CN104857655B - 一种攀爬灭火、清洁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种攀爬灭火、清洁机器人，其本体结构由摆杆机构、行走机构、传动系统、吸附装置、灭火装置、清洁装置和摄像单元组成。摆杆机构由曲柄、连杆和摆杆组成，采用球面副连接方式使摆杆进行任意角度的摆动，实现对玻璃幕墙的清洁和高层建筑的灭火功能。行走机构采用履带式行走的方式。传动系统采用齿轮啮合方式实现动力的传递。吸附装置由风扇、风碗和排风孔组成，采用吸附原理使机器人贴在墙壁上。灭火装置采用向火源喷射二氧化碳的方式进行灭火。清洁装置通过可以自由转动的清洁刷进行清洁。摄像单元则为地面实时反馈机器人的工作情况，便于地面人员远程控制。本发明代替人工高空作业，降低人员伤亡事故发生率，具有广阔市场前景。

Description

一种攀爬灭火、清洁机器人

技术领域

攀爬灭火、清洁机器人是一种用于代替人工对玻璃幕墙进行清洁或协助消防工作人员进行高层建筑灭火的装置，属于机械工程领域。

背景技术

传统的玻璃幕墙清洁工作需要工作人员用一根安全绳将自己吊在半空中，高空的风速远远大于地面风速，在风速的影响下清洁人员会在半空中随风摇晃，在这种恶劣的环境下工作具有非常大的安全隐患；同样传统的高层建筑救火工作需要消防人员搭乘云梯或攀爬到建筑的高处进行灭火，一旦发生意外，必将会造成严重的生命财产损失。为此，急需一种多功能垂直攀爬装置来代替人工进行高空作业。

发明内容

本发明是提供一种使用摆杆机构和吸附装置实现玻璃幕墙清洁工作和高层建筑救火的机器人，其目的是代替人工进行高空作业，无论是对玻璃幕墙的清洁工作，还是进行高层建筑的灭火工作，都起到了一个得力助手的作用。该项发明机器人不仅可以攀爬垂直的墙壁，而且还能轻松爬上楼梯，对火灾中生命财产的搜救起到了举足轻重的作用。

本发明的攀爬灭火、清洁机器人的上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：攀爬灭火、清洁机器人利用传统的吸附原理使机器人整体吸附在墙壁上。利用摆杆机构实现对玻璃幕墙的清洁功能和对高层建筑火灾的救援工作。通过改变传动系统的传动比实现机器人的转弯功能，调整摆杆摆动的角度以适应不同工作环境的要求。

所述的机器人的摆杆机构，电机通过减速齿轮带动曲柄转动，通过多个球面副的作用使摆杆进行摆动。在摆杆的前端设有一定锥度的凹形槽，与之配合的支座做成相同锥度的凸形座，保证两个锥面的精度，支座与摆杆之间采取过盈配合，便于安装与拆卸。

本发明的攀爬灭火、清洁机器人的行走机构与越障机构集为一体。

所述的行走机构由行走轮、履带和副带组成。行走轮外围设有多个凹形槽，履带的内侧由多个排列规则的凸形体组成，通过凹形槽与凸形体之间的配合实现行走轮带动履带进行转动，保证传动效率的同时使履带的受力更加均匀。在环形履带的外围加有一层耐高温软质材料的副带，在行走轮之间加有固定挡板，保证行走机构在受到外力作用下不会改变形状。

所述的越障机构主要依托副带的柔软性，在机器人遇到障碍时，由于吸附装置的吸附作用，副带会根据障碍物的形状进行凹陷变形，在机器人进行越障的同时保证机器人上下表面压强差基本不变，确保机器人的安全性。

所述的传动系统主要由直齿圆柱齿轮、锥齿轮、螺旋齿轮、电磁铁和传动轴组成，其特征在于：传动系统传动比的调整，通过控制两个电磁铁的通电与断电两种状态，改变两组滑移齿轮的先后啮合顺序，进而改变传动系统的传动比，使机器人拥有四种不同的速度进行行走和转弯。

