CN105249902B - 一种太阳能外墙清洁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种清洁机器人，具体为一种太阳能外墙清洁机器人，包括机器人本体。所述机器人底盘装有太阳能光伏板，太阳能光伏板的光伏采光硅片采光后将光能转化为电能，经控制单元比较、分析后将对应的电压输送给各个单元运行，无需再外接电源，清洁环保；机器人内部设置了智能控制系统，利用智能技术实现机器人能自主进行识别、理解、判断最后做出规划决策，并通过智能控制系统自动控制、自动调节完成高层建筑玻璃外墙的清洁工作，灵活、适用，具有很好的市场推广价值。

Description

一种太阳能外墙清洁机器人

技术领域

本发明涉及一种清洁机器人领域，特别是涉及到一种太阳能外墙清洁机器人。

背景技术

随着社会的发展，国内外大厦、高楼会展中心类建筑外墙大多采用玻璃，透光性好，但使用一段时间后会有灰尘，一般由工人在高空中清洗，危险性高。

目前，为降低人工安全问题，市场上出现一些能代替人工清洁玻璃外墙的机器人，虽然降低了工人的作业风险，但也还存在问题。

首先，这样的机器人大多尺寸和重量较大，功耗大，很不灵活，而且造价高，不实用，普通人无法承受，普及率较低。由于那样的机器人体积和重量都较大，这就对机器人吸附外墙强度的稳定性要求比较高，然而当机器人稳定吸附在外墙状态下时就难以沿壁面平滑移动，吸附力不稳定时机器人则有可能掉落，造成事故。

其次，目前市面上的清洁机器人工作时需要连接市电或配备蓄电池，一旦出现断电或电量不足时，机器人便无法工作而被迫等待来电或是返回原地充电，工作效率受损。另外，为了能给机器人提供电源连接市电时需要有足够长的电线，当机器人在壁面上移动过程中有被电线缠绕的风险，这就干扰了机器人工作，甚至无法工作。

此外，目前的机器人大都处于半自动化状态，机器人灵活性和适应性比较差，自我控制、调节能力比较弱，且当机器人工作期间出现故障时也不能自我调节、检测及反馈，需要工作人员吊绳索去查看或是通过牵引绳将机器人搬运回地面才能处理异常，故障查看和分析工作比较麻烦。

这就需要一种具有灵活性和能自我控制调节的智能型机器人来完成解决这些问题。

发明内容

本发明为解决上述外墙清洁机器人体积大重量中、需要外接电源或靠蓄电池反复返回原地充电，工作效率受损，当机器人工作期间或出现故障时不能自我调节、检测及反馈等问题而提供了一种太阳能外墙清洁机器人。

所述的一种太阳能外墙清洁机器人，其特征在于：包括机器人本体。

所述机器人本体包括，包括外壳、底盘、太阳能光伏板、刷盘，开关按钮、步进装置、联接臂、光照度传感器、视觉传感器、超声波传感器、红外传感器以及PCB板；所述外壳顶部安装有光照度传感器，侧边设置有开关按钮和视觉传感器；所述底盘中间的方形轴承上安装有太阳能光伏板，所述PCB板安装固定在方形轴承和太阳能光伏板之间并通过导线连接；所述联接臂的前端与方形轴承连接末端连接有可旋转的刷盘；所述刷盘内设置毛刷吸盘，正转时收拢毛刷片，反转展开；所述方形轴承的每条边上各装有4个吸盘，四个角连接有1个步进装置；所述步进装置通过导线与PCB板连接；

所述的一种太阳能外墙清洁机器人的外壳使用的材质为透明硅胶。所述联接臂采用的材质是有弹性的且内部中空的塑钢，内部中空处放置导线、气路管、灰尘排放管及排放孔。这就使得所述的机器人结构上采用轻质材料，无钢无铁体积小，重量极轻，采用一般的真空吸附技术就能将机器人吸附在墙壁上，将作业期间跌落的可能性降到最小。

