CN105455748B - 多模态墙面清洗机器人控制方法 - Google Patents

多模态墙面清洗机器人控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高效墙面清洗机器人及其控制方法，属于机械制造技术领域。它包括机架、绳、上伸缩机构、上丝杆螺母副、上伸缩用电机、第一喷头、第一导管、上储水箱、第一清洗刷、第一减速器、第一减速用电机，所述的机架上设置有绳，所述的上伸缩机构固定在机架上，所述的上伸缩机构由伸缩杆和滚轮组成，滚轮压于墙体上，伸缩杆的末端与上丝杆螺母副的螺母相连，所述的上丝杆螺母副的丝杆与上伸缩用电机相连；同时本发明还给出了清洗机器人的具体控制方法。本发明中通过合理的机构设计，解决了清洗正压力不可控、清洗污水影响周边环境、清洗效果差、水资源浪费等问题，具有结构合理、制造简单、控制方便的优点。

Description

多模态墙面清洗机器人控制方法
技术领域
本发明属于机械制造技术领域，具体地说，涉及一种墙面清洗装置，更具体地说，涉及一种多模态墙面清洗机器人及其控制方法。
背景技术
高楼随着城市现代化的发展，变得越来越普遍。随着楼层数量的增大，对于高楼墙壁的清洗却成为了一项繁重而危险工作。目前国内外常采用升降平台或者吊篮承载清洗人员来完成对高楼墙壁的清洗。而此种清洗方法不仅效率低下，费用昂贵，而且安全系数低，常有清洁人员坠落事故的发生，同时清洗废水沿着墙面落下，容易污染周边环境，并造成水资源的大量浪费。因此急需利用机器来替代人工进行高楼墙面的清洗工作。
目前对于高楼墙面清洗机器人已有相关研究。如对比文件1：授权公告号为CN101513336 B，申请日为2009年3月28日，公开了名称为一种高层建筑清洗装置的专利文件，包括装有发电机和计算机系统的机动车，机动车上设有由两个可升降并前后移动的吊臂支撑连接的清洗装置，清洗装置可随吊臂与其之间所设的吊臂绞盘连接输出的牵引钢缆的牵引伸缩而调整其位置，机动车上部还设与高压水泵连接的高压水箱，高压水箱上设有通过水箱线轴调节输出的、与清洗装置连通的供水管；清洗装置包括设有毛刷、喷水孔及刮板的清洗框架，毛刷由电动机连接带动旋转，毛刷上部设喷水孔，喷水孔上部为刮板。该发明主要依靠一刷二冲三刮的物理方式清洗玻璃幕墙，结构简单，清洗过程安全省力，有效减少了工人劳动强度，提高了工作效率，减少了清洗成本。但该发明在工作过程中，其与墙面的接触压力是固定的，并不能根据具体的情况来调节与墙面的接触压力，同时其清洗的废水沿墙面落下，对周围环境造成一定影响。
对比文件2：授权公告号为CN 1265756C，申请日为2004年7月29日，公开了名称为高楼玻璃幕墙清洗机系统的专利文件，包括楼顶安全装置、清洗机本体、楼下便携监控装置及电气控制装置。清洗机本体在楼顶卷扬机的牵引作用下，依靠密封机构，利用双吸盘负压吸附机构同时或交替吸附于玻璃壁面，并协调清洗机本体自身重力至上而下移动，同时在其清洗机构、水循环回收机构、障碍检测机构、洁面机构的配合下完成对玻璃壁面的清洗以及跨越窗框类障碍等功能；楼顶安全装置确保本体完成清洗和越障任务，并供给本体电源、气源和水源；楼下便携监控装置以无线监控方式发出动作指令，并通过无线视频监视器实时监视壁面清洗效果，由电气控制装置控制各执行装置完成整个清洗任务。该发明能够很好地实现避障，并且可以完成一系列的清洗任务，但其对水的利用率较低，并且清洗效果较差。
