我國智能外墻清潔機(jī)器人發(fā)展及應(yīng)用

周倪敏 劉超峰 劉杰 方彤 董成 張航

摘要：現(xiàn)代城市化發(fā)展造就了更多高層建筑，但也伴隨著一系列非常繁重的清洗任務(wù)。智能外墻清洗機(jī)器人的使用，將極大程度上將人從高危、繁重的勞動(dòng)環(huán)境中解放出來。近年來，我國建筑外表面清潔機(jī)器人獲得了一定的發(fā)展，多家企業(yè)及高校就智能外墻清潔技術(shù)展開深入研究，但仍無法滿足大規(guī)模市場需求。針對建筑清潔現(xiàn)狀，結(jié)合智能外墻清潔關(guān)鍵技術(shù)及國內(nèi)清潔市場行情，探究當(dāng)前我國智能外墻清潔機(jī)器人發(fā)展及應(yīng)用狀況，為相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：外墻清潔;智能清潔機(jī)器人;傳感技術(shù);人工智能

DOI：10.11907/rjdk.192073 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP301文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-7800（2020）006-0053-04

0 引言

隨著現(xiàn)代城市化的發(fā)展，城市高層及超高層建筑成為普遍現(xiàn)象。在外墻建設(shè)方面，這些建筑趨向于采用大面積的玻璃、鋁板等作為墻面材料，這為城市景觀增添了亮色。但常年曝露在外經(jīng)歷風(fēng)吹雨打日曬的建筑外墻表面會(huì)嚴(yán)重風(fēng)化并積累大量污垢，不僅影響其美觀，更會(huì)降低其使用壽命。因此，定期清潔維護(hù)現(xiàn)代建筑外墻尤為重要。

迄今為止，國內(nèi)本土房屋建筑面積近600億m²，其中外墻占5%，且逐年遞增，假如按2-3元/m²的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)每年清洗一次計(jì)算，國內(nèi)幕墻清洗市場規(guī)模也達(dá)到近百億。這個(gè)近百億的市場規(guī)模，卻長期依賴于3種清潔方式：“蜘蛛人”運(yùn)用吊繩、吊板、水桶進(jìn)行清洗;借助升降平臺、吊籃等工具移動(dòng)工人至指定位置進(jìn)行清洗;樓頂?shù)跛鬈壍老到y(tǒng)將插窗機(jī)對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行清潔。前兩種不僅效率低下且勞動(dòng)強(qiáng)度及危險(xiǎn)系數(shù)極高，第二種作業(yè)成本高，第三種初期投入高，要求其在建設(shè)時(shí)就將擦窗系統(tǒng)考慮在內(nèi)，不符合現(xiàn)實(shí)。此外，我國老齡化不斷加深，新一代年輕勞動(dòng)者鮮有愿意從事一線清潔作業(yè)，且高空清潔對勞動(dòng)者要求更高，因此極少有人選擇從事該項(xiàng)工作。鑒于此，清潔市場迫切需要能夠部分或者全部代替人工的清潔用機(jī)器，將人從繁重的工作環(huán)境中解放出來。

1 國內(nèi)智能外墻清潔技術(shù)研究現(xiàn)狀

隨著時(shí)代的發(fā)展與科技的進(jìn)步，國內(nèi)外學(xué)者就智能外墻清洗模式紛紛提出各自的解決方案，相關(guān)研究成果涌現(xiàn)，許多專利已產(chǎn)品化甚至商業(yè)化。由于國外研究較早，且機(jī)器人技術(shù)較為成熟，故其高樓外墻智能清潔技術(shù)發(fā)展較快，與國內(nèi)相比優(yōu)勢明顯;國內(nèi)研究起步較晚，相關(guān)產(chǎn)品依賴進(jìn)口，研發(fā)技術(shù)也受限，但隨著業(yè)內(nèi)人士的不懈努力，近年來也已取得了長足進(jìn)步。

1996年，上海大學(xué)特種機(jī)器人應(yīng)用研究室提出了一種能行走于高層全封閉玻璃結(jié)構(gòu)外墻的垂直壁面行走機(jī)器人。該機(jī)器人采用真空吸附方式、兩組獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的腳掌以及三層框架相對移動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

