湿式高楼外墙清洁机器人设计与研究

张 航，刘超峰，方 彤，董 成，周倪敏，刘 杰

（上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620）

0 引言

随着经济的快速发展，城市化明显加快，城市中的高楼大厦也日益增多，玻璃幕墙面、瓷砖面、石砖面、金属墙面等作为高楼外墙主要结构面而被广泛应用。这些外墙面常年暴露在外，易受到大气、尘垢和雨水等污染，这些外墙表层会积累污渍而失去光泽，影响建筑物的美观性甚至造成侵蚀损坏，因此需要对这些外墙面进行定期清洗。

高楼外墙清洁工作日益繁重，目前主要以传统人工清洁作业（也称为“蜘蛛人”）为主，清洁工人搭乘吊篮，或使用升降平台，或腰系安全绳索，挎着水桶拿着刷条和橡胶刮条进行高空清污作业，一段一段地向下洗，清洁工具和其他设备均较为简单，高空作业危险性高，安全性保障不足。这样的清洁作业方式虽然在一定程度上操作简单，但人工清洁效率较低、成本较高，并且还存在极大的人身安全隐患，这种清洁方式必将被淘汰。

目前，国内外各大高校、科研机构、科技企业等均在研发高楼外墙清洁机器人［1］，大多都正处于实验室研发测试阶段，技术不成熟，市场化推广进程还需要一段时间，其主要难点是复杂的楼面环境及高空远距离操作与控制。传统外墙清洁机器人的主要设计特点是滚刷刷洗与接触式爬行运动，轮式、脚足式、履带吸盘式［2-4］等接触式爬行主要依靠灵敏的传感器、较复杂的机械结构设计以及良好的控制系统实现机器人运动。接触式运动具有一定的技术研究价值，但其实用性有所限制。滚刷刷洗的转速不高，刷洗次数较低，直接影响清洁效果，其体积与结构较为粗大笨重，会影响机器整体的平稳性。本文基于前人研究，提出一种新型高楼外墙清洁机器人，其在升降运动方式（非接触式）、越障技术（传感器+越障轮）、清洗技术（高效盘刷）以及操作控制技术上都具有一定的创新性及研究价值。要进一步满足清洁行业需求，需增强该清洁机器人的实用性。

1 工作环境与功能指标

分析清洁工作环境是开发机器人的首要工作，确保所研发的机器人能应对环境并满足功能需求。城市常规大楼的高度大多集中在60m、100m 左右，150m 及以上较为稀少，有居民楼、办公写字楼以及商业大楼等。常规高楼的外墙结构一般是玻璃幕墙、石墙、金属墙、砖墙，其表面污质主要为灰尘、雨水垢等，初步确定以150m 以下高度的大楼为工作环境目标，根据高楼的楼顶、楼面以及楼底环境提出清洁机器人的功能需求：①要求清洁机器人能在楼面上下及左右运动；②针对多种类型的外墙面，机器人均有良好的清洁质量，增强环境适应性；③对于常规的楼面横条障碍，机器人均有可靠的越障能力；④机器人与地面要有良好的通信与控制管理，确保机器人具有良好的响应性、稳定性及可靠性。要求机器人实现轻量化，以便于工人搬运操作。

2 总体技术方案

2.1 清洁机器人总体设计方案

根据实际工作环境及功能需求，初步确定总体设计方案，其功能组成可分为机械结构系统与控制系统两大类，具体结构设计流程如图1 所示。对清洁机器人整体进行可行性研究分析，可以确定方案的科学性、安全性及可行性。针对楼顶、楼面与楼底的三大工作环境进行分析，运用计算机软件对清洁机器人的功能模块及辅助功能模块进行具体的三维模型建立，进一步分析机器的总体结构情况，为后续理论分析及样机加工制造提供数据基础。三维模型如图2、图3 所示。

