CN111839341B - 通过调节电磁强度使机器人在竖直玻璃上自由运动的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过调节电磁强度使机器人在竖直玻璃上自由运动的方法，所述机器人为一对，通过相互的电磁引力提供对玻璃的压力，所述机器人包括用于感知压力的压力传感器、用于感知姿态的重力传感器、用于感知运动角度变化的陀螺仪，所述方法主要是基于机器人的姿态以及运动状态，通过改变电磁引力的作用改变机器人作用在玻璃上的压力，使其满足自动擦玻璃的需求。本方法通过调节电磁强度来调节机器人对玻璃的压力，调节这个压力使机器人不会掉落，同时压力不过大可以自由运动，根据是否运动及运动方向的不同，压力不同，本方法能够根据运动方向自动调节压力。

Description

通过调节电磁强度使机器人在竖直玻璃上自由运动的方法

技术领域

本发明主要涉及擦玻璃机器人控制相关技术领域，具体是通过调节电磁强度使机器人在竖直玻璃上自由运动的方法。

背景技术

随着城镇化的逐步推进，越来越多的人进入城市成活，城市越来越大，高层建筑越来越多。高层建筑的玻璃擦拭成为一个很大的难题。当前写字楼的外部玻璃擦拭都是专业人士，通过吊绳设备在外面擦拭，危险极高。家庭住宅楼，各家自行擦拭，擦拭也是要探出身体勉强够着擦拭外面。

当前擦玻璃设备是手动的，两个设备使用电磁吸引，用户拖动室内设备运动，室外设备跟随运动。一般有几个固定的电磁强度值供选择，使用户调整的适当的引力方便擦拭。人为的操作设备的运动是没有方法控制的，外面设备通过电磁引力跟随里面设备运动，外面设备是被动运动，在擦拭过程中，里面设备稍微快一点外面的设备就会脱落，因此，使用极为不便。

现在市场上自动擦玻璃的机器人究其原因是因为没有合适的控制擦玻璃机器人运动的方法，使机器人能够根据实际运动需求进行自动调节压力。

发明内容

为解决目前技术的不足，本发明结合现有技术，从实际应用出发，提供一种通过调节电磁强度使机器人在竖直玻璃上自由运动的方法，本方法通过调节电磁强度来调节机器人对玻璃的压力，调节这个压力使机器人不会掉落，同时压力不过大可以自由运动，根据是否运动及运动方向的不同，压力不同，本方法能够根据运动方向自动调节压力。

本发明的技术方案如下：

通过调节电磁强度使机器人在竖直玻璃上自由运动的方法，所述机器人为一对，通过相互的电磁引力提供对玻璃的压力，所述机器人是具有六个面的立方体结构，包括底面、顶面、上面、下面、左面以及右面，所述机器人底面处分布有四个轮子以及多个电磁铁，所述机器人还包括有用于感知压力的压力传感器、用于感知姿态的重力传感器、用于感知运动角度变化的陀螺仪，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、判断机器人是否处在正确的姿态，若机器人处在正确的姿态则进入步骤S3，否则进入步骤S2，其中，正确的姿态是机器人的上面呈向上的状态；

步骤S2、调整机器人姿态使其处在正确的姿态；

步骤S3、机器人的姿态正确，获取机器人的运动状态，如果是静止状态则进入步骤S4，否则进入步骤S5；

步骤S4、获取压力F1，以及压力F2,

调节电磁强度和/或轮子高度改变机器人对玻璃的压力，使(F1*μ1+F2*μ2)＝mg，达到公式所示条件则进入步骤S7，未达到公式条件则返回S4继续调整；

步骤S5、通过机器人轮子的转动方向判断机器人的运动方向；

步骤S6、获取压力F1，以及压力F2，

如果机器人竖直向上运动，调节电磁强度和/或轮子高度来改变机器人对玻璃的压力，使F1*μ1-F2*μ2＝mg，达到公式所示条件则跳转到步骤S7,运动过程中如果机器人的姿态发生错误，则返回步骤S1；

