CN109222764B - 仿生软体清洁机器人 - Google Patents

Abstract

仿生软体清洁机器人，它涉及一种软体机器人，它包括主体软体结构、充抽气吸附运动机构、碰撞传感器、气动补给控制器、气缸活塞机构、视觉传感器和清洁工具；所述主体软体结构内两侧分别安装有充放气的气囊；所述主体软体结构的底部前后面上对称布置有所述充抽气吸附运动机构；所述碰撞传感器布置在所述主体软体结构的四周；所述视觉传感器布置在所述主体软体结构的前后两侧；所述气缸活塞机构布置在主体软体结构中部。本发明可以实现对狭小角落空间的清扫，并且由于其仿尺蠖的运动方式可以也爬壁实现墙壁或者玻璃的表面清洁，并且这种运动方式有良好的越障能力。

Description

仿生软体清洁机器人

技术领域

本发明涉及一种软体机器人，具体涉及一种仿生软体清洁机器人。

背景技术

随着技术的发展与进步，扫地机器人的发明逐渐替代了人工打扫，为人们在清洁方面节省了大量的时间精力。自动扫地机器人，是一种智能扫地、吸尘工具，是一种配备了微电脑系统的电动保洁设备，它能能够按照人们的设置清洁房间的某一特定部分或全部。自动扫地机优于普通吸尘器的地方主要体现在：省时、省力，清洁过程可以全自动化，减轻人工操作负担；比一般吸尘器的噪音小，清洁房间的过程免受噪音之苦；还可以净化空气，内置活性炭、吸附空气中有害物质，粉尘净化率高达96％，清扫效率接近100％。

传统的扫地机器人大多以刚性构件的为主，通过控制系统驱动刚性零部件可以实现对扫地机器人的精密的控制进行大部分地面的清洁。传统的扫地机器人全部由刚性部件包括外壳、驱动电机、运动滚轮轴承等组成。近年来，随着软体技术和软体材料的发展，软体机器人逐渐成为机器人领域的热点重点研究新方向。它有着多自由度、可针对不同的环境改变自身的结构形状，这类机器人一般具有充分的柔顺性、较高的环境适应性，并且可以运用到一些刚性机器人所力所不及的地方，如救援搜救、科学军事勘探、医疗救治等领域。

由于刚性结构的限制，传统的扫地机器人达不到全方位的清洁，而且只能用在地面的清洁上，使得其应用领域也得到了限制，减少了它的应用。

发明内容

本发明为克服现有技术不足，提供一种仿生软体清洁机器人，该机器人具有较高的弹性和柔软性，可以实现对狭小角落空间的清扫，并且由于其仿尺蠖的运动方式可以也爬壁实现墙壁或者玻璃的表面清洁，并且这种运动方式有良好的越障能力。

本发明采用的技术方案是：

仿生软体清洁机器人，它包括主体软体结构、充抽气吸附运动机构、碰撞传感器、气动补给控制器、气缸活塞机构、视觉传感器和清洁工具；

所述主体软体结构内两侧分别安装有充放气的气囊；

所述主体软体结构的底部前后面上对称布置有所述充抽气吸附运动机构；

所述碰撞传感器布置在所述主体软体结构的四周；

所述视觉传感器布置在所述主体软体结构的前后两侧；

所述气缸活塞机构布置在主体软体结构中部，且气缸活塞机构的活塞的运动控制机器人的前后运动；

所述气动补给及控制器通过柔性输送管道控制主体软体结构的气囊、充抽气吸附运动机构和气缸活塞机构的充放气；气动补给及控制器通过导线与碰撞传感器和视觉传感器电连接；清洁工具布置在主体软体结构的底部前后面上。

