唐雯珍，钱瑞明
(东南大学机械工程学院，江苏 南京 211189)
摘要：基于高楼大厦玻璃幕墙自动化清洁的作业需求，提出了一款玻璃幕墙清洁机器人的结构设计方案，给出了可以在玻璃幕墙上行走的遥控车主体以及清洗装置等功能模块的合理布局和详细设计，并对吸盘吸附工况下的变形进行了仿真分析，在理论上验证了其性能。该结构简单可靠，操作方便，清洁效率高，可实现高楼大厦的户外玻璃幕墙清洁，解决了以往人工清洁存在的安全隐患。
关键词：玻璃幕墙清洁机器人；机构设计；仿真分析
玻璃幕墙是当代的一种新型墙体，它赋予建筑的最大特点是将建筑美学、建筑功能、建筑节能和建筑结构等因素有机地结合起来，建筑物从不同角度呈现出不同的色调，随阳光、月色、灯光的变化给人以动态的美。玻璃幕墙也存在着一些局限性，其作为一种户外墙体，空气中的粉尘、飞禽的排泄物会逐渐沉积到幕墙的表面，从而影响玻璃幕墙的美观。
目前，玻璃幕墙普遍采取人工清洁方式，清洁成本高、危险系数大、清洁效率低，由此影响了玻璃幕墙的美观，制约了其进一步发展。而自动化玻璃幕墙清洁代替人工清洁还有一段距离，当前的玻璃幕墙清洁机器人样机种类很少，清洁效果一般，并且只能针对全隐框玻璃幕墙，无越障功能。
图1是一款履带吸盘玻璃幕墙清洁机器人。履带吸盘的抽气装置采用凸轮机构，通过齿轮带动凸轮机构运动。由于齿轮配合具有一定的传动比关系，安装在凸轮上的气嘴可以反复与吸盘气嘴结合并进行吸气，吸盘本身内置有杠杆排气装置，当吸盘随履带运动到后轮时，吸盘内的杠杆装置顶开通气阀门，空气流入吸盘内，吸盘内部负压解除。
图1 履带吸盘玻璃幕墙清洁机器人
采用多吸盘结构会使得机器人吸附变得稳定，但由于采用了履带的传动方式，因而也限制了其只能清洗窗棱较低的玻璃幕墙，并且一旦吸盘压到窗棱上，整个吸盘系统的吸附作用都会失效。
蓝天洁士玻璃幕墙清洁机器人采用全气动驱动方式(如图2所示)，水电为外部供给，降低了自身质量。采用全气动带来的问题是气路会很复杂，工作可靠性低，同时机器人的清洗系统比较简单，清洗质量有待进一步验证。
图2 蓝天洁士玻璃幕墙清洁机器人
蓝天洁宝玻璃幕墙清洁机器人采用螺旋负压吸附方式(如图3所示)，结合顶部的辅助悬吊系统，其可在下降的过程中完成玻璃幕墙的清洗，但其只适用于全隐框玻璃幕墙，并不能跨越窗棱。
图3 蓝天洁宝玻璃幕墙清洁机器人
本设计要解决的主要技术问题是，研发一种可以实现高楼大厦玻璃幕墙清洁的机器人系统，代替人工进行高效工作。其本体包括可以在玻璃幕墙上行走的遥控车主体、用于玻璃幕墙清洁的清洁装置、放置在建筑楼顶部为机器人提供水电和安全保护的升降机辅助装置、监控机器人周围环境与清洁效果的监控装置以及显示监控画面的地面观察装置。
玻璃幕墙清洁机器人要能够自主完成清洁玻璃幕墙功能，其遥控车主体[1]必须具备能在壁面上吸附和行走两个基本功能。目前的吸附方式主要有真空吸附[2]、磁吸附和黏性吸附。就当前的研究水平而言，黏性吸附会在幕墙上留下痕迹，一般不用，且由于幕墙表面为非导磁性，因而玻璃幕墙清洁机器人宜采用真空吸附[2]方式，即依靠真空泵和管路在机器人和幕墙表面之间形成负压。
本文设计的遥控车主体如图4所示，吸盘11共有8个，4个一组，两组吸盘之间的相对运动受导轨2约束，吸盘的抬起通过电动推杆3来完成。机器人清洗系统采用盘刷9先进行第一遍清洗，然后滚刷7进行二次清洗。盘刷、滚刷与幕墙之间的力分别通过缓冲弹簧4和阻尼器6来保持。大厦顶部安装有升降机辅助装置，为机器人提供水电和安全保护，同时遥控车主体携带有摄像头，用来监控机器人周围环境以及清洁效果。地面设有观察装置，用于显示监控画面。
1—主体；2—导轨；3—电动推杆；4—缓冲弹簧；5—滚刷电机；6—阻尼器； 7—滚刷；8—带传动系统；9—盘刷；10—盘刷电机；11—吸盘
图4 遥控车整体结构
3.1 盘刷清洗系统设计
图5所示为盘刷清洗系统[3]，电机6通过连接件7传递动力到盘刷8。电机固定在固定支架4上。两个固定支架之间连接有中间连接件5。整个盘刷清洗系统通过缓冲弹簧1、铜套2以及缓冲固定支座3可在垂直于本体方向上有一定的缓冲，实现垂直方向的减震功能。
