CN101704240B - 一种用于电梯井清洗消毒的机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于电梯井清洗消毒的机器人，它的主要结构是，两侧有机械臂且各机械臂前端有吸盘；车身前、后装有灯光、摄像头系统，车身正上方装的旋转云台，万向臂装在云台上而其前端可安装清洗毛刷或消毒剂喷洒器、负压抽吸器；全部工作过程可由笔记本电脑控制。本机器人具有平移、越障、爬坡、垂直爬行等功能；通过摄像头可观测并由计算机记录下机器行驶过程中的影像；具有清洗效果好、设备性能稳定、操作方便、效率高、结构简单而紧凑、重量轻、采样准确性高、携带方便等特点。

Description

一种用于电梯井清洗消毒的机器人

技术领域

本发明涉及一种适用于电梯井清洗消毒的机器人。

背景技术

随着社会经济的发展，垂直升降电梯越来越普遍地使用在建筑物中。然而，电梯井在每使用一段时间后的污染却不容忽视，其灰尘、细菌、病毒的污染有时甚至相当严重，将直接对人体健康造成不利影响；因此，电梯应当定期清洗消毒。目前国内外还没有用于电梯井清洗消毒的专用机器人。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的缺陷，提出一种用于电梯井清洗消毒的机器人，它具有清扫、吸尘、消毒等多项功能，可用笔记本电脑进行控制，且工作效果好、设备性能稳定、操作方便，效率高、结构简单而紧凑、重量轻、携带方便。

本发明的技术解决方案是，所述用于电梯井清洗消毒的机器人有车身，其结构特点是，所述车身的两侧各装有至少二个机械行走臂，各机械行走臂的下端装有吸盘，每一吸盘的内腔经一通过该机械行走臂中独立的连通管同装在车身中的电子阀(电磁阀)一侧的一个进气口相接，所述电子阀另一侧的出气口经连通管接至车身的外接气管接头的后端，所述各机械行走臂的上端同车体铰接并同一只可驱动该机械行走臂绕铰接轴摆动的对应行走驱动电机的轴联接；所述车身的前部和后部各装有照明灯与摄像头，车身还设有清洗消毒气管接头；车身顶部设有可在驱动机构带动下绕垂直于车顶平面之竖轴转动的旋转云台，该旋转云台顶部设有万向臂插接孔；下端插接并紧固在所述万向臂插接孔中的万向臂由下端接插节、前端节和位于在该下端接插节与前端节之间的至少两组换向节依次连接组成，而每组所述换向节由第一只换向驱动节、第一连接节、第二只换向驱动节、第二连接节依次铰接而成，各只换向驱动节与同该换向驱动节相邻连接的两只连接节的铰接轴轴线在万向臂同一径向截面或平行的两径向截面正交，所述各换向驱动节与相邻的一个连接节在相对两侧用两个铰接轴相连且各铰接轴的外端同相应连接节固定连接而该铰接轴内端同位于换向驱动节内的一只驱动电机的轴联接；所述下端接插节设有同所述旋转云台顶部的万向臂插接孔相插接的接插头，所述前端节的后端同所述第一只换向驱动节或第二只换向驱动节连接而该前端节的前端面设有带插接孔的插接座并装有照明灯和摄像头，该前端节的插接孔中还设有清洗消毒气管接口且该接口经万向臂中的通气管及车体中装有第二电子阀的通气管同车身上的所述清洗消毒气管接头连通；所述万向臂的前端节按使用需要接插安装清洗毛刷或消毒剂喷洒器、负压抽吸器。

