CN110226893A - 一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人，其结构包括：刮水除垢装置、锁钩环、机体、节肢、上关节、下关节、倒钩、吸盘爪，本发明的有益效果：通过仿生学原理研发出蜘蛛型的机器人并在结构上设有刮水除垢装置，依靠节肢前后划动来实现支撑以及摆动过程，由吸盘爪吸附玻璃并依靠节肢摆动提升高度，达到指定的清洁区域后则通过刮水除垢装置设有的擦板与推移座之间的自动复位技术实现擦布的自清洁功能擦拭玻璃表面，并能利用刮刀独特的倾斜角切面刮除玻璃表面固结的污垢使玻璃表面平整保持洁净。

Description

一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人

技术领域

本发明涉及机器人设备领域，尤其是涉及到一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人。

背景技术

随着社会对智能化要求的不断提高，机器人的应用已经涉足各个领域而且应用越来越普遍，其中智能清洁机器人由于人口老龄化程度日益加深、高龄人群基数增大导致家庭与商业场所的卫生清洁工作变得困难而显得越发重要，更重要的是近年来城镇化进程加快，面向高层住宅或商业场所的玻璃清洁将成为一个巨大的市场，而目前基本上家庭和商业门店仍然使用人工手动擦洗玻璃窗，大面积的玻璃窗使得人们的重复劳动增加，而生活节奏的加快会使得人们很少有时间对玻璃窗进行擦洗导致玻璃窗污染物增多造成窗户的透光效果变差，特别是玻璃一旦清理不及时会造成其表面的粉尘与雨水混合，经过太阳光的暴晒之后会固结，而现有的擦窗机器人只能简单擦洗玻璃并无法有效去除玻璃表面的污垢，并且存在着遇水打滑的问题，基于以上前提，本案研发了一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人以解决这个问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人，其结构包括：刮水除垢装置、锁钩环、机体、节肢、上关节、下关节、倒钩、吸盘爪，所述刮水除垢装置连接机体，机体顶部设有锁钩环，节肢连接于机体两侧，节肢共设有三段，处于中间的节肢通过其两端设有的上关节与下关节分别与另外两段节肢连接，位于底部的节肢连接吸盘爪，倒钩设于中部的节肢上，锁钩环为圆环状构造，能够在机器人攀爬玻璃外墙时通过其圆形孔洞连接安全绳挂设于窗沿上避免机器人在大风天气中工作会由于风力因素掉落产生高空坠物伤人事件，机体作为机器人的基础结构核心，主要是作为处理设备的载体并用于指挥机器人实现一系列动作指令，因为要减轻重量，在不会影响结构的安全的情况下，对机体做钻孔，钻出六组通孔，每组两个，以用来安装蜘蛛机器人的节肢，通孔的直径应大于开槽圆柱头螺钉的大径以便螺钉能穿过通孔，孔分布在半径为65mm的圆上，同组两个孔相距为25mm，十二个孔都均布在半径为50mm的圆上面，中心也同样去一个半径为40mm的圆形，这样可大幅降低零件的质量，使机体具备高强度的载荷性能，上关节与下关节的构成主体均为舵机，内部结构由直流电机、减速齿轮和电位计和的制电路组成，控制信号线提供一定脉宽的脉冲时，输出轴保持在相应的角度，而舵机初始角度状态在0°位置，那电机会朝着一个方向运动，采用的驱动信号为脉冲比例调制信号，就是在通常为20ms的周期之内，输入0.5-2.5ms变化的脉冲宽度，所对应的转角范围由0°变化到180°，脉冲宽度和转角为线性关系，在初始化时，应该把所有电机的位置定在90°位置，机器人和关节连接的舵机转轴是水平转动用来控制底部节肢4的前进和后退。

