摘要：近年来，高层建筑的玻璃幕墙清洁工作主要依靠人工在高空进行清洁作业，不仅成本高，而且危险性高。针对该难题，国内外大量科研人员投入研发立面智能清洁机器人。本文对国内外立面清洁机器人的技术研究进展进行梳理和分析，并结合玻璃幕墙的清洗特点进一步对高空清洁机器人技术路线提出了建议，可以为相关领域的研究者和设计师提供参考。

关键字：玻璃幕墙；清洁机器人；高空作业；

Abstract： In recent years， the cleaning of glass curtain walls in high-rise buildings has mainly relied on manual cleaning operations at heights， which are not only costly but also highly dangerous. To address this challenge， numerous researchers both domestically and internationally have devoted themselves to the development of intelligent facade cleaning robots. This paper reviews and analyzes the technological research progress of facade cleaning robots both at home and abroad， and further proposes suggestions for the technological routes of high-altitude cleaning robots in combination with the characteristics of glass curtain wall cleaning. These suggestions can provide references for researchers and designers in related fields.

Keywords： Glass curtain wall; Cleaning robot; High-altitude operation[项目：江苏省大学生创新创业培育计划项目，项目名称

基于无人机技术的高空玻璃幕墙清洁机器人的研究，项目编号：GX-2024-0929。

通讯作者：刘杰（1993-），男，硕士研究生，专任教师，研究方向：智能机器人]

引言

在建筑业尤其是现代高层办公写字楼中，为了追求美观性、采光性和保温防潮性，大量建筑物外观采用玻璃幕墙装饰，其中以中国和韩国等亚洲国家最具代表性。在世界范围内更是有超过20万多栋建筑超过12层，其中30%左右的建筑都采用玻璃幕墙。由于玻璃幕墙长期暴露在室外，容易受到雨水和灰尘侵染，因此需要定期清洗。目前高层建筑玻璃幕墙外表面的清洗主要依靠人工清洗，这种清洗方式存在劳动强度大、清洗效率低、人工成本高和高空作业风险大等问题，因此急需开发一款玻璃幕墙清洁机器人，提高作业效率，缩减清洁成本，同时将人从高危的工作环境中释放出来。本文对目前研发的立面清洁机器人技术方案作了一个梳理，并对各种技术方案的优缺点进行汇总分析，为相关领域研究者提供参考。

一、高层建筑玻璃幕墙特点

从玻璃幕墙的安装特点来看，并非所有的玻璃幕墙都是平直和紧密连接的，现实情况来看，很多玻璃凹陷在墙体内部或玻璃之间有凸出的窗框，如图1所示。这种情况下，立面清洁机器人需要具备吸附立面、移动及跨越窗框功能，这也是研发立面智能清洁机器人的关键。

二、国内外立面清洁机器人技术研究方案

为解决高空清洁玻璃幕墙的难题，国内外众多科研学者均进行了相关研究，经过几十年的研究发展，目前在高楼玻璃幕墙清洁机器人研究方面也取得了一定的成绩。本文重点对立面清洁机器人的吸附方式和移动方式进行了梳理与分析。

1.吸附方式

1.1真空吸附

哈尔滨工业大学的赵言正教授及其团队于1994年成功研发了我国首款壁面移动机器人。该机器人采用滑动吸盘结合负压吸附技术，主要用于立面清洁作业。其负压的产生主要依赖于风机装置，这一设计为高空清洁机器人在壁面吸附与移动奠定了基础。与此同时，纽约城市大学的肖继中教授团队也开展了相关研究，开发出一款名为“City Climber”的立面运动机器人，该机器人以真空吸附技术为核心，具备出色的运动灵活性和负载能力，能够胜任侦查、物品运输以及应急搜救等多种任务[1-2]。

由韩国成均馆大学研发的LARVA系列机器人，如图2所示，具备对建筑物进行视觉检测的能力。该机器人仅配备一个吸盘用于吸附，凭借其轻量化的设计和高效的吸附机制，展现出卓越的机动性，能够在多种壁面上快速移动[3]。

1.2磁吸附

上海交通大学在2003年开发了一款履带式磁吸附立面移动机器人，该机器人的主要功能是检测油罐内油品的容积。其吸附元件采用了永磁铁，并通过姿态和位置传感器实现精准测量，从而提高了检测的准确性和可靠性[4-5]。

与此同时，香港城市大学也研制了一款名为Robug的立面移动机器人，如图3所示，专门用于核工业罐体的检测与维护。Robug采用足式移动方式，依靠足部的磁铁提供吸附力，这种设计赋予了机器人更高的自由度和更强的壁面适应能力，使其能够胜任复杂且危险的壁面作业环境[6]。

1.3静电吸附

日本东京大学于2007年运用柔性电路板的设计，研制了一款采用静电吸附的爬壁机器人。如图4所示为该机器人I型样机，通过柔性电极实现的静电吸附完成其类似尺蠖的运动方式，该机器人体积小、质量轻，在高压下可携带其两倍质量的负载[7]。2010年，哈工大研制了配备双履带的静电吸附式爬壁机器人，吸附电极采用BOPP柔性镀铝薄膜，同时其履带即为静电吸附电极[8]。