以下结合附图做出进一步说明。

参见图1，所述用于电梯井清洗消毒的机器人有车身1，其结构特点是，所述车身1的两侧各装有至少二个机械行走臂2，各机械行走臂2的下端装有吸盘3；如图2，每一吸盘3的内腔经一通过该机械行走臂2中独立的连通管4同装在车身中的电子阀(电磁阀)5一侧的一个进气口相接，所述电子阀5另一侧的出气口经连通管接至车身的外接气管接头6(参见图1、图4)的后端；如图3，所述各机械行走臂2的上端同车体1铰接并同一只可驱动该机械行走臂2绕铰接轴摆动的对应行走驱动电机7的轴联接；参见图3、图4，所述车身1的前部和后部各装有照明灯8与摄像头9，车身1还设有清洗消毒气管接头11；参见图1和图5，车身1顶部设有可在驱动机构带动下绕垂直于车顶平面之竖轴转动的旋转云台12，该旋转云台12顶部设有万向臂插接孔13；参见图1和图6至图8，下端插接并紧固在所述万向臂插接孔13中的万向臂16由下端接插节17、前端节18和位于在该下端接插节17与前端节18之间的至少两组换向节依次连接组成，而每组所述换向节由第一只换向驱动节19、第一连接节20、第二只换向驱动节21、第二连接节22依次铰接而成，各只换向驱动节19、21与同该换向驱动节相邻连接的两只连接节的铰接轴轴线在万向臂16同一径向截面或平行的两径向截面正交，所述各换向驱动节19、21与相邻的一个连接节(该连接节指第一连接节或第二连接节、下端接插节、前端节诸者之一)在相对两侧用两个铰接轴相连且各铰接轴的外端同相应连接节固定连接而该铰接轴内端同位于换向驱动节内的一只驱动电机23或24、25、26的轴联接；如图6和图9所示，所述下端接插节17设有同所述旋转云台顶部的万向臂插接孔13相插接的接插头27；参见图1、图6和图10，所述前端节18的后端同所述第一只换向驱动节19或第二只换向驱动节22连接而该前端节18的前端面设有带插接孔31的插接座28并装有照明灯29和摄像头30，该前端节18的插接孔31中还设有清洗消毒气管接口且该接口经万向臂16中的通气管及车体中装有第二电子阀(电磁阀)45的通气管同车身上的所述清洗消毒气管接头11连通；所述万向臂16的前端节18按使用需要接插安装清洗毛刷或消毒剂喷洒器、负压抽吸器。

本发明的机械机构工作原理如下：

参见图1和图3，启动图3所示机械行走臂行走驱动电机21，机械行走臂2可按控制需要而绕铰接轴前后摆动；程序控制车身1两侧各机械行走臂2，则可实现车身1的仿生行走；

参见图1和图2、图4，将图1中车身的外接气管接头6连接外部负压抽气管，当一个机械行走臂2按控制要求到达墙面上预定位置后，开启图2中电子阀5而使相应通道的阀打开，将对应吸盘3内腔抽成负压，使该吸盘3吸在墙面上；相应控制车身1两侧各机械行走臂2底端的吸盘内腔的负压抽吸，使之与机械行走臂的行走相配合，即可实现车身1在垂直墙面及大坡度墙面等表面行走；解除吸盘在墙面的吸附，只要控制电子阀5而使外部空气进入吸盘内腔，使该内腔恢复常压即可；

参见图5，旋转云台12的旋转驱动机构可以是，云台旋转驱动电机14的轴上主动齿轮、传动齿轮副、旋转云台12的所述竖轴上的从动齿轮依次啮合；旋转云台12可在该驱动机构带动下绕所述竖轴转动；所述竖轴也可以是，当所述车体置于水平地面上时，该竖轴(轴线)与水平面垂直。

参见图6和图8，当同步启动与同步控制图8中两只相对设置的驱动电机20、25或驱动电机24、26，则可实现相邻连接的两连接节的相对角度变换；而按需要同步控制万向臂16各换向驱动节19、21的电机对(相对设置的一对电机)，就可实现万向臂16全方位摆动。万向臂16可设置三组所述换向节。

参见图11和图12，将所述清洗毛刷后端的接插头37插接在所述万向臂16前端插接孔31中，启动毛刷电机35，带动可旋转刷板34转动，实现清洗；集尘孔36还可通过负压将灰尘等吸走。

参见图13，将所述消毒剂喷洒器的接插头37插接在所述万向臂16前端插接孔31中，开启图5中的第二电子阀45，外来高压气体通过清洗消毒气管接头11、万向臂16中的管道、喷气管41到达喷嘴39，同供液管40送来的药液混合，经喷嘴39雾化喷出；

参见图14，将所述负压抽吸器的接插头37插接在所述万向臂16前端插接孔31中，于车身1的清洗消毒气管接头11处外接负压抽气管，则负压抽吸器可将污水经万向臂16、清洗消毒气管接头11抽吸至外接的污水收集箱中。

