CN108265995B - 一种基于绳索并联技术的幕墙清洗设备 - Google Patents

一种基于绳索并联技术的幕墙清洗设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于绳索并联技术的幕墙清洗设备，包括伺服单元、支架、绳索和清洗器。支架包括至少两组固定件，每组固定件包含多个固定件，均用于固定在幕墙的四角；其中，第一组固定件位于幕墙的四角靠近幕墙边缘的位置，第二组固定件位于幕墙的四角远离幕墙边缘的位置。在支架的每个固定件上均部署一个伺服单元；每个伺服单元通过绳索与清洗器连接，通过对绳索的长度和张力控制，使清洗器进行幕墙清洗。该幕墙清洗设备基于绳索并联结构实现清洗器在外墙上的精确定位，使得清洗器可以实现整个楼宇外墙范围移动和一定范围的自由度控制。在实现有效清洗的基础上，提高了幕墙清洗设备的环境适应性。

Description

一种基于绳索并联技术的幕墙清洗设备
技术领域
本发明涉及一种幕墙清洗设备，尤其涉及一种基于绳索并联技术的幕墙清洗设备，属于建筑外墙清洗技术领域。
背景技术
随着科技的发展，现代建筑物不断增多增高，为了采光和亮丽，目前在高层建筑的外立面中大多采用玻璃幕墙。根据城市建筑物外立面保持整洁的管理规定，建筑物的外立面为玻璃幕墙的，至少每年应清洗一次。玻璃幕墙一般面积较大，高度可达几十米甚至几百米，并且周围往往并无攀援支架，这使得玻璃幕墙清洗成为一项繁重、危险、昂贵的工作。
现有高层建筑的玻璃幕墙擦洗方法主要有三种：
(1)靠升降平台或者吊篮承载清洁工人进行玻璃幕墙清洗。这种方法虽然简单易行，但劳动强度大，效率低，花费高，安全性差；
(2)利用擦窗机器人在玻璃上爬行并清洗玻璃。这种方法易受外部环境的影响，尚不成熟，而且机器人易受窗框尺寸、形状、障碍物等影响；
(3)利用吊索式擦窗机进行擦洗，但现有的擦窗机成本高达几百万，前期投资大；
综上可以看出，现有的这些方法都存在如下不足：
一是以人工擦洗为主，劳动强度大；
二是擦玻璃时使用一块抹布往往不能擦净(灰尘较多时更突出)，这就需要中途更换抹布，浪费时间效率低下；
三是传统擦玻璃时，往往需要用大量水，造成水资源浪费；
四是在特殊情况下如高层作业时，存在安全隐患等。
除此之外，现有的擦窗机器人一般采用真空吸盘、风扇负压、绳索吊装的方式，实现机器人在楼宇幕墙上的附着。这些擦窗机器人的幕墙清洗效率低，工作可靠性差，存在安全隐患，因而不容易广泛推广。同时，这些擦窗机器人对环境依赖性较大，只能用于平面幕墙，一旦出现刮风天气则会大大增加掉落的风险。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于绳索并联技术的幕墙清洗设备。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种基于绳索并联技术的幕墙清洗设备，包括伺服单元、支架、绳索和清洗器；
所述支架包括至少两组固定件，每组固定件包含多个固定件，均用于固定在幕墙的四角；其中，第一组固定件位于幕墙的四角靠近幕墙边缘的位置，第二组固定件位于幕墙的四角远离幕墙边缘的位置；
在支架的每个固定件上均部署一个伺服单元；每个伺服单元通过绳索与清洗器连接，通过对绳索的长度和张力控制，使清洗器进行幕墙清洗。
其中较优地，两组固定件平行设置，第一组固定件和第二组固定件均在垂直于幕墙的方向向外侧伸出；
第一组固定件距离幕墙竖直平面的距离小于第二组固定件距离幕墙竖直平面的距离。
