智能化立面清洗设备的快速发展

孙佳¹，吴仁山²，于钦伟³

1.沈阳建筑大学 机械工程学院

2.江苏高空机械吊篮协会

3.北京历途机器人有限公司

摘要：人工智能快速的发展让今天的机器能够像人一样完成固定的工作任务，高层建筑外立面的清洗任务正在逐渐被智能机械取代。发展中存在诸多影响因素，发展方式和实现方法需要不断研究和探索，本文从现有技术出发思考和归纳可行的技术方式、方法，提出行业发展的思路和核心技术，对行业健康可持续发展提供指导作用，为行业进步提供动力。

关键词：智能化设备，擦窗机器人，行业发展，探索

随城市化的快速发展趋势，极容易受到污染的建筑立面带来了巨大的清洗和维护作业任务，孕育着新的行业发展前景。该类作业任务存在巨大的作业人员和作业环境风险，所以人工作业必将被机器替代。

一、自动擦窗设备的发展

世界上最早出现的清洗机器是由德国汉萨航空公司委托普茨迈斯特公司所研发制作的“Skywash”飞机清洗设备，设备由底盘和作用范围30米的多自由度机械臂组成，清洗时将飞机外形数据输入控制机，设备便可在人的监察下按照预定方式完成飞机外轮廓面的清洗任务。

随后，美国国际机器人公司在35年前研制出用于清洗高楼的爬壁设备“Sky Washer”其外形0.9mX0.9m，自重20kg可以越过50mm高和250mm宽的障碍物。机器人作业是依靠两组Ｌ型作业臂完成，采用每个臂上真空吸盘附着，通过固定点间相互交替完成设备在作业面上的纵向和横向的移动。

日本BE公司研制的固定轨道式自动擦窗机器，该机器沿预先铺设导轨移动完成设定的清洗，轨道约束由楼顶臂驱动器带动可跨越高度200mm的障碍物，最大作业速度为10m/min，清洁过程包括：喷水淋洗＋盘刷旋转刷洗＋刮板移动刮洗。该类设备针对性很强，需要在楼宇设计时进行全面考虑，复杂壁面清洗时局限性大且成本较高。

德国马格堡的弗劳恩霍费尔自动控制与操作研究所（IPA）针对具体建筑物外立面特点和清洗作业任务开发了一些列作业设备，在实际作业中得以应用，该类设备主要的技术特点都是采用顶部钢丝绳牵引和轨道移动配合技术。

图4 钢丝绳牵引和轨道移动配合清洗设备   图5半自主式吸盘清洗设备

德国慕尼黑技术大学设计超高层建筑外墙的半自主清洗机P1，采用真空吸附技术，通过吸盘的交替吸附实现自身的移动作业，能够适应玻璃、铝材等多种材料的清洗任务。

2006年日本香川大学的Tohru Miyake等人开发出一种质量只有3Kg，尺寸300mmX300mmX100mm轮式擦窗设备，设备具有尺寸小、质量轻、移动速度快及转向灵活等特点。2011年韩国的Young-Ho Choi等陆续提出全自动化商用擦窗设备的概念并研制样机Smart Windoro V1.0。该机在玻璃的内部和外部采用永磁吸附方式附着配合电动轮驱动。2015年，韩国首尔国立大学采用、钢索悬挂和螺旋桨推进吸附方式及双车体结构结合三角履带实现越障移动，开发出自重为75Kg，负载20Kg，移动速度每分钟15m/min，尺寸为957mmX1500mmX758mm的清洗设备。

家庭清洗设备方面：德国波妞系列188型擦窗机器采用双吸盘交替吸附移动擦拭，通过传感器自动识别边框，智能规划。机器尺寸为300mmx150mmx120mm，重0.94kg，垂直承重25.2Kg，水平承重13Kg，真空吸附56Kpa，玻璃擦拭速度42m/min。中国的科沃斯研发出系列家用产品投入市场，如自动擦窗机W930-SW其尺寸为：307mmX307mmX124mm，重2.3Kg，承重10Kg，真空负压达30Kpa，采用内外圈双吸盘双重保险和备用电池安全续航，自动识别边框，但噪声大，有缆电源有距离限制及不具备越障能力。

在我国建筑行业的快速发展带动了擦窗设备技术水平的不断进步，工程实际中采用建筑定制的擦窗设备携带清洁人员完成建筑外立面的清洗和维护作业。但这种方式清洗人员作业强度大，作业效率低，清洗周期长，设备维护困难，从而导致此类设备闲置率居高不下。

