一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，属于特种机器人领域。其特征包括:吸附装置、行走越障装置、动力装置、控制装置、清洁装置和安全装置。吸附装置由真空泵、真空腔和吸盘组成；行走越障装置由吸盘与四连杆机构组成；动力由步进电机和舵机提供；控制装置包括单片机、压力传感器、角度传感器和红外传感器；清洁装置由清洁箱、清洁布和节流阀等组成。该清洁机器人通过吸盘使其整体吸附在壁面上，并通过吸盘交替吸附，配合四连杆的转动，实现机器人的前进擦拭和越障。本壁面清洁机器人可在高楼外壁（瓷砖、玻璃幕墙或敷设铝塑板结构）进行安全高效的清洁作业，具有吸附力稳定、越障能力强、擦拭效率高、抗风载荷能力强、重量轻、结构简单和控制方便等。
【专利说明】
一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人
技术领域
[0001]本发明涉及一种清洁机器人技术领域的一种特种机器人，尤其是涉及一种高层建筑壁面清洁机器人。【背景技术】
[0002]壁面清洗机器人包括建筑行业的喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面清洗和擦玻璃机器人等，也包括核工业中的对核废液储罐进行视觉检查，测厚及焊缝探伤机器人等，还包括石化企业中的对圆柱形大罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐的机器人。对于目前建筑行业的壁面清洗而言，这类工作仍由清洁工人搭乘吊篮进行高空作业来完成。一方面工人的工作环境恶劣，具有一定的危险性，工作效率也很低，另一方面清洗一幢大楼有时要耗时数十天，耗资巨大，致使人工清洗不仅成本高，效率低，且极其危险。因此从经济角度和安全角度考虑，需要研发一种高效的壁面清洁机器人解决以上状况。
[0003]就高层建筑外墙壁面清洁机器人而言，机器人的吸附、行走、越障、定位、信号传输等关键技术目前尚不够完善，其越障技术，距离实际应用差距就更大，这就极大地限制了高层建筑外墙壁面清洁机器人的广泛应用。此外，高层建筑外墙的清洁是一种危险的高空作业。机器人工作的可靠性、安全性十分重要。而且室外作业环境要求其结构简单、操作简便、 具有高性价比，对环境适应性强，能完成各种墙面的喷涂工作，而且具有稳定的吸附力，方便的移动机构，较强的越障功能，价格便宜，经济耐用，对操作人员技术要求低，使用维护方便。
[0004]目前壁面清洁机器人的研究较多，如申请号为CN201320885854.3的中国实用新型专利，公告日为2014-07-16,记载了一种由驱动部分、变向部分、吸附部分、清洁部分、水循环部分、组成的吸附移动式爬壁双向清洁机器人，虽然具有便于调整方向与更换路径，可携带多种仪器设备，有双向清洗模式，工作效率高的优点，但是该机器人结构复杂，螺杆和电磁阀等不易控制，且该机器人无法实现越障功能。再如申请号为CN200920283411.0的中国实用新型专利，公告日为2010-11-03,记载了一种由清洁机构、壁面吸附机构、机器人越障机构、机器人支援系统和GPS位姿跟踪控制系统构成的高层建筑外壁面清洁机器人，该机器人的行走越障机构为飞行器，由于机器人在高空作业，靠吸附装置与壁面接触，飞行器频繁越障后下落吸附会造成工作不稳定，一旦坠落将造成严重事故。而且对飞行器的控制要求比较高。
[0005]目前壁面清洁机器人也有一些实际应用，如日本科沃斯公司在2014年5月发售的 winbot擦玻璃机器人。该机器人通过真空抽气的方式将机器人吸附在表面相对光滑的玻璃上，使用履带进行移动。winbot采取“z”字形清洁的方法，自动检测边缘，设定覆盖玻璃面积的最短路径。但是该机器人只能在擦拭一整块玻璃，无法越过从一块玻璃到另一块玻璃的障碍。再如德国hobot擦玻璃机器人，通过一个真空马达抽气，采取双吸盘吸附并移动擦拭， 能自动识别边缘并进行最优路径规划，通过遥控器进行操作。虽然它体积更为小巧，重量更轻。但是它依然无法完成越障动作。
【发明内容】
[0006]为了解决【背景技术】中提到的诸多问题，本发明提供一种吸附力稳定、越障能力强、 擦拭效率高、抗风载荷能力强、重量轻、结构简单和控制方便的双吸盘连杆式壁面清洁机器人。