其中较优地，清洗器包括清洗件和压力件；
其中，所述清洗件用于清洗幕墙；所述压力件为长方体结构或圆柱体结构，用于在绳索的压力作用下按压清洗件，使清洗件与幕墙接触。
其中较优地，当压力件为长方体结构时，将所述压力件靠近幕墙竖直平面的矩形和远离幕墙的竖直平面的矩形中的八个顶点设置为八个连接点；
其中，靠近幕墙竖直平面的四个连接点和远离幕墙的竖直平面的四个连接点一一对应。
其中较优地，当压力件为圆柱体结构时，将压力件靠近幕墙竖直平面和远离幕墙竖直平面的圆形平面的两个内切矩阵的八个顶点作为八个连接点；
其中，靠近幕墙竖直平面的四个连接点和远离幕墙的竖直平面的四个连接点一一对应。
其中较优地，靠近幕墙边缘位置的第一组固定件与清洗器上的靠近幕墙竖直平面的四个连接点对应连接；
远离幕墙边缘位置的第二组固定件与清洗器上的远离幕墙竖直平面的四个连接点对应连接。
其中较优地，所述幕墙清洗设备还包括综合管理单元；
所述综合管理单元放置在幕墙底部，通过电缆与各个伺服单元相连，用于控制伺服单元调整绳索的长度和张力。
其中较优地，第一组包含位于幕墙的四角靠近幕墙边缘的位置的第一固定件、第二固定件、第三固定件和第四固定件；在所述第一固定件、所述第二固定件、所述第三固定件和所述第四固定件上对应部署第一伺服单元、第二伺服单元、第三伺服单元和第四伺服单元；
所述第一伺服单元、所述第二伺服单元、所述第三伺服单元和所述第四伺服单元通过第一绳索、第二绳索、第三绳索、第四绳索分别与对应的靠近幕墙竖直平面的第一连接点、第二连接点、第三连接点和第四连接点相连接。
其中较优地，当清洗器停留在某一位置进行清洗时，清洗器通过八根绳索的合力与清洗器的重力实现X、Y两个个方向上的受力平衡，同时八根绳索的合力提供的清洗器下压力与幕墙的支撑力实现Z轴方向上的受力平衡，即：
Figure BDA0001536445240000031
其中，Fix,Fiy,Fiz分别表示第i根绳索在X,Y,Z方向的分力；m为清洗器的质量，g为重力加速度，Fe为幕墙对清洗器的支撑力。
其中较优地，所述幕墙清洗设备还包括自适应风力风向感知调整单元；
所述自适应风力风向感知调整单元设置在清洗器的顶部；用于感知风向和风力。
本发明所提供的幕墙清洗设备，主要包括伺服单元、支架、绳索和清洗器。支架包括至少两组固定件，每组固定件包含多个固定件，均用于固定在幕墙的四角；其中，第一组固定件位于幕墙的四角靠近幕墙边缘的位置，第二组固定件位于幕墙的四角远离幕墙边缘的位置；靠近幕墙边缘的位置的第一组固定件与清洗器上的靠近幕墙竖直平面的四个连接点连接，远离幕墙边缘的位置的第二组固定件与清洗器上的远离幕墙竖直平面的四个连接点连接。这种交叉方式较好地提升了清洗器的运动空间，有效地实现较大运动空间范围以及绳索张力作用。
附图说明
图1为本发明所提供的幕墙清洗设备的正面结构示意图；
图2为本发明所提供的幕墙清洗设备的背面结构示意图；
图3为本发明所提供的幕墙清洗设备中，清洗器的局部放大示意图；
图4为本发明所提供的幕墙清洗设备的连接关系示意图；
图5为本发明所提供的幕墙清洗设备的受力关系的侧视图；
图6为本发明所提供的幕墙清洗设备的受力关系的正视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