对比文件3：授权公告号为CN 100594833 C，申请日为2008年1月8日，公开了名称为高层建筑爬壁水清洗方法及成套设备的专利文件，包括有清水箱，与清水箱连接的高压泵机组，爬壁机器人，高压泵机组的输出高压水管连接到爬壁机器人的旋转射流喷嘴上，真泵机组和爬壁机器人的真腔罩壳盘之间连接有污水回收管，真空泵机组的输出污水经过污水过滤处理设备排到水池，爬壁机器人上连接有卷扬机，并通过控制线与电控柜连接。该发明可以将污水收集，减少了对周围环境的影响。但由于其将收集的污水经过处理，并输送至清水箱，使得处理后的污水的水质与清水相同，对处理设备要求高，使得设备变得复杂，并增加了成本。同时由于其清洗装置设计相对欠缺，造成清洗效果较差。
综上所述，目前的清洗机器人存在以下问题：(1)清洗机器人与墙面的压力不可控，不能根据具体的情况对其进行调节，使得清洗过程中清洗受限，出现清洗不完全，或者清洗完全但对墙面的损伤严重的情况；(2)清洗机器人清洗后的污水不能进行有效地收集，使得污水沿墙面落下，严重影响了周边环境；(3)清洗机构的设计相对欠缺，清洗过程中缺少浸润、刷洗、二次清洗的过程，尤其缺少二次清洗的过程，使得清洗效果较差；(4)部分清洗机器人自带了污水处理装置，但由于其将收集的污水经过处理，并输送至清水箱，使得处理后的污水的水质与清水相同，对处理设备要求高，使得设备变得复杂，并增加了成本；(5)清洗机器人的清洗模式固定，不能根据墙面具体的污损程度选择不同的模式，以增加清洗效率，提高清洗效果，并降低对墙面的损伤。
对于上述问题，目前的清洗机器人并没有解决，或者只解决了部分问题，因此急需将上述问题全部解决，以提高清洗机器人的清洗效果、节省水资源、降低对周边环境的影响。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有墙面清洗机器人与墙面的压力不可控，不能根据具体的情况对其进行调节，使得清洗过程中清洗受限，出现清洗不完全，或者清洗完全但对墙面的损伤严重；清洗后的污水不能进行有效地收集，使得污水沿墙面落下，严重影响了周边环境；清洗机构的设计相对欠缺，清洗过程中缺少浸润、刷洗、二次清洗的过程，尤其缺少二次清洗的过程，使得清洗效果较差；部分清洗机器人自带了污水处理装置，但由于其将收集的污水经过处理，并输送至清水箱，使得处理后的污水的水质与清水相同，对处理设备要求高，使得设备变得复杂，并增加了成本；清洗机器人的清洗模式固定，不能根据墙面具体的污损程度选择不同的模式，使得清洗效率低，清洗效果差等问题，本发明提供了一种多模态墙面清洗机器人及其控制方法。本发明采用伸缩机构来控制清洗接触压力，保证墙面在清洗干净的前提下，减小了对墙面的磨损；利用二刷三清洗的方式，使得清洗效率提高，清洗效果好；采用废水回收利用的方式，不仅减小了对周边环境的影响，而且提高了机器人工作行程，节约了水资源。同时本发明还给出了清洗机器人的具体控制方法。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种多模态墙面清洗机器人，包括机架、绳、上伸缩机构、上丝杆螺母副、上伸缩用电机、第一喷头、第一导管、上储水箱、第一清洗刷、第一减速器、第一减速用电机、第二喷头、第二导管、第二清洗刷、第二减速器、第二减速用电机、第三喷头、第三导管、下储水箱、下伸缩机构、下丝杆螺母副、下伸缩用电机、收集板、收集箱、上滚轮、下滚轮、过滤板、潜水泵、潜水管，
所述的机架上设置有绳，所述的上伸缩机构固定在机架上，所述的上伸缩机构由伸缩杆和滚轮组成，滚轮压于墙体上，伸缩杆的末端与上丝杆螺母副的螺母相连，所述的上丝杆螺母副的丝杆与上伸缩用电机相连，
所述的第一喷头固连在机架上，所述的第一导管的一端与第一喷头相连，另一端与上储水箱相连，
所述的第一清洗刷通过轴承与机架相连，第一清洗刷的轴与第一减速器的输出轴相连，所述的第一减速用电机输出轴与第一减速器的输入轴相连，
所述的第二喷头固连在机架上，所述的第二导管的一端与第二喷头相连，另一端与下储水箱相连，
