CN109157162B - 具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人及其控制方法，所述机器人中，抓护栏爬行机构由夹持机构、导向机构、安装底板、爬行移动机构和步进电机组成，夹持机构和导向机构安装在安装底板上，步进电机驱动导向机构带动爬行移动机构运动，升降装置与抓护栏爬行机构相连，带动抓护栏爬行机构上下运动，升降装置与清扫装置相连带动清扫装置上下移动。所述控制方法包括抓护栏爬行机构沿护栏移动、清扫装置上下台阶、清扫装置清扫垃圾以及机器人在楼梯拐弯处的自动换向的控制方法。本发明实现扫地机器人自主上下楼，能实现机器人对楼梯的有效清理，并将清扫的垃圾搬运到指定位置的问题，提高清扫工作的彻底性和精确性。

Description

具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人及其控制方法
技术领域
本发明属于智能清扫设备技术领域，适用于住宅楼、公寓、写字楼等场所中的传统楼梯具体涉及一种具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人及其控制方法。
背景技术
随着人类社会不断发展，人们的生活质量越来越高，与此同时产生的垃圾也越来越多，对于我们熟知的传统楼梯，台阶较多，清洁成为一大问题。随着市场需求的变化，迎合人们日常需求的产品一直在推陈出新、更新换代，因而在大背景下，提高人们的生活质量，减少对于清洁工作的时间及金钱等成本支出成为清扫机器产品开发的目标和市场指针。
而现阶段清洁楼梯主要还是依靠传统的人力，清洁起来较为繁琐辛苦，且有不慎扭脚摔落的风险，尤其对于几十层、上百层的高楼大厦，依靠传统人力清扫楼梯更不现实。国产智能扫地机器人方面,有苏州怡凯电器的科沃斯、益节等公司生产的机器人功能丰富，包括非接触式、超声波式、红外线技术、无线遥控等技术。国产品牌的扫地机器人如浦桑尼克蓝天S、科沃斯DT 85G等比较受欢迎。小米公司生产的米家扫地机器人具有地图生成、路径规划、自动回充、断点续扫等先进技术。但是，这些现有扫地机器人只能在平面区域工作，不能实现自主上下楼梯及清扫。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明一种具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人及其控制方法，实现扫地机器人自主上下楼，能实现机器人对楼梯的有效清理，并将清扫的垃圾搬运到指定位置的问题，提高清扫工作的彻底性和精确性。结合说明书附图，本发明的技术方案如下：
具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人，由抓护栏爬行机构1、升降装置2以及清扫装置3组成；
所述抓护栏爬行机构1由一对夹持机构、导杆甲13、导杆乙14、丝杠15、安装底板16、爬行移动机构17和步进电机18组成，所属夹持机构对称地安装在安装底板16两端的连接支架上，所述导杆甲13和导杆乙14固定安装在安装底板16上，所述丝杠15平行安装在导杆甲13和导杆乙14之间，所述步进电机18与丝杠15同轴固连，所述爬行移动机构17与导杆甲13、导杆乙14和丝杠15配合连接，且爬行移动机构17的底部与安装底板16的上表面相接触形成移动副；
所述升降装置2的顶端与抓护栏爬行机构1的侧面相连，升降装置2通过电缸伸缩带动抓护栏爬行机构1沿滑轨上升或下降；
升降装置2的底端与清扫装置3通过电磁力相连，清扫装置3水平移动完成清扫工作并在升降装置2的带动下移动。
进一步地，所述爬行移动机构17由爬行移动底座171、滚珠套座172和丝杠螺母173组成；
所述爬行移动底座171由爬行移动底板和爬行移动连接板组成的一体式结构，所述滚珠套座172垂直固定安装在爬行移动底座171的爬行移动底板上表面，爬行移动底座171的爬行移动底板下表面与抓护栏爬行机构1的安装底板16的上表面相接触形成移动副，滚珠套座172上开有两个对称的导向光孔，所述两个导向光孔非别与抓护栏爬行机构1的导杆甲13和导杆乙14配合安装连接，所述丝杠螺母173固定安装在两个导向孔中间的滚珠套座172上，丝杠螺母173与抓护栏爬行机构1的丝杠15通过螺纹副连接；
所述爬行移动机构17通过丝杠螺母173，将丝杠15的旋转运动转化为丝杠螺母173的直线运动，进而实现爬行移动机构17在安装底板16上表面的相对直线移动；
在爬行移动底座171的爬行移动连接板上开有轴孔，所述抓护栏爬行机构1通过该轴孔实现与升降装置2的连接。
进一步地，所述升降装置2由升降移动机构21、电缸22、底板23、万向轮24、电磁铁25、支撑机构26、滑轨甲27和滑轨乙28组成，所述万向轮24和电磁铁25均安装在底板23底部，所述支撑机构26固定安装在底板23上，所述滑轨甲27和滑轨乙28竖直对称固定在支撑机构26上，所述升降移动机构21的一端滑动连接在滑轨甲27和滑轨乙28上，另一端与爬行移动机构17固定连接，所述电缸22下端固定在底板23的上表面，电缸22上端与升降移动机构21固定连接；在电缸22伸缩带动与升降装置2底部相连的清扫装置3上升或下降。
更进一步地，所述升降移动机构21由升降移动连接板211、升降移动导轨座212、滑块甲213、滑块乙214、连接轴215以及导轨座支柱216组成；
所述升降移动连接板211与升降移动导轨座212平行设置，二者之间通过垂直设置在四角的四根导轨座支柱216固定支撑连接；