本发明所提供的是一种新型的幕墙清洗设备，用于高效和安全地清洗楼宇玻璃幕墙，能够适应有风天气和异形楼宇。它基于绳索并联结构实现清洗器在外墙上的精确定位，从而将工作空间定位转化为绳索的伸出长度控制。为了实现有效清洗，绳索还需要进行必要的张力控制以使清洗器保持适当的下压力。每条绳索的伸出长度和张力控制都基于伺服单元(优选为电动伺服单元)实现。为适应一定的刮风天气，本发明还在清洗器上附着了风力风向自适应感知调整单元，用于在刮风天气下稳定清洗器和协调绳索控制保持下压力，提高了幕墙清洗设备的环境适应性。
如图1所示，本发明提供的幕墙清洗设备包括伺服单元1、支架2、绳索4、综合管理单元5和清洗器6。其中，支架2包括至少两组固定件，每组固定件包含多个固定件(优选为四个，可以根据实际需要设置为六个、八个等)，均用于固定在楼宇玻璃幕墙的四角。两组固定件平行设置，第一组固定件位于靠近幕墙边缘的位置，第二组固定件位于远离幕墙边缘的位置。第一组固定件距离幕墙竖直平面的距离小于第二组固定件距离幕墙竖直平面的距离。在支架2的每个固定件上均部署一个伺服单元1；每个伺服单元1通过一条绳索4与清洗器6连接，通过对绳索4的长度和张力控制，使清洗器6运动，进行幕墙清洗。下面对各个部件进行详细说明。
如图2所示，支架2包括至少两组固定件，每组固定件包含多个固定件，均用于固定在楼宇玻璃幕墙的四角。其中，两组固定件平行设置，第一组固定件位于靠近幕墙边缘的位置，第二组固定件位于远离幕墙边缘的位置。为了防止后期工作过程中绳索4与幕墙边缘发生摩擦，降低该幕墙清洗设备的使用寿命，第一组固定件和第二组固定件均在垂直于幕墙的方向向外侧伸出。该伸出的距离根据需求进行设定，第一组固定件距离幕墙竖直平面的距离小于第二组固定件距离幕墙竖直平面的距离。将第一组固定件从幕墙右上角位置开始，沿逆时针方向设置的四个固定件依次设置为第一固定件21、第二固定件22、第三固定件23、第四固定件24；将第二组固定件从幕墙右上角位置开始，沿逆时针方向设置的固定件依次为第五固定件25、第六固定件26、第七固定件27、第八固定件28。
在支架2的每个固定件上部署一个伺服单元1。在本发明所提供的实施例中，第一固定件21上部署第一伺服单元11，第二固定件21上部署第二伺服单元12，以此类推，在支架2的每个固定件上都部署一个伺服单元。
每个伺服单元均通过一条绳索4与清洗器6连接，通过对绳索4的长度和张力控制，使清洗器6运动，进行幕墙清洗。在本发明所提供的实施例中，清洗器6包括清洗件7和压力件8；其中，清洗件7用于清洗幕墙。压力件8用于在绳索4的压力作用下按压清洗件7，使清洗件7与幕墙接触，达到清洗幕墙的作用。压力件8为长方体结构或圆柱体结构，当压力件8为长方体结构时，在压力件8靠近幕墙竖直平面的矩形和远离幕墙的竖直平面的矩形中各选择四个顶点作为8个连接点。当压力件8为圆柱体结构时，将压力件8靠近幕墙竖直平面和远离幕墙的竖直平面的圆形平面的两个内切矩阵的各四个顶点作为8个连接点。靠近幕墙竖直平面的四个连接点和远离幕墙的竖直平面的四个连接点一一对应。靠近幕墙竖直平面的四个连接点从幕墙右上角位置对应的连接点开始，沿逆时针方向依次设置为第一连接点61、第二连接点62、第三连接点63、第四连接点64；远离幕墙的竖直平面的四个连接点从幕墙右上角位置开始，沿逆时针方向依次设置为第五连接点65、第六连接点66、第七连接点67、第八连接点68。连接点通过绳索与对应的伺服单元连接。其中，靠近幕墙竖直平面的四个连接点与第一组固定件上的伺服单元对应连接，即：第一连接点61通过第一绳索41连接到第一伺服单元11；第二连接点62通过第二绳索42连接到第二伺服单元12；第三连接点63通过第三绳索43连接到第三伺服单元13；第四连接点64通过第四绳索44连接到第四伺服单元14。远离幕墙竖直平面的四个连接点与第二组固定件上的伺服单元对应连接，即：第五连接点65通过第五绳索45连接到第五伺服单元15；第六连接点66通过第六绳索46连接到第六伺服单元16；第七连接点67通过第七绳索47连接到第七伺服单元17；第八连接点68通过第八绳索48连接到第八伺服单元18。这种交叉连接方式可以较好地提升清洗器6的运动空间。连接完成的清洗器6的局部展示图如图3所示。连接完成之后，侧面展示图如图4所示。