由以上可知，本发明为一种用于电梯井清洗消毒的机器人，它可以在平地、坡地行走；可以爬墙、爬大坡度平面、垂直面；具有清扫、吸尘、消毒等多项功能，可用笔记本电脑进行控制，且工作效果好、设备性能稳定、操作方便，效率高、结构简单而紧凑、重量轻、携带方便。

附图说明

图1是本发明一种实施例的整机外形结构示意图；

图2是图1所示装置去除万向臂后带局部剖视的俯视结构示意图；

图3是图1所示装置带局部剖视的主视结构示意图(未画出万向臂)；

图4是图1所示装置的后视结构示意图(未画出万向臂)；

图5是图1所示装置的俯视结构示意图(未画出万向臂)；

图6是图1所示装置的万向臂的关节结构示意图；

图7是图6所示万向臂中相关换向节的实施例立体结构示意图；

图8是图6所示万向臂中相关换向节的实施例立体结构示意图；

图9是图6中B向结构示意图：

图10是图6中A向结构示意图：

图11是清洗毛刷的一种实施例结构示意图(带局部剖视)；

图12是图11中C向结构示意图；

图13是消毒剂喷洒器的一种实施例结构示意图(带局部剖视)；

图14是负压抽吸器的一种实施例结构示意图(带局部剖视)；

图15是一种实施例的控制电路框图；

图16是图15中单片机的一种实施例主控芯片电路图；

图17是图16中摄像头与照明灯控制电路的一种实施例线路图，其中(a)为照明灯控制电路，(b)为摄像头控制电路；

图18是图15中第一电平转换电路、第二电平转换电路及12V(直流)电源电路、24V(直流)电源电路、稳压模块的一种实施例线路；

图19是图15中由24V(直流)电源电路做驱动电源的驱动电路中的一组线路；

图20是图15中由12V(直流)电源电路做驱动电源的驱动电路中的一组线路；

图21是一种驱动隔离电路。

在附图中：

1-车身，         2-机械行走臂，       3-吸盘，

4-连通管，       5-电子阀，           6-外接气管接头，

7-行走驱动电机， 8-照明灯，           9-摄像头，

10-紧固固定孔，  11-清洗消毒气管接头，12-旋转云台，

13-万向臂插接孔，14-云台旋转驱动电机，15-航空接头，

16-万向臂，      17-下端接插节，      18-前端节，

19-第一只换向驱动节，                 20-第一连接节，

21-第二只换向驱动节，                 22-第二连接节，

23、24、25、26-驱动电机，             27-接插头，

28-插接座，      29-照明灯，          30-摄像头，

31-插接孔，      32-外壳体，          33-刷毛，

34-可旋转刷板，  35-毛刷电机，        36-集尘孔，

37-接插头，      38-药液罐，          39-喷嘴，

40-供液管，      41-喷气管，          42-外壳，

43-支架，    44-俯仰驱动电机，    45-第二电子阀。

具体实施方式

如图1所示，所述用于电梯井清洗消毒的机器人有车身1，其结构特点是，所述车身1的两侧各装有至少二个机械行走臂2，各机械行走臂2的下端装有吸盘3；如图2，每一吸盘3的内腔经一通过该机械行走臂2中独立的连通管4同装在车身中的电子阀(电磁阀)5一侧的一个进气口相接，所述电子阀5另一侧的出气口经连通管接至车身的外接气管接头6(参见图1、图4)的后端；如图3，所述各机械行走臂2的上端同车体1铰接并同一只可驱动该机械行走臂2绕铰接轴摆动的对应行走驱动电机7的轴联接；参见图3、图4，所述车身1的前部和后部各装有照明灯8与摄像头9，车身1还设有清洗消毒气管接头11；参见图1和图5，车身1顶部设有可在驱动机构带动下绕垂直于车顶平面之竖轴转动的旋转云台12，该旋转云台12顶部设有万向臂插接孔13；参见图1和图6至图8，下端插接并紧固在所述万向臂插接孔13中的万向臂16