CN103142181B - 机电一体化家用自动擦窗机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机电一体化家用自动擦窗机，包括机械装置和电控装置。所述机械装置包括固定架、机械臂和擦洗头，所述机械臂包括铰连的大臂和小臂，所述小臂通过小臂转动机构绕大臂转动，所述大臂铰连于固定架的固定轴上并通过大臂转动机构绕固定轴转动，所述擦洗头设于小臂上，所述擦洗头包括转动机构和升降机构。所述各转动机构和升降机构的步进电机均通过相关电路连接电控装置；各步进电机上设有角度位移传感器，擦洗头对应面上设有感应窗框和玻璃面的接触传感器。本发明运行时，电控装置通过处理传感器反馈的信号，能准确控制大臂、小臂和擦洗头的动作，确保擦洗头依据窗框的限制并按照路径规划连续进行二块玻璃的擦洗。

Description

机电一体化家用自动擦窗机

（一）技术领域：

本发明涉及擦洗户外窗户玻璃的设备，具体为一种机电一体化家用自动擦窗机。

（二）背景技术：

随着社会经济的发展，城市化建设使越来越多市民住在高楼上，而户外玻璃的清洁问题，也越发受到人们的关注。

目前，户外玻璃清洗的方法主要有以下几种：

1、徒手清洗。即仅使用抹布，自己伸手出去清洗玻璃，这是目前使用最多的土方法。该方法无需购置设备，成本低，然而其缺点也显而易见：其清洁范围受到臂长的限制，对于尺寸稍大的窗户不适用，若人体悬出窗外则很难保证人身安全。

2、借助长臂擦头进行擦洗。该清洗方法不受尺寸限制，但是此方法由于长臂比较重，清洗时比较耗费体力。

3、用带有磁力相互吸附在玻璃两侧的工具进行清洗。此方法可减少人的负担，但不管是用永磁铁还是电磁铁，都不可避免的面临一个问题，就是当磁性不足以相互吸住时，玻璃外面的工具就会掉落，造成安全隐患。

4、聘请专业外墙清洗人员进行清洗，即所谓的“蜘蛛人”。该清洗方法的成本是最高的，一般针对整栋商用楼宇的清洗，不适于家用。

5、壁面清洗机器人。具备能在壁面上吸附和移动两个基本功能，吸附方式可分为真空吸附（较多采用）或磁吸附，真空吸附又可分为单吸盘和多吸盘吸附，多吸盘吸附较单吸盘吸附越障能力较好。该类型产品因其成本较高及初始设计时的市场定位等原因，其主要还是用于商用楼宇幕墙的清洗。另外，其在技术上仍不太完善，主要因为面临以下技术难点：可靠的吸附及密封技术；较强越障能力的移动技术；协调各部分工作和配合的控制技术；能达到安全有效令人满意清洗效果的清洗机构设计。

（三）发明内容：

本发明的目的是设计一种机电一体化家用自动擦窗机，其安装于窗台上，模拟人手对窗户进行自动擦洗。

能够实现上述目的机电一体化家用自动擦窗机，包括机械装置和电控装置，所不同的是所述机械装置包括固定架、绕固定架转动的机械臂和设于机械臂上的擦洗头，其中：

1、所述固定架的一种结构包括底板、支撑板以及定夹板和动夹板，所述底板置于窗台并通过其上的调节螺栓调平，所述支撑板于底板外侧平行于窗面设置，所述定夹板和动夹板于底板内侧设置，并可通过紧固螺栓和紧固螺母快速夹紧于窗台上的窗框导轨两侧；另有固定轴设于支撑板上。

2、所述机械臂包括相互铰连的大臂和小臂，所述小臂通过小臂转动机构绕大臂转动，所述大臂铰连于固定架的固定轴上并通过大臂转动机构绕固定轴转动，所述擦洗头设于小臂上。

3、所述大臂转动机构包括设于大臂上的大臂步进电机和设于大臂电机输出轴与固定轴之间的大臂降速齿轮副；所述小臂转动机构包括设于小臂上的小臂步进电机、连接大臂与小臂的小臂轴和设于小臂电机输出轴与小臂轴之间的小臂降速齿轮副，所述小臂轴一端与大臂固连，另一端与小臂铰连。

