CN105212845A - 真空吸附式履带爬壁清洁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了真空吸附式履带爬壁清洁机器人，属于服务类机器人技术领域，清洁臂的尾端通过清洁臂旋转舵机与连接臂的一端连接，连接臂的另一端通过连接臂旋转舵机与旋转臂连接，旋转臂通过旋转台舵机与旋转台连接，旋转台设置在上车体的顶部，上车体的前侧设有显示屏，下车体与上车体通过螺栓连接，下车体的前侧设有透气网，齿轮箱内设有驱动齿轮、组合齿轮，组合齿轮的各个齿轮通过短轴与齿轮箱连接，组合齿轮通过长轴与履带轮连接，组合齿轮与驱动齿轮啮合，驱动齿轮与电机连接。它结构设计合理，能满足社会的实际需求，减少人工作业的劳动强度，提高工作效率，可以保证作业的安全性，并改善人工清洗面临的高危工作环境。

Description

真空吸附式履带爬壁清洁机器人

技术领域

本发明涉及服务类机器人技术领域，具体涉及真空吸附式履带爬壁清洁机器人。

背景技术

科学技术的飞速发展，给人类的社会生活带来了很大的变化，各种自动化设备本发明涉及服务类机器人技术领域，具体涉及真空吸附式履带爬壁清洁机器人。成为人类社会生活中不可或缺的一部分，各类机械设备的工作领域日益广泛，设备性能也由单一化向多元化不断发展。从深海探测到宇宙探索，机器人广泛应用在各种人工无法作业的极限环境中，为人类社会的发展提供了重要的帮助。建筑形状新奇多样的现代都市，越建越高的摩天大楼，都成为了繁华都市的标志。随之而来的就是繁华都市的汽车尾气，人口集中等问题所导致的城市环境污染，于此同时，各类建筑的清洗工作越来越复杂，频率越来越高。现如今大部分高楼玻璃幕墙的清洗都是由人工完成的，人类需要依靠升降机平台或吊索来逐层地清洗高楼壁面，既危险、工作效率又低，而且因工作环境相对恶劣极易发生事故，对清洁工人身安全有很大的威胁性，高空清洗事故频频发生。

伴随着时代的不断进步，世界范围内各个学科都处于高速发展的状态，机器人技术的在国内外研究与应用范围更为深远，人类渐渐意识到工业机器人可以作为一种生产的工具应用到实际生活中。机器人的应用在制造业、装配及新兴的各种工业行业中取得了很大的进步，有着更大的发展空间。

BVE公司（日本）多年前成功研制出一种新型固定轨道式自动擦窗机器人。机器人的固定轨道和吊索安装在建筑物的楼顶，固定导槽安装在建筑物的壁面，清洁机器人根据轨道和吊索确定位置，对准需要清洗的窗户，沿着固定导槽可以垂直上下移动，并对窗户进行自动的清洗。但该设备的价格比较很昂贵，因为清洗设备带有多个旋转刷盘，高效便捷，并具有很高的自动化作业能力。同时，由于该设备依赖于固定轨道进行移动清洁，针对不同的建筑物都要铺设相应的固定轨道，如果建筑物使用此种清洁机构，就要求设计者在建筑物设计之初就要将擦窗系统辅助机构考虑进去，对机器人的使用范围产生了一定的限制和影响。

我国机械行业也进行了深入的研究，使爬壁清洁机器人的研发不断得以完善。CLR-II型壁面清洗机器人是我国哈尔滨工业大学所研制的一款用于清洗玻璃壁面的自动化机器人，移动机构为轮式移动机构、吸附方式采用了单吸盘吸附，具有快捷灵敏的移动速度、较高的清洗效率，同时清洗的效果也很好、操作方式简单、成本较低等优点，其缺点是不容易跨越障碍，例如跨越窗框、具有缝隙的壁面。

Cleanbot-I、蓝天洁士-I型和Washman等一个系列的机器人是由北京航空航天大学机器人研究所研制的擦窗机器人，采用了足式真空吸附装置，可以使机器人能够适应在不同的壁面进行对幕墙的清洗。框架式移动机构采用全气动驱动方式，是此类清洁机器人的主要技术特征，利用多足多吸盘的吸附结构，使其可以适应凹凸的玻璃壁面，清洗效果良好、自动化程度高，便于人工操作。缺点是移动速度缓慢，从而影响清洁机的工作效率，机械结构相对复杂，导致制作成本高。

