一种多层分布式建筑物外表面清洁机器人的制作方法

本发明涉及高空清洗作业技术领域，尤其涉及一种多层分布式建筑物外表面清洁机器人。

背景技术：

目前，建筑物外墙的清洁方式主要还是有高危工种“蜘蛛人”来人工清洗，就清洁过程而言需要多次将清洁人员在建筑物外侧面利用升降机调整到工作区域，而后实施人工作业。工人在几十米至几百米的高空作业存在很多不安全因素，效率也并不高，而且对于业主来说这种清洁方式的支出也相当可观；另一种方式是采用一些简单的机械结构来替代人工清洁作业，这种方式可以避免人员在空中的高危作业，但是局限性在于目前同类的高层建筑外表面清洁机械智能程度普遍较低，需要靠人工操作来达到指定位置清洁的功能。而主流的智能擦玻璃机器人还停留在简单的作业面上，利用玻璃的边界作为机器人运动的自然边界，在这些小范围内进行简单的路径规划，并且清洁效果仍然不理想。

另外，外墙清洗机器人还没有在市场范围内大面积推广，只有几家国内外企业在小范围的研发类似于外墙清洁机械的结构。然而，正如上述所描述的，其主要的缺点可以概括为受墙面特征的局限性大，清洁效率低和智能化程度低三个方面。

因此，针对以上不足，需要提供了一种多层分布式建筑物外表面清洁机器人。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种多层分布式建筑物外表面清洁机器人以替代人工高空高危作业的同时，通过合理的分层结构和运动机构提高建筑物表清洁的智能化、效率和结构适应性。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多层分布式建筑物外表面清洁机器人，其包括依次设置的清洗功能单元层、中控核心层及旋翼助推层，清洗功能单元层包括多个清洗单元；所述中控核心层包括主安装架和设置在主安装架上的控制单元、控制电路、循环水路系统及吊装单元，控制单元通过控制电路与清洗单元的驱动部分电连接，所述循环水路系统与所述清洗单元的进水部分连接，所述吊装单元与吊缆连接；所述旋翼助推层包括旋翼主架及安装在旋翼主架上的旋翼；所述旋翼主架通过单元伸缩杆与所述清洗单元连接，所述单元伸缩杆穿过所述主安装架；还包括与所述单元伸缩杆平行的主体伸缩杆，所述主体伸缩杆的一端与所述旋翼主架连接且所述主体伸缩杆的另一端与所述主安装架连接。

其中，所述多个清洗单元包括滚刷清洗单元、吸力雨刮单元及负压吸力清洁单元；滚刷清洗单元及负压吸力清洁单元位于吸力雨刮单元的两侧；每个清洗单元通过一根所述单元伸缩杆连接到所述旋翼主架。

其中，还包括与所述单元伸缩杆平行且用于支撑所述中控核心层的多根光轴，所述光轴的一端可滑动地插入地所述旋翼主架且另一端与所述清洗单元固定连接。

其中，所述单元伸缩杆为电动伸缩杆、气动伸缩缸或者液压缸；所述主体伸缩杆为电动伸缩杆、气动伸缩缸或者液压缸；所述单元伸缩杆、主体伸缩杆均与所述控制单元电连接。

其中，所述吊装单元包括吊装架及安装在吊装架上的吊环，所述吊环与吊缆连接。

其中，所述中控核心层还包括三自由度数据采集单元，三自由度数据采集单元与所述控制单元连接；三自由度数据采集单元位于所述中控核心层的前端部分，三自由度数据采集单元包括摄像头、超声波测距单元及三自由度驱动组件，所述摄像头、超声波测距单元依次设置在三自由度驱动组件上。

其中，所述中控核心层还包括通讯系统，所述通讯系统与所述控制单元连接。

其中，所述循环水路系统包括水箱及连接在水箱上的进水管路、回水管路，所述进水管路、回水管路上设置有水泵，两个所述水箱对称地安装在主安装架的两侧，且两个所述水箱相连通。

