题目：大厦玻璃清洗机器人系统设计
[摘要] 高楼玻璃幕墙清洗机器人是特种机器人的一个分支[1]。它是基于壁面移动机器人技术,并针对具体的作业对象,具有明确功能的实用机器人,其工作在垂直危险的玻璃壁面,能够克服重力的作用,携带清洗设备,是面向现代高层建筑玻璃外墙表面保洁、清洗服务的极限作业机器人,它可以将人们从危险的高空作业环境中解脱出来,不仅可以避免事故的发生,而且能够美化城市环境,造福人类,具有十分广阔的应用前景。
关键词 玻璃幕墙清洗机器人 真空吸附系统 垂直壁面
1、 课题研究目的和意义
随着城市现代化的发展，高层建筑越来越多，其外观也大多采用玻璃幕墙结构，没有玻璃覆盖的地方也多采用瓷砖覆盖以增加建筑物的美感，玻璃幕墙一般面积较大[2]，大多处于几十米甚至上百米的高空，且周围无攀援的支架，折就使得玻璃幕墙的清洗成为一种危险，繁重，耗资的任务，如果采用传统的靠升降台或吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗，虽简单易行，但相当危险，高空强气流使人难以平衡，工作环境恶劣，属于高空极限作业，对人生安全及玻璃壁面都有很大的威胁[3]。如果改用在楼顶的轨道及吊索系统将擦窗机对准窗户进行自动擦洗，前期设备投资较大，成本较高，且要求建筑物在设计之初就要考虑擦窗系统，因而限制了其他使用，因此需要一种能够代替人工完成高层建筑清洗又有一定灵活性和适用性的自动机器来完成这项工作[4]。
高层建筑清洗爬壁机器人正是在这种背景下应运而生，它属于移动式服务机器人的一种，可在垂直壁面及屋顶移动进行物体表面的清洗，对高层建筑爬壁机器人的不断研究，会实现清洗作业的自动化，同时通过更换其周边设备可适应其他任务，其主要系统壁面移动机器人载体可以深入浅用到核工业、石化、消防、造船等行业[6]。但高层建筑清洗爬壁机器人也面临着许多技术难点，如吸附及密封技术，面对复杂的壁面环境,要求吸附机构必须要产生一定的吸附力,并能够维持之，使机器人安全可靠地吸附在工作壁面上。移动技术移动机构要小型、高效，使机器人可以在壁面上移动,并可灵活、自如调节行走的速度和方向，具有较强的越障能力。控制技术必须保证信号通讯的实时性、可靠性。控制机器人的整体工作,进行故障诊断和综合管理,实现机器人各部分的协调工作和配合。清洗机构的设计设计安全有效的清洗机构，识别清洗质量，达到令人满意的清洗效果。这些难点是目前阻碍壁面清洗机器人向实用化方向发展的瓶颈。需要相当长的时间加以解决,各研究单位都力争未来能在上述方面有所突破[5]。
2、 国内外研究现状
1国外清洗爬壁机器人研究现状
第一个成功制作出来的清洗机器人是德国汉萨斯航空公司委托制作的 SKYWASH (清洗巨人），如图1所示，其主要结构是一个作用距离为33米的多关节巨型伸缩臂[6]，有11个自由度，6个主轴，3个腕关节及两个自适应轴。总共12个可编程序轴，多种运动链系使得它可以做各种复杂的运动，而结构却不会有任何变化。所有轴均由液压驱动并采用抗拉钢材，因而其重量结构轻。清洗滚刷长1.2米，定位精度为50毫米，滚刷与飞机外形精确匹配，该机器人精确安装在汽车底盘上，可以从4个位置出发，机器人臂在人的监视下按照预定的模式运动，完成对飞机表面几乎所有的清洗工作，其特点是动作灵活，适用于各种飞机。
图1 德国SKYWASH
德国马格堡的弗劳恩霍费尔自动控制与操作研究所（IPA）是德国主要的生产及自动化研究中心。它研制了一系列清洗建筑物玻璃的自动系统，如图2所示，对柏林新建火车站的巨大玻璃隧道进行自动清洗，该机器人悬挂在水平的横向轨道上，可沿轨道左右移动，同时横向轨道可沿垂直导槽上下移动，从而完成对整块玻璃的清洗。
日本清水建设株式会社和东京消防厅研制了用于玻璃清洗和高层建筑消防的壁面移动机器人，如图3.4所示，成为最早的幕墙清洗机器人和高楼消防机器人之一[7]。
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