CN107028566B - 可变姿飞行的清洁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可变姿能力的飞行的清洁机器人，包括涵道式变姿飞行装置、移动装置和清洁装置。利用电机带动涵道风扇转动，将飞行机器人壳体内部的空气抽出，并通过导向片的偏转来控制机器人的俯仰、横滚和偏航等，使机器人可实现垂直飞行、水平飞行和悬停，从而达到面面转换的能力。本发明飞行机器人可通过完成在不同壁面之间转换，能够清洁粉刷墙壁和天花板的灰尘，并且可以稳定悬停在壁面上并在墙壁上灵活移动和转弯，以适应不同的工作环境和要求。

Description

可变姿飞行的清洁机器人

技术领域

本发明涉及一种飞行机器人，特别是涉及一种具有清洁墙面能力的飞控移动机器人，应用于自动清洁机器人技术领域。

背景技术

目前开发的用于清洁室内外墙壁的清洁机器人的关键技术有：机器人吸附技术，机器人移动技术和清洗技术等。

清洁技术是通过刷子与墙面的机械摩擦清扫污垢和吸尘风扇的吸尘作用，适用于清洁室内墙面的表面去污。三种典型的清洗器：条刷、盘刷和滚刷，条刷具有结构紧凑单间，经过反复多次清洗才能满足要求，所以清洗效率较低。盘刷的刷毛呈环状布置，中心部分没有刷毛，工作区域为圆形。滚刷的清洗能力好，可以通过与前面的机械摩擦清扫污垢。

与地面移动机器人不同，壁面清洁机器人面临的主要问题是如何在保证机器人能在壁面上进行相关作业的前提下使机器人能够稳定的吸附在壁面上并能够实现壁面间的转换。目前比较成熟的清洁机器人的吸附方式主要有包括：真空吸附、负压吸附和机械硬接触吸附。

目前应用最多的方式的是机械硬接触吸附，此类机器人一般用于室外高楼玻璃幕墙的清洁，需要预先铺设导轨，体积大，效率较低。真空吸附一般为吸盘吸附，意大利热亚那大学研制了“Gecko”系列室内清洁机器人，适合于医院室内壁面的清洁，两个正交的吸盘交替吸附实现机器人从左到右水平移动喷嘴则根据传感器所检测到的墙面污渍的面积而喷出适当的消毒液体。申请号为201010150376.2的中国专利公开了一种负压吸附的室内墙壁清洁机器人，通过抽气风扇高速旋转抽吸空气，在空腔中形成真空，利用负压原理是机器人吸附于壁面。

而目前这几类室内清洁机器人都无法在保证墙壁清洁作业的前提下进行面面转换，清洁效率也因此降低。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种可变姿飞行的清洁机器人，采用涵道式变姿飞行控制系统，能以高效、经济的方式提供垂直动力和水平动力，本发明飞行机器人能通过垂直飞行和水平飞行完成在不同壁面之间转换，能够清洁粉刷墙壁和天花板的灰尘，并且能在墙壁上灵活移动和转弯，机器人可以稳定依附在不同材质壁面上，以适应不同的工作环境和要求。

