CN110166000B - 一种光伏电池板清洁机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏电池板清洁机器人及其工作方法，属于智能机器人技术领域，一种光伏电池板清洁机器人，由行走装置、清洗装置和弹土装置组成。通过在第一回转盘上面设置六自由度的驱动臂，能够将清洗装置到达光伏面板的任意位置，六自由度的驱动臂降低了控制难度，同时也增加了驱动臂的灵活性，同时在清洗装置内部安装了弹土机构，该掸土机构安装于两根滚刷中间靠上方的位置，可以收集更多的灰尘，加之，此处风力最大，灰尘在此气流作用下可以更好地进入吸尘管。最后通过引风机沿吸尘管轴线方向强力吸尘，实现彻底除尘，提高了清洁效率。

Description

一种光伏电池板清洁机器人及其工作方法

技术领域

本发明属于智能机器人技术领域，具体涉及一种光伏电池板清洁机器人及其工作方法。

背景技术

作为清洁可再生资源，太阳能拥有着很大的应用前景。太阳能在未来有可能成为替代其他能源的重要能源。目前，对于太阳能的利用主要通过光伏电池板吸收太阳光，发生光电效应或是化学效应将其直接或间接的转化为电能。有研究发现，光伏电池板表面的光洁度对光电转换效率有重要影响，每平方米若有4.05g灰尘的灰尘层就会使光伏电池板的光电转换效率下降40%。如何清洁光伏电池板成为了现在光伏发电中一个亟待解决的问题。在我国太阳能发电主要通过光电转换来实现，大部分集中在青藏高原、西北地区以及内蒙古高原中西部等干旱地区。光伏电池板的清洁方法主要有三种，自然清洁法、人工清洁法以及机械清洁法。自然清洁法就是依靠雨水冲刷，清除光伏电池板表面的灰尘。但这种方法因受雨水制约，所以在干旱条件下无法保证，必须使用其他清洁方法。人工清洁法是指人工利用高压水枪清洁光伏电池板，但此方法对于缺水的地区，我国建设光伏发电站的大部分地区都没有充足水源，过于浪费，所以人工清洁的方法并不理想。

传统的光伏电池板清洁机器人，由于光伏发电板大都集中在沙漠不平整的场地，传统的清洁机器人在清洁时，常受到场地不平整的影响，车身会有明显的颠簸，从而导致末端清洁装置振动，从而破坏光伏电池板，应用的场合不具有普遍性。

发明内容

发明目的：提供一种光伏电池板清洁机器人及其工作方法，解决了现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种光伏电池板清洁机器人，包括；

行走装置，包括车体、设置在所述车体底部用于行走的履带式行走组件，设置在所述车体顶部上面的第一回转盘、安装在在所述第一回转盘上面的拥有六自由度的驱动臂，设置在所述驱动臂一端的清洗装置，以及设置在所述清洗装置一端的吸尘管；

所述驱动臂，设置在所述第一回转盘上的底座，设置在所述底座上面的能够围绕所述底座轴向转动的大关节模块第一关节，设置在所述大关节模块第一关节上面的大关节模块第二关节，设置在所述大关节模块第二关节端部的大连接臂，设置在所述大连接臂一端的大关节模块第三关节，设置在所述大关节模块第三关节一端的小连接臂连接头，设置在所述小连接臂连接头上面的能够伸缩的小连接臂，设置在所述小连接臂一端的小关节模块第四关节，所述在所述小关节模块第四关节端部的小关节模块第五关节，以及设在所述小关节模块第五关节一端的小关节模块第六关节：

所述清洗装置，包括设置在小关节模块第六关节端部的机罩，设置在所述机罩内部的弹土机构和滚筒毛刷，所述滚筒毛刷呈人字型分布，且所述滚筒毛刷对称布置，所述滚筒毛刷由一对毛刷锟组成，以及设置机罩上面的传感器。

