CN101301186B - 四段式清扫机器人 - Google Patents

Abstract

本发明为一种四段式清扫机器人，包括位于圆形底盘上的电源系统，运动系统，传感器系统、控制系统和清扫系统，所述清扫系统包括位于所述底盘前、后位的前主刷装置、后主刷装置、位于所述底盘左、右位的左边刷装置、右边刷装置和位于所述底盘后侧的真空吸尘装置；前、后主刷装置由独立电机驱动，有各自的集尘腔，一个边刷和一个主刷共用一个电机，构成一套独立的清扫系统。两套清扫系统可以协同工作，也可以单独工作。四段清扫过程为：边刷将灰尘扫入机器人底部；前主刷将灰尘扫入集尘腔；后主刷将灰尘扫入集尘腔；真空吸装置将残余灰尘吸入过滤腔。本发明提出的四段式清扫机构，解决了由于现有产品设计而产生的清扫不干净、主刷容易堵塞的问题。

Description

四段式清扫机器人

技术领域

本发明涉及一种室内清扫机器人，特别是一种四段式清扫机器人。 

背景技术

清扫机器人又称吸尘机器人，融合了移动机器人和吸尘器技术，是目前家用电器领域最具挑战性的热门研发课题。从2000年后清扫机器人商用化产品接连上市，成为服务机器人领域中的一种新型高技术产品，具有可观的市场前景。 

日本日立自上世纪八十年代后期便开始研发吸尘机器人。日本松下、韩国三星、LG、韩诺机器人(Hanool Robotics)、瑞典伊莱克斯、荷兰飞利浦、德国凯驰(Karcher)、英国戴松(Dyson)、澳大利亚地板机器人(Floorbotics)、美国优乐卡(Eureka)及艾罗伯特(iRobot)、进化机器人(Evolution Robotic)等公司均在或曾积极开发并提供了一些样品或小批量产品。 

国内哈尔滨理工大学、浙江大学、海尔集团等一些研究机构和企业也做了一些研究工作，并有相关产品推向市场，但大多是模仿国外的产品，没有技术上的实质性突破，缺少自己的知识产权。实用新型专利99234964.8“全自动清扫机器人”提出了使用超声波探头探测前方障碍物的方法，并可以红外遥控方式控制机器人，机器人可自动定时启动或红外遥控完成其清扫工作。 

目前清扫机器人的功能主要包括自主清扫、障碍物规避、自我保护、简单的路径规划和遍历、红外遥控功能，有些还有自主充电和自主倾倒垃圾等功能。现有的很多清扫机器人产品大都采用单一主刷和一个真空吸装置的方式，其缺点是吸和扫一体，主刷成为真空吸的障碍，吸尘口过大，吸力不足，扫不干净。美国iRobot公司的Roomba是目前占市场份额最大的产品，专利US 6,883 201 B2“自主地板清扫机器人”公布了其采用的三段式清扫技术，改进了单一主刷的扫吸一体的缺点，其缺点是副刷一侧容易积累灰尘，过多的灰尘会会再掉在地板上，也可能附着过多堵塞副刷。因主刷和副刷共用一个电机控制，如果一个刷子被堵清扫工作就会被中断。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述现有技术存在的缺陷，提供一种提高清扫质量和可靠性的四段式清扫机器人。 

本发明的技术方案是： 

一种四段式清扫机器人，包括位于圆形底盘上的电源系统，运动系统，传感器系统、控制系统和清扫系统，所述清扫系统包括位于所述底盘前、后位的前主刷装置、后主刷装置、位于所述底盘左、右位的左边刷装置、右边刷装置和位于所述底盘后侧的真空吸尘装置。 

所述前主刷装置、后主刷装置中分别设有独立的主刷、电机和集尘腔，所述主刷与所述电机相连；所述前主刷装置中集尘腔位于其主刷前方，所述后主刷装置的集尘腔位于其主刷后方；所述左边刷装置、右边刷装置中分别设有边刷，所述边刷与所述前主刷装置、后主刷装置中的电机一对一相连；所述真空吸尘装置中设有真空吸电机。 

所述前主刷装置、后主刷装置中的主刷为对称或不对称设置，且旋转方向相同或者相反。 

所述运动系统由万向轮组件和左驱动轮装置、右驱动轮装置构成；所述万向轮组件位于所述机器人的前后轴线上，其中万向轮通过轮轴设于安装架上，轮座套接在所述轮轴上；所述左驱动轮装置、右驱动轮装置与所述控制系统相连，其中驱动电机设有编码器，采用闭环控制，为差动式运动。 