在國家“863”高科技機(jī)器人計(jì)劃資助下，1999年哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所針對高層建筑玻璃幕墻的清潔，專門設(shè)計(jì)了單吸盤負(fù)壓吸附結(jié)構(gòu)的CLR-Ⅱ型壁面清洗機(jī)器人，其密封結(jié)構(gòu)采用自行設(shè)計(jì)的氣囊一彈簧組合的囊式氣墊密封法，使得機(jī)器人在跨過壁面幾毫米溝臺的同時(shí)仍能維持可靠移動(dòng)。

北京航空航天大學(xué)于2000年提出了一種靈巧擦窗機(jī)器人設(shè)計(jì)，該機(jī)器人采用滑動(dòng)密封吸盤吸附及履帶驅(qū)動(dòng)的雙車體結(jié)構(gòu)，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生真空實(shí)現(xiàn)吸附。其獨(dú)特的腰關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)，賦予各單車體最大限度的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力;其肘關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙車體間的協(xié)作運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)越障和壁面轉(zhuǎn)換運(yùn)動(dòng)。

上海交通大學(xué)于2006年開發(fā)出一種帶滑動(dòng)式吸盤的爬壁機(jī)器人，其采用柔性吸附機(jī)構(gòu)作為密封裝置的滑動(dòng)式吸盤，可實(shí)時(shí)調(diào)整控制滑動(dòng)吸盤吸附力，以適應(yīng)不光整的玻璃幕墻表面，通過樓頂安全裝置控制機(jī)器人遍歷幕墻，極大程度簡化了機(jī)器人系統(tǒng)。

哈爾濱理工大學(xué)設(shè)計(jì)了一種主要運(yùn)用于中低層建筑的仿生爬壁機(jī)器人，依靠雙柔索驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和偏角檢測機(jī)構(gòu)，協(xié)調(diào)收放雙柔索以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在玻璃幕墻上任意位置的移動(dòng)。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用螺旋槳產(chǎn)生壓力吸附于壁面的玻璃幕墻清洗機(jī)器人，根據(jù)各旋翼產(chǎn)生的不同推力調(diào)整姿態(tài)，以適應(yīng)不同傾斜程度的壁面，采用距離與視覺同步檢測方式，準(zhǔn)確定位障礙。

青島科技大學(xué)通過夾緊裝置中夾緊爪的交替夾緊和釋放，配合豎直方向移動(dòng)機(jī)構(gòu)絲杠的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)玻璃幕墻清洗機(jī)器人的豎直方向運(yùn)動(dòng)。

天津理工大學(xué)采用新型簡易無源負(fù)壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)智能擦窗爬壁機(jī)器人功耗降低與噪音減輕。

東南大學(xué)推出一種采用電動(dòng)推桿腿足式吸盤吸附行走方式配合水霧噴淋及盤、滾刷雙清洗方案的玻璃幕墻清潔機(jī)器人等。

雖然國內(nèi)智能外墻清潔技術(shù)研究成果頗豐，但很多研究仍局限于理論范疇內(nèi)，其實(shí)踐應(yīng)用還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

2 智能外墻清潔關(guān)鍵技術(shù)及難點(diǎn)

2.1 傳感技術(shù)

機(jī)器人需采用大量傳感器以探測和識別周圍環(huán)境，并由控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的不同數(shù)據(jù)對應(yīng)調(diào)整機(jī)器人工作策略。智能外墻清潔機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中高度依賴于傳感技術(shù)，傳感技術(shù)也直接關(guān)系到機(jī)器人智能程度。雖然我國傳感器市場發(fā)展很快，但國內(nèi)傳感器技術(shù)與世界水平相比仍存有相當(dāng)大的差距，傳感精確度不高、技術(shù)低等問題直接導(dǎo)致機(jī)器人不能更快速準(zhǔn)確地作出判斷并采取應(yīng)對策略。

例如機(jī)器人在外場工作時(shí)，不可避免地會(huì)受到風(fēng)或其它因素干擾，加上工作過程中動(dòng)作反作用力產(chǎn)生的姿態(tài)偏移，使得機(jī)器人無法正常實(shí)施清潔工作。因此，需要可靠的傳感技術(shù)支持，確保機(jī)器人在空中能長時(shí)間維持穩(wěn)定姿態(tài)。傳感器在智能外墻清潔機(jī)器人中的應(yīng)用如圖1所示。

