西北工業(yè)大學(xué)

李事坪，薛 棟，王海晨，鄒志華，陳潤(rùn)博

1 背景簡(jiǎn)介

目前，中國(guó)建筑面積為500億平方米，其中幕墻占5%，而中國(guó)每年新建幕墻達(dá)9 000萬(wàn)平方米。即使以最低收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，國(guó)內(nèi)的高層外立面清洗市場(chǎng)超100 億元，市場(chǎng)潛力巨大。隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與快速發(fā)展，家政服務(wù)機(jī)器人有望成為繼電腦和手機(jī)之后大批量進(jìn)入家庭的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品。人工擦洗玻璃（尤其是外窗戶(hù)面）存在作業(yè)困難和較高風(fēng)險(xiǎn)，而大型擦窗機(jī)投入成本過(guò)高，因此擦窗機(jī)器人成為安全經(jīng)濟(jì)的選擇。國(guó)內(nèi)擦窗機(jī)器人產(chǎn)品主要來(lái)自于科沃斯和嘉世達(dá)兩家公司，兩家公司的產(chǎn)品功能相似度高，均無(wú)法翻越窗戶(hù)邊框，且只能夠擦洗單塊玻璃，實(shí)用性有待增強(qiáng)，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)不明顯。

2 作品簡(jiǎn)介

西北工業(yè)大學(xué)研究生創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的可越障擦窗機(jī)器人—TaichiRobot，不僅能夠緊貼玻璃窗戶(hù)壁面，實(shí)現(xiàn)整塊玻璃擦洗，還具備獨(dú)特的越障能力，可快速高效完成窗戶(hù)內(nèi)外玻璃面的擦洗作業(yè)。

TaichiRobot的設(shè)計(jì)主要包括三部分：

（1）整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要難點(diǎn)包括整機(jī)越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、自適應(yīng)浮動(dòng)吸盤(pán)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)；

（2）硬件電路設(shè)計(jì)，主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、不間斷電源、采集傳感器信息、通信電路；

（3）軟件編程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/半自動(dòng)擦洗功能與自主越障。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）TaichiRobot安裝了防跌落傳感器，能夠擦洗無(wú)邊框玻璃。

（2）TaichiRobot首次實(shí)現(xiàn)了越障，能夠完整擦洗具有高低落差的玻璃窗。

（3）TaichiRobot具有干擦、濕擦和干濕混合擦三種擦洗模式，工作效率高，擦洗更干凈。

（4）TaichiRobot體 積 小（400 mm×200 mm×70 mm），重量輕（≤3.5 kg），耗能少，綠色環(huán)保。

3 工作原理

3.1 集負(fù)壓吸附功能

機(jī)器人內(nèi)部電機(jī)抽出吸盤(pán)內(nèi)的空氣，實(shí)現(xiàn)真空狀態(tài)，以便機(jī)器人牢靠地吸附在多種材質(zhì)上，如玻璃鏡面、大理石、不銹鋼表面等，吸附強(qiáng)勁，負(fù)壓可以達(dá)到-30 kPa，載重性能約為自重的2倍。

3.2 擦洗功能

自適應(yīng)抹布能夠適應(yīng)不同的玻璃面，具有干擦、濕擦和干濕混合擦三種擦洗模式，在機(jī)器人前進(jìn)過(guò)程中對(duì)臟污進(jìn)行擦-刮-抹處理，清潔效率高。

3.3 越障功能

采用機(jī)械臂輔助抬高越障，兩個(gè)機(jī)器人在擦完一塊玻璃后迅速靠近另一塊玻璃，其中一個(gè)機(jī)器人固定，另一個(gè)機(jī)器人依靠機(jī)械臂中的抬升電機(jī)緩慢抬升，實(shí)現(xiàn)越障。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)機(jī)器人越障成功并固定在還未擦洗的玻璃上之后，另一個(gè)機(jī)器人實(shí)施越障。該越障技術(shù)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)履帶式小型擦窗機(jī)器人的越障功能空缺。