所述的吸附装置由风扇、风碗和排风孔组成。通过风扇和排风孔的作用使机器人形成上下表面压强差，由于大气压的作用将机器人紧紧地贴在墙面上。在风碗内部设有固定相反极性的磁体，风扇在转动的同时进行切割磁感线运动，产生的电荷将会提供给控制系统和蓄电池。

所述的灭火装置和清洁装置均与摆杆机构进行配合。在进行灭火工作时，灭火装置的喷头直接与摆杆机构的支座进行配合连接；当进行玻璃幕墙的清洁工作时，则用可提供初始力矩的支座替换原来摆杆机构中的支座，满足机器人在不同环境下的工作需求。

所述的灭火装置通过与摆杆机构的共同作用来完成灭火工作。灭火装置采用向火源喷射大量二氧化碳的方法进行灭火工作。

所述的清洁装置同样与摆杆机构共同作用来完成对玻璃幕墙的清洁工作。清洁刷中的清洁海绵安装在两个刮水器中间，两个刮水器的高度低于清洁海绵的高度。手柄和清洁刷之间采用球面副进行连接，保证清洁刷的自由转动。水管上装有两位三通换向阀，控制清洁水的通断，避免水资源的浪费。

机架上安装有摄像单元，摄像单元可以实时监控环境情况和机器人的工作状况。若机器人在高空作业时发生故障，可以对地面的通信控制系统进行信息反馈，实现对机器人的远程调控，确保机器人工作的准确性和可靠性，在摄像单元上安装有红外线感应器，可以实现火源的自动捕捉，提高机器人工作时的快速性和准确性，在摄像单元和红外感应器等多种传感器的共同作用下，实现在地面就能对装置进行远程智能控制，提高机器人的工作效率。

所述的能源供给系统通过蓄电池作用驱动风扇的转动，在风碗内侧装有不同极性的固定磁铁，风扇在转动的同时进行切割磁感线运动，将产生的电动势进行电路元件的调压、整流和滤波等一系列作用后，供给机器人的控制系统，在给控制系统提供足够的电压值后，将剩余的大部分电荷储存在蓄电池中，在机器人的表面附着多个太阳能电池板，经过电路的整合后直接将电荷储存在蓄电池中，为装置提供足够的电量支持，在保证能源供给系统稳定工作的前提下，可以将电能传输方式转变成通过直流线圈进行耦合的方式实现电能的无线传输。

本发明的优点与技术效果：本机器人采用可再生循环能源供给系统，利用电器元件的功能特性将多种能源进行整合，提高能源的利用率；利用摆杆运动特性改变摆杆摆动的角度，进而实现在灭火和清洁工作环境下对不同摆杆角度的要求，使装置更加灵活；灭火装置和清洁装置采用可替换机构，使机器人实现多功能化；传动系统拥有四种可变传动比，实现对机器人行走速度和转弯的控制；灭火和清洁装置中均装有电磁换向阀来控制回路的通断状态，避免资源的浪费；机器人通过摄像单元和红外装置来快速确定工作区域，实现装置的快速性和准确性；通过远程控制系统对机器人进行实时控制，实现智能化模式；本机器人体积小，质量轻，便于携带，具有较高的机械性能，智能化程度高，是人们高空作业的好帮手。

