高楼壁面清洗机器人的研究与设计
第 1 章 引言
课题背景与研究意义
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。
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。
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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。
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第 2 章 壁面清洗机器人总体方案设计
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]。
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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洗、刮板刮
洗、滚刷刷洗轮流进行的方式进行作业[19]。首先使用高压水枪对建筑外
壁进行冲洗，使较易清除的脏东西脱离外壁；然后利用电机驱动滚刷对外
壁进行刷洗，使一些较难清除的脏东西脱离外壁；最后使用刮板把包含污
垢的脏水收集到污水箱[20]。清洗壁面机器人的工作流程如图 2-2 所
示。为了提高壁面清洗机器人的工作速度，清洗的水可以回收反复利用，
右边的刷子使用回收的水使建筑外壁上的脏物湿润，而左边的刷子则使用
干净水清洗工作[21]。根据建筑外壁污垢的多少，在清洗的水中加入合适
的洗涤剂进行冲洗，从而使得清洁更加容易[22]。壁面清洗机器人的工作
装置主要包含喷水装置、滚刷装置、洁面装置与水重复使用装置[23]。其
清洗装置的示意图见图 2-3。
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第 3 章 壁面清洗机器人的清洗系统设计....16
壁面清洗机器人的滚刷系统............ 16
水循环回收装置..... 19
水循环回收方案..... 19
水泵的选择.... 20
清洗喷水装置......... 22
清洗洁面装置......... 24
清洗工艺........ 25
本章小结........ 25
第 4 章 壁面清洗机器人的提升和监控系统设计..........26
壁面清洗机器人的驱动方式............ 26
壁面清洗机器人的吸附方式............ 26
悬吊装置设计......... 29
悬吊机构与吸盘的配合........... 29
监控系统的设计.... 30
摄像头的选择......... 31
显示器的选择......... 32
本章小结....... 32
第 5 章 清洗壁面机器人的控制系统设计....33
控制的基本组成.......33
机器人整体功能..... 35
控制系统硬件设计.......... 36
模糊 PID 控制在 PLC 控制上的应用...... 39
控制系统软件设计.......... 45
本章小结........ 46
第 6 章 三维建模仿真与有限元分析
高楼壁面清洗机器人的三维建模
Solidworks 软件功能强大，组件繁多。 Solidworks 有功能强大、
易学易用和技术创新三大特点，这使得 SolidWorks 成为领先的、主流的
三维 CAD 解决方案。SolidWorks 能够提供不同的设计方案、减少设计过
程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks 不仅提供如此强大的功能，
而且对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。在目前市场
上所见到的三维 CAD 解决方案中，SolidWorks 是设计过程比较简便而方
便的软件之一。在强大的设计功能和易学易用的操作（包括 Windows 风
格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用 SolidWorks ，整个产品
设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相
关的。本文研究的高楼壁面清洗机器人是实用型机器人，其清洗部分主要
部件构成为擦水辊子机构、电机、风机、刮水辊子、吸盘、清洗部分框架
和清洗辊子支架构成，如图 6-1 所示：仿真就是用模拟技术来构建设备
的各个零件，组装到一起，以计算机及其其他的物理设备为为工具，运用
系统模型来对现实的设备或者想象的机构来观察运算机构是否合理，运动
是否存在干涉等问题来进行试验和研究。三维仿真是运用计算机技术来建
立虚拟的系统进行研究，查看是否合理，后期实际生产就会减少失误，建
立模型是对系统进行分析，通过简化一些一般的、抽象的、规律性的主要
部分来表示整个系统，来分析系统的合理性[49]。运用先进的计算机虚拟
图像组件技术和仿真效果，通过计算机模拟实际设备的运动效果，这就是
对于设备的运动学仿真分析。三位实体分析的效果很直观，可以任意旋转
角度观察分析合理性，可以不断改进设备的不足之处，从而大大减少了产
品开发的周期，提高了设计质量，降低了成本。
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结 论
高层壁面清洗机器人是一个实用性很强的研究项目，自从本世纪六
十年代以来，壁面清洗机器人及其相关技术受到人们的广泛关注。作为高
层建筑清洗用的壁面清洗机器人来说，结构设计虽然百花齐放，但在真正
能用于实际工作方面的具体设计并不多。本文针对壁面作业的特殊情况，
出于对壁面清洗机器人的实用性考虑，设计出一种楼顶悬挂、真空吸附、
电动的清洗机器人，本文主要进行了以下几个方面的工作并得出了结论：
(1)设计了壁面清洗机器人的清洗系统。考虑机器人的作业环境、清洗效
率和环保的要求，整个清洗作业系统包含滚刷系统、喷淋系统、水循环回
收系统、污水处理系统和洁面系统，并采用冲洗、刷洗、刮洗联合作用的
清洗作业方式。由于污水的回收和再利用，有利于提高清洗机器人的效
率，节约了水资源。(2)对机器人作业中的具体路径进行了规划。本文将
机器人的清洗路径设计为从左至右，由上至下进行清洗，这种作业路径不
仅可以利用机器人的自身重力，而且可以避免对环境和已清洗的建筑物表
面造成二次污染。(3)设计了壁面清洗机器人的控制系统。本文采用西门
子完成对机器人主体的吸盘脱离、本体移动、吸盘吸附和清洗的顺序控
制。为了控制方便、操作简便,控制器固定在机器人本体上,人在地面通过
控制盒实现无线和有线控制。(4)使用软件对机器人进行三维软件建立机
器人的实体模型，对整体机构进行干涉分析，对主要部件进行有限元分
析，证明了系统设计的可行性。
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参考文献（略）