综合管理单元5放置在幕墙底部，通过电缆与各个伺服单元1相连，用于控制伺服单元调整绳索的长度和张力。
图5为幕墙清洗设备的受力关系的侧视图，图6为受力关系的正视图。当幕墙清洗设备停留在某一位置开始清洗时，八根绳索的合力与清洗器6的重力实现X、Y两个个方向上的受力平衡，同时提供清洗下压力，清洗下压力与幕墙的支撑力实现Z轴方向上的受力平衡，即上方绳索合力等于下方绳索合力与清洗器6重力之和；内侧绳索的合力与外侧绳索的合力之差形成对墙下压力。此时，表示受力关系的公式如下：
Figure BDA0001536445240000071
其中Fix,Fiy,Fiz分别表示第i根绳索在X,Y,Z方向的分力m为清洗器6的质量，g为重力加速度，Fe为幕墙对清洗器的支撑力。
当某一位置清洗完成之后，需要移动到下一位置时，综合管理单元5根据事先对整个楼宇玻璃幕墙的结构、形状计算出的路径以及下一步位置，计算出移动到下一位置时需要清洗器在全局坐标系的位置姿态、速度或加速度，将清洗器在全局坐标系的位置姿态、速度或加速度转化为八根绳索的长度、速度与张力。然后，根据公式调节绳子的力以及平衡状态。
在运动情况下，八根绳索的平衡状态发生变化，其可能在X,Y方向需要产生加速度和运动，在Z方向通过加大幕墙对清洗器的支撑力Fe保持原有平衡状态，即：
Figure BDA0001536445240000072
其中，ax为清洗器在x轴方向上产生的加速度，ay为清洗器在y轴方向上产生的加速度。
在控制过程中，需要将清洗器在全局坐标系的位姿(位置姿态)、速度或加速度转化为八根绳索的长度、速度与张力。
假设清洗器的位置姿态为X＝[χT ψT]T，其中χ＝[x y z]T为清洗器的位置向量，x、y、z为清洗器的位置坐标，ψ＝[ψα ψβ ψγ]T为清洗器在空间的姿态角向量，分量为3个欧拉角。
Figure BDA0001536445240000081
为清洗器的空间移动速度，
Figure BDA0001536445240000082
为清洗器在x轴方向上的分速度，
Figure BDA0001536445240000083
为清洗器在y轴方向上的分速度，
Figure BDA0001536445240000084
为清洗器在z轴方向上的分速度，
Figure BDA0001536445240000085
为清洗器的旋转速度，
Figure BDA0001536445240000086
为清洗器在x轴的旋转速度，
Figure BDA0001536445240000087
为清洗器在y轴的旋转速度，
Figure BDA0001536445240000088
为清洗器在z轴的旋转速度。ζS＝RζbRT，其中，ζS为全局坐标系惯性矩阵，ζb为局部坐标系惯性矩阵，R为清洗器旋转矩阵。
然后，计算绳索拉力采用动力学方程：
Figure BDA0001536445240000089
M(X)为清洗器惯性矩阵，
Figure BDA00015364452400000810