其中，所述旋翼助推层还包括旋翼推力系统及LED状态显示系统，所述旋翼推力系统、LED状态显示系统均与所述控制单元电连接，四个所述旋翼中心对称地设置在所述旋翼主架上。

其中，所述滚刷清洗单元包括密封清洗罩、喷洒单元、双滚刷单元、负压单元；所述喷洒单元包括设置在所述密封清洗罩内的喷水管路和开设在所述喷水管路上的喷头，所述喷水管路与所述循环水路系统连通；所述双滚刷单元包括设置在所述密封清洗罩内的双滚刷和驱动所述滚刷的滚刷驱动件，所述滚刷驱动件与所述控制单元连接；所述负压单元设置在所述密封清洗罩的背面，且与所述密封清洗罩内的空间连通，所述负压单元的驱动部分与所述控制单元连接。

其中，所述吸力雨刮单元包括雨刮条和设置在雨刮条处的负压回收部分，所述负压回收部分与所述循环水路系统的回水管路连通；所述负压吸力清洁单元包括主框架、安装在主框架底部周边的负压密封抹布带及负压吸力部分，负压吸力部分的吸水口位于抹布附近。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

通过清洗功能单元层、中控核心层及旋翼助推层这种多层分布式结构，有效的分离了清洁功能单元和核心电路部分，分离的单元式机构可以在对整个系统的影响更小的情况完成清洁流程，同时又能保证中间的中控核心层远离复杂的带液工作表面，提高工作的智能化和稳定性；分层的结构可以减小机器人在高空中的风阻面积，气流可以更加平稳的通过流线型的机器人侧面，提高整个系统在有横向风情况下的工作稳定性，提高工作效率；在墙面的适应性方面，配合整体的吊装设计，分层的结构更有利于对各个单元和部分的分别控制及工作下的姿态调整，提高结构适应性及清洁效果。

另外，通过三个清洗单元依次清洗的标准化清洁流程，在提高了清洁效果的同时也解决了边缘位置的清洁难题；通过传感器的选择和布置，为控制流程添加了稳定可靠的闭环反馈环节，提高了智能化程度，也为机器人的安全工作提供了可靠保证；采用负压与旋翼推力相结合的新型结构，一方面有效保证工作状态下推力的提供，另一方面也保证在越障的情况下整个机器人系统依然有稳定的推力，平稳运行。