所述的第二清洗刷通过轴承与机架相连，第二清洗刷的轴与第二减速器的输出轴相连，所述的第二减速用电机输出轴与第二减速器的输入轴相连，
所述的第三喷头固连在机架上，所述的第三导管的一端与第三喷头相连，另一端与下储水箱相连，
所述的下伸缩机构固定在机架上，所述的下伸缩机构由伸缩杆和滚轮组成，滚轮压于墙体上，伸缩杆的末端与下丝杆螺母副的螺母相连，所述的下丝杆螺母副的丝杆与下伸缩用电机相连，
所述的收集装置由收集板、收集箱、上滚轮、下滚轮、过滤板、潜水泵、潜水管组成，收集装置固连在机架的下端，所述的收集箱设有收集板，收集板与收集箱在结合处所构成的锐角为°，所述的收集板上设置有上滚轮，所述的收集箱上设置有下滚轮，所述的过滤板固定在收集箱的内壁上，并将收集箱分为上下两腔，所述的潜水泵设置在收集箱的下腔，并与潜水管的一端相连，所述的潜水管的另一端与下储水箱相连。
所述的第一减速器与第二减速器均为摆线针轮减速器。
一种多模态墙面清洗机器人的控制方法，涉及以下的控制过程：
(1)工作模式的选择：
当墙面仅有灰尘时，选用30-70Pa的水压，选用邵氏硬度为50-70HA的清洗刷，清洗机器人沿墙面下降的速度为6-8m/min，上伸缩机构与下伸缩机构处于大行程动作状态，伸缩距离为80-100mm；当墙面含有大量粘性物质时，选用90-120Pa的水压，选用邵氏硬度为100-120HA的清洗刷，清洗机器人沿墙面下降的速度为3-5m/min，上伸缩机构与下伸缩机构处于小行程动作状态，伸缩距离为50-80mm；
(2)润湿墙面：
第三喷头将下储水箱中的污水喷洒到墙面，喷洒量为200—300ml，润湿墙面；
(3)初步刷墙：
清洗机器人下降，第二清洗刷下降到原第三喷头的位置，第二清洗刷开始工作，清洗转速为150-180r/min，完成初步刷墙；
(4)初步水洗：
清洗机器人下降，第二喷头下降到原第二清洗刷的位置，第二喷头开始工作，将下储水箱中的污水喷洒到墙面，喷洒量为200-300ml，完成对墙面的初步水洗；
(5)再次刷墙：
清洗机器人下降，第一清洗刷下降到原第二喷头的位置，第一清洗刷开始工作，清洗转速为220-250r/min，完成再次刷墙；
(6)最终水洗：
清洗机器人继续下降，第一喷头下降到原第一清洗刷的位置，第一喷头开始工作，将上储水箱中的清水喷洒到墙面，喷洒量为300-400ml，完成最终水洗；
(7)污水的收集处理：
收集板将墙面清洗的污水收集至收集箱，通过过滤板对污水进行初步处理，并将处理后的污水通过潜水泵与潜水管送至下储水箱，潜水泵的排水速度为700-800ml/min。
3.有益效果
与现有技术相比，本发明有以下显著优点：
(1)本发明将清洗刷与清洗用水分开，并采用刷墙与清洗的多级清洗模式，利用二刷三清洗的方式，在结构上，使得机构更加紧凑，并且拆装维修方便；在控制上，清洗刷与喷头都是单独控制，控制简便；在效果上，由于采用多级清洗的方式，首先对墙面进行润湿，再对墙面进行初刷，然后进行初洗、再刷、最终水洗的过程，不仅清洗效率高，而且清洗效果好。
(2)本发明利用收集装置，有效地收集清洗废水，防止废水降落对地面行人与环境造成的影响。
(3)本发明采用的废水处理装置，对废水做简易的过滤处理，处理后的污水用作润湿未清洗墙面与初洗墙面，很好的利用了废水，但降低了污水处理成本，简化了污水处理装置。
(4)本发明采用伸缩机构来完成机架与墙面的接触，通过电机的运行，可改变伸缩机构的伸缩量，从而使得机架与墙面的距离发生改变，使得清洗接触压力可控，可根据墙面具体的脏污程度来调节具体的压力值，进而保证墙面在清洗干净的前提下，减小了对墙面的磨损。
(5)本发明将废水回收后，对废水进行初步处理，并用于墙面的湿润上，减小了清洗的耗水量，增大了清洗机器人的工作行程，同时也节约了用水。
