CN110813834B - 一种基于非接触式并联线驱动的太阳能面板清洁机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非接触式并联线驱动的太阳能面板清洁机器人。包含固定机构、清洗机构、运动机构和控制机构；太阳能光伏板安装于太阳能板框架中，固定机构的四块支撑板分别安装位于太阳能光伏板的太阳能板框架四个角上；运动机构包括四组线驱移动组件，固定机构的每块支撑板上均安装固定一个线驱移动组件，每个线驱移动组件包括绕线轮、伺服电机和柔索线绳；清洗机构包括移动板以及安装在移动板底部的左非接触式气爪、右非接触式气爪、前后滚动式毛刷，控制机构包括气泵和弹性管。本发明能平稳完成清洗工作，在不影响太阳能板正常使用的前提下，将其表面无接触的清洗整洁，且进行无死角的清洁，避免对太阳能板的损伤。

Description

一种基于非接触式并联线驱动的太阳能面板清洁机器人
技术领域
本发明涉及太阳能光热发电领域的一种太阳能面板清洁装置，特别涉及了一种基于非接触式并联线驱动的太阳能面板清洁机器人。
背景技术
随着人们对清洁能源的逐步重视和太阳能能源技术的不断发展，太阳能板已经在交通、通信、建筑等大量领域投入了使用，并充分发挥了太阳能本身环保和便捷的优势。但是，太阳能板在有其优势的同时也有一定的不足。由于太阳能板需要充分暴露以更好的吸收太阳光能，这便会导致空气中的粉尘、动物的排泄物等杂物轻易附着于太阳能板的表面，从而导致光电转换率的降低。所以太阳能板的清洁是摆在人们面前一个不可忽视的问题。
目前有效的清洁手段，主要是人工清洁，人工配高压水枪对太阳能电池板进行清洗，具有效率低、成本高、浪费水资源的问题。太阳能板往往布置在较高或者较为空旷的区域，人工清洗具有一定的危险。目前现有的寻迹清洁机器人也存在着导航困难的问题。车载移动式清洗技术清洗的太阳能电池板受高度的限制，对于一些位于屋顶，路灯上的太阳能电池板不能有效清洗。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种基于非接触式并联线驱动的太阳能面板智能清洁机器人的设计。
本发明的的清洁机器人可实现对不同大小规格的太阳能光伏板的清洗工作，解决了对不同工作环境的太阳能光伏板的清洗问题；利用风能实现对太阳能光伏板非接触式清洗，减轻因清洗对太阳能电池板的损害，延长其使用寿命。并且，清洁机器人可以实现对太阳能电池板的全面无死角的清洗，同时不会在清洗的过程中掉落脱离太阳能光伏板。
为实现上述功能，本发明所采用的技术方案包括：
本发明包含固定机构、清洗机构、运动机构和控制机构；所述的固定机构包括左下支撑板、右上支撑板、左上支撑板和右下支撑板，太阳能光伏板安装于太阳能板框架中，四块支撑板分别安装位于太阳能光伏板的太阳能板框架四个角上；
所述的运动机构包括四组线驱移动组件，固定机构的每块支撑板上均安装固定一个线驱移动组件，每个线驱移动组件包括绕线轮、伺服电机和柔索线绳，伺服电机固定安装于支撑板底面，伺服电机的输出轴朝上且和绕线轮同轴连接，绕线轮上绕有柔索线绳，柔索线绳一端固定系在绕线轮上；
所述的清洗机构包括移动板以及安装在移动板底部的左非接触式气爪、右非接触式气爪、前滚动式毛刷和后滚动式毛刷，移动板底面的前后两侧安装有前滚动式毛刷和后滚动式毛刷，移动板顶面的四角设有线轴，柔索线绳另一端固定系接线轴，四个线驱移动组件的柔索线绳另一端分别连接到四根线轴上；移动板底面的前后两侧安装有左非接触式气爪、右非接触式气爪，每个非接触式气爪内部设有气体腔，气体腔朝下开口，气体腔顶部设有进气流道，进气流道一端延伸到气体腔顶部中央作为出气孔，进气流道另一端穿过伸出非接触式气爪侧壁后连接到气源；非接触式气爪和太阳能光伏板的板表面之间具有间隙形成气模间隙，滚动式毛刷接触和太阳能光伏板的板表面；
所述的控制机构包括气泵和弹性管，气泵安装于支撑板的底面，气泵输出端经弹性管和清洗机构的左非接触式气爪、右非接触式气爪的进气流道连通。