随着爬壁机器人研究的不断深入，轮式移动、履带式移动、多腿移动等移动方式，都是使机器人可以在垂直壁面安全移动的首选方案。爬壁机器人采用的较为常见的移动形式，是轮式移动或履带式移动，两种移动方式的特点是：移动速度相较于其他移动方式，速度比较快，移动结构相对简单，降低了机器人的复杂程度，但是这两种移动方式也有一定的局限性，他们在清洗有障碍物的玻璃幕墙时移动会受到一定的限制，难以智能的完成地面和墙壁之间的吸附移动。还有一种常见的多腿式移动方式，此类移动方式的优点是可以利用自身的多自由度的特点，灵活的自由移动，并且自动处理前方的障碍物。但由于爬壁机器人的自由度较多，导致其结构在运动学上很复杂，制作的成本较高。

发明内容

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种结构设计合理、操作方便、减少人工作业的劳动强度，提高工作效率，保证作业安全性的真空吸附式履带爬壁清洁机器人。

本发明的真空吸附式履带爬壁清洁机器人，它包含毛刷、刷头、铰链、刷头电机、清洁臂、连接臂、清洁臂旋转舵机、连接臂旋转舵机、旋转臂、旋转台舵机、旋转台、显示屏、上车体、下车体、透气网、履带、通气带、螺栓、履带轮、电机、驱动齿轮、组合齿轮、短轴、长轴、吸盘、齿轮箱通气孔；所述的毛刷与刷头连接，刷头通过铰链与清洁臂的前端连接，且刷头与清洁臂内的刷头电机连接，清洁臂的尾端通过清洁臂旋转舵机与连接臂的一端连接，连接臂的另一端通过连接臂旋转舵机与旋转臂连接，旋转臂通过旋转台舵机与旋转台连接，旋转台设置在上车体的顶部，上车体的前侧设有显示屏，下车体与上车体通过螺栓连接，下车体的前侧设有透气网，上车体、下车体的两侧均设有履带，履带的外壁均匀设有数个吸盘，吸盘与履带的连接处设有通气带，通气带与吸盘底部的通气孔连接，履带套接在履带轮上，履带轮与下车体内的齿轮箱连接，齿轮箱内设有驱动齿轮、组合齿轮，组合齿轮的各个齿轮通过短轴与齿轮箱连接，组合齿轮通过长轴与履带轮连接，组合齿轮与驱动齿轮啮合，驱动齿轮与电机连接。

作为优选，所述的长轴与齿轮箱的连接处设有深沟球轴承。

作为优选，所述的吸盘的底部设有单向阀体，单向阀杆与单向阀体的底部连接，且单向阀杆的一侧与通气孔连接，单向阀杆的末端设有密封圈。

作为优选，所述的履带轮由大履带轮和小履带轮组成，大履带轮和小履带轮之间通过履带连接。

作为优选，所述的履带材料选用PVC，具有一定的韧性，厚度为，履带上的齿与主、从动轮的齿需要啮合，为防止传动卡死，履带上的齿高需要比履带轮齿高略小一些。

作为优选，所述的吸盘为真空吸盘，又称真空吊具，相较磁吸式吸盘而言，利用真空吸盘使机器吸附于壁面上相对较为节约成本。由于橡胶材料的特性，选用橡胶吸盘比较耐用，而且高温不影响吸盘的使用，橡胶材料比较软、有韧性，与壁面接触时也可以保护壁面，避免的其表面被划伤。

所述的刷头材料采用聚丙烯，毛刷末端直径比普通毛刷更细小，更深入壁面细小的缝隙，柔软更富有弹性，毛刷在清洁作业的同时，可以保护壁面不被划伤，不仅提高清洁效率，也使清洁面积达到最大化。刷头部分可以拆卸，在刷头收到磨损不能工作后，可以更换，方便使用。在刷头与清洁臂的连接处设置了一个铰链，通过铰链机构与刷子连接，使刷子在旋转的时候能够很好的保持与幕墙的接触，能够在的范围内旋转，不留死角的清理壁面。

本发明的工作原理：电机带动整个齿轮箱内部齿轮进行传动，传动输出到主动轮，主动轮由履带和带轮的啮合传动给从动带轮，带动履带上的吸盘，吸盘由气盘链接内部真空泵，实现避免的真空吸附，完成整个传动吸附行走的过程。

车体上部分安装旋转座，由螺栓进行连接，旋转座内部安装舵机，带动旋转臂旋转，实现清洁机构自由旋转的功能。旋转臂内部有小的舵机来控制连接臂的旋转，为了壁面机械臂与机器人本身发生干涉，内部设置了限位。连接臂在的范围内自由摆动，以满足不同位置清洁的需要。连接臂与清洁臂连接，同时也控制清洁臂的旋转。而清洁臂与刷头连接的部位内部有小的电机，用来控制刷子的旋转。连杆的作用也很重要，它的作用是让刷子得到扭矩，并能旋转。在刷子的一段设置了一个铰链，通过铰链机构与刷子连接，使刷子在旋转的时候能够很好的保持与幕墙的接触。刷头可以的拆卸，为以后的更换、维护提供方便。

