CN108755631A - 一种水域清洁机器人及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水域清洁机器人及系统，属于水污染物清洁技术领域。所述水域清洁机器人包括驱动装置、至少一个浮力装置和过滤桶，所述驱动装置包括壳体、引流机构和主控芯片，所述引流机构的引流电机的输出轴从所述壳体的底部通孔伸出与引流螺旋叶片连接，浮力装置通过第一连接杆与所述壳体连接，所述过滤桶包括桶身和过滤网，所述桶身通过第二连接杆与所述壳体连接，所述桶身朝向所述壳体一面设置有进水开口，所述过滤网水平设置在所述桶身下半部并与所述桶身的底部留有空隙。所述水域清洁机器人配合所述水域清洁系统中的遥控装置对水域进行自动清洁，操作简单，节省大量人力物力。

Description

一种水域清洁机器人及系统

技术领域

本发明涉及水污染物清洁技术领域，具体而言，涉及一种水域清洁机器人及系统。

背景技术

随着人工湖的不断增多，以及到人工湖周边游玩人员的增加，人工湖水域中的人造垃圾、浮叶等污染物越来越多，用人力清洁费时费力。同时，随着工业化进程的不断加快，水资源的污染与保护已经成为人们日常关心的重要议题，为此每年政府投入大量的人力物力，但是无论是从水面清洁效率，还是最终的清洁效果而言人工清洁都有很大的不足。依靠人工的水域清洁，不但清洁时间比较长耗费较多的人力物力，同时在人工清洁过程中还可能造成水资源的二次污染。

随着科技的发展，机械自动化已经成为一种趋势。目前国外的类似产品大都是基于机器视觉原理来识别出垃圾位置，但是并没有具体的垃圾收集装置及垃圾处理装置，而市场上现存的水上清洁机器人或因结构设计复杂、功能单一、实用性较差，得不到广泛应用。水上清洁的主力依然是人工，问题没有得到有效的解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水域清洁机器人及系统，以改善上述问题。

本发明的实施例是这样实现的：

本发明提供了一种水域清洁机器人，所述水域清洁机器人包括驱动装置、至少一个浮力装置和过滤桶。所述驱动装置包括壳体、引流机构和主控芯片，所述引流机构包括引流电机和引流螺旋叶片，所述引流电机的输出轴从所述壳体的底部通孔伸出并与所述引流螺旋叶片连接，所述引流电机与所述主控芯片连接。所述至少一个浮力装置中的每个浮力装置通过第一连接杆与所述壳体连接，所述水域清洁机器人浮在水面上时，每个浮力装置与水面的接触位置比所述壳体的底部低，以使所述壳体高于所述水面。所述过滤桶包括桶身和过滤网，所述桶身通过第二连接杆与所述壳体连接，所述桶身朝向所述壳体一面设置有进水开口，所述进水开口的位置比所述壳体的底部低，以使所述水域清洁机器人漂浮时所述进水开口低于所述水面，所述过滤网水平设置在所述桶身下半部并与所述桶身的底部留有空隙。

在本发明可选的实施例中，所述驱动装置还包括排水机构，所述排水机构包括水泵、进水管和出水管。所述水泵设置在所述壳体内，与所述主控芯片连接。所述进水管的一端与所述水泵的进水口连接，另一端延伸至所述过滤网与所述桶身底部的空隙中。所述出水管的一端与所述水泵的出水口连接，另一端通过所述壳体上的出水通孔伸出所述壳体。

在本发明可选的实施例中，所述桶身包括排水开口，所述排水开口设置在所述桶身的底部。

在本发明可选的实施例中，所述水域清洁机器人还包括摄像装置，所述摄像装置设置在所述壳体外并与所述主控芯片连接。

在本发明可选的实施例中，所述水域清洁机器人还包括传感装置，所述传感装置设置在所述壳体内，所述传感装置包括卫星定位模块，所述卫星定位模块与所述主控芯片连接。

在本发明可选的实施例中，所述传感装置还包括惯性传感器，所述惯性传感器与所述主控芯片连接。

在本发明可选的实施例中，所述过滤桶沿所述桶身内壁还设置有螺旋挡板。

在本发明可选的实施例中，所述水域清洁机器人还包括太阳能供电装置，所述太阳能供电装置包括太阳能电池板、控制器和蓄电池，所述太阳能电池板设置在所述壳体上，所述控制器以及所述蓄电池设置在所述壳体内，所述控制器分别与所述蓄电池、所述太阳能电池板连接以及所述主控芯片连接。