3.4 防跌落功能

機(jī)器人裝有防跌落傳感器，能夠有效感知吸附表面的邊緣，尤其在無(wú)邊框環(huán)境下，能夠判斷邊緣位置，防止跌落。此外，TaichiRobot具有防跌落安全扣，可承重約10 kg。

3.5 自動(dòng)清潔/手動(dòng)清潔路徑

自動(dòng)清潔模式可自動(dòng)識(shí)別窗戶(hù)的大小，優(yōu)化出“Z”字型清潔路徑；手動(dòng)清潔模式下，用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)APP端對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遙控，對(duì)部分污染區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)擦洗與清潔。

3.6 緊急報(bào)警功能

搭載WiFi無(wú)線通信模塊。機(jī)器人在工作中遇到突然斷電的情況時(shí)，啟動(dòng)機(jī)載備用電源，保證機(jī)器人能夠停留在安全位置并報(bào)警，提醒用戶(hù)采取措施。

4 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）首次實(shí)現(xiàn)了可越障擦窗功能；

（2）設(shè)計(jì)的自適應(yīng)浮動(dòng)吸盤(pán)可大幅提升機(jī)器人越障吸附玻璃成功率；

（3）設(shè)計(jì)的硅膠密封圈具有較好的柔軟度及密封度；

（4）設(shè)計(jì)的“Z”字形擦洗方式可提高擦洗效率，減小重復(fù)擦洗面積；

（5）設(shè)計(jì)的浮動(dòng)式擦洗裝置可在保證穩(wěn)定越障吸附玻璃面的同時(shí)擦洗玻璃；

（6）設(shè)計(jì)的電源切換電路，當(dāng)主電源斷電時(shí)自動(dòng)切換至電池供電并報(bào)警。

5 市場(chǎng)前景

隨著高層建筑的增加，以玻璃壁面為代表的幕墻結(jié)構(gòu)逐漸演繹成華麗的“城市外衣”，同時(shí)家庭中的落地窗也逐漸增多，因此衍生出繁重的壁面清洗任務(wù)。另一方面，越來(lái)越奇特的建筑結(jié)構(gòu)使清洗的難度成倍增加，傳統(tǒng)的清洗方法已無(wú)法滿(mǎn)足需求。

根據(jù)實(shí)際情況，我們將用戶(hù)群體分為以下幾類(lèi)：

（1）家庭

由于城市工作壓力大，人們?cè)诩彝デ鍧嵎矫婺軌蛲度氲臅r(shí)間和精力較少，因此他們更容易接受通過(guò)智能化的機(jī)器人完成繁瑣的清潔工作。

（2）物業(yè)公司

相比于窗戶(hù)內(nèi)壁面，窗戶(hù)外壁面更容易受到灰塵、雨水的污染，因此窗戶(hù)外壁面擦洗需求的頻率高于窗戶(hù)內(nèi)壁面。小區(qū)和寫(xiě)字樓的物業(yè)更注重環(huán)境的整潔，物業(yè)公司更傾向于通過(guò)方便、經(jīng)濟(jì)的方式來(lái)完成范圍內(nèi)公共設(shè)施的玻璃擦洗作業(yè)。

（3）保潔公司

清潔公司在清洗玻璃外墻時(shí)只有“蜘蛛人”和大型擦窗機(jī)兩種方式，“蜘蛛人”擦洗存在著高風(fēng)險(xiǎn)的固有缺陷，而大型擦窗機(jī)則存在著投入成本過(guò)高的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)的擦窗機(jī)器人擁有投入費(fèi)用低、受外部環(huán)境影響小的優(yōu)勢(shì)，完全可以取代舊的擦洗方式完成大部分的擦窗作業(yè)。同時(shí)，通過(guò)擦窗機(jī)器人作業(yè)可以降低清潔公司的運(yùn)營(yíng)成本，降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。