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我國智能外墻清潔機器人發展及應用

作者:未知

  摘要:現代城市化發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。智能外墻清洗機器人的使用,將極大程度上將人從高危、繁重的勞動環境中解放出來。近年來,我國建筑外表面清潔機器人獲得了一定的發展,多家企業及高校就智能外墻清潔技術展開深入研究,但仍無法滿足大規模市場需求。針對建筑清潔現狀,結合智能外墻清潔關鍵技術及國內清潔市場行情,探究當前我國智能外墻清潔機器人發展及應用狀況,為相關技術創新和產品研發提供參考。
  關鍵詞:外墻清潔;智能清潔機器人;傳感技術;人工智能
  DOI:10.11907/rjdk.192073 開放科學(資源服務)標識碼(OSID):
  中圖分類號:TP301文獻標識碼:A 文章編號:1672-7800(2020)006-0053-04
  0 引言
  隨著現代城市化的發展,城市高層及超高層建筑成為普遍現象。在外墻建設方面,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。但常年曝露在外經歷風吹雨打日曬的建筑外墻表面會嚴重風化并積累大量污垢,不僅影響其美觀,更會降低其使用壽命。因此,定期清潔維護現代建筑外墻尤為重要。
  迄今為止,國內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的收費標準每年清洗一次計算,國內幕墻清洗市場規模也達到近百億。這個近百億的市場規模,卻長期依賴于3種清潔方式:“蜘蛛人”運用吊繩、吊板、水桶進行清洗;借助升降平臺、吊籃等工具移動工人至指定位置進行清洗;樓頂吊索軌道系統將插窗機對準窗戶進行清潔。前兩種不僅效率低下且勞動強度及危險系數極高,第二種作業成本高,第三種初期投入高,要求其在建設時就將擦窗系統考慮在內,不符合現實。此外,我國老齡化不斷加深,新一代年輕勞動者鮮有愿意從事一線清潔作業,且高空清潔對勞動者要求更高,因此極少有人選擇從事該項工作。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器,將人從繁重的工作環境中解放出來。
  1 國內智能外墻清潔技術研究現狀
  隨著時代的發展與科技的進步,國內外學者就智能外墻清洗模式紛紛提出各自的解決方案,相關研究成果涌現,許多專利已產品化甚至商業化。由于國外研究較早,且機器人技術較為成熟,故其高樓外墻智能清潔技術發展較快,與國內相比優勢明顯;國內研究起步較晚,相關產品依賴進口,研發技術也受限,但隨著業內人士的不懈努力,近年來也已取得了長足進步。
  1996年,上海大學特種機器人應用研究室提出了一種能行走于高層全封閉玻璃結構外墻的垂直壁面行走機器人。該機器人采用真空吸附方式、兩組獨立驅動的腳掌以及三層框架相對移動的結構設計。
  在國家“863”高科技機器人計劃資助下,1999年哈爾濱工業大學機器人研究所針對高層建筑玻璃幕墻的清潔,專門設計了單吸盤負壓吸附結構的CLR-Ⅱ型壁面清洗機器人,其密封結構采用自行設計的氣囊一彈簧組合的囊式氣墊密封法,使得機器人在跨過壁面幾毫米溝臺的同時仍能維持可靠移動。
  北京航空航天大學于2000年提出了一種靈巧擦窗機器人設計,該機器人采用滑動密封吸盤吸附及履帶驅動的雙車體結構,利用風機產生真空實現吸附。其獨特的腰關節設計,賦予各單車體最大限度的獨立運動能力;其肘關節設計實現了雙車體間的協作運動,可實現越障和壁面轉換運動。
  上海交通大學于2006年開發出一種帶滑動式吸盤的爬壁機器人,其采用柔性吸附機構作為密封裝置的滑動式吸盤,可實時調整控制滑動吸盤吸附力,以適應不光整的玻璃幕墻表面,通過樓頂安全裝置控制機器人遍歷幕墻,極大程度簡化了機器人系統。
  哈爾濱理工大學設計了一種主要運用于中低層建筑的仿生爬壁機器人,依靠雙柔索驅動機構和偏角檢測機構,協調收放雙柔索以實現機器人在玻璃幕墻上任意位置的移動。
  哈爾濱工業大學采用螺旋槳產生壓力吸附于壁面的玻璃幕墻清洗機器人,根據各旋翼產生的不同推力調整姿態,以適應不同傾斜程度的壁面,采用距離與視覺同步檢測方式,準確定位障礙。
  青島科技大學通過夾緊裝置中夾緊爪的交替夾緊和釋放,配合豎直方向移動機構絲杠的往復運動實現玻璃幕墻清洗機器人的豎直方向運動。
  天津理工大學采用新型簡易無源負壓機構實現智能擦窗爬壁機器人功耗降低與噪音減輕。
  東南大學推出一種采用電動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器人等。
  雖然國內智能外墻清潔技術研究成果頗豐,但很多研究仍局限于理論范疇內,其實踐應用還有待進一步加強。
  2 智能外墻清潔關鍵技術及難點
  2.1 傳感技術
  機器人需采用大量傳感器以探測和識別周圍環境,并由控制系統根據采集到的不同數據對應調整機器人工作策略。智能外墻清潔機器人在運動中高度依賴于傳感技術,傳感技術也直接關系到機器人智能程度。雖然我國傳感器市場發展很快,但國內傳感器技術與世界水平相比仍存有相當大的差距,傳感精確度不高、技術低等問題直接導致機器人不能更快速準確地作出判斷并采取應對策略。
  例如機器人在外場工作時,不可避免地會受到風或其它因素干擾,加上工作過程中動作反作用力產生的姿態偏移,使得機器人無法正常實施清潔工作。因此,需要可靠的傳感技術支持,確保機器人在空中能長時間維持穩定姿態。傳感器在智能外墻清潔機器人中的應用如圖1所示。
