CN112401758A - 具备角落清洁模式的可变形扫地机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种可变形扫地机器人，包括：外形装置和设置于外形装置上的动力装置、可变形清洁装置和感知装置；外形装置包括：主体外壳、电子元件盖和限位柱。动力装置包括：主动轮组件和从动轮组件；可变形清洁装置包括：滚刷组件、变形组件、垃圾存储组件和毛刷清扫组件。感知装置包括：对称设置于主体外壳顶部前侧的红外距离传感器。本发明通过加入圆瓣板和可拆卸海绵，通过毛刷和滚刷将垃圾吸进垃圾仓内进而收集，配合相应控制方法，可以对难以覆盖和清扫消毒的区域进行更加有效的清洁，覆盖率提高，减小清洁死角，保障了室内环境的整洁和卫生，且可以同时进行拖地或消毒，适用于多种场所。

Description

具备角落清洁模式的可变形扫地机器人及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种智能家居领域的技术，具体是一种可自主设置工作路线、感知环境并躲避障碍的具备角落清洁模式的可变形扫地机器人及其控制方法。

背景技术

现有扫地机器人存在工作效率低、室内部分区域难以被清扫、存在清洁死角等问题，并且执行任务功能简单、环境适应性差、区域覆盖性能低。具体表现为：一方面，关于机器人清扫结构，现有扫地机器人多为固定式毛刷搭配滚刷，清扫面积有限，灵活性差；另一方面，由于现有扫地机器人控制算法的不完备，导致机器人在面对墙角等清洁死角时没有较为高效的办法去覆盖和清扫，降低了清扫效果。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种具备角落清洁模式的可变形扫地机器人及其控制方法，通过加入圆瓣板和可拆卸海绵，通过毛刷和滚刷将垃圾吸进垃圾仓内进而收集，配合相应控制方法，可以对难以覆盖和清扫消毒的区域进行更加有效的清洁，覆盖率提高，减小清洁死角，保障了室内环境的整洁和卫生，且可以同时进行拖地或消毒，适用于多种场所。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种具备角落清洁模式的可变形扫地机器人，包括：外形装置和设置于外形装置上的动力装置、可变形清洁装置和感知装置，其中：动力装置和可变形清洁装置设置于外形装置底部，感知装置设置于外形装置顶部。

所述的外形装置包括：主体外壳、电子元件盖和限位柱，其中：电子元件盖设置于主体外壳顶部中后侧并且顶部高度与主体外壳高度持平，限位柱设置于主体外壳底部前侧并且底部与可变形清洁装置相连。

所述的电子元件盖内设有控制组件，控制组件包括：电池、控制模块、红外信号处理器和束线管。

所述的动力装置包括：设置于主体外壳底部的主动轮组件和从动轮组件，其中：主动轮组件对称设置于主体外壳底部后侧，从动轮组件设置于主体外壳底部前侧中心上。

所述的可变形清洁装置包括：滚刷组件、变形组件、垃圾存储组件和毛刷清扫组件，其中：变形组件设置于主体外壳后部，滚刷组件设置于主体外壳底部中侧，垃圾存储组件设置于主体外壳底部，毛刷清扫组件设置于主体外壳底部中侧。

所述的变形组件包括：圆瓣板、转轴、驱动电机和可拆卸清洁海绵，其中：驱动电机设置于主体外壳后底部，圆瓣板通过转轴与驱动电机活动相连并设置于主体外壳后部，可拆卸清洁海绵与圆瓣板相连并设置于圆瓣板靠底部一侧。

所述的垃圾存储组件包括：垃圾仓和仓盖，其中：垃圾仓设置于主体外壳底部中侧和内侧，仓盖设置于主体外壳底部前侧。

所述的毛刷清扫组件包括：清扫电机、清扫毛刷和清扫机构，其中：清扫机构设置于主体外壳底部中前侧并与清扫毛刷相连，清扫电机设置于清扫毛刷上。

所述的清扫机构包括：传动电机、舵机传动杆、第一传动杆和第二传动杆，其中：传动电机设置于主体外壳底部并与舵机传动杆相连，舵机传动杆设置于主体外壳底部中侧并且两端分别与第一传动杆相连，第二传动杆分别与第一传动杆、限位柱和清扫毛刷相连。

