一种模块化楼梯清扫机及其操作方法与流程

本发明属于楼梯清扫系统设计技术领域，特别是一种模块化的楼梯清扫机及其操作方法。

背景技术：

目前家用清扫机的发展已经逐步趋近于成熟，但是高层公寓的楼梯间清扫仍是一大难题。相较于家用清扫机的工作环境，楼梯清扫机所需要解决的首要难题是机器的上下楼问题，据资料显示，市场上现存的楼梯清扫机仅有手持式一种，不仅不能解决节省人力这一问题，且价格较昂贵，罕具市场。

据调查，国内现存的自动楼梯清扫机的设计多为几下3种：轮式：轮式爬楼清扫机是目前国内最常见的设计方案，该行走方式的缺陷在于：由于叶轮转动所移动的距离是固定的，而楼梯间台阶的距离却具有一定的差异，因此机器在行走过程中易产生累积误差，且清扫装置和爬楼装置分离，使得机器本身体积较大。另外，叶轮在平地上的行走会产生颠簸，难以实现楼梯间的连续清扫。机械臂式：除了轮式以外，机械臂式的爬楼机构也较为常见。通过齿轮、滑轨等机械结构的应用，实现机身的空间移动。该结构的突出缺陷在于重心不稳，行走过程中机械臂的动作会和楼梯产生干涉，且具备一定的冲击力，易造成人员伤害。齿轮伸缩式：部分清扫机采用伸缩式的行走结构，利用齿轮齿条的传动实现爬楼。但该结构较为复杂，且机身与台阶接触面积有限，清扫过程中易产生滑落。显然，以上几种设计都具备难以克服的难题，无法真正投入市场，基于此背景，设计了“贪吃蛇楼梯清扫机”。

我国现阶段的高层楼梯间清扫主要特点在于“工作量小但过程繁杂”，这一特点使得自动清扫机的市场需求变得显著，主要包括：楼梯间的垃圾多为烟头、果壳、纸屑等附着度低，质量低、体积小的垃圾，清扫简单，易于机器的完成。人工清扫高层建筑楼梯所需上下楼梯的时间过长，且上下楼过程费力，以机器代替可节省人力。此外，机器可在夜间进行作业，不影响白天行人正常使用楼梯。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种模块化楼梯清扫机，以解决目前的误差累积，损耗过大和行走不平稳等问题。

本发明采用以下技术方案：

一种模块化楼梯清扫机，包括为清扫机提供动力的驱动控制箱和位于所述驱动控制箱前后两侧的清扫箱，所述驱动控制箱上设置有用于检测所述清扫机位置状态的检测模块，所述清扫箱与所述驱动控制箱之间通过缓冲装置连接，所述清扫箱能够沿所述缓冲模块上下移动实现下楼功能，所述清扫箱底部左右两侧分别设置有用于清扫的吸尘器，所述吸尘器之间设置有轮子，由所述驱动控制箱控制所述轮子带动所述清扫机移动完成楼梯清扫。

进一步的，所述检测模块为滚轮式行程开关，分别设置在所述驱动控制箱的四周，用于将所述清扫机左右的位置状态以及前后两个所述清扫箱的位置状态反馈给所述驱动控制箱。

进一步的，每个所述清扫箱与所述驱动控制箱之间还设置有圆柱状突起，用于前后两侧的两个所述行程开关的触碰装置。

进一步的，所述驱动控制箱由铝质材料制成，内部设置有泡沫支座，所述泡沫支座上分别设置有PLC控制器和电源模块，所述PLC控制器用于分别控制前后两个所述清扫机的工作，所述PLC控制器与设置在所述驱动控制箱上的总开关连接，由所述总开关控制所述清扫机，所述所述驱动控制箱的下部设置有两个牛眼型的万向轮。