国内研究人员不断尝试无人清洗作业设备的开发，具有代表性的如：哈尔滨工业大学1994年至1998年间在国家计划支持下研制了吸盘吸附气囊弹簧组合密封CLR-I和永磁体外封橡胶的履带在导磁面上移动的爬壁机器人、利用PLC控制和有线遥控双轮行走方式，设备携带高压水枪、旋转刷、刮板等清洗装置，负载5Kg，不能越障，为瓷砖壁面清洗所设计。

在2000年，哈工大与中国蓝星化工清洗总公司合作成功开发了“蓝色超人”壁面清洗机，尺寸为1600mmX1200mmX250mm，自重70kg，单吸盘负压吸附，弹性密封裙边密封，最大移动速度6m/min，采用无线遥控，可跨越20mm障碍，通过清洗与移动功能的结合，使得机器人在结构上更加紧凑、重量也更轻。2002年，北京航空航天大学研制的推力吸附机器人“蓝天洁宝”采用吊挂方式，设备采用涵道风扇形成的推力吸附，底部装设导向轮，纵横移动由楼顶缆车实现，采用擦－刮清洗方式，清洗速度10m²/min，壁面适应性好。

北航研制系列气动壁面清洗设备，“蓝天洁士”系列采用十字型结构，末端多个吸盘吸附使其可沿纵、横方向自由行走和越障，并配有污水循环装置，清洁效果、自动化程度方面表现较好，但运动不连续，速度慢，效率低，结构较复杂。如图11所示北航专为国家大剧院椭球外表面幕墙的设计自攀爬曲面幕墙清洗机器人。

2003年，香港城市大学开发的全气动壁面清洗设备同样采用十字框架结构。配合视觉系统判定工作表面的脏污程度和位置实现具有针对性的擦洗作业，但完成机器运动路径上的清洁困难，存有盲区。2008年重庆大学研发了三角框架结构攀爬式清洗设备，采用电气混合作为设备的驱动，设备直径800mm左右，重2.4Kg，负载10Kg，可跨越80mm高，50mm宽障碍物，电机通过蜗轮蜗杆驱动上下框架实现不同方向运动，可在垂直壁面或曲率小的球面作业。

2009年上海大学采用多吸盘轮腿研制了能够双向作业壁面清洗设备，具有面面转换能力，可越过宽50mm，高20mm障碍，清洗形式为冲洗-刷洗-清水淋洗-刮洗-污水回收净化循环利用，具有较强的壁面适应性继承轮式机器特点具有较高运动速度。2013年哈工大针对风力发电机塔身清洗研制永磁吸附履带式爬壁设备。虽然该设备壁面的适应能力强，但存在吸力不易控制、转向困难等缺点。设备自重135Kg，可负载50Kg，最大吸附力4KN，能越8mm纵向焊缝完成塔简外表曲面清洗任务，清洗沿筒壁呈螺旋线方向进行，单次清洗宽度0.8m，作业中需要绳索保护，6小时左右可洁洗完整塔筒。

2015年北京理工大学针对无横向障碍的玻璃幕墙开发Clean Gone清洁设备。该设备采用悬吊方式完成横向移动，竖直方向依靠重力和气动驱动，用多吸盘真空吸附方式固定作业，与图12相似。图12上面两幅为吸盘履带式玻璃清洗设备开发模型，具有一定技术前瞻性。

二、自动清洗设备的核心技术

一台完整的自动清洗设备能完成覆盖作业表面的自由移动，越过设计范围内的障碍物，对玻璃等需要清洗面执行自动清洗作业，设备需要配备清洗过程的动力、供水、污水回收、表面快速净干等模块，并具备安全保护装置以确保作业过程中设备自身和周边环境的安全，最终实现满足清洁度要求的作业面清洗任务，安全、高效、低成本并且具有较强的适应性是此类作业设备所追求的目标。

设备结构：设备结构主要用于各功能模块安装，需要考虑自身重量和模块布置的合理性，同时具备多重安全保护装置。

行走机构：越障能力、行走速度是行走机构的主要评价参数。常见行走机构有框架式、脚足式、履带式、轮式、轮脚式；其中框架式、脚足式机构执行吸附-运动-吸附的断续行走方式，具有较好的越障能力和较强的壁面适应性，但在行走速度方面不具有优势；履带式、轮式、轮脚式能够实现连续运动，设计中需要多车体实现越障和面面转换，对控制系统要求相对较高。