进一步地，主体软体结构的材料为天然橡胶。

进一步地，碰撞传感器为超声波探测器。

进一步地，每个所述充抽气吸附运动机构包括吸盘座和三个小吸盘；吸盘座上均布有三个小吸盘，每个小吸盘包括限位螺母、缓冲弹簧、缓冲杆和带有吸槽的塑料吸盘；缓冲杆下端与塑料吸盘螺纹连接，缓冲杆的上端安装有限位螺母，缓冲杆中部沿杆长方向设有向塑料吸盘的吸槽充放气的中心通气通道，缓冲杆上套装有缓冲弹簧，缓冲弹簧设置在限位螺母和塑料吸盘之间，缓冲杆的上端设置有通气接口，通气接口安装在吸盘座上并与气动补给控制器连接，气体通道与通气接口连接。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、不同于传统机器人的刚体结构，本发明整个主体软体结构由软质材料制成，并模拟尺蠖独特的运动方式，利用气缸活塞前后交替运动，通过充气和抽气的过程实现对软体机器人的灵活控制，避免了以往机器人遇到障碍只能避开的缺点，可实现良好的跨越障碍能力和全方位清扫效果。

2、本发明的软体机器人将动力控制模块和机器人本体分成两部分，可通过柔性传输线路对机器人进行持续不间断的驱动和控制，具有结构简单、易于控制、操作方便、续航能力持久的优点。

3、本发明采用吸盘结构的固定方式，利用多个吸盘共同协调作用使得该软体机器人除了可以在地面上运行以外还可以实现墙壁或者玻璃上的爬壁运动，多方位地进行清洁功能，应用广泛。

4、本发明主体软体结构四周角落安装有超声波探测器，前后两端分别装有视觉传感器，通过整合超声波探测器和视觉传感器的信息，可以对运动轨迹进行记录并对运动进行实时控制，实现路径规划和越障功能。

附图说明

图1为本发明整体结构立体图；

图2为本发明整体结构仰视图；

图3为本发明整体结构透视图；

图4为本发明主体软体结构示意图；

图5为本发明吸附运动机构的吸盘的整体结构图；

图6为图5的A-A向视图；

图7为气缸活塞机构整体结构图；

图8为图7的B-B向视图；

图9为清洁物件的布置示意图；

图10为本发明吸附运动机构的布置示意图；

图11为气缸伸长后本发明仿生软体清洁机器人状态示意图；

图12为气缸收缩后本发明仿生软体清洁机器人状态示意图；

图13为本发明的控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-图4所示，仿生软体清洁机器人，它包括主体软体结构1、充抽气吸附运动机构2、碰撞传感器3、气动补给控制器4、气缸活塞机构5、视觉传感器6和清洁工具7；

所述主体软体结构1内两侧分别安装有充放气的气囊104；

所述主体软体结构1的底部前后面上对称布置有所述充抽气吸附运动机构2；

所述碰撞传感器3布置在所述主体软体结构1的四周；

所述视觉传感器6布置在所述主体软体结构1的前后两侧；

所述气缸活塞机构5布置在主体软体结构1中部，且气缸活塞机构5的活塞506的运动控制机器人的前后运动；

所述气动补给及控制器4通过柔性输送管道控制主体软体结构1的气囊104、充抽气吸附运动机构2和气缸活塞机构5的充放气；气动补给及控制器4通过导线与碰撞传感器3和视觉传感器6电连接；

清洁工具7布置在主体软体结构1的底部前后面上。

较佳地，主体软体结构1的材料为天然橡胶。天然橡胶具有优异的综合物理机械性能，在常温下具有很好的弹性，略有塑性，低温时结晶硬化，有较好的耐碱性和略有塑性，低温时结晶硬化，有较好的耐碱性。如图4所示，所述主体软体结构1上布置有碰撞传感器存放空间101、视觉传感器存放空间107、气缸活塞机构存放空间105和气体通道106，气体通道106与所述柔性输送管道连通。

