智能清洁机器人在现代建筑外墙清洁中的研究与应用

鲁晓莉　毕鹏

摘要：现代建筑由于其新的设计特点，给外墙清洁带来了一系列新的问题。智能清洁机器人的使用，为建筑外墙清洁带来了诸多便利。文章针对目前的清洁现状，分析了现阶段智能清洁机器人的发展与应用，并结合现实情况给出了未来清洁机器人的研究方向及应用前景。

关键词：现代建筑；外墙清洁；智能清洁机器人；建筑设计；清洁产业 文献标识码：A

中图分类号：TP242 文章编号：1009-2374（2015）16-0044-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.16.021

1 我国现代建筑外墙清洁现状

1.1 现代建筑的特点

现代建筑随时代而发展，同工业化社会相适应，主张积极采用新材料、新结构，并在建筑设计中发挥新的特性。在建筑外墙上，现代建筑越来越多的采用大面积玻璃、铝板等建筑材料进行装饰，将现代风格全方面地诠释出来。通透的光体建筑不仅为城市景观增添亮色，更引领了城市发展的潮流。在资源稀缺的城市，土地最大化利用使得现代建筑拥有高耸和密集的特点，但这也为其清洁带来难题。

由于常年日晒和风吹雨打以及大气中有害的气体和油烟等污染和化学反应的侵蚀，使得建筑外墙产生了污垢和风化，这不但降低了建筑物的使用寿命，更严重影响了市容环境，因此，现代建筑外墙的清洁十分必要。

1.2 清洁现状及面临问题

1.2.1 清洁现状。现代建筑多为高层建筑，外墙主要采用大面积玻璃、铝板等建筑材料进行装饰。玻璃幕墙容易附着灰尘，为保持现代建筑的清洁美观，应定期对外墙进行清洗。在高空清洁领域，部分发达国家已经实行了机器人实施清洗作业，而国内大部分城市依旧沿用人工清洗模式。

在人工清洁领域，人工擦洗方式存在效率低、具有安全隐患等一系列缺点。目前现代建筑外墙清洁主要借助于高处吊板、吊绳、吊篮等工具，将工人运送到指定位置进行施工操作，这种施工方式虽然灵活，但安全性和效率较低。为增强安全系数，部分地区运用蜘蛛车、升降车等平台设备将工人运送到指定位置进行施工操作，但这种方式一般仅适用于低高度的高难度工程，成本高，局限性较大。

在机器清洁领域，市场上出现的智能清洁机器人目前只适用于家庭住宅的小范围清洁，清洁对象多为地面、玻璃窗、光滑的瓷砖墙等。相对于现代建筑外墙，室内清洁对象面积小，污染物单一，清洁难度低。根据调查，市场上用于外墙清洁的智能清洁机器人暂未出现。

1.2.2 面临问题。现代建筑物造型各异，讲究艺术性，多为高层建筑。由于常年裸露，污染物复杂，风化残迹、酸碱侵蚀、灰尘堆积等都是清洁过程中必须要克服的困难。人工清洁方式效率低、风险高，工作人员安全没有保障，且清洁费用高。

随着科技的发展和人民生活水平的提高，仅仅具有清洁功能的擦窗机器人已不能满足于消费者对产品附加功能的需求，亟待增添一些新的功能。通过市场调研我们发现：消费者对于机器人实现越障感应、智能辨别污垢、定时清洁、APP远程遥控、音乐播放等的需求较高。目前已有的研究成果在智能清洁机器人吸尘技术、传感技术、路径规划技术中有了一些突破，但在智能越障技术和污垢辨识与清洁技术方面还需改良。目前市场所售的智能清洁机器人价格不等，功能单一，考虑到性价比，消费者购买热情不高。

1.3 智能清洁机器人在该领域的优势

现代建筑外墙清洁是清洁产业的一大难题。在经济高速发展的21世纪，通过机械化、智能化方式高效率的实现建筑外墙清洗工作的智能清洁机器人具有非常广阔的市场，它不仅节省劳动力资源，还解决了人类在复杂恶劣环境下不能持续工作的问题。应用智能清洁机器人能省时、省力，提高工作效率和能源利用率，且整个清洁过程不需要人控制，这极大地减轻了劳动者的操作负担。对消费者而言，使用机械化清洁方式在减少清洁费用的同时更是获得了一个良好的生活和工作环境。

