CN112575723A - 一种水陆两栖清洁机器人 - Google Patents

Abstract

一种水陆两栖清洁机器人，它包括前轮、控制器、桨叶后轮、船体浮子、车身、摄像机、机械臂、收集舱和桨叶后轮驱动转向装置；车身底部设置有可转动的两个前轮和两个桨叶后轮，车身前部布置有摄像机和具有拾取和翻转运送垃圾的机械臂，机械臂后方的车身上设置有收集舱；车身两侧布置有船体浮子，水陆工作转换时，桨叶后轮的自转及在水平面内向后翻转由安装于车身上的桨叶后轮驱动转向装置控制，所述桨叶后轮为轮毂与布置于轮毂内的螺旋桨组装的一体化结构；控制器安装于车身的后部，摄像机与控制器电性连接，控制器控制电驱动的前轮、机械臂和桨叶后轮驱动转向装置。本发明结构紧凑，适用范围广。

Description

一种水陆两栖清洁机器人

技术领域

本发明涉及一种垃圾清理机器人，具体涉及一种水陆两栖清洁机器人。

背景技术

随着现代智能科技的发展，越来越多的智能机器人进入人们的生活，尤其是智能家居机器人受到广泛青睐。例如垃圾收集机器人在许多家庭已经必不可少，垃圾收集机器人为人们节约了时间与资源，但是目前的垃圾清理机器人工作环境较单一，在一些环境难以使用，较难实现一机多用。目前部分室外、水上等环境垃圾收集困难，不仅耗时、耗力，而且水上垃圾收集还存在安全隐患。

发明内容

本发明是为克服现有技术不足，提供一种水陆两栖清洁机器人。该清洁机器人适应水陆两种工作环境，结构优化，具有优越性。

本发明的技术方案是：一种水陆两栖清洁机器人，包括前轮、控制器、桨叶后轮、船体浮子、车身、摄像机、机械臂、收集舱和桨叶后轮驱动转向装置；车身底部设置有可转动的两个前轮和两个桨叶后轮，车身前部布置有摄像机和具有拾取和翻转运送垃圾的机械臂，机械臂后方的车身上设置有收集舱；车身两侧布置有船体浮子，水陆工作转换时，桨叶后轮的自转及在水平面内向后翻转由安装于车身上的桨叶后轮驱动转向装置控制，所述桨叶后轮为轮毂与布置于轮毂内的螺旋桨组装的一体化结构；控制器安装于车身的后部，摄像机与控制器电性连接，控制器控制电驱动的前轮、机械臂和桨叶后轮驱动转向装置。

本发明相比现有技术的有益效果是：

本发明为水陆两栖替换模式，利用后轮变形的方式，提高了结构的紧凑性以及运动性能。提出了垃圾分类的收集方案，防止不同特性的垃圾混合在一起导致的收集困难。机械臂采用并联驱动方式，可以共同实现机械臂的拾取和翻转两个功能，提高了结构稳定性。

本发明的水陆两栖垃圾收集机器人，可适用于室内、室外、水上和草地等多种环境状况。可以解决拥有池塘、水池、花园等的用户关于废弃物难易清理的问题。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的机械臂的立体图；

图3为本发明的机械臂的主视图；

图4为机械臂的爆炸图；

图5为图4的K处放大图；

图6为桨叶后轮驱动转向装置的示意图；

图7为后轮转向定位装置的示意图；

图8为后轮转向定位装置的立体图；

图9为本发明在陆地下行驶状态示意图；

图10为本发明转换为水面行驶的立体图；

图11为本发明转换为水面行驶采用水下推进器辅助推进的示意图；

图12为收集舱的下舱的示意图；

图13为机械手爪、连杆和舱盖相互连接工作变化示意图。

具体实施方式

如图1-图4和图6所示，本实施方式的一种水陆两栖清洁机器人，包括前轮1、控制器2、桨叶后轮3、船体浮子4、车身5、摄像机6、机械臂7、收集舱和桨叶后轮驱动转向装置10；

车身5底部设置有可转动的两个前轮1和两个桨叶后轮3，车身5前部布置有摄像机6和具有拾取和翻转运送垃圾的机械臂7，机械臂7后方的车身5上设置有收集舱；车身5两侧布置有船体浮子4，水陆工作转换时，桨叶后轮3的自转及在水平面内90°向后翻转由安装于车身5上的桨叶后轮驱动转向装置10控制，所述桨叶后轮3为轮毂与布置于轮毂内的螺旋桨组装的一体化结构；

控制器2安装于车身5的后部，摄像机6与控制器11电性连接，控制器2控制电驱动的前轮1、机械臂7和桨叶后轮驱动转向装置10。支座9、支架10、光轴2、滚珠丝杠3、两根单旋向梯形丝杠5、两个机械手爪1和两套传动机构4；桨叶后轮3采用轮毂和螺旋桨组装的一体化结构，将螺旋桨设计在轮毂里，保证桨叶后轮3在具有一般轮子作用还同时具备螺旋桨的功能。这种设计的优势在于可以降低成本，简化机械机构，提高工作效率，避免了再给螺旋桨配置额外的电机以提供动力。