作为本发明进一步技术补充，所述机体由摄像头、处理器、传导器、传输端口、吸附垫、支架、轴座、风管、触发器、增压风机组成，所述摄像头设于处理器底部，处理器连接传导器并设有传输端口，吸附垫设于处理器侧边，处理器通过支架连接轴座，风管贯穿连接处理器底端，触发器通过增压风机连接风管，轴座连接到处理器的基础部分有相应的自由度,以确保正常的运动，处理器主要是用于控制机器人的节肢作出前进、后退以及翻转的动作，并根据连接的摄像头，摄像头采用双目摄像头，利用仿生学原理通过标定后的双摄像头得到同步曝光图像然后计算获取二维图像像素点的第三维深度信息，与此同时通过与处理器连接能够利用摄像头捕捉到的像素点的深度信息对场景进行识别判断，然后采用统计的方法为场景建模并通过时间滤波克服光照渐变以及通过深度算法特性克服光照突变，一方面能够感知机器人在爬升时的距离变化，另一方面则可作为光学变焦器具最大化提升机器人的视觉清晰度，配合传导器的感应功能能够在复杂的环境中使机器人达到较佳的避障效果。

作为本发明进一步技术补充，所述节肢由弹簧管、伸缩杆组成，所述弹簧管与伸缩杆相连，弹簧管通过其弹性特征能够产生弯折功能，伸缩杆则使机器人具备高度提升与下降的功能，在行进有障碍物的路段时可提升其自身高度以顺利通过，一段节肢必须具备三个自由度的运动，因此每个节肢都组装三个电机实现三个转动自由度以保证良好的能动性，节肢具有有较高的刚度和承载力交替以支持机体的质量和在行走的过程中推动机体向前移动的负重条件并具备适应整个机体质量的承载力，电机通过控制相应的节肢运动使机器人具有多个自由度,可以实现机器人行走自由度，在结构上确保它可以更有效地模拟昆虫走路的方式来完成相对复杂的运动，在行走时不以六段节肢同时直线前进，采用将三对节肢分为两组以三角形支架结构互相交替前行，依靠节肢前后划动来实现支撑以及摆动过程。

作为本发明进一步技术补充，所述吸盘爪由吸盘、气缸组成，所述吸盘连接气缸，当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力推动活塞运动，使活塞杆伸出，当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回，若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动，吸盘采用气动吸盘并与气缸相接，当气缸启动后会进行吸气动作抽走吸盘内部的空气形成负压的真空状态，此时吸盘内部的空气压力低于吸盘外部的大气压力能使得吸盘爪紧贴玻璃，吸盘内部的真空度越高，吸盘与玻璃之间贴附的越紧，机器人的行走步态采用三角步态方式，机体一侧的吸盘爪和另一侧的吸盘爪共同形成一组，其他三条吸盘爪组成另外一组，分别形成两个三角形支架，该结构的设计能有效降低机器人的重心，提高其稳定性。

作为本发明进一步技术补充，所述刮水除垢装置由推移座、刮刀、擦布、擦板、滑槽、卡套、导线、端子、喷管、卡座、滚轮组成，所述推移座顶端两侧设有刮刀，推移座通过擦板上的滑槽与其相互嵌合，擦板上表面设有擦布，推移座设有滚轮并与擦板底面相互接触，推移座通过导线连接端子，端子设于卡座两侧，卡座中部垂直设有喷管，喷管与卡套相连，刮刀具有独特的\\\型结构，刮水除垢装置主要是通过其设有的擦板与推移座之间的自动复位技术实现擦布的自清洁功能，在擦板上的擦布与刮刀相互接触的时候会与其形成一个挤压面将擦布上的水分挤出，并且还能通过喷管同步供水湿润擦布替换其含有的污水，卡座为中空状构造，一方面是作为刮水除垢装置与机体相互嵌合连接的载体，另一方面则是用于储放清洁玻璃的用水，滚轮则是增强擦板上的擦布与刮刀之间的摩擦面压力，并对擦板背面与滑槽之间起到滚动加速推移的作用。

有益效果

本发明应用于机器人擦窗技术方面，主要是为了解决玻璃窗污染物增多造成窗户的透光效果变差，特别是玻璃一旦清理不及时会造成其表面的粉尘与雨水混合，经过太阳光的暴晒之后会固结，而现有的擦窗机器人只能简单擦洗玻璃并无法有效去除玻璃表面的污垢的问题；