所述连接轴215垂直连接在升降移动连接板211上，连接轴215一端通过轴肩限位连接在升降移动连接板211上，连接轴215的另一端与爬行移动底座171的爬行移动连接板上的轴孔配合安装，并通过销轴进行限位固定；
所述滑块甲213和滑块乙214对称地固定安装在升降移动导轨座212另一侧面上，滑块甲213和滑块乙214分别与滑轨甲27和滑轨乙28配合连接，从而实现升降移动机构21与滑轨甲27和滑轨乙28的滑动连接。
进一步地，所述清扫装置3由磁铁31、壳体32、驱动轮甲33、驱动轮乙34、集尘盒甲35、集尘盒乙36、清扫机构甲37、清扫机构乙38和底座39组成；
所述驱动轮甲33和驱动轮乙34对称安装在底座39两侧边沿处，所述清扫机构甲37和清扫机构乙38对称安装在底座39的前后端，所述集尘盒甲35和集尘盒乙36对称固定安装在清扫机构甲37和清扫机构乙38内侧，集尘盒甲35的集尘入口正对着清扫机构甲37的清扫出口，集尘盒乙36的集尘入口正对着清扫机构乙38的清尘出口；
所述磁铁31固定安装在壳体32的上表面，磁铁31的位置与升降装置2底部的电磁铁25位置相对应，当电磁铁25通电时，磁铁31被电磁铁25吸引并与电磁铁25相连，继而将带动整个清扫装置3固定在升降装置2的底板23上。
更进一步地，所述清扫机构甲37和清扫机构乙38的结构相同；
所述清扫机构甲37由主刷371、接触轮甲372、接触轮乙373、辅助刷甲374、辅助刷乙375、轴承座甲376、轴承座乙377、轴承座丙378和轴承座丁379组成；
所述主刷371为圆柱形滚刷，主刷371沿着底座39的端部边沿设置，主刷371的两端轴端通过轴承座甲376和轴承座乙377支撑安装在底座39上；
所述辅助刷甲374和辅助刷乙375分别通过轴承座丙378和轴承座丁379对称安装在底座39底部两侧，辅助刷甲374和辅助刷乙375的轴线处置于底座39设置，所述接触轮甲372和接触轮乙373分别同轴固连在主刷371中心轴两端，所述接触轮甲372与辅助刷甲374垂直设置，且接触轮甲372的轮齿与辅助刷甲374的轮辐间隙相配合，接触轮甲372转动，其轮齿与辅助刷甲374的轮辐向干涉进而推动辅助刷甲374旋转；所述接触轮乙373与辅助刷乙375垂直设置，且接触轮乙373的轮齿与辅助刷乙375的轮辐间隙相配合，接触轮乙373转动，其轮齿与辅助刷乙375的轮辐相干涉进而推动辅助刷乙375旋转。
所述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人的控制方法，所述控制方法包括抓护栏爬行机构1沿护栏移动的控制方法、清扫装置3上下台阶的控制方法、清扫装置3清扫垃圾的控制方法以及机器人在楼梯拐弯处的自动换向控制方法；
所述抓护栏爬行机构1沿护栏移动的控制过程具体如下：
A1：调整清扫装置3的位置，使清扫装置3与升降装置2的电磁力作用位置对准；
A2：调整升降装置2竖直向下的伸长量，使升降装置2与清扫装置3在电磁力的作用吸合牢固；
A3：松开抓护栏爬行机构1的夹持机构，调整升降装置2向上的伸长量，将抓护栏爬行机构1沿竖直向上抬升给定的距离；
A4：启动抓护栏爬行机构1的步进电机18，驱动抓护栏爬行机构1的丝杠15旋转，驱动丝杠15通过抓护栏爬行机构1的爬行移动机构17带动整个抓护栏爬行机构1沿楼梯护栏方向斜向下直线运动，移动机构17到达丝杆15的末端后，步进电机18停止运转；
A5：调整升降装置2向下的收缩量，将抓护栏爬行机构1沿竖直向下下降给定的距离，抓护栏爬行机构1的夹持机构甲11和夹持机构乙12夹紧护栏；
上述步骤实现了抓护栏爬行机构1沿护栏向下移动的过程，向上移动与向下移动的区别在于步骤A4中改变步进电机18的转动方向即可。
所述清扫装置3上下台阶的控制过程具体如下：
B1：调整清扫装置3的位置，使清扫装置3与升降装置2的电磁力作用位置对准；
B2：调整升降装置2竖直向下的伸长量，使升降装置2与清扫装置3在电磁力的作用吸合牢固；
B3：调整升降装置2向上的收缩量，将清扫装置3抓起，使清扫装置3抬升给定的距离，实现清扫装置3脱离台阶平面；
B4：启动抓护栏爬行机构1的步进电机18，驱动抓护栏爬行机构1的丝杠15旋转，驱动丝杠15通过抓护栏爬行机构1的爬行移动机构17带动升降装置2和清扫装置3沿楼梯护栏方向斜向下直线运动给定的距离，使清扫装置3运动到下一级台阶正上方，此时步进电机18停止运转；
B5：调整升降装置2向下的伸长量，使清扫装置3下降给定的距离，实现清扫装置3平稳降落在台阶平面上；
B6：调整升降装置2向上的收缩量，使清扫装置3与升降装置2分离；
上述步骤实现了清扫装置3下台阶的过程，上台阶与下台阶的区别在于步骤B4中改变步进电机18的转动方向即可，在清扫装置3上下台阶过程中，抓护栏爬行机构1的夹持机构甲11和夹持机构乙12与护栏始终保持夹紧状态。
所述清扫装置3清扫垃圾的控制过程具体如下：
C1：将清扫装置3放置在台阶平面上，清扫装置3与升降装置2处于分离状态；
C2：清扫装置3开始工作，清扫装置3整体向着墙体方向移动，移动过程中清扫装置进行垃圾清扫工作，到达台阶尽头时，清扫装置3整体向着护栏方向移动，当清扫装置3接触到护栏时，清扫装置3再次整体向着墙体方向移动，直至清扫装置3移动到升降装置2的正下方，准备上下台阶过程；
C3：完成上下台阶过程后，重复步骤C2。
所述机器人在楼梯拐弯处的自动换向控制过程具体如下：