所述PCB板内部设计有智能控制系统，所述的智能控制系统，其工作原理在于：

所述太阳能光伏板接收太阳光后，经光伏转化单元将光能转化为电能存储，控制单元控制信息采集单元去采集光伏转化单元存储的电能和电源单元能够输出的电压值，同时控制信号处理单元对由信息采集单元传送过来的电压值进行分析、比较，根据比较的结果调节电源单元的输出把满足用电设备要求的电压供给各个单元，此时信息采集单元对传感单元、执行单元及故障自我检测单元采集信息并实时将采集到的信息传送给信号处理单元，信号处理单元对输送过来的信息进行处理并把处理后的信息输出至RAM存储单元暂存，控制单元从RAM存储单元读取数据进行判断并通过通信单元接收及发送控制单元的信息，由此，实现了机器人能根据所处环境、操作条件、控制目标的变化而给自我给出任务，自动生成完成任务的最佳方案及实现步骤并完成任务。

所述光伏转换单元与信息采集单元、控制单元分别连接，控制单元控制信息采集单元通过光照度传感器去采集太阳光的光照强度信息，同时采集光伏电能转化单元的电能，一起送给信号处理单元处理；

所述电源单元的输入端连接光伏转换单元的输出端，电源单元经控制器调制及控制单元读取的信息分析、比较后输出N种规格的直流电压，N种规格的直流电压包括：+12V、+5V、-5V、+6V；体恤

所述RAM存储单元置于信号处理单元和控制单元之间，RAM存储单元存储经信号处理单元处理后的信息，以提供控制单元读取；

所述通信单元是控制单元信息交互的纽带，实时发送和接收信息；

所述故障自我检测单元分别与控制单元、信号处理单元、执行单元、传感单元以及光伏转换单元相连接，所述故障自我检测单元接收到控制单元发出故障检测指令后，故障自我检测单元对传感单元和执行单元进行检测并将检测信息发送给控制单元进行分析处理；

所述执行单元分别与清洁单元、行走单元和吸附单元相连接，所述清洁单元接收控制单元发送给执行单元的清洁命令并按照命令清洁建筑外墙，所述行走单元用于接收并执行控制单元发送给执行单元的移动命令并按规划的路线移动；所述吸附单元用于将机器人吸附在外墙上，采用真空发生器由控制单元控制。

所述信息采集单元实时采集的信息包括：光照强度信息、光伏转换单元的电能信息、机器人状态信息以及机器人周围情况信息。

所述传感单元通过视觉传感器、超声波传感器以及红外传感器感应周围情况，以便机器人调节吸盘的吸附力使得机器人平稳前进或是抬升、转弯，或是调节清洁模式可对重点区域进行多次重复清洗，保证清洗效果，同时结合导航和定位技术(GPS/DPS)，精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，从而实现自动调整完成导航、避障及路径规划等任务。

所述行走单元接收控制单元发送的命令并将命令传输到机器人机构本体中，由步进装置执行，以实现机器人的移动。

所述步进装置包括2个步进电机及4个行走轮。

所述清洁单元接收到控制单元的清洁命令后毛刷片从毛刷吸盘中展开，随着刷盘的旋转刷落墙面灰尘以清洁外墙。

所述吸附单元包括真空吸附系统，控制单元发出吸附命令后真空吸附系统执行对应的命令，真空吸附系统中包括真空发生器以及方形轴承上的16个吸盘，空气为真空吸附系统的气源。

与现有技术相比，本发明在采用太阳能转化为电能，具有自行发电并充电的能力，不需要返回原地充电，而且机体内部的光伏转换单元直接提供了机器人工作所需的电源，无需外接电源线，避免电源线缠绕机器人妨碍机器人工作问题的发生；机器人内部设置了智能控制系统，利用智能技术进行识别、理解、推力最后做出规划决策，能自主检查判断，智能化自行完成任务，灵活、适用，具有很好的市场推广价值。