Fig.1 Robot structure design process图1 机器人结构设计流程

Fig.2 Three dimensional model of cleaning machine图2 清洁机整体三维模型

Fig.3 Modeling of cleaning robot platform图3 清洁机器人平台建模

2.2 盘刷湿式清洁技术

湿式清洁是应用最广泛的清洁技术，其操作简单、成本最低以及便于实现自动控制。湿式清洁机理是运用物理力摩擦与清水（或可根据污质配合化学药剂）混合摩擦清洗，使污质脱离物体表面以达到清洁目的，因此将湿式清洁方式应用于外墙清洁是可行的。目前，外墙清洁机的清洁方式基本是滚刷加喷淋，滚刷与盘刷比较而言，还是盘刷的性能更加优越［5-6］。具体如表1 所示。

Table 1 Application comparison of disk brush and roller brush in exterior wall cleaning表1 盘刷与滚刷在外墙清洁上的应用比较

根据以上分析，选用盘刷清洁是最优方案。该清洁机器人采用的清洁工作原理是：将清水与清洁液雾化（雾化水颗粒直径尺寸约为0.06mm），将水雾与清洁液雾混合喷洒至墙面，然后由盘刷进行刷洗，在清洁液和盘刷的刷洗作用下，灰尘等其他污质会脱离玻璃面，最后达到清洁玻璃的效果。如图4 所示。清洁机器人可以上下双向进行清洗作业，清洁剂自身携带5L 容积的水箱，用水量较大，需从外部楼顶拉水管供水，其外部与机器内部水路系统图如图5 所示。可以根据墙面的脏污情况更换喷头调节水量，或者是采用扇形喷淋的方式加大水量，用水量是影响清洁质量的重要因素之一。

Fig.4 Working principle of cleaning图4 清洁工作原理

盘刷清洁方式在玻璃幕墙、石墙、金属皮墙面、砖墙面等墙面清洁上是可行的。调研分析可得，尼龙丝材质的刷毛具有良好的耐磨性、柔软性及自洁性（一般的污渍不会粘附在尼龙丝上），其在玻璃面、石墙面、金属皮墙面均有良好的清洁性，旋转飞起的刷毛可以进一步消灭边角边框以及缝隙等“清洁死角”，本方案选定尼龙丝作为刷毛。根据盘刷的旋转运动与刷洗方式进行分析，提出一对盘刷相向旋转的清洗作业方式，不仅可以保障清洁机器人清洗工作时的平稳性，也可以汇集污水于交合区并增加清洗宽度，进而保证清洁质量并提高清洁效率，如图6 所示。根据多次组合测试实验，对得到的数据及实验现象进行整理与分析，得到影响清洁效果因素的最佳数据组合，其中有清洁机平台的上下移动速度、盘刷上施加的压力、盘刷转速及用水量等。清洗实验现象表明，内旋式双盘刷在玻璃面上有良好清洁效果，如图7 所示。

Fig.5 External water-electricity supply and robot internal waterway system图5 外部供水电与机器人内部水路系统

Fig.6 Internal rotating double disc brush cleaning test图6 内旋双盘刷清洁测试

Fig.7 Experimental comparison of cleaning effect图7 清洁效果实验对比

尼龙丝的粗细尺寸对清洁质量有一定影响，定制多组不同尺寸的刷毛进行实验测试，对实验数据与清洁现象进行分析可以得出，刷毛丝越粗，越僵硬，刷毛柔软性与密集性下降，不利于刷毛丝紧密贴合到墙面上，则清洁质量下降；刷毛越细就越柔软，盘刷旋转起来时，细软的刷毛丝就会被甩飞起来，也不利于刷毛贴附到墙面，同时刷毛丝越细甩起来也越乱，揉成一团，不便于清洁与整理。尼龙丝刷毛的粗细会影响本身的自洁性，越细则自洁性越差。根据实验可以得出，刷毛丝直径在0.15mm 左右的盘刷清洁性与自洁性最佳，同时也可以根据清洁需求，搭配不同尺寸与材质的刷毛丝组合使用，进一步满足清洁需求并提高清洁质量。具体实验对比如图8 所示。