由下端接插节17、前端节18和位于在该下端接插节17与前端节18之间的至少两组换向节依次连接组成，而每组所述换向节由第一只换向驱动节19、第一连接节20、第二只换向驱动节21、第二连接节22依次铰接而成，各只换向驱动节19、21与同该换向驱动节相邻连接的两只连接节的铰接轴轴线在万向臂16同一径向截面或平行的两径向截面正交，所述各换向驱动节19、21与相邻的一个连接节(该连接节指第一连接节或第二连接节、下端接插节、前端节诸者之一)在相对两侧用两个铰接轴相连且各铰接轴的外端同相应连接节固定连接而该铰接轴内端同位于换向驱动节内的一只驱动电机23或24、25、26的轴联接；如图6和图9所示，所述下端接插节17设有同所述旋转云台顶部的万向臂插接孔13相插接的接插头27；参见图1、图6和图10，所述前端节18的后端同所述第一只换向驱动节19或第二只换向驱动节22连接而该前端节18的前端面设有带插接孔31的插接座28并装有照明灯29和摄像头30，该前端节18的插接孔31中还设有清洗消毒气管接口且该接口经万向臂16中的通气管及车体中装有第二电子阀(电磁阀)45的通气管同车身上的所述清洗消毒气管接头11连通；所述万向臂16的前端节18按使用需要接插安装清洗毛刷或消毒剂喷洒器、负压抽吸器。

参见图11和图12，所述清洗毛刷的一种结构是，外壳体32的后端是可以插接在所述万向臂16前端插接孔31中的接插头37而该外壳体32的前端装有带刷毛33的可旋转刷板34，该可旋转刷板34装在固定于外壳体32内的毛刷电机35的主轴上；所述可旋转刷板34上还开有集尘孔36。

参见图13，所述消毒剂喷洒器有药液罐38，该药液罐38的后端是可以插接在所述万向臂16前端插接孔31中的接插头37而该药液罐38的前端装有喷嘴39，后端口位于药液罐38内的供液管40的前端口同所述喷嘴39连接，后端口经所述接插头37内腔可以同所述万向臂前端节18的插接孔31中的清洗消毒气管接口连通的喷气管41的前端口接至所述喷嘴39。

参见图14，所述负压抽吸器有一中空的外壳42，该外壳42的后端是可以插接在所述万向臂16前端插接孔31中的接插头37，且所述外壳42内腔经接插头37可以同所述万向臂前端节18的插接孔31中的清洗消毒气管接口连通；该外壳42的前端为(常规)抽吸头。

进一步地，参见图3至图5，位于所述车身1前部和车身后部的照明灯8与摄像头9装在可调整俯仰角度的支架43上，该支架43支轴同一俯仰驱动电机44的轴联接。

上述结构中，所述吸盘采用高摩擦系数、高弹性的橡胶制作；所述照明灯采用高亮度LCD，摄像头采用高清晰度产品；机械行走臂可前后调整角度，采用分别驱动的结构；万向臂云台可0°-360°旋转。

参见图15，本发明的控制电路包括第一电平转换电路、第二电平转换电路、单片机、12V直流电源电路、24V直流电源电路、摄像头与照明灯控制电路、万向臂各组换向节的第一只换向驱动节驱动电路和第二只换向驱动节驱动电路、电子阀(第二电子阀)驱动电路、

摄像头与照明灯俯仰驱动电路、各机械行走臂摆动驱动电路；这些电路可集中在一个安装于车体内的控制电路盒中，其控制信号输出线及电源线等相关导线通过接插口或接插头(如耐用和密闭性好的“航空接头”)同相应的负载连接，并且：

笔记本电脑的串口输出用信号电缆依次经接口电路的第一电平转换电路和第二电平转换电路接至单片机的信号输入端；

所述单片机的多路控制信号输出端分别同以下驱动电路的控制信号输入端连接：

摄像头与照明灯控制电路，

万向臂各组换向节的第一只换向驱动节驱动电路和第二只换向驱动节驱动电路，

电子阀(第二电子阀)驱动电路，

摄像头与照明灯俯仰驱动电路，

各机械行走臂摆动驱动电路；

还可以在以上所述单片机的多路控制信号输出端与所述各驱动电路之间设置驱动隔离电路；

所述摄像头与照明灯控制电路的后级信号控制端分别同所述车身前部摄像头、车身前部照明灯、车身后部摄像头、车身后部照明灯、视频采集卡连接，而所述摄像头的输出信号经视频采集卡送至笔记本电脑(进行显示或储存)；

