壁面牵引移动式玻璃幕墙清洗机器人

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1、万方数据万方数据第11期钱志源，等：一种壁面牵引移动式玻璃幕墙清洗机器人的由双驱动轮和一个大圆吸盘组成的CLE型机器人，Miyake等[51设计的轻小型擦窗机器人及张海洪等[61的全方位车轮爬壁机器人．框架式机器人一般由两组可相对移动的框架组成，每组框架上布置多个吸盘，通过框架伸缩和吸盘交替吸附实现移动和跨越障碍功能，壁面适应能力较好，如周延武等[7]的Cleanbot—I擦窗机器人和Elkmann等[8]研制的由楼顶提升机构协调2个竖长型框架式移动模块实现越障和姿态调整的SIRIUSc机器人．

2、Zhu等[9]研制了一种由履带式移动载体和52个小吸盘组成的能跨越障碍的Cleanbot—II机器人，但机构相对复杂．衡量爬壁机器人工作性能的指标主要有安全性、工作效率、壁面适应性、载重和成本等．由于建筑艺术的个性化，幕墙结构多种多样，很难设计出具备综合性能指标并能适应多种壁面环境的清洗机器人．因此，本文从实用化的角度出发，针对平面型玻璃幕墙提出了一种新颖的清洗机器人结构设计原则，并据此设计了2个自身无行走机构并依靠壁面牵引移动的清洗机器人系统．该机器人以牺牲壁面移动自由度换取清洗效率、载重和工

3、作安全稳定性的提高，从而极大简化了移动载体，降低了设计成本．现场试验证明机器人安全性好、工作可靠、清洗效率较高．1机器人结构设计原则1．1玻璃幕墙结构特点幕墙几何造型丰富多彩，有竖直、斜面、圆柱面、棱台面及球面等，其中以带有水平或竖直窗框的平面型幕墙最为常见．幕墙与房屋主体结构柔性连接，周边与建筑内、外装饰物之间预留不小于5mm的凹缝，并在相邻玻璃问预留由密封胶填充的不小于10mm的伸缩缝，以补偿玻璃受温度影响发生的变形．因此，尽管幕墙整体比较规则平整，但密封胶、窗面凹缝、拼接平整度及突起的水平

4、或竖直窗框等“障碍物”将造成壁面的凹凸不平．幕墙是非导磁材料，一般采用负压吸附方式，但由于壁面的凹凸不平，吸盘易发生泄漏．此外，玻璃壁面上的污垢包括黑漆、泥块、纸屑、尘埃、油渍及积灰等，因不同的建筑方位、清洗作业频率，脏污程度也可能不同，但一般玻璃壁面的摩擦系数比水泥瓷砖壁面要小．因此，对平面型玻璃幕墙清洗机器人提出了如下设计要求：①安全性和可靠性高，防止在清洗过程中坠落、撞击和损伤幕墙；②对局部壁面的凹凸不平有一定适应性能力；③对建筑施工造成的壁面几何误差以及窗框障碍不敏感，吸附稳定性好并能跨

5、越障碍．1．2壁面牵引移动式清洗机器人结构设计原则尽管平面型幕墙结构较为简单，但自主移动机器人要完成壁面清洗作业，移动载体机构仍十分复杂．如果考虑楼顶安全保护装置与机器人的协调运动，整个系统的复杂程度将进一步增加．为此，根据平面型幕墙的结构特点，本文提出一种新颖的清洗机器人结构设计原则．(1)机器人遍历幕墙的全局运动与楼顶安全保护装置的运动合二为一．即将机器人对幕墙遍历运动的功能剥离出来，由楼顶安全装置来完成，机器人只负责提供合适的壁面附着力、完成清洗任务及跨越障碍等功能．楼顶安全装置一般作为爬

6、壁机器人的辅助安全设备，并不干涉机器人自主运动，但为了跟踪机器人的运动，也需要对幕墙进行遍历．如果将机器人移动载体运动和保护装置遍历运动合二为一，可避免功能重复，从而简化了系统结构．(2)机器人局部运动依靠自身重力和楼顶卷扬机提升力的协调作用．(3)机器人吸附装置采用柔性吸附机构，并对吸盘吸附力进行实时调整，以适应幕墙壁面的凹凸不平以及建筑施工造成的壁面几何误差．(4)在安全性得到充分保障的前提下，机器人质量、尺寸和载重将得到极大提高，单位时间内的清洗面积也可以增大，从而提高清洗效率．(5)使用

7、仿足式的双吸盘交替抬起和吸附方式实现跨越水平窗框障碍功能．2机器人系统设计和功能实现2．1系统设计机器人系统由机器人本体、楼顶安全装置及便携遥控箱组成，如图1所示．机器人本体自身没有行走机构，其幕墙遍历运动和作业安全均由楼顶安全图1壁面牵引移动式幕墙清洗机器人系统Fig．1Thetetheredglass—curtainwallslidingcleaningrobotsystem万方数据上海交通大学学报第40卷装置负责．楼顶卷扬机将本体运输到指定清洗区域，利用双吸盘负压吸附机构吸附于壁面，在卷扬

8、机牵引作用和自身重力的协调作用下沿壁面下滑移动，同时由清洗装置完成壁面清洗．通过双吸盘的交替抬起和吸附，在障碍检测传感器配合下，可跨越一定高度的突起水平窗框．便携遥控箱通过无线监控方式向本体和楼顶装置发出动作指令，并实时显示当前工作状态．目前已设计了2个清洗机器人原型：原型I用来清洗没有突起窗框的平面型幕墙；原型II是在原型I的基础上为跨越水平窗框而设计的，其结构如图2所示．141刮板及驱动气缸，2I罚块及其驱动气缸(2个)，3一电风机(2个)，4一吊钩(2个)，5H型负压发生室，6一水回收机构