1—缓冲弹簧；2—铜套；3—缓冲固定支座；4—固定支架；5—中间连接件；6—电机；7—连接件；8—盘刷
图5 盘刷清洗系统
工作时，考虑到必须保证污水不溅出，因此将两个盘刷设计为转动方向相反，使污水汇集到中间进行收集。
3.2 滚刷清洗系统设计
图6所示为滚刷清洁系统，为了减小本体的宽度，滚刷清洁系统采用带传动。
整个滚刷清洁系统通过两侧连接件7固定到本体上，同时为了提高连接件的刚性，在其下部连接有中间连接件3，电机2也固定在中间连接件3上，与盘刷清洁系统不同，滚刷清洁系统与本体之间通过阻尼器5、顶端固定件6连接。顶端固定件6与本体的连接有一定的调节范围，方便调整滚刷4与幕墙之间的压力。
1—带传动系统；2—电机；3—中间连接件；4—滚刷；5—阻尼器；6—顶端固定件；7—两侧连接件
图6 滚刷清洗系统
3.3 行走系统设计
图7所示为行走系统结构图。行走系统包括两组吸盘，吸盘组1和吸盘组2。通过两组吸盘的交替吸附以及相对运动完成行走功能。
工作时，吸盘组1的电动推杆工作，将吸盘压紧在幕墙上，主电动推杆紧接着工作，使得吸盘组2相对主体1运动到指定位置，接着吸盘组2的电动推杆工作，如此循环，完成遥控车主体在幕墙上的行走功能。
图7 行走系统结构图
3.4 吸盘吸附过程应力校核
吸盘是整个行走系统最为关键也是最为“脆弱”的部分，既要能够稳定地吸附，还要能够在倾覆力矩[4]的作用下不失效[5]。
利用有限元软件ANSYS，对吸盘模型进行结构应力分布的计算机仿真模拟计算及结果分析。
选用盘径为50mm的吸盘，建立模型，设定吸盘网格大小为6mm，玻璃网格密度为4mm，为防止分析过程中发生穿透，玻璃表面设定网格密度为2mm，如图8所示。
图8 吸盘玻璃网格划分
吸盘工作时，盘内真空度小于-0.082MPa，每个吸盘承受本体的1/4质量，上限100N，方向平行于玻璃幕墙，垂直向下。在两种力的混合作用下，吸盘的等效应力变形如图9所示。从图中可以看出，吸盘根部应力集中明显，但不影响吸盘其他部分完好地吸附，因而工作时，吸盘能够很好地吸附在玻璃幕墙上，对于应力集中现象，可以采用双层波形吸盘，另外可以选用根部比较大的吸盘。
图9 吸盘等效应力图
图10所示为吸盘等效应力的数据结果，最大等效应力为6.988MPa，出现在吸盘根部区域，如图9所示，这个结果远小于橡胶的拉伸强度极限。同时，结合图11所示的吸盘总变形(1∶1)可知，吸盘的变形量很小，在机器人本体行走时不会出现倾覆的现象，理论上其可满足使用要求。
图10 吸盘等效应力数据结果
图11 吸盘总变形
本文设计的玻璃幕墙清洁机器人利用真空吸盘吸附原理在墙面上行走，行走过程中两套清洁系统会对墙面进行两次清洁，并且本体上载有监控装置，其拍摄到的图像实时显示在显示器上，操作人员可通过显示器看到机器人周围的情况以及清洁效果。
本款机器人只在吸盘处采用气动方式，整个行走机构采用电动推杆，结构比蓝天洁士机器人更为可靠；本款机器人更注重清洗效果，采用了两套清洗系统，进行二次清洗，相比履带吸盘式、蓝天洁士以及蓝天洁宝机器人都具有优势；本款机器人吸盘具有抬起功能，能够跨越30～50mm的障碍，可应用于全隐框、半隐框、明框玻璃幕墙，应用范围更广。本设计从理论上解决了高楼大厦玻璃幕墙的清洁难题，具体效果如何，有待样机进行实验测试。
参考文献：
[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.壁面自动清洗机器人关键技术研究[D].上海：上海大学,2010.
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
作者简介：唐雯珍(1992—)，男，江苏泰州人，东南大学硕士研究生，主要研究方向为机器人学。
中图分类号：TH122
文献标识码：A
文章编号：2095-509X(2017)01-0045-04
联系客服