附图说明

图1为本发明的一种太阳能外墙清洁机器人的智能控制系统框架图。

图2为本发明的一种太阳能外墙清洁机器人的结构示意图。

图3为本发明的一种太阳能外墙清洁机器人的正视示意图。

图4为本发明的一种太阳能外墙清洁机器人的俯视示意图。

图5为本发明的智能控制系统的控制电路图。

图6为本发明的智能控制系统的信息采集及信号处理电路、时钟电路、通信电路图。

图7为本发明的智能控制系统的电机驱动电路、电机保护电路图。

图8为本发明的智能控制系统的RAM存储电路、电源电路图。

100-机器人本体；101-外壳；102-底盘；103-太阳能光伏板；104-刷盘；105-开关按钮；106-方形轴承；107-吸盘；108-步进装置；109-毛刷片；110-毛刷吸盘；111-联接臂；112-排放孔； 113-光照度传感器；114-视觉传感器；115-超声波传感器；116-红外传感器；117-PCB板；

200-智能控制系统；201-控制单元；202-光伏转换单元、203-信息采集单元；204-信号处理单元；205-通信单元；206-执行单元；207-传感单元；208-RAM存储单元；209-清洁单元；210-行走单元；211-吸附单元；212-电源单元；213-太阳光； 214-故障自我检测单元；215-时钟电路单元；

301-控制电路；302-时钟电路；303-信息采集及信号处理电路；304-电机驱动电路；305-电机保护电路；306-通信电路；307-电源电路；308-RAM存储电路。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图详细描述本发明提供的技术方案。下例仅用于进一步说明本发明，但不应理解为对发明的限制。

如图2、图3和图4，所述外壳101顶部安装有光照度传感器113，侧边设置开关按钮105和视觉传感器114；所述红外传感器116和超声波传感器115安装在底盘102上，所述底盘102中间设置有方形轴承106，所述太阳能光伏板103固定在方形轴承106上，在所述太阳能光伏板103和方形轴承106之间安装有PCB板117，所述PCB板117通过导线与太阳能光伏板103连接；所述刷盘104通过联接臂111与和方形轴承106连接，所述方形轴承106的每条边上各装有4个吸盘107。

如图1和图2，所述的一种太阳能外墙清洁机器人，它的底盘102上设置有方形轴承106，方形轴承106上安装有太阳能光伏板103，太阳能光伏板103接收太阳光213后，经光伏转化单元202将光能转化为电能并存储以供给电源单元212；控制单元201控制信息采集单元203去采集光伏转化单元202能够输出的电能及电源单元212输出的电压值，同时控制信号处理单元204对由信息采集单元203传送过来的电压值进行处理后送至RAM存储单元208暂存，控制单元201从RAM存储单元208中读取对应数据进行分析、比较,根据比较的结果调节电源单元212把满足用电设备要求的电压输出以启动各个单元进行工作。此时信息采集单元203对传感单元207、光伏转换单元202、执行单元206及故障自我检测单元214采集实时信息，将采集到的数据传送给信号处理单元204，信号处理单元204对输送过来的信息进行处理并把处理后的信息输出至RAM存储单元208暂存，控制单元201根据从RAM存储单元208读取数据后进行综合分析、判断后输出命令给到执行单元206并自行选择机器人适宜的模式。

所述电源单元212的输入端连接光伏转换单元202的输出端，电源单元212经控制单元201分析比较及控制器调制后输出N种规格的直流电压，N种规格的直流电压包括：+12V、+5V、-5V、+6V；

所述信息采集单元203实时采集的信息包括：光照强度信息、光伏转换单元的电能信息、机器人状态信息以及机器人周围情况信息。

所述控制单元201发出指令控制信息采集单元203去采集数据后，安装在外壳顶部光照度传感器113开始对太阳光213的强度进行感应及检测；光照度感应器113感应并检测周围环境当时的光线强度，并将光照强度信息传送给信号处理单元204处理，得出最大光线强度信息值；当控制单元201从RAM存储单元208读取光照强度值进行比较、分析，当读取到实际值低于程序设定值时，控制单元201发出指令保持机器人处于休眠模式；当读取的实时光线强度信息值大于或等于预定条件值，并且其光伏转换单元202的电量及电源单元212输出的电压满足机器人工作要求时，控制单元201自动调节命令选择工作模式，自启动机器人进行清洁外墙的工作。

