摘 要

Abstract 6

1 绪论 7

1.1设计背景及设计意义 7

1.2高空玻璃清洁类机器人的研究现状 8

1.2.1贴壁式玻璃清洁机器人研究现状 8

1.2.2玻璃清洁机器人清洁方式的研究现状 9

1.2.3研究现状总结 9

1.3研究内容 10

2 设计前期分析与准备 12

2.1引言 12

2.2功能需求与设计指标 12

2.3功能实现方案整体设计 13

2.3.1清洁模块设计 14

2.3.2牵引力及推力模块设计 16

2.3.3作业过程设计 18

2.4本章总结 19

3 产品设计 20

3.1设计定位 20

3.2产品设计 20

3.2.1产品作业流程整体规划设计 20

3.2.2草图方案绘制 21

3.2.3尺寸设计 30

3.2.4设计建模及渲染 30

3.3可行性分析 33

4 最终方案展示 34

4.1设计说明 34

4.2产品效果图及使用场景图 34

4.3产品爆炸图以及三视图 37

4.4工程图纸 38

4.5实物效果 40

5 设计总结 42

参考文献 43

附 录 44

致 谢 45

摘 要

近年来,随着人工智能，尤其是计算机技术和算法的快速发展，无人机以及智能机器人等发展越来越成熟，功能也越来越强大，并以其自身的强大的优势迅速应用到很多领域，例如：娱乐，农业，服务业，探测，监管等。本文设计并实现了无人机利用自身优势完成高空玻璃清洁的工作。高空玻璃清洁无人机是以无人机作为载体，融合智能清洁机器人，通过超声波定位系统，自动控制系统等，从而实现无人机贴合玻璃，并按照设定程序，自动完成玻璃清洁的工作。

此次设计一方面对玻璃清洁的清洁系统进行重新设计，另外，重点研究了无人机如何利用自身优势，通过现有技术（自动控制，定位技术等），更好的与智能清洁机器人融合并完成作业。

关键词：无人机，智能清洁机器人，高空玻璃

Abstract

In recent years, with the rapid development of artificial intelligence, especially computer technology and algorithms, the development of UAVs and intelligent robots has become more and more mature, and their functions have become more and more powerful, and they have been rapidly applied to many with their own strong advantages. Fields such as: entertainment, agriculture, service industry, exploration, supervision, etc. This paper designs and implements the drone's use of its own advantages to complete high-altitude glass cleaning. The high-altitude glass-cleaning drone uses the drone as a carrier, integrates the intelligent cleaning robot, passes the ultrasonic positioning system, automatically controls the system, etc., so as to realize the drone-bonded glass, and automatically completes the glass cleaning work according to the setting procedure. .
The focus of this design was to redesign the clean glass cleaning system. In addition, we studied how UAVs use their own advantages and integrate them with smart cleaning robots through existing technologies (automatic control, positioning technology, etc.). operation.

Key words: drone, intelligent cleaning robot, High-rise building glass

1 绪论

随着城市现代化的发展以及大量科技公司的兴起,各大城市人口密度越来越大，高层建筑也越来越多。在高层建筑，特别是高层办公写字楼等,由于玻璃具有较好的采光性、保温、防潮以及美观等特性,被越来越广泛的应用在高楼建筑中。使用玻璃幕墙结构具有很多的优点，但不可避免的也会衍生出一些问题，比如非常繁重的玻璃幕墙清洗任务，于是，采用自动化的手段解决玻璃幕墙清洗的任务已经迫在眉睫。

1.1设计背景及设计意义

据调查显示，中国建筑面积大概为500亿平米，其中幕墙占比约为5%，另外，每年新建的玻璃幕墙大约有9000多万平方米，然而这个数百亿以上规模的大市场，一直越来却主要依赖两种清洁方式：人工清洁以及大型机器清洁（对准窗户进行清洁）。人工清洁，效率低、劳动强度大、作业成本高，最重要的是危险系数高；大型机械设备清洁，在初期投入高，还需要在建设时就将擦窗系统考虑在内，并不现实，所以目前的清洁方式主要还是采用传统的人工清洁（如图1.1所示）。

图1.1 人工清洁

随着人工智能技术、自动控制技术、无人机探测和避险技术、控制与交流、图片处理技术、电池续航能力等技术的快速发展与进步，以及无人机操作立法等管理体系的出台，无人机在民用领域以及商业应用等方面取得了巨大的进展。本次设计主要是利用无人机作为载体，承载智能清洁机器人的功能，通过超声波定位系统，自动控制系统等，从而实现无人机贴合玻璃，并按照设定程序，自动完成玻璃清洁工作。