本发明的有益效果：它结构设计合理，能满足社会的实际需求，减少人工作业的劳动强度，提高工作效率，可以保证作业的安全性，可以攀爬并吸附于幕墙（或较大倾斜角的壁面）的爬壁清洁机，用来对大楼外表面代替人工进行清理工作。采用类似机器人和机械手臂的结构，使爬壁清洁机可以实现高楼外墙清洗的自动化，提高清洗效率，并改善人工清洗面临的高危工作环境。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是图2中A部放大图；

图4是图1的左视图；

图5是本发明的立体示意图；

图中：

毛刷1、刷头2、铰链3、刷头电机4、清洁臂5、连接臂6、清洁臂旋转舵机7、连接臂旋转舵机8、旋转臂9、旋转台舵机10、旋转台11、显示屏12、上车体13、下车体14、透气网15、履带16、通气带17、螺栓18、履带轮19、电机20、驱动齿轮21、组合齿轮22、短轴23、长轴24、深沟球轴承25、单向阀体26、单向阀杆27、吸盘28、密封圈29、齿轮箱30、通气孔31。

具体实施方式：

如图1至图5所示，本具体实施方式采用以下技术方案：它包含毛刷1、刷头2、铰链3、刷头电机4、清洁臂5、连接臂6、清洁臂旋转舵机7、连接臂旋转舵机8、旋转臂9、旋转台舵机10、旋转台11、显示屏12、上车体13、下车体14、透气网15、履带16、通气带17、螺栓18、履带轮19、电机20、驱动齿轮21、组合齿轮22、短轴23、长轴24、吸盘28、齿轮箱30、通气孔31；所述的毛刷1与刷头2连接，刷头2通过铰链3与清洁臂5的前端连接，且刷头2与清洁臂5内的刷头电机4连接，清洁臂5的尾端通过清洁臂旋转舵机7与连接臂6的一端连接，连接臂6的另一端通过连接臂旋转舵机8与旋转臂9连接，旋转臂9通过旋转台舵机10与旋转台11连接，旋转台11设置在上车体13的顶部，上车体13的前侧设有显示屏12，下车体14与上车体13通过螺栓18连接，下车体14的前侧设有透气网15，上车体13、下车体14的两侧均设有履带16，履带16的外壁均匀设有数个吸盘28，吸盘28与履带16的连接处设有通气带17，通气带17与吸盘底部的通气孔31连接，履带16套接在履带轮19上，履带轮19与下车体14内的齿轮箱30连接，齿轮箱30内设有驱动齿轮21、组合齿轮22，组合齿轮22的各个齿轮通过短轴23与齿轮箱30连接，组合齿轮22通过长轴24与履带轮19连接，组合齿轮22与驱动齿轮21啮合，驱动齿轮21与电机20连接。

其中，所述的长轴24与齿轮箱30的连接处设有深沟球轴承25；所述的吸盘28的底部设有单向阀体26，单向阀杆27与单向阀体26的底部连接，且单向阀杆27的一侧与通气孔31连接，单向阀杆27的末端设有密封圈29；所述的履带轮19由大履带轮和小履带轮组成，大履带轮和小履带轮之间通过履带16连接；所述的刷头材料采用聚丙烯，毛刷末端直径比普通毛刷更细小，更深入壁面细小的缝隙，柔软更富有弹性，毛刷在清洁作业的同时，可以保护壁面不被划伤，不仅提高清洁效率，也使清洁面积达到最大化。刷头部分可以拆卸，在刷头收到磨损不能工作后，可以更换，方便使用。在刷头与清洁臂的连接处设置了一个铰链，通过铰链机构与刷子连接，使刷子在旋转的时候能够很好的保持与幕墙的接触，能够在的范围内旋转，不留死角的清理壁面。

爬壁机器的车体是支撑爬壁机所有部件的基础，因此机器人车体的设计应尽量简洁工作可靠车体长为，宽为，材料为，为提高车体强度选取壁厚。上下车体连接螺栓使用，共个螺栓，均布在上下车体连接凸出面上，功能部件由螺栓安装在上车体上

在清洁机进行工作前，检查吸盘是否已经处于有效的吸附状态，进行正常作业时，吸盘在真空压力的作用下吸附于壁面，即将脱离壁面的吸盘随着履带移动，与壁面之间将会产生缝隙，空气会随着缝隙进入吸盘，从而使吸盘脱离开壁面；清洁过程中，由于履带移动的局限性，爬壁清洁机器需要按照一定的路径在壁面行走，作业时应设计最短的清扫路径，以确保高效率完成整个壁面的清洁工作。

本具体实施方式操作时，电机带动整个齿轮箱内部齿轮进行传动，传动输出到主动轮，主动轮由履带和带轮的啮合传动给从动带轮，带动履带上的吸盘，吸盘由气盘链接内部真空泵，实现避免的真空吸附，完成整个传动吸附行走的过程。