如果机器人竖直向下运动，调节电磁强度和/或轮子高度来改变机器人对玻璃的压力，使F2*μ2＝F1*μ1+mg，达到公式所示条件则跳转到步骤S7，运动过程中如果机器人的姿态发生错误，则返回步骤S1；

如果机器人水平向左或者水平向右运动，调节电磁强度和/或轮子高度改变机器人对玻璃的压力，使得F1*μ1＝F2*μ2，并且F1*μ1+F2*μ2＝mg，达到公式所示条件则跳转到步骤S7，运动过程中如果机器人的姿态发生错误，则返回步骤S1,

步骤S7、机器人对玻璃的压力调整结束，进入循环监测机器人姿态的过程；

其中，F1是机器人轮子对玻璃的压力，F2是机器人其它部分对玻璃的压力，μ1是机器人轮子与玻璃的摩擦系数，μ2是机器人其它部分与玻璃的摩擦系数，m是机器人自身重量，g是重力加速度。

进一步，步骤S1具体包括:

步骤S11、使机器人静止；

步骤S12、获取重力传感器各个轴的值；

步骤S13、计算并判断机器人是否处在正确的姿态。

进一步，步骤S2具体包括：

步骤S21、调节电磁强度改变机器人对玻璃的压力，使F1*μ1＝F2*μ2，并且F2*μ2＝mg；

步骤S22、调用姿态调整方法调整姿态。

本发明的有益效果；

本发明可以使擦玻璃机器人吸附在竖直玻璃面上而不脱落，同时压力适中可以使得擦玻璃机器人可以自由运动,使用本方法可以使擦玻璃机器人自动完成擦玻璃，而不再需要人工探出身体进行危险的外部擦拭，同时解决了当前手动擦玻璃设备在擦玻璃过程中容易脱落的问题。

附图说明

附图1为本发明实施例所提供的机器人底面结构简图；

附图2为本发明实施例所提供的机器人内部结构简图；

附图3为本发明流程图。

具体实施方式

结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。

如图1、2所示，为本发明实施例所提供的自动擦玻璃机器人相关结构示意图。

在本实施例中，机器人是立方体结构，共有6个面，底面和顶面是正方形，其他四个面是矩形。带有轮子3的一面是底面，与之对应的是顶面，与底面相邻的四个面分别是上面，下面，左面、右面；上面与下面相对，左面与右面相对。在竖直的玻璃上，底面与玻璃接触，顶面与玻璃平行，上面的方向要朝上，下面是朝向地面的方向。

四个轮子3程“十字”形状排列，这个“十字”的中心是底面正方形的中心，调整姿态时候就是四个轮子3同时以相同的速度相同的方向(正对着轮子看，轮子顺时针或逆时针转动)转动，使的处于正确姿态——即上面朝上。机器人在竖直玻璃上的水平运动即向左或向右运动时，只有上面和下面两侧的两个轮子3运动，左侧和右侧的轮子3不动，并且缩回使得这两个轮子3与玻璃不接触。机器人向上或向下运动，只有左右两侧处的两个轮子3运动，上下两侧的轮子3不动，并且缩回。

机器人的底面四周处分别有一个胶条4，底面的外面有一层海绵2。轮子3与海绵2、雨刷胶条4处在同一平面，都与玻璃接触。海绵2中含水，机器人在玻璃上上下左右运动，就完成了一边给玻璃涂水，一边用雨刷胶条4擦拭玻璃的功能，也就完成了擦玻璃的功能。

机器人是成对的，在擦玻璃时候两个机器人分别处在玻璃的两侧，底面的4个角落的圆柱体是电磁铁1，通电后两个玻璃两侧的机器人的8个电磁铁1产生引力，电磁铁1的引力提供机器人对玻璃的压力，从而使得机器人与玻璃之间有摩擦力，摩擦力足够大，使得机器人不脱落。