所述的感知装置包括：对称设置于主体外壳顶部前侧的红外距离传感器。

本发明涉及一种基于上述具备角落清洁模式的可变形扫地机器人的控制方法，包括以下步骤：

环境感知步骤：机器人第一次进入某室内环境时，将其出发点置于房间墙角处，随后开启机器人，其沿着墙壁进行环境感知和数据采集，遇到墙角执行拐弯，对室内环境的边界进行探测，最后根据预先编写好并烧入控制板的算法，建立室内环境范围地图；此步骤只需执行一次；

准备工作步骤：安装电池，启动机器人；随后驱动电机带动转轴使得圆瓣板竖起，将清洁好的、沾湿的可拆卸清洁海绵粘上；控制模块启动动力装置，使其开始按照规划好的路径开始运动；

开始工作步骤：提供大面积清洁模式和角落清洁模式两种工作模式，两种工作模式根据实际情况进行相互的转换，由控制模块根据收集的所处环境信息以及预先控制算法和控制指令，来进行判断和选择采取哪一种工作模式最优；在工作过程中，当遇到障碍物时，机器人会根据预先写好并烧入的算法，执行相关的避障操作；

所述的大面积清洁模式具体为：清扫毛刷交替伸出并高速旋转，将灰尘和垃圾等扫至滚刷组件，滚刷主体转动，开始收集垃圾，将垃圾收集入垃圾仓内；驱动电机开始工作，带动转轴，使圆瓣板放下，令可拆卸清洁海绵大面积接触地面，对清扫过区域进行拖地清洁操作。

所述的角落清洁模式具体为：机器人根据算法指令，选择倾向一侧，使得一边与角落边沿贴合或其他尽可能覆盖角落的位姿，同时第二传动杆带动清扫毛刷伸向一侧，尽可能地对难清扫区域进行清扫，清扫完毕后，机器人退出角落，然后进行倒退，二次进入角落，同时驱动电机带动转轴，使得圆瓣板竖起，通过可拆卸清洁海绵面积较小的一面对角落进行二次清洁。

结束工作步骤：机器人停靠在特定位置处，控制模块关闭滚刷、清扫毛刷和运动装置，驱动电机带动转轴，竖起圆瓣板，取下可拆卸清洁海绵，以进行消毒和清洁；打开仓盖，将垃圾取出，对垃圾仓消毒后关闭仓盖；打开电子元件盖，取出电池对其进行充电。

技术效果

本发明整体解决了现有各类扫地机器人固定式清扫结构，包括固定式毛刷和滚刷等，清扫面积小，不能根据垃圾的方位及所处室内环境调整清扫工作姿态，灵活性差的技术问题，以及在工作算法方面，缺乏对清扫部件的多样控制以及对机器人运动姿态的有效控制，导致机器人无法覆盖或较小覆盖难清扫区域，如墙角，管道间位置等，不能对这部分区域的垃圾，灰尘等进行有效清扫，工作效率低的技术问题。

与现有各类扫地机器人相比，本发明独有的技术效果包括：

1、本发明加入对称式四杆机构以及相应驱动电机，通过连杆绕轴运动带动毛刷做有规律的平面运动，与同半径尺寸的固定式毛刷相比，提高了清扫面积，同时毛刷的伸出可有效作用距离机器人较远的垃圾或灰尘等，覆盖如墙角等清洁死角；

2、本发明加入可调位置圆瓣板和可拆卸海绵，在一般工作状态下，圆瓣板放下，配合清洁海绵进行大面积清洁；在角落等难清扫区域，圆瓣板竖起，通过下侧窄边有效进入相应区域并对其进行清洁，提高了工作效果；