  2.2 智能攀爬及越障技術
  現代建筑風格良莠不齊,個性化建筑屢見不鮮,為適應各種不同外墻環境,機器人需要具備高度適應的越障技術與攀爬能力。
  目前,外墻清潔機器人攀爬方式主要有自攀爬或依賴輔助機器通過繩索牽引的方式。其中,自攀爬方式又以磁吸附式、真空負壓吸附式、足式移動、輪式移動等為主。   對于越障技術,由于樓盤與樓盤間風格迥異,故機器人每次工作環境都在變化。為了應對這些變化,機器人需要綜合借助傳感技術、機器視覺技術及圖像處理技術等檢測障礙物,同時與機器人的運動機構相配合,克服工作中的各種障礙。
  2.3 能源供給技術
  由于是高空作業,機器人需要維持較長的工作時間,故需要一定的能源儲備。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、可隨時替換等優點;鋰聚合物電池具有安全性能好(相比液態電芯電池)、厚度小、重量輕、容量大、內阻小、可定制形狀等優點。但這兩種電池均存在安全隱患,有隨時爆炸的危險,且無法過大充放電,需要保護電路,又由于其生產條件高,故生產成本隨之升高。
  另一種供能方式是連接電線供能,可以隨時保證機器人的能源供應。但由于是高空作業,需要儲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的終極目標,這類技術大多通過發射RF(射頻)電波發揮作用,在電器上配備接收器,能夠將接收到的電波轉化為電能,從而完成充電;抑或是利用太陽能,由于機器人處于外場環境工作,對天氣有一定要求,晴天利用太陽能儲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器,其清洗效率是最重要的考核指標。目前,人工清洗每天工作8小時約能完成300~500m2的清潔工作量,機器需在相同時間內,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 國內智能外墻清潔技術應用
  為了加快智能外墻清潔技術研發與應用進程,國內眾多大企業聯合高校及國外先進企業致力于攻克各技術難點,研發了適用于國內建筑的智能外墻清洗機器人,取得了系列成果,更有一些產品成功應用于市場。
  北京歷途研制的歷途機器人采用內置負壓吸附設計和四旋翼設計,即使在運動過程中突遇橫風,機器人也能緊貼外墻表面,并根據風速大小作出姿態調整;當機器人越障時,旋翼相應調節轉速,同時利用向下的推力,保證機器人牢牢抓住墻面。此外,憑借自主研發的基于Linux的智能機器人操作系統配合搭載的傳感器并運用視覺Slam技術和圖像檢測等技術,可對樓字外立面結構進行空間建模,智能識別樓宇表面材質,根據不同材質及污染程度,自動選擇對應的清洗策略。
  蘇州艾士德的藍天潔士擦窗機器人采用螺旋形清洗刷輥及推力風扇配合形式,其清洗刷分為對稱設置的相互反向螺旋兩段。采用變頻輥刷電機及風扇電機,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,最后通過執行器控制調節輥刷電機及風扇電機轉速,可根據外墻面上實際污垢顆粒大小進行清洗。當輥刷無法清洗污垢時,可通過機械手驅動鏟板,對粘附力較強的污垢進行震動型鏟除。
  廈門華蔚的Plecobot機器人采用帶背壓吸盤的滑動吸盤組件的交替式吸附移動方式,這種方式相比于軌道式和無人機式更加靈活。利用滑動式吸盤本體、真空發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繩合并,使其伴隨機器人移動,確保Plecobot機器人能夠不間斷地獲得能源供應。
  廈門樸蜂歷時九年研制了可自主學習的Ispider機器人,其控制系統由10個CPU組成神經元系統,以最快200Hz的反應速度,管理觸覺、姿態、方向、速度、風壓、識別等50多個傳感器,以及40多個執行清洗和姿態控制的微型數字電機。第一次工作時,機器人會自動對建筑物外墻面情況進行學習,并通過GPRS與后臺通信,清洗速度與人工持平。在此后工作中,由于機器已熟知墻面情況,清洗速度將會大幅提升,約可達到人工的10倍。Ispider通過毛刷和刮雨器工作臂交替伸縮落地方式,利用離心風機轉速調整吸附壓力,可同時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器人運用高壓噴水技術清洗外墻,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生的反向推力帶動噴桿作圓周運動,轉動的噴桿帶動噴嘴噴射出的高壓水流形成大面積圓形清洗面。
  4 結語
  本文通過分析我國智能外墻清潔技術發展、關鍵技術及國內該領域主要企業與相關產品,探究國內智能外墻清潔技術最新發展境況。目前,國內智能外墻清潔技術尚不成熟,面對龐大的清潔市場,鮮有可靠的產品投人使用。國內研究人員主要以玻璃幕墻作為產品使用環境進行研發,玻璃幕墻作為一種美觀實用的材料,將廣泛運用于未來建筑,但風格迥異的建筑需要使用能適應各種復雜高樓環境的智能清潔機器人。隨著將來傳感技術、機器人移動技術、人工智能、無線充電等技術的蓬勃發展,勢必會在智能外墻清潔行業掀起一場革命,工人將真正從高危勞動環境中解放出來。國內市場發展與智能外墻清潔技術應用分析,可為相關企業研發提供參考,對于促進我國清潔市場及相關技術領域發展具有積極意義。
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