在机器人运动过程中，不同的运动方向所需要的摩擦力不同，即压力不同。水平运动(包括向左和向右运动)时，机器人水平运动的方向上，轮子3与玻璃的摩擦力与机器人其他部位(海绵2与胶条4)与玻璃的摩擦力相等，方向相反。向上运动时，轮子3与玻璃的摩擦力方向向上，海绵2及胶条4与玻璃的摩擦力向下，同时还有重力，所以轮子3的摩擦力要等于海绵2及胶条4与玻璃的摩擦力加上重力；所以不同的运动，所需的摩擦力大小不同，即压力不同。所以要根据不同的运动方式对机器人的电磁引力做调整。电磁引力提供的是机器人整体的压力，整体压力一定情况下，轮子3压力是通过调整轮子3的高度进行调整的。轮子3的位置是在一定范围内可以上下调节的，系统自动调节。轮子3是通过对应的步进电机5控制的，轮子3和电机5不是固定在底板，而是固定在一个可以上下移动的立柱上(为了简化结构图，立柱没有展示)，控制系统一方面控制整体电磁引力的大小，另一方面通过调节轮子3高度调节轮子3和其他部位对玻璃分别的压力。

机器人在擦玻璃时，首先手动把两个机器人放到玻璃的两侧，通电后机器人产生引力，相互吸引。机器人开始在玻璃的位置是随意的，机器人首先运动到玻璃的最上面，最左边即左上角，然后水平向右运动，运动到最右侧，则向下运动1个机器人宽度的距离改向向左运动，到达最左侧再向下运动一个机器人的宽度，然后向右水平运动，如此反复，直到整块玻璃擦拭完成。

基于本发明上述实施例提供的擦玻璃机器人，本发明实施例提供了能够使机器人在玻璃上稳定行走的控制方法。为了实现控制，在机器人上设置相应的传感器，包括在机器人底部设有压力传感器可以感知压力，有重力传感器可以感知机器人的姿态，有陀螺仪可以感知运动角度变化。

已知机器人自身质量为m，重力加速度记为g，机器人轮子与玻璃的摩擦系数为μ1，其他部分摩擦力为μ2，机器人轮子对玻璃的压力为F1，机器人其它部分对玻璃的压力为F2。机器人在平面上有5种运动方式：分别为原地周旋转运动，竖直向上运动，竖直向下运动，水平向左运动和水平向右运动，其他方向的运动都可以分解成后四种运动。顺时针旋转为负向旋转，逆时针旋转为正向旋转。

如图3所示，本方法具体步骤如下：

步骤S1、判断机器人是否处在正确的姿态，若机器人处在正确的姿态则进入步骤S3，否则进入步骤S2，步骤S1具体的步骤如下:

步骤S11、使机器人静止；

步骤S12、获取重力传感器各个轴的值；

步骤S13、计算并判断机器人是否处在正确的姿态；

步骤S2、调整机器人姿态使其处在正确的姿态；步骤S2具体的步骤如下：

步骤S21、调节电磁强度和/或轮子高度改变机器人对玻璃的压力，使F1*μ1＝F2*μ2，并且F2*μ2＝mg；

步骤S22、调用姿态调整方法调整姿态；

步骤S3、机器人的姿态正确，获取机器人的运动状态，如果是静止状态则进入步骤S4，否则进入步骤S5；

步骤S4、获取压力F1，以及压力F2，

调节电磁强度电磁强度和/或轮子高度改变机器人对玻璃的压力，使(F1*μ1+F2*μ2)＝mg，达到公式所示条件则进入步骤S7，否则返回S4继续调整；

步骤S5、通过机器人轮子的转动方向判断机器人的运动方向；

步骤S6、获取压力F1，以及压力F2，

如果机器人竖直向上运动，增大轮子压力F1，减小其他位置压力F2，使F1*μ1-F2*μ2＝mg，达到公式所示条件则跳转到步骤S7，运动过程中如果机器人的姿态发生错误，则返回步骤S1；

如果机器人竖直向下运动，减小轮子压力F1，增大其他位置压力F2，使F2*μ2＝F1*μ1+mg，达到公式所示条件则跳转到步骤S7，运动过程中如果机器人的姿态发生错误，则返回步骤S1；