2.2 智能攀爬及越障技術(shù)

現(xiàn)代建筑風(fēng)格良莠不齊，個(gè)性化建筑屢見不鮮，為適應(yīng)各種不同外墻環(huán)境，機(jī)器人需要具備高度適應(yīng)的越障技術(shù)與攀爬能力。

目前，外墻清潔機(jī)器人攀爬方式主要有自攀爬或依賴輔助機(jī)器通過繩索牽引的方式。其中，自攀爬方式又以磁吸附式、真空負(fù)壓吸附式、足式移動(dòng)、輪式移動(dòng)等為主。

對于越障技術(shù)，由于樓盤與樓盤間風(fēng)格迥異，故機(jī)器人每次工作環(huán)境都在變化。為了應(yīng)對這些變化，機(jī)器人需要綜合借助傳感技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)及圖像處理技術(shù)等檢測障礙物，同時(shí)與機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相配合，克服工作中的各種障礙。

2.3 能源供給技術(shù)

由于是高空作業(yè)，機(jī)器人需要維持較長的工作時(shí)間，故需要一定的能源儲(chǔ)備。鋰離子電池具有能量密度高、輸出功率大、工作溫度范圍寬、充電效率高、可隨時(shí)替換等優(yōu)點(diǎn);鋰聚合物電池具有安全性能好（相比液態(tài)電芯電池）、厚度小、重量輕、容量大、內(nèi)阻小、可定制形狀等優(yōu)點(diǎn)。但這兩種電池均存在安全隱患，有隨時(shí)爆炸的危險(xiǎn)，且無法過大充放電，需要保護(hù)電路，又由于其生產(chǎn)條件高，故生產(chǎn)成本隨之升高。

另一種供能方式是連接電線供能，可以隨時(shí)保證機(jī)器人的能源供應(yīng)。但由于是高空作業(yè)，需要儲(chǔ)備與樓盤高度相仿的電線余量，以及伴隨其后的線纜收放問題。

最理想的方式是無線充電。隔空充電是多家企業(yè)的終極目標(biāo)，這類技術(shù)大多通過發(fā)射RF（射頻）電波發(fā)揮作用，在電器上配備接收器，能夠?qū)⒔邮盏降碾姴ㄞD(zhuǎn)化為電能，從而完成充電;抑或是利用太陽能，由于機(jī)器人處于外場環(huán)境工作，對天氣有一定要求，晴天利用太陽能儲(chǔ)備能源也是一種較好方式。

2.4 清洗效率

作為一種替代人工的清潔用機(jī)器，其清洗效率是最重要的考核指標(biāo)。目前，人工清洗每天工作8小時(shí)約能完成300～500m²的清潔工作量，機(jī)器需在相同時(shí)間內(nèi)，保證使用安全、操作簡便及清洗干凈的前提下完成多名工人的工作量，才能在市場上有足夠競爭力。

3 國內(nèi)智能外墻清潔技術(shù)應(yīng)用

為了加快智能外墻清潔技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)程，國內(nèi)眾多大企業(yè)聯(lián)合高校及國外先進(jìn)企業(yè)致力于攻克各技術(shù)難點(diǎn)，研發(fā)了適用于國內(nèi)建筑的智能外墻清洗機(jī)器人，取得了系列成果，更有一些產(chǎn)品成功應(yīng)用于市場。

北京歷途研制的歷途機(jī)器人采用內(nèi)置負(fù)壓吸附設(shè)計(jì)和四旋翼設(shè)計(jì)，即使在運(yùn)動(dòng)過程中突遇橫風(fēng)，機(jī)器人也能緊貼外墻表面，并根據(jù)風(fēng)速大小作出姿態(tài)調(diào)整;當(dāng)機(jī)器人越障時(shí)，旋翼相應(yīng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，同時(shí)利用向下的推力，保證機(jī)器人牢牢抓住墻面。此外，憑借自主研發(fā)的基于Linux的智能機(jī)器人操作系統(tǒng)配合搭載的傳感器并運(yùn)用視覺Slam技術(shù)和圖像檢測等技術(shù)，可對樓字外立面結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間建模，智能識別樓宇表面材質(zhì)，根據(jù)不同材質(zhì)及污染程度，自動(dòng)選擇對應(yīng)的清洗策略。