在进一步实例中，所述车体的端部设有尘灰室，所述尘灰室的一端设有吸尘管道，所述吸尘管道的另一端与吸尘口相通。

在进一步实例中，所述驱动臂，包括设置在所述第一回转盘上面的动臂，设置动臂端部的关节，设置在所述关节一端的伸缩臂。

在进一步实例中，所述吸尘管，由上下两个半圆形槽组成，包括，与所述吸尘口相通的吸尘管上部和吸尘管下部，其中所述吸尘口下部和所述吸尘口上部同心配合，且所述吸尘口上部和所述吸尘口下部半径差的两条窄缝隙为灰尘的入口。

在进一步实例中所述弹土机构，包括设置在所述吸尘管上部的下边缘弹土杆，以及固定在所述吸尘管上部和所述吸尘管下部的两端的固定板。

在进一步实例中，所述机罩的底部设有横梁，设置在所述横梁两端的隔板，设置在所述横梁端部的引风接头，以及同心设置在是引风接头端口的引风管。

在进一步实例中，所述吸尘管上部的半径大于吸尘管下部的半径。

在进一步实例中，所述弹土机构安装在滚筒毛刷中间靠上的位置。

在进一步实例中，所述滚筒毛刷选用尼龙材料。

在进一步实例中，一种光伏电池板清洁机器人的工作方法，包括如下步骤；

S1、按机器人启动按钮；

S2、驱动臂带动清洗装置下降到需要清洗的光伏太阳能板上方；

S3、一对毛刷锟转向相反，清扫起尘，使灰尘脱离光伏板表面呈悬浮状态，灰尘在气流作用下被带入除尘刷内部腔体，在包络于毛刷辊外缘的圆弧形外罩的约束下，刷体内部形成相对稳定的环形流场，浮起的灰尘在气流的作用下进入掸土机构；

S3、滚筒毛刷转动，使得灰尘颗粒脱离光伏板表面，高速转动通过刷体转动时产生的气流作将悬浮状的灰尘输送到吸尘管的出口处；

S4、掸土杆对刷毛实时进行掸土清理，清理刷毛的灰尘，且掸掉的灰尘在槽面的引导下沿窄缝进入吸尘圆管内，同时引风机实时吸尘，将灰尘彻底吸入储灰室；

S5、车体沿前进方向继续前进，机罩上的传感器检测光伏面板之间是否存在间隙，将调整驱动臂的姿态，使清洗装置再度到达相应的工作位置，然后由移动关节进行垂直距离的微调；

S6、重复S2至S5,直至清洗光伏面板结束。

有益效果：一种光伏电池板清洁机器人及其工作方法，通过在第一回转盘上面设置六自由度的驱动臂，能够将清洗装置到达光伏面板的任意位置，六自由度的驱动臂降低了控制难度，同时也增加了驱动臂的灵活性，同时在清洗装置内部安装了弹土机构，该掸土机构安装于两根滚刷中间靠上方的位置，可以收集更多的灰尘，加之，此处风力最大，灰尘在此气流作用下可以更好地进入吸尘管。最后通过引风机沿吸尘管轴线方向强力吸尘，实现彻底除尘，提高了清洁效率。

附图说明

图1为本发明一种光伏电池板清洁机器人的主视图。

图2为本发明一种光伏电池板清洁机器人的弹土机构的截面图。

图3为本发明一种光伏电池板清洁机器人中的清洗装置的俯视图。

图4为本发明一种光伏电池板清洁机器人中的驱动臂的主视图。

图5为本发明一种光伏电池板清洁机器人中的驱动臂的侧视图。

图中各附图标记为：行走装置1、车体2、尘灰室3、吸尘管道4、第一回转盘5、驱动臂6、伸缩臂7、清洗装置8、传感器9、吸尘管10、关节11、吸尘管上部101、吸尘管下部102、灰尘的入口103、机罩201、横梁202、弹土机构203、滚筒毛刷204、固定板106、隔板107、引风接头108、引风管109、履带式行走组件104、弹土杆105、底座601、大关节模块第一关节602、大关节模块第二关节603、大连接臂604、大关节模块第三关节605、小连接臂接头606、小连接臂607、小连接臂第四关节608、小连接臂第五关节609、小连接臂第六关节610。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1至图5所示，一种光伏电池板清洁机器人，由行走装置1、清洗装置8和弹土装置组成。