附图说明

图1是攀爬灭火、清洁机器人的总体结构示意图。

图2是攀爬灭火、清洁机器人的三维结构图。

图3是攀爬灭火、清洁机器人的摆杆机构原理图。

图4是攀爬灭火、清洁机器人的行走机构的结构示意图。

图5是攀爬灭火、清洁机器人的传动系统局部结构示意图。

图6是攀爬灭火、清洁机器人的真空吸附装置结构示意图。

图7是攀爬灭火、清洁机器人的灭火装置工作示意图。

图8是攀爬灭火、清洁机器人的清洁装置工作示意图。

具体实施方式

下面结合附图所示实施例进一步说明本发明的攀爬灭火、清洁机器人的具体内容及其工作过程。

图1是攀爬灭火、清洁机器人的总体结构示意图，主要由机架、摆杆机构、行走机构、传动系统、真空吸附装置和摄像单元组成。所述的摆杆机构，减速齿轮将电机的动力传递给与减速齿轮相互啮合的曲柄17，曲柄17与连杆14之间、连杆14与摆杆15之间采用球面副进行连接，曲柄17通过连杆14将动力传递给摆杆15，使摆杆15实现预期角度的摆动，摆杆15与支座16采用过盈配合，使拆装更加方便灵活。所述的行走机构主要由行走轮13、27带动履带29进行行走，履带29的外围设有软质材料的副带30，在行走的同时实现简单的越障功能，在同侧的行走轮之间采用传动轴1、11进行传动，减少履带所承受的拉力，延长履带的使用寿命。所述的传动系统，减速齿轮6将电机的动力通过滑移齿轮48、19、25传递给冠状齿轮3、9，再由一对锥齿轮12、28将动力传递给行走轮13、27，通过电磁铁和复位弹簧20、24的作用改变传动系统的传动比，使两侧行走轮产生行走速度差，从而实现机器人的转弯功能。所述的真空吸附装置，通过联轴器将电机的动力传递给风扇23，风扇23在风碗18中进行转动，将机器人底部的空气抽出，抽出的空气经过排风孔22排出，使机器人底部和机器人外部形成压强差，在大气压的作用下将机器人紧紧的压在墙壁上。所述的摄像单元主要由摄像头26和地面控制软硬件构成，对机器人进行高空作业远程控制。

图2是攀爬灭火、清洁机器人的三维结构图。本机器人工作时采用半智能人工操作模式，电机21通过联轴器将动力传递给风扇，风扇在风碗18中转动，将机器人底部的空气抽出经过排风孔22排出，使机器人底部的压强小于大气压强，利用压强差将机器人紧紧地压在墙壁上，驱动电机通过传动系统将动力传递给两侧的行走轮使机器人进行行走。机器人在进行清洁玻璃幕墙时，电机通过减速齿轮带动与减速齿轮相互啮合的曲柄17转动，通过球面副作用使摆杆15进行周期性摆动，实现擦拭玻璃幕墙的功能。机器人在进行高层建筑救火时，在电机的作用下，使摆杆15摆动合适的角度，利用棘轮棘爪机构，固定曲柄17的转动位置，使摆杆15在受到外界冲击时保持原来角度不变。通过控制电磁铁的通电与断电，从而改变传动系统的传动比，实现机器人的转弯功能。机器人的行走、越障和摆杆机构的摆动过程，摄像单元都进行实时监控。

图3是攀爬灭火、清洁机器人摆杆机构原理图。电机通过联轴器与减速齿轮相联接，与减速齿轮相互配合的曲柄17将动力传递给连杆14，由连杆14带动摆杆15进行摆动，在曲柄17和连杆14之间，连杆14与摆杆15之间利用球面副进行相连，保证动力传递的准确性和可靠性。调整曲柄17的半径以及连杆14的长度进行摆杆15转过角度的调整，从而达到预期的位置。摆杆15顶端开设具有一定锥度的凹形槽，与该凹形槽进行配合的支座16做成具有相同锥度的凸形，二者采用过盈配合方式，使机器人在不同环境下工作时便于支座16的拆卸与安装。

图4是行走机构的示意图。电机通过传动系统带动传动轴转动，通过固定在传动轴上的螺旋齿轮和锥齿轮的共同作用将动力传递给行走轮27。副带30附着在履带29的外围，采用软质且耐高温的材料制成，在保持足够摩擦力的同时，可以实现简单的越障的功能。在两个行走轮之间设有固定挡板，使机器人在工作时保持持久的支撑作用力，提高机器人的安全性能。