4、所述擦洗头包括转动机构，所述转动机构包括设于小臂上的擦洗步进电机、与小臂铰连的擦洗轴、设于擦洗电机输出轴与擦洗轴之间的擦洗降速齿轮副以及固定板和擦洗板，所述固定板固设于擦洗轴轴端，固定板与擦洗板之间用弹性元件连接，弹性元件通过一定的压力将擦洗板压在窗户玻璃上，使擦洗板与窗户玻璃的接触更紧密，提高擦洗效果，可通过调节弹性元件的预压量调整擦洗的力度。

5、所述大臂步进电机、小臂步进电机和擦洗步进电机均通过相关电路连接电控装置。

上述结构中，将固定架固定于窗台，启动擦窗机后，电控装置将控制大、小臂转动机构动作，带动擦洗头按照一定路径规划行走至各指定的擦窗位置，电控装置还控制转动机构带动擦洗板转动一定角度，以适应不同的窗户形状，将所控制范围的窗户擦拭干净。

常规设计中，所述大臂降速齿轮副（采用二级齿轮传动）包括一级大臂主动小齿轮、一级大臂从动大齿轮、二级大臂主动小齿轮和二级大臂从动大齿轮，所述一级大臂主动小齿轮连接大臂电机输出轴，一级大臂从动大齿轮与二级大臂主动小齿轮同轴固连，二级大臂从动大齿轮与固定轴固连（由于二级大臂从动大齿轮位置固定不转动，则二级大臂主动小齿轮围绕二级大臂从动大齿轮转动，从而实现大臂的转动）；所述小臂降速齿轮副（采用一级齿轮传动）包括小臂主动小齿轮和小臂从动大齿轮，所述小臂主动小齿轮与小臂电机输出轴连接，小臂从动大齿轮与小臂轴固连（由于小臂从动大齿轮位置固定不转动，则小臂主动小齿轮围绕小臂从动大齿轮转动，从而实现小臂的转动）；所述擦洗降速齿轮副（采用一级齿轮传动）包括擦洗主动小齿轮和擦洗从动大齿轮，所述擦洗主动小齿轮与擦洗电机输出轴连接，所述擦洗从动大齿轮与擦洗轴固连。

为使擦洗头能越过窗框擦洗另一块窗户，所述擦洗头还包括升降机构，所述升降机构的一种结构包括设于固定板上的升降步进电机、移动板、导向杆、升降降速齿轮副和相互配合的丝杆与螺母，所述移动板设于固定板与擦洗板之间，所述螺母转动配合于固定板上开设的轴孔中，所述丝杆穿过固定板连接移动板，所述导向杆连接移动板并滑动配合于固定板上开设的导向孔内，所述升降降速齿轮副连接于升降电机输出轴与螺母之间，所述弹性元件设于移动板与擦洗板之间。

所述升降步进电机通过升降降速齿轮副转动螺母，由于螺母于固定位置旋转，则丝杆作升降移动，从而带动连接板及擦洗板作升降运动。当升起擦洗板后配以机械臂旋转，则可完成擦洗头跨越障碍物的动作。

所述升降降速齿轮副（采用一级齿轮传动）包括升降主动小齿轮和升降从动大齿轮，所述升降主动小齿轮与升降电机输出轴连接，所述升降从动大齿轮与螺母同轴固连。

所述固定轴、小臂轴和擦洗轴上均设有检测各大臂和小臂以及擦洗头转动角度的角位移传感器，所述各角位移传感器通过相关电路连接电控装置；所述擦洗板的擦洗面及对应于窗框的四个侧面上均设有接触传感器，所述各接触传感器通过相关电路连接电控装置。通过电控装置适当控制各步进电机，使大臂和小臂及擦洗头相互配合完成各种类似人手擦洗的动作。

本发明的有益效果：

本发明机电一体化家用自动擦窗机通过机械结构和电子控制技术的相互融合，可以模拟人的手臂和手腕动作对户外窗户进行擦洗，结构简单，智能化程度高，仿真能力强，擦洗效果良好，操控方便，安全高效。

（四）附图说明：

图1为本发明一种实施方式的结构示意图。

图2为图1实施方式的俯视图。

图3为图1中的A向视图。

图内标号为：1、大臂；2、小臂；3、固定轴；4、大臂步进电机；5、小臂步进电机；6、小臂轴；7、擦洗步进电机；8、擦洗轴；9、擦洗板；10、一级大臂主动小齿轮；11、一级大臂从动大齿轮；12、二级大臂主动小齿轮；13、二级大臂从动大齿轮；14、小臂主动小齿轮；15、小臂从动大齿轮；16、擦洗主动小齿轮；17、擦洗从动大齿轮；18、升降步进电机；19、丝杆；20、螺母；21、角位移传感器；22、导向杆；23、固定板；24、升降板；25、弹簧；26、接触传感器；27、底板；28、支撑板；29、定夹板；30、动夹板；31、紧固螺栓；32、调节螺钉；33、升降从动大齿轮；34、中间轴。