所述的控制机构还包括控制面板，控制面板安装于支撑板的底面，控制面板分别和气泵、运动机构的四个线驱移动组件的伺服电机连接，进而控制伺服电机和气泵工作，带动移动板进行运动和清洁。
所述的四块支撑板与太阳能光伏板的太阳能板框架之间通过螺钉固定。
所述的前滚动式毛刷和后滚动式毛刷的两端均通过轴承座可转动地安装支撑在移动板底面。
所述的柔索线绳一端通过螺栓螺钉固定钉在绕线轮上。
本发明的太阳能板清洁机器人清洗模块是通过两个非接触式气爪和两个旋转式毛刷的相互配合，可以最大程度上避免对太阳能板的损伤并且具有相当强力的清洁能力。
运动是采用并联线性驱动的方式，保证了清洁模块能对整块光伏板进行无死角的清洁。
本发明中所设计的机器人在日照较弱的早晚时间段进行清洁，以减少安全隐患。在太阳能板正常工作的倾斜角度下，该清洁机器人能平稳完成相应的清洗工作，在不影响太阳能板正常使用的前提下，将其表面清洗整洁，帮助提高光电转换效率、提高太阳能光伏板的使用寿命。
本发明的有益效果是：
适用性好：各个电机可灵活固定在不同尺寸的太阳能板的四个角落上，不受太阳能板尺寸限制且便于安装和拆卸。
并联线驱动：通过控制拉动线绳，从而实现清洗模块在太阳能光伏板上各个方向的移动，保证了整块太阳能板都能被清洗。同时线驱动机构还可以使伺服电机驱动器远离清洗机构，有效的降低清洗机构的重量，同时还可以有效地减轻清洗机构在运动过程中产生的惯性，提高运动性能，更有利于清洗机构的控制。
无接触式移动：气爪与太阳能板之间形成的气膜能保证太阳能板与清洗机构在工作时始终保持既悬浮于太阳能板之上又能吸附在太阳能板上，从而实现无接触式移动。无接触式移动清洗对太阳能电池板的损害小，不会造成太阳能电池板因清洗而损伤。
附图说明
图1为本发明太阳能面板清洁机器人结构示意图。
图2为本发明太阳能面板清洁机器人结构示意图。
图3为本发明清洗机构示意图。
图4为旋涡流非接触式气爪工作原理图。
图中：左下支撑板(1)、绕线轮(2)、伺服电机(3)、右上支撑板(4)、移动板(5)、弹性管(6)、左上支撑板(7)、柔索线绳(8)、太阳能光伏板(9)、右下支撑板(10)、太阳能板框架(11)、控制面板(12)、气泵(13)、左非接触式气爪(14)、轴承座(15)、前滚动式毛刷(16)、右非接触式气爪(17)、后滚动式毛刷(18)、出气孔(19)、进气流道(20)、板表面(21)、气模间隙(22)、气体腔(23)。
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所示，包含固定机构、清洗机构、运动机构和控制机构。
固定机构由四块支撑板组成，具体包括左下支撑板1、右上支撑板4、左上支撑板7和右下支撑板10，太阳能光伏板9安装于太阳能板框架11中，四块支撑板分别安装位于太阳能光伏板9的太阳能板框架11四个角上，四块支撑板与太阳能光伏板9的太阳能板框架11之间通过螺钉固定；固定机构具有移动性好、适应性强的特点，可以固定在一块或者几块紧密连接的太阳能光伏板上，对其进行清洁作用。
运动机构是线驱移动机构，主要由四个固定在固定机构的伺服电机、四个与伺服电机连接的绕线圈和柔索线绳组成，具体包括四组线驱移动组件，固定机构的每块支撑板上均安装固定一个线驱移动组件，每个线驱移动组件包括绕线轮2、伺服电机3和柔索线绳8，伺服电机3固定安装于支撑板底面，伺服电机3的输出轴朝上且和绕线轮2同轴连接，朝上方向和太阳能光伏板上表面的清洗机构布置吻合，绕线轮2上绕有柔索线绳8，柔索线绳8一端固定系在绕线轮2上；伺服电机是通过单片机控制的转速和旋转方向来拉动柔索线绳，从而实现清洗模块在太阳能光伏板上各个方向的移动。线驱动机构可使伺服电机驱动器远离清洗机构，有效的降低清洗机构的重量，同时还可以有效地减轻清洗机构在运动过程中产生的惯性，提高运动性能，更有利于清洗机构的控制。