2 智能清洁机器人的研究与发展

近年来计算机技术、人工智能技术、传感技术以及移动机器人技术飞速发展，机器人控制系统的研究和开发已具备了坚实的基础和良好的发展前景。现阶段，传感技术、智能越障技术、能源供给技术是制约智能清洁机器人研发的三大瓶颈。

2.1 传感技术

智能清洁机器人往往需要多种传感器同时工作并进行数据融合才能获得精确的信息以确定其工作状态。机器人要想高效率地在环境中运动并到达目的地，实现定位清洁功能，就需要依赖于传感技术使它根据环境中已有的一些特征判断出自身位置。

由于传感技术在智能清洁机器人研发过程中起关键作用，它的发展水平极大地影响着机器人的智能化水平。传感器的价格在清洁机器人的成本中占有很大的比例，国外的传感器研究发展水平较高，有大量的性能优良的陀螺仪、测距仪等传感器可供选择使用，因而清洁机器人的研究发展水平领先于国内。

未来的智能清洁机器人必须在传感技术有所突破的基础上，结合现有的移动机器人运动规划和控制技术，规划对障碍物具有安全可靠的防碰撞功能和越障功能的智能运动，从而使其在实际环境中具有更好的适应性。

2.2 智能越障技术

基于现代建筑外墙的复杂性，智能清洁机器人不能仅限于光滑完整平面的移动，还需在区域化、个性化的未知墙面进行移动。

国内很多研究机构正在克服这一难题，西北工业大学设计了一种爬壁机器人的负压吸附式双足，采用两个足部模块固定在同轴线上，运动时后足直接从前足上方跨越，吸附在壁面上变为前足，周转运动单步跨越距离大，运动灵活。昆山昆航机器人研究所研发的高层建筑外壁面清洁机器人，利用飞行器实现壁面行走越障。飞行器位于机器人主体的上部，其通过下部的牵引索与机器人主体连接，飞行器的下部设置有推进器，在飞行器内置有机器人支援系统。建筑外墙清洁机器人可以通过应用仿生学与飞行器设计技术，提高壁面越障灵活度。通过多种方式智能越障，以此来应对结构复杂的现代建筑外墙，提高清洁效率。

2.3 能源供给技术

在能源方面，锂电池具有体积小、电动势高、能量密度高、工作温度范围大、自放电少的特点，是一种理想的机器人能源。但在实际应用中，其安全性差，易发生爆炸，且不能大电流放电。因此需保护线路，防止电池过充过放电，这无疑给生产带来了更高的成本要求。

在科学技术日益发展的时代，无线充电技术是未来能源供给的焦点。使用无线充电技术，电池装置不需要借助于电导线，依据电磁波感应原理以及其他相关的交流感应技术，通过发送端和接收端的相应设备来发送和接收产生感应的交流信号，从而进行充电。

目前无线充电技术仍存在诸多挑战，充电效率低，且实用性有待考察。随着无线充电技术的不断升级，相信充电技术可以广泛应用到电器之中，智能清洁机器人的供电系统实现远距离无线化指日可待。

3 应用与前景展望

尽管目前已研发的智能清洁机器人未能实现预期目标，但随着21世纪各学科之间的相互交融以及科学技术的不断发展，智能清洁机器人研发过程中遇到的瓶颈，将会取得重大突破。同时结合新兴技术，智能清洁机器人将能成功应对更多的未知环境，它的实用性也会被验证。应用智能清洁机器人清洁现代建筑外墙，不仅能够代替清洁人员从事复杂繁琐的清洁工作，更能够从事一些具有危险性、人类能力所限不能从事或不宜从事、极端枯燥和简单重复的清洁工作。

总而言之，智能清洁机器人是实现高层建筑外墙清洁产业机械化、智能化的强有力工具，其在市场中的应用将带来智能清洁产业的革新，同时将促进清洁产业形成规模，便于改善目前国内清洁产业产品良莠不齐的

现状。

参考文献

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作者简介：鲁晓莉（1994-），女，陕西安康人，就读于西北工业大学生命学院。

（责任编辑：秦逊玉）