本发明通过仿生学原理研发出蜘蛛型的机器人并在结构上设有刮水除垢装置，首先是利用结构上的节肢模拟昆虫走路的方式来完成相对复杂的运动，在行走时不以六段节肢同时直线前进，采用将三对节肢分为两组以三角形支架结构互相交替前行，依靠节肢前后划动来实现支撑以及摆动过程，由吸盘爪吸附玻璃并依靠节肢摆动提升高度，达到指定的清洁区域后则通过刮水除垢装置设有的擦板与推移座之间的自动复位技术实现擦布的自清洁功能擦拭玻璃表面，并能利用刮刀独特的倾斜角切面刮除玻璃表面固结的污垢使玻璃表面平整保持洁净。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人的外部结构示意图。

图2为本发明一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人的结构正剖图。

图3为本发明一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人的结构仰视平面图。

图4为本发明一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人的结构侧剖图。

图5为本发明一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人的刮水除垢装置结构剖面图。

图6为本发明一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人的擦窗工作原理图。

图中：刮水除垢装置-1、锁钩环-2、机体-3、节肢-4、上关节-5、下关节-6、倒钩-7、吸盘爪-8、摄像头-a、处理器-f、传导器-g、传输端口-h、吸附垫-j、支架-k、轴座-m、风管-n、触发器-o、增压风机-p、弹簧管-e、伸缩杆-d、吸盘-b、气缸-c、推移座-A1、刮刀-A2、擦布-A3、擦板-A4、滑槽-A5、卡套-A6、导线-A7、端子-A8、喷管-A9、卡座-A10、滚轮-A11。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式以及附图说明，进一步阐述本发明的优选实施方案。

实施例

请参阅图1，本发明提供一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人，其结构包括：刮水除垢装置1、锁钩环2、机体3、节肢4、上关节5、下关节6、倒钩7、吸盘爪8，所述刮水除垢装置1连接机体3，机体3顶部设有锁钩环2，节肢4连接于机体3两侧，节肢4共设有三段，处于中间的节肢4通过其两端设有的上关节5与下关节6分别与另外两段节肢4连接，位于底部的节肢4连接吸盘爪8，倒钩7设于中部的节肢4上，锁钩环2为圆环状构造，能够在机器人攀爬玻璃外墙时通过其圆形孔洞连接安全绳挂设于窗沿上避免机器人在大风天气中工作会由于风力因素掉落产生高空坠物伤人事件，机体3作为机器人的基础结构核心，主要是作为处理设备的载体并用于指挥机器人实现一系列动作指令，因为要减轻重量，在不会影响结构的安全的情况下，对机体3做钻孔，钻出六组通孔，每组两个，以用来安装蜘蛛机器人的节肢4，通孔的直径应大于开槽圆柱头螺钉的大径以便螺钉能穿过通孔，孔分布在半径为65mm的圆上，同组两个孔相距为25mm，十二个孔都均布在半径为50mm的圆上面，中心也同样去一个半径为40mm的圆形，这样可大幅降低零件的质量，使机体3具备高强度的载荷性能，上关节5与下关节6的构成主体均为舵机，内部结构由直流电机、减速齿轮和电位计和的制电路组成，控制信号线提供一定脉宽的脉冲时，输出轴保持在相应的角度，而舵机初始角度状态在0°位置，那电机会朝着一个方向运动，采用的驱动信号为脉冲比例调制信号，就是在通常为20ms的周期之内，输入0.5-2.5ms变化的脉冲宽度，所对应的转角范围由0°变化到180°，脉冲宽度和转角为线性关系，在初始化时，应该把所有电机的位置定在90°位置，机器人和关节连接的舵机转轴是水平转动用来控制底部节肢4的前进和后退。