所述左边刷装置中的边刷与所述前主刷装置中的电机相连，所述右边刷装置中的边刷与所述后主刷装置中的电机相连。 

所述控制系统由处理器及其外围电路构成，包括控制所述运动系统的运动控制模块、控制所述清扫系统的清扫模块、以及传感器信号采集与处理模块。 

所述运动控制模块采用PWM信号驱动所述运动系统中的驱动电机，并将反馈信号传送到所述处理器，所述处理器采用PID控制算法做闭环运动控制。 

所述清扫模块采用PWM信号同时或分别控制所述清扫系统中的前主刷装置和后主刷装置。 

四段式清扫机器人中前主刷装置、后主刷装置的两个主刷旋转方向相同或相反，并有单独的集尘腔。两组独立的主刷可以对称，也可以是不对称。四段清扫过程为：1、边刷将机器人边缘的碎屑灰尘等扫入机器人底部。2、前主刷将碎屑灰尘扫入集尘腔。3、后主刷将碎屑灰尘扫入集尘腔。4、真空吸尘装置将余下的细小碎屑和灰尘吸入过滤腔。 

本发明的有益效果： 

本发明采用了两个边刷，能将机器人左右两侧边缘的碎屑等扫入机器人主刷的路径中，使墙角、边缘处扫得更加干净；两组独立的主刷清扫机构，前后主刷相互补充，能够将碎屑、灰尘等杂物最大限度地扫入集尘腔；本发明的一个边刷和一个独立主刷共用一个电机，构成一套独立的清扫系统。两套清扫系统可以协同工作，也可以单独工作；两套系统可以同相旋转，也可以反相旋转，独立工作，相互补充，提高了清扫质量和可靠性；真空吸尘装置单独采用一个电机控制，真空吸尘装置放在两个主刷装置后面，能将残余的碎屑灰尘等吸入过滤器，增强了清扫的效果。 

附图说明

图1为本发明机器人系统结构框图。 

图2为本发明外观图。 

图3为本发明左视图。 

图4为本发明左视剖面图。 

图5为本发明仰视图。 

图6为本发明仰视剖面图。 

图7为本发明俯视透视图。 

图8为本发明控制系统框图。 

具体实施方式

参照图1，一种四段式清扫机器人，主要由壳体10，控制系统20，电源系统30，运动系统40，传感器系统50和四段式清扫系统60组成。控制系统20，电源系统30，运动系统40，传感器系统50和四段式清扫系统60与壳体10相连接构成机器人系统。 

因为要提到机器人的前后，下面提到的附图中标有F和A的线指机器人的对称轴线，F指前方。 

参照图2、3和4，壳体10主要由上盖11、底盘12、碰撞环13、转折隔板14、装饰板16组成。控制系统20，电源系统30，运动系统40，传感器系统50和四段式清扫系统60都装在底盘12上。底盘12呈盘形，上盖11呈盖状，上盖11覆盖在底盘12上，与之相配合紧密连接，将控制系统20，电源系统30，运动系统40，传感器系统50和四段式清扫系统60封在机器人腔体里，以保护这些装置。上盖11和底盘12用螺丝或者卡口连接。转折隔板14位于上盖11和底盘12形成的腔体中间，覆盖在电源系统30，运动系统40，传感器系统50和四段式清扫系统60之上。控制系统20的控制电路板21固定在转折隔板14之上。转折隔板14将控制系统20与电源系统30，运动系统40，传感器系统50和四段式清扫系统60分开，便于保护控制系统的电路，以及维护的方便。 

参照图2，装饰板16是一个圆环形的塑料板，在装饰板的环孔中安装电源和清扫开关17，开关17的控制信号线接到控制系统20的控制电路板21上。 

参照图2，集尘箱65与底盘12和上盖11由机械卡口连接。集尘箱与上盖11之间的拆 卸按钮15为上盖11上的一部分。按下拆卸按钮15可将集尘箱65从机器人壳体10上拆下来，以便倾倒垃圾或维修。 