如图1所示、行走装置1，包括车体2、履带式行走组件104、第一回转盘5、驱动臂6、吸尘管10、尘灰室3、吸尘管道4。履带式行走组件104设置在所述车体2的底部，第一回转盘5设置在所述车体2的顶部上面、驱动臂6安装在在所述第一回转盘5的上面，且所述驱动臂6设计为六自由度的驱动臂6，清洗装置8设置在所述驱动臂6的一端，吸尘管10设置在所述清洗装置8的一端，并且所述吸尘管10位于所述清洗装置8的侧面。所述吸尘管10由上下两个半圆形槽组成，包括，吸尘管下部102、和吸尘管上部101。吸尘管上部101设置在所述吸尘管道4的一端，吸尘管下部102设置在所述吸尘管上部101的上面，其中所述吸尘管下部102和所述吸尘管上部101同心配合，且所述吸尘管上部101和所述吸尘管下部102半径差的两条窄缝隙为灰尘的入口103，所述吸尘管上部101的半径大于吸尘管下部102的半径。尘灰室3设置在所述车体2上面，所述尘灰室3的一端设有吸尘管道4，所述吸尘管道4的另一端与吸尘管10相通。

其驱动臂6，包括底座601、大关节模块第一关节602、大关节模块第二关节603、大连接臂604、大关节模块第三关节605、小连接臂接头606、小连接臂607、小连接臂第四关节608、小连接臂第五关节609、小连接臂第六关节610；

底座601设置在所述第一回转盘的上面，大关节模块第一关节602设置在所述底座601的上面并能够围绕所述底座601轴向转动，大关节模块第二关节603设置在所述大关节模块第一关节602的上面，大连接臂604设置在所述大关节模块第二关节603的端部，大关节模块第三关节605设置在所述大连接臂604的一端，大连接臂604的两端一端与大关节模块第二关节603相连，另一端与大关节模块第三关节605相连，小连接臂607连接头设置在所述大关节模块第三关节605的一端，小连接臂607设置在所述小连接臂607连接头的上面，小连接臂607接头606的一端与大关节模块第三关节605连转动连接，另一端与小连接臂607连接，，小连接臂第四关节608设置在所述小连接臂607的一端，小关节模块第五关节设置所述在所述小连接臂第四关节608的端部，小连接臂第六关节610设置在所述小连接臂第五关节609的一端：其中第一、第二、第三关节是同种结构的大关节模块，第四、第五、第六是同一种类型的小关节模块。

清洗装置8，包括机罩201、弹土机构203、滚筒毛刷204和传感器9；机罩201设置在小关节模块第六关节610的端部，弹土机构203设置在所述机罩201的内部，所述弹土机构203安装在滚筒毛刷204中间靠上的位置。传感器9设置在机罩201上面。

弹土机构203，包括弹土杆105、固定板106、横梁202、隔板107、引风接头108、引风管109。横梁202安装所述机罩201的底部，隔板107设置在所述横梁202的两端，引风接头108设置在所述横梁202的端部，引风管109同心设置在是引风接头108的端口处。滚筒毛刷204设置隔板107上面：所述滚筒毛刷204对称布置在隔板107上面，并且所述滚筒毛刷204由一对毛刷锟组成，弹土杆105设置在所述吸尘管10上部的下边缘，固定板106固定在所述吸尘管上部101和所述吸尘管下部102的两端。