为科里奥利矩阵，m为清洗器质量，I为单位矩阵，G为重力项G＝[0 mg 0 0 0 0]T；
Figure BDA00015364452400000811
为清洗器在全局坐标系的速度向量；
Figure BDA00015364452400000812
为清洗器在全局坐标系的加速度向量；τ为绳索拉力。
绳索拉力可由JT＝τ确定，T为绳索拉力向量；
T＝[t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8]T，J为雅可比矩阵。
在本发明所提供的实施例中，该幕墙清洗设备还包括自适应风力风向感知调整单元3。自适应风力风向感知调整单元3设置在清洗器6的顶部，用于感知风力风向的变化。
在刮风天气下，自适应风力风向感知调整单元3会根据风力风向调整清洗器6的下压力，当大风天气时，绳子的张力会发生变化，致使清洗器6的作用力发生变化，自适应风力风向感知调整单元3将风力风向信息发送到综合管理单元5，综合管理单元5根据风力风向对八根绳子的影响，通过电缆控制8个伺服单元，调整八根绳索的长度和张力，使清洗器处于受力平衡状态，防止由于刮风等天气因素的影响，对清洗器清洗幕墙工作造成的阻碍。
下面对本发明所提供的幕墙清洗设备的工作原理进行详细说明。
前已述及，本发明所提供的幕墙清洗设备由伺服单元1、支架2、自适应风力风向感知处理单元3、绳索4、综合管理单元5、清洗器6组成。工作前，用户根据楼宇的形状及尺寸在综合管理单元5上进行设置，并设置清洗顺序；综合管理单元5自动计算路径，进行空间结算。工作时，在楼宇玻璃幕墙四角部署支架，每个支架安装两组固定件，每组固定件的每个固定件上设置一个伺服单元。伺服单元通过绳索与清洗器的相应连接点连接。为了尽可能有效地实现较大运动空间范围以及绳索张力作用，采用了交叉绳索部署方式，即靠近幕墙边缘位置的第一组固定件与清洗器上的靠近幕墙竖直平面的四个连接点连接，远离幕墙边缘位置的第二组固定件与清洗器上的远离幕墙竖直平面的四个连接点连接，这种交叉方式能够较好地提升清洗器的运动空间。综合管理单元5根据规划出的工作路径，进行空间计算转化为各绳索长度和张力，通过电缆分配分配至各伺服单元；通过伺服单元控制绳索4的长度与张力。使得清洗器6从起点至终点进行运动，清洗器6同时执行清洗作业。在刮风天气下，自适应风力风向感知调整单元3会根据风力风向调整清洗器6的下压力，并根据需要发送状态指令给综合管理单元5，以调整各绳索张力保持清洗作业持续稳定完成。
综上所述，本发明所提供的幕墙清洗设备，包括伺服单元、支架、绳索和清洗器。支架包括至少两组固定件，每组固定件包含多个固定件，均用于固定在幕墙的四角；其中，第一组固定件位于幕墙的四角靠近幕墙边缘的位置，第二组固定件位于幕墙的四角远离幕墙边缘的位置。两组固定件平行设置，第一组固定件和第二组固定件均在垂直于幕墙的方向向外侧伸出；第一组固定件距离幕墙竖直平面的距离小于第二组固定件距离幕墙竖直平面的距离。在支架的每个固定件上均部署一个伺服单元；每个伺服单元通过绳索与清洗器连接，通过对绳索的长度和张力控制，使清洗器进行幕墙清洗。本发明的有益效果是：它基于绳索并联机器人技术实现，设计新颖，工作高效，安全可靠，实用性高；环境适应性好，并能适应一定的异形楼宇。
除此之外，为了尽可能有效地实现较大运动空间范围以及利用绳索张力作用，靠近幕墙边缘位置的第一组固定件与清洗器上的靠近幕墙竖直平面的四个连接点通过绳索进行连接，远离幕墙边缘位置的第二组固定件与清洗器上的远离幕墙竖直平面的四个连接点通过绳索进行连接，这种交叉方式可以较好地提升清洗器的运动空间。