D1：当机器人运动到楼梯尽头时，机器人脱离楼梯段，清扫装置3清扫拐弯处的楼梯连接平台；
D2：拐弯处的楼梯连接平台全部清扫完成后，清扫装置3运动到升降装置2的正下方，调整升降装置2竖直向下的伸长量，使升降装置2与清扫装置3在电磁力的作用吸合牢固；
D3：松开抓护栏爬行机构1的夹持机构，调整升降装置2向上的伸长量，将抓护栏爬行机构1沿竖直向上抬升给定的距离，启动抓护栏爬行机构1的步进电机18，驱动抓护栏爬行机构1的丝杠15旋转，驱动丝杠15通过抓护栏爬行机构1的爬行移动机构17带动整个抓护栏爬行机构1沿楼梯护栏方向斜向下直线运动，使升降装置2相对移动到抓护栏爬行机构1的中间位置；
D4：控制清扫装置3运动，清扫装置3承载着升降装置2和抓护栏爬行机构1移动，使抓护栏爬行机构1移动到拐弯处护栏的正上方；
D5：启动抓护栏爬行机构1的步进电机18，驱动抓护栏爬行机构1的丝杠15旋转，驱动丝杠15通过抓护栏爬行机构1的爬行移动机构17带动整个抓护栏爬行机构1沿楼梯护栏方向斜向下直线运动，使升降装置2相对移动至抓护栏爬行机构1的上端，调整升降装置2向下的收缩量，将抓护栏爬行机构1沿竖直向下下降给定的距离，抓护栏爬行机构1的夹持机构夹紧护栏。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明所述智能楼梯清扫机器人具有抓护栏爬行能力的升降结构，实现了机器人上下楼梯运动；
2、本发明所述智能楼梯清扫机器人中的清扫装置支撑其上的抓护栏爬行机构和升降装置，并利用清扫装置上的行走轮作为动力，实现整个机器人在楼梯拐弯处的自动转向；
3、本发明所述智能楼梯清扫机器人设计有对称清扫结构，有助于提高清扫效率。
4、本发明所述智能楼梯清扫机器人不仅可以解决对于清洁人员有一定的摔伤风险的楼梯清洁工作，而且可以大大解放人力，降低清洁成本，使得扫地机器人不在只适用于在较为平坦的区域工作，给人们带来很大的便利的同时且具有好的社会效益。
附图说明
图1为本发明所述智能楼梯清扫机器人整体结构示意图；
图2为本发明所述智能楼梯清扫机器人中，抓护栏爬行机构结构示意图；
图3为本发明所述智能楼梯清扫机器人中，爬行移动机构的结构示意图；
图4为本发明所述智能楼梯清扫机器人中，升降装置的结构示意图；
图5为本发明所述智能楼梯清扫机器人中，升降移动机构的结构示意图；
图6a为本发明所述智能楼梯清扫机器人中，清扫装置的外部结构示意图；
图6b为本发明所述智能楼梯清扫机器人中，清扫装置的内部结构示意图；
图7a为本发明所述智能楼梯清扫机器人中，清扫机构的顶部结构示意图；
图7b为本发明所述智能楼梯清扫机器人中，清扫机构的底部结构示意图；
图8a为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，抓护栏爬行机构沿护栏移动的步骤一状态示意图；
图8b为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，抓护栏爬行机构沿护栏移动的步骤二状态示意图；
图8c为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，抓护栏爬行机构沿护栏移动的步骤三状态示意图；
图8d为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，抓护栏爬行机构沿护栏移动的步骤四状态示意图；
图8e为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，抓护栏爬行机构沿护栏移动的步骤五状态示意图；
图9a为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，清扫装置上下台阶的步骤一状态示意图；
图9b为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，清扫装置上下台阶的步骤二状态示意图；
图9c为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，清扫装置上下台阶的步骤三状态示意图；
图9d为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，清扫装置上下台阶的步骤四状态示意图；
图9e为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，清扫装置上下台阶的步骤五状态示意图；
图9f为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，清扫装置上下台阶的步骤六状态示意图；
图10为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，清扫装置清扫台阶的状态示意图；
图11a为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，机器人在楼梯拐弯处自动换向的步骤一中，机器人运动至楼梯尽头时的状态示意图；
图11b为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，机器人在楼梯拐弯处自动换向的步骤一中，清扫装置清扫拐弯处的楼梯连接平台的状态示意图；
图11c为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，机器人在楼梯拐弯处自动换向的步骤三状态示意图；