立面附着：设备对作业面附着是其实现行走、擦洗的前提，采用绳缆悬挂、正倾斜角作业、铺设轨道等作业方式的设备对附着要求不高。实际中，常见的附着原理有真空吸附、风压反推附着、正倾斜面自重附着、机械轨道式附着、仿生吸附和双面磁性吸附等。其中真空吸附和风压反推附着是目前较为成熟的吸附技术，前一种方式采用多种组合真空吸盘完成作业面附着，具有结构简单、重量轻、易于控制等突出特点，后一种方式适用绳缆悬挂式设备，工作中使用风扇形成的反向推力将设备与清洗作业面压紧。

清洗机构：作业面需要清洗的主要污染物是粉状灰尘、油性灰尘或部分水泥胶质。清洗过程中需要使用专业的清洗剂，配合喷水、喷雾、洗抹、刮干和污水回收等步骤完成作业面污垢的清除，并将水痕擦干。

智能控制：自动化清洗设备的一个重要评价指标就是其智能化、自动化程度，随着人工智能的快速发展，未来对作业面环境的高效识别和处理将直接影响设备的作业效率、适应性和安全性；当前，自动清洗设备已从半自主向全自主服务方向发展，设备可对作业环境、作业任务进行采集、识别，自主规划清洗路线并完成作业面的清洗任务，工作过程中自主完成动力补充、供水、废水回收、污染物排放等一些配套作业过程。

动力系统：擦窗设备工作过程中原动力可以采用电缆送电、太阳能板配合蓄电池、独立高容量蓄电池以及小型内燃机等形式。目前主流形式是采用拖行电缆送电，部分设备内部装有应急自救蓄电池模块。纯蓄电式设备中50%~60%的能量用于设备的行走和附着，30%~40%的能量用于设备的清洗作业，约10%的能量服务控制系统及作为救援储备。

各机构间通过复杂的相互联系，形成自动清洗设备整体，使设备具有结构灵活简单、自重轻、负载能力大、越障能力强、制造成本低、自动化程度高、运行可靠且适用范围广、清洁能力强的特点。

三、未来清洗设备行业的发展

随着人类社会的发展，需要维护和清洁的立面在以高密次的速度快速增长。较为突出的几个领域有：各类建筑的外立面；大面积安装的太阳能光伏板表面；大型风力发电塔塔筒和叶片维护；快速增多的航空器、高铁列车、轮船及家用轿车等。随着应用领域的不断扩大，新技术、新设备必将通过不断的迭代来更好地服务行业的发展，如美国斯坦福研究院依靠生物静电学原理发明的墙壁攀爬设备，能够在墙壁表面吸附并完成上下垂直运动，设备外形如图19所示。

四、历途商业化立面清洗产品

高空机械技术研究院战略性合作企业北京历途科技有限公司是一家人工智能与机器人研发企业，通过十几年的技术积累成功开发出高效、安全、专业的外墙清洗机器人，填补外墙清洁市场智能化产品的商业空白，设备外形如图20所示。

设备具备非常高的适应性，通过高精度吊装定位系统配合机器人姿态调整系统以及多种传感器辅助越障功能，确保机器人适应各类高层建筑外墙复杂特征，实现作业路径自动规划及各种障碍的翻越。在完成清洗作业过程中，采用多清洁单元依次清洁的方式，配合机器自带的视觉摄像头识别系统，能够对工作表面进行判断并给出优化后的清洁程序，对清洁剂喷雾软化、滚刷高速清洗、刮板定向刮拭和吸附擦干等作业步骤进行优化组合，最终实现立面污垢的有效清除。该设备完美实施清洗作业的背后是多套复杂算法支撑的操作系统，该系统主要实现工作面视觉识别、处理、视觉三维空间重构、空间路径智能规划，以及行走、清洗、动力、安全保障系统的协同控制，图21给出了该设备主要涵盖的技术特点。

参考文献：

[1] 何继红. 擦窗机器人虚拟样机的设计与性能分析[D].北方工业大学,2018.

[2].科沃斯发布无线擦窗机器人[J].家电科技,2018(01):9.

[3] 徐良君. 擦窗机器人结构设计及关键技术研究[D].河北工业大学,2017.

[4] 李壮. 摆臂式擦窗机器人的设计与实现[D].浙江工业大学,2016.