较佳地，所述碰撞传感器3为超声波探测器。碰撞传感器3位于主体软体结构1的四个角落，当软体机器人运功到接近墙角或者碰触障碍物的时候，超声波探测器可实时检测机器人与障碍物之间的距离，将反馈信息传递给气动补给及控制器4控制机器人改变运动路径。视觉传感器6分布在软体机器人的前后两端各一个，配合超声波探测器共同对运动碰撞进行探测和视觉处理并及时采取规避措施。

气囊位于主体软体结构1机器人前进方向的左右两侧，所述的气动补给及控制器4包括气泵补给装置和信息处理与控制模块103，放置在机器人外部并利用柔性传输管道与电信号线路和机器人连接，共同协调控制运作实现软体机器人的运动清理功能。通过气动补给装置给气囊104充气或者放气，通过改变左右两侧气囊的体积大小来使得主体软体结构1向左或者向右弯曲，实现转弯。如图13所示，视觉传感器6由微型摄像头和视觉图像处理元件组成，共有两个分别安置在该软体机器人的前、后两端，采集视觉信息并对其进行分析，传送给传感缓冲视觉处理模块，最后通过电信号线路传送到传感信息处理与控制模块进行进一步处理。

如图13所示，电源控制外部控制模块和气泵补给装置，视觉传感器6和超声波探测器得到数据信息传递给内部的传感缓冲视觉处理模块，最后传输到信息处理与控制模块进行数据处理，控制气泵补给装置动作，进而给主体软体结构1的气囊、充抽气吸附运动机构2和气缸活塞机构5的充气或放气。

如图9所示，所述的清洁工具7包括前后两块清洁海绵，分别对物体表面进行一次清洁湿润、二次清洁擦干。利用魔术贴粘在主体软体结构1上，使用脏了后可方便及时更换。所用的清洁海绵是一种只需用水以超细纤维及颗粒构成的新产品，利用物理原理清洁抗菌，是既经济又环保的特色产品。清洁海绵可有效清洁累积之茶垢、污垢、水垢、皂垢、油渍，对坚硬光滑表面(如陶瓷、镜面、玻璃、不锈钢)，更能发挥良好的去污效果。

较佳地，如图5、图6和图10所示，每个所述充抽气吸附运动机构2包括吸盘座20和三个小吸盘21；吸盘座20上均布有三个小吸盘21，每个小吸盘21包括限位螺母213、缓冲弹簧214、缓冲杆215和带有吸槽的塑料吸盘216；缓冲杆215下端与塑料吸盘216螺纹连接，缓冲杆215的上端安装有限位螺母213，缓冲杆215中部沿杆长方向设有向塑料吸盘216的吸槽充放气的中心通气通道，缓冲杆215上套装有缓冲弹簧214，缓冲弹簧214设置在限位螺母213和塑料吸盘216之间，缓冲杆215的上端设置有通气接口211，通气接口211安装在吸盘座20上并与气动补给控制器4连接，气体通道106与通气接口211连接。

所述充抽气吸附运动机构2的小吸盘21通过榫卯结构并增加柔性销钉固定在主体软体结构1上，并通过气动补给及控制器4对小吸盘21进行抽气可将软体机器人固定在清洁表面上，然后通过缓慢充气可以实现固定解除，松开表面。

作为上述方案的改进，所述的充抽气吸附运动机构2由四个大吸盘座组成，每一个大吸盘座上固定有三个呈圆周分布的小吸盘，并通过一根气体通道管统一控制，增加了机器人固定的稳定性。

较佳地，如图7和图8所示，气缸活塞机构5还包括限位螺钉501、活塞杆502、活塞杆盖503、含油滑动轴套504、缸筒505、活塞环507、缓冲密封垫508、尾部罩壳509、通气孔510和支撑杆511；