（五）具体实施方式：

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明：

本发明机电一体化家用自动擦窗机包括机械装置和电控装置，所述机械装置包括安装于窗台上的固定架、绕固定架转动的机械臂和设于机械臂上的擦洗头。

所述固定架（是整个机器的支撑部分）包括底板27、支撑板28以及定夹板29和动夹板30，所述底板27置于外窗台上并通过其上对角的两个调节螺钉32调平位置，使其与窗台保持良好的接触，所述支撑板28于底板27外侧平行于窗面设置，垂直于支撑板28安装外伸的固定轴3，所述定夹板29和动夹板30于底板27内侧设置并通过紧固螺栓31和紧固螺母夹紧于窗台上的窗框导轨两侧，如图1、图3所示。

所述机械臂由大臂1（条状板体）和小臂2（条状板体）构成，所述大臂1的外端与小臂2的内端铰连，小臂2的外端安装擦洗头，大臂1的内端铰连于固定轴3。

1、所述大臂1的内端由双层板体形成安装位，所述双层板体通过轴承安装于固定轴3的上、下端，大臂1围绕固定轴3的转动由大臂转动机构驱动。所述大臂转动机构包括设于大臂1上层板体的大臂步进电机4和设于大臂电机输出轴与固定轴3之间的大臂降速齿轮副，所述大臂降速齿轮副为二级齿轮传动，包括一级大臂主动小齿轮10、一级大臂从动大齿轮11、二级大臂主动小齿轮12和二级大臂从动大齿轮13，所述一级大臂主动小齿轮连接10连接大臂电机输出轴，一级大臂从动大齿轮11与二级大臂主动小齿轮12于中间轴34上同轴固连，二级大臂从动大齿轮13与固定轴3固连；在固定轴3上安装角位移传感器21，实时监测大臂1转动的具体位置并反馈给电控装置，从而精确控制大臂1的准确定位及转过的角度，如图1、图2所示。

所述大臂降速齿轮副二级齿轮传动的传动比例如为i=9，理论上大臂步进电机4的动力经大臂降速齿轮副减速传递到固定轴3后，驱动大臂1转动的扭矩已经放大为大臂电机输出扭矩的9倍。

2、所述大臂1和小臂2铰连处，大臂1的板体处于小臂2的板体之上，小臂轴6置于大臂1和小臂2的板体之间，小臂轴6的上端与大臂1上开设的轴孔固定连接，小臂轴6的下端通过轴承安装于小臂2上开设的轴孔内，小臂2的转动由小臂转动机构驱动。所述小臂转动机构包括小臂步进电机5、设于小臂电机输出轴与小臂轴6之间的小臂降速齿轮副，所述小臂步进电机5设于小臂2上，所述小臂降速齿轮副（采用一级齿轮传动）包括小臂主动小齿轮14和小臂从动大齿轮15，所述小臂主动小齿轮14与小臂电机输出轴连接，小臂从动大齿轮15与小臂轴6固连；由于小臂从动大齿轮15位置固定不转动，故小臂主动小齿轮14绕小臂从动大齿轮15转动，从而实现小臂2绕小臂轴6的转动；于小臂轴6上安装角位移传感器21，实时监测小臂2转动的具体位置并反馈给电控装置，从而精确控制小臂2的准确定位及转过的角度，如图1、图2所示。

所述小臂降速齿轮副一级齿轮传动的传动比例如为i=5，理论上所述小臂步进电机5的动力经一级齿轮传动减速后，小臂2的驱动扭矩为小臂电机输出扭矩的5倍，足以使小臂2能够正常的转动。

通过大臂1和小臂2的协调配合转动，可以实现擦洗头在窗框限制的范围扫描式行走。

3、所述擦洗头包括擦洗板9的转动机构和擦洗板9的升降机构。

所述擦洗板9的转动机构包括擦洗步进电机7、擦洗轴8、擦洗降速齿轮副和固定板23；所述擦洗板9的升降机构包括升降步进电机18、移动板24、导向杆22、升降降速齿轮副和相互配合的丝杆19与螺母20。