图5是攀爬灭火、清洁机器人的传动系统局部结构示意图。该结构为对称分布，电机将动力传递给减速齿轮6，与减速齿轮6配合的滑移齿轮48、19、25把动力传递给与之相互配合的冠齿轮39，冠齿轮39底端为直齿圆柱齿轮，上端为螺旋齿轮，通过螺旋齿轮2、10的作用将动力传递给传动轴1、11，传动轴带动锥齿轮进行转动，通过锥齿轮的相互配合，将电机的动力传递给行走轮。传动系统中的同侧滑移齿轮4、25或8、19之间采用连杆进行相连，连杆在机架上的轨道中进行滑动，保证滑移齿轮啮合的准确性，连杆的前端有与电磁铁57相互接触的动触点，分别控制电磁铁进行通电，通过电磁铁的吸引作用，改变两个滑移齿轮的啮合顺序。电磁铁断电后，由于复位弹簧20、24的作用，使滑移齿轮恢复到原来的状态，通过改变传动系统的传动比，实现对机器人速度的调整以及机器人的转弯功能。

图6是攀爬灭火、清洁机器人的真空吸附装置结构示意图。吸附装置由风扇23、风碗18和排风孔22组成。风扇23安装在风碗18中，驱动电机带动风扇23旋转，通过风扇23的旋转将机器人底部的空气抽出，抽出的空气通过排风孔22进行排出，使机器人底部的压强远远小于标准大气压，利用产生的压强差使机器人吸附在垂直壁上。

图7是攀爬灭火、清洁机器人的灭火装置工作示意图。在气站的作用下将固态的二氧化碳迅速升华加压，通过导气管34将高压、高浓度的二氧化碳气体传送到喷头32处，在喷头32附近安装有二位三通电磁换向阀33，可以实现地面远程控制气路的通断状态。灭火装置的喷头32与摆杆机构的支座16进行配合，确定喷头32与支座16之间位置的固定。机器人在接近火源时，在摄像单元和红外感应器的共同作用下，快速锁定火源的位置，检测信号一部分作用在摆杆机构的驱动电机上，驱动电机进行转动，进而实现对喷头32角度的调整；一部分作用在二位三通电磁换向阀33上，使换向阀进行换向，实现气路的导通后将高压、高浓度的二氧化碳31喷到火源上进行灭火；检测信号的另一部分则反馈到地面的控制系统，完成地面的远程控制。

图8是攀爬灭火、清洁机器人的清洁装置工作示意图。清洁装置与摆杆机构进行配合完成对玻璃幕墙的清洁工作。水管43将地面提供的清洁水输送到固定在手柄42上的喷头40，在水管43上装有二位三通电磁换向阀41，进一步控制水路的通断状态。清洁刷由清洁海绵36、手柄42和刮水器35、37组成，手柄42和清洁刷之间采用球面副进行连接，清洁刷中的清洁海绵36安装在两个刮水器35、37中间，刮水器35、37的高度低于清洁海绵36的高度。工作时，首先将摆杆机构中的支座16更换成可以在-30°到120°之间自由旋转的支座，在旋转轴的两端安装有一定强度的压簧，为清洁工作提供一定的初始力矩。摄像单元实时对清洁工作进行监控，在摄像单元的作用下，确定机器人的工作位置，通过摆杆机构的作用，使清洁刷贴在玻璃幕墙上，控制二位三通换向阀41进行换向，使清洁水39经过喷头40喷到待清洁的玻璃幕墙上。在电机的驱动下，使摆杆15在一定角度的范围进行摆动，通过手柄42的作用实现清洁刷在玻璃幕墙上的上下移动，达到擦拭的目的。当摆杆15与手柄42之间的角度由最小值变到60°位置时，由于施加力大于清洁海绵36所承受的外力，迫使清洁海绵36进行压缩，当压缩量大于清洁海绵36与刮水器35、37之间的高度差时，刮水器35、37进行刮水工作，实现对玻璃幕墙的清洗和刮除多余水分的功能。在机器人进行清洁工作时完全实现地面远程控制，可以对清洁不彻底的玻璃幕墙进行反复清洁工作。