1.4仿生吸附

仿生吸附机器人是一种基于分子间范德华力实现吸附功能的新型机器人。美国斯坦福大学于2006年开发了RISE系列仿生爬壁机器人，其中Stickybot的设计灵感来源于壁虎和其他蜥蜴。该机器人通过模仿生物的结构外形、吸附原理及运动方式，利用微小棘状物实现与壁面的吸附和脱离，适用于粗糙表面，如混凝土、砖块和灰泥等[9-10]。此外，另一研究小组以攀岩昆虫和蜘蛛为原型，研发了Spinybot[11]。

然而，当前仿生吸附技术仍存在局限性。其吸附能力依赖于特定壁面材质，且由于机器人自身重量较轻，负载能力有限。此外，其运动能力相对不足，难以满足清洁玻璃立面的需求。

2、移动方式

2.1足式立面移动

足式立面移动方式的设计初衷是模仿生物体的腿足行走机制。这种移动方式的足数通常为两足、六足或八足，足端配备吸附装置，由于其关节数和足数越多，自由度越高，机器人在复杂壁面环境中的移动能力越强，同时具备越障功能。然而，这也导致其控制难度相应增加。

图6展示了一款RAMR 1双足机器人。该机器人拥有四个节点、三个驱动电机，整体具备五自由度设计，其足端安装了真空吸附装置。RAMR 1采用欠驱动关节结构，仅需一英寸即可实现转向，有效降低了自身质量，同时具备出色的抓地力。其足部设计能够支持机器人在光滑或倾斜的表面上活动，并可适应不同角度墙面之间的过渡[12]。

日本东京大学开发了一种能够在多种类型壁面上运动且具备高负载能力的四足立面移动机器人NINJA-1和NINJA-2[13-14]。如图11所示，该系列机器人采用三维并联机构的腿足设计，能够产生强大的驱动力以实现在墙壁表面的高效移动。其每个足部均配备大吸盘，而这些吸盘由多个小密封腔组成，即使在壁面存在沟槽或微小水平差异的情况下，也能提供稳定的吸附力。这种设计赋予了机器人出色的壁面适应能力，使其能够在复杂环境中灵活作业。

西班牙CSIC大学研发立面六足移动机器人，该机器人主要用于工业立面作业，能够携带较高有效载荷在壁面上运动，其腿部采用三关节结构，每个关节均由独立的直流电机和齿轮组合驱动[15]。

2.2 履带式移动

大连海事大学设计了一种采用磁吸附技术的履带式立面运动机器人[16]，该机器人装配有高压水射流除锈设备，可替代人工完成船舶表面的除锈、涂装以及锈渣回收等任务。机器人采用双履带驱动方式，在运动过程中，履带上的15块吸附单元能够始终保持与壁面的有效吸附，从而实现前进、后退和转向等功能。其整体结构简洁，运行可靠性高。

2.3牵引式移动

除了在机器人本体上设置移动机构外，还可以通过在建筑物顶部或中间楼层设置绳索或缆线来牵引机器人的水平和垂直移动。上海交通大学钱志渊等人研发的双吸盘式清洗机器人[17-18]。该机器人本体并未配备独立的移动机构，而是依靠楼顶辅助装置提供的牵引力以及自身重力来实现移动。它采用双吸盘真空负压吸附方式附着在建筑物表面，并具备一定的越障能力。

类似地，韩国国立金乌工科大学开发的一款三模态可越障机器人[19]。该机器人同样借助楼顶辅助装置牵引平台运动，并通过其正面三个独立模块的交替收缩来实现一定程度的越障功能。

2.4组合式移动

哈尔滨工业大学开发了一种融合轮式与足式移动方式的立面移动机器人[20]，如图10所示。该机器人通过结合轮式移动的高效性与足式移动的强适应性，能够在不同类型的壁面环境中灵活作业。在单一平面壁面上，机器人利用轮式机构实现快速移动，显著提升作业效率；而在复杂壁面或存在障碍物的环境中，其足式机构则能够充分发挥越障能力和壁面适应性，确保机器人稳定运行。

3.立面清洁机器人方案分析和对比

通过对国内外研究现状及相关文献[21-27]进行总结，对立面运动机器人的各吸附方式与移动方式优缺点进行对比得到表1-1、1-2。

三、结束语

随着人口红利结束，新的劳动力不愿从事高空危险职业，而高空玻璃幕墙清洁市场需求旺盛，因而急需开发立面清洁机器人取代人工进行高空作业。本文对立面清洁机器人技术研究进展进行了充分的梳理与分析，为后续相关研究人员提供参考。

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项目：江苏省大学生创新创业培育计划项目，项目名称

基于无人机技术的高空玻璃幕墙清洁机器人的研究，项目编号：GX-2024-0929。

通讯作者：刘杰（1993-），男，硕士研究生，专任教师，研究方向：智能机器人