3、本发明通过角落清洁模式根据传感器探测到的环境信息，自主确定运动姿态，同时对可动毛刷组件进行控制，以最大化覆盖角落处区域，进行有效清扫；另一方面，在对角落进行第一次清扫后并退出区域后，机器人会进行二次进入和清洁，利用圆瓣板竖起等方式，对角落进行清洁，显著提高对角落处的清洁效果；同时，机器人会根据实际工作情况，结合本发明设计的判断算法和指令，智能在两种工作模式下进行选择和切换，最大化兼顾整体清扫速度和清扫效果。

附图说明

图1为本发明带盖结构示意图；

其中：a为顶部示意图，b为底部示意图；

图2为本发明去除盖结构示意图；

其中：a为顶部示意图，b为底部示意图；

图3为本发明不同工作模式下的状态示意图；

其中：a为角落清洁模式，b为大面积清洁模式，c为毛刷位置结构示意图一，

d为毛刷位置结构示意图二；

图4为本发明所设计的可变形清扫毛刷组件示意图；

图5为本发明工作情况状态示意图；

图6为本发明工作模式选择与相应操作流程图；

图中：主体外壳1、红外距离传感器2、电子元件盖3、圆瓣板4、可拆卸清洁海绵5、束线管6、红外信号处理器7、控制模块8、锂电池9、驱动电机10、转轴11、主动轮组件12、滚刷组件13、舵机传动杆14、第一传动杆15、第二传动杆16、清扫电机17、清扫毛刷18、从动轮组件19、垃圾仓20、传动电机21、限位柱22、仓盖23、外形装置24、动力装置25、可变形清扫装置26、感知装置27、控制组件28、变形组件29、垃圾存储组件30、毛刷清扫组件31、清扫机构32、主动轮33、从动轮34。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例涉及的一种可变形扫地机器人，包括：外形装置24和设置于外形装置24上的动力装置25、可变形清扫装置26和感知装置27，其中：动力装置25和可变形清扫装置26设置于外形装置24底部，感知装置27设置于外形装置24顶部。

所述的外形装置24包括：主体外壳1、电子元件盖3和限位柱22，其中：电子元件盖3通过铰链设置于主体外壳1顶部中后侧并且顶部高度与主体外壳1高度持平，限位柱22设置于主体外壳1底部前侧并且底部与第二传动杆16相连。

所述的主体外壳1为三角形，顶部部分边缘为倒角。

所述的电子元件盖3内设有控制组件28，控制组件28包括：锂电池9、控制模块8、红外信号传感器7和束线管6，其中：红外信号处理器7通过无线方式接收红外距离传感器2采集的数据并转化为控制模块8可读取、处理的位置信息，以便于控制模块8对机器人的整体工作动作做进一步决策，束线管6汇集、固定通过有线方式连接的各部分及组件的信号线和电线并与Arduino控制板8相连。

所述的动力装置25包括：设置于主体外壳1底部的两组主动轮组件12和一组从动轮组件19，其中：主动轮组件12对称设置于主体外壳1底部后侧，从动轮组件19设置于主体外壳1底部前侧中心上。

所述的主动轮组件12包括：两个主动轮33、第二转轴和第二电机，其中：轮子设置于主体外壳1底部并通过第二转轴与第二电机相连，控制模块8发出控制指令，控制第二电机驱动机器人运动。

所述的从动轮组件19包括：一个从动轮34和转向轴，通过两组主动轮组件12的不同转速来使得从动轮偏向相应的方向，以使得机器人实现运动的转向。

所述的可变形清扫装置26包括：滚刷组件13、变形组件29、垃圾存储组件30和毛刷清扫组件31，其中：变形组件29设置于主体外壳1后部，滚刷组件13设置于主体外壳1底部中侧，垃圾存储组件30设置于主体外壳1底部，毛刷清扫组件31设置于主体外壳1底部中侧。