如图2-图4所示，为了实现机械臂的拾取和翻转两个功能，提高结构稳定性，机械臂采取并联驱动结构；

所述机械臂7包含支座70、支架71、光轴72、双向梯形丝杠副、两个单旋向梯形丝杠副、两个机械手爪75和两套传动机构76；

光轴72、双向梯形丝杠73和单旋向梯形丝杠74由上至下平行布置，两个单旋向梯形丝杠74可转动地安装在支座70上，两个单旋向梯形丝杠74的旋向相同，所述双向梯形丝杠73分为旋向相反的两段丝杠，光轴72和双向梯形丝杠73的两端分别安装在一个支架71上，支架71可转动地安装在支撑座77上，支座70和支撑座77固装在车身5的前部，双向梯形丝杠73相对支架71可周向转动，两个机械手爪75分别通过丝杠螺母78与对应的丝杠段和单旋向梯形丝杠74连接，且两个机械手爪75可滑动地沿轴向设置在光轴72上，所述两个单旋向梯形丝杠74分别通过两套电驱传动机构76驱动转动。如此设计，解决了横向距离较大时，需要布置多个电机或者传动结构提高稳定性的问题，减少了电机数量，增加了机械臂的稳定性。在双旋向的滚珠丝杠上方加入一根光轴并通过滑动与机械手爪连接，大大增强了机械臂的稳定性。

为了提高传动的平稳性和缓冲吸振，如图1和图2所示，所述电驱传动机构76包含电机76-1、传动带76-2和传动轮76-3；电机76-1通过电机座固定在车身5上，电机76-1的输出轴上安装有一个传动轮76-3，单旋向梯形丝杠74上安装有一个传动轮76-3，两个传动轮76-3通过传动带76-2传动，电机76-1由控制器2控制。可选地，电机4-1为步进电机。

为了减轻重量并能保证机械手爪的强度，如图2和图3所示，所述机械手爪75包含连接板75-1、定位板75-2和加强板75-3；连接板75-1和定位板75-2固接，连接板75-1分别与丝杠螺母78连接，定位板75-2通过直线轴承79可滑动地设置在光轴72上，连接板75-1上固接有加强板75-3。通常连接板75-1选用亚克力板，定位板75-2选用金属板。

如图6所示，为了实现桨叶后轮3能在水陆两种情况下使用，所述桨叶后轮驱动转向装置10包含后轮驱动电机101、后防水罩102、直角传动转换锥齿轮箱103和干式单片电磁制动器104；后轮驱动电机101和干式单片电磁制动器104均布置在后防水罩102内，所述后轮驱动电机101安装在车身5的后部，后轮驱动电机101的输出轴通过直角传动转换锥齿轮箱103与桨叶后轮3的后传动轴3-1连接，所述后传动轴3-1上设置有干式单片电磁制动器104。在机器人改变工作环境时，例如从地面转至水上时，必须快速改变螺旋桨和车轮的朝向，才能保证车身的正常行驶，为此，桨叶后轮驱动转向装置10设计的作用是由后轮驱动电机101输出动力，通过直角传动转换锥齿轮箱103和干式单片电磁制动器104传输到桨叶后轮3上，在陆地上移动时，与一般车无二，进入水面时，干式单片电磁制动器21通电，卡死传动轴3-1及桨叶后轮3，这时直角传动转换锥齿轮箱103将会借助后轮驱动电机101输出的动力，实现桨叶后轮3向外90度翻转(翻转后的传动轴与前轮的传动轴垂直)，使机器人进入水中移动模式。

通常，所述前轮1由前电驱装置控制，包含前轮驱动电机、前防水罩和前直角传动转换锥齿轮箱；前轮驱动电机安装在车身5前部，前防水罩罩在前驱动电机上，前驱动电机的输出轴通过前直角传动转换锥齿轮箱与前轮的前传动轴连接。

为了确保机器人能够有稳定的驱动，为了增强翻转的稳定性，进一步确保机器人的平稳运行。如图8和图9所示，设计了后轮转向定位装置，车身5的后部布置有两套后轮转向定位装置，每套后轮转向定位装置包含连接块11-1、固定连杆11-2、吸合板11-3和两个电磁铁11-4，两个电磁铁11-4之间的车身底板上开有能使桨叶后轮翻转的四分之一圆弧形孔，连接块11-1固定在干式单片电磁制动器104上，驱动电机101的输出轴穿过连接块11-1并可转动，固定连杆11-2一端固定在连接块11-1上，固定连杆11-2另一端部穿过圆弧形孔与吸合板11-3固接，固定连杆11-2上连接有可贴合车身底板滚动的滚轮11-5。当固定连杆11-2沿着圆弧形孔及滚轮11-5的滚动下，桨叶后轮3完成转向后，两旁的电磁铁11-4通电并吸住吸合板11-3，进而固定连杆11-2被固定，从而将桨叶轮3被固定住。