所述信息采集单元203对光照强度信息进行采集的同时，也对光伏转换单元202的电量信息进行采集，当采集到光伏转换单元202中存储的电能小于或等于机器人启动所需的电量阈值时，控制单元201保持机器人处于休眠模式，当采集到的电量大于机器人启动所需的电量阈值时控制单元201再结合光照条件选择是否让机器人进入清洁外墙的工作模式。

所述控制单元201依据从RAM存储单元208读取到的数据决定机器人处于工作模式后，控制机器人自启动开关按钮105，则控制单元201发出指令给到执行单元206，各个部件接受到对应的指令后各自各自执行。清洁单元209接受到指令后毛刷片109从刷盘104中的毛刷吸盘110中展开转动，开始清洁玻璃外墙体。因毛刷吸盘110为负压吸盘，刷盘104正转时毛刷片109收集到中心部，毛刷吸盘110抽吸的空气经联接臂111从排放孔112排出，反转时毛刷片109从毛刷吸盘110中展开转动，玻璃外层的灰尘由此被刷落。当刷盘104正转毛刷片109收集到中心部时控制单元201发出移动命令给到行走单元210，步进装置108执行移动命令带动机器人本体100移动，与此同时控制单元201不断从RAM存储单元208中读取实时数据，通过吸附单元211的真空吸附系统自动调节方形轴承106上的16个吸盘107的吸附力的大小，以使得机器人能灵活移动。在机器人清扫和移动过程中所述传感单元207通过视觉传感器114、超声波传感器115以及红外传感器116感应周围情况，并将采集到信息传输到信号处理单元204处理，控制单元201则从RAM存储单元208中读取对应的数据信息，自动控制机器人通过吸附单元211的真空吸附系统调节吸盘的吸附力使得机器人平稳前进或是转弯、抬升，或是调节清洁模式对重点区域进行多次重复清洗，保证清洗效果。同时结合导航和定位技术(GPS/DPS)，精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，控制单元201由此实现自动调整完成导航、避障及路径规划等任务。

所述故障自我检测单元214分别与控制单元201、信号处理单元204、执行单元206、传感单元207以及光伏转换单元202相连接。当故障自我检测单元214接收到控制单元201发出故障检测指令后，开始进行检测，检测主要是通过在机器人的各个部件末端设置传感器来实现，例如：在步进装置108，刷盘104等，每个部件对应不同的编码信号。故障自我检测单元214向执行单元206发送运动指令，执行单元206传输至行走单元210，行走单元210接收到指令后驱动步进装置108带动机器人本体100运动，当机器人本体100运动到预设的运动行程时，信息采集单元203将采集的信息发送给信号处理单元204处理，同时也传输给故障自我检测单元214，故障自我检测单元214上自设有故障检测预定周期及故障分析处理依据，当在预定周期内接收到一次编码信号后，则判定此步进装置108运行正常；当在预定周期内没有接收到编码信号或者接收编码信号超过一次时，表明该步进装置108的运行没有达到预设的运动行程或者超出运动行程，则判定该部件工作出现异常。故障自我检测单元214将故障信息发送给控制单元201，再由控制单元201通过通信单元205将故障信息发送给地面。通信单元通过WIFI数据传输，3G网络传输等传输形式与地面通信。其它故障的自我检测方法与此一致。

所述步进装置108包括2个步进电机及4个行走轮。

所述清洁单元209接收到控制单元201的清洁命令后毛刷片109从毛刷吸盘110中展开，随着刷盘104的旋转刷落墙面灰尘以清洁外墙。

所述吸附单元211包括真空吸附系统，控制单元201发出吸附命令后真空吸附系统执行对应的命令，真空吸附系统中包括真空发生器以及方形轴承上的16个吸盘107，空气为真空吸附系统的气源。

