一種玻璃幕墻清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)

唐雯珍，錢瑞明

(東南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 211189)

摘要：基于高樓大廈玻璃幕墻自動(dòng)化清潔的作業(yè)需求，提出了一款玻璃幕墻清潔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，給出了可以在玻璃幕墻上行走的遙控車主體以及清洗裝置等功能模塊的合理布局和詳細(xì)設(shè)計(jì)，并對(duì)吸盤吸附工況下的變形進(jìn)行了仿真分析，在理論上驗(yàn)證了其性能。該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，操作方便，清潔效率高，可實(shí)現(xiàn)高樓大廈的戶外玻璃幕墻清潔，解決了以往人工清潔存在的安全隱患。

關(guān)鍵詞：玻璃幕墻清潔機(jī)器人；機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；仿真分析

1 玻璃幕墻清潔機(jī)器人研究背景及現(xiàn)狀

玻璃幕墻是當(dāng)代的一種新型墻體，它賦予建筑的最大特點(diǎn)是將建筑美學(xué)、建筑功能、建筑節(jié)能和建筑結(jié)構(gòu)等因素有機(jī)地結(jié)合起來，建筑物從不同角度呈現(xiàn)出不同的色調(diào)，隨陽光、月色、燈光的變化給人以動(dòng)態(tài)的美。玻璃幕墻也存在著一些局限性，其作為一種戶外墻體，空氣中的粉塵、飛禽的排泄物會(huì)逐漸沉積到幕墻的表面，從而影響玻璃幕墻的美觀。

目前，玻璃幕墻普遍采取人工清潔方式，清潔成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大、清潔效率低，由此影響了玻璃幕墻的美觀，制約了其進(jìn)一步發(fā)展。而自動(dòng)化玻璃幕墻清潔代替人工清潔還有一段距離，當(dāng)前的玻璃幕墻清潔機(jī)器人樣機(jī)種類很少，清潔效果一般，并且只能針對(duì)全隱框玻璃幕墻，無越障功能。

圖1是一款履帶吸盤玻璃幕墻清潔機(jī)器人。履帶吸盤的抽氣裝置采用凸輪機(jī)構(gòu)，通過齒輪帶動(dòng)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。由于齒輪配合具有一定的傳動(dòng)比關(guān)系，安裝在凸輪上的氣嘴可以反復(fù)與吸盤氣嘴結(jié)合并進(jìn)行吸氣，吸盤本身內(nèi)置有杠桿排氣裝置，當(dāng)吸盤隨履帶運(yùn)動(dòng)到后輪時(shí)，吸盤內(nèi)的杠桿裝置頂開通氣閥門，空氣流入吸盤內(nèi)，吸盤內(nèi)部負(fù)壓解除。

圖1 履帶吸盤玻璃幕墻清潔機(jī)器人

采用多吸盤結(jié)構(gòu)會(huì)使得機(jī)器人吸附變得穩(wěn)定，但由于采用了履帶的傳動(dòng)方式，因而也限制了其只能清洗窗棱較低的玻璃幕墻，并且一旦吸盤壓到窗棱上，整個(gè)吸盤系統(tǒng)的吸附作用都會(huì)失效。

藍(lán)天潔士玻璃幕墻清潔機(jī)器人采用全氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式(如圖2所示)，水電為外部供給，降低了自身質(zhì)量。采用全氣動(dòng)帶來的問題是氣路會(huì)很復(fù)雜，工作可靠性低，同時(shí)機(jī)器人的清洗系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，清洗質(zhì)量有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖2 藍(lán)天潔士玻璃幕墻清潔機(jī)器人

藍(lán)天潔寶玻璃幕墻清潔機(jī)器人采用螺旋負(fù)壓吸附方式(如圖3所示)，結(jié)合頂部的輔助懸吊系統(tǒng)，其可在下降的過程中完成玻璃幕墻的清洗，但其只適用于全隱框玻璃幕墻，并不能跨越窗棱。

圖3 藍(lán)天潔寶玻璃幕墻清潔機(jī)器人

本設(shè)計(jì)要解決的主要技術(shù)問題是，研發(fā)一種可以實(shí)現(xiàn)高樓大廈玻璃幕墻清潔的機(jī)器人系統(tǒng)，代替人工進(jìn)行高效工作。其本體包括可以在玻璃幕墻上行走的遙控車主體、用于玻璃幕墻清潔的清潔裝置、放置在建筑樓頂部為機(jī)器人提供水電和安全保護(hù)的升降機(jī)輔助裝置、監(jiān)控機(jī)器人周圍環(huán)境與清潔效果的監(jiān)控裝置以及顯示監(jiān)控畫面的地面觀察裝置。