(6)本发明通过设置可选择的清洗模式，能够根据具体墙面的污损情况选择不同的清洗模式，针对性强，从而提高了清洗效率，并使得清洗效果提高。
(7)本发明结构简单，操作方便，加工成本低，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明装置的结构图；
图2为图1中Ⅰ的剖视图。
附图中：1—墙体，2—机架，3—绳，4—上伸缩机构，5—上丝杆螺母副，6—上伸缩用电机，7—第一喷头，8—第一导管，9—上储水箱，10—第一清洗刷，11—第一减速器，12—第一减速用电机，13—第二喷头，14—第二导管，15—第二清洗刷，16—第二减速器，17—第二减速用电机，18—第三喷头，19—第三导管，20—下储水箱，21—下伸缩机构，22—下丝杆螺母副，23—下伸缩用电机，24—收集板，25—收集箱，26—上滚轮，27—下滚轮， 28—过滤板，29—潜水泵，30—潜水管。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步描述。
如图1、图2所示，一种多模态墙面清洗机器人，包括机架2、绳3、上伸缩机构4、上丝杆螺母副5、上伸缩用电机6、第一喷头7、第一导管8、上储水箱9、第一清洗刷10、第一减速器11、第一减速用电机12、第二喷头13、第二导管14、第二清洗刷15、第二减速器 16、第二减速用电机17、第三喷头18、第三导管19、下储水箱20、下伸缩机构21、下丝杆螺母副22、下伸缩用电机23、收集板24、收集箱25、上滚轮26、下滚轮27、过滤板28、潜水泵29、潜水管30，
所述的机架2上设置有绳3，所述的上伸缩机构4固定在机架2上，所述的上伸缩机构4 由伸缩杆和滚轮组成，滚轮压于墙体1上，伸缩杆的末端与上丝杆螺母副5的螺母相连，所述的上丝杆螺母副5的丝杆与上伸缩用电机6相连，
所述的第一喷头7固连在机架2上，所述的第一导管8的一端与第一喷头7相连，另一端与上储水箱9相连，
所述的第一清洗刷10通过轴承与机架2相连，第一清洗刷10的轴与第一减速器11的输出轴相连，所述的第一减速用电机12输出轴与第一减速器11的输入轴相连，
所述的第二喷头13固连在机架2上，所述的第二导管14的一端与第二喷头13相连，另一端与下储水箱20相连，
所述的第二清洗刷15通过轴承与机架2相连，第二清洗刷15的轴与第二减速器16的输出轴相连，所述的第二减速用电机17输出轴与第二减速器16的输入轴相连，
所述的第三喷头18固连在机架2上，所述的第三导管19的一端与第三喷头18相连，另一端与下储水箱20相连，
所述的下伸缩机构21固定在机架2上，所述的下伸缩机构21由伸缩杆和滚轮组成，滚轮压于墙体1上，伸缩杆的末端与下丝杆螺母副22的螺母相连，所述的下丝杆螺母副22的丝杆与下伸缩用电机23相连，
所述的收集装置由收集板24、收集箱25、上滚轮26、下滚轮27、过滤板28、潜水泵29、潜水管30组成，收集装置固连在机架2的下端，所述的收集箱25设有收集板24，收集板24与收集箱25在结合处所构成的锐角为30°，所述的收集板24上设置有上滚轮26，所述的收集箱25上设置有下滚轮27，所述的过滤板28固定在收集箱25的内壁上，并将收集箱25分为上下两腔，所述的潜水泵29设置在收集箱25的下腔，并与潜水管30的一端相连，所述的潜水管30的另一端与下储水箱20相连。
所述的第一减速器11与第二减速器16均为摆线针轮减速器。
一种多模态墙面清洗机器人的控制方法，涉及以下的控制过程：
(1)工作模式的选择：
当墙面仅有灰尘时，选用30-70Pa的水压，选用邵氏硬度为50-70HA的清洗刷，清洗机器人沿墙面下降的速度为6-8m/min，上伸缩机构4与下伸缩机构21处于大行程动作状态，伸缩距离为80-100mm；当墙面含有大量粘性物质时，选用90-120Pa的水压，选用邵氏硬度为100-120HA的清洗刷，清洗机器人沿墙面下降的速度为3-5m/min，上伸缩机构4与下伸缩机构21处于小行程动作状态，伸缩距离为50-80mm；