活塞杆盖503和尾部罩盖509之间安装有缸筒505和支撑杆511，活塞506布置在缸筒505内且二者密封滑动接触，活塞杆502的一端固接有活塞506，活塞杆502的另一端穿出活塞杆盖503顶靠主体软体结构1，尾部罩盖509固定在主体软体结构1上，活塞杆502与布置在活塞杆盖503内的含油滑动轴套504滑动接触，活塞杆502的另一端固装有限位螺钉501，活塞506外周侧面上安装有与缸筒505滑动接触的活塞环507，活塞506内周侧面上安装有与活塞杆503密封接触的缓冲密封垫508，活塞杆盖503和尾部罩盖509上分别设有与缸筒505连通的通气孔510，气体通道106与通气孔510连通。

所述的活塞环507嵌入在活塞506的表面凹陷处，由于活塞环507与活塞506之间开口很小，并且相互按一定位置错开，形成迷宫式封气路线，气体通过各道气环口以后，压力显著下降，其气体窜漏量很微小，保证了气体驱动的稳定性。该软体机器人可通过交替改变对前后小吸盘21的吸力大小和内部活塞506的调节控制实现软体机器人的前后尺蠖式运动。

工作原理

结合图1-图13所述，步骤1、当软体机器人处于静止状态时，小吸盘21通气接口211通气，小吸盘21的塑料吸盘216内部的空气被气泵抽走，形成了压力为P2的真空状态。此时，小吸盘21内部的空气压力低于小吸盘21外部的大气压力P1，即P2<P1，机器人在外部大气压强的作用下被固定在物体表面。小吸盘21内部的真空度越高，吸盘与工件之间贴的越紧。

步骤2、当软体机器人准备运动的时，气动补给及控制器4缓慢地给前面的两个吸盘座20上的小吸盘21充气使得前面六个小吸盘内部的气压从刚开始的小于大气压逐渐的变为与大气压强相等，从而失去对表面的固定外力，这样就只有后面尾部的固定。

步骤3、对气缸活塞机构5前部的一个通气孔510充气，而另一个通气孔510放气，两部分的压强差使得活塞506在气体气压的推动下带动活塞杆502一起向前运动，活塞杆502伸长，整个软体机器人的前端也就向前发生位移，而后端在吸附压强的作用下依旧固定不动，前端底部的清洁海绵随着前端的移动一起移动，对物体表面进行一次清洁润湿，如图11状态所示。

步骤4、当软体机器人前端跟随着活塞杆502运动好以后，这个时候利用气动补给及控制器4对前端小吸盘21进行吸气抽气，使得前端又固定到了物体表面上，软体机器人回到静止状态。此时，软体机器人身体被拉长，前端产生了一段位移。

步骤5、当软体机器人的身体被拉长后，利用气动补给及控制器4对尾部的两个吸盘座20上的小吸盘21进行充气，类似于步骤2的动作，使得尾部六个小吸盘21松开，然后对活塞气缸机构5的前部通气孔510放气，对另一个通气孔510充气，活塞杆502缩短，尾部小吸盘21内外压强相等，尾部失去对物体表面的吸附力，由于主体软体结构1的弹性力和活塞气缸机构5的拉力作用，使得软体机器人恢复原始形态。此过程中，后部的清洁海绵再对物体表面进行二次清洁擦干，如图12状态所示。

步骤6、最后对尾部的两个小吸盘21进行抽气，使两个吸盘座20在大气压强作用下产生吸附力，软体机器人固定，恢复步骤1的原始状态。

依次重复步骤1～6，使得软体机器人不断地向前或者向后运动，并同时对表面进行清洁。

通过调节改变主体软体结构1中左右两个气囊104的体积大小，以向左转为例，对左边的气囊104进行抽气使得左边的气囊104的体积减小，同时对右边的气囊104进行充气使得右边的气囊104体积变大，从而整个软体机器人呈现向左转的趋势，配合前进运动便实现了向左转弯，向右转同理。

上述具体实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (5)

1.仿生软体清洁机器人，其特征在于：它包括主体软体结构（1）、充抽气吸附运动机构（2）、碰撞传感器（3）、气动补给控制器（4）、气缸活塞机构（5）、视觉传感器（6）和清洁工具（7）；

