走在大街上,偶爾能看到掛在墻上清洗建筑外墻的“蜘蛛人”們,不禁要為他們的安全擔(dān)憂。清洗建筑外墻玻璃這個(gè)看似不復(fù)雜又危險(xiǎn)的工作,多年以來卻始終沒有被機(jī)器代替。智能外墻清洗機(jī)器人ispider或許能夠改變這一情況。它由廈門樸蜂科技?xì)v時(shí)9年研制,目前樣機(jī)的功能論證已經(jīng)完成,正進(jìn)行量產(chǎn)前準(zhǔn)備。
ispider 能夠模仿 “蜘蛛人” 的清洗流程,對(duì)大多數(shù)建筑外墻進(jìn)行自動(dòng)清洗。它體積和一個(gè)中學(xué)生接近,由設(shè)置在樓頂?shù)目梢苿?dòng)卷揚(yáng)機(jī)構(gòu),通過鋼絲繩牽引,對(duì)大樓外墻面進(jìn)行清洗。這樣一個(gè)人掛著水桶,拴根繩子,拿著抹布和刮水器就能完成的工作看似簡(jiǎn)單,然而樸蜂科技創(chuàng)始人張華龍告訴 36 氪,實(shí)際要遠(yuǎn)比想象中困難的多,這也是他們歷時(shí)9年才完成研制的主要原因。具體里面的困難主要有幾個(gè)方面:
首先,就是要能夠識(shí)別不同的墻面,采取不同的清洗方案。為此,ipsider使用了機(jī)器視覺技術(shù),在室外光照、溫度和識(shí)別背景高度復(fù)雜的情形下,通過特殊的算法及高速并行處理方式,對(duì)墻面的材質(zhì)變化進(jìn)行識(shí)別,提供不同的清洗方案。同時(shí)對(duì)外墻框架線條的變化進(jìn)行精細(xì)尺寸測(cè)量,確保清洗機(jī)械臂對(duì)高低不同的墻面能夠進(jìn)行全面地類似人工流程的清洗。
其次,還要保證姿態(tài)穩(wěn)定。機(jī)器人在空中工作時(shí),即有來自各個(gè)方向的風(fēng)或其它干擾,又有工作過程中動(dòng)作反作用力產(chǎn)生的姿態(tài)偏移,ispider的控制系統(tǒng)需要要在這些條件下,保證系統(tǒng)平穩(wěn)地工作。因此ispider采用了類似無人機(jī)控系統(tǒng)的控制算法,對(duì)姿態(tài)和位置進(jìn)行控制。張華龍也因此把ispider稱作“半飛行器”。
ispider的控制系統(tǒng)由 10 個(gè) CPU 組成神經(jīng)元系統(tǒng),以最快 200HZ 的反應(yīng)速度,管理觸覺,姿態(tài),方向,速度,風(fēng)壓,識(shí)別等 50 多個(gè)傳感器,以及 40 多個(gè)執(zhí)行清洗和姿態(tài)控制的微型數(shù)字電機(jī)。在控制系統(tǒng)的保證下,ispider 可以像壁虎一樣牢靠地吸附在墻面工作,也能像飛行器一樣在強(qiáng)風(fēng)中保持自身的姿態(tài)和安全。
此外,還要能夠攀爬和越障。建筑外墻很多時(shí)候會(huì)有各種障礙,如窗臺(tái)窗框等,機(jī)器人需要能夠識(shí)別并越過這些障礙。ispider依靠毛刷和刮雨器工作臂交替伸縮落地,實(shí)現(xiàn)了攀爬并同時(shí)清洗窗框窗臺(tái)等障礙物。與飛行器類似的姿態(tài)控制系統(tǒng)讓ispider可以以飛行的方式跨過障礙。攀爬和越障使得ispider可以清洗目前90%以上的建筑外墻面。個(gè)別特殊墻面,樸蜂采用定制配件的方式解決。
最后,要小型和輕量化?,F(xiàn)場(chǎng)人工可輕易搬動(dòng)的小型輕量化系統(tǒng)是實(shí)用性的首要選擇。為了實(shí)現(xiàn)小型和輕量化,樸蜂使用了多方面的技術(shù):