本具体实施方式中车体是整个爬壁清洁机器人最重要的载体，它要承载爬壁机器人车体内部结构和整个清洁机构的重量，同时还有清洁机构工作时所产生的力，为保证爬壁清洁机的安全高效工作，上下车体由螺栓进行连接安装，方便拆卸和维修，车体重量在满足强度需要的前提下尽可能的轻，以减少整个爬壁清洁机的自身重量。电机带动整个齿轮箱内部齿轮进行传动，传动输出到主动轮，主动轮由履带和带轮的啮合传动给从动带轮，带动履带上的吸盘，吸盘由气盘链接内部真空泵，实现避免的真空吸附，完成整个传动吸附行走的过程车体上部分安装旋转座，由螺栓进行连接，旋转座内部安装舵机，带动旋转臂旋转，实现清洁机构自由旋转的功能。旋转臂内部有小的舵机来控制连接臂的旋转，为了壁面机械臂与机器人本身发生干涉，内部设置了限位。连接臂在的范围内自由摆动，以满足不同位置清洁的需要。连接臂与清洁臂连接，同时也控制清洁臂的旋转。而清洁臂与刷头连接的部位内部有小的电机，用来控制刷子的旋转。连杆的作用也很重要，它的作用是让刷子的到扭矩，并能旋转。在刷子的一段设置了一个铰链，通过铰链机构与刷子连接，使刷子在旋转的时候能够很好的保持与幕墙的接触。刷头可以的拆卸，为以后的更换、维护提供方便。它结构设计合理，能满足社会的实际需求，减少人工作业的劳动强度，提高工作效率，可以保证作业的安全性，可以攀爬并吸附于幕墙（或较大倾斜角的壁面）的爬壁清洁机，用来对大楼外表面代替人工进行清理工作。采用类似机器人和机械手臂的结构，使爬壁清洁机可以实现高楼外墙清洗的自动化，提高清洗效率，并改善人工清洗面临的高危工作环境。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.真空吸附式履带爬壁清洁机器人，其特征在于它包含毛刷、刷头、铰链、刷头电机、清洁臂、连接臂、清洁臂旋转舵机、连接臂旋转舵机、旋转臂、旋转台舵机、旋转台、显示屏、上车体、下车体、透气网、履带、通气带、螺栓、履带轮、电机、驱动齿轮、组合齿轮、短轴、长轴、吸盘、齿轮箱通气孔；所述的毛刷与刷头连接，刷头通过铰链与清洁臂的前端连接，且刷头与清洁臂内的刷头电机连接，清洁臂的尾端通过清洁臂旋转舵机与连接臂的一端连接，连接臂的另一端通过连接臂旋转舵机与旋转臂连接，旋转臂通过旋转台舵机与旋转台连接，旋转台设置在上车体的顶部，上车体的前侧设有显示屏，下车体与上车体通过螺栓连接，下车体的前侧设有透气网，上车体、下车体的两侧均设有履带，履带的外壁均匀设有数个吸盘，吸盘与履带的连接处设有通气带，通气带与吸盘底部的通气孔连接，履带套接在履带轮上，履带轮与下车体内的齿轮箱连接，齿轮箱内设有驱动齿轮、组合齿轮，组合齿轮的各个齿轮通过短轴与齿轮箱连接，组合齿轮通过长轴与履带轮连接，组合齿轮与驱动齿轮啮合，驱动齿轮与电机连接。

2.根据权利要求1所述的真空吸附式履带爬壁清洁机器人，其特征在于所述的长轴与齿轮箱的连接处设有深沟球轴承。

3.根据权利要求1所述的真空吸附式履带爬壁清洁机器人，其特征在于所述的吸盘的底部设有单向阀体，单向阀杆与单向阀体的底部连接，且单向阀杆的一侧与通气孔连接，单向阀杆的末端设有密封圈。

4.根据权利要求1所述的真空吸附式履带爬壁清洁机器人，其特征在于所述的履带轮由大履带轮和小履带轮组成，大履带轮和小履带轮之间通过履带连接。

5.根据权利要求1所述的真空吸附式履带爬壁清洁机器人，其特征在于所述的刷头材料采用聚丙烯。

6.根据权利要求1所述的真空吸附式履带爬壁清洁机器人，其特征在于所述的履带材料选用PVC，具有一定的韧性，厚度为5毫米。

7.根据权利要求1所述的真空吸附式履带爬壁清洁机器人，其特征在于它的工作原理为：电机带动整个齿轮箱内部齿轮进行传动，传动输出到主动轮，主动轮由履带和带轮的啮合传动给从动带轮，带动履带上的吸盘，吸盘由气盘链接内部真空泵，实现避免的真空吸附，完成整个传动吸附行走的过程。