图11d为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，机器人在楼梯拐弯处自动换向的步骤四状态示意图；
图11e为本发明所述智能楼梯清扫机器人的控制方法中，机器人在楼梯拐弯处自动换向的步骤五状态示意图；
图中：
1抓护栏爬行机构，   2升降装置，        3清扫装置；
11夹持机构甲，      12夹持机构乙，     13导杆甲，          14导杆乙，
15丝杠，            16安装底板，       17爬行移动机构，    18步进电机；
21升降移动机构，    22电缸，           23底板，            24万向轮，
25电磁铁，          26支撑机构，       27滑轨甲，          28滑轨乙；
31磁铁，            32壳体，           33驱动轮甲，        34驱动轮乙，
35集尘盒甲，        36集尘盒乙，       37清扫机构甲，      38清扫机构乙，
39底座；
171爬行移动底座，   172滚珠套座，      173丝杠螺母；
211升降移动连接板， 212升降移动导轨座，213滑块甲，         214滑块乙，
215连接轴，         216导轨座支柱；
371主刷，           372接触轮甲，      373接触轮乙，       374辅助刷甲，
375辅助刷乙，       376轴承座甲，      377轴承座乙，       378轴承座丙，
379轴承座丁。
具体实施方式
为进一步阐述本发明的技术方案及其所带来的有益效果，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
如图1所示，本发明提供了一种具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人，所述智能楼梯清扫机器人由抓护栏爬行机构1、升降装置2以及清扫装置3三部分组成，其中，升降装置2的顶端通过螺栓与抓护栏爬行机构1的侧面相连，升降装置2的底端与清扫装置3的顶部固连。
如图2所示，所述抓护栏爬行机构1由夹持机构甲11、夹持机构乙12、导杆甲13、导杆乙14、丝杠15、安装底板16、爬行移动机构17和步进电机18组成。所述安装底板16为两端带有连接支架的长条形板，所述夹持机构甲11和夹持机构乙12的结构完全相同，且夹持机构甲11和夹持机构乙12对称地安装在安装底板16两端的连接支架上，且加持机构的夹持口朝下，所述夹持机构甲11和夹持机构乙12共同完成对楼梯护栏的夹持，保证升降装置2在上下楼梯时的平稳运行；所述导杆甲13和导杆乙14沿着安装底板16的长度方向固定安装在安装底板16的上方两侧，所述丝杠15平行安装在导杆甲13和导杆乙14之间，所述步进电机18安装在安装底板16一端的连接支架外侧，步进电机18的输出端与丝杠15同轴固连。所述爬行移动机构17与导杆甲13、导杆乙14和丝杠15配合连接，且爬行移动机构17的底部与安装底板16的上表面相接触形成移动副，在步进电机18的驱动下，丝杠15带动爬行移动机构17沿着导杆甲13和导杆乙14直线往复运动。
如图3所示，所述爬行移动机构17由爬行移动底座171、滚珠套座172和丝杠螺母173组成。所述爬行移动底座171由爬行移动底板和爬行移动连接板组成的一体式结构，所述滚珠套座172垂直固定安装在爬行移动底座171的爬行移动底板上表面，爬行移动底座171的爬行移动底板下表面与抓护栏爬行机构1的安装底板16的上表面相接触形成移动副，滚珠套座172上开有两个对称的导向光孔，所述两个导向光孔非别与抓护栏爬行机构1的导杆甲13和导杆乙14配合安装连接，所述丝杠螺母173固定安装在两个导向孔中间的滚珠套座172上，丝杠螺母173与抓护栏爬行机构1的丝杠15通过螺纹副连接；所述爬行移动机构17通过丝杠螺母173，将丝杠15的旋转运动转化为丝杠螺母173的直线运动，进而实现爬行移动机构17在安装底板16上表面的相对直线移动。此外，在爬行移动底座171的爬行移动连接板上开有轴孔，所述抓护栏爬行机构1通过该轴孔实现与升降装置2的连接。
如图4所示，所述升降装置2由升降移动机构21、电缸22、底板23、万向轮24、电磁铁25、支撑机构26、滑轨甲27和滑轨乙28组成。所述底板23位于升降装置2的底部，所述万向轮24安装在底板23底部一侧，所述电磁铁25安装在底板23底部另一侧；所述支撑机构26竖直设置在底板23的上方，支撑机构26的底部固定安装在底板23的上表面，所述滑轨甲27和滑轨乙28竖直地对称固定在支撑机构26上半段两侧，所述升降移动机构21的一端滑动连接在滑轨甲27和滑轨乙28上，升降移动机构21的另一端与抓护栏爬行机构1的爬行移动机构17固定连接，所述电缸22竖直设置在底板23的上方，电缸22的下端固定在底板23的上表面，电缸22的上端与升降移动机构21固定连接；在电缸22伸缩带动与升降装置2底部相连的清扫装置3上升或下降。