所述万向臂各组换向节的第一只换向驱动节驱动电路和第二只换向驱动节驱动电路的驱动电源回路分别同对应组的第一对驱动电机和第二对驱动电机的电源端子连接；

所述各机械行走臂电机驱动电路的驱动电源回路分别同对应机械行走臂(行走)驱动电机的电源端子连接。

所述12V直流电源电路向图15中单片机左侧各工作电路提供工作电源并经稳压模块向单片机提供工作电源，24V直流电源电路向图15中单片机右侧各工作电路提供工作电源。

上述方案采用笔记本电脑控制，具有智能化、自动化和软件化的操作平台，装置体积小、使用灵活方便，行走、清扫定位准确、摄像与录像及时方便，可直接生成影视文件。

图16是图15中单片机的一种实施例主控芯片电路图，U1为机器人的主控制芯片，机器人的运行动作和各种环境参数的采集和处理都要通过这个微处理器进行加工处理。

图17是图16中摄像头与照明灯控制电路的一种实施例线路图，其中(a)为照明灯控制电路，(b)为摄像头控制电路；图18是图15中第一电平转换电路、第二电平转换电路及12V(直流)电源电路、24V(直流)电源电路、稳压模块的一种实施例线路。其中，J1是驱动部分和微处理器部分的连线接口，它输出转换后的指令；J2接笔记本电脑(上位机)的串口；J3为控制电路部分的电源输入端，在通过集成稳压芯片进行稳压得到稳定的+5V电压。

J5是灯光的连接插座，灯光的切换是通过三极管Q1、Q5、Q2、Q6的关断和导通来实现，而灯光的强弱调节是通过PWM调节来实现；J6为摄像头的连接插座，摄像头的切换是通过三极管Q4、Q7、Q3、Q8的关断和导通来实现的。

图19中，U1、U2为大电流电机的驱动电路，其中机械电机、毛刷电机、云台电机都由它们来驱动。

图20中，U14、U15为小电流电机的驱动电路，摄像头的旋转电机就是由这个电路来驱动的。

图21中，U10是用来隔离微处理器和电机驱动电路的。

本发明所述用于电梯井清洗消毒的机器人技术参数有：

1、驱动部分指标：机器移动距离大于100米；不规则障碍物越障高度大于10cm，光滑表面爬壁能力90°；平面载重：20kg。

2、监视部分指标：摄像头800万象素；俯仰旋转120°。

3、控制器重量小于3kg。

Claims (7)

1.一种用于电梯井清洗消毒的机器人，有车身(1)，其特征是，所述车身(1)的两侧各装有至少二个机械行走臂(2)，各机械行走臂(2)的下端装有吸盘(3)；每一吸盘(3)的内腔经一通过该机械行走臂(2)中独立的连通管(4)同装在车身中的电子阀(5)一侧的一个进气口相接，所述电子阀(5)另一侧的出气口经连通管接至车身的外接气管接头(6)的后端；所述各机械行走臂(2)的上端同车身(1)铰接并同一只可驱动该机械行走臂(2)绕铰接轴摆动的对应行走驱动电机(7)的轴联接；所述车身(1)的前部和后部各装有照明灯(8)与摄像头(9)，车身(1)还设有清洗消毒气管接头(11)；车身(1)顶部设有可在驱动机构带动下绕垂直于车顶平面之竖轴转动的旋转云台(12)，该旋转云台(12)顶部设有万向臂插接孔(13)；下端插接并紧固在所述万向臂插接孔(13)中的万向臂(16)由下端接插节(17)、前端节(18)和位于在该下端接插节(17)与前端节(18)之间的至少两组换向节依次连接组成，而每组所述换向节由第一只换向驱动节(19)、第一连接节(20)、第二只换向驱动节(21)、第二连接节(22)依次铰接而成，各只换向驱动节(19、21)与同该换向驱动节相邻连接的两只连接节的铰接轴轴线在万向臂(16)同一径向截面或平行的两径向截面正交，所述各换向驱动节(19、21)与相邻的一个连接节在相对两侧用两个铰接轴相连且各铰接轴的外端同相应连接节固定连接而该铰接轴内端同位于换向驱动节内的一只驱动电机(23或24、25、26)的轴联接；所述下端接插节(17)设有同所述旋转云台顶部的万向臂插接孔(13)相插接的接插头(27)；所述前端节(18)的后端同所述第一只换向驱动节(19)或第二只换向驱动节(22)连接而该前端节(18)的前端面设有带插接孔(31)的插接座(28)并装有照明灯(29)和摄像头(30)，该前端节(18)的插接孔(31)中还设有清洗消毒气管接口且该接口经万向臂(16)中的通气管及车身中装有第二电子阀(45)的通气管同车身上的所述清洗消毒气管接头(11)连通；所述万向臂(16)的前端节(18)按使用需要接插安装清洗毛刷或消毒剂喷洒器、负压抽吸器。