Fig.8 Comparison of different sizes of bristles图8 不同尺寸刷毛丝对比

2.3 楼顶升降软导轨平台设计

与墙面接触或非接触是清洁机器人在外墙上的两大运动方式，接触方式是机器与墙面吸附在一起，利用接触的摩擦力平面二自由度运动，主要依靠负压吸附磁吸附等技术，这对墙面的材质、粗糙度有所要求，在一定程度上限制了机器的适应性。接触式可以很自由地在墙平面内运动，不需要其他辅助设施，但其依靠较为复杂的机械结构（轮足式、履带式等），以及需要灵敏的传感器和控制系统，制造成本较高，且发生故障的几率较大，易造成高空事故，高空作业对机器的安全性要求极高，显然此类运动方式有待进一步研究。非接触式运动基本采用升降辅助设施实现机器人上下运动及左右运动，墙面二维度运动较为不便，但是其安全性、平稳性较高，且研发成本低，极为实用。因此，本方案采用卷扬机进行单点升降运动，且可用变频器或减速箱极为方便地对卷扬机进行速度调节［7-8］。为适应楼顶环境，本方案设计了两种架子，一种由铝合金型材拼接而成，另一种由钢材焊接而成。相比较而言，钢材焊接的架子实用性更好，钢材结构性比铝合金要高很多，更为重要的是焊接而成的架子搭建十分方便，省时省工，具体如图9 所示。

Fig.9 Structural drawing of elevator frame图9 升降机架子结构

城市为楼群结构，大多数楼群在60m 左右，也即60m 以下风力基本很小。但是高于60m 以上或者是100m 以上的高空风力是低空的几倍甚至几十倍，因此高空作业必须考虑风力影响。卷扬机单线牵引机器上下运动中，机器在XYZ 方向均有自由度，风力干扰会使机器扰动起来。为避免此类现象，可在机器中引入导轨绳，将其限制在上下单向运动中，进一步提高机器的作业平稳性。导轨绳需具有一定弹性，可选用尼龙绳，捆绑导轨绳时需绷紧，给予导轨绳一定的预紧力。可根据风力大小及机器平稳性适当增加导轨绳数量，具体如图10 所示。

Fig.10 Schematic diagram of wind resistance of guide rope图10 导轨绳抗风受力示意图

2.4 越障技术设计

清洁机器人平台是实现清洁目标的主体，其中融合了盘刷清洁结构、越障结构、四旋翼结构、水路系统、控制系统以及框架结构，清洁机器人的越障功能需依靠机器平台结构支撑辅助才能实现。越障运动涉及机器平台结构支撑、超声波测距单元检测、四旋翼控制系统主控、越障轮机械结构安全保障与辅助［9-11］。越障是机器平台对障碍的跨越，主要是盘刷清洁结构对墙面横栏的跨越。机器平台框架采用铝合金型材拼接而成，其优点在于型材上有安装槽，便于机器拼装。清洁盘刷由加工定制而成，盘刷电机选用57 与42 无刷直流减速电机，无刷电机性能良好稳定。采用超声波传感器回波测位原理进行障碍物检测，利用卡尔曼滤波算法对数据进行处理，减小误差，提供更加可靠的距离数据。四旋翼控制是基于无人机技术扩展应用的，不仅可以调节风压力，也可以配合软导轨适当调节机器平台的姿态，确保机器平稳作业［12-16］。越障轮支架选用铝合金材质，轮子采用塑料材质，轮胎面选用柔软的橡胶材质，起缓冲作用以减少碰撞对机器平台产生的冲击，也有减重作用。

越障运动是基于四旋翼控制技术、超声波测距技术［17-18］以及越障轮机械结构协同配合实现，清洁时需要四旋翼提供风压力（四旋翼给机器平台提供的风压力转接为盘刷压力，进而转化为清洁所需的摩擦力，如图11 所示），越障时需要四旋翼减小风压力，风压力调节由超声波测距单元检测到墙面横栏障碍时将信号发送给控制系统，控制系统将信号发送给电调，从而调节四旋翼电机转速，减小风压力，并且在软导轨的弹性力恢复作用下，机器平台将远离墙面，进而完成越障运动。超声波传感器安装在框架的4 个角落上，越障轮机械结构主要起安全保险辅助作用，盘刷圆盘基体被保护在越障轮滚动轨迹之内（见图12），可避免盘刷基体与墙面横栏相撞。可以保证在传感器发生故障的情况下，机器仍能顺利完成越障，增加清洗作业安全性。并且，越障轮的滚动也可以辅助机器平稳平滑地完成越障。具体的越障运动过程前、中、后状态测试如图13所示。