如图5所示，所述升降移动机构21由升降移动连接板211、升降移动导轨座212、滑块甲213、滑块乙214、连接轴215以及导轨座支柱216组成。所述升降移动连接板211与升降移动导轨座212平行设置，二者之间通过垂直设置在四角的四根导轨座支柱216固定支撑连接；所述连接轴215垂直连接在升降移动连接板211上，连接轴215一端通过轴肩限位连接在升降移动连接板211上，连接轴215的另一端与爬行移动底座171的爬行移动连接板上的轴孔配合安装，并通过销轴进行限位固定，从而实现升降移动机构21与爬行移动机构17之间的轴向限位固定。所述滑块甲213和滑块乙214对称地固定安装在升降移动导轨座212另一侧面上，滑块甲213和滑块乙214分别与滑轨甲27和滑轨乙28配合连接，从而实现升降移动机构21与滑轨甲27和滑轨乙28的滑动连接。
如图6a和6b所示，所述清扫装置3由磁铁31、壳体32、驱动轮甲33、驱动轮乙34、集尘盒甲35、集尘盒乙36、清扫机构甲37、清扫机构乙38和底座39组成。所述驱动轮甲33和驱动轮乙34对称安装在底座39两侧边沿处，所述清扫机构甲37和清扫机构乙38对称安装在底座39的前后端，所述集尘盒甲35和集尘盒乙36对称固定安装在清扫机构甲37和清扫机构乙38内侧，集尘盒甲35的集尘入口正对着清扫机构甲37的清扫出口，收集由清扫机构甲37清扫起来的垃圾，集尘盒乙36的集尘入口正对着清扫机构乙38的清尘出口，收集由清扫机构乙38清扫起来的垃圾；所述壳体32固定安装在底座39上方，将集尘盒甲35、集尘盒乙36、清扫机构甲37和清扫机构乙38均罩置于其内，所述驱动轮甲33和驱动轮乙34的驱动源安装在壳体32内，驱动轮甲33和驱动轮乙34的轮盘露于壳体32外侧，驱动轮甲33和驱动轮乙34与地面接触，清扫装置3通过驱动轮甲33和驱动轮乙34旋转实现在地面上行走；所述磁铁31固定安装在壳体32的上表面，磁铁31的位置与升降装置2底部的电磁铁25位置相对应，当电磁铁25通电时，磁铁31被电磁铁25吸引并与电磁铁25紧密吸合固定在一起，继而将带动整个清扫装置3固定在升降装置2的底板23上。
如图7a和7b所示，所述清扫机构甲37由主刷371、接触轮甲372、接触轮乙373、辅助刷甲374、辅助刷乙375、轴承座甲376、轴承座乙377、轴承座丙378和轴承座丁379组成。所述主刷371为圆柱形滚刷，主刷371沿着底座39的端部边沿设置，即主刷371的轴线垂直于清扫装置3的前进方向，主刷371的两端轴端通过轴承座甲376和轴承座乙377支撑安装在底座39上，并可沿轴向自由旋转，主刷371正下方的底座39上开有矩形窗口，使得主刷371的底部与地面接触实现清扫；所述辅助刷甲374和辅助刷乙375分别通过轴承座丙378和轴承座丁379对称安装在底座39底部两侧，辅助刷甲374和辅助刷乙375的轴线处置于底座39设置，所述接触轮甲372和接触轮乙373分别同轴固连在主刷371中心轴两端，所述接触轮甲372与辅助刷甲374垂直设置，且接触轮甲372的轮齿与辅助刷甲374的轮辐间隙相配合，接触轮甲372转动，其轮齿与辅助刷甲374的轮辐向干涉进而推动辅助刷甲374旋转；所述接触轮乙373与辅助刷乙375垂直设置，且接触轮乙373的轮齿与辅助刷乙375的轮辐间隙相配合，接触轮乙373转动，其轮齿与辅助刷乙375的轮辐相干涉进而推动辅助刷乙375旋转。
所述清扫装置3运行过程中，通过驱动轮甲33和驱动轮乙34的转动带动清扫机构37整体移动，地面摩擦阻力进一步带动主刷371滚动，从而带动接触轮甲372和接触轮乙373从动滚动，接触轮甲372和接触轮乙373分别带动辅助刷甲374和辅助刷乙375转动，使辅助刷甲374和辅助刷乙375能够将台阶两侧的垃圾向清扫装置3正前方集中扫刷，最后被主刷371扫入集尘盒甲35中。
所述清扫机构乙38的组成结构、与其他相关部件的连接关系以及实现的工作过程均与上述清扫机构甲37完全相同，此处不再赘述。
基于上述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人的具体结构，本发明还提供了具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人的控制方法，所述控制方法包括抓护栏爬行机构1沿护栏移动的控制方法、清扫装置3上下台阶的控制方法、清扫装置3清扫垃圾的控制方法以及机器人在楼梯拐弯处的自动换向控制方法。上述各控制过程具体步骤如下：
1、抓护栏爬行机构1沿护栏移动的控制过程具体如下：
A1：调整清扫装置3的位置，使清扫装置3顶部的磁铁31与升降装置2底部的电磁铁25对准，如图8a所示；
A2：使升降装置2底部的电磁铁25处于通电状态，并调整升降装置2的电缸22竖直向下的伸长量，使清扫装置3顶部的磁铁31与升降装置2底部的电磁铁25吸合牢固，如图8b所示；
A3：松开抓护栏爬行机构1的夹持机构甲11和夹持机构乙12，调整升降装置2的电缸22向上的伸长量，将抓护栏爬行机构1沿竖直向上(即垂直于台阶平面的方向向上)抬升给定的距离，如图8c所示；
A4：启动抓护栏爬行机构1的步进电机18，驱动抓护栏爬行机构1的丝杠15旋转，驱动丝杠15通过抓护栏爬行机构1的爬行移动机构17带动整个抓护栏爬行机构1沿楼梯护栏方向斜向下直线运动，移动机构17到达丝杆15的末端后，步进电机18停止运转，如图8d所示；
A5：调整升降装置2的电缸22向下的收缩量，将抓护栏爬行机构1沿竖直向下下降给定的距离，抓护栏爬行机构1的夹持机构甲11和夹持机构乙12夹紧护栏，如图8e所示。
上述步骤实现了抓护栏爬行机构1沿护栏向下移动的过程，向上移动与向下移动的区别在于步骤A4中改变步进电机18的转动方向即可。
2、清扫装置3上下台阶的控制过程具体如下：
