高空清洁组合设计

蒋卓一 吴灿 何其隽 宋俊延 刘姝岑

摘  要：近年来城市的高层建筑随着社会的发展而不断增多，玻璃以其特有的魅力为城市建筑增添不少设计感，但也造成了光污染、高空清洁等问题。本文就城市高空清洁问题，以高空清洁行业的现状及其弊端为导向，结合无人机和清洁机器人的发展趋势以及“无人机+”的概念，探讨通过创新组合方式设计，深入研究高空清洁这一创新性设计。并且在高空玻璃清洁的基础上对产品原型进行应用拓展，例如生物仿生、机械结构仿生;输送清洁机器人的不同方式;适用于玻璃、石材、铝板及异面墙面等不同环境的清洁方式。这有助于实现产品形态和控制系统的多元化延展，探寻解决更多高空清洁领域问题的可能性，尝试创造更高的社会价值和经济价值。

关键词：高空清洁  无人机  清洁机器人  应用拓展

中图分类号：V235                               文献标识码：A                   文章编号：1674-098X（2020）09（c）-0004-04

Abstract： In recent years， high-rise buildings in cities have been increasing with the development of society. Glass has added a lot of design to urban buildings with its unique charm， but it has also caused problems such as light pollution and high-altitude cleaning. On the issue of urban high-altitude cleaning， guided by the current situation and shortcomings of the high-altitude cleaning industry， combined with the development trend of drones and cleaning robots and the concept of "UVA+"， this paper explores this innovative design through an new combination of methods design， and expand the application of product prototypes on the basis of high-altitude glass cleaning， such as bio-bionics， mechanical structure bionics， different ways to transport cleaning robots， and study on the cleaning methods suitable for different environments such as glass， stone， aluminum plate and different wall surfaces， which is conducive to the realization of the diversified extension of product forms and control systems， the exploration of the possibility of solving more problems in the field of high-altitude cleaning， and the high value creation of society and economy.

Key Words： High altitude cleaning; UVA; Cleaning robot; Application development

目前，高空清潔还是以人工作业为主，清洁人员用一根保险绳和一根作业绳把自己悬挂在建筑外壁，这是一种高危的作业的方式，不仅如此，高空清洁对就业人员的身体素质有较高的要求。此外，高空作业还受天气的限制，遇到四级以上的风力、能见度差时，以及气温超过35℃或低于0℃时都不适合高空清洁。因此，市场急需一款可以替代人工高空作业的产品，以减少工作的危险性，同时也减少高空清洁公司的清洁成本费用、人工开支。

1  研究背景及意义

近年来城市规模不断扩大，城市建筑如雨后春笋般地拔地而起，玻璃又是城市现代高层建筑中不可或缺的材料。为了美观及采光的需求，不少高层建筑都采用了玻璃幕墙，这就带来了玻璃窗（顶棚、壁面）的清洗问题[1]。

1.1 高空玻璃清洁的发展现状

如今，高空玻璃清洗主要依靠人工清洁，作业人员大部分是文化水平较低，部分清洁员缺乏操作规范，每年都会有由于操作不当引发的高空坠落事件。

一些清洁公司用一些比较粗暴的方式清洗，使用腐蚀性化学试剂的现象比较严重，可以看到被腐蚀性的化学试剂清洗过的高空玻璃，早已改变了原有的质感。清洁公司为降低成本，清洁设备长时间不更换或采用劣质清洁剂，导致建筑物下的植物出现不同程度的枯萎、汽车表面受到腐蚀等恶劣情况。

1.2 本课题研究的意义

由于玻璃长期暴露在空气中经过暴晒和风吹雨打，以及大气中产生的有害气体等污染和一些玻璃清洁剂对玻璃的腐蚀，在高空玻璃上产生了一层污垢。长久以往，这样既会损坏了高层建筑物，又影响了城市建筑的整体美观性。随着科学技术的逐步成熟，高空清洁可以由机械代替人工作业，不仅可以把作业风险降到最小，也可以节省人工作业费用。

2  无人机清洁系统设计原则

确定设计主题后，对其进行了设计延伸，确定以无人机和清洁机器人作为产品主体后，展开创意构想，总结每个构想的优势与不足，确定设计方案所要具备的优势。

2.1 效果要好

玻璃清洁机器人直接与玻璃面接触，通过底部的密植纤维抹布精细擦除玻璃表面的灰尘污渍，效果比直接冲洗玻璃窗会更好，同时也避免清洁剂流至下层玻璃以及地面。

2.2 效率要高

实现无人机+清洁机器人的多机操作、多模式系统化控制，缩短了清洁整栋建筑物玻璃外墙的时间，提高了清洁效率，改变人工作业工序繁琐、效率低下的现状。

2.3 节省水资源

相较于其他喷水清洁方式，该设计通过无人机喷洒雾状特质清洁剂，清洁机器人进行擦洗的形式清洁玻璃面，极大地节省了水资源，避免了无人机需多次飛回地面取水的需求。

2.4 替代人工作业

依靠操控人员在地面控制中心操纵，不需要人员加入高空清洗环境，解决了工作人员的人身安全问题，降低了人力成本，可替代“蜘蛛人”完成清洁工作。

2.5 运用智能化、网络化、信息化技术

运用视觉技术，无线网络，后台数据采集分析，三维建模，VR 虚拟技术和AR增强现实技术，智能路径规划，GPS 定位，红外传感等技术进行系统化的智能控制和管理，实现无人机和清洁机器人工作运行。

2.6 优化外观造型

无人机的外观设计以“节省材料、节省空间、减少重量”为设计原则，且尽可能贴合城市建筑风格，具有一定的科技感;对于清洁机器人来说，其风格要简洁大方，最核心的是要方便无人机携带。