2 玻璃幕墻清潔機(jī)器人整體方案

玻璃幕墻清潔機(jī)器人要能夠自主完成清潔玻璃幕墻功能，其遙控車主體[1]必須具備能在壁面上吸附和行走兩個(gè)基本功能。目前的吸附方式主要有真空吸附[2]、磁吸附和黏性吸附。就當(dāng)前的研究水平而言，黏性吸附會(huì)在幕墻上留下痕跡，一般不用，且由于幕墻表面為非導(dǎo)磁性，因而玻璃幕墻清潔機(jī)器人宜采用真空吸附[2]方式，即依靠真空泵和管路在機(jī)器人和幕墻表面之間形成負(fù)壓。

本文設(shè)計(jì)的遙控車主體如圖4所示，吸盤11共有8個(gè)，4個(gè)一組，兩組吸盤之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)受導(dǎo)軌2約束，吸盤的抬起通過電動(dòng)推桿3來完成。機(jī)器人清洗系統(tǒng)采用盤刷9先進(jìn)行第一遍清洗，然后滾刷7進(jìn)行二次清洗。盤刷、滾刷與幕墻之間的力分別通過緩沖彈簧4和阻尼器6來保持。大廈頂部安裝有升降機(jī)輔助裝置，為機(jī)器人提供水電和安全保護(hù)，同時(shí)遙控車主體攜帶有攝像頭，用來監(jiān)控機(jī)器人周圍環(huán)境以及清潔效果。地面設(shè)有觀察裝置，用于顯示監(jiān)控畫面。

1—主體；2—導(dǎo)軌；3—電動(dòng)推桿；4—緩沖彈簧；5—滾刷電機(jī)；6—阻尼器； 7—滾刷；8—帶傳動(dòng)系統(tǒng)；9—盤刷；10—盤刷電機(jī)；11—吸盤

圖4 遙控車整體結(jié)構(gòu)

3 玻璃幕墻清潔機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 盤刷清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5所示為盤刷清洗系統(tǒng)[3]，電機(jī)6通過連接件7傳遞動(dòng)力到盤刷8。電機(jī)固定在固定支架4上。兩個(gè)固定支架之間連接有中間連接件5。整個(gè)盤刷清洗系統(tǒng)通過緩沖彈簧1、銅套2以及緩沖固定支座3可在垂直于本體方向上有一定的緩沖，實(shí)現(xiàn)垂直方向的減震功能。

1—緩沖彈簧；2—銅套；3—緩沖固定支座；4—固定支架；5—中間連接件；6—電機(jī)；7—連接件；8—盤刷

圖5 盤刷清洗系統(tǒng)

工作時(shí)，考慮到必須保證污水不濺出，因此將兩個(gè)盤刷設(shè)計(jì)為轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，使污水匯集到中間進(jìn)行收集。

3.2 滾刷清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖6所示為滾刷清潔系統(tǒng)，為了減小本體的寬度，滾刷清潔系統(tǒng)采用帶傳動(dòng)。

整個(gè)滾刷清潔系統(tǒng)通過兩側(cè)連接件7固定到本體上，同時(shí)為了提高連接件的剛性，在其下部連接有中間連接件3，電機(jī)2也固定在中間連接件3上，與盤刷清潔系統(tǒng)不同，滾刷清潔系統(tǒng)與本體之間通過阻尼器5、頂端固定件6連接。頂端固定件6與本體的連接有一定的調(diào)節(jié)范圍，方便調(diào)整滾刷4與幕墻之間的壓力。

1—帶傳動(dòng)系統(tǒng)；2—電機(jī)；3—中間連接件；4—滾刷；5—阻尼器；6—頂端固定件；7—兩側(cè)連接件

圖6 滾刷清洗系統(tǒng)

3.3 行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖7所示為行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。行走系統(tǒng)包括兩組吸盤，吸盤組1和吸盤組2。通過兩組吸盤的交替吸附以及相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成行走功能。

工作時(shí)，吸盤組1的電動(dòng)推桿工作，將吸盤壓緊在幕墻上，主電動(dòng)推桿緊接著工作，使得吸盤組2相對(duì)主體1運(yùn)動(dòng)到指定位置，接著吸盤組2的電動(dòng)推桿工作，如此循環(huán)，完成遙控車主體在幕墻上的行走功能。

圖7 行走系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.4 吸盤吸附過程應(yīng)力校核

吸盤是整個(gè)行走系統(tǒng)最為關(guān)鍵也是最為“脆弱”的部分，既要能夠穩(wěn)定地吸附，還要能夠在傾覆力矩[4]的作用下不失效[5]。

利用有限元軟件ANSYS，對(duì)吸盤模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的計(jì)算機(jī)仿真模擬計(jì)算及結(jié)果分析。

選用盤徑為50mm的吸盤，建立模型，設(shè)定吸盤網(wǎng)格大小為6mm，玻璃網(wǎng)格密度為4mm，為防止分析過程中發(fā)生穿透，玻璃表面設(shè)定網(wǎng)格密度為2mm，如圖8所示。