如果机器人水平向左或者水平向右运动，调整轮子压力F1及其他位置压力F2，使得F1*μ1＝F2*μ2，并且F1*μ1+F2*μ2＝mg，如此可以保证机器人水平运动过程中，在水平方向以及竖直方向受力均平衡，达到公式所示条件则跳转到步骤S7，运动过程中如果机器人的姿态发生错误，则返回步骤S1，

步骤S7、机器人对玻璃的压力调整结束，进入循环监测机器人姿态的过程。

本发明的方法，能够根据不同的状态自动调节机器人对玻璃的压力，使得机器人可以在竖直玻璃上不脱落，同时可以自由运动，使用本方法可以使擦玻璃机器人自动完成擦玻璃，而不再需要人工探出身体进行危险的外部擦拭，同时解决了当前手动擦玻璃设备在擦玻璃过程中容易脱落的问题。

Claims (3)

1.通过调节电磁强度使机器人在竖直玻璃上自由运动的方法，所述机器人为一对，通过相互的电磁引力提供对玻璃的压力，所述机器人是具有六个面的立方体结构，包括底面、顶面、上面、下面、左面以及右面，所述机器人底面处分布有四个轮子以及多个电磁铁，所述机器人还包括有用于感知压力的压力传感器、用于感知姿态的重力传感器、用于感知运动角度变化的陀螺仪，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤S1、判断机器人是否处在正确的姿态，若机器人处在正确的姿态则进入步骤S3，否则进入步骤S2，其中，正确的姿态是机器人的上面呈向上的状态；

步骤S2、调整机器人姿态使其处在正确的姿态；

步骤S3、机器人的姿态正确，获取机器人的运动状态，如果是静止状态则进入步骤S4，否则进入步骤S5；

步骤S4、获取压力F1，以及压力F2,

调节电磁强度和/或轮子高度改变机器人对玻璃的压力，使F1*μ1+F2*μ2＝mg，达到公式所示条件则进入步骤S7，未达到公式条件则返回S4继续调整；

步骤S5、通过机器人轮子的转动方向判断机器人的运动方向；

步骤S6、获取压力F1，以及压力F2，

如果机器人竖直向上运动，调节电磁强度和/或轮子高度来改变机器人对玻璃的压力，使F1*μ1-F2*μ2＝mg，达到公式所示条件则跳转到步骤S7,运动过程中如果机器人的姿态发生错误，则返回步骤S1；

如果机器人竖直向下运动，调节电磁强度和/或轮子高度来改变机器人对玻璃的压力，使F2*μ2＝F1*μ1+mg，达到公式所示条件则跳转到步骤S7，运动过程中如果机器人的姿态发生错误，则返回步骤S1；

如果机器人水平向左或者水平向右运动，调节电磁强度和/或轮子高度改变机器人对玻璃的压力，使得F1*μ1＝F2*μ2，并且F1*μ1+F2*μ2＝mg，达到公式所示条件则跳转到步骤S7，运动过程中如果机器人的姿态发生错误，则返回步骤S1,

步骤S7、机器人对玻璃的压力调整结束，进入循环监测机器人姿态的过程；

其中，F1是机器人轮子对玻璃的压力，F2是机器人其它部分对玻璃的压力，μ1是机器人轮子与玻璃的摩擦系数，μ2是机器人其它部分与玻璃的摩擦系数，m是机器人自身重量，g是重力加速度。

2.根据权利要求1所述的通过调节电磁强度使机器人在竖直玻璃上自由运动的方法，其特征在于，步骤S1具体包括:

步骤S11、使机器人静止；

步骤S12、获取重力传感器各个轴的值；

步骤S13、计算并判断机器人是否处在正确的姿态。

3.根据权利要求1所述的通过调节电磁强度使机器人在竖直玻璃上自由运动的方法，其特征在于，步骤S2具体包括：

步骤S21、调节电磁强度改变机器人对玻璃的压力，使F1*μ1＝F2*μ2，并且F2*μ2＝mg；

步骤S22、调用姿态调整方法调整姿态。

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