请参阅图2、图3、图4，本发明提供一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人，其结构包括：所述机体3由摄像头a、处理器f、传导器g、传输端口h、吸附垫j、支架k、轴座m、风管n、触发器o、增压风机p组成，所述摄像头a设于处理器f底部，处理器f连接传导器g并设有传输端口h，吸附垫j设于处理器f侧边，处理器f通过支架k连接轴座m，风管n贯穿连接处理器f底端，触发器o通过增压风机p连接风管n，轴座m连接到处理器f的基础部分有相应的自由度,以确保正常的运动，处理器f主要是用于控制机器人的节肢4作出前进、后退以及翻转的动作，并根据连接的摄像头a，摄像头a采用双目摄像头，利用仿生学原理通过标定后的双摄像头得到同步曝光图像然后计算获取二维图像像素点的第三维深度信息，与此同时通过与处理器f连接能够利用摄像头a捕捉到的像素点的深度信息对场景进行识别判断，然后采用统计的方法为场景建模并通过时间滤波克服光照渐变以及通过深度算法特性克服光照突变，一方面能够感知机器人在爬升时的距离变化，另一方面则可作为光学变焦器具最大化提升机器人的视觉清晰度，配合传导器g的感应功能能够在复杂的环境中使机器人达到较佳的避障效果，所述节肢4由弹簧管e、伸缩杆d组成，所述弹簧管e与伸缩杆d相连，弹簧管e通过其弹性特征能够产生弯折功能，伸缩杆d则使机器人具备高度提升与下降的功能，在行进有障碍物的路段时可提升其自身高度以顺利通过，一段节肢4必须具备三个自由度的运动，因此每个节肢4都组装三个电机实现三个转动自由度以保证良好的能动性，节肢4具有有较高的刚度和承载力交替以支持机体3的质量和在行走的过程中推动机体3向前移动的负重条件并具备适应整个机体3质量的承载力，电机通过控制相应的节肢4运动使机器人具有多个自由度,可以实现机器人行走自由度，在结构上确保它可以更有效地模拟昆虫走路的方式来完成相对复杂的运动，在行走时不以六段节肢4同时直线前进，采用将三对节肢4分为两组以三角形支架结构互相交替前行，依靠节肢4前后划动来实现支撑以及摆动过程，所述吸盘爪8由吸盘b、气缸c组成，所述吸盘b连接气缸c，当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞上所形成的力推动活塞运动，使活塞杆伸出，当有杆腔进气，无杆腔排气时，使活塞杆缩回，若有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动，吸盘b采用气动吸盘并与气缸相接，当气缸c启动后会进行吸气动作抽走吸盘b内部的空气形成负压的真空状态，此时吸盘b内部的空气压力低于吸盘b外部的大气压力能使得吸盘爪8紧贴玻璃，吸盘b内部的真空度越高，吸盘b与玻璃之间贴附的越紧，机器人的行走步态采用三角步态方式，机体3一侧的吸盘爪8和另一侧的吸盘爪8共同形成一组，其他三条吸盘爪8组成另外一组，分别形成两个三角形支架，该结构的设计能有效降低机器人的重心，提高其稳定性。

请参阅图5，本发明提供一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人，其结构包括：所述刮水除垢装置1由推移座A1、刮刀A2、擦布A3、擦板A4、滑槽A5、卡套A6、导线A7、端子A8、喷管A9、卡座A10、滚轮A11组成，所述推移座A1顶端两侧设有刮刀A2，推移座A1通过擦板A4上的滑槽A5与其相互嵌合，擦板A4上表面设有擦布A3，推移座A1设有滚轮A11并与擦板A4底面相互接触，推移座A1通过导线A7连接端子A8，端子A8设于卡座A10两侧，卡座A10中部垂直设有喷管A9，喷管A9与卡套A6相连，刮水除垢装置1主要是通过其设有的擦板A4与推移座A1之间的自动复位技术实现擦布A3的自清洁功能，在擦板A4上的擦布A3与刮刀A2相互接触的时候会与其形成一个挤压面将擦布A3上的水分挤出，并且还能通过喷管A9同步供水湿润擦布A3替换其含有的污水，卡座A10为中空状构造，一方面是作为刮水除垢装置1与机体3相互嵌合连接的载体，另一方面则是用于储放清洁玻璃的用水，滚轮A11则是增强擦板A4上的擦布A3与刮刀A2之间的摩擦面压力，并对擦板A4背面与滑槽A5之间起到滚动加速推移的作用。