如图3所示，清洗机构主要由两个非接触式气爪和前后两个滚动式毛刷组成，具体包括移动板5以及安装在移动板5底部的左非接触式气爪14、右非接触式气爪17、前滚动式毛刷16和后滚动式毛刷18，移动板5底面的前后两侧安装有前滚动式毛刷16和后滚动式毛刷18，前滚动式毛刷16和后滚动式毛刷18的两端均通过轴承座15可转动地安装支撑在移动板5底面；移动板5顶面的四角设有线轴，柔索线绳8另一端固定系接线轴，四个线驱移动组件的柔索线绳8另一端分别连接到四根线轴上；移动板5底面的前后两侧安装有左非接触式气爪14、右非接触式气爪17，每个非接触式气爪内部设有气体腔23，气体腔23朝下开口，气体腔23顶部设有进气流道20，进气流道20一端延伸到气体腔23顶部中央作为出气孔19，进气流道20另一端穿过伸出非接触式气爪侧壁后连接到气源(即气泵13)；非接触式气爪和太阳能光伏板9的板表面21之间具有间隙形成气模间隙22，滚动式毛刷接触和太阳能光伏板9的板表面21，即滚动式毛刷底端低于非接触式气爪的底端；
如图2所示，控制机构主要由运动控制卡和四只伺服电机组成，具体包括气泵13和弹性管6，气泵13安装于支撑板的底面，气泵13输出端经弹性管6和清洗机构的左非接触式气爪14、右非接触式气爪17的进气流道20连通。
非接触式气爪14、17位于清洗机构的中部，两个非接触式气爪成镜像装配并通过螺钉固定在移动板5下面，通过安装在固定机构上的气泵13分别从两个非接触式气爪的充气口向内部充气，如图4所示，当气流送入非接触式气爪内部的气体腔23会形成漩涡流，当吸附力与反向阻力的合力与工件自身重量达到平衡时，非接触式气爪14、17与太阳能光伏板9之间会形成一层空气薄膜，实现对太阳能光伏板的非接触夹持，气爪原理具体如图4所示。非接触式气爪14、17不仅起着重要的承重作用，通过排出的气流还能起到一定的清洁作用，将吸附于太阳能光伏板9上的尘土吹散。在非接触式气爪14、17与太阳能光伏板9之间形成的气膜对太阳能光伏板9起到了很好的保护作用，能够大大增加太阳能光伏板的使用寿命。在非接触式气爪14、17的两侧安装了两个滚动式毛刷16、18，将一些较难处理的杂物清理干净。
控制机构还包括控制面板12，控制面板12安装于支撑板的底面，控制面板12分别和气泵13、运动机构的四个线驱移动组件的伺服电机3连接，进而控制伺服电机3和气泵13工作，带动移动板5进行运动和清洁。
控制面板12中具有运动控制卡，运动控制卡上每一轴对应有四个控制信号输出引脚，分别为脉冲信号正(PUL+)、脉冲信号负(PUL-)、方向信号正(DIR+)、方向信号负(DIR-)。这样使得伺服电机的运转受控于运动控制卡，其通过一对频率信号、一对方向信号等四个针脚输出的脉冲信号，脉冲信号被电机驱动器接收，驱动器对电机进行闭环的运动控制。
运动控制卡的所有输入输出信号引脚集成为两个IDE40插座J10和J11，分布在运动控制卡的两侧，运动控制卡由太阳能光伏板对其进行供电作用，这样可以降低清洗机器人的自身重量，降低成本。
本发明的实施工作过程如下：
在清洗机器人工作时，控制四个线驱移动组件的并联伺服电机3的正反转和运转速度，伺服电机3与绕线轮2连接通过螺钉固定，伺服电机3旋转带动绕线轮2的旋转。当绕线轮2的旋转将柔索线绳8缠绕在绕线轮上，从而绕线轮2对柔索线绳8施加拉力，使柔索线绳8收缩；当绕线轮2的旋转将柔索线绳8从绕线轮释放开，从而绕线轮2对柔索线绳8不施加拉力，使柔索线绳8释放。四个线驱移动组件的柔索线绳8的另一端固定连接在清洗机构的移动板5上，四条柔索线绳8配合同时工作从而控制清洗机构的移动板5在太阳能光伏板9上方的平面运动。通过对四个并联伺服电机的速度和方向的控制，实现对清洗机构的移动板5的运动路径的变化控制。
清洗机构在清洗机器人工作时，气泵13通过弹性管6与非接触式气爪14、17的进气口相连，弹性管6具有良好的伸缩性能。非接触式气爪14、17通过螺钉固定在移动板5底面的中间，气流送入气爪内部的腔23内向下快速喷出会形成局部低压，进而会形成漩涡流，造成非接触式气爪内部产生低压状态，由于压强差的作用使非接触式气爪14、17产生对太阳能光伏板9的吸附力。
当吸附力与反向阻力的合力与工件自身重量达到平衡时，两个非接触式气爪14、17与太阳能光伏板9的板表面21之间形成一层空气薄膜，排出的气流还能将吸附于太阳能光伏板9上的尘土吹散，同时通过滚动式毛刷16、18对太阳能光伏板9上的尘土进行清扫，实现对太阳能光伏板的非接触清洗作用。
