1工作原理和工作过程分析

1．1自动清洗机工作原理

自动清洗机主要通过3个系统进行工作［10］：（1）清洗系统。由滚刷系统、喷淋系统、水循环回收系统、污水处理系统、洁面系统构成，采用冲洗、刷洗和刮洗联合作用的方式完成清洗工作。（2）爬壁系统。采用真空吸附、气体驱动的吸盘组结构，有效满足负载、速度、越障等要求。真空吸附结构有圆形旋转结构和十字架机构。（3）控制系统。采用可编程控制器（PLC），通过对地面电脑进行无线操作，完成对机器人主体的吸盘脱离、本体移动、吸盘吸附、清洗顺序的控制等。

1．2工作过程分析

清洗机工作时发射无线信号，由地面电脑接收信号并控制清洗机的运动路径，楼顶卷扬机连接机器并配置有相应的随动控制单元，可根据清洗机的运动速度不断伸长或收回卷扬机钢绳，起着保护作用，防止清洗机突然失去控制从楼面掉落，确保其安全。清洗机通过爬壁系统的吸附装置吸附在墙面上，地面气泵车提供动力，接收指令后开始工作。清洗机的运动采用十字运动方式，分解为纵向和横向运动：先是纵向吸附，横向移动，然后横向吸附，纵向移动交替进行。当快到达边界时，边界传感器发出信号，改变方向，往下方行走，如图1所示［11］。

1．3控制过程分析

自动清洗机的控制系统采用主从两级控制结构，由清洗机自身控制计算机、地面电脑及无线射频通讯装置3部分组成。清洗机自身控制计算机采用可靠性较高的工业用PLC，直接安装在机器人上，接收地面电脑发送的信息，并启动执行机构，实现对机器人电机、离合器、制动器等部件动作的控制，从而完成命令，同时采集机器人各个时刻运动状态，并将其发送给地面电脑，最终实现壁面清洗机器人的监控功能。地面电脑可实现自动遥控和手动遥控之间的切换。遥控装置主要包括无线射频通讯装置和功能控制按钮［11］。动力由地面气泵车通过壳体上的气泵输送管提供给清洗机；壳体上吊环与楼顶卷扬机相连，卷扬机装有随动装置，根据清洗机的移动收回或伸长缆绳，防止其突发故障时掉落；摄像头可将清洗状况通过无线信号传回地面电脑，实现实时监控。

2方案设计

在对自动清洗机的工作原理和工作过程分析的基础上，结合设计目标，设计了3款方案，如图2所示。方案A采用的是半包围的结构，橙色的外壳采用塑料材质，将纵向钢支架和清洗机构全部包裹在里面。横向支架两端是采用三角吸盘组的吸盘，更有效地吸住玻璃幕墙，降低危险事故的发生率；方案B主要由两个十字交叉的爬壁手抓和类似棱台的清洗系统组成。十字交叉的钢架后段采用可折叠伸缩的行走机构，末端有三角吸盘组，可灵活变化多种行走姿势，提高跨越障碍的能力；方案C采用了全包围的结构，将所有的零件、管线全部隐藏在壳体内。两侧手臂具有伸缩功能，节省了机器人收纳时的占地空间。根据自动清洗机结构和视觉识别性等方面的要求，选择科技感强、结构上能满足使用要求的方案B进行深化设计，设计内容为各个部件的形状、位置、排布及关键机构的运动方式、运动过程等。

图3为最终方案的设计草图，在外形设计上采用了仿生的设计理念，结构上采用十字架的运动结构，材料上采用轻质的铝合金和塑料。十字钢架末端安装边缘探测传感器，模仿蜘蛛的足部关节运动方式，可进行多种姿势的行走运动，清洗机壳体是对四棱台进行切割变形后得到的造型，四周安装有摄像头、吊环、无线信号发射器、气泵输入管等；两侧有清水箱和污水箱的进水口和放水口；清洗采用刷洗、刮洗和高压喷洗方式相结合；内部采用了水循环结构，一方面可节约高空中清洗时的用水量，另一方面又可减少自身的负载。自动清洗机的最终效果图及应用场景如图4、图5所示。

3结论

对高层建筑幕墙自动清洗机进行了SET因素分析，以寻找产品机会缺口，并将机会缺口转换为设计方向。设计方案对自动清洗机的造型与结构进行了综合考虑，合理优化，建立了三维数字模型。改进后的自动清洗机结构上运行合理，且具有较强的视觉识别性，产品与环境形成了有机整体，综合品质及附加价值得到提升。

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