工程硕士：高楼壁面清洗机器人的研究与设计.pdf

工程硕士：高楼壁面清洗机器人的研究与设

计

第1章引言

1.1课题背景与研究意义

1.1.1课题背景

随着改革开放后，国家经济得到迅速发展，现代化建设随之而起，

高楼大厦也越来越多，各种高楼大厦也成为现代化城市的独特风景。

在楼的外壁设计中，采用玻璃材质是不错的选择，玻璃不仅采光好、

美观，而且不变形、防潮等性能良好，目前大量高楼的外观很多都采

用玻璃壁面结构，也有一些建筑物应用瓷砖来装饰外壁来实现外壁的

美观，各种高楼大厦成为城市靓丽的外衣，但是也同样产生了大量的

壁面清洗工作。高楼外壁一般采用玻璃材料，表面积特别大，高度也

都接近一百米，并且表面光滑没有攀爬的扶手，这样一来，高楼壁面

的清洗就带来了很大的困难，并且存在较大危险，清洗费用高。目前，

高楼壁面的清洗工作一般采用人工来完成，运用升降机或者吊篮，甚

至直接绳体直接悬于半空作业，我们形象的称这些工作者为蜘蛛人，

这种传统的清理方式虽然比较简单，但是存在着巨大的危险性，在半

空中的气流强烈容易使人摇摆，失去平衡，风吹日晒，工作环境的特

殊性，属于高危职业，对于自身安全和壁面都有很大的隐患。假如在

高楼刚刚设计时候就考虑壁面清洗的问题，在楼顶组建轨道以及吊索

来为后期的壁面清洗提供方便，但是这样投资较大，另外大多高楼没

有按这种标准来设计，需要大量的人力物力来解决。更重要的是国家

对于高空作业人员做出了立法限制，这样一来市场上就急需一种能够

代替人工来清洗高楼壁面的机器人来完成城市外衣的美化与清理。

1.1.2课题研究意义

在这样的需求下，高楼壁面清洗机器人应运而生，他隶属于服务

类机器人，能够在悬挂于半空中，通过垂直壁面的清洗机和楼顶的移

动来实现壁面清洗。目前，壁面清洗机器人不断的进行优化，逐步实

现自动化，也可以以清洗机为本体更换其他设备来完成其他操作要求，

可以应用其他产业中。清洗机器人与高楼壁面达到环境统一，也就是

说，机器人既要完成对高楼外壁的清洗又在壁面上爬行。它的出现将

极大程度的减少高楼外壁的清洗成本，大大改进了工人的工作环境，

提升了工作的效率，减少了高楼清洗工人存在的工作隐患，特别大的

推进了清洗机器人的发展，实现很高的社会价值和创造极大的经济效

益。高楼壁面清洗机器人的发展以及理论的研究已经受到很大关注，

现在国内国外也都在开展研究。

1.2国外壁面清洗机器人的研究现状

大量工业机器人已经在很多工业领域中实现应用，例如矿业、冶

金等。随着人们对优质生活水平的不断追求，很多为了满足人们需要

服务于人类的服务机器人应运而生。各种清洁工作、货物运送、监控

系统、设备检修和探测等工作，为人们提供优质服务。随着人们对服

务机器人的需求、空间和时间的不同，也需要不同的机器人来满足人

们的需求，需要具有高度的灵活性，来适应不同的环境。到目前为止，

很多科研工作者对于服务来机器人投入了大量的精力。其中，本课题

研究的清洗机器人也是重要的一项，现在城市高楼大厦不断崛起，更

需要壁面清洗机器人的技术的不断提升。德国汉萨斯航空公司出资设

计制造出了世界上第一个巨型清洗机器人“SKYWASH”[1]（清洗巨人），

如图1-1所示。它的主体结构是最长可伸缩330分米的多关节机构，

它有11个自由度，主轴有6条，腕关节3个，两个自适应轴，共

有12个可编程序轴。冗余的运动链可以实现各种较为复杂的运动，

但是它的结构则没有变化。各个轴都是由液压系统驱动的，由于系统

采用的抗拉钢材，因此它的材料较轻。清洗机的刷子长1200毫米，

误差为50毫米以内，滚刷的设计与飞机的外形结构达到完美结合。

这个清洗机器人安装在大型汽车的底盘上，这样可以向各个方向移动，

清洗机器人在人工操作下完成预设动作，能够完成整个飞机表面的清

洁。它的动作灵便，可以满足各种型号飞机的需求。

第2章壁面清洗机器人总体方案设计

2.1壁面清洗机器人的总体方案

根据高楼壁面清洗机器人的工作目的，实现清洗的要求，机器人

必须要实现清洗的功能和爬壁的功能，另外设备的控制系统也是极其

重要的部分，是不可分割的一部分，壁面清洗机器人分为机器人清洗

系统、悬挂提升系统和控制系统三大部分[18]。

2.2清洗壁面机器人清洗系统

高楼外壁的污垢基本都是大气中的尘土颗粒，雨天之后就会有更

多的泥土附着，清洗系统是设备的核心，壁面清洗机器人就是为了让

机器人更好的代替人工对建筑外壁进行清洁，本文使用高压水枪冲