进一步的，所述电源模块为锂电池，所述锂电池包括两个，分别与所述PLC控制器和清扫箱电连接，用于提供电能。

进一步的，所述缓冲模块包括竖直设置在所述驱动控制箱一侧的两个阻尼滑轨，所述清扫箱通过所述阻尼滑轨与所述驱动控制箱滑动连接。

进一步的，所述清扫箱箱体由铝质材料制成，内部通过隔板分成下部清扫区和上部垃圾储存区，所述吸尘器设置在所述下部清扫区内，分别通过吸尘导管与所述上部垃圾储存区连接。

进一步的，所述下部清扫区内设置有舵机，所述舵机通过皮带轮与换向机构连接，所述轮子设置在所述换向机构下部，通过所述舵机驱动换向机构旋转进而带动所述轮子进行换向。

进一步的，所述轮子包括两个，平行交错设置在所述清扫箱下部，每个所述轮子上设置有电机，用于驱动所述轮子，所述电机与所述驱动控制箱电连接，由所述驱动控制箱控制。

本发明还公开了一种模块化楼梯清扫机的操作方法，包括以下步骤：

S1：打开总开关启动清扫机，PLC控制器分别控制四个电机互为相反方向转动，使清扫机向前运动打开吸尘器开始清扫；

S2：前端清扫箱悬空后开始缓慢下落，同时，圆柱状突起在下滑过程中经过驱动控制箱前侧的行程开关，实现一次触碰，PLC控制器分别控制两个舵机通过换向装置带动轮子逆时针旋转90°，3秒后舵机停止工作，四个电机启动带动清扫机向左移动进行清扫，当清扫机左侧的行程开关碰触到墙体后，PLC控制器控制四个电机反转带动清扫机向右运动开始清扫，直至清扫机右侧的行程开关碰触到墙体后停止；

S3：当步骤S2中所述清扫机停止后，PLC控制器控制分别控制两个舵机通过换向装置带动轮子顺时针旋转90°，3秒后舵机停止工作，四个电机启动带动清扫机继续向前移动使后端清扫箱悬空后缓慢下落后重复步骤S2继续进行清扫；

S4：以上步骤中，当所述驱动控制箱和处于高位的清扫箱体发生位移使行程开关被触碰时，清扫机不进行清扫。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种模块化楼梯清扫机将两个完全相同的清扫箱和一个驱动控制箱组合在一起，消除了清扫机下楼过程中出现的重心不稳的情况，楼梯清扫机需要下台阶时，只需要依靠以自身的重力，借助缓冲模块便可实现下楼，当前面的清扫箱和驱动控制箱位于同一个台阶时，清扫机开始清扫，待清扫完成之后，进行下一个台阶的清扫，整个机器最重的部分是驱动控制箱，而驱动控制箱前后是两个完全相同的清扫箱，所以机器在下落到下一个台阶时就不会因为重心不稳而翻倒，可实现平稳工作，驱动控制箱上设置的检测模块可以判断清扫机当前的运动状态，通过驱动控制箱改变运动从而进行下一步动作，清扫机的所有当前行动指令均来自上一动作的反馈，反馈信息准确而迅速，形成了一个闭环控制系统，很好地避免了固定行走模式下产生的误差累积问题。

进一步的，采用滚轮式行程开关控制可避免误差累积，PLC控制器接收4个滚轮式行程开关的状态信息(0或1)，来判断并改变清扫机当前的运动状态，从而进行下一步动作。

进一步的，设置的圆柱状突起保证清扫机在楼梯上的平稳行走，只有当驱动控制箱和处于高位的清扫箱处于同一台阶上(即两箱体位于同一水平线上)时，清扫机才进行清扫。

进一步的，支座采用泡沫材质，具有良好的减震效果，用于支撑PLC控制器和电源模块，牛眼万向轮起行走和支撑的作用，同时可减小驱动控制箱自身与地面之间的摩擦。

进一步的，电源模块采用两个锂电池，一个负责给PLC控制器供电，另一个负责给舵机和电机供电，可避免振荡给箱体带来的机械损坏。

进一步的，自上而下的行走设计可降低损耗，在两个清扫箱模块之间安装阻尼滑轨作为缓冲模块，相较于传统的自上而下的爬楼方式损耗较小，有良好的经济性，同时很大程度上降低了机器下楼过程中的振动。

进一步的，箱体采用铝制材料，质量轻、不易腐蚀、外观较铁制材料更具观赏性。

进一步的，轮子通过舵机进行转向驱动，通过电机进行前进驱动，两个轮子之间通过皮带轮连接，结构紧凑，易于安装，控制简单，大扭力，成本低，角度可以保持在驱动当中，稳定性好。

本发明还提供一种操作方法，通过PLC控制器采用置位、复位和延时程序，以保证程序控制的精准顺序，同时舵机和电机的分时工作，能够实现清扫机动作的准确性。而创新性的模块化连接，可以满足爬楼机在行进过程中机身灵巧且平稳的前行。简易的行程开关自行触碰装置在实现机器“准自动化”的同时，还大大节约了制造成本。

综上所述，本发明清扫机采用模块化设计，运行平稳，有效地保护了机器本身，延长了机器的使用寿命。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