在本发明可选的实施例中，所述驱动装置还包括行进机构，所述行进机构包括行进电机、密封壳体和行进螺旋叶片，所述密封壳体设置在所述驱动装置的所述壳体的外部侧面，所述密封壳体与所述壳体外表面合围形成密闭空腔，所述行进电机设置在所述密闭空腔中，所述行进电机的输出轴与设置在所述密封壳体外的所述行进螺旋叶片连接，所述行进机构与所述主控芯片连接。

本发明提供了还一种水域清洁系统，所述水域清洁系统包括上述水域清洁机器人和遥控装置，所述遥控装置与每个水域清洁机器人的主控芯片连接，所述遥控装置用于控制所述水域清洁机器人的行进方向和速度，还用于接收并显示所述水域清洁机器人传回的相关数据。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供了一种水域清洁机器人及系统，所述水域清洁机器人通过驱动装置中的第一驱动机构驱动所述第一螺旋叶片旋转使垃圾随水自动进入过滤桶，使垃圾收集过程自动化、机械化，提高了水域清洁效率。所述水域清洁机器人的浮力装置的下表面的位置比壳体的底部低，所述过滤桶的进水开口低于所述水面，在确保垃圾能随水流入过滤桶的同时避免所述驱动装置中的电气元件浸泡在水中，提升了所述水域清洁机器人的安全性和稳定性。同时，所述桶身下半部还设置有过滤网，将垃圾和水分离，进一步确保了垃圾不会再次泄漏，从而提高了水域垃圾清理的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰，在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明实施例提供的一种水域清洁机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种水域清洁机器人的剖视图；

图3为本发明第一实施例提供的一种水域清洁机器人的主控芯片连接示意图；

图4为本发明第二实施例提供的一种水域清洁系统的模块图；

图5为本发明第二实施例提供的另一种水域清洁机器人的结构示意图。

图标：10－水域清洁机器人；11－驱动装置；111－壳体；112－引流电机；113－引流螺旋叶；114－主控芯片；115－进水管；116－出水管；117－密封壳体；118－行进螺旋叶片；12－浮力装置；121－第一连接杆；13－过滤桶；131－桶身；132－过滤网；133－第二连接杆；134－进水开口；14－摄像装置；15－传感装置；16－太阳能供电装置；161－太阳能电池板；20－水域清洁系统；21－水域清洁机器人；211－排水开口；22－遥控装置。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

第一实施例

经本申请人研究发现，目前的水域清洁相关机器人的功能都是通过机器视觉识别水上污染物，而没有针对水上垃圾自动收集研制的成熟的水域清洁机器人。与此同时，依靠人工收集水域垃圾的传统水面清洁方法又耗费了大量的人力物力，还存在清洁效率低下的问题。为了改善上述问题，本发明实施例提供了一种水域清洁机器人10。

请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种水域清洁机器人的结构示意图。

水域清洁机器人10包括驱动装置11、浮力装置12和过滤桶13，其中，驱动装置11、浮力装置12固定连接在过滤桶13上。

请参考图2，图2为本发明实施例提供的一种水域清洁机器人的剖视图。

驱动装置11包括壳体111、引流机构和主控芯片114，其中所述引流机构包括引流电机112和引流螺旋叶113。

考虑到水域清洁机器人10需要在水中工作，驱动装置11中包含有大量电气元件，因此壳体111应当采用防水材料制成，例如塑料、不锈钢等。为了进一步增强壳体111的防水效果，壳体111的外表面还可以涂有防水涂层，并在各面连接处加设防水橡胶条。

所述引流机构包括引流电机112和引流螺旋叶113，所述引流电机112的输出轴从所述壳体111的底部通孔伸出并与所述引流螺旋叶113连接。作为一种可选的实施方式，所述引流机构还可以包括与所述引流电机112连接的电机驱动芯片以及增量型编码器，以组成一个完成的运动控制系统，其中，所述引流电机112、所述电机驱动芯片和所述增量型编码器均与所述主控芯片114连接。其中，作为一种可选的实施方式，所述引流电机112可以是常见的步进电机。