B1：调整清扫装置3的位置，使清扫装置3顶部的磁铁31与升降装置2底部的电磁铁25对准，如图9a所示；
B2：使升降装置2底部的电磁铁25处于通电状态，并调整升降装置2的电缸22竖直向下的伸长量，使清扫装置3顶部的磁铁31与升降装置2底部的电磁铁25吸合牢固，如图9b所示；
B3：调整升降装置2的电缸22竖直向上的收缩量，将清扫装置3抓起，使清扫装置3抬升给定的距离，实现清扫装置3脱离台阶平面，如图9c所示；
B4：启动抓护栏爬行机构1的步进电机18，驱动抓护栏爬行机构1的丝杠15旋转，驱动丝杠15通过抓护栏爬行机构1的爬行移动机构17带动升降装置2和清扫装置3沿楼梯护栏方向斜向下直线运动给定的距离，使清扫装置3运动到下一级台阶正上方，此时步进电机18停止运转，如图9d所示；
B5：调整升降装置2的电缸22竖直向下的伸长量，使清扫装置3下降给定的距离，实现清扫装置3平稳降落在台阶平面上，如图9e所示；
B6：使升降装置2底部的电磁铁25断电，并调整升降装置2的电缸22竖直向上的收缩量，使清扫装置3顶部的磁铁31与升降装置2底部的电磁铁25分离，实现清扫装置3与升降装置2相分离，如图9f所示。
上述步骤实现了清扫装置3下台阶的过程，上台阶与下台阶的区别在于步骤B4中改变步进电机18的转动方向即可，在清扫装置3上下台阶过程中，抓护栏爬行机构1的夹持机构甲11和夹持机构乙12与护栏始终保持夹紧状态。
3、清扫装置3清扫垃圾的控制过程具体如下：
C1：将清扫装置3放置在台阶平面上，清扫装置3与升降装置2处于分离状态，如图9f所示，为清扫装置3腾出足够的空间完成清扫；
C2：清扫装置3开始工作，驱动轮甲33与驱动轮乙34正转，清扫装置3整体向着墙体方向(即远离护栏的方向)移动，移动过程中清扫装置进行垃圾清扫工作，到达台阶尽头时，如图10所示，驱动轮甲33与驱动轮乙34反转，清扫装置3整体向着护栏方向移动，当清扫装置3接触到护栏时，驱动轮甲33与驱动轮乙34再次正转，清扫装置3移动到升降装置2的正下方，准备上下台阶过程，如前述步骤B1-步骤B6所述；
C3：完成上下台阶过程后，重复步骤C2。
4、机器人在楼梯拐弯处的自动换向控制过程具体如下：
D1：基于机器视觉技术判断机器人是否运动到楼梯尽头，当机器人运动到楼梯尽头时，如图11a所示，机器人脱离楼梯段，清扫装置3清扫拐弯处的楼梯连接平台，如图11b所示；
D2：拐弯处的楼梯连接平台全部清扫完成后，清扫装置3运动到升降装置2的正下方，使升降装置2底部的电磁铁25处于通电状态，并调整升降装置2的电缸22竖直向下的伸长量，使清扫装置3顶部的磁铁31与升降装置2底部的电磁铁25吸合牢固如图11a所示；
D3：松开抓护栏爬行机构1的夹持机构甲11和夹持机构乙12，调整升降装置2的电缸22向上的伸长量，将抓护栏爬行机构1沿竖直向上(即垂直于台阶平面的方向向上)抬升给定的距离，启动抓护栏爬行机构1的步进电机18，驱动抓护栏爬行机构1的丝杠15旋转，驱动丝杠15通过抓护栏爬行机构1的爬行移动机构17带动整个抓护栏爬行机构1沿楼梯护栏方向斜向下直线运动，使升降装置2相对移动到抓护栏爬行机构1的中间位置，如图11c所示；
D4：基于机器视觉技术，控制清扫装置3的驱动轮甲33与驱动轮乙34的运动，清扫装置3承载着升降装置2和抓护栏爬行机构1移动，使抓护栏爬行机构1移动到拐弯处护栏的正上方，如图11d所示；
D5：启动抓护栏爬行机构1的步进电机18，驱动抓护栏爬行机构1的丝杠15旋转，驱动丝杠15通过抓护栏爬行机构1的爬行移动机构17带动整个抓护栏爬行机构1沿楼梯护栏方向斜向下直线运动，使升降装置2相对移动至抓护栏爬行机构1的上端，调整升降装置2的电缸22向下的收缩量，将抓护栏爬行机构1沿竖直向下下降给定的距离，抓护栏爬行机构1的夹持机构甲11和夹持机构乙12夹紧护栏，如图11e所示。

Claims (10)

1.具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人，其特征在于：
由抓护栏爬行机构（1）、升降装置（2）以及清扫装置（3）组成；
所述抓护栏爬行机构（1）由一对夹持机构、导杆甲（13）、导杆乙（14）、丝杠（15）、安装底板（16）、爬行移动机构（17）和步进电机（18）组成，所述夹持机构对称地安装在安装底板（16）两端的连接支架上，所述导杆甲（13）和导杆乙（14）固定安装在安装底板（16）上，所述丝杠（15） 平行安装在导杆甲（13）和导杆乙（14）之间，所述步进电机（18）与丝杠（15）同轴固连，所述爬行移动机构（17）与导杆甲（13）、导杆乙（14）和丝杠（15）配合连接，且爬行移动机构（17）的底部与安装底板（16）的上表面相接触形成移动副；
所述升降装置（2）的顶端与抓护栏爬行机构（1）的侧面相连，升降装置（2）通过电缸伸缩带动抓护栏爬行机构（1）沿滑轨上升或下降；
升降装置（2）的底端与清扫装置（3）通过电磁力相连，清扫装置（3）水平移动完成清扫工作并在升降装置（2）的带动下移动。
2.如权利要求1所述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人，其特征在于：
所述爬行移动机构（17）由爬行移动底座（171）、滚珠套座（172）和丝杠螺母（173）组成；