为达到上述发明创造目的，本发明采用下述技术方案：

一种可变姿飞行的清洁机器人，包括飞行单元、起降装置和清洁单元，飞行单元采用涵道式变姿飞行装置，主要由具有短筒式结构的涵道外壳和涵道风扇组成飞行动力系统，沿着在涵道外壳的内腔中心轴向设置固定间接的上中心体和下中心体，上中心体还通过支撑架与涵道外壳固定相连，涵道风扇的转轴也沿着在涵道外壳的内腔中心轴向设置，涵道风扇以上中心体的中心轴为转轴进行转动，电机安装在上中心体内，并与涵道风扇的转轴相连接，通过主控装置控制电机，来驱动涵道风扇进行转动，下中心体主要通过固定片来与涵道外壳固定连接，在固定片的尾部活动连接安装能调整摆动角度的导向片，在下中心体内还安装舵机，通过主控装置控制舵机，来驱动导向片进行转动，从而操纵导向片的偏转，通过调整导向片的摆动角度来控制整体机器人的俯仰、横滚和偏航变姿动作，使机器人实现垂直飞行、水平飞行和悬停，起降装置安装在涵道外壳的底端，沿着涵道外壳的筒形外侧壁面上，还对称安装至少两套清洁单元，每套清洁单元皆由清洁装置外壳、除尘滚刷、滚刷电机、吸尘风扇、风扇支架、风扇电机、除尘室以及过滤网组成，清洁装置外壳固定安装在涵道外壳上，在涵道外壳内部形成管道式的除尘室，在清洁装置外壳内固定安装滚刷电机，除尘滚刷安装在滚刷轴上，并设置于除尘室的前端，形成灰尘收集部，通过主控装置控制滚刷电机，滚刷电机通过驱动滚刷轴来控制除尘滚刷对清洁部位进行清扫，吸尘风扇也安装在清洁装置外壳内，并位于除尘室的后半段区域内，吸尘风扇通过风扇支架在清洁装置外壳内进行定位安装，风扇支架的两端固定连接在清洁装置外壳上，风扇电机设置在清洁装置外壳内，通过主控装置控制风扇电机与滚刷电机时转动，驱动吸尘风扇将除尘滚刷清扫的灰尘吸入除尘室，并输送到除尘室的尾部，过滤网设置在除尘室的末端，从吸尘风扇的出风侧输出的夹杂着灰尘的空气到达过滤网时，经滤尘网将灰尘挡在除尘室内，并使干净的空气经过滤尘网排到外界。

作为本发明的一种优选的技术方案，清洁单元包括两套，分别安装在涵道外壳上，在涵道外壳表面上对称设置。

作为本发明的另一种优选的技术方案，清洁单元包括3套，分别安装在涵道外壳上，在涵道外壳表面上对称设置，任意相邻的两套清洁单元的在涵道外壳外表面上的距离相等。

上述过滤网优选能够进行独立更换。

作为上述方案的一种进一步优选的技术方案，下中心体通过4片固定片来与涵道外壳固定连接，4片固定片以下中心体为中心形成十字形结构设置，即每片固定片的两端皆分别连接下中心体和涵道外壳，在每片固定片的尾部分别独立安装能调整摆动角度的导向片，每个导向片由对应的舵机来驱动偏转。

作为上述方案的另一种进一步优选的技术方案，下中心体通过8片固定片来与涵道外壳固定连接，8片固定片形成井字形结构设置，组成4组由两片相邻且平行的固定片组成的固定连接体，以下中心体作为井字形结构的中央部分，即每片固定片的两端皆分别连接下中心体和涵道外壳，在每片固定片的尾部分别独立安装能调整摆动角度的导向片，并由不同的舵机来驱动每个导向片的偏转角度。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，在相互平行的同一组的两片固定片的尾部活动连接安装两片平行设置的导向片，形成由两片平行设置的导向片组成的一个活动导向翼片组合体，在同一个活动导向翼片组合体中，采用两端带有铰链连接部的连接杆，作为牵引拉杆或推力支撑杆，将相互平行的两片导向片活动连接在一起，使相互平行的两片导向片及其连接杆与下中心体一起构成双摇杆式的四连杆机构，采用一个舵机驱动其中任意一片导向片，即可同时牵引另一片导向片，使两片导向片进行相同偏转角度的摆动，从而改变涵道外壳的内腔风场的边界形态。

作为上述方案的进一步优选的技术方案，在下中心体内安装传感器、压电陀螺仪和加速计，通过各传感器实时监测到飞行机器人的飞行姿态，所测飞行数据提供给主控装置，用于飞行机器人的飞行控制。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明飞行机器人通过涵道式变姿飞行结构实现机器人的上升、前进和悬停的动作，可以完成任意角度相接的两不同壁面之间的转换，可以悬停依附在任意墙面上并在墙面上移动，扩大了机器人在室内的活动范围；

