2021年13期
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
设计创新
闫好萱，曹一帆，
冯博泉，李玮乾（成都理工大学，四川成都610059）
1绪论
1.1研究背景
当今社会，众多高层建筑都采用了玻璃幕墙结构，相比
砖墙，幕墙质轻，能大大减轻楼宇重量，提升城市美观度。
据调查显示，目前中国建筑面积有500亿平方米，其中幕墙建
筑面积占5%，每年新建幕墙高达9000万平方米。
国内的幕墙清洗市场规模在百亿以上。但如此广阔的市场，却一直主
要依赖三种清洁方式：（1）“蜘蛛人”一人，一绳，一板，一桶
的是最常见的清洗方式。（2）利用升降平台、
吊篮等工具承载清洁工清洗。（3）楼顶吊索轨道系统将擦窗机对准窗户进
行清洁。这几种清洁方式成本高、安全低、劳动强度大、效率差；第三种初期投入高，不好实现。目前市面上最常见的是“蜘蛛人”人工清洗。据有关数据显示，我国每年都有数以万计的高空作业事故发生，其中死亡率甚至高达80%以上。
异形玻璃幕墙清洗机器人正是在这种背景下应运而生。它的出现将极大降低高层建筑的清洗成本，改善人工高空作业高危险、高成本的局面，提高生产效率，也将极大地
推动清洗业的发展，带来相当大的社会效益、
皮画
经济效益。因此，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作。1.2市场分析
过去的几年中，全球玻璃幕墙的市场持续扩张，销售市场增长率超过了8.2%。2019年，结构玻璃幕墙的销售额已超过290.7百万平米。2019年，全球结构玻璃幕墙市场规模为52066百万美元。有数据表明，预计在2026年可以达到84491百万美元，在预测期内以7.18%的复合年增长率增长。
目前国内已经出台相关政策，大型建筑物使用到一定年限就必须进行清洗。随着城市化进程的不断推进以及人
民生活水平的不断提高，形状百态的高层建筑数量呈
“爆发式”增加，高空保洁也就成为了城市安全和美观不可缺少的一部分。科技的发展成熟将给高空清洗行业带来巨大的变革，也会成为玻璃幕墙清洗行业的潮流。因此，玻璃幕墙清洗机器人拥有很好的应用前景。
2产品设计
异形玻璃幕墙的清洗机器人包括一多足机器人，多足机器人包括壳体1、位于壳体1内的控制器，与壳体1连接的数个行走腿机构2，且多足机器人经电源线14连接市电，
摘要：随着现代城市化的发展，如今众多高层建筑都采用了玻璃幕墙结构，此类建筑需要经常性的清洁维护。目前玻璃幕墙清洗工作大都仍采用人工的方式，仅仅有少量竖直玻璃幕墙清洗机器人问世。随着人类社会发展的进步，人们对于审美追求也逐渐提高，异形玻璃幕墙的市场份额将会逐渐增大，但是目前国内异形玻璃幕墙清洗机器人几乎是一个空白领域。文章针对高空玻璃幕墙清洗现状，提出了一种仿生蜘蛛爬壁机器人结构。采用一足多吸技术，结合SLAM 和OpenCV 辅助控制，使用气缸控制清洗滚筒伸缩，实现清洗机器人在异形玻璃幕墙的应用，更好地解决人工清洗造成的高成本、高危险性和工程冗杂等问题，具有十分广阔的应用前景。
关键词：异形玻璃幕墙；清洗机器人；一足多吸；SLAM ；OpenCV 中图分类号:TP242
文献标志码:A
文章编号:2095-2945(2021)13-0102-04
Abstract :With the development of modern urbanization,many high-rise buildings now adopt glass curtain wall structure,such buildings need frequent cleaning and maintenance.At present,most of the glass curtain wall cleaning work is still manual,and only a small number of vertical glass curtain wall cleaning robots come out.With the development of human society,
people's pursuit of aesthetics is also gradually improved,and the market share of special-shaped glass curtain wall will gradually
increase,but at present,the domestic special-shaped glass curtain wall cleaning robot can almost be said to be a blank field.In this paper,a kind of bionic spider climbing robot structure is proposed according to the current situation of high-altitude glass curtain wall cleaning.Using single -foot multi -suction technology,combined with SLAM and OpenCV auxiliary control,using
cylinder to control the expansion of cleaning drum,it is possible to apply the cleaning robot to the profile-shaped glass curtain wall,so as to better solve the problems of high cost,high risk and engineering complexity caused by manual cleaning.It has a very broad application prospect.