所述主体软体结构（1）内两侧分别安装有充放气的气囊（104）；

所述主体软体结构（1）的底部前后面上对称布置有所述充抽气吸附运动机构（2）；

所述碰撞传感器（3）布置在所述主体软体结构（1）的四周；

所述视觉传感器（6）布置在所述主体软体结构（1）的前后两侧；

所述气缸活塞机构（5）布置在主体软体结构（1）中部，且气缸活塞机构（5）的活塞（506）的运动控制机器人的前后运动；

所述气动补给控制器（4）通过柔性输送管道控制主体软体结构（1）的气囊（104）、充抽气吸附运动机构（2）和气缸活塞机构（5）的充放气；气动补给控制器（4）通过导线与碰撞传感器（3）和视觉传感器（6）电连接；气动补给装置给气囊（104）充气或者放气，改变左右两侧气囊的体积大小来使得主体软体结构1向左或者向右弯曲，实现转弯；

清洁工具（7）布置在主体软体结构（1）的底部前后面上；

每个所述充抽气吸附运动机构（2）包括吸盘座（20）和三个小吸盘（21）；

吸盘座（20）上均布有三个小吸盘（21），每个小吸盘（21）包括限位螺母（213）、缓冲弹簧（214）、缓冲杆（215）和带有吸槽的塑料吸盘（216）；缓冲杆（215）下端与塑料吸盘（216）螺纹连接，缓冲杆（215）的上端安装有限位螺母（213），缓冲杆（215）中部沿杆长方向设有向塑料吸盘（216）的吸槽充放气的中心通气通道，缓冲杆（215）上套装有缓冲弹簧（214），缓冲弹簧（214）设置在限位螺母（213）和塑料吸盘（216）之间，缓冲杆（215）的上端设置有通气接口（211），通气接口（211）安装在吸盘座（20）上并与气动补给控制器（4）连接，气体通道（106）与通气接口（211）连接；

气缸活塞机构（5）还包括限位螺钉（501）、活塞杆（502）、活塞杆盖（503）、含油滑动轴套（504）、缸筒（505）、活塞环（507）、缓冲密封垫（508）、尾部罩盖（509）、通气孔（510）和支撑杆（511）；活塞杆盖（503）和尾部罩盖（509）之间安装有缸筒（505）和支撑杆（511），活塞（506）布置在缸筒（505）内且二者密封滑动接触，活塞杆（502）的一端固接有活塞（506），活塞杆（502）的另一端穿出活塞杆盖（503）顶靠主体软体结构（1），尾部罩盖（509）固定在主体软体结构（1）上，活塞杆（502）与布置在活塞杆盖（503）内的含油滑动轴套（504）滑动接触，活塞杆（502）的另一端固装有限位螺钉（501），活塞（506）外周侧面上安装有与缸筒（505）滑动接触的活塞环（507），活塞（506）内周侧面上安装有与活塞杆（502）密封接触的缓冲密封垫（508），活塞杆盖（503）和尾部罩盖（509）上分别设有与缸筒（505）连通的通气孔（510），气体通道（106）与通气孔（510）连通。

2.根据权利要求1所述仿生软体清洁机器人，其特征在于：主体软体结构（1）的材料为天然橡胶。

3.根据权利要求1或2所述仿生软体清洁机器人，其特征在于：所述碰撞传感器（3）为超声波探测器。

4.根据权利要求3所述仿生软体清洁机器人，其特征在于：所述主体软体结构（1）上布置有碰撞传感器存放空间（101）、视觉传感器存放空间（107）、气缸活塞机构存放空间（105）和气体通道（106），该气体通道（106）与所述柔性输送管道连通。

5.根据权利要求1、2或4所述仿生软体清洁机器人，其特征在于：所述清洁工具（7）为清洁海绵。

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