2.本发明机器人通过涵道内旋翼的旋转为飞行机器人提供起飞的升力，通过对导向片的控制，操纵飞行机器人的飞行姿态，变姿飞行到水平或垂直状态后，旋翼能够为飞行机器人的飞行提供前进的动力；

3.本发明机器人悬停依附在墙面上并进行水平方向的移动，通过滚刷和吸尘风扇将墙壁上的灰尘清理干净，清洁能力强，集尘效果好，可全面清洁整个墙面。

附图说明

图1为本发明实施例一可变姿飞行的清洁机器人的结构示意图。

图2为本发明实施例一可变姿飞行的清洁机器人的前端结构示意图。

图3为本发明实施例一可变姿飞行的清洁机器人的后端结构示意图。

图4为本发明实施例一的上中心体的结构示意图。

图5为本发明实施例一的下中心体的结构示意图。

图6为本发明实施例一的清洁单元的结构示意图。

图7为本发明实施例一的清洁单元的轮廓结构示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1～7，一种可变姿飞行的清洁机器人，包括飞行单元、起降装置 4和清洁单元，飞行单元采用涵道式变姿飞行装置，主要由具有短筒式结构的涵道外壳8和涵道风扇3组成飞行动力系统，沿着在涵道外壳8的内腔中心轴向设置固定间接的上中心体 1和下中心体5，上中心体1还通过支撑架9与涵道外壳8固定相连，涵道风扇3的转轴也沿着在涵道外壳8的内腔中心轴向设置，涵道风扇3以上中心体1的中心轴为转轴进行转动，电机7安装在上中心体1内，并与涵道风扇3的转轴相连接，通过主控装置控制电机7，来驱动涵道风扇3进行转动，下中心体5主要通过固定片2来与涵道外壳8固定连接，在固定片2的尾部活动连接安装能调整摆动角度的导向片6，在下中心体5内还安装舵机，通过主控装置控制舵机，来驱动导向片6进行转动，从而操纵导向片的偏转，通过调整导向片6的摆动角度来控制整体机器人的俯仰、横滚和偏航变姿动作，使机器人实现垂直飞行、水平飞行和悬停，在下中心体5内安装传感器、压电陀螺仪和加速计，通过各传感器实时监测到飞行机器人的飞行姿态，所测飞行数据提供给主控装置，用于飞行机器人的飞行控制，起降装置4安装在涵道外壳8的底端，沿着涵道外壳8的筒形外侧壁面上，还对称安装至少两套清洁单元，每套清洁单元皆由清洁装置外壳11、除尘滚刷12、滚刷电机13、吸尘风扇14、风扇支架15、风扇电机16、除尘室10以及过滤网17组成，清洁装置外壳11固定安装在涵道外壳8上，在涵道外壳8内部形成管道式的除尘室10，在清洁装置外壳11内固定安装滚刷电机13，除尘滚刷12安装在滚刷轴上，并设置于除尘室10的前端，形成灰尘收集部，通过主控装置控制滚刷电机13，滚刷电机13通过驱动滚刷轴来控制除尘滚刷12对清洁部位进行清扫，吸尘风扇14也安装在清洁装置外壳11内，并位于除尘室10的后半段区域内，吸尘风扇14通过风扇支架15在清洁装置外壳11内进行定位安装，风扇支架15的一端固定连接在清洁装置外壳11上，风扇电机16设置在清洁装置外壳11内，通过主控装置控制风扇电机 16与滚刷电机13同时转动，驱动吸尘风扇14将除尘滚刷12清扫的灰尘吸入除尘室10，并输送到除尘室10的尾部，过滤网17设置在除尘室10的末端，从吸尘风扇14的出风侧输出的夹杂着灰尘的空气到达过滤网17时，经滤尘网17将灰尘挡在除尘室10内，并使干净的空气经过滤尘网17排到外界。