所述的变形组件29包括：圆瓣板4、转轴11、驱动电机10和可拆卸清洁海绵5，其中：驱动电机10设置于主体外壳1后底部，圆瓣板4通过转轴11与驱动电机10活动相连并设置于主体外壳1后部，可拆卸清洁海绵5与圆瓣板4相连并设置于圆瓣板4靠底部一侧。

所述的圆瓣板4上设有用于与可拆卸海绵相连的粘扣带。

所述的垃圾存储组件30包括：垃圾仓20和仓盖23，其中：垃圾仓20设置于主体外壳1底部中侧和内侧，仓盖23通过卡扣设置于主体外壳1底部前侧。

所述的滚刷组件13包括：滚刷主体和滚刷电机，其中：滚刷电机设置于主体外壳1内，滚刷主体设置于主体外壳1底部中侧并与滚刷电机相连，在滚刷电机驱动下，滚刷主体高速旋转，将垃圾、灰尘等卷入或吸入垃圾仓20内。

所述的毛刷清扫组件31包括：清扫电机17、清扫毛刷18和清扫机构32，其中：清扫机构32设置于主体外壳1底部中前侧并与清扫毛刷18相连，清扫电机17设置于清扫毛刷18上。

所述的清扫机构32包括：传动电机21、舵机传动杆14、第一传动杆15和第二传动杆16，其中：传动电机21设置于主体外壳1底部并与舵机传动杆14相连，带动舵机传动杆14绕轴转动，舵机传动杆14设置于主体外壳1底部中侧并且两端分别与第一传动杆15相连，第二传动杆16分别与第一传动杆15、限位柱22和清扫毛刷18相连。

所述的感知装置27包括：对称设置于主体外壳1顶部前侧的红外距离传感器2，在工作时，红外距离传感器2会对周围环境进行探测，提供与障碍物之间距离的相关信息；同时，通过无线方式将采集的数据传输给红信号处理器7，将数据转化为控制模块8可读取、处理的位置信息，以便于控制模块8对机器人的整体工作动作做进一步决策。

所述的控制模块8采用但不限于Arduino技术实现，包括：信号获取单元、运动控制单元和清洁组件控制单元，其中：信号获取单元实时获取并处理路径行进方向、速度与现处位置信号，与障碍物距离信号以及清洁组件工作状态信号，以对机器人目前工作状态进行实时的掌握与分析；运动控制单元控制动力装置25的运行，包括前进，后退，转弯以及根据探测到的所处环境，选择最优位姿进入角落，以获得最大覆盖面积；清洁组件控制单元控制可变形清扫装置26的运行，包括变形组件29的开启和关闭，控制其在工作时根据实际情况和工作模式达到不同的预期位置。

本实施例涉及上述可变形扫地机器人的控制方法，包括以下步骤：

环境感知步骤：机器人第一次进入某室内环境时，将其出发点置于房间墙角处，随后开启机器人，其沿着墙壁进行环境感知和数据采集，遇到墙角执行拐弯，对室内环境的边界进行探测，最后根据预先编写好并烧入控制板的算法，建立室内环境范围地图；此步骤只需执行一次；

准备工作步骤：安装电池，启动机器人；随后驱动电机10带动转轴11使得圆瓣板4竖起，将清洁好的、沾湿的可拆卸清洁海绵5粘上；控制模块8启动动力装置25，使其开始按照规划好的路径开始运动；

开始工作步骤：提供大面积清洁模式和角落清洁模式两种工作模式，两种工作模式根据实际情况进行相互的转换，由控制模块8根据收集的所处环境信息以及预先控制算法和控制指令，来进行判断和选择采取哪一种工作模式最优；在工作过程中，当遇到障碍物时，机器人会根据预先写好并烧入的算法，执行相关的避障操作；

所述的大面积清洁模式具体为：清扫毛刷18交替伸出并高速旋转，将灰尘和垃圾扫至滚刷组件13，滚刷主体转动，开始收集垃圾，将垃圾收集入垃圾仓20内；驱动电机10开始工作，带动转轴11，使圆瓣板4放下，令可拆卸清洁海绵5大面积接触地面，对清扫过区域进行拖地清洁操作。