在进一步实例中，滚筒毛刷204由一对毛刷辊组成，工作时转向相反，清扫起尘，使灰尘脱离光伏板表面呈悬浮状态，灰尘在气流作用下被带入除尘刷内部腔体，在包络于毛刷辊外缘的圆弧形外罩的约束下，刷体内部形成相对稳定的环形流场，浮起的灰尘在气流的作用下进入弹土机构203。双滚刷清扫起尘的效率更高，且抑制灰尘溢出刷体而扬起，有效地解决了二次扬尘污染问题，保证了清扫效果。弹土杆105对刷毛实时进行掸土清理，保证了刷毛的洁净程度，且掸掉的灰尘在槽面的引导下沿窄缝进入吸尘圆管内，同时引风机实时吸尘，将灰尘彻底吸入尘灰室3，保证除尘效果。清洗装置8在整个除尘过程中不需要水或清洁剂，双滚刷起尘和掸土输尘同步工作，外置的引风机实时吸尘，防止二次扬尘污染，刷毛可实时自清洁，保证除尘效率与除尘质量。

在进一步实例中，滚筒毛刷204选用尼龙材料，因光伏板面上的灰尘颗粒附着情况较复杂，有些光伏板面为自然落灰（浮尘），这些灰尘容易脱离。但是还有一些光伏板面上的灰尘是经雨水冲刷之后会形成的泥污，后者的污染程度较严重，对起尘效果要求较高，需要一定的摩擦力才能使其脱离板面。然而滚筒刷毛的丝径（硬度）是决定起尘效果的重要因素，对于干式起尘有很大的影响。刷毛丝径选择015mm左右的毛刷，0.15mm的毛刷能够快速对清洁泥污类的光伏面板，而且由于硬度原因不会伤害到光伏面板。

在进一步实例中，清洗装置在除尘的输尘过程主要依靠滚筒毛刷转动产生的环形流场作用，由于该清洗装置采用双滚刷清扫起尘的方式，因此灰尘颗粒在脱离光伏板面之后，在刷毛的带动下产生较大的速度（与刷毛外缘的线速度相同），紧接着做一段圆周运动，然后在掸土机构的作用下，粘有灰尘的刷毛与掸土杆依次产生撞击，每转动一周掸土一次，从而保证刷毛始终保持清洁状态。同时，经掸土之后脱离刷毛的灰尘颗粒将以一定的速度通过窄缝进入吸尘管内。因此，输尘过程是灰尘颗粒自身运动、刷体产生的环形气流及外置引风机吸尘三者的叠加作用，在这三者的共同作用下，实现灰尘颗粒沿吸尘管轴线方向运动，最终被彻底收集

在进一步实例中，由于光伏电站内路面不平，轮式车体2的平稳性不如履带式车体2好，所以我们采用履带式车体2做运动载体。常见的履带式车体2有推土机和挖掘机：推土机的主要动力输出是克服前进阻力，能够连续的行走，但推土机没有能够进行空间作业的驱动臂6；而挖掘机主要进行挖掘作业，动力的主要输出在于臂，其作业时底盘总是不动的，不能满足长时间连续行走的要求。结合二者的优势，我们采用履带式行走组件104的车体2作为运动载体，并在其基础上加装驱动臂6来调节清洁装置的位姿。介于推土机克服前进阻力消耗的能量很大，而光伏清洁机器人不需要这么大的前进动力，加装的驱动臂6也采用液压驱动，因而需要对其液压系统进行改造。驱动臂6由电机驱动的优点在于效率高、控制方便、使用灵活、定位精度也更高，但是这里的负载较大，耗电大，需要配置大功率的发电机输出电力，成本大大增加。