[0007]为了实现上述目的，本发明为一种可完整清洁存在150mm X 150mm障碍的高楼壁面清洁机器人。其主要结构包括:吸附装置为2个吸盘和真空栗;行走越障装置，两个吸盘通过舵机和舵机支架与四连杆机构通过联轴器连接，通过控制四连杆的旋转伸缩并配合吸盘的转动，实现清洁机器人的螺旋式行走擦拭和越障；动力装置，吸盘处安装有步进电机，为吸盘的转动提供动力，连杆处装有舵机，为连杆的转动提供动力;控制装置主要包括红外检测装置、角度检测装置和压力检测装置，分别安装在适当的位置，发出不同的控制信号，分别检测障碍距离、旋转角度和真空腔内压力;清洁装置，由清洁箱、清洁布、硅胶环和节流阀组成，能够保证清洁液不断渗至清洁布上;安全装置，由安全环和安全绳组成。
[0008]所述吸附装置，吸附力由真空栗提供，使吸盘内形成负压，依靠摩擦力将机器人吸附于壁面上，在擦拭过程中，需要通过调节真空栗转速来控制吸盘对壁面的压力，当需要吸盘吸附时，将压力调整到最大，当只需小压力吸附旋转擦拭时，将压力调至合适的范围(具体参数可通过试验获得)，保证清洁布以足够压力将壁面清洁干净。
[0009]所述行走越障装置，吸盘处主动力由2个步进电机提供，步进电机控制吸盘的旋转，实现螺旋轨迹行走，来增大擦拭的面积和提高擦拭效率，连杆处的动力由3个舵机提供， 舵机相互协调配合旋转一定的角度，以控制连杆带动吸盘前进擦拭和越障。这种吸盘交替吸附越障方式，可保证越障稳定，适应较宽越障范围。
[0010]所述行走越障装置，步进电机可带动整体或清洁盘转动，固定在上端盖上的舵机支架上的舵机与四连接杆通过联轴器连接，带动连杆转动，其耦合位置，放置在真空栗上端，而不是侧端，主要是为了便于安装舵机，保证足够大的连杆运动空间，便于越障，且考虑到电机扭矩，对杆长设计更有利。
[0011]所述控制装置，红外检测装置，当传感器监测范围内没有障碍时，电平为低电平， 监测到有障碍时，电平变为高电平。该双吸盘连杆式壁面清洁机器人吸盘圆形外壳底部四周各均匀安装四个红外传感器。圆形外壳内部各安装一个压力传感器。步进电机上装有光电编码器。主控制器可以设置十个端口用来检测电平变化，两个端口读取步进电机角度。进而控制步进电机和舵机配合转动，实现避障、越障，准确控制活动端吸盘转动的角度，控制吸盘压力，保证稳定吸附。
[0012]所述清洁装置，两个对称分布的清洁箱安装在外壳圆筒内部，清洁箱内部装有清洁液，清洁箱的安装方式能够保证清洁液在任意时刻均能在重力的作用下流出，清洁箱外部安装有带节流阀的细管道，可以控制清洁液流出的速度，保证清洁液以小流速渗至清洁布上。
[0013]所述安全装置，将安全环扣在外壳圆筒处，且安全环处连有绳索，可保证机器人脱离壁面后不会翻转，与壁面发生碰撞，损坏壁面，同时保证机器人不会坠落到地面，引起事故。
[0014]所述四连杆装置为可拆卸装置，可更换以适应壁面上不同尺寸的障碍。
[0015]本发明一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人的有益技术效果为:新颖、实用、高效， 可有效解决现有壁面清洁机器人越障能力差、结构复杂、吸附和控制不稳定的缺点，可批量生产，具有较好的推广和使用价值。【附图说明】
[0016]图1是一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人的总体结构图。
[0017]图2是机器人行走擦拭轨迹简图。[〇〇18]图3是该机器人初始状态图。[〇〇19]图4是该机器人前进状态图。
[0020]图5是该机器人远离障碍端吸盘越障示意图。[0021 ]图6是该机器人远离障碍端吸盘越障成功示意图。
[0022]图7是该机器人靠近障碍端吸盘越障示意图。
[0023]图8是该机器人整体越障成功示意图。【具体实施方式】[〇〇24]结合图1 一8对本发明做出进一步的详细说明。
[0025]图1是一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人的总体结构图，该清洁机器人由两个吸盘(11)，包括上端盖(5)和下端盖(9)，真空栗(4)，1个四连杆机构(2)，2个步进电机(10)及步进电机减速器(8)，舵机支架(3)，3个舵机(14)及舵机减速器(1)，清洁箱(13)、节流阀 (7)、圆形外壳(12)、编码器(6)和安全绳索(15)组成。
[0026]图2是机器人行走擦拭轨迹简图，(a)是机器人整体擦拭行走轨迹图，清楚地表达了清洁机器人在清洁壁面时，由上至下，由左向右，由右至左，循环往复进行擦拭，(b)是机器人局部擦拭轨迹图，以螺旋式轨迹行走擦拭。该擦拭轨迹可节约能量，提高擦拭效率。
[0027]图3是该机器人初始状态图，工作初始状态时，通过调节真空栗使两端的吸盘均吸附在壁面上，且此时两圆形外壳处于最近状态。