所述的角落清洁模式具体为：机器人根据算法指令，选择倾向一侧，使得一边与角落边沿贴合或其他尽可能覆盖角落的位姿，同时第二传动杆16带动清扫毛刷18伸向一侧，尽可能地对难清扫区域进行清扫，清扫完毕后，机器人退出角落，然后进行倒退，二次进入角落，同时驱动电机10带动转轴11，使得圆瓣板4竖起，通过可拆卸清洁海绵5面积较小的一面对角落进行二次清洁。

结束工作步骤：机器人停靠在特定位置处，控制模块8关闭滚刷、清扫毛刷18和运动装置25，驱动电机10带动转轴11，竖起圆瓣板4，取下可拆卸清洁海绵5，以进行消毒和清洁；打开仓盖23，将垃圾取出，对垃圾仓20消毒后关闭仓盖23；打开电子元件盖3，取出锂电池9对其进行充电。

经具体实际实验，在经过宽阔地面和墙角不同环境测试下，经过准备步骤后使得机器人开始工作，能够得到的实验数据是：清扫毛刷18作有规律的平面运动，运动范围为向后伸出极限位置为45度，向前伸出极限位置为30度；清洁海绵在两种模式下均可贴合地面进行清洁，清洁面积分别为272.06平方厘米和30平方厘米；机器人可有效进入墙角，残留未覆盖清洁面积为零，表明全部有效覆盖。

与现有技术相比，本装置从清扫效率角度，以同样尺寸(半径为3厘米)的固定式清扫毛刷为例，在机器人静止情况下覆盖面积为28.2743平方厘米，而可变形清扫毛刷组件26通过连杆带动运动，在一个周期下(从向前极限位置到向后极限位置再回到向前极限位置为一周期)，清扫毛刷可覆盖面积为67.5442平方厘米，后者达到前者2.4倍；从清洁面积角度，以一款常见扫地机器人为例(圆形，半径为20厘米)，经过一个直角墙角时，未覆盖面积为86cm，而本发明涉及的机器人经过墙角，未覆盖面积为0。因此，在清洁效率和面积两个方面，均验证了本发明的有效性和高性能。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种具备角落清洁模式的可变形扫地机器人，其特征在于，包括：外形装置和设置于外形装置上的动力装置、可变形清洁装置和感知装置，其中：动力装置和可变形清洁装置设置于外形装置底部，感知装置设置于外形装置顶部；

所述的可变形清洁装置包括：滚刷组件、变形组件、垃圾存储组件和毛刷清扫组件，其中：变形组件设置于主体外壳后部，滚刷组件设置于主体外壳底部中侧，垃圾存储组件设置于主体外壳底部，毛刷清扫组件设置于主体外壳底部中侧；

所述的变形组件包括：圆瓣板、转轴、驱动电机和可拆卸清洁海绵，其中：驱动电机设置于主体外壳后底部，圆瓣板通过转轴与驱动电机活动相连并设置于主体外壳后部，可拆卸清洁海绵与圆瓣板相连并设置于圆瓣板靠底部一侧；

所述的角落清洁模式是指：机器人根据传感器探测到的环境信息确定运动姿态，同时控制毛刷清扫组件最大化覆盖角落处区域，在对角落完成第一次清扫后退出区域；利用圆瓣板竖起再次进行二次进入角落进行清扫。

2.根据权利要求1所述的可变形扫地机器人，其特征是，所述的外形装置包括：主体外壳、电子元件盖和限位柱，其中：电子元件盖设置于主体外壳顶部中后侧并且顶部高度与主体外壳高度持平，限位柱设置于主体外壳底部前侧并且底部与可变形清洁装置相连。

3.根据权利要求2所述的可变形扫地机器人，其特征是，所述的电子元件盖内设有控制组件，控制组件包括：电池、控制模块、红外信号处理器和束线管。

4.根据权利要求1所述的可变形扫地机器人，其特征是，所述的动力装置包括：设置于主体外壳底部的主动轮组件和从动轮组件，其中：主动轮组件对称设置于主体外壳底部后侧，从动轮组件设置于主体外壳底部前侧中心上。