圖8 吸盤玻璃網(wǎng)格劃分

吸盤工作時(shí)，盤內(nèi)真空度小于-0.082MPa，每個(gè)吸盤承受本體的1/4質(zhì)量，上限100N，方向平行于玻璃幕墻，垂直向下。在兩種力的混合作用下，吸盤的等效應(yīng)力變形如圖9所示。從圖中可以看出，吸盤根部應(yīng)力集中明顯，但不影響吸盤其他部分完好地吸附，因而工作時(shí)，吸盤能夠很好地吸附在玻璃幕墻上，對(duì)于應(yīng)力集中現(xiàn)象，可以采用雙層波形吸盤，另外可以選用根部比較大的吸盤。

圖9 吸盤等效應(yīng)力圖

圖10所示為吸盤等效應(yīng)力的數(shù)據(jù)結(jié)果，最大等效應(yīng)力為6.988MPa，出現(xiàn)在吸盤根部區(qū)域，如圖9所示，這個(gè)結(jié)果遠(yuǎn)小于橡膠的拉伸強(qiáng)度極限。同時(shí)，結(jié)合圖11所示的吸盤總變形(1∶1)可知，吸盤的變形量很小，在機(jī)器人本體行走時(shí)不會(huì)出現(xiàn)傾覆的現(xiàn)象，理論上其可滿足使用要求。

圖10 吸盤等效應(yīng)力數(shù)據(jù)結(jié)果

圖11 吸盤總變形

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的玻璃幕墻清潔機(jī)器人利用真空吸盤吸附原理在墻面上行走，行走過程中兩套清潔系統(tǒng)會(huì)對(duì)墻面進(jìn)行兩次清潔，并且本體上載有監(jiān)控裝置，其拍攝到的圖像實(shí)時(shí)顯示在顯示器上，操作人員可通過顯示器看到機(jī)器人周圍的情況以及清潔效果。

本款機(jī)器人只在吸盤處采用氣動(dòng)方式，整個(gè)行走機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)推桿，結(jié)構(gòu)比藍(lán)天潔士機(jī)器人更為可靠；本款機(jī)器人更注重清洗效果，采用了兩套清洗系統(tǒng)，進(jìn)行二次清洗，相比履帶吸盤式、藍(lán)天潔士以及藍(lán)天潔寶機(jī)器人都具有優(yōu)勢(shì)；本款機(jī)器人吸盤具有抬起功能，能夠跨越30～50mm的障礙，可應(yīng)用于全隱框、半隱框、明框玻璃幕墻，應(yīng)用范圍更廣。本設(shè)計(jì)從理論上解決了高樓大廈玻璃幕墻的清潔難題，具體效果如何，有待樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

參考文獻(xiàn)：

[1] AISHWARYA S.Window cleaning robot[J].PC Quest,2013(4):69-71.

[2] ALMON C,HUDYJAYA S J,NAZIM M N,et al.A window climbing robot[C]//The 4th Mechanical and Manufacturing Engineering: selected,peer reviewed papers from the 4th International Conference on Mechanical and Manufacturing Engineering (ICME 2013),December 17-18,2013.Bangi-Putrajaya,Malaysia：Murat G K,2014:754-758.

[3] QIAN Zhiyuan,ZHAO Yanzheng,FU Zhuang,et al.Design and realization of a non-actuated glass-curtain wall-cleaning robot prototype with dual suction cups[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2006(1):301-302.

[4] SUNG M M,CHANG Y S,JAEMYUNG H,et al.Window cleaning system with water circulation for building facade maintenance robot and its efficiency analysis[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology,2015(1):21-23.

[5] 王妹婷.壁面自動(dòng)清洗機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D].上海：上海大學(xué),2010.

Design of a glass curtain wall cleaning robot

TANG Wenzhen,QIAN Ruiming

(School of Mechanical Engineering,Southeast University,Jiangsu Nanjing,211189,China)

Abstract：Aiming at the automatic needing of tall building glass curtain wall cleaning job,it puts forward a structure design of glass curtain wall cleaning robot.It designs the rational distribution of function module,illustrates the remote control car body for walking at glass curtain wall and shows cleaning equipment.Based on the simulation analysis,it obtains the deformation of the sucker adsorption conditions to verify the robot's performance.The structure is compact and reliable,the robot is easy to operate,high cleaning efficiency.This solves the hidden trouble in security for cleaning high-rise buildings.

Key words：glass curtain wall cleaning robot; structure design; analysis design

DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.01.010

收稿日期：2016-05-18

作者簡(jiǎn)介：唐雯珍(1992—)，男，江蘇泰州人，東南大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人學(xué)。

中圖分類號(hào)：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-509X(2017)01-0045-04