其中，所述主控芯片114可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。上述的主控芯片114可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(Network Processor，NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital SignalProcessing，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。所述通用处理器可以是微处理器或者任何常规的处理器。于本实施例中，可选地，该主控芯片114可以是STM32系列的处理器，例如STM32F103C8T6、STM32F103VET6和STM32F4等型号，并且引入针对电机控制的PI双闭环控制和PID串级控制的算法。其中，PI双闭环控制即双闭环(转速环、电流环)直流调速系统是一种当前应用广泛，经济，适用的电力传动系统，它具有动态响应快、抗干扰能力强的优点；串级控制就是采用两个控制器串联工作，外环控制器的输出作为内环控制器的设定值，由内环控制器的输出去操纵控制阀，从而对外环被控量具有更好的控制效果，这样的控制系统被称为串级系统，PID串级控制就是串级控制中的两个控制器均为PID控制器。

可选地，本实施例中的驱动装置11还包括排水机构，所述排水机构包括水泵、进水管115和出水管116。所述水泵设置在所述壳体111内，与所述主控芯片114连接。所述进水管115的一端与所述水泵的进水口连接，另一端延伸至所述过滤桶13的底部。所述出水管116的一端与所述水泵的出水口连接，另一端通过所述壳体111上的出水通孔伸出所述壳体111。

考虑到水域清洁机器人10可能需要在一定的水域范围的水面上活动，才能够进一步提高水域清洁效率，因此作为一种实施方式，本实施例中的驱动装置11还包括行进机构，所述行进机构包括行进电机、密封壳体117和行进螺旋叶片118。所述密封壳体117设置在所述驱动装置11的所述壳体111的外部侧面，所述密封壳体117与所述壳体111外表面合围形成密闭空腔，所述行进电机设置在所述密闭空腔中。进一步地，所述密封壳体117的材料选择和防水措施可以和壳体111类似。所述行进电机的输出轴与设置在所述密封壳体外的所述行进螺旋叶片118连接，所述行进电机与所述主控芯片114连接。可选地，所述行进机构的数量可以为一个或者多个，其行进螺旋叶片118的朝向可以相同(设置转向舵进行转向)，也可以不同。

浮力装置12的数量可以为一个或者多个，每个浮力装置12通过第一连接杆121与所述壳体111连接，每个浮力装置12的下表面的位置比所述壳体111的底部低，以使所述水域清洁机器人10浮在水面上时所述壳体111高于所述水面。其中，第一连接杆121与壳体111的连接方式，以及第一连接杆121与浮力装置12的连接方式均为可拆卸的固定连接方式，例如螺纹连接、卡口连接等。

可选地，浮力装置12可以为充气气囊或其他能够稳定漂浮在水面上为水域清洁机器人10提供足够浮力的装置。进一步地，所述浮力装置12还可以和所述主控芯片114连接，同时具有浮力大小调控功能，以调整过滤桶13与水面的距离，便于在需要排出过滤桶13中的水转换清洁区域时将过滤桶13抬高。

过滤桶13包括桶身131和过滤网132，过滤网132设置在桶身131内。

桶身131通过第二连接杆133与所述壳体111连接，桶身131朝向所述壳体111一面设置有进水开口134，进水开口134的位置比所述壳体111的底部低，以使所述水域清洁机器人10漂浮时所述进水开口134低于水面。其中，第二连接杆133与壳体111的连接方式，以及第二连接杆133与桶身131的连接方式均为可拆卸的固定连接方式，例如螺纹连接、卡口连接等。

同时，所述过滤网132水平设置在所述桶身131下半部并与所述桶身131的底部留有空隙，以使所述排水机构的进水管115在所述空隙中吸水。

进一步地，为了防止随水流入过滤桶13的垃圾外泄，过滤桶13沿所述桶身131内壁还设置有螺旋挡板133。

请参考图3，图3为本发明第一实施例提供的一种水域清洁机器人的主控芯片连接示意图。

为了对水域清洁机器人10的清洁工作进行更好的监控，以提高其清洁工作的自动化程度，水域清洁机器人10还包括摄像装置14，摄像装置14设置在所述壳体111外并与所述主控芯片114连接。作为一种实施方式，摄像装置14的摄像头朝向前方稍微偏向水面的方向，所述偏向角度可取5－20度之间。