Keywords :special-shaped glass curtain wall;Cleaning robot;One foot more suction;SLAM;OpenCV
102--
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
设计创新
2021年13期
图2工作示意图
还包括真空吸附机构、清洗机构、
冲洗机构和供水单元（见图1）。
1、壳体；
2、行走腿机构；
3、真空吸盘；
4、真空仓；
5、第一旋转喷头；
6、
电动滚刷；7、电动伸缩机构；8、三指示灯；9、第二旋转喷头；10、第二滚刷；11、散热口；12、主水管；13、主气管；14、电源线；15、摄像机；
16、分气管；17、三自由度机械手
图1产品设计框架展示
2.1关键技术
本产品的基础是清洁机器人、多足机器人的结合，结合了清洁机器人的清洁功能、以及多足机器人的无障碍行走功能。
多足机器人包括数个行走腿机构，能在水平面自由行走和跨越障碍，为了使其在竖直或倾斜的玻璃表面行走，增加了真空吸附机构，通过真空吸附机构和行走腿机构的配合，
将行走腿机构吸附在玻璃上，实现在玻璃上的行走（见图2）。
2.1.1吸附行走技术
当需要吸附时，则气泵开启，对真空仓进行抽气，真空仓连通真空吸盘，从而对真空吸盘抽真空，使真空吸盘吸附在玻璃上。对于数个行走腿机构，在真空仓连接真空吸盘的每
根分气管上，都设置了气阀，气阀打开时，主气管、分气管均
导通，气泵直接控制真空吸盘。若关闭某个气阀，则该气阀对
应的分气管不导通，当气泵工作时，该关闭的气阀对应的真空吸盘无法实现真空吸附，则对应的行走腿机构不会被吸附在玻璃表面。我们可以通过控制器控制气泵的开关、配合行走腿机构的运动，实现在玻璃上的行走（见图3）。
图3吸附控制图
2.1.2清洗技术
第一电动喷水机构的第一旋转喷头位于壳体底部中心，当其旋转喷水时，喷洒范围是壳体下方。电动滚刷两端通过电动伸缩机构连接在壳体两侧，而电动滚刷位于壳体正下方，不清洁时，电动伸缩机构收缩在壳体下方，需要清洁时，电动伸缩机构伸长至电动滚刷与玻璃表面接触，此时第一电动喷水机构喷水，电动滚刷滚动清洁。2.1.3冲洗技术
包括一个三自由度机械手和第二电动喷水机构，三自由度机械手可以在三维空间内移动，它连接一第二电动喷水机构，带动第二电动喷水机构运动，可以根据需要对缝隙、较脏的地方进行冲洗。第二电动喷水机构的第二旋转喷头上套接一第二滚刷，可以在冲洗的同时进行刷洗。2.1.4供水技术
本产品设计了一供水单元位于壳体上方，水在重力
作用下经第一水管、第二水管进入第一电动喷水机构、
第二电动喷水机构，并从第一旋转喷头、第二旋转喷头喷出。由于第一水管、第二水管上分别设有第一电动阀、第
二电动阀，可以分别控制清洗机构喷水、
冲洗机构喷水、或二者共同喷水
。
103--
2021年13期
科技创新与应用
Technology Innovation and Application
设计创新
2.2技术创新2.2.1SLAM 技术
本机器人搭载最新的SLAM 技术，在运动过程中通过不断重复观测环境特征，再根据自身位置构建周围环境的增量式地图，从而达到同时定位和地图构建的目的，以此来规划清洗路线，既节能又可以提高效率。2.2.2OpenCV 技术
我们的产品应用OpenCV 库中的机器视觉识别算法来处理由外端摄像输入的图像反馈到主控板，由主
控板发出指令信息，完成避障以及移动。2.2.3压力传感器和多吸盘的应用
为了实现吸附强度精确控制：
“凌空”还应用了压力传感器，给定一个固定的压力值，通过压力传感器传输的压力信号，经过PID 算法不断调整真空泵功率的大小，形成一个闭环结构。如图4所示。
图4爬壁机器人传感器工作流程图腰挂包
2.2.4包络追踪电源
机器人包络追踪电源电路直接给电机供电，通过调节传感器反馈端的等效电阻改变电压输出，输出电压随传感器数据变化，不断调整功率实现实时效率可控。2.2.5多吸盘的应用
吸附能力得到大幅提升：采用一足多吸的设计，当遇到
表面结构复杂的异形玻璃，这一性能就表现得极为优越了，极大提高了清洗机器人清洗时的吸附能力以及容错率。2.3技术优势
与现有技术相比，该机器人的优势在于：（1）本产品采
用多足机器人的行走腿机构配合真空吸附机构，使本产品可以在玻璃上移动，且能跨越障碍，适用于异形玻璃幕墙。（2）带有清洗机构，通过控制器实现对第一电动喷水机构和电动滚刷的控制配合，实现边冲水，边刷洗。具有水洗功能。（3）带有冲洗机构，通过控制器实现对三自由度机械手和第
二电动喷水机构的控制配合，可以对缝隙、角落、
顽固污渍区域进行针对性冲洗。适合异形玻璃幕墙及有卫生死角的
玻璃。（4）设置了摄像机，摄像机用于与手机无线通信，且摄像机的摄像头区域覆盖清洗机构和冲洗机构的工作区域，这样工作人员可通过手机观察工作区域是否干净，是否存