当清洗机器人运动时，非接触式气爪14、17吹出的风使滚动式毛刷16、18进行滚动，实现滚动式毛刷对太阳能光伏板9的清洗作用。在清洗机器人工作完成后，通过伺服电机控制清洗机构运动到右上支撑板4上，等待下次清洗任务。
具体实施中，本发明根据设定区域和时段设置预定的清洁路径和过程，可进行自动规划路径并完成清洗工作。
另外，人们可以利用手机作为操作终端，将其与太阳能板清洁机器人的wifi模块进行无线网络连接，通过操作终端发出指令，从而远程控制机器人执行运动，提供更大便利。

Claims (5)

1.一种基于非接触式并联线驱动的太阳能面板清洁机器人，其特征在于：
包含固定机构、清洗机构、运动机构和控制机构；所述的固定机构包括左下支撑板(1)、右上支撑板(4)、左上支撑板(7)和右下支撑板(10)，太阳能光伏板(9)安装于太阳能板框架(11)中，四块支撑板分别安装位于太阳能光伏板(9)的太阳能板框架(11)四个角上；
所述的运动机构包括四组线驱移动组件，固定机构的每块支撑板上均安装固定一个线驱移动组件，每个线驱移动组件包括绕线轮(2)、伺服电机(3)和柔索线绳(8)，伺服电机(3)固定安装于支撑板底面，伺服电机(3)的输出轴朝上且和绕线轮(2)同轴连接，绕线轮(2)上绕有柔索线绳(8)，柔索线绳(8)一端固定系在绕线轮(2)上；
所述的清洗机构包括移动板(5)以及安装在移动板(5)底部的左非接触式气爪(14)、右非接触式气爪(17)、前滚动式毛刷(16)和后滚动式毛刷(18)，移动板(5)底面的前后两侧安装有前滚动式毛刷(16)和后滚动式毛刷(18)，移动板(5)顶面的四角设有线轴，柔索线绳(8)另一端固定系接线轴，四个线驱移动组件的柔索线绳(8)另一端分别连接到四根线轴上；移动板(5)底面的前后两侧安装有左非接触式气爪(14)、右非接触式气爪(17)，每个非接触式气爪内部设有气体腔(23)，气体腔(23)朝下开口，气体腔(23)顶部设有进气流道(20)，进气流道(20)一端延伸到气体腔(23)顶部中央作为出气孔(19)，进气流道(20)另一端穿过伸出非接触式气爪侧壁后连接到气源；非接触式气爪和太阳能光伏板(9)的板表面(21)之间具有间隙形成气模间隙(22)，滚动式毛刷接触太阳能光伏板(9)的板表面(21)；
所述的控制机构包括气泵(13)和弹性管(6)，气泵(13)安装于支撑板的底面，气泵(13)输出端经弹性管(6)和清洗机构的左非接触式气爪(14)、右非接触式气爪(17)的进气流道(20)连通；
通过安装在固定机构上的气泵(13)分别从两个非接触式气爪的进气流道(20)向气体腔(23)内充气进行非接触夹持，还能通过排出气流进行清洁作用，将吸附于太阳能光伏板(9)上的尘土吹散，同时在非接触式气爪(14、17)与太阳能光伏板(9)之间形成的气膜对太阳能光伏板(9)起到了保护作用，增加太阳能光伏板(9)的使用寿命。
2.根据权利要求1所述的一种基于非接触式并联线驱动的太阳能面板清洁机器人，其特征在于：所述的控制机构还包括控制面板(12)，控制面板(12) 安装于支撑板的底面，控制面板(12)分别和气泵(13)、运动机构的四个线驱移动组件的伺服电机(3)连接，进而控制伺服电机(3)和气泵(13)工作，带动移动板(5)进行运动和清洁。
3.根据权利要求1所述的一种基于非接触式并联线驱动的太阳能面板清洁机器人，其特征在于：所述的四块支撑板与太阳能光伏板(9)的太阳能板框架(11)之间通过螺钉固定。
4.根据权利要求1所述的一种基于非接触式并联线驱动的太阳能面板清洁机器人，其特征在于：所述的前滚动式毛刷(16)和后滚动式毛刷(18)的两端均通过轴承座(15)可转动地安装支撑在移动板(5)底面。
5.根据权利要求1所述的一种基于非接触式并联线驱动的太阳能面板清洁机器人，其特征在于：所述的柔索线绳(8)一端通过螺栓螺钉固定钉在绕线轮(2)上。
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