所述擦洗步进电机7设于小臂2前端板体上，所述擦洗轴8设于小臂2下方，擦洗轴8的上端通过轴承安装于小臂2上开设的轴孔内，擦洗降速齿轮副设于擦洗电机输出轴与擦洗轴8之间，擦洗轴8的下端连接固定板23，所述固定板23的中心轴孔通过轴承安装螺母20，所述丝杆19于固定板23下方连接移动板24，丝杆19两侧的移动板24上设有导向杆22，所述导向杆22配合于固定板23上开设的导向孔内，所述擦洗板9设于移动板24并通过螺钉与之连接，移动板24与擦洗板9之间的螺钉上压装有弹簧25，所述升降步进电机18安装于固定板23，所述升降降速齿轮副设于升降电机输出轴与螺母20之间，如图1、图2所示。

所述擦洗降速齿轮副（采用一级齿轮传动）包括擦洗主动小齿轮16和擦洗从动大齿轮17，所述擦洗主动小齿轮16与擦洗电机输出轴连接，所述擦洗从动大齿轮17与擦洗轴8固连，擦洗步进电机7通过擦洗降速齿轮副和擦洗轴8驱动固定板23转动，固定板23带动移动板24及擦洗板9转动擦洗窗户；所述升降降速齿轮副（采用一级齿轮传动）包括升降主动小齿轮和升降从动大齿轮33，所述升降主动小齿轮与升降电机输出轴连接，所述升降从动大齿轮33与螺母20同轴固连，升降步进电机18经升降降速齿轮副驱动螺母20转动，使丝杆19于螺母20内上、下移动，通过移动板24带动擦洗板9升降，使擦洗板9跨过窗户框边，继续下一块玻璃的擦洗；于擦洗轴8上安装角位移传感器21，实时监测擦洗轴8的具体位置并反馈给电控装置，从而精确控制擦洗轴8的准确定位及转过的角度，如图1、图2所示。

所述擦洗板9的四个侧面（上、下、左、右侧面）及擦洗面（与玻璃接触的面）都安装有接触传感器26，所述接触传感器26通过相关电路连接电控装置。当接触传感器26得到信号时，将其信号反馈给电控装置来控制擦洗板9的相应动作。

具体动作为：

1、擦洗板9左或右侧面的接触传感器26得到信号并经处理后，则大臂1和小臂2不再向左或右窗框寻迹，另擦洗轴8上角位移传感器21实时监测擦洗板9与窗户框边的角度并进行反馈，转动机构带动擦洗板9转动一定角度，确保擦洗板9适时与左、右窗边保持平行。

2、擦洗板9上侧面的接触传感器26得到信号并经处理后，则大臂1和小臂2不再继续向窗户上框边寻迹。（结合前述第1点可知晓窗框左上角为起始位置）

3、擦洗板9擦洗面设有的预压接触传感器26感受到擦洗板9与玻璃面有一定的预压量时，则擦洗板9的升降机构停止动作，擦洗板9停止继续压向玻璃面，保证擦洗板9与玻璃面有良好的接触。

4、擦洗板9下侧面的接触传感器26得到信号并经处理后，则大臂1和小臂2不再继续向窗户下框边寻迹。

5、擦洗板9下侧面和右侧面的接触传感器26均得到信号并经处理后，擦洗板9的升降机构动作，擦洗板9抬起，大臂1和小臂2动作带动擦洗板9跨越窗框边至右边第二块玻璃继续进行本部分前述1、2、3、4动作。当擦洗板9下侧面和右侧面接触传感器26再次均得到信号后，擦洗板9的升降机构动作，擦洗板9离开玻璃面，大臂1和小臂2带动擦洗板9回复至启动前位置，一个全周期性擦拭动作完成。

综上所述，用本发明擦洗玻璃时，先将固定架固定于窗台上，启动电控装置，在获取由传感器系统获得的信号并经处理后，控制机械臂协调转动并配以擦洗头的动作，实现对两块玻璃的连续擦洗。

Claims (5)