高空玻璃清洁无人机的设计，可以更加方便，高效的完成作业，大大的降低作业成本，并解决工作人员在作业时的安全性问题；另外，高空玻璃清洁无人机作为高空清洁领域里面的一次设计探索，在未来，伴随着人工智能技术等科技的成熟与稳定，无人机将可以以其自身强大的优势，广泛应用到其他领域，为人们的生活带来便利。

1.2高空玻璃清洁类机器人的研究现状

1.2.1贴壁式玻璃清洁机器人研究现状

目前玻璃清洁机器人主要是贴壁式玻璃清洁机器人，主要包括可跨越障碍物的清洁机器人以及家用智能玻璃清洁机器人。能够吸附在竖直玻璃幕墙表面，并且能够在移动的同时完成玻璃清洗工作。与普通机器人不同的是，清洗机器人需要克服自身的重力吸附在玻璃幕墙表面，所以需要具备吸附功能、运动以及跨越障碍物等功能。

世界上第一个在竖直壁面运动类的机器人诞生于 1966 年，是大坂府立大学西亮教授根据电风扇吸气侧气压低于出气侧气压的原理设计制作而成，在竖直壁面移动机器人历史上具有里程碑式意义，此后，世界各高校、科研院所等都全面展开了竖直壁面移动类机器人的设计研究工作。我国在这方面起步也比较早，其中以哈尔滨工业大学、上海交通大学、北京航空航天大学、沈阳自动化所等高校为代表，在各高校以及科研院所的努力下，我国于上个世纪 80 年代在壁面移动类机器人方面的研究取得了相当大的进步，研发设计出许多机器人样机（如图1.2所示）。

图1.2 壁面运动类机器人

竖直壁面移动机器人最核心的两个功能是吸附功能以及移动越障功能。目前，主要的吸附方式有磁吸附、真空负压吸附和推力吸附，在移动方面主要有轮式运动、履带类移动、足式行走、外部牵引等形式。

目前发展比较成熟的玻璃清洁机器人是家用智能玻璃清洁机器人，代表产品有Bobot擦穿机器人（如图1.3所示）和Hobot擦窗机器人（如图1.4所示），它们不受玻璃厚度限制，吸附在玻璃表面，用过擦、刮、抹的方式，进行玻璃清洁。在外观造型上主要采用方形，能够方便清洁窗户的边边角角。内置有传感系统，可以感知玻璃大小，然后可以自动选择最佳清洁路线,可以自动识别边框,防止跌落等。内置驱动系统，驱动轮可以在玻璃上运动。清洁系统一般通过擦，刮，抹等操作完成清洁作业。采用真空吸附的方式，另外为了保证安全，一般会备有安全绳和安全扣，防止意外坠落等。

图1.3 Bobot擦窗机器人

图1.4 Hobot擦窗机器人

1.2.2玻璃清洁机器人清洁方式的研究现状

目前，玻璃清洁机器人主要采用的清洁方式为仿人工清洁。也就是模拟人工擦窗的步骤，在用湿抹布擦拭一遍以后，再用干抹布抹去多余水渍，使得去污更彻底。也就是湿擦——干擦的模式。

另外目前比较前沿的清洁方式还有：超声波清洁，喷淋清洁等。超声波清洁的清洁原理是利用超声波的能量，通过换能器，然后将声能转化为机械振动；在玻璃表面水层的波动作用下，粘在玻璃表面的污渍随着水层的振动脱离玻璃表面，从而达到清洁玻璃表面污渍的效果。喷淋清洁的清洁原理是利用水流的冲力，首先给玻璃喷洒一层水，然后在物体表面涂抹清洁剂，使得玻璃表面的污渍充分浸泡；最后通过喷水机器人对物体进行强水流冲刷，通过水流的冲力，将物体表面的溶污水冲刷干净，干净的纯水冲刷，不留任何污渍。

1.2.3研究现状总结

通过以上有研究发现，目前玻璃清洁机器人主要是贴壁式玻璃清洁机器人，它的吸附方式主要是磁性吸附或者是真空负压吸附；在移动方式上，主要有小滚轮轮转式运动、足（脚）式运动方式、履带式运动以及外部辅助式运动方式；在清洁方式上，有传统清洁方式，喷淋清洁以及超声波清洁等。