在进一步实例中，为了保证清洁装置与光伏面板的贴合，必须保持清洁装置与光伏面板平行，并且保持一定的距离。考虑到车体2的前进方向与光伏面板阵列的延伸方向相同，若要清洗装置8达到指定的工作位置，驱动臂6只需三根连杆即可。其中末端连杆与清洁装置相连，此连杆必须垂直于光伏面板平面。清洁装置在工作中，驱动臂6所处平面必须垂直于光伏面板的延展方向，而一般的履带式车体2在前进中会产生偏移，每百米会偏移七米左右，所以驱动臂6与车体2连接处必须加一个回转自由度，保证驱动臂6所在平面始终与光伏面板延展方向垂直。车体2在前进中因地表不平会产生抖动，这会造成执行器产生一定的旋转，即清洁装置的长度方向与单块光伏面板的长边不平行，导致无法覆盖全部的光伏面板，因而需要在清洗装置8与驱动臂6的末端连杆中间增加一个回转自由度。若仅仅只有这5个自由度，则驱动臂6的工作位置与车体2到光伏面板的距离有关。但考虑到该机器人的工作要求的特殊性，车体2在前进过程中会产生颤动，清洁装置与光伏面板的距离也随之发生变化，若驱动臂6只有5个自由度，则必须同时调节这五个自由度才能保证执行器与面板的相对位置，这将大大增加控制系统的设计难度。因而我们增加一个移动自由度来控制清洁装置与光伏面板的距离，这样可以降低控制难度，同时增加调整的灵活性。传统的设备只能手动进行调整清洁装置的位置，每遇到一处光伏面板的间隙便要停车进行一次调节，极大的限制了工作效率。六自由度驱动臂6可以根据传感信号自动调整清洗装置8的位置，因此设置六自由度的驱动臂6为最优方案。

在进一步实例中，车体2从光伏面板阵列的一端前进到另一端，清洁装置在较高的工作位置清洁了光伏面板的上半部分，车体2调头从阵列另一端返回，清洁装置处在较低的工作位置清洁了光伏面板的下半部分。当机器人清洁一块整齐的面板时，操作臂的转动关节11无需动作，以移动关节11来精确控制清洁执行器与光伏面板的距离；当机器人从一块整齐的面板运动到下一块整齐的面板的时候，车体2沿前进方向继续前进，执行器上的传感器9感受到面板之间存在间隙，将调整机械臂的姿态，使执行器再度到达相应的工作位置，然后由移动关节11进行垂直距离的微调。

在进一步实例中，一种光伏电池板清洁机器人的工作方法，包括如下步骤；按机器人启动按钮；驱动臂6带动清洗装置8下降到需要清洗的光伏太阳能面板上方；一对毛刷锟转向相反，清扫起尘，使灰尘脱离光伏板表面呈悬浮状态，灰尘在气流作用下被带入除尘刷内部腔体，在包络于毛刷辊外缘的圆弧形外罩的约束下，刷体内部形成相对稳定的环形流场，浮起的灰尘在气流的作用下进入掸土机构；滚筒毛刷204转动，使得灰尘颗粒脱离光伏板表面，高速转动通过刷体转动时产生的气流作将悬浮状的灰尘输送到吸尘管10的出口处；掸土杆对刷毛实时进行掸土清理，清理刷毛的灰尘，且掸掉的灰尘在槽面的引导下沿窄缝进入吸尘圆管内，同时引风机实时吸尘，将灰尘彻底吸入储灰室；车体2沿前进方向继续前进，机罩201上的传感器9检测光伏面板之间是否存在间隙，将调整驱动臂6的姿态，使清洗装置8再度到达相应的工作位置，然后由移动关节11进行垂直距离的微调；车体2向前移动重复,直至清洗光伏面板结束。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (4)

1.一种光伏电池板清洁机器人，其特征在于，包括

行走装置，包括车体、设置在所述车体底部用于行走的履带式行走组件，设置在所述车体顶部上面的第一回转盘、安装在在所述第一回转盘上面的拥有六自由度的驱动臂，设置在所述驱动臂一端的清洗装置，以及设置在所述清洗装置一端的吸尘管；

所述驱动臂包括，设置在所述第一回转盘上的底座，设置在所述底座上面的能够围绕所述底座轴向转动的大关节模块第一关节，设置在所述大关节模块第一关节上面的大关节模块第二关节，设置在所述大关节模块第二关节端部的大连接臂，设置在所述大连接臂一端的大关节模块第三关节，设置在所述大关节模块第三关节一端的小连接臂连接头，设置在所述小连接臂连接头上面的能够伸缩的小连接臂，设置在所述小连接臂一端的小关节模块第四关节，设置在所述小关节模块第四关节端部的小关节模块第五关节，以及设在所述小关节模块第五关节一端的小关节模块第六关节：

