁士擦窗机器人采用螺旋形清洗刷辊及推力风扇配合形式，其清洗刷分为对称设置的相互反向螺旋两段。采用变频辊刷电机及风扇电机，由摄像头采集墙面污垢颗粒图像并反馈至控制器，再由控制器通过比较器比较污垢颗粒大小，最后通过执行器控制调节辊刷电机及风扇电机转速，可根据外墙面上实际污垢颗粒大小进行清洗。当辊刷无法清洗污垢时，可通过机械手驱动铲板，对粘附力较强的污垢进行震动型铲除。

厦门华蔚的Plecobot机器人采用带背压吸盘的滑动吸盘组件的交替式吸附移动方式，这种方式相比于轨道式和无人机式更加灵活。利用滑动式吸盘本体、真空发生器及越障伸缩组件配合越障，将顶部连接的水电源管与保险绳合并，使其伴随机器人移动，确保Plecobot机器人能够不间断地获得能源供应。

厦门朴蜂历时九年研制了可自主学习的Ispider机器人，其控制系统由10个CPU组成神经元系统，以最快200Hz的反应速度，管理触觉、姿态、方向、速度、风压、识别等50多个传感器，以及40多个执行清洗和姿态控制的微型数字电机。第一次工作时，机器人会自动对建筑物外墙面情况进行学习，并通过GPRS与后台通信，清洗速度与人工持平。在此后工作中，由于机器已熟知墙面情况，清洗速度将会大幅提升，约可达到人工的10倍。Ispider通过毛刷和刮雨器工作臂交替伸缩落地方式，利用离心风机转速调整吸附压力，可同时具备清洗及攀爬越障能力。

煙台海特林与瑞士合作的SERBOT I非接触式高楼幕墙清洗机器人运用高压喷水技术清洗外墙，在输水过程中通过加热腔室加热液体，并通过软化水处理器降低水的硬度，后通过喷嘴喷射方式输出高压水流，借助喷射出的高压水流产生的反向推力带动喷杆作圆周运动，转动的喷杆带动喷嘴喷射出的高压水流形成大面积圆形清洗面。

4 结语

本文通过分析我国智能外墙清洁技术发展、关键技术及国内该领域主要企业与相关产品，探究国内智能外墙清洁技术最新发展境况。目前，国内智能外墙清洁技术尚不成熟，面对庞大的清洁市场，鲜有可靠的产品投人使用。国内研究人员主要以玻璃幕墙作为产品使用环境进行研发，玻璃幕墙作为一种美观实用的材料，将广泛运用于未来建筑，但风格迥异的建筑需要使用能适应各种复杂高楼环境的智能清洁机器人。随着将来传感技术、机器人移动技术、人工智能、无线充电等技术的蓬勃发展，势必会在智能外墙清洁行业掀起一场革命，工人将真正从高危劳动环境中解放出来。国内市场发展与智能外墙清洁技术应用分析，可为相关企业研发提供参考，对于促进我国清洁市场及相关技术领域发展具有积极意义。