附图说明

图1是本发明实施例多层分布式建筑物外表面清洁机器人的侧视图；

图2是本发明实施例多层分布式建筑物外表面清洁机器人的一个视角的立体结构图；

图3是本发明实施例多层分布式建筑物外表面清洁机器人的仰视图；

图4是本发明实施例多层分布式建筑物外表面清洁机器人的俯视图；

图5是本发明实施例多层分布式建筑物外表面清洁机器人中滚刷清洗单元的立体结构示意图；

图6是本发明实施例多层分布式建筑物外表面清洁机器人中滚刷清洗单元的侧视图；

图7是本发明实施例复合多功能负压清洗装置中辅助轮的驱动方式示意图；

图8是本发明实施例复合多功能负压清洗装置中三自由度数据采集单元的结构示意图。

图中，1：清洗功能单元层；2：中控核心层；3：旋翼助推层；4：滚刷清洗单元；5：吸力雨刮单元；6：负压吸力清洁单元；7：急停按钮；8：负压风扇；9：吊环；10：吊装架；11：水箱进气阀；12：光轴；13：单元伸缩杆；14：雨刮固定板；15：雨刮吸力管；16：雨刮条；17：行程轮；18：履带装置；19：负压密封抹布带；20：雨刮转向舵机；21：传动带；22：喷洒单元；23：辅助轮；24：滚刷；25：触碰式光电传感器；26：旋翼推力系统；27：LED状态显示系统；28：水箱；29：前翻盖；30：前翻盖驱动件；31：三自由度数据采集单元；32：前端超声波测距模块；33：主体伸缩杆；34：滚刷驱动件；35：后翻盖；36：密封清洗罩；37：前接触探针传感器；38：后接触探针传感器；39：下压触点传感器；40：收伸驱动电机；41：转角件；42：丝杆；43：丝母；44：起落杆；45：摄像头；46：超声波测距单元；47：舵机固定架；48：第一舵机驱动板；49；第二舵机驱动板；50：第三舵机驱动板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明提供的多层分布式建筑物外表面清洁机器人包括依次设置的清洗功能单元层1、中控核心层2及旋翼助推层3，清洗功能单元层1包括多个清洗单元；所述中控核心层2包括主安装架和设置在主安装架上的控制单元、控制电路、循环水路系统及吊装单元，控制单元、控制电路、循环水路系统均有相应的安装仓体，控制单元通过控制电路与清洗单元的驱动部分电连接，进而控制清洗单元执行清洗工作，所述循环水路系统与所述清洗单元的进水部分连接，为清洗单元提供清洁水，所述吊装单元与吊缆连接，以实现吊缆对整体机器人的吊装；所述旋翼助推层3包括旋翼主架及安装在旋翼主架上的旋翼，通过旋翼可以使整个机器人更好地贴靠清洁面；所述旋翼主架通过单元伸缩杆13与所述清洗单元连接，所述单元伸缩杆13穿过所述主安装架；还包括与所述单元伸缩杆13平行的主体伸缩杆33，所述主体伸缩杆33的一端与所述旋翼主架连接且所述主体伸缩杆33的另一端与所述主安装架连接。其中，主安装架上设置急停按钮7，急停按钮7与控制单元连接，出现故障时可以进行急停操作。

上述实施例中，通过清洗功能单元层1、中控核心层2及旋翼助推层3这种多层分布式结构，有效的分离了清洁功能单元和核心电路部分，分离的单元式机构可以在对整个系统的影响更小的情况完成清洁流程，同时又能保证中间的中控核心层2远离复杂的带液工作表面，提高工作的智能化和稳定性；分层的结构可以减小机器人在高空中的风阻面积，气流可以更加平稳的通过流线型的机器人侧面，提高整个系统在有横向风情况下的工作稳定性，提高工作效率；在墙面的适应性方面，配合整体的吊装设计，分层的结构更有利于对各个单元和部分的分别控制及工作下的姿态调整，提高结构适应性及清洁效果。

具体地，所述多个清洗单元包括滚刷清洗单元4、吸力雨刮单元5及负压吸力清洁单元6；滚刷清洗单元4及负压吸力清洁单元6位于吸力雨刮单元5的两侧，滚刷清洗单元4可以对玻璃边框(死角)位置进行清洁，吸力雨刮单元5可以进行二次清洁，和对雨刮收集的回水进行回收，负压吸力清洁单元6可以提高清洁的效率和效果；这样，细化了清洁单元的划分，通过三单元依次清洗的标准化清洁流程，在提高了清洁效果的同时也解决了边缘位置的清洁难题。

具体地，每个清洗单元通过一根所述单元伸缩杆13连接到所述旋翼主架，单元伸缩杆13为电动伸缩杆、气动伸缩缸或者液压缸；在单元伸缩杆13的作用下，可推动滚刷清洗单元4、吸力雨刮单元5或负压吸力清洁单元6伸向清洁表面或向中控核心层2及旋翼助推层3收回；机器人可以根据墙面与玻璃面的具体距离尺寸情况，伸出清洁单元的并对挂点相对于整机的位置进行调整，来达到调节平衡的目的。其中，通过主体伸缩杆33，调整旋翼主架和主安装架，进而对挂点相对于整机的位置进行调整。