3  无人机清洁系统设计方案

3.1 设计定位

在这款组合设计中，无人机作为辅助清洁工具，输送清洁机器人至玻璃面上，利用摄像头部分为清洁机器人规划清洁路径并起到实时监控的作用;清洁机器人主要负责擦洗窗户。

3.2 机器运作所需部件

在确定了设计定位和具体功能需求后，机器运作过程中需要用到激光雷达、液体泵、超声波测距单元（红外）、2.4GHz无线通信技术、惯性导航单元、磁力计、电动伸缩杆、电动滑台、电磁铁、喷头、水箱。

3.3 “无人机+清洁机器人”技术实现

飞行器和机器人可通过自身配置的激光雷达、导航单元和磁力计进行无人机和多台机器人的同时操作。通过2.4GHz的无线数字通信收发器完成数据传输，地面会进行不同模式的控制，从而实现多机组合模式的控制。无人机依靠惯性导航单元和磁力计可准确导航，从而能够准确的运送清洁机器人至指定工作区域。

3.4 确定无人机的机型

针对此项目，考虑到无人机需要负载电动伸缩杆、电动滑台、清洁机器人、水箱等部件，无人机的负载能力不能低于15kg，所以选择大功率四旋翼无人机。并做出最终方案，效果图如图1。

4  工作流程及可行性论证

4.1 规划路径

无人机通过顶端的摄像头，并结合激光雷达，运用视觉技术对建筑物外墙进行扫描，规划出清洁机器人的工作路径，无人机飞回地面后，再由工作人员将清洁机器人悬挂在无人机底部的电动伸缩杆前端的电磁铁上。

4.2 喷洒清洁剂

无人机再次起飞至玻璃清洁区域，微型液体泵抽出水箱内的清洁剂，通过无人机喷头向玻璃面喷洒清洁剂。

4.3 输送清洁机器人

无人机喷洒清洁剂之后，无人机的距离感应器利用超声波测距，精准地向玻璃面输送清洁机器人。无人机底端的电动滑台和电动伸缩杆依次移动，将清洁机器人送至玻璃表面。

4.4 开始清洁

将清洁机器人送至玻璃面时，内部的传感器感受到清洁机器人与玻璃面接触信号，开始通电，清洁机器人吸附到玻璃面上。之后电磁铁断电，使无人机与清洁机器人分离，并给清洁机器人发送清洁指令。

4.5 多机工作

飞行器和机器人可通过自身配置的激光雷达、导航单元和磁力计进行无人机和多台机器人的同时操作。第一台清洁机器人开始工作后，无人机飞回地面运送其他清洁机器人，并重复工作流程2～4。

4.6 回收擦窗机器人

在工作期间，无人机与清洁机器人使用2.4GHz无线通信技术完成数据传输，当清洁机器人工作结束，发送信号至地面控制中心，无人机通过红外感应器精准的与清洁机器人对接回收（见图2）。回收的清洁机器人若有足够的电量，将其送至其他需要清洁的玻璃面;若电量不足，将其回收至地面进行充电。

5  应用拓展

城市建筑不仅仅是依靠玻璃材质，还由石材、铝板、磨砂材质构成，同时为了建筑的整体效果还会出现异面墙，基于这种情况下，以原型产品的能力是达不到清洁目的的，这就需要对产品进行应用拓展，以满足不同场景的需求。

可以利用生物（如壁虎）仿生、机械结构仿生和月球车等原理，研究适用于玻璃、石材、铝板及异面墙等不同场景的清洗，实现产品形态的多元化延伸及远程控制等。

在“无人机+机器人”模式的基础上，转换思维，可考虑改变输送清洁机器人的方式，转变为从高层通过固定的绳索或其他固定装置向下输送，将清洁机器人送至清洁区域。不仅可以提升清洁效率，还可以避免无人机输送清洁机器人时因故障问题造成的意外。

电作为清洁机器人唯一的动力来源，续航成为一个最大的障碍。若清洁机器人外壳采用光伏发电板，可运用光伏发电新能源技术解决续航不足的问题。

6  结语

高空清洁从各方面来讲都是一个较为棘手的问题，但在经济与科技发展迅速的时代背景下，技术难点将一一被突破，日渐趋于完善的高空智能清洗设备将会成为现实。本创新成果作为高空清洁类产品的探索，提出“无人机+清洁机器人”的概念，具有高安全性、高适应性、高效节能和高度智能化的特点，是先进、合理的高空清洗解决方案和替代产品。对其拓展研究的产品又可适用于玻璃、石材、铝板墙面等不同场景的清洗，为解决高空玻璃清洁问题提出更多可能性。

参考文献

[1] 苗正红，杨清臣，邱中军，毕强.一种基于激光雷达技术的水库库容计算方法[J].地理空间信息，2018，16（5）：14-15+8.

[2] 赵赫，鲁旭，姚金池，吕海霆.高空玻璃清洁机器人的设计及研究[J].中外企业家，2019（15）：136.

[3] 邵翌鑫.智能仿生玻璃清洁机器人造型设计及功能配置[J].北华大学学报（自然科学版），2016，17（2）：278-280.

[4] 王明宇，胡阳光，崔俪馨，于捷.可控式玻璃清洗机器人的研究[J].内燃机与配件，2020（8）：248-249.

[5] 刘海波，周璇，许晓春.“高空清道夫”智能机器人的研究和应用分析[J].科技资讯，2016，14（35）：2-3.

[6] 陈攀.工业机器人的研究现状与发展趋势[J].科技资讯，2019，17（4）：60-61.