2.根据权利要求1所述用于电梯井清洗消毒的机器人，其特征是，所述清洗毛刷的结构为，外壳体(32)的后端是可以插接在所述前端节的插接孔(31)中的接插头(37)而该外壳体(32)的前端装有带刷毛(33)的可旋转刷板(34)，该可旋转刷板(34)装在固定于外壳体(32)内的毛刷电机(35)的主轴上。

3.根据权利要求2所述用于电梯井清洗消毒的机器人，其特征是，所述可旋转刷板(34)上还开有集尘孔(36)。

4.根据权利要求1所述用于电梯井清洗消毒的机器人，其特征是，所述消毒剂喷洒器有药液罐(38)，该药液罐(38)的后端是可以插接在所述前端节的插接孔(31)中的接插头(37)而该药液罐(38)的前端装有喷嘴(39)，后端口位于药液罐(38)内的供液管(40)的前端口同所述喷嘴(39)连接，后端口经所述接插头(37)内腔可以同所述万向臂前端节(18)的插接孔(31)中的清洗消毒气管接口连通的喷气管(41)的前端口接至所述喷嘴(39)。

5.根据权利要求1所述用于电梯井清洗消毒的机器人，其特征是，所述负压抽吸器有一中空的外壳(42)，该外壳(42)的后端是可以插接在所述前端节的插接孔(31)中的接插头(37)，且所述外壳(42)内腔经接插头(37)可以同所述万向臂前端节(18)的插接孔(31)中的清洗消毒气管接口连通；该外壳(42)的前端为抽吸头。

6.根据权利要求1所述用于电梯井清洗消毒的机器人，其特征是，位于所述车身(1)前部和车身后部的照明灯(8)与摄像头(9)装在可调整俯仰角度的支架(43)上，该支架(43)支轴同一俯仰驱动电机(44)的轴联接。

7.根据权利要求1所述用于电梯井清洗消毒的机器人，其特征是，它的控制电路包括第一电平转换电路、第二电平转换电路、单片机、12V直流电源电路、24V直流电源电路、摄像头与照明灯控制电路、万向臂各组换向节的第一只换向驱动节驱动电路和第二只换向驱动节驱动电路、电子阀驱动电路、摄像头与照明灯俯仰驱动电路、各机械行走臂摆动驱动电路；并且：

笔记本电脑的串口输出用信号电缆依次经接口电路的第一电平转换电路和第二电平转换电路接至单片机的信号输入端；

所述单片机的多路控制信号输出端分别同以下驱动电路的控制信号输入端连接：

摄像头与照明灯控制电路，

万向臂各组换向节的第一只换向驱动节驱动电路和第二只换向驱动节驱动电路，

电子阀驱动电路，

摄像头与照明灯俯仰驱动电路，

各机械行走臂摆动驱动电路；

所述摄像头与照明灯控制电路的后级信号控制端分别同所述车身前部摄像头、车身前部照明灯、车身后部摄像头、车身后部照明灯、视频采集卡连接，而所述摄像头的输出信号经视频采集卡送至笔记本电脑；

所述万向臂各组换向节的第一只换向驱动节驱动电路和第二只换向驱动节驱动电路的驱动电源回路分别同对应组的第一对驱动电机和第二对驱动电机的电源端子连接；

所述各机械行走臂电机驱动电路的驱动电源回路分别同对应机械行走臂驱动电机的电源端子连接。

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