[0028]图4是该机器人前进状态图，清洁工作开始时，保持首端的吸盘固定在壁面上，通过调节真空栗将尾端吸盘的吸力减小，使吸盘以较小压力贴在壁面上，此时通过步进电机和步进电机减速器控制首端的吸盘沿固定轨迹小幅度往复摆动，同时通过舵机使舵机减速器控制四连杆不断伸长，使尾端吸盘实现螺旋式前进，该过程中步进电机驱动尾端吸盘转动，带动其下面的清洁布进行螺旋式清洁，此时两圆形外壳处于最远状态。
[0029]图5是该机器人远离障碍端吸盘越障示意图，当通过红外传感器检测到框架障碍时，远离障碍端的真空栗逐渐停止工作，压力减小，另一侧舵机带动连杆向上转动，把远离障碍端的吸盘通过行走机构抬到指定高度(可根据障碍高度估定)，使其大于最高的障碍物高度。
[0030]图6是该机器人远离障碍端吸盘越障成功示意图，当把吸盘抬至一定高度时，靠近障碍端的吸盘处的步进电机转动，使机器人逆时针转动180°，越过障碍物，舵机带动连杆逐渐向下转动，使远离障碍端的吸盘落至接触壁面，真空栗开始工作，并使其吸附在障碍的另一侧。
[0031]图7是该机器人靠近障碍端吸盘越障示意图，当远离障碍端的吸盘吸附在障碍的另一侧后，控制靠近障碍端的真空栗逐渐停止工作，压力减小，另一侧舵机带动连杆向上转动，把靠近障碍端的吸盘通过行走机构抬到指定高度(可根据障碍高度估定)，使其大于最高的障碍物高度。
[0032]图8是该机器人整体越障成功示意图，当把吸盘抬至一定高度时，越过障碍的吸盘处的步进电机转动，使机器人逆时针转动180°，越过障碍物，舵机带动连杆逐渐向下转动， 使远离障碍端的吸盘落至接触壁面，真空栗开始工作，并使其吸附在障碍的另一侧。
[0033]本发明可用于高楼外壁(瓷砖、玻璃幕墙或敷设铝塑板结构)的清洗。由于该机器人的四连杆可拆卸和更换，可以适应不同尺寸的障碍物。可将清洁装置换成喷涂装置和检测装置等其它装置，以完成管道喷涂、检测等作业。
[0034]本发明也可用于自动清洁楼梯，也可用于自动清洁地面。
[0035]上述应用实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做出的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
【主权项】
1.一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，机械本体由两个吸盘(11)，包括上端盖(5)和下 端盖(9)，真空栗(4)，四连杆机构(2)，两个步进电机(10)及步进电机减速器(8)，舵机支架 (3)，三个舵机(14)及舵机减速器(1)，清洁箱(13)、节流阀(7)、圆形外壳(12)、编码器(6)和 安全绳索(15)组成;吸附力主要靠两个安装在上端盖(5)处的真空栗(4)提供，通过真空栗 使吸盘(11)内形成负压，依靠摩擦力将机器人吸附于壁面上；四连杆(2)通过铰链与两端的 三个舵机(14)分别连接在一起，其中舵机安装在固定在上端盖(9)上的舵机支架(3)上，以 上部分构成机器人的行走机构;工作初始状态时，通过调节真空栗(4)使两端的吸盘(11)均 吸附在壁面上，此时两圆形外壳(12)距离处于最短状态，清洁工作开始时，保持首端的吸盘 (11)固定在壁面上，通过调节真空栗(4)将尾端吸盘(11)的吸力减小，使吸盘以较小压力贴 在壁面上，此时通过步进电机(10)和步进电机减速器(8)控制首端的吸盘(11)沿固定轨迹 小幅度往复摆动，同时通过舵机(14)使舵机减速器(1)控制四连杆转动，增大两箱体之间距 离，使尾端吸盘实现螺旋式前进，该过程中步进电机驱动尾端吸盘转动，带动其下面的清洁 布(15)进行螺旋式清洁；当两圆形外壳距离达到最长时，通过调节真空栗，使尾端的吸盘吸 附在壁面上，然后通过调节真空栗将首端吸盘处的吸力减小，使首端吸盘以较小压力贴在 壁面上，此时控制首端的吸盘在固定位置小幅度往复摆动，同时控制四连杆不断缩短，使首 端吸盘实现螺旋式前进，该过程中步进电机驱动首端吸盘转动，使其下面的清洁布进行螺 旋式清洁，直到运动至两圆形外壳距离最短，通过调节真空栗，使首端的吸盘也固定在壁面 上，与初始工作状态一致;然后重复上述过程，对壁面进行清洁；当通过红外传感器检测到 框架障碍时，尾端的真空栗逐渐停止工作，压力减小，另一侧舵机带动连杆向上转动，把首 端的吸盘通过行走机构抬到指定高度(可根据障碍高度估定)，使其大于最高的障碍物高 度，此时尾端吸盘处的步进电机转动，使机器人逆时针转动180°，越过障碍物，舵机带动连 杆逐渐向下转动，使首端的吸盘落至接触到壁面，真空栗开始工作，使首端的吸盘吸附在障 碍的另一侧;此时，采用同样的原理，使尾端的吸盘越过障碍，在此回到初始工作状态，然后 进行越障后的清洁；当通过红外传感器检测到楼宇边界障碍时，调整过程与上述类似，只是 此时机器人先固定尾端，逆时针旋转90°，再固定首端，逆时针旋转90°，在此转到下一行，回 到初始工作状态，然后进行越障转弯后的清洁工作。