所述清洗装置，包括设置在小关节模块第六关节端部的机罩，设置在所述机罩内部的弹土机构和滚筒毛刷，所述滚筒毛刷呈人字型分布，且所述滚筒毛刷对称布置，所述滚筒毛刷由一对毛刷锟组成，以及设置机罩上面的传感器；

车体的上面设有尘灰室，所述尘灰室的一端设有吸尘管道，所述吸尘管道的另一端与吸尘管相通；

吸尘管，由上下两个半圆形槽组成，包括，与所述吸尘管道相通的吸尘管上部和吸尘管下部，其中所述吸尘管下部和所述吸尘管上部同心配合，且所述吸尘管上部和所述吸尘管下部半径差的两条窄缝隙为灰尘的入口；

所述吸尘管上部的半径大于吸尘管下部的半径；

所述弹土机构，包括设置在所述吸尘管上部的下边缘弹土杆，以及固定在所述吸尘管上部和所述吸尘管下部的两端的固定板；

所述弹土机构安装在滚筒毛刷中间靠上的位置；所述清洗装置在除尘的输尘过程主要依靠滚筒毛刷转动产生的环形流场作用，由于该清洗装置采用双滚刷清扫起尘的方式，因此灰尘颗粒在脱离光伏板面之后，在刷毛的带动下产生与刷毛外缘的线速度相同的速度，紧接着做一段圆周运动，然后在掸土机构的作用下，粘有灰尘的刷毛与掸土杆依次产生撞击，每转动一周掸土一次，从而保证刷毛始终保持清洁状态；经掸土之后脱离刷毛的灰尘颗粒将以一定的速度通过窄缝进入吸尘管内，输尘过程是灰尘颗粒自身运动、刷体产生的环形气流及外置引风机吸尘三者的叠加作用，在这三者的共同作用下，实现灰尘颗粒沿吸尘管轴线方向运动，最终被彻底收集；

所述弹土杆对刷毛实时进行掸土清理，保证了刷毛的洁净程度，且掸掉的灰尘在槽面的引导下沿窄缝进入吸尘圆管内，同时引风机实时吸尘，将灰尘彻底吸入尘灰室中。

2.根据权利要求1所述的一种光伏电池板清洁机器人，其特征在于：所述机罩的底部设有横梁，设置在所述横梁两端的隔板，设置在所述横梁端部的引风接头，以及同心设置在所述引风接头端口的引风管。

3.根据权利要求2所述的一种光伏电池板清洁机器人，其特征在于：所述滚筒毛刷选用尼龙材料；

所述刷毛丝径选择0.15mm。

4.基于权利要求3所述一种光伏电池板清洁机器人的工作方法，其特征在于，包括如下步骤；

S1、按机器人启动按钮；

S2、驱动臂带动清洗装置下降到需要清洗的光伏太阳能板上方；

S3、一对毛刷锟转向相反，清扫起尘，使灰尘脱离光伏板表面呈悬浮状态，灰尘在气流作用下被带入除尘刷内部腔体，在包络于毛刷辊外缘的圆弧形外罩的约束下，刷体内部形成相对稳定的环形流场，浮起的灰尘在气流的作用下进入掸土机构；

S3、滚筒毛刷转动，使得灰尘颗粒脱离光伏板表面，高速转动通过刷体转动时产生的气流作将悬浮状的灰尘输送到吸尘管的出口处；

S4、掸土杆对刷毛实时进行掸土清理，清理刷毛的灰尘，且掸掉的灰尘在槽面的引导下沿窄缝进入吸尘圆管内，同时引风机实时吸尘，将灰尘彻底吸入储灰室；

S5、车体沿前进方向继续前进，机罩上的传感器检测光伏面板之间是否存在间隙，将调整驱动臂的姿态，使清洗装置再度到达相应的工作位置，然后由移动关节进行垂直距离的微调；

S6、重复S2至S5,直至清洗光伏面板结束。

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