【附图说明】

图1为清扫机的侧面剖视图；

图2为第一清扫箱正面剖视图；

图3为清扫机的整体俯视图；

图4为驱动控制箱背面剖视图；

图5为局部机械结构细节图；

图6为各视图的位置分布图；

图7为清扫机整体结构示意图；

图8为第一清扫箱内部结构示意图；

图9为驱动控制箱内部结构示意图。

其中：1.清扫箱；1-1.吸尘器；1-2.轮子；1-3.电机；1-4.换向机构；1-5.皮带轮；1-6.舵机；1-7.吸尘导管；2.驱动控制箱；2-1.总开关；2-2.行程开关；2-3.阻尼滑轨；2-4.凸起；2-5.PLC控制器；2-6.电源；2-7.支座；2-8.万向轮。

【具体实施方式】

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图和实施例对本发明进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在以下的描述中，需要理解的是，术语“两端”、“中心”、“前端”、“背面”、“两侧”、“前后”、“垂直”、“内”、“外”、“左”、“右”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保护范围的限制。

参见图1～图9，本发明提供了一种楼梯清扫机，包括为清扫机提供动力的驱动控制箱2和位于所述驱动控制箱2前后两侧的清扫箱1，所述驱动控制箱2上设置有用于检测所述清扫机位置状态的检测模块，所述清扫箱1与所述驱动控制箱2之间通过缓冲装置连接，所述清扫箱1能够沿所述缓冲模块上下移动实现下楼功能，所述清扫箱1底部左右两侧分别设置有用于清扫的吸尘器1-1，所述吸尘器1-1之间设置有轮子1-2，由所述驱动控制箱2控制所述轮子1-2带动所述清扫机移动完成楼梯清扫。

请参阅图1和图3所示，清扫机由三个箱体模块化组成，其中两端箱体为清扫箱1，中心箱体为驱动控制箱2，清扫机可根据需要选择多种适合的形状结构，优选为矩形，高度小于长度和宽度，可以更好地契合楼梯间的拐角及楼梯面。

首先对两个清扫箱1进行说明，请参阅图7和图8所示，因两清扫箱体功能及结构完全一致，故只选一个清扫箱1做详细介绍：所述清扫箱1箱体由铝质材料制成，内部通过隔板分成下部清扫区和上部垃圾储存区，所述吸尘器1设置在所述下部清扫区内，分别通过吸尘导管1-7与所述上部垃圾储存区连接。所述下部清扫区内设置有舵机1-6，所述舵机1-6通过皮带轮1-5与换向机构1-4连接，所述轮子1-2设置在所述换向机构1-4下部，通过所述舵机驱动换向机构旋转进而带动所述轮子1-2进行换向。所述轮子1-2包括两个，平行交错设置在所述清扫箱1下部，每个所述轮子1-2上设置有电机1-3，用于驱动所述轮子1-2，所述电机1-3与所述驱动控制箱2电连接，由所述驱动控制箱2控制。

其中，清扫箱1内部设置舵机1-6，皮带轮1-5将舵机1-6与换向机构1-4相连，通过舵机1-6的转动，皮带轮1-5带动换向机构1-4旋转，从而实现轮子1-2的换向，轮子与电机共同构成驱动轮，实现清扫机的前进及换向。

请参阅图3所示，驱动控制箱2上的检测模块为滚轮式行程开关2-2，分别设置在所述驱动控制箱2的四周，用于将所述清扫机左右的位置状态以及前后两个所述清扫箱1的位置状态反馈给所述驱动控制箱2；所述缓冲模块包括竖直设置在所述驱动控制箱2一侧的两个阻尼滑轨2-3，所述清扫箱1通过所述阻尼滑轨2-3与所述驱动控制箱2滑动连接。

行程开关2-2作为箱体的控制开关，每次触碰会执行相应的程序；阻尼滑轨2-3在清扫箱1垂直下落的过程中起到缓冲作用，可避免振荡给箱体带来的机械损坏。

驱动控制箱2前后两端面的阻尼滑轨2-3分别与两个清扫箱1上的阻尼滑轨2-3共同构成缓冲模块。此外，请参见图5所示，每个所述清扫箱1与所述驱动控制箱2之间还设置有圆柱状突起2-4，用于前后两侧的两个所述行程开关2-2的触碰装置，使行程开关2-2通过突起时被压缩而完成一次状态改变。

驱动控制箱2如图4所示，其为清扫机的动力及控制箱，所述驱动控制箱2内部设置有泡沫支座2-7，所述泡沫支座2-7上分别设置有PLC控制器2-5和电源模块，所述PLC控制器2-5用于分别控制前后两个所述清扫机1的工作，所述PLC控制器2-5与设置在所述驱动控制箱2上的总开关2-1连接，由所述总开关2-1控制所述清扫机，所述所述驱动控制箱2的下部设置有牛眼型的万向轮2-8。所述电源模块为锂电池，所述锂电池包括两个，分别与所述PLC控制器2-5和清扫箱1电连接，用于提供电能。