在卫生死角。（5）壳体内设有蓄电池和电源选择开关，可以
在供电时选择切换蓄电池和市电供电。例如市电断电时立
即采用蓄电池供电，避免出现断电掉落的风险。2.4安全保障
脱离了卷扬机辅助系统，若气路系统或者供电系统运行异常时，机器人足底吸盘可能会漏气导致机器人脱离玻璃幕墙表面而坠落。由于机器人在高层作业，其坠落不仅会导致自身的毁损，还可能砸伤楼下过往的行人，造成一定的人员和财产损失，因此存在很大的安全隐患。2.4.1气路系统保障
由于机器人自身有一定的重量，加之电线、水管等的重
量，对机器人的吸附能力是一个极大考验。
因此本产品设计了一个应急系统，在气路系统出现故障时以提供保障。
具体实施为当气路系统出现故障时，机器人三指示灯亮红灯，主控板控制所有气阀关闭，机器人四足均处于吸附状态，等待操作人员处理故障。
2.4.2供电系统保障
本产品具有复杂的电路控制结构，因此一旦供电系统出现故障，整个机器人将处于瘫痪状态，机器人将不可避免的从高空坠落。机器人将自带一块蓄电池作为备用电源，当供电端出现故障导致断电时，蓄电池将替代供电端作为临时电源，同时启动应急系统。3总结与展望3.1全文总结
本文针对目前国内高空玻璃幕墙的清洗现状以及异形建筑清洗市场的空白，开发设计出了一种专用于异形玻璃幕墙清洗的爬壁清洗机器人，该清洗机器人具有安全性高、
重量轻、清洗力度强、
结构新颖等特点。现从以下两个方面作以总结：（1）设计出了一个完整的
爬壁清洗机器人系统。主要包括产品设计分析、
产品设计框架、关键技术、安全保障等部分。机器人采用一足多吸的设计，当遇到表面结构复杂的异形玻璃，这一性能就极大提高
了清洗机器人清洗时的吸附能力以及容错率。此外，应用压
力传感器，给定一个固定的压力值，通过压力传感器传输的压力信号，经过PID 算法不断调整真空泵功率的大小，形成
一个闭环结构，从而实现吸附强度精确控制。（2）结合SLAM
和OpenCV 技术。基于机器人运动信息更新机器人当前状
态、基于路标信息更新估计状态、
在当前状态中增加新的状态，从而解决移动机器人在未知环境运行时定位导航与地图构建的问题。OpenCV 通过对360毅摄像机组摄入的图像进行实时的处理，将避障信息传入主控板，由主控板控制移
动模块完成避障，从而达到避障系统得到优化、
机动能力得到大幅提升、死角定点清理能力增强、机器人的可控性增强等优势。
总之，目前异形玻璃幕墙清洗机器人在我国几乎没有
展开具体应用，国内高层建筑仍主要以“吊篮+人工”的方
粉末冶金轴承
式
(下转107页)
104--
科技创新与应用
Technology Innovation and Application方法创新2021年13期
实时比对的方式时，缓冲区字节为1518，对比缓冲区内容进行处理。当报文数量不超过80%时，则不存在错误内容[7]。
3.4硬件设计
运用测试仪开展交换测试、智能终端设备测试、一致性测试和接入测试工作，自主选择合适的光电模式，完成风暴报文的发送，其中Spirent TestCenter测试仪的应用效果较好。采用智能继电保护测试仪，能够明确GOOSE报文数据属性，在开关量输入中进行映射。为了能够对报文记录文件进行提取，需要采用网络分析仪，同时能够满足实时监测的工作要求，提供可靠的告警说明。
4项目实施效益及应用前景
本研发强调应用的专用性，当出现上述网络问题时可快速诊断出问题点，缩短故障处理时间、提高工作效率、保障电网通信正常运行；当前运维工作中局域网内的网络风暴问题时有发生，平均每月都会有2-3次因部分设备网络流量过大引起的网络异常，而花在查问题根源上的时间平均都在4小时左右，全年花在这上面的时间初步计算：12个月*3次*4小时=144小时，即使不计算人力成本也会造成时间大量的浪费[8]。本装置的研制成功可将每次故障检测时间缩短至10分钟以内，则全年所花费的时间是：12个月*3次*10分钟=360分钟=6小时，由此可见将大大缩短了该类网络问题的检测时间，极大地提高了运维工作效率。本装置的成功研制可用于电力系统二次设备网络通信中的检修及测试诊断，提高了作业效率。亦可广泛应用于其他行业中网络通信故障检测与诊断。5结束语
网络风暴出现于智能变电站的过程层中，会对其正常运行造成影响，如果未能采取有效的预防及处理措施，将会导致供电服务质量下降，不利于电力行业的快速发展。在本文研究当中，研发局域网内被动嗅探接收数据包的程序，同时通过ping、ARP嗅探分段测试对网络风暴进行定位和查。在处理无效报文类型网络风暴和有效报文类型网络风暴时，应该根据其具体的特点选择合理的监测和抑制方法。参考文献:
[1]刘升鹏.基于FPGA的变电站过程层设备网络风暴过滤技术[J].电子世界，2019（15）：132-133+136.