具体地，所述主体伸缩杆33为电动伸缩杆、气动伸缩缸或者液压缸；所述单元伸缩杆13、主体伸缩杆33均与所述控制单元电连接。

具体地，还包括与所述单元伸缩杆13平行且用于支撑中控核心层2的多根光轴12，所述光轴12的一端可滑动地插入地所述旋翼主架且另一端与清洗单元固定连接。通过光轴12的设置，一方面可以可靠地支撑中控核心层2，或者说支撑清洗单元和旋翼主架；另一方面，由于光轴12的一端可滑动地插入地旋翼主架，在单元伸缩杆13驱动清洗单元轴向移动的时候，光轴12不会影响清洗单元与旋翼主架的相对移动，同样，也不会影响主体伸缩杆33对主安装架和旋翼主架位置的调整。

具体地，所述吊装单元包括吊装架10及安装在吊装架10上的吊环9，吊环9与吊缆连接，通过吊缆与吊环9的配合，实现对整个清洁机器人整体的悬吊作业。

优选地，所述中控核心层2还包括三自由度数据采集单元31，三自由度数据采集单元31与所述控制单元连接；三自由度数据采集单元31位于所述中控核心层2的前端部分，三自由度数据采集单元31包括摄像头45、超声波测距单元46及三自由度驱动组件，所述摄像头45、超声波测距单元46依次设置在三自由度驱动组件上；具体地，三自由度驱动组件包括舵机固定架47、第一自由度舵机、第二自由度舵机、第三自由度舵机、第一舵机驱动板48、第二舵机驱动板49、第三舵机驱动板50；第一自由度舵机固定在舵机固定架47上，第一舵机驱动板由第一自由度舵机驱动而旋转式运动；第二自由度舵机固定在第一舵机驱动板48上，第二舵机驱动板49由第二自由度舵机驱动而折叠式运动；第三自由度舵机固定在第二舵机驱动板上，第三舵机驱动板由第三自由度舵机驱动而折叠式运动；摄像头固定在第三舵机驱动板上，超声波测距单元46固定在第二舵机驱动板上；从而通过摄像头和超声测距单元可在三维空间运动，不仅能够有效地识别工作面，且可收集工作面和非工作面曲率的空间分布的相关信息，极大地提高了高层幕墙机器人的清洁速度节约了时间成本。

具体地，所述中控核心层2还包括通讯系统，通讯系统与控制单元连接。通过通讯系统的设置，可以及时将清洁机器人的工作状态传送至上位机，以便对清洁机器人更准确的控制和操作。

具体地，所述循环水路系统包括水箱28及连接在水箱28上的进水管路、回水管路，所述进水管路、回水管路上设置有水泵，两个所述水箱28对称地安装在主安装架的两侧，且两个所述水箱28相连通，所述水箱28上开设有水箱28进气阀11，在回水过程中，通过打开水箱28进气阀11，使水箱28内处于大气压，避免回水阻力，减小回水泵的负荷。通过循环水路系统实现对清洗单元进水的供应和对污水的及时回收。

优选地，所述旋翼助推层3还包括旋翼推力系统26及LED状态显示系统27，旋翼推力系统26、LED状态显示系统27均与控制单元电连接，四个旋翼中心对称地设置在所述旋翼主架上。旋翼推力系统26工作时，在旋翼和工作面之间可产生负压，可以提供持续的推力支持，可有效的保证工作状态下的推力提供，也能保证在越障的情况下机器人系统依然有稳定的推力，平稳运行；通过LED状态显示系统27可以实时显示机器人的工作状态，当出现故障时，LED状态显示系统27会发出故障指示提示，以方便控制单元控制相关部件停止工作，避免相关部件的损坏。