參照航空飛行器進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使用“翼盒”結(jié)構(gòu),盡可能減輕重量。
為了避免附帶龐大的支持管線,使用了儲(chǔ)能/重量比高的磷酸鋰鐵電池,可以使機(jī)器連續(xù)工作180米。
合計(jì)30余個(gè)電機(jī),全部采用了體積小的數(shù)字化稀土永磁無刷航空電機(jī),電機(jī)的轉(zhuǎn)速可以無級(jí)調(diào)節(jié),由中央CPU根據(jù)工況實(shí)時(shí)控制。
使用碳纖維與環(huán)氧樹脂等復(fù)合材料,在保證強(qiáng)度前提下減輕重量,一次性整體熱壓成型水箱、殼體等部件。
內(nèi)置循環(huán)水系統(tǒng),避免了附帶水管線,也可以降低耗水量。
通過以上多種技術(shù),ispider最終工作車的不帶水重量在40公斤以內(nèi),人工可搬運(yùn)。
以上問題都是在研發(fā)過程中逐漸遇到和解決的。一開始他們以為1年半就能研發(fā)成功,后來不斷遇到各種技術(shù)問題,多次想要放棄,后來又逐個(gè)突破,直到現(xiàn)在,研發(fā)基本完成,各項(xiàng)功能都完成驗(yàn)證。期間控制代碼的編寫和完善足足歷時(shí)9年。
具體到清潔效果,張華龍表示,清潔效果比人工要好。ispider采用螺旋槳推動(dòng)清洗機(jī)器人,并保持一定的壓力,使其可伸縮的毛刷工作臂與待清洗面接觸,由內(nèi)置驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)毛刷輥?zhàn)痈咚傩D(zhuǎn)擊打清洗面,配合噴水軟化和沖洗污垢。這樣即保證清洗力度,又可以提高移動(dòng)速度,提高效率。
清潔速度方面,張華龍告訴36氪,ispider基于自學(xué)習(xí)技術(shù),前后速度有所不同。第一次時(shí),ispider會(huì)對(duì)建筑的外墻面情況進(jìn)行學(xué)習(xí),并通過GPRS與后臺(tái)通信,清洗速度和人差不多,之后的清洗,由于機(jī)器已經(jīng)熟悉了墻面情況,速度可以達(dá)到人的 10 倍。
設(shè)計(jì)完成后,他們并不打算量產(chǎn)出售設(shè)備,而是采用兩步走方式進(jìn)行商業(yè)運(yùn)作。第一步在廈門成立清洗服務(wù)公司,使用 ispider 提供清洗服務(wù),并可以針對(duì)不同的樓定制配件,跑通整套業(yè)務(wù)流程。第二步在其它城市采用加盟合作的方式進(jìn)行擴(kuò)展。據(jù)張華龍計(jì)算,量產(chǎn)的 ispider 成本在 20 多萬,洗 3、4 棟樓就可以收回成本。
雖然功能驗(yàn)證完成,但作為工業(yè)產(chǎn)品,要實(shí)際投入應(yīng)用,還需要經(jīng)過各種可靠性測(cè)試,并綜合成本,性能等因素完成量產(chǎn)版產(chǎn)品定型。目前版本的 ispider 在一棟 4 層樓上進(jìn)行了近一年半的測(cè)試,設(shè)置了不同障礙修正完善了控制系統(tǒng),最高也在一棟 20 層的樓上進(jìn)行了運(yùn)行測(cè)試,但后續(xù)還需要進(jìn)行多輪試制和測(cè)試,才能最終量產(chǎn)定型。
樸蜂團(tuán)隊(duì)目前正在融資,用于量產(chǎn)前產(chǎn)品測(cè)試研制和首批產(chǎn)品制造。