蘇州艾士德的藍(lán)天潔士擦窗機(jī)器人采用螺旋形清洗刷輥及推力風(fēng)扇配合形式，其清洗刷分為對稱設(shè)置的相互反向螺旋兩段。采用變頻輥刷電機(jī)及風(fēng)扇電機(jī)，由攝像頭采集墻面污垢顆粒圖像并反饋至控制器，再由控制器通過比較器比較污垢顆粒大小，最后通過執(zhí)行器控制調(diào)節(jié)輥刷電機(jī)及風(fēng)扇電機(jī)轉(zhuǎn)速，可根據(jù)外墻面上實(shí)際污垢顆粒大小進(jìn)行清洗。當(dāng)輥刷無法清洗污垢時(shí)，可通過機(jī)械手驅(qū)動(dòng)鏟板，對粘附力較強(qiáng)的污垢進(jìn)行震動(dòng)型鏟除。

廈門華蔚的Plecobot機(jī)器人采用帶背壓吸盤的滑動(dòng)吸盤組件的交替式吸附移動(dòng)方式，這種方式相比于軌道式和無人機(jī)式更加靈活。利用滑動(dòng)式吸盤本體、真空發(fā)生器及越障伸縮組件配合越障，將頂部連接的水電源管與保險(xiǎn)繩合并，使其伴隨機(jī)器人移動(dòng)，確保Plecobot機(jī)器人能夠不間斷地獲得能源供應(yīng)。

廈門樸蜂歷時(shí)九年研制了可自主學(xué)習(xí)的Ispider機(jī)器人，其控制系統(tǒng)由10個(gè)CPU組成神經(jīng)元系統(tǒng)，以最快200Hz的反應(yīng)速度，管理觸覺、姿態(tài)、方向、速度、風(fēng)壓、識別等50多個(gè)傳感器，以及40多個(gè)執(zhí)行清洗和姿態(tài)控制的微型數(shù)字電機(jī)。第一次工作時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)對建筑物外墻面情況進(jìn)行學(xué)習(xí)，并通過GPRS與后臺通信，清洗速度與人工持平。在此后工作中，由于機(jī)器已熟知墻面情況，清洗速度將會(huì)大幅提升，約可達(dá)到人工的10倍。Ispider通過毛刷和刮雨器工作臂交替伸縮落地方式，利用離心風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整吸附壓力，可同時(shí)具備清洗及攀爬越障能力。

煙臺海特林與瑞士合作的SERBOT I非接觸式高樓幕墻清洗機(jī)器人運(yùn)用高壓噴水技術(shù)清洗外墻，在輸水過程中通過加熱腔室加熱液體，并通過軟化水處理器降低水的硬度，后通過噴嘴噴射方式輸出高壓水流，借助噴射出的高壓水流產(chǎn)生的反向推力帶動(dòng)噴桿作圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的噴桿帶動(dòng)噴嘴噴射出的高壓水流形成大面積圓形清洗面。

4 結(jié)語

本文通過分析我國智能外墻清潔技術(shù)發(fā)展、關(guān)鍵技術(shù)及國內(nèi)該領(lǐng)域主要企業(yè)與相關(guān)產(chǎn)品，探究國內(nèi)智能外墻清潔技術(shù)最新發(fā)展境況。目前，國內(nèi)智能外墻清潔技術(shù)尚不成熟，面對龐大的清潔市場，鮮有可靠的產(chǎn)品投人使用。國內(nèi)研究人員主要以玻璃幕墻作為產(chǎn)品使用環(huán)境進(jìn)行研發(fā)，玻璃幕墻作為一種美觀實(shí)用的材料，將廣泛運(yùn)用于未來建筑，但風(fēng)格迥異的建筑需要使用能適應(yīng)各種復(fù)雜高樓環(huán)境的智能清潔機(jī)器人。隨著將來傳感技術(shù)、機(jī)器人移動(dòng)技術(shù)、人工智能、無線充電等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，勢必會(huì)在智能外墻清潔行業(yè)掀起一場革命，工人將真正從高危勞動(dòng)環(huán)境中解放出來。國內(nèi)市場發(fā)展與智能外墻清潔技術(shù)應(yīng)用分析，可為相關(guān)企業(yè)研發(fā)提供參考，對于促進(jìn)我國清潔市場及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展具有積極意義。