水域清洁机器人10还可以包括传感装置15，传感装置15设置在壳体111内，传感装置15包括卫星定位模块和惯性传感器，所述卫星定位模块和所述惯性传感器均与主控芯片114连接。进一步地，所述卫星定位模块可以是全球卫星定位系统(GPS)或北斗卫星导航系统(BDS)。可选地，作为一种实施方式，所述惯性传感器包括加速度计和陀螺仪，可以是对速度计和陀螺仪进行整合设置的MPU－6050运动处理组件，相较于多组件方案，MPU－6050免除了组合陀螺仪与加速器时间轴之差的问题，减少了大量的封装空间。本实施例通过速度计和陀螺仪进行惯性导航，同时由于长期测量时陀螺仪会漂移而加速度计正常，瞬时测量时陀螺仪无误差而加速度会漂移，本实施例通过主控芯片114对MPU－6050采集到的加速度和角速度信息进行分别建系，对两者采集的惯性数据进行融合以及互补滤波，控制系统平衡。作为一种可选的实施方式，传感装置15还可以包括与主控芯片114连接的HMC5983磁力计。

考虑到水域清洁机器人10在水面移动进行水域清洁工作，进行有线供电、电池更换或有线充电均有不便，并且会影响水域清洁机器人10的灵活性。为了解决上述问题，水域清洁机器人10通过太阳能供电装置16进行供电，太阳能供电装置16包括太阳能电池板161、控制器和蓄电池，所述太阳能电池板161设置在所述壳体111上，所述控制器以及所述蓄电池设置在所述壳体111内，所述控制器分别与所述蓄电池、所述太阳能电池板161连接以及所述主控芯片114连接。可选地，太阳能电池板161通过连接杆与壳体111完成可拆卸式的固定连接。

在水域清洁机器人10完成水域垃圾收集工作后，为了更快地移动到指定地点，应该停止水域垃圾收集运作后进行移动，以获得更快的移动速度。为了在完成水域垃圾收集后使进水开口134高于水面，壳体111内还设置有与浮力装置12连接的动力机构，所述动力机构通过驱动丝杠使浮力装置12下沉，抬高进水开口134，再通过所述排水机构将过滤桶13中的水排除，进而为快速移动做好准备。

进一步地，水域清洁机器人10除了能在操作人员的控制下执行垃圾收集任务，还可以进行自主巡航，在自主巡航模式下，水域清洁机器人10的主控芯片114通过传感装置15采集的数据实时检测水域清洁机器人10在水中的速度、位置和航向。同时操作人员可以通过对应的遥控装置或安装有对应APP的手机对所述水域清洁机器人10在水中的速度、位置和航向进行实时监控，所述操作人员还能够进行水域垃圾收集路线规划，以使水域清洁机器人10按照所述水域垃圾收集路线规划控制自动进行前进、转向等动作到达指定地点，通过摄像装置14采集到水面镜像信息并确定垃圾位置，水域清洁机器人10的所述引流机构和所述排水机构在主控芯片114的控制下完成水域垃圾收集，并在完成所述水域垃圾收集后控制所述动力机构通过驱动丝杠使浮力装置12下沉，抬高进水开口134，再通过所述排水机构将过滤桶13中的水排除，自主进入所述水域垃圾收集路线规划中的下一指定水域进行水域垃圾收集工作，在所述水域垃圾收集路线规划中所有指定水域的水域垃圾收集工作全部完成后，水域清洁机器人10可自动返航或根据操作人员的指令一键返航。

第二实施例

请参考图4，图4为本发明第二实施例提供的一种水域清洁系统的模块图。

水域清洁系统20包括至少一个水域清洁机器人21和遥控装置22。

请参考图5，图5为本发明第二实施例提供的另一种水域清洁机器人的结构示意图。

水域清洁机器人21与第一实施例中的水域清洁机器人10的区别在于水域清洁机器人21的除了可以通过排水机构排水外，还可以通过设置在所述桶身131底部的排水开口211进行排水，同时浮力装置12的形状由椭圆形转变为球形，桶身131的形状由椭圆变为圆桶形。

可选地，遥控装置22采用乐迪AT10遥控器，具有12个通道，通信距离理论为1.8km，完全满足通信距离的通信安全，并且采用了常用的2.4G通信频段，数据打包解析非常安全，可操作性强，遥控器手感舒服。