如图6所示，在机器人进行高层建筑玻璃外墙的清洗工作时，无需像常规的擦窗机器人从建筑底层进行攀爬清洗，而是可以通过锁钩环2的圆形孔洞连接安全绳挂设于建筑外墙顶层的窗沿上，一方面避免机器人在大风天气中工作会由于风力因素掉落产生高空坠物伤人事件，另一方面则是由高处往低处清洗不仅可以利用下落的势能减轻机器人的能耗，还可以避免从下往上清洗的过程中下层已经清洗完毕的玻璃会被上层正在清洗的玻璃污垢、污渍喷洒到造成二次污染，然后通过节肢4逐层下降，利用吸盘爪8吸附于玻璃表面后先利用刮水除垢装置1的刮刀A2上端面刮除固结的污垢，然后通过喷管A9同步供水湿润擦布A3并通过推移座A1的电动推移带动刮刀A2下端面挤出擦布A3的水分并对玻璃进行擦拭，擦拭完成后再次通过喷管A9同步供水湿润擦布A3替换其含有的污水，然后控制节肢4下落到更低一层进行清洗即可。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神或基本特征的前提下，不仅能够以其他的具体形式实现本发明，还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围，因此本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定，而不是上述说明限定。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人，其结构包括：刮水除垢装置(1)、锁钩环(2)、机体(3)、节肢(4)、上关节(5)、下关节(6)、倒钩(7)、吸盘爪(8)，其特征在于：

所述刮水除垢装置(1)连接机体(3)，机体(3)顶部设有锁钩环(2)，节肢(4)连接于机体(3)两侧，节肢(4)共设有三段，处于中间的节肢(4)通过其两端设有的上关节(5)与下关节(6)分别与另外两段节肢(4)连接，位于底部的节肢(4)连接吸盘爪(8)，倒钩(7)设于中部的节肢(4)上。

2.根据权利要求1所述一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人，其特征在于：所述机体(3)由摄像头(a)、处理器(f)、传导器(g)、传输端口(h)、吸附垫(j)、支架(k)、轴座(m)、风管(n)、触发器(o)、增压风机(p)组成，所述摄像头(a)设于处理器(f)底部，处理器(f)连接传导器(g)并设有传输端口(h)，吸附垫(j)设于处理器(f)侧边，处理器(f)通过支架(k)连接轴座(m)，风管(n)贯穿连接处理器f底端，触发器(o)通过增压风机(p)连接风管(n)。

3.根据权利要求1所述一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人，其特征在于：所述节肢(4)由弹簧管(e)、伸缩杆(d)组成，所述弹簧管(e)与伸缩杆(d)相连。

4.根据权利要求1所述一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人，其特征在于：所述吸盘爪(8)由吸盘(b)、气缸(c)组成，所述吸盘(b)连接气缸(c)。

5.根据权利要求1所述一种吸盘式仿生擦窗蜘蛛机器人，其特征在于：所述刮水除垢装置(1)由推移座(A1)、刮刀(A2)、擦布(A3)、擦板(A4)、滑槽(A5)、卡套(A6)、导线(A7)、端子(A8)、喷管(A9)、卡座(A10)、滚轮(A11)组成，所述推移座(A1)顶端两侧设有刮刀(A2)，推移座(A1)通过擦板(A4)上的滑槽(A5)与其相互嵌合，擦板(A4)上表面设有擦布(A3)，推移座(A1)设有滚轮(A11)并与擦板(A4)底面相互接触，推移座(A1)通过导线(A7)连接端子(A8)，端子(A8)设于卡座(A10)两侧，卡座(A10)中部垂直设有喷管(A9)，喷管(A9)与卡套(A6)相连。