上面对本发明所提供的基于绳索并联技术的幕墙清洗设备进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种基于绳索并联技术的幕墙清洗设备，其特征在于包括伺服单元、支架、绳索和清洗器；
所述支架包括至少两组固定件，每组固定件包含多个固定件，均固定在幕墙的四角；其中，第一组固定件位于幕墙的四角靠近幕墙边缘的位置，第二组固定件位于幕墙的四角远离幕墙边缘的位置；第一组固定件和第二组固定件均在垂直于幕墙的方向向外侧伸出，第一组固定件距离幕墙竖直平面的距离小于第二组固定件距离幕墙竖直平面的距离；
在支架的每个固定件上均部署一个伺服单元；每个伺服单元通过绳索与清洗器连接，通过对绳索的长度和张力控制，使清洗器进行幕墙清洗。
2.如权利要求1所述的幕墙清洗设备，其特征在于所述清洗器包括清洗件和压力件；其中，
所述清洗件用于清洗幕墙；
所述压力件为长方体结构或圆柱体结构，用于在绳索的压力作用下按压清洗件，使清洗件与幕墙接触。
3.如权利要求2所述的幕墙清洗设备，其特征在于：
当压力件为长方体结构时，将所述压力件靠近幕墙竖直平面的矩形和远离幕墙的竖直平面的矩形中的八个顶点设置为八个连接点；
其中，靠近幕墙竖直平面的四个连接点和远离幕墙的竖直平面的四个连接点一一对应。
4.如权利要求2所述的幕墙清洗设备，其特征在于：
当压力件为圆柱体结构时，将压力件靠近幕墙竖直平面和远离幕墙竖直平面的圆形平面的两个内切矩阵的八个顶点作为八个连接点；
其中，靠近幕墙竖直平面的四个连接点和远离幕墙的竖直平面的四个连接点一一对应。
5.如权利要求3或4所述的幕墙清洗设备，其特征在于：
靠近幕墙边缘位置的第一组固定件与清洗器上的靠近幕墙竖直平面的四个连接点对应连接，远离幕墙边缘位置的第二组固定件与清洗器上的远离幕墙竖直平面的四个连接点对应连接，从而形成交叉绳索部署方式。
6.如权利要求1所述的幕墙清洗设备，其特征在于还包括综合管理单元；所述综合管理单元放置在幕墙底部，通过电缆与各个伺服单元相连，用于控制伺服单元调整绳索的长度和张力。
7.如权利要求6所述的幕墙清洗设备，其特征在于：
第一组固定件包含位于幕墙的四角靠近幕墙边缘的位置的第一固定件、第二固定件、第三固定件和第四固定件；在所述第一固定件、所述第二固定件、所述第三固定件和所述第四固定件上对应部署第一伺服单元、第二伺服单元、第三伺服单元和第四伺服单元；
所述第一伺服单元、所述第二伺服单元、所述第三伺服单元和所述第四伺服单元通过第一绳索、第二绳索、第三绳索、第四绳索分别与对应的靠近幕墙竖直平面的第一连接点、第二连接点、第三连接点和第四连接点相连接。
8.如权利要求1所述的幕墙清洗设备，其特征在于：
当清洗器停留在某一位置进行清洗时，所述清洗器通过八根绳索的合力与清洗器的重力实现X、Y两个个方向上的受力平衡，同时八根绳索的合力提供的清洗器下压力与幕墙的支撑力实现Z轴方向上的受力平衡，即：
Figure FDA0002462389260000021
其中，Fix,Fiy,Fiz分别表示第i根绳索在X,Y,Z方向的分力；m为清洗器的质量，g为重力加速度，Fe为幕墙对清洗器的支撑力。
9.如权利要求1所述的幕墙清洗设备，其特征在于还包括自适应风力风向感知调整单元；
所述自适应风力风向感知调整单元设置在清洗器的顶部，用于感知风向和风力。
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