2.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:包含由内部 装有大流量真空栗的两个吸盘组成的吸附装置;吸附力由真空栗提供，使吸盘内形成负压， 依靠摩擦力将机器人吸附于壁面上;双吸盘及良好的密封圈保证了机器人具有稳定的吸附 力。3.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:机器人的主 要运动状态包括前进和越障两个部分，因此动力提供装置，主要设计为吸盘处放置步进电 机，控制吸盘的转动，连杆处放有舵机，控制连杆的转动，由于前进擦拭需要有一个连杆作 为主动件，而越障时需要两个连杆作为主动件分别控制运动吸盘位置和姿态；因此，有三个 杆件处放置有舵机，在运动过程中协同配合，完成前进清洁和越障动作。4.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:清洁机器人 在壁面上的平面部分移动时，一端吸盘固定在壁面上，通过调节真空栗使另一端吸盘以较 小压力贴在壁面上，此时通过步进电机控制活动端吸盘沿固定轨迹小幅度往复摆动，同时 通过舵机控制四连杆不断伸长，实现螺旋式前进，该过程中步进电机驱动活动端吸盘转动，带动其下面的清洁布进行螺旋式清洁。5.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:对于整个待 清洁的楼宇壁面而言，该清洁机器人自上而下，从左至右，再从右至左，循环往复进行螺旋 式清洁，且同一块区域可重复清洁，在保证清洁质量的基础上，该清洁方式大大减少了能量 消耗，提高了清洁效率。6.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:当清洁机器 人遇到障碍时，需控制离障碍较近端的吸盘吸附在壁面上，通过舵机控制连杆向上转动，将 离障碍较远端的吸盘抬起到一定高度，然后使吸盘处的步进电机控制吸盘转动，转至越过 障碍后，在通过舵机控制连杆向下转动，使吸盘接触壁面，同时调节真空栗使吸盘吸附与壁 面上，然后抬起另一端吸盘，采用同样的方式进行越障。7.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:清洁布布置 在吸盘下侧，当吸盘旋转时，清洁布开始擦拭壁面，且清洁布外侧套有橡胶环，一方面增大 与玻璃接触时的摩擦力，另一方面起到清洁作用。8.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:两个对称分 布的清洁箱安装在外壳圆筒内部，清洁箱内部装有清洁液，清洁箱的安装方式能够保证清 洁液在任意时刻均能在重力的作用下流出，清洁箱外部连带有节流阀的细管道，可以控制 清洁液流出的速度，保证清洁液以小流速渗至清洁布。9.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:吸盘与连接 杆的耦合位置，放置在真空栗上端，一方面便于安装舵机，另一方面能够使连杆下部分的空 间更大，便于越障，且无需增加杆长，而导致电机扭矩增大。10.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:前进或越 障时，舵机控制对应的连杆协调配合，各杆控制旋转的角度已经过准确计算，来保证前进和 越障时，正确配合。11.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:该机器人 配有安全装置，安全环扣外壳圆筒处，安全环处连有绳索，一方面保证机器人脱离壁面后不 会翻转，与壁面发生碰撞，另一方面保证机器人不会坠落到地面，引起事故。12.根据权利要求1所述的一种双吸盘连杆式壁面清洁机器人，其特征在于:需要外接 电源，并内置锂电池用作断电保护；电源线即使意外被切断也不会造成机器人脱落，保证了 高空作业的安全性。
【文档编号】E04G23/00GK105962856SQ201610337874
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月22日
【发明人】柯文, 李喜艳, 屈春雷, 李超, 肖力凡, 陈俊, 方凡涛, 卢昱华, 陈建友
【申请人】武汉市享昱科技有限公司