所述爬行移动底座（171）由爬行移动底板和爬行移动连接板组成的一体式结构，所述滚珠套座（172）垂直固定安装在爬行移动底座（171）的爬行移动底板上表面，爬行移动底座（171）的爬行移动底板下表面与抓护栏爬行机构（1）的安装底板（16）的上表面相接触形成移动副，滚珠套座（172）上开有两个对称的导向光孔，所述两个导向光孔非别与抓护栏爬行机构（1）的导杆甲（13）和导杆乙（14）配合安装连接，所述丝杠螺母（173）固定安装在两个导向孔中间的滚珠套座（172）上，丝杠螺母（173）与抓护栏爬行机构（1）的丝杠（15）通过螺纹副连接；
所述爬行移动机构（17）通过丝杠螺母（173），将丝杠（15）的旋转运动转化为丝杠螺母（173）的直线运动，进而实现爬行移动机构（17）在安装底板（16）上表面的相对直线移动；
在爬行移动底座（171）的爬行移动连接板上开有轴孔，所述抓护栏爬行机构（1）通过该轴孔实现与升降装置（2）的连接。
3.如权利要求1所述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人，其特征在于：
所述升降装置（2）由升降移动机构（21）、电缸（22）、底板（23）、万向轮（24）、电磁铁（25）、支撑机构（26）、滑轨甲（27）和滑轨乙（28）组成，所述万向轮（24）和电磁铁（25）均安装在底板（23）底部，所述支撑机构（26）固定安装在底板（23）上，所述滑轨甲（27）和滑轨乙（28）竖直对称固定在支撑机构（26）上，所述升降移动机构（21）的一端滑动连接在滑轨甲（27）和滑轨乙（28）上，另一端与爬行移动机构（17）固定连接，所述电缸（22）下端固定在底板（23）的上表面，电缸（22）上端与升降移动机构（21）固定连接；在电缸（22）伸缩带动与升降装置（2）底部相连的清扫装置（3）上升或下降。
4.如权利要求3所述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人，其特征在于：
所述升降移动机构（21）由升降移动连接板（211）、升降移动导轨座（212）、滑块甲（213）、滑块乙（214）、连接轴（215）以及导轨座支柱（216）组成；
所述升降移动连接板（211）与升降移动导轨座（212）平行设置，二者之间通过垂直设置在四角的四根导轨座支柱（216）固定支撑连接；
所述连接轴（215）垂直连接在升降移动连接板（211）上，连接轴（215）一端通过轴肩限位连接在升降移动连接板（211）上，连接轴（215）的另一端与爬行移动底座（171）的爬行移动连接板上的轴孔配合安装，并通过销轴进行限位固定；
所述滑块甲（213）和滑块乙（214）对称地固定安装在升降移动导轨座（212）另一侧面上，滑块甲（213）和滑块乙（214）分别与滑轨甲（27）和滑轨乙（28）配合连接，从而实现升降移动机构（21）与滑轨甲（27）和滑轨乙（28）的滑动连接。
5.如权利要求1所述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人，其特征在于：
所述清扫装置（3）由磁铁（31）、壳体（32）、驱动轮甲（33）、驱动轮乙（34）、集尘盒甲（35）、集尘盒乙（36）、清扫机构甲（37）、清扫机构乙（38）和底座（39）组成；
所述驱动轮甲（33）和驱动轮乙（34）对称安装在底座（39）两侧边沿处，所述清扫机构甲（37）和清扫机构乙（38）对称安装在底座（39）的前后端，所述集尘盒甲（35）和集尘盒乙（36）对称固定安装在清扫机构甲（37）和清扫机构乙（38）内侧，集尘盒甲（35）的集尘入口正对着清扫机构甲（37）的清扫出口，集尘盒乙（36）的集尘入口正对着清扫机构乙（38）的清尘出口；
所述磁铁（31）固定安装在壳体（32）的上表面，磁铁（31）的位置与升降装置（2）底部的电磁铁（25）位置相对应，当电磁铁（25）通电时，磁铁（31）被电磁铁（25）吸引并与电磁铁（25）相连，继而将带动整个清扫装置（3）固定在升降装置（2）的底板（23）上。
6.如权利要求5所述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人，其特征在于：
所述清扫机构甲（37）和清扫机构乙（38）的结构相同；
所述清扫机构甲（37）由主刷（371）、接触轮甲（372）、接触轮乙（373）、辅助刷甲（374）、辅助刷乙（375）、轴承座甲（376）、轴承座乙（377）、轴承座丙（378）和轴承座丁（379）组成；
所述主刷（371）为圆柱形滚刷，主刷（371）沿着底座（39）的端部边沿设置，主刷（371）的两端轴端通过轴承座甲（376）和轴承座乙（377）支撑安装在底座（39）上；
所述辅助刷甲（374）和辅助刷乙（375）分别通过轴承座丙（378）和轴承座丁（379）对称安装在底座（39）底部两侧，辅助刷甲（374）和辅助刷乙（375）的轴线处置于底座（39）设置，所述接触轮甲（372）和接触轮乙（373）分别同轴固连在主刷（371）中心轴两端，所述接触轮甲（372）与辅助刷甲（374）垂直设置，且接触轮甲（372）的轮齿与辅助刷甲（374）的轮辐间隙相配合，接触轮甲（372）转动，其轮齿与辅助刷甲（374）的轮辐向干涉进而推动辅助刷甲（374）旋转；所述接触轮乙（373）与辅助刷乙（375）垂直设置，且接触轮乙（373）的轮齿与辅助刷乙（375）的轮辐间隙相配合，接触轮乙（373）转动，其轮齿与辅助刷乙（375）的轮辐相干涉进而推动辅助刷乙（375）旋转。