具体地，如图5和图6所示，滚刷清洗单元4包括密封清洗罩36、喷洒单元22、双滚刷单元、负压单元；喷洒单元22包括设置在密封清洗罩36内的喷水管路和开设在喷水管路上的喷头，喷水管路与循环水路系统连通；双滚刷单元包括设置在密封清洗罩36内的双滚刷24和驱动滚刷24的滚刷驱动件34，滚刷驱动件34与控制单元连接，滚刷24驱动件具体为驱动电机，驱动电机通过传动带21传动与滚刷24连接；负压单元设置在密封清洗罩36的背面，且与密封清洗罩36内的空间连通，负压单元的驱动部分与控制单元连接，具体地负压单元包括负压风管和设置在负压风管上的负压风扇8，负压风扇8与控制单元连接。通过负压风管的吸力，密封清洗罩36处于负压状态，密封清洗罩36内的滚刷24可更好的贴紧清洁面面，进一步提高了滚刷24清洁玻璃面的效果。

具体地，密封清洗罩36具有前翻盖29和后翻盖35，前翻盖驱动件30和后翻盖驱动件设置在密封清洗罩36的背面；前翻盖29和后翻盖35分别铰接在密封清洗罩36的前部和后部，且分别由前翻盖驱动件和后翻盖驱动件驱动。前翻盖29前侧面设置有前端超声波测距模块32，以在越障时检测前方障碍。

上述滚刷24的形式、前翻盖29和后翻盖35的设置主要是考虑负压清洗装置越障的需要，在玻璃表面没有越障时，前滚刷24和后滚刷24贴附玻璃面正常清洗，且前翻盖29和后翻盖35处于关闭状态，与密封清洗罩36一起形成空腔体，在负压单元的作用下，整体的负压清洗装置与玻璃面有一定吸力，滚刷24进行清洁作业；当遇到玻璃边框(障碍)时，前翻盖29打开，负压清洗装置前行，其内侧的前滚刷24与玻璃边框的一侧面贴合，在越障的过程中，前滚刷24将有玻璃边框的一侧面处(障碍一侧的死角位置)的脏点清除，之后，负压清洗装置收回，继续越障前行(在障碍顶面前行)，走完障碍后，即前方玻璃是在障碍表面的内侧，此时，后翻盖35打开，负压清洗装置前行，后滚刷24与玻璃边框另一侧面贴合，将该处(障碍另一侧的死角位置)的脏点清除，这样，在越障的过程中，将障碍两侧的死角位置进行了清洗。

具体地，吸力雨刮单元5包括雨刮条16和设置在雨刮条16处的负压回收部分，负压回收部分与循环水路系统的回水管路连通，通过负压吸力的方式将雨刮条16处收集的水进行回收，提高清洁效果；具体地，负压回收部分包括雨刮固定板14及雨刮吸力管15，雨刮条16设置在雨刮固定板14上，雨刮固定板14上开有吸水口，吸水口通过雨刮吸力管15与水箱28连接，具体地雨刮固定板14安转在雨刮转向舵机20上，以方便雨刮转向。

所述负压吸力清洁单元6包括主框架、安装在主框架底部周边的负压密封抹布带19及负压吸力部分，负压吸力部分的吸水口位于抹布附近，主框架的下方还设置有行程轮17，主框架的下方履带装置18，保证负压吸力清洁单元6运行的平稳；通过负压吸力的方式将抹布处清洁时洒的水进行回收，同时也有利于抹布带更好地贴靠清洁面；主框架下还设置触碰式光电传感器25，以检测抹布带与工作清洁面的贴靠情况。

另外，通过上述描述可知，在清洁流程的正向工作压力提供方面，本套设计采用负压与旋翼推力相结合的新型结构；滚刷清洗单元4的负压风扇8、负压吸力清洁单元6的负压吸力部分可以在机器人工作的状态下为机器人提供高效，稳定的正向工作压力，保证清洁机构能够更好的接触到待清洁表面，但缺点是当清洁表面不是理想平面而是带有窗台或是其他障碍的复杂平面时，负压机构会间断性失效，影响系统稳定性；而上述提到的旋翼推力系统26可以提供持续的推力支持，虽然提供的推力和整体的转化效率偏低，但是可在特殊工况下保证机器人整体的稳定运行；采用负压和旋翼配合使用的手段能有效的保证工作状态下的推力提供，也能保证在越障的情况下机器人系统依然有稳定的推力平稳运行。