所述时钟电路单元215，对机器人的工作时间做了设定，机器人的工作在8：00-17：00，也就只有在这个时间段，当各个条件满足机器人工作要求时控制单元201才能将机器人置于工作模式。当工作时间结束时，无论机器人处于壁面的任何位置，控制单元201自动将机器人切换至休眠模式，停止机器人的各项清洁工作，机器人牢牢吸附在壁面至第二天上午8：00时。碰上雷雨天气，外部光照条件或光伏转换单元202的电能不足以提供给机器人工作时，控制单元201继续维持机器人的休眠模式。

如图1和图5，所述的智能控制系统200所对应的电路硬件集成在PCB板117上,PCB板117设计遵循可靠、小型、轻量，便于维护的思想，直接安装在机器人本体100的方形轴承106上，机构上防水密封，防雷电。

所述的智能控制系统200的控制功能主要通过控制单元201来完成。控制单元201的主要任务是通过读取信息进行分析、处理并决策完成机器人在壁面上的作业功能，而它的控制电路301采用的IC为ATMEL公司的AT89C52。

采用AT89C52可构成最小的应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本，而且AT89C52还具有低功耗空闲、掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能，这非常适用于本发明的设计。

本发明所设计的电路主要有：控制电路301、时钟电路302、信息采集和信号处理电路303、电机驱动电路304、电机保护电路305、电源电路307、RAM存储电路308。

所述控制电路301的主控制芯片采用的是ATMEL公司的AT89C52，AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程，并通过对应的引脚与其它电路连接传递信息。

时钟电路302使用的时钟芯片是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟DS1302。采用DS1302作为计时芯片，可以做到计时准确，它的SCLK、I/O及CE引脚分别与控制电路301中的U1的P1.7、P1.6、P1.5引脚连接。

信息采集和信号处理电路303采用BIS0001芯片来完成对信息的采集及处理，信息采集和信号处理电路303采集信息从BIS0001芯片的第二2引脚输入至内部运算放大器放大，再经电压比较器构成的鉴幅器处理后，检出有效触发信号去启动延迟时间定时器，最后从12脚输出信号(Vo1)送入RAM存储电路308。

RAM存储电路308从信息采集和信号处理电路303的BIS0001芯片Vo1引脚接收信息后进行储存，并通过A0～A7引脚将对应的数据发送至控制电路301，完成控制单元201对数据的读取。

电机驱动电路304的驱动芯片采用的是L298N，一片L298N可以分别控制步进装置108中的两个直流电机。通过L298N的第3引脚和第14引脚与电机保护电路305连接。控制电路301经TXD引脚发出信号，电机驱动电路304收到信号后电机驱动电路304控制芯片转化为小车实际的动作。

通信电路306是通信单元205的一部分电路，主要是为向地面机器人故障信息而设计的无线收发一体数传MODEM模块。

电源电路307输入端是由光伏转换模块202经调制器调制后输出的12V直流电压，经电源电路307中U5、U6、U7稳压后分别输出+6V、+5V、-5V、12V的直流电压，供给各个电路使用。

综上所述，本发明在采用太阳能转化为电能，具有发电能力，无需返回原地充电，而且机体内部的光伏转换单元直接提供了机器人作所需的电源，无需外接电源线，避免电源线缠绕机器人妨碍机器人工作问题的发生；机器人内部设置了智能控制系统，利用智能技术进行识别、理解最后做出规划决策，能自主检查判断，智能化完成任务，灵活、适用。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种太阳能外墙清洁机器人，包括机器人本体(100),其特征在于：所述机器人本体(100)包括外壳(101)、底盘(102)、太阳能光伏板(103)、刷盘(104)、开关按钮(105)、方形轴承(106)、步进装置(108)、联接臂(111)、光照度传感器(113)、视觉传感器(114)、超声波传感器(115)、红外传感器(116)以及PCB板(117)；所述外壳(101)顶部安装有光照度传感器(113)，侧边设置有开关按钮(105)和视觉传感器(114)；所述底盘(102)中间的方形轴承(106)上安装有太阳能光伏板(103)，所述PCB板(117)固定在方形轴承(106)和太阳能光伏板(103)之间并通过导线连接太阳能光伏板(103)；所述联接臂(111)的前端与方形轴承(106)连接,末端与可旋转的刷盘(104)连接；所述刷盘(104)内设置毛刷吸盘(110)，正转时毛刷片(109)收拢在毛刷吸盘(110)内，反转从毛刷吸盘(110)中展开；所述方形轴承(106)的每条边上各装有4个吸盘(107)，四个角连接有1个步进装置(108)，所述步进装置(108)通过导线与PCB板(117)连接；