7.如权利要求1所述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括抓护栏爬行机构（1）沿护栏移动的控制方法、清扫装置（3）上下台阶的控制方法、清扫装置（3）清扫垃圾的控制方法以及机器人在楼梯拐弯处的自动换向控制方法；
所述抓护栏爬行机构（1）沿护栏移动的控制过程具体如下：
A1：调整清扫装置（3）的位置，使清扫装置（3）与升降装置（2）的电磁力作用位置对准；
A2：调整升降装置（2）竖直向下的伸长量，使升降装置（2）与清扫装置（3）在电磁力的作用吸合牢固；
A3：松开抓护栏爬行机构（1）的夹持机构，调整升降装置（2）向上的伸长量，将抓护栏爬行机构（1）沿竖直向上抬升给定的距离；
A4：启动抓护栏爬行机构（1）的步进电机（18），驱动抓护栏爬行机构（1）的丝杠（15）旋转，驱动丝杠（15）通过抓护栏爬行机构（1）的爬行移动机构（17）带动整个抓护栏爬行机构（1）沿楼梯护栏方向斜向下直线运动，移动机构（17）到达丝杆（15）的末端后，步进电机（18）停止运转；
A5：调整升降装置（2）向下的收缩量，将抓护栏爬行机构（1）沿竖直向下下降给定的距离，抓护栏爬行机构（1）的夹持机构甲（11）和夹持机构乙（12）夹紧护栏；
上述步骤实现了抓护栏爬行机构（1）沿护栏向下移动的过程，向上移动与向下移动的区别在于步骤A4中改变步进电机（18）的转动方向即可。
8.如权利要求7所述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人的控制方法，其特征在于：
所述清扫装置（3）上下台阶的控制过程具体如下：
B1：调整清扫装置（3）的位置，使清扫装置（3）与升降装置（2）的电磁力作用位置对准；
B2：调整升降装置（2）竖直向下的伸长量，使升降装置（2）与清扫装置（3）在电磁力的作用吸合牢固；
B3：调整升降装置（2）向上的收缩量，将清扫装置（3）抓起，使清扫装置（3）抬升给定的距离，实现清扫装置（3）脱离台阶平面；
B4：启动抓护栏爬行机构（1）的步进电机（18），驱动抓护栏爬行机构（1）的丝杠（15）旋转，驱动丝杠（15）通过抓护栏爬行机构（1）的爬行移动机构（17）带动升降装置（2）和清扫装置（3）沿楼梯护栏方向斜向下直线运动给定的距离，使清扫装置（3）运动到下一级台阶正上方，此时步进电机（18）停止运转；
B5：调整升降装置（2）向下的伸长量，使清扫装置（3）下降给定的距离，实现清扫装置（3）平稳降落在台阶平面上；
B6：调整升降装置（2）向上的收缩量，使清扫装置（3）与升降装置（2）分离；
上述步骤实现了清扫装置（3）下台阶的过程，上台阶与下台阶的区别在于步骤B4中改变步进电机（18）的转动方向即可，在清扫装置（3）上下台阶过程中，抓护栏爬行机构（1）的夹持机构甲（11）和夹持机构乙（12）与护栏始终保持夹紧状态。
9.如权利要求7所述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人的控制方法，其特征在于：
所述清扫装置（3）清扫垃圾的控制过程具体如下：
C1：将清扫装置（3）放置在台阶平面上，清扫装置（3）与升降装置（2）处于分离状态；
C2：清扫装置（3）开始工作，清扫装置（3）整体向着墙体方向移动，移动过程中清扫装置进行垃圾清扫工作，到达台阶尽头时，清扫装置（3）整体向着护栏方向移动，当清扫装置（3）接触到护栏时，清扫装置（3）再次整体向着墙体方向移动，直至清扫装置（3）移动到升降装置（2）的正下方，准备上下台阶过程；
C3：完成上下台阶过程后，重复步骤C2。
10.如权利要求7所述具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人的控制方法，其特征在于：
所述机器人在楼梯拐弯处的自动换向控制过程具体如下：
D1：当机器人运动到楼梯尽头时，机器人脱离楼梯段，清扫装置（3）清扫拐弯处的楼梯连接平台；
D2：拐弯处的楼梯连接平台全部清扫完成后，清扫装置（3）运动到升降装置（2）的正下方，调整升降装置（2）竖直向下的伸长量，使升降装置（2）与清扫装置（3）在电磁力的作用吸合牢固；
D3：松开抓护栏爬行机构（1）的夹持机构，调整升降装置（2）向上的伸长量，将抓护栏爬行机构（1）沿竖直向上抬升给定的距离，启动抓护栏爬行机构（1）的步进电机（18），驱动抓护栏爬行机构（1）的丝杠（15）旋转，驱动丝杠（15）通过抓护栏爬行机构（1）的爬行移动机构（17）带动整个抓护栏爬行机构（1）沿楼梯护栏方向斜向下直线运动，使升降装置（2）相对移动到抓护栏爬行机构（1）的中间位置；
D4：控制清扫装置（3）运动，清扫装置（3）承载着升降装置（2）和抓护栏爬行机构（1）移动，使抓护栏爬行机构（1）移动到拐弯处护栏的正上方；
D5：启动抓护栏爬行机构（1）的步进电机（18），驱动抓护栏爬行机构（1）的丝杠（15）旋转，驱动丝杠（15）通过抓护栏爬行机构（1）的爬行移动机构（17）带动整个抓护栏爬行机构（1）沿楼梯护栏方向斜向下直线运动，使升降装置（2）相对移动至抓护栏爬行机构（1）的上端，调整升降装置（2）向下的收缩量，将抓护栏爬行机构（1）沿竖直向下下降给定的距离，抓护栏爬行机构（1）的夹持机构夹紧护栏。
CN201811273882.3A 2018-10-30 2018-10-30 具有抓护栏爬行能力的智能楼梯清扫机器人及其控制方法 Active CN109157162B (zh)

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