(2)润湿墙面：
第三喷头18将下储水箱20中的污水喷洒到墙面，喷洒量为200—300ml，润湿墙面；
(3)初步刷墙：
清洗机器人下降，第二清洗刷15下降到原第三喷头18的位置，第二清洗刷15开始工作，清洗转速为150-180r/min，完成初步刷墙；
(4)初步水洗：
清洗机器人下降，第二喷头13下降到原第二清洗刷15的位置，第二喷头13开始工作，将下储水箱20中的污水喷洒到墙面，喷洒量为200-300ml，完成对墙面的初步水洗；
(5)再次刷墙：
清洗机器人下降，第一清洗刷10下降到原第二喷头13的位置，第一清洗刷10开始工作，清洗转速为220-250r/min，完成再次刷墙；
(6)最终水洗：
清洗机器人继续下降，第一喷头7下降到原第一清洗刷10的位置，第一喷头7开始工作，将上储水箱9中的清水喷洒到墙面，喷洒量为300-400ml，完成最终水洗；
(7)污水的收集处理：
收集板24将墙面清洗的污水收集至收集箱25，通过过滤板28对污水进行初步处理，并将处理后的污水通过潜水泵29与潜水管30送至下储水箱20，潜水泵29的排水速度为700-800 ml/min。
在本发明中，清洗刷与清洗用水分开，并采用刷墙与清洗的多级清洗模式，利用二刷三清洗的方式：润湿墙面—初步刷墙—初步水洗—再次刷墙—最终水洗，这种方式能够高效地清洗墙面，并且清洗效果较好。同时由于润湿墙面和初步水洗是利用初步处理的废水，不仅利用了废水，防止废水降落对地面行人与环境造成的影响，而且对于废水做简易的过滤处理，处理后的污水用作润湿未清洗墙面与初洗墙面，很好的利用了废水，但降低了污水处理成本，简化了污水处理装置，同时减小了清洗的耗水量，增大了清洗机器人的工作行程，也节约了用水。
本发明通过设置可选择的清洗模式，能够根据具体墙面的污损情况选择不同的清洗模式，针对性强，提高了清洗效率，并使得清洗效果提高。
本发明采用伸缩机构来完成机架与墙面的接触，通过电机的运行，可改变伸缩机构的伸缩量，从而使得机架与墙面的距离发生改变，使得清洗接触压力可控，可根据墙面具体的脏污程度来调节具体的压力值，进而保证墙面在清洗干净的前提下，减小了对墙面的磨损。
本发明的创新之处还在于：在结构上，使得机构更加紧凑，并且拆装维修方便；在控制上，清洗刷与喷头都是单独控制，控制简便；在效果上，由于采用多级清洗的方式，首先对墙面进行润湿，再对墙面进行初刷，然后进行初洗、再刷、最终水洗的过程，不仅清洗效率高，而且清洗效果好。

Claims (1)

1.一种多模态墙面清洗机器人控制方法，使用如下装置，包括机架(2)、绳(3)、收集装置、上伸缩机构(4)、上丝杆螺母副(5)、上伸缩用电机(6)、第一喷头(7)、第一导管(8)、上储水箱(9)、第一清洗刷(10)、第一减速器(11)、第一减速用电机(12)、第二喷头(13)、第二导管(14)、第二清洗刷(15)、第二减速器(16)、第二减速用电机(17)、第三喷头(18)、第三导管(19)、下储水箱(20)、下伸缩机构(21)、下丝杆螺母副(22)、下伸缩用电机(23)、收集板(24)、收集箱(25)、上滚轮(26)、下滚轮(27)、过滤板(28)、潜水泵(29)、潜水管(30)，
所述的机架(2)上设置有绳(3)，所述的上伸缩机构(4)固定在机架(2)上，所述的上伸缩机构(4)由第一伸缩杆和第一滚轮组成，第一滚轮压于墙体(1)上，第一伸缩杆的末端与上丝杆螺母副(5)的螺母相连，所述的上丝杆螺母副(5)的丝杆与上伸缩用电机(6)相连，