在本实施例中，参见图1～3、图6和图7，清洁单元包括两套，分别安装在涵道外壳8上，在涵道外壳8表面上对称设置。

在本实施例中，参见图6，过滤网17能够进行独立更换。

在本实施例中，参见图1～3和图5，下中心体5通过8片固定片2来与涵道外壳8固定连接，8片固定片2形成井字形结构设置，组成4组由两片相邻且平行的固定片2组成的固定连接体，以下中心体5作为井字形结构的中央部分，即每片固定片2的两端皆分别连接下中心体5和涵道外壳8，在每片固定片2的尾部分别独立安装能调整摆动角度的导向片6，并由不同的舵机来驱动每个导向片6的偏转角度。

在本实施例中，参见图1～3和图5，在相互平行的同一组的两片固定片2的尾部活动连接安装两片平行设置的导向片6，形成由两片平行设置的导向片6组成的一个活动导向翼片组合体，在同一个活动导向翼片组合体中，采用两端带有铰链连接部的连接杆，作为牵引拉杆或推力支撑杆，将相互平行的两片导向片6活动连接在一起，使相互平行的两片导向片6 及其连接杆与下中心体5一起构成双摇杆式的四连杆机构，采用一个舵机驱动其中任意一片导向片6，即可同时牵引另一片导向片6，使两片导向片6进行相同偏转角度的摆动，从而改变涵道外壳8的内腔风场的边界形态。

在本实施例中，参见图1～7，具有变姿飞行能力的室内墙壁清洁机器人为对称平面结构，涵道式变姿飞行装置的总体结构主要包括涵道风扇3、上中心体1、下中心体5、固定片2、导向片6和起降装置4各部分。电机7直接与涵道风扇3相连，通过涵道内的涵道风扇3的旋转为飞行机器人提供升力，固定片2为飞行机器人提供平衡旋翼扭矩的反扭矩，通过对导向片6的控制，操纵机器人的飞行姿态，变姿到水平飞行状态后，旋翼能够为飞行机器人的飞行提供前进的动力。如图4所示，涵道式变姿飞行机器人的上中心体1也为圆柱形，其内安装电机7，是涵道式变姿飞行机器人的动力部分。上中心体1通过支撑架9与涵道外壳8 相连，涵道风扇3的旋转通过安装在上中心体1内的电机7带动。在下中心体5内安装传感器、压电陀螺仪和加速计，通过这些传感器和仪表能实时监测到飞行机器人的飞行姿态，所测的飞行数据能用于飞行机器人的飞行控制。下中心体5主要通过固定片2来与涵道外壳8 相连接，共有8片，分成4组安装，固定片2尾部安装导向片6，导向片6分为4组，每组导向片6由一个舵机驱动，舵机安装在下中心体5内。舵机驱动其中的一个导向片6，带动另外一个导向片6转动，从而操纵导向片6的偏转。飞行机器人的俯仰、横滚和偏航等就是通过导向片6的偏转来控制，从而实现面面转换的能力。

在本实施例中，参见图1～3、图6和图7，飞行机器人包括2组清洁装置，分别安装在机身前后两侧，用于擦除灰尘的除尘滚刷12与用于吸尘的吸尘风扇14结合工作，吸尘风扇14与除尘滚刷12同时转动，擦除壁面上附着的灰尘。灰尘脱离墙面后，由吸尘风扇14吸走，进去除尘室10内，再经过滤网17将灰尘挡在除尘室10内，干净的空气再经过过滤网17排到外界。本实施例在清洁机构设计时充分考虑机器人的质量分布，采用对称结构，使机器人能灵活的飞行并移动。

本发明在工作时，由电机7带动涵道风扇3产生升力，当发动机飞到天花板的高度时，通过控制涵道风扇3转速的变化改变涵道风扇3运转所产生的拉力或推力，使飞行机器人依附于墙体表面，舵机驱动导向片6转动，使飞行机器人依附于墙面水平运动从而进行清洁工作；当飞行机器人进行面面转换时，只需控制导向片6，使飞行机器人另一侧上安装的清洁装置依附于需要过渡的墙面完成清洁工作；清洁天花板时，飞行机器人通过涵道风扇3和导向片6的控制俯仰旋转至水平状态，完成天花板的清洁。