Fig.11 Schematic diagram of quadrotor wind pressure图11 四旋翼风压力示意图

Fig.12 Anti collision protection structure of brush wheel图12 盘刷基体越障轮防撞保护结构

Fig.13 Process test before，during and after obstacle crossing图13 越障前、中、后过程测试

2.5 控制系统设计

控制系统是机器人的关键核心，是协调控制清洁机器人各功能子系统有序运行的发令者。该清洁机器人选用STM32 系列核心开发板［19-20］，其功能齐全、资源丰富，设计开发比较灵活。根据方案的功能需求，清洁机器人整体控制技术方案流程如图14 所示。

Fig.14 System flow of cleaning robot control technology scheme图14 清洁机器人控制技术方案系统流程

清洁机器人耗电量较大，自身携带电源很难实现，得从外部楼顶拉电线供电，确保供电充足。中央控制系统需协调控制好楼顶升降系统、楼面清洁机器人系统以及地面遥控器操作管理系统；机器人总体功能子系统丰富，功能硬件较多，具体的硬件接线原理如图15 所示。

Fig.15 Overall wiring circuit of robot图15 机器人总体接线电路

3 样机研制与实验测试

对清洁机器人进行三维建模分析，了解零部件外形规格型号并选购及定制，楼顶升降机架子采用钢材焊接而成或者是利用铝合金型材拼接搭建。软导轨采用尼龙绳，机器人平台框架结构采用不锈钢管焊接或者是铝合金型材拼接而成。机器人平台内部功能零部件选择合适的电机、水泵、电磁阀与控制板等；外形封装及内部隔层利用亚克力板进行安装；将零部件依次安装至机器框架内，安装时注意内部排列，保证机器平台平衡稳定，内部做好水电隔离与防水处理。具体样机如图16 所示。

Fig.16 Schematic diagram of overall prototype图16 整体样机示意图

在实验室内对清洁机器人的各功能子系统进行功能实验测试，包括升降机上下运动、水路喷雾系统、超声波测距联控四旋翼转速、盘刷旋转、越障测试、远程控制性能测试（有效距离及穿透建筑物能力）以及最后的控制系统响应性。功能子系统核查调试完成后，对清洁机器人进行整体联调清洁测试。利用一些器材搭建墙面设置障碍模拟高楼外墙情况，具体如图17 所示。

Fig.17 Laboratory cleaning test图17 实验室清洁测试

清洁机器人在玻璃幕墙、大理石墙和金属铝皮墙均可进行清洗现场测试。大楼高度在100m 以内，全面真实地检测清洁机器人的清洗工作性能，对于玻璃幕墙面、金属墙以及大理石墙均有良好的清洁效果，以盘刷宽度h清洗下来的矩形面就是清洗的面积，卷扬机设定清洗速度为v，则机器的清洗效率为q=hv。相较于人工清洗，机器的清洗效率是人工的好几倍。经现场多环境清洗测试，该清洁机器人均能正常进行清洗作业，如图18 所示。

Fig.18 Field cleaning test图18 现场清洗测试

4 结语

高效、实用、低成本是该清洁机器人的设计特点，先后通过实验测试及现场测试，充分说明该清洁机器人对于常规的高楼均可进行有效清洁。清洁机器人原先的升降机辅助架子由铝合金型材拼接改进为钢材焊接，极大缩短了安装时间，也加强了架子对楼顶环境的适应性；盘刷结合喷雾喷淋，足以应对各种不同脏污程度的清洗需求，经测试刷丝选用0.15mm 规格，自洁性与清洁性最佳；传感器结合四旋翼及机械越障轮的辅助，对于常规高楼的横条障碍均有良好的越障能力，极大提高了机器的安全性；手持式远程无线遥控器的使用更加便于操作。本文介绍的外墙清洁机器人设计方案具有较好的可实施性与实用性，对于推动高楼清洁行业技术进步具有一定研究价值。下一步将继续从实用性角度出发对清洗机器人作进一步完善，并深入研究不规则高楼外墙面清洗，推进高空清洁行业技术进步。