5.根据权利要求1所述的可变形扫地机器人，其特征是，所述的毛刷清扫组件包括：清扫电机、清扫毛刷和清扫机构，其中：清扫机构设置于主体外壳底部中前侧并与清扫毛刷相连，清扫电机设置于清扫毛刷上。

6.根据权利要求5所述的可变形扫地机器人，其特征是，所述的清扫机构包括：传动电机、舵机传动杆、第一传动杆和第二传动杆，其中：传动电机设置于主体外壳底部并与舵机传动杆相连，舵机传动杆设置于主体外壳底部中侧并且两端分别与第一传动杆相连，第二传动杆分别与第一传动杆、限位柱和清扫毛刷相连。

7.根据权利要求1所述的可变形扫地机器人，其特征是，所述的感知装置包括：对称设置于主体外壳顶部前侧的红外距离传感器。

8.根据权利要求3所述的可变形扫地机器人，其特征是，所述的控制模块包括：信号获取单元、运动控制单元和清洁组件控制单元，其中：信号获取单元实时获取并处理路径行进方向、速度与现处位置信号，与障碍物距离信号以及清洁组件工作状态信号，以对机器人目前工作状态进行实时的掌握与分析；运动控制单元控制动力装置的前进、后退、转弯并根据探测到的所处环境选择最优位姿进入角落以获得最大覆盖面积；清洁组件控制单元控制变形组件的开启、关闭以及在工作时根据实际情况和工作模式达到不同的预期位置。

9.一种基于上述任一权利要求所述的可变形扫地机器人的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

环境感知步骤：机器人第一次进入某室内环境时，将其出发点置于房间墙角处，随后开启机器人，其沿着墙壁进行环境感知和数据采集，遇到墙角执行拐弯，对室内环境的边界进行探测，最后根据预先编写好并烧入控制板的算法，建立室内环境范围地图；此步骤只需执行一次；

准备工作步骤：安装电池，启动机器人；随后驱动电机带动转轴使得圆瓣板竖起，将清洁好的、沾湿的可拆卸清洁海绵粘上；控制模块启动动力装置，使其开始按照规划好的路径开始运动；

开始工作步骤：提供大面积清洁模式和角落清洁模式两种工作模式，两种工作模式根据实际情况进行相互的转换，由控制模块根据收集的所处环境信息以及预先控制算法和控制指令，来进行判断和选择采取哪一种工作模式最优；在工作过程中，当遇到障碍物时，机器人会根据预先写好并烧入的算法，执行相关的避障操作；

结束工作步骤：机器人停靠在特定位置处，控制模块关闭滚刷、清扫毛刷和运动装置，驱动电机带动转轴，竖起圆瓣板，取下可拆卸清洁海绵，以进行消毒和清洁；打开仓盖，将垃圾取出，对垃圾仓消毒后关闭仓盖；打开电子元件盖，取出电池对其进行充电。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征是，所述的大面积清洁模式具体为：清扫毛刷交替伸出并高速旋转，将灰尘和垃圾扫至滚刷组件，滚刷主体转动，开始收集垃圾，将垃圾收集入垃圾仓内；驱动电机开始工作，带动转轴，使圆瓣板放下，令可拆卸清洁海绵大面积接触地面，对清扫过区域进行拖地清洁操作；

所述的角落清洁模式具体为：机器人根据算法指令，选择倾向一侧，使得一边与角落边沿贴合或其他尽可能覆盖角落的位姿，同时第二传动杆带动清扫毛刷伸向一侧，尽可能地对难清扫区域进行清扫，清扫完毕后，机器人退出角落，然后进行倒退，二次进入角落，同时驱动电机带动转轴，使得圆瓣板竖起，通过可拆卸清洁海绵面积较小的一面对角落进行二次清洁。

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