本发明具有可变姿飞行能力的清洁机器人，利用无刷电机带动涵道风扇3转动将机器人壳体内部的空气抽出，并通过导向片6的偏转来控制机器人的俯仰、横滚和偏航等，使机器人可实现垂直飞行、水平飞行和悬停，从而达到面面转换的能力。本实施例飞行机器人通过完成在不同壁面之间转换，能够清洁粉刷墙壁和天花板的灰尘，并且可以稳定悬停在壁面上并在墙壁上灵活移动和转弯，以适应不同的工作环境和要求。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，清洁单元包括3套，分别安装在涵道外壳8上，在涵道外壳8表面上对称设置，任意相邻的两套清洁单元的在涵道外壳8外表面上的距离相等，及以。本实施例飞行机器人以上中心体1或下中心体5的轴线为对称轴，在垂直于对称轴的平面上，以彼此为 120度的角度进行设置，方便本实施例飞行机器人通过完成在不同壁面之间转换时，切换和选择使用清洁单元进行灵活的墙壁清洁工作。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，下中心体5通过4片固定片2来与涵道外壳8固定连接，4片固定片2以下中心体5为中心形成十字形结构设置，即每片固定片2的两端皆分别连接下中心体5和涵道外壳8，在每片固定片2的尾部分别独立安装能调整摆动角度的导向片6，每个导向片6由对应的舵机来驱动偏转。本实施例采用4片固定片2的控制来调整飞行机器人的飞行姿态，结构和控制方式更为简单，完全能够适应大部分墙壁的清洁工作，简化机械结构，节省制造成本。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明可变姿飞行的清洁机器人的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种可变姿飞行的清洁机器人，包括飞行单元、起降装置（4）和清洁单元，其特征在于：所述飞行单元采用涵道式变姿飞行装置，主要由具有短筒式结构的涵道外壳（8）和涵道风扇（3）组成飞行动力系统，沿着在所述涵道外壳（8）的内腔中心轴向设置固定间接的上中心体（1）和下中心体（5），所述上中心体（1）还通过支撑架（9）与所述涵道外壳（8）固定相连，所述涵道风扇（3）的转轴也沿着在所述涵道外壳（8）的内腔中心轴向设置，所述涵道风扇（3）以所述上中心体（1）的中心轴为转轴进行转动，电机（7）安装在所述上中心体（1）内，并与所述涵道风扇（3）的转轴相连接，通过主控装置控制所述电机（7），来驱动所述涵道风扇（3）进行转动，所述下中心体（5）主要通过固定片（2）来与所述涵道外壳（8）固定连接，在所述固定片（2）的尾部活动连接安装能调整摆动角度的导向片（6），在所述下中心体（5）内还安装舵机，通过主控装置控制所述舵机，来驱动所述导向片（6）进行转动，从而操纵导向片的偏转，通过调整所述导向片（6）的摆动角度来控制整体机器人的俯仰、横滚和偏航变姿动作，使机器人实现垂直飞行、水平飞行和悬停，所述起降装置（4）安装在所述涵道外壳（8）的底端，沿着所述涵道外壳（8）的筒形外侧壁面上，还对称安装至少两套清洁单元，每套清洁单元皆由清洁装置外壳（11）、除尘滚刷（12）、滚刷电机（13）、吸尘风扇（14）、风扇支架（15）、风扇电机（16）、除尘室（10）以及过滤网（17）组成，所述清洁装置外壳（11）固定安装在所述涵道外壳（8）上，在所述涵道外壳（8）内部形成管道式的除尘室（10），在所述清洁装置外壳（11）内固定安装滚刷电机（13），所述除尘滚刷（12）安装在滚刷轴上，并设置于所述除尘室（10）的前端，形成灰尘收集部，通过主控装置控制所述滚刷电机（13），所述滚刷电机（13）通过驱动滚刷轴来控制所述除尘滚刷（12）对清洁部位进行清扫，所述吸尘风扇（14）也安装在所述清洁装置外壳（11）内，并位于所述除尘室（10）的后半段区域内，所述吸尘风扇（14）通过风扇支架（15）在清洁装置外壳（11）内进行定位安装，风扇支架（15）的一端固定连接在所述清洁装置外壳（11）上，所述风扇电机（16）设置在所述清洁装置外壳（11）内，通过主控装置控制所述风扇电机（16）与所述滚刷电机（13）同时转动，驱动所述吸尘风扇（14）将所述除尘滚刷（12）清扫的灰尘吸入所述除尘室（10），并输送到所述除尘室（10）的尾部，所述过滤网（17）设置在所述除尘室（10）的末端，从所述吸尘风扇（14）的出风侧输出的夹杂着灰尘的空气到达所述过滤网（17）时，经所述过滤网（17）将灰尘挡在除尘室（10）内，并使干净的空气经过所述过滤网（17）排到外界；