以上附图中所述内容均应被理解为示例性的，本发明不受这些示例的限制。尽管说明书中给出了一套灭火装置和一套清洁装置的示范性例子，本领域的技术人员可以在本发明的基础上对其进行更改或等同替换。显然，这些更改或替换均应包含在本发明的范围内。

Claims (5)

1.一种攀爬灭火、清洁机器人，包括摆杆机构、行走机构、传动系统、真空吸附装置、灭火装置、清洁装置和摄像单元，机器人本体的能源供给系统采用蓄电池、机械能转换和太阳能转换三种形式对系统进行循环供电，其特征是：所述的摆杆机构，由曲柄(17)、连杆(14)和摆杆(15)组成，摆杆(15)通过销连接在支架上，通过曲柄(17)、连杆(14)和摆杆(15)之间的球面副将电机的动力传递给摆杆(15)，依靠改变曲柄(17)半径和连杆(14)的长度从而调节摆杆(15)摆动角度的范围，曲柄(17)在进行回转运动的同时，使摆杆(15)的角度随之做周期运动或配合棘轮棘爪使摆杆(15)摆动到理想的角度；

所述的传动系统由传递动力部件组成，电机通过减速齿轮(6)、滑移齿轮(4)(8)(19)(25)、冠形齿轮(3)(9)和锥齿轮(12)(28)之间的相互啮合将动力传递给行走轮(13)(27)，行走轮之间通过传动轴(1)(11)进行动力传动，保证动力传递的高效率，所述滑移齿轮(4)(25)或(8)(19)之间采用连杆进行相连，连杆的前端有与电磁铁相互接触的动触点；

所述的吸附装置，吸附装置由风扇(23)、风碗(18)和排风孔(22)组成，电机(21)带动风扇(23)转动，通过各个零件之间的配合将机器人底部空气抽出，使机器人能够吸附在墙面上进行工作；

所述的能源供给系统包括蓄电池，蓄电池驱动风扇(23)转动，所述风扇(23)安装在风碗(18)中，在风碗(18)内侧装有不同极性的固定磁铁，风扇(23)在转动的同时进行切割磁感线运动，产生的电动势供给机器人的控制系统和蓄电池，在机器人的表面附着多个太阳能电池板，所述太阳能电池板产生的电能储存在蓄电池中。

2.根据权利要求1所述的攀爬灭火、清洁机器人机构，其特征是：所述的行走机构，在行走轮(13)(27)的周围设计与之相啮合的环形履带(29)，在环形履带的外围加有一层柔软的副带(30)，不仅为机器人攀爬时提供较大的摩擦力，还为吸附装置提供一个近似密封的空间，使机器人更加快速的吸附在墙上，在攀爬时遇到较小的障碍时，利用副带(30)的柔软性可以进行简单的越障。

3.根据权利要求1所述的攀爬灭火、清洁机器人机构，其特征是：所述的灭火装置，主要由喷头(32)、导气管(34)和二位三通换向阀(33)组成，通过导气管(34)的作用将地面气站提供的二氧化碳经过喷头(32)喷出，达到灭火的目的，在保证装置机械性能可靠的前提下，可以使用适当排量的消防水枪进行替换。

4.根据权利要求1所述的攀爬灭火、清洁机器人机构，其特征是：所述的清洁装置由清洁刷、手柄(42)和水管(43)组成，地面水通过水管(43)的作用喷到玻璃幕墙(38)上的待清洁区，配合清洁刷的作用进行玻璃幕墙的清洁工作，在保证清洁工作的前提下，该清洁装置可用普通的玻璃清洁刷替代。

5.根据权利要求1所述的攀爬灭火、清洁机器人机构，其特征是：在摄像单元(26)上安装有红外线感应器。