所述的第一喷头(7)固连在机架(2)上，所述的第一导管(8)的一端与第一喷头(7)相连，另一端与上储水箱(9)相连，
所述的第一清洗刷(10)通过轴承与机架(2)相连，第一清洗刷(10)的轴与第一减速器(11)的输出轴相连，所述的第一减速用电机(12)输出轴与第一减速器(11)的输入轴相连，
所述的第二喷头(13)固连在机架(2)上，所述的第二导管(14)的一端与第二喷头(13)相连，另一端与下储水箱(20)相连，
所述的第二清洗刷(15)通过轴承与机架(2)相连，第二清洗刷(15)的轴与第二减速器(16)的输出轴相连，所述的第二减速用电机(17)输出轴与第二减速器(16)的输入轴相连，
所述的第三喷头(18)固连在机架(2)上，所述的第三导管(19)的一端与第三喷头(18)相连，另一端与下储水箱(20)相连，
所述的下伸缩机构(21)固定在机架(2)上，所述的下伸缩机构(21)由第二伸缩杆和第二滚轮组成，第二滚轮压于墙体(1)上，第二伸缩杆的末端与下丝杆螺母副(22)的螺母相连，所述的下丝杆螺母副(22)的丝杆与下伸缩用电机(23)相连，
所述的收集装置由收集板(24)、收集箱(25)、上滚轮(26)、下滚轮(27)、过滤板(28)、潜水泵(29)、潜水管(30)组成，收集装置固连在机架(2)的下端，所述的收集箱(25)设有收集板(24)，收集板(24)与收集箱(25)在结合处所构成的锐角为30°，所述的收集板(24)上设置有上滚轮(26)，所述的收集箱(25)上设置有下滚轮(27)，所述的过滤板(28)固定在收集箱(25)的内壁上，并将收集箱(25)分为上下两腔，所述的潜水泵(29)设置在收集箱(25)的下腔，并与潜水管(30)的一端相连，所述的潜水管(30)的另一端与下储水箱(20)相连；
所述的第一减速器(11)与第二减速器(16)均为摆线针轮减速器；
其特征在于以下控制过程：
(1)工作模式的选择：
当墙面仅有灰尘时，选用30-70Pa的水压，选用邵氏硬度为50-70HA的清洗刷，清洗机器人沿墙面下降的速度为6-8m/min，上伸缩机构(4)与下伸缩机构(21)处于大行程动作状态，伸缩距离为80-100mm；当墙面含有大量粘性物质时，选用90-120Pa的水压，选用邵氏硬度为100-120HA的清洗刷，清洗机器人沿墙面下降的速度为3-5m/min，上伸缩机构(4)与下伸缩机构(21)处于小行程动作状态，伸缩距离为50-80mm；
(2)润湿墙面：
第三喷头(18)将下储水箱(20)中的污水喷洒到墙面，喷洒量为200-300ml，润湿墙面；
(3)初步刷墙：
清洗机器人下降，第二清洗刷(15)下降到原第三喷头(18)的位置，第二清洗刷(15)开始工作，清洗转速为150-180r/min，完成初步刷墙；
(4)初步水洗：
清洗机器人下降，第二喷头(13)下降到原第二清洗刷(15)的位置，第二喷头(13)开始工作，将下储水箱(20)中的污水喷洒到墙面，喷洒量为200-300ml，完成对墙面的初步水洗；
(5)再次刷墙：
清洗机器人下降，第一清洗刷(10)下降到原第二喷头(13)的位置，第一清洗刷(10)开始工作，清洗转速为220-250r/min，完成再次刷墙；
(6)最终水洗：
清洗机器人继续下降，第一喷头(7)下降到原第一清洗刷(10)的位置，第一喷头(7)开始工作，将上储水箱(9)中的清水喷洒到墙面，喷洒量为300-400ml，完成最终水洗；
(7)污水的收集处理：
收集板(24)将墙面清洗的污水收集至收集箱(25)，通过过滤板(28)对污水进行初步处理，并将处理后的污水通过潜水泵(29)与潜水管(30)送至下储水箱(20)，潜水泵(29)的排水速度为700-800ml/min。
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