所述PCB板(117)内部设计有智能控制系统(200)，所述智能控制系统(200)包括控制单元(201)、光伏转换单元(202)、信息采集单元(203)、信号处理单元(204)、通信单元(205)、执行单元(206)、传感单元(207)、RAM存储单元(208)、时钟电路单元(215)以及故障自我检测单元(214)；所述太阳能光伏板(103)接收太阳光(213)后，经光伏转化单元(202)将光能转化为电能存储，控制单元(201)控制信息采集单元(203)采集光伏转化单元(202)存储的电能和电源单元(212)能够输出的电压值，同时控制信号处理单元(204)对由信息采集单元(203)传送过来的电压值进行分析、比较，根据比较的结果调节电源单元(212)的输出把满足用电设备要求的电压供给各个单元，此时信息采集单元(203)对传感单元(207)、执行单元(206)及故障自我检测单元(214)采集信息实时将采集到的信息传送给信号处理单元(204)，信号处理单元(204)对输送过来的信息进行处理并把处理后的信息输出至RAM存储单元(208)暂存，控制单元(201)从RAM存储单元(208)读取数据进行判断并通过通信单元(205)接收并发送控制单元(201)的信息，自行调节机器人模式；

所述光伏转换单元(202)与信息采集单元(203)及控制单元(201)分别连接；

所述电源单元(212)的输入端连接光伏转换单元(202)的输出端，电源单元(212)经控制单元(201)分析、比较及控制器调制后输出N种规格的直流电压，N种规格的直流电压包括：+12V、+5V、-5V、+6V；

所述RAM存储单元(208)置于信号处理单元(204)和控制单元(201)之间，RAM存储单元(208)存储经信号处理单元(204)处理后的信息，以提供控制单元(201)读取；

所述通信单元(205)是控制单元(201)信息交互的纽带，实时发送和接收信息；

所述故障自我检测单元(214)分别与控制单元(201)、信号处理单元(204)、执行单元(206)、传感单元(207)以及光伏转换单元(202)相连接，并通过传感单元(207)分别与光照度传感器(113)、视觉传感器(114)、超声波传感器(115)以及红外传感器(116)相连接；所述故障自我检测单元(214)接收到控制单元(201)发出故障检测指令后，故障自我检测单元(214)对传感单元(207)和执行单元(206)进行检测并将检测信息发送给控制单元(201)进行分析处理；

所述执行单元(206)分别与清洁单元(209)、行走单元(210)和吸附单元(211)相连接，所述清洁单元(209)接收控制单元(201)发送给执行单元(206)的清洁命令并按照命令清洁建筑外墙，所述行走单元(210)用于接收并执行控制单元(201)发送给执行单元(206)的移动命令并按规划的路线移动；所述吸附单元(211)用于将机器人吸附在外墙上，采用真空发生器实现由控制单元(201)控制。

2.根据权利要求1所述的一种太阳能外墙清洁机器人，其特征在于：所述外壳(101)的材质为透明硅胶。

3.根据权利要求1所述的一种太阳能外墙清洁机器人，其特征在于：所述联接臂(111)采用有弹性的、中空的塑钢材质，中空处放置有导线、气路管、灰尘排放管及排放孔(112)。

4.根据权利要求1所述的一种太阳能外墙清洁机器人,其特征在于：所述光照度传感器(113)、视觉传感器(114)、超声波传感器(115)以及红外传感器(116)分别通过导线与PCB板(117)连接。