（1）在吸附方式上，磁吸附的相对优势是吸附较稳定，可靠性较强，它的缺点是对吸附的壁面有一定的要求，需要壁面是磁性材料或者是吸附在铺设的磁性导轨上，另外，永磁吸附的方式在开合控制上较为复杂，电磁吸附的方式需要消耗很大一部分电能。 真空负压吸附的开合控制相对简单，稳定性比较高，但是缺点是需要比较光洁的壁面和和密封性能较高的吸盘，一旦壁面出现缺陷或者是比较粗糙，吸盘的吸附性能和稳定性能将会大大的降低。

（2）在移动方式上，轮式移动机器人的移动较为灵活，速度也较快，但是缺点是其跨越障碍物的能力较差。履带式机器人是由布置在履带上面的吸盘提供吸附力，由于吸盘的数量比较多，所以这种方式移动比较稳定，承载能力也较强，但是同样也具有跨越障碍物能力较差的缺点。足式移动机器人一般采用多个关节机构，它的吸附单元置于关节末端，足式移动机器人在跨越障碍物方面具有一定的灵活性，足的数量和关节机构的数量越多，其稳定性以及灵活性也越强，但是移动速度较慢，同时它的控制难度较大。外部辅助式移动机器人则是利用绳索牵引的方式，这种方式的稳定性很高，承载能力也非常强，运动速度也较快并且可以自由调节，但是同样也存在一定的缺点，那就是其定位的精度较低，大风等外界环境因素会影响它的定位精度和稳定性等。

（3）在清洁方式上，采用防人工的清洁方式，采用密植高纤维梭织结构抹布，优点是不易变形，不掉屑，去污能力超强，但是缺点在清洁过程中需要大量的清洗液和清水，另外由清洁布上杂质的堆积，会造成二次污染，需要不断的更换清洁布，所以工作效率较低，消耗能源较大。

所以，目前的贴壁式玻璃清洁机器人仍然存在很多弊端或是不完美的地方，所以，希望通过本次研究，设计一款更加完美的高空玻璃清洁无人机，借助无人机的优势，避免贴壁式玻璃清洁机器人带来的很多方面的问题。

1.3研究内容

此次设计主要是为了借助无人机的优势，研究设计一款灵活度更高，耗能更低，更加完美的高空玻璃清洁无人机。同传统玻璃清洁机器人一样，高空玻璃清洁无人机除了具备清洁功能外，还需具备自动检测识别玻璃框架并能够跨越障碍物等功能，另外考虑到无人机承重与电池续航等问题，还需要合理优化清洁系统等。为了能够实现此次设计的目标，将主要从以下几个问题进行设计研究：

（1）对高空玻璃清洁无人机的工作环境进行研究；

研究高空玻璃清洁无人机的作业环境，外界影响因素等，并对高楼建筑玻璃幕墙的尺寸、形状、刚度以及强度、玻璃表面污渍等等进行调研；寻找高空玻璃清洁无人机的痛点以及设计点等。

（2）对无人机的飞行控制原理进行研究；

了解无人机的飞行控制原理，包括四旋翼无人机，倾转旋翼无人机，涵道无人机等等，寻找更加适合的无人机类型，方便高空玻璃清洁无人机在作业时能够很便捷的完成靠近、远离玻璃幕墙，以及跨越玻璃框架等动作。

（3）对清洁系统进行研究优化；

目前玻璃清洁机器人采用防人工的清洁方式，利用密植高纤维梭织结构抹布进行玻璃清洁，在清洁过程中会使用大量的清洗液，另外清洁布上也容易产生污染物的堆积，从而造成二次污染；所以当前的清洁系统非常不适合在高空玻璃清洁无人机上使用，需要重新对玻璃清洁系统进行研究优化，设计更加适合搭载在无人机上使用的清洁系统。

（4）对作业流程进行研究；

作为自动控制设备，需要更加精炼准确的定义产品的系统程序，梳理作业流程，使得无人机能够更加智能有序的完成作业。

（5）对产品的造型以及结构进行研究，对产品造型以及结构进行精炼，得到更加可取的设计方案。

2 设计前期分析与准备

2.1引言

为了能够更好的完成设计工作，本章将开始进行设计前期的准备分析工作，包括设计调研，各功能模块的设计研究工作等。

首先会调查分析高空玻璃清洁无人机的工作环境，根据环境等影响因素确定产品设计定位（包括使用场景，功能需求，功能模块等），并得出相关设计指标；然后，规划产品的总体方案设计，并根据整体规划，针对性的对各功能模块进行细致的研究分析，比如清洁系统模块设计、无人机飞行控制系统设计、作业流程设计等等。