进一步地，前翻盖驱动件、后翻盖驱动件、前滚刷驱动件、后滚刷驱动件均与控制单元电连接。通过控制单元控制前后翻盖35及前后滚刷24，实现协同动作；所述控制单元具体包括控制电路，密封清洗罩36的背面设置有控制电路仓，用于容纳控制电路；另外还设置有电路走线仓，方便走线。

优选地，还包括与控制单元连接的前接触探针传感器37和后接触探针传感器38，密封清洗罩36具有左侧盖和右侧盖，前接触探针传感器37安装在左侧盖或右侧盖的前端，以探测前滚刷24与障碍面前侧的贴附状态；后接触探针传感器38安装在左侧盖或右侧盖的后端，以探测后滚刷24与障碍面后侧的贴附状态；还包括与控制单元连接的下压触点传感器39，下压触点传感器39安装在左侧盖或右侧盖的下端，以探测前滚刷24及后滚刷24与清洁面的贴附状态。通过前接触探针传感器37、后接触探针传感器38及下压触点传感器39的反馈的信息，控制单元进而可控制滚刷24及掀盖的工作，提高了整个负压清洗装置运行的智能化和准确度。

整套系统在传感器的选择和布置方面做了上述独特设计，即为控制流程添加了稳定可靠的闭环反馈环节提高了智能化程度，也为机器人的安全工作提供了可靠保证。

进一步地，如图7所示，还包括辅助轮23和收伸驱动件，辅助轮23设置在密封清洗罩36内，收伸驱动件与辅助轮23连接，以使辅助轮23收回或伸出。具体地，收伸驱动件包括收伸驱动电机40、转角件41、丝杆42及丝母43，收伸驱动电机40的驱动端与丝杆42的一端连接，丝母43与丝杆42螺纹配合；转角件41铰接在密封清洗罩6上，转角件41的上端开设有滑槽，丝母43上固定有凸块，以与滑槽滑动配合和驱动转角件转动。转角件具体通过起落杆44与辅助轮23连接；在正常清洗作业时，在收伸驱动件的作用下，辅助轮23收起，当切换至越障模式时，辅助轮23伸出；这样可以根据建筑物表面材质的不同切换不同的通过方式，除了正常的清洁通过外，机构内的辅助轮23可以在建筑物表面是颗粒物形式或是不可擦洗的白灰墙面时，提供稳定的运行支撑。

综上所述，本发明的多层分布式建筑物外表面清洁机器人具有以下优点：

1、采用多层分布式结构，有效的分离了清洁功能单元和核心电路部分；分离的单元式清洗单元一方面可以在对整个机器人系统影响更小的情况下完成清洁流程，同时另一方面又能保证中间的中控核心层2远离复杂的带液工作表面，保证中控核心层2的安全稳定运行。

2、分层的结构可以减小机器人在高空中的风阻面积，气流可以更加平稳的通过流线型的机器人侧面，提高整个机器人系统在有横向风情况下的工作稳定性。

3、在墙面的适应性方面，配合整体的吊装设计，分层的结构更有利于清洗单元、中控核心层2及旋翼助推层3的分别控制和工作下的姿态调整；机器人可以根据墙面与玻璃面的具体距离尺寸情况，伸出清洗单元的并对挂点相对于整机的位置进行调整，来达到调节平衡的目的。

4、细化了清洗单元的划分，通过三个清洗单元依次清洗的标准化清洁流程，在提高了清洁效果的同时也解决了边缘位置的清洁难题。

5、通过传感器的选择和布置，为控制流程添加了稳定可靠的闭环反馈环节，提高了智能化程度，也为机器人的安全工作提供了可靠保证。

6、在清洁流程的正向工作压力提供方面，本套设计采用负压与旋翼推力相结合的新型结构，一方面有效保证工作状态下推力的提供，另一方面也保证在越障的情况下整个机器人系统依然有稳定的推力，平稳运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。