参照图2，传感器盒51与上盖11相连。传感器盒51内装虚拟墙和充电引导传感器，其控制线接到控制系统20的控制电路板21上。 

参照图2、3和4，弧形的碰撞环13由左右各一个碰撞臂连接在上盖11的前部，向外突出，碰撞环13相对上盖11是可活动的。碰撞臂是传感器系统50中碰撞传感器的一个组件，一端接在上盖11上，一端接在碰撞环13上。当碰撞环13被挤压后退时，碰撞臂被推动移位，碰撞传感器向控制系统20发出I/O信号，机器人检测到了障碍物，调用相应的避障程序，使机器人后退或者转弯，安全地离开障碍物，继续作业。左右各一个弹片连接在上盖11上，与碰撞环13接触。当机器人碰到障碍物时，碰撞环13被挤压向上盖方向后退，到极限位置停止；机器人与障碍物分离后，碰撞环12被弹片推回原位置。 

参照图4、5和6，可充电电池31是电源系统30的主要部件。电池31固定在机器人腔体内的转折隔板14上，电池盖32与底盘12通过卡口或者螺丝连接。 

参照图4、5和6，万向轮组件41、左右驱动轮装置42和43组成运动系统40。万向轮组件41由一个万向轮411、轮座412、轮轴413、轴套414、安装架415组成。万向轮411通过轮轴413安装在安装架415上，轮座412套在轮轴413上，万向轮411可绕安装架415旋转。万向轮座412安装在轴套414处，轴座412可绕其轴线旋转。安装架415用螺丝固定在底盘12上。万向轮组件41的固定位置在机器人的前后轴线FA上，靠近机器人的前部。万向轮在机器人转弯、爬坡时起到支撑作用。 

左右驱动装置42和43左右对称，分别由两个直流电机驱动。参照图6，左驱动轮装置42由左驱动轮421、左驱动电机422、左齿轮减速箱423组成。右驱动轮装置43由右驱动轮431、右驱动电机432、右齿轮减速箱433组成。左驱动电机422上装有编码器，可以做运动闭环控制。右驱动轮装置43与左驱动轮装置42类似。机器人运动采用差动式控制：速度相同，方向相同时，机器人走直线；速度相同，方向相反时，机器人原地旋转；速度不同，方向相同或相反时，机器人按一定半径转弯。控制系统20通过闭环控制算法对机器人的运动做闭环控制。 

参照图4、5和6，后主刷装置64由后主刷641、后电机642、后齿轮传动机构643、刮板644、后集尘腔645构成。前主刷装置63由前主刷631、前电机632、前齿轮传动机构633、刮板644、前集尘腔635构成。后电机642固定在底盘12上，通过后齿轮传动机构643带动 后主刷641旋转。刮板644起刮下主刷上附着的毛发、碎屑的作用。右边刷装置62包括右边刷621、右边刷轮622。左边刷装置61包括左边刷611、左边刷轮612。右边刷621与后主刷装置64共用一个后电机642，通过同步带623传动到右边刷轮622，右边刷621固定在右边刷轮622上。前主刷装置63与后主刷装置64类似，左边刷装置61与右边刷装置62类似，左边刷611与前主刷装置63共用一个前电机632。前、后主刷631和641分别把碎屑灰尘扫入各自的前、后集尘腔635和645内。 

参照图4和7，集尘箱装置65由真空吸电机651、风扇652、吸尘口653、过滤网654、底盖655、盖板656、电机固定板657组成。真空吸电机651固定在电机固定板657上。风扇652连在真空吸电机651的输出轴上。过滤网654覆盖在风扇652表面。电机651、风扇652、过滤网654、底盖655封闭在一个圆柱腔体里，与后集尘腔645隔离，形成真空腔，留一个小口穿过机器人底盘12，形成吸尘口653。真空吸电机运转时腔体内形成真空，碎屑灰尘从吸尘口653吸入，过滤网654挡住灰尘碎屑，使之不能进入真空腔，从而不会堵塞电机风扇。集尘腔65可以整体从壳体10上拆卸，以便倾倒垃圾和清洗、替换过滤网。 

清扫工作方式：1、左、右边刷装置61和62将机器人边缘的碎屑灰尘扫入机器人底盘12下。2、前主刷631向后旋转，将底盘下的将碎屑灰尘扫入前集尘腔635。3、后主刷641向前旋转，将前主刷631遗漏的碎屑灰尘扫入后集尘腔645。4、真空吸电机651带动风扇652旋转，从吸尘口653吸入残余的碎屑和灰尘。经过这样四段的清扫工作，地板会被清扫得非常干净。 