具体请参阅图9所示，箱体内置PLC控制器2-5，由一个锂电池供电，另一个锂电池为两个舵机1-6和四个电机1-3的动力源。PLC控制器2-5、电源模块共同放置在泡沫支座2-7上，支座2-7起缓冲作用，其下方为两个位于箱体底部中心线上的牛眼万向轮2-8，在起支撑作用的同时减小了清扫机与地面的摩擦，提高灵活性。同时，箱体两侧端盖分别内嵌行程开关2-2，通过编辑不同控制程序，实现箱体的左右折返运动。箱体顶端有总开关2-1，用以控制清扫机的开始及结束，PLC控制器2-5选用s7-200 224.CN。

请参阅图1和图6所示，清扫机的整体结构，共分为三个部分，各部分之间通过阻尼滑轨连接，单个箱体统一采用铆合为主，螺钉螺母为辅的连接方式。箱体采用铝制材料，其优点是质量轻、不易腐蚀、外观较铁制材料更具观赏性。

本发明还提供一种模块化楼梯清扫机操作方法，包括以下步骤：

S1：打开总开关2-1启动清扫机，PLC控制器分别控制四个电机互为相反方向转动，使清扫机向前运动打开吸尘器开始清扫；

S2：前端清扫箱1悬空后开始缓慢下落，同时，圆柱状突起2-4在下滑过程中经过驱动控制箱2前侧的行程开关2-2，实现一次触碰，PLC控制器分别控制两个舵机1-6通过换向装置带动轮子逆时针旋转90°，3秒后舵机1-6停止工作，电机1-3启动带动清扫机向左移动进行清扫，当清扫机左侧的行程开关2-2碰触到墙体后，PLC控制器控制四个电机1-3反转带动清扫机向右运动开始清扫，直至清扫机右侧的行程开关2-2碰触到墙体后停止；

S3：当步骤S2中所述清扫机停止后，PLC控制器控制分别控制两个舵机1-6通过换向装置带动轮子顺时针旋转90°，3秒后舵机1-6停止工作，电机1-3启动带动清扫机继续向前移动使后端清扫箱1悬空后缓慢下落后重复步骤S2继续进行清扫；

S4：以上步骤中，当所述驱动控制箱2和处于高位的清扫箱体发生位移使行程开关被触碰时，清扫机不进行清扫。

以下为清扫机工作过程的详细解释，同时附上PLC控制程序。

ORGANIZATION_BLOCK主程序:OB1

TITLE＝程序注释

按下总开关2-1，四个电机1-3在电源模块的驱动下开始互为相反方向转动，清扫机前行直到前端清扫箱1悬空下落，由于阻尼滑轨2-3的保护作用，清扫箱1体可以缓慢下落。同时，安装在清扫箱后端的楔形\圆柱形突起2-4在下滑过程中经过驱动控制箱2的行程开关2-2，实现一次触碰，受PLC控制器2-5中程序控制，四个电机1-3和两个舵机1-6启动，并通过换向装置驱动四个轮子1-2逆时针旋转90°，3秒后舵机1-6停止工作，四个电机1-3启动。此时，四个轮子1-2处于与初始方向正交的状态，即清扫机完成了从前后移动到左右移动的转换，开始进行楼梯阶面的清扫。换向后，四个电机1-3转向不变，假设此时清扫机朝左行驶，直到驱动控制箱2左端的行程开关2-2触碰到墙体，四个电机1-3受程序控制开始反转，清扫机反向运动，即向右前进。同理，当驱动控制箱2右端的行程开关2-2触碰到墙体时，四个电机1-3延时3秒同时反转，两个舵机1-6受程序控制顺时针旋转90°，即四个轮子1-2恢复到初始状态下的位置。3秒后清扫机在四个电机1-3的驱动下继续前行，直到清扫箱1再次悬空下落，机器重复上述动作。

此外，当中心箱体和处于高位的清扫箱体发生位移而使行程开关被触碰时，清扫机不会进行清扫。这一设计是为了保证清扫机在楼梯上的平稳行走，只有当中心箱体和处于高位的清扫箱处于同一台阶上(即两箱体位于同一水平线上)时，清扫机才进行清扫。这些指令均由PLC通过行程开关的状态进行控制。

本方法采用了置位、复位和延时程序，以保证程序控制的精准顺序，同时舵机和电机的分时工作，也能够实现清扫机动作的准确性。总开关2-1触碰后，清扫机终止所有程序。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。