[2]罗美玲，刘海涛，丁宁，等.网络风暴对智能变电站设备和系统的影响研究[J].宁夏电力，2018（6）：35-38+60.
挤胶[3]王志华，杜振华，董志平，等.智能变电站网络风暴抑制技术研究[J].电气工程学报，2016，11（2）：40-46.
[4]陈浙.智能变电站过程层故障快速诊断与定位关键技术设计与研究[D].济南：山东大学，2015.
[5]李志坚，姜宪国，姚刚，等.智能变电站过程层网络虚拟局域网划分的应用[J].电气应用，2015，34（S1）：373-377.
[6]吴温翠.智能变电站过程层网络风暴抑制方法研究[D].北京：华北电力大学，2015.
[7]黄天啸，刘平，辛光明，等.智能变电站过程层网络风暴的分析与处理[J].中国电力，2014，47（11）：112-115+120.
[8]王晓虎.智能变电站过程层网络分析及典型配置研究[D].北京：华北电力大学，2013.
完成清洗工作。随着社会技术的进步，异形建筑高楼在我国未来的数量也将越来越多。因此，异形玻璃幕墙清洗机器人有十分广阔的应用前景，研制出一种能真正投入使用的清洗机器人对改变我国目前高危险、高成本、低效率的人工清洗方式十分必要。
3.2研究展望
在本文的研究成果基础上，以下内容值得我们进一步研究：（1）个性化定制设计。根据不同高层建筑的外观结构、材料分类等要素，进一步强调专用性，开发适应更多环境的清洗机器人，进一步提高其通用性及适应能力。（2）简化机器人结构、寻减轻机器人重量的方法，并提高系统的可维护性、可操作性与自动化程度。（3）开发适用于不同类型建筑壁面的吸附装置、移动装置、清洗装置等，实现模块化，从而达到根据楼宇壁面具体情况选择最合适的清洗机器人。（4）制作出异形玻璃幕墙机器人样机。通过在实际中的不断应用来发现弊端，以此改进更新，从而使研究成果商品化、市场化。（5）降低成本。不断提高产品性能，同时为达到普及
化应用，从各个方面寻降低成本的方法。
参考文献:
[1]孙浩铭，贺可涛，郭辉，等.玻璃幕墙越障清洁机器人[J].科技视界，2019（23）：23-24.水平潜流人工湿地
[2]宋秋芝，刘志海.我国玻璃幕墙发展现状及趋势[J].玻璃，2009，36（2）：29-31.
[3]唐伯雁.自攀爬幕墙清洗机器人机械机构的设计与研究[D].北京：北京工业大学，2005.
梁延淼[4]胡启宝.多吸盘式玻璃幕墙清洗机器人本体设计[D].上海：上海交通大学，2007.
[5]王园宇，武利生，李元宗.壁面清洗机器人发展趋势浅析[J].引进与咨询，2002（4）：3-4+12.
[6]钱志源.带滑动式吸盘的爬壁机器人运动特性分析及其应用研究[D].上海：上海交通大学，2007.
[7]王国庆，孟凡召.浅谈玻璃幕墙清洗机器人现状及发展趋势[J].南方农机，2020，51（11）：94-95.
[8]李芳丽，高鹏，龚希祚.高空玻璃幕墙清洗机器人的研究与设计[J].科技与创新，2019（17）：67-68.
[9]刘星.高层玻璃幕墙清洗机器人设计与分析[D].青岛：山东科技大学，2017.
(上接104页)
107--
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议