传感器系统50主要有若干个边缘检测传感器、虚拟墙传感器、充电引导传感器、碰撞传感器等。边缘检测传感器采用红外工作原理，每个传感器具有一个发射器和一个接收器。边缘检测传感器分散地安装在机器人底部的边缘，当机器人遇到台阶，桌面等悬空边缘时，传感器发出信号给控制系统20，控制系统将调用防止跌落程序。虚拟墙传感器装在传感器盒51里面，能检测到用户放置的虚拟墙发射器发出的平行光束，并给控制系统20发出信号，控制系统20能使机器人限定在一个房间内清扫。充电引导传感器也装在传感器盒51里，能检测到充电座，在机器人电力不足时引导机器人找到充电座进行自主充电。碰撞传感器装在碰撞环13和上盖11之间，当机器人前部碰撞到障碍物时发出信号给控制系统20，由控制系统20调用避障算法使机器人安全离开障碍物。 

控制系统20包括控制电路板21和软件系统。参照图4，电路板21装在上盖11与转折板14之间，固定在转折板14上。参照图8，电路板21由嵌入式系统及其外围电路构成，有 运动控制、清扫、传感器信号采集与处理、开关和指示灯等I/O信号、电源管理等主要功能模块。CPU采用16位或者32位的微处理器，运动控制模块控制左右驱动轮，左轮和右轮电机采用PWM信号驱动，编码器信号反馈到处理器中，采用PID控制算法做闭环运动控制。清扫功能模块共有三个电机：前主刷电机、后主刷电机和真空吸电机，分别由处理器通过PWM信号驱动。传感器信号采集到处理器中，由处理器处理后对机器人进行行为控制，使机器人能实现各种工作模式：自由行走和清扫、固定轨迹行走和清扫、危险避让、跌落防止、虚拟墙检测、自主充电等。用户开关按钮信号由IO端口进入处理器，以响应用户的操作。处理器发出IO信号控制指示灯和扬声器，指示灯用来显示电源、工作模式等，扬声器用来发出各种声音，以提示用户机器人所处的正常或者错误状态。机器人具有一个USB或者RS232串口与外界计算机通讯，可通过通讯口给机器人下载程序。电池给控制系统供电，控制系统对电池充电进行管理。 

Claims (7)

1.一种四段式清扫机器人，包括位于圆形底盘上的电源系统，运动系统，传感器系统、控制系统和清扫系统，其特征在于：所述清扫系统包括位于所述底盘前、后位的前主刷装置、后主刷装置、位于所述底盘左、右位的左边刷装置、右边刷装置和位于所述底盘后侧的真空吸尘装置；所述前主刷装置、后主刷装置中分别设有独立的主刷、电机和集尘腔，所述主刷与所述电机相连；所述前主刷装置中集尘腔位于其主刷前方，所述后主刷装置的集尘腔位于其主刷后方；所述左边刷装置、右边刷装置中分别设有边刷，所述边刷与所述前主刷装置、后主刷装置中的电机一对一相连；所述真空吸尘装置中设有真空吸电机。

2.根据权利要求1所述的四段式清扫机器人，其特征主要在于：所述前主刷装置、后主刷装置中的主刷为对称或不对称外观，独立驱动的前主刷装置、后主刷装置的运动方向独立。

3.根据权利要求1所述的四段式清扫机器人，其特征在于：所述运动系统由万向轮组件和左驱动轮装置、右驱动轮装置构成；所述万向轮组件位于所述机器人的前后轴线上，其中万向轮通过轮轴设于安装架上，轮座套接在所述轮轴上；所述左驱动轮装置、右驱动轮装置与所述控制系统相连，其中驱动电机设有编码器，采用闭环控制，为差动式运动。

4.根据权利要求1所述的四段式清扫机器人，其特征在于：所述左边刷装置中的边刷与所述前主刷装置中的电机相连，所述右边刷装置中的边刷与所述后主刷装置中的电机相连。

5.根据权利要求1所述的四段式清扫机器人，其特征在于：所述控制系统由处理器及其外围电路构成，包括控制所述运动系统的运动控制模块、控制所述清扫系统的清扫模块、以及传感器信号采集与处理模块。

6.根据权利要求5所述的四段式清扫机器人，其特征在于：所述运动控制模块采用PWM信号驱动所述运动系统中的驱动电机，并将反馈信号传送到所述处理器，所述处理器采用PID控制算法做闭环运动控制。

7.根据权利要求6所述的四段式清扫机器人，其特征在于：所述清扫模块采用PWM信号同时或分别控制所述清扫系统中的前主刷装置和后主刷装置。

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