1.机电一体化家用自动擦窗机，包括机械装置和电控装置，其特征在于：所述机械装置包括固定架、绕固定架转动的机械臂和设于机械臂上的擦洗头，其中：

所述固定架包括底板(27)、支撑板(28)以及定夹板(29)和动夹板(30)，所述底板(27)置于窗台上并通过其上的调节螺钉(32)调平，所述支撑板(28)于底板(27)外侧平行于窗面设置，所述定夹板(29)和动夹板(30)于底板(27)内侧设置并通过紧固螺栓(31)和紧固螺母夹紧于窗台上的窗框导轨两侧；另有固定轴(3)设于支撑板(28)上；

所述机械臂包括铰连的大臂(1)和小臂(2)，所述小臂(2)通过小臂转动机构绕大臂(1)转动，所述大臂(1)铰连于固定架的固定轴(3)上并通过大臂转动机构绕固定轴(3)转动，所述擦洗头设于小臂(2)上；

所述大臂转动机构包括设于大臂(1)上的大臂步进电机(4)和设于电机输出轴与固定轴(3)之间的大臂降速齿轮副；所述小臂转动机构包括设于小臂(2)上的小臂步进电机(5)、连接大臂(1)与小臂(2)的小臂轴(6)和设于小臂电机输出轴与小臂轴(6)之间的小臂降速齿轮副，所述小臂轴(6)一端与大臂(1)固连，另一端与小臂(2)铰连；

所述擦洗头包括转动机构，所述转动机构包括设于小臂(2)上的擦洗步进电机(7)、与小臂(2)铰连的擦洗轴(8)、设于擦洗电机输出轴与擦洗轴(8)之间的擦洗降速齿轮副以及固定板(23)和擦洗板(9)，所述固定板(23)固设于擦洗轴(8)轴端，固定板(23)与擦洗板(9)之间用弹性元件连接；

所述擦洗头还包括升降机构，所述升降机构包括设于固定板(23)上的升降步进电机(18)、移动板(24)、导向杆(22)、升降降速齿轮副和相互配合的丝杆(19)与螺母(20)，所述移动板(24)设于固定板(23)与擦洗板(9)之间，所述螺母(20)转动配合于固定板(23)上开设的轴孔中，所述丝杆(19)穿过固定板(23)连接移动板(24)，所述导向杆(22)连接移动板(24)并滑动配合于固定板(23)上开设的导向孔内，所述升降降速齿轮副连接于升降电机输出轴与螺母(20)之间，所述弹性元件设于移动板(24)与擦洗板(9)之间；

所述大臂步进电机(4)、小臂步进电机(5)和擦洗步进电机(7)均通过相关电路连接电控装置。

2.根据权利要求1所述的机电一体化家用自动擦窗机，其特征在于：所述大臂降速齿轮副为二级齿轮传动，包括一级大臂主动小齿轮(10)、一级大臂从动大齿轮(11)、二级大臂主动小齿轮(12)和二级大臂从动大齿轮(13)，所述一级大臂主动小齿轮(10)连接大臂电机输出轴，一级大臂从动大齿轮(11)与二级大臂主动小齿轮(12)同轴固连，二级大臂从动大齿轮(13)与固定轴(3)固连；所述小臂降速齿轮副为一级齿轮传动，包括小臂主动小齿轮(14)和小臂从动大齿轮(15)，所述小臂主动小齿轮(14)与小臂电机输出轴连接，小臂从动大齿轮(15)与小臂轴(6)固连；所述擦洗降速齿轮副为一级齿轮传动，包括擦洗主动小齿轮(16)和擦洗从动大齿轮(17)，所述擦洗主动小齿轮(16)与擦洗电机输出轴连接，所述擦洗从动大齿轮(17)与擦洗轴(8)固连。

3.根据权利要求1或2所述的机电一体化家用自动擦窗机，其特征在于：所述升降降速齿轮副为一级齿轮传动，包括升降主动小齿轮和升降从动大齿轮(33)，所述升降主动小齿轮与升降电机输出轴连接，所述升降从动大齿轮(33)与螺母(20)同轴固连。

4.根据权利要求1或2所述的机电一体化家用自动擦窗机，其特征在于：所述固定轴(3)、小臂轴(6)和擦洗轴(8)均上设有检测大臂(1)和小臂(2)以及擦洗头转动角度的角位移传感器(21)，所述各角位移传感器(21)通过相关电路连接电控装置。

5.根据权利要求1或2所述的机电一体化家用自动擦窗机，其特征在于：所述擦洗板(9)的擦洗面及对应于窗框的四个侧面上均设有接触传感器(26)，所述各接触传感器(26)通过相关电路连接电控装置。