2.2功能需求与设计指标

在开始设计方案之前，首先需要分析高空玻璃清洁无人机的工作环境，然后根据分析确定产品的功能需求。

高空玻璃清洁无人机的作业对象是较高的办公大楼或者是大厦等高楼建筑的玻璃幕墙表面（如图 2.1所示），作业高度较高，且为竖直的场景，因此高空玻璃清洁无人机需要确保自身的安全性、工作过程中的稳定性、对周围物体安全的威胁性等问题。所以在设计过程中，需要设计安全保护系统，对于组件的设计也应时刻注意，考虑到安全稳定性问题。

图2.1 高楼建筑玻璃幕墙

在高楼玻璃幕墙建筑中，为了加固玻璃幕墙的强度，一般会给玻璃幕墙加上纵横交错的规则排列的窗框，这些窗框结构对于建筑起到加强筋的作用，但对于高空玻璃清洁无人机来说，却阻碍了它进行正常的玻璃清洁工作，因此，高空玻璃清洁无人机应当具有识别窗框铁架并能够稳定越过窗框的功能。

另外，作为清洗机器，清洗功能是其最根本的功能，所以该机器应具有能够清洗玻璃的模块。在有些特别的建筑物中，为了设计的美观度等，建筑物上所装饰的玻璃幕墙不是与地面垂直，而是具有一定的倾角，所以为了使所设计的清洁无人机能适应更多的墙面，这种带有一定倾角的玻璃幕墙也要考虑在内。

根据以上分析，可以确定高空玻璃清洁无人机应具备的功能模块有：

（1）安全防撞保护模块

（2）跨越障碍物模块（窗框结构）

（3）清洁系统模块

（4）推力（驱动）模块

高空玻璃清洁无人机的设计指标应具有如下几点：

（1）考虑到无人机的承重，电池等问题，机器的整体质量应在10 kg 以内；

（2）考虑到清洗效率以及较大范围的适应不同的玻璃，机器人清洗宽度应可以适当的进行调节，并且不低于0.5m；

（3）适应墙面倾角不小于 10 度；

（4）考虑到玻璃的强度问题，清洁无人机对玻璃的压力应不高于6N/m；

（5）单次清洁面积不等于1200平米。

2.3功能实现方案整体设计

根据前面设计分析与设计定位，可以确定高空玻璃清洁无人机具有以下组成部分（如图2.2所示）。

图2.2 高空玻璃清洁无人机组成部分

整体方案设计说明：

按照上一小节所确定的高空玻璃清洁无人机的功能及设计目标，基本确定了高空玻璃无人机的大概组成模块以及各自相对应的功能。高空玻璃清洁无人机的整体设计方案也相对比较明确了，就是利用无人机的灵活性，轻松实现跨越窗框结构，在清洁机构以及其他辅助机构的作用下，共同完成玻璃清洁工作；也就是利用无人机作为载体，清洁模块作为执行机构，两者相互配合，共同完成玻璃清洁工作。接下来，将按照上图所示流程，分别对各个功能模块进行详细的设计。

2.3.1清洁模块设计

由于无人机承重，以及电池续航等多方面限制，所以携带较大水箱极为不便，传统的清洁模式极不合适，所以此次设计采用清洁剂循环使用的清洁方式，去掉传统的清洁布，利用挂刷的清洁方式。

（1）清洗方式说明：

一般来说，大气尘垢是高楼玻璃幕墙表面上的主要污物，因此清洁效果主要是看清洁机器人对玻璃上的尘垢的去除能力，并且能够根据具体的作业环进行自动调整适应。在清洁方式上，第一步，是利用清洁剂给玻璃加湿；其次，通过毛刷的摩擦使污染物脱离玻璃；然后，通过刮板刮去玻璃表面上的残留液滴，从而去除玻璃幕墙上的污痕；最后，对污水进行回收过滤，使之可以重新用于玻璃清洗作业中。

（2）清洗系统的结构设计

此次设计的清洗方式是采用机械力来清洗，也就是通过施加摩擦（如刮、刷、擦、吸等），使污染物与玻璃分离，从而达到洁净的目标。此次设计，将选取刮擦和刷洗，再配合清洁剂完成玻璃幕墙的清洗工作。清洗装置主要包括两大装置，执行装置和清洁剂循环使用装置，两者相互配合共同完成高层玻璃的清洁、污水回收、污水过滤与净化等工作。

执行装置的结构设计：

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