进一步地，为了对水域清洁机器人21的工作情况进行实时监控，遥控装置22还可以是通过数传模块与水域清洁机器人21连接的智能手机等设备，并且可以配套安装有可实时接收水域清洁机器人21的传感数据和图像数据的应用程序。综上所述，本发明实施例提供了一种水域清洁机器人及系统，所述水域清洁机器人通过驱动装置中的第一驱动机构驱动所述第一螺旋叶片旋转使垃圾随水自动进入过滤桶，使垃圾收集过程自动化、机械化，提高了水域清洁效率。所述水域清洁机器人的浮力装置的下表面的位置比壳体的底部低，所述过滤桶的进水开口低于所述水面，在确保垃圾能随水流入过滤桶的同时避免所述驱动装置中的电气元件浸泡在水中，提升了所述水域清洁机器人的安全性和稳定性。同时，所述桶身下半部还设置有过滤网，将垃圾和水分离，进一步确保了垃圾不会再次泄漏，从而提高了水域垃圾清理的效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种水域清洁机器人，其特征在于，所述水域清洁机器人包括：

驱动装置，包括壳体、引流机构和主控芯片，所述引流机构包括引流电机和引流螺旋叶片，所述引流电机的输出轴从所述壳体的底部通孔伸出并与所述引流螺旋叶片连接，所述引流电机与所述主控芯片连接；

至少一个浮力装置，每个浮力装置通过第一连接杆与所述壳体连接，所述水域清洁机器人浮在水面上时，每个浮力装置与水面的接触位置比所述壳体的底部低，以使所述壳体高于所述水面；

过滤桶，包括桶身和过滤网，所述桶身通过第二连接杆与所述壳体连接，所述桶身朝向所述壳体一面设置有进水开口，所述进水开口的位置比所述壳体的底部低，以使所述水域清洁机器人收集垃圾时所述进水开口低于所述水面，所述过滤网水平设置在所述桶身下半部并与所述桶身的底部留有空隙。

2.根据权利要求1所述的水域清洁机器人，其特征在于，所述驱动装置还包括排水机构，所述排水机构包括水泵、进水管和出水管；

所述水泵设置在所述壳体内，与所述主控芯片连接；

所述进水管的一端与所述水泵的进水口连接，另一端延伸至所述过滤网与所述桶身底部的空隙中；

所述出水管的一端与所述水泵的出水口连接，另一端通过所述壳体上的出水通孔伸出所述壳体。

3.根据权利要求1所述的水域清洁机器人，其特征在于，所述桶身包括排水开口，所述排水开口设置在所述桶身的底部。

4.根据权利要求1所述的水域清洁机器人，其特征在于，所述水域清洁机器人还包括摄像装置，所述摄像装置设置在所述壳体外并与所述主控芯片连接。

5.根据权利要求4所述的水域清洁机器人，其特征在于，所述水域清洁机器人还包括传感装置，所述传感装置设置在所述壳体内，所述传感装置包括卫星定位模块，所述卫星定位模块与所述主控芯片连接。

6.根据权利要求5所述的水域清洁机器人，其特征在于，所述传感装置还包括惯性传感器，所述惯性传感器与所述主控芯片连接。

7.根据权利要求1－6中任一项所述的水域清洁机器人，其特征在于，所述过滤桶沿所述桶身内壁还设置有螺旋挡板。

8.根据权利要求7所述的水域清洁机器人，其特征在于，所述水域清洁机器人还包括太阳能供电装置，所述太阳能供电装置包括太阳能电池板、控制器和蓄电池，所述太阳能电池板设置在所述壳体上，所述控制器以及所述蓄电池设置在所述壳体内，所述控制器分别与所述蓄电池、所述太阳能电池板连接以及所述主控芯片连接。

9.根据权利要求1所述的水域清洁机器人，其特征在于，所述驱动装置还包括行进机构，所述行进机构包括行进电机、密封壳体和行进螺旋叶片，所述密封壳体设置在所述驱动装置的所述壳体的外部侧面，所述密封壳体与所述壳体外表面合围形成密闭空腔，所述行进电机设置在所述密闭空腔中，所述行进电机的输出轴与设置在所述密封壳体外的所述行进螺旋叶片连接，所述行进电机与所述主控芯片连接。

10.一种水域清洁系统，其特征在于，所述水域清洁系统包括：

至少一个如权利要求1－9中任一项所述的水域清洁机器人；

遥控装置，与每个水域清洁机器人的主控芯片连接，用于控制所述水域清洁机器人的行进方向和速度，还用于接收并显示所述水域清洁机器人传回的相关数据。