在所述下中心体（5）内安装传感器、压电陀螺仪和加速计，通过各所述传感器实时监测到飞行机器人的飞行姿态，所测飞行数据提供给主控装置，用于飞行机器人的飞行控制。

2.根据权利要求1所述可变姿飞行的清洁机器人，其特征在于：所述清洁单元包括两套，分别安装在所述涵道外壳（8）上，在所述涵道外壳（8）表面上对称设置。

3.根据权利要求1所述可变姿飞行的清洁机器人，其特征在于：所述清洁单元包括3套，分别安装在所述涵道外壳（8）上，在所述涵道外壳（8）表面上对称设置，任意相邻的两套所述清洁单元的在所述涵道外壳（8）外表面上的距离相等。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述可变姿飞行的清洁机器人，其特征在于：所述过滤网（17）能够进行独立更换。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述可变姿飞行的清洁机器人，其特征在于：所述下中心体（5）通过4片所述固定片（2）来与所述涵道外壳（8）固定连接，4片所述固定片（2）以所述下中心体（5）为中心形成十字形结构设置，即每片所述固定片（2）的两端皆分别连接所述下中心体（5）和所述涵道外壳（8），在每片所述固定片（2）的尾部分别独立安装能调整摆动角度的导向片（6），每个导向片（6）由对应的舵机来驱动偏转。

6.根据权利要求1～3中任意一项所述可变姿飞行的清洁机器人，其特征在于：所述下中心体（5）通过8片所述固定片（2）来与所述涵道外壳（8）固定连接，8片所述固定片（2）形成井字形结构设置，组成4组由两片相邻且平行的固定片（2）组成的固定连接体，以所述下中心体（5）作为井字形结构的中央部分，即每片所述固定片（2）的两端皆分别连接所述下中心体（5）和所述涵道外壳（8），在每片所述固定片（2）的尾部分别独立安装能调整摆动角度的导向片（6），并由不同的舵机来驱动每个导向片（6）的偏转角度。

7.根据权利要求6所述可变姿飞行的清洁机器人，其特征在于：在相互平行的同一组的两片所述固定片（2）的尾部活动连接安装两片平行设置的导向片（6），形成由两片平行设置的导向片（6）组成的一个活动导向翼片组合体，在同一个活动导向翼片组合体中，采用两端带有铰链连接部的连接杆，作为牵引拉杆或推力支撑杆，将相互平行的两片所述导向片（6）活动连接在一起，使相互平行的两片所述导向片（6）及其连接杆与所述下中心体（5）一起构成双摇杆式的四连杆机构，采用一个舵机驱动其中任意一片所述导向片（6），即可同时牵引另一片所述导向片（6），使两片导向片（6）进行相同偏转角度的摆动，从而改变所述涵道外壳（8）的内腔风场的边界形态。