图9-图11为在水面行驶和在陆地行驶的两种工况，图8为在陆地行驶，四轮驱动的方式工作，图9-图10为桨叶后轮3翻转后，机器人在水面上行驶，为了增加驱动力，还设置了水下推进器9，所述船体浮子4与车身5设置有水下推进器9，控制器2控制水下推进器9。可以提供变形前后的辅助推进力供给，以及船体浮子加速推进力的供给。水下推进器可为螺旋推进器。

如图1、图4和图5所示，作为一个垃圾清洁机器人，它的舱盖如果一直处于开启状态会引发污染环境、影响美观等后果，因此必须减少垃圾暴露时间。按照以前的方式，需要在舱盖1两端增加电机并合理设计电路才能达到目的，可这样就提高了成本。为此，设计一个类似四连杆的联动结构。收集舱8的上舱8-1上还可转动地连接有舱盖13，舱盖13与机械手爪75之间布置有连杆14，连杆14一端可滑动地顶靠在机械手爪75底部的圆弧形滑槽75-1-1内，连杆14的另一端与舱盖13铰接，舱盖13上与连杆14对应位置固定有可吸合连杆14的磁铁20。

图13为机械手爪75、连杆14和舱盖13相互作用实现舱盖13开闭示意图，由图可见，当机械手爪75夹紧捕捉物并处于上升状态时，它将会通过顶起连接舱盖13的布置在圆弧形滑槽内的连杆14，从而打开舱盖13，连杆14和舱盖13会分离，磁铁20脱离连杆14。而当机械手爪75完成工作下降时，舱盖13将会由于失去支撑力而自动闭合。当连杆14端部要脱离圆弧形滑槽75-1-1时，舱盖13下面的磁铁20回吸住连杆14，舱盖13靠自重闭合。该实施方案能巧妙且低成本的解决舱盖13如何在恰当的时机开启和闭合的难题，减少了垃圾的暴露时间。通过圆弧形滑槽75-1-1设置在连接板75-1上。

进一步地，为了能很好地控制两个电机76-1在捕捉物体后的运动，在加强板75-3上还设置簧片和微动开关，所述连接板75-1的端部安装有微动开关15，加强板75-3的端部安装有簧片16，当捕捉物被夹紧时，所述簧片16能触发微动开关15输出信号。簧片16具有一定的韧性，当夹紧捕捉物时，会由于压力而发生方向向外的形变，从而触发两个微动开关15，接着，微动开关15将输出信号给控制器2，实际依靠编码器控制电机力度，使机械手爪75对应的电机76-1改变旋转方向，进而控制两个机械手爪75旋转同步上升或下降。

进一步地，为了检测机械手爪75旋转上升或下降到一定程度，实现捕捉物体的释放，所述支架71上安装有角度传感器12，所述角度传感器12的轴与支架71的转轴同轴设置。通过角度传感器12检测到机械手爪75同步旋转一定角度后，控制两个电机76-1的反向旋转，实现捕捉物体的释放。

另外，如图1和图12所示，收集舱为上下两个舱，上舱8-1主要收集机械臂拾取的垃圾，下舱8-2主要收集水中漂浮物。上舱8-1的舱盖13与机械臂7构成四杆机构，在机械臂7拾取完垃圾向后翻转时舱盖13打开，当垃圾放到上舱8-1后，机械臂7向前翻转时舱盖闭合。舱盖13与机械臂7联动，使得舱盖13在需要时打开，其他时间闭合，减少了垃圾暴露的时间，将垃圾污染合理化控制。下舱8-2利用车身镂空部分，减轻了整体重量，合理化利用空间。利用车前进的动力将垃圾吸入收集舱内，与机械臂7联合工作提高了整体效率。

工作原理

首先是摄像机6定位出目标位置，然后机器人开始移动，移动时，通过调整前轮1和桨叶后轮3的旋转速度来控制小车的前进方向，当机器人在水面上工作时，两个桨叶后轮3转换后负责提供推力，前轮1负责利用转速差以快速完成转向。靠近废弃物后由机械臂7夹紧废弃物，随后机械臂7开始上升，并利用与舱盖13之间的连杆顶开舱盖13，最后将垃圾放入，机械臂7下降，舱盖13闭合，完成工作。另外，当机器人转移工作环境，例如从陆地进入水面时，利用电磁铁制成的制动器104卡住桨叶后轮3的传动轴3-1，从而卡住锥齿轮箱内的锥齿轮，利用直流的后轮驱动电机101输出的动力，完成精准转向。

车身和两个船体浮子4皆采用泡沫板制作，保证受到的浮力大于车与垃圾的重力，船体浮子向内两侧安装有水下推进器9，保证机器人在入水和出水以及加速时做辅助推进。

机械臂具体工作过程是：两个单旋向梯形丝杠74由于安装位置相对，并且在同一个轴线上，两个单旋向梯形丝杠74的旋向相同。在图2所示下，当左侧的电机76-1带动单旋向梯形丝杠74做顺时针旋转运动，右侧的电机76-1带动对应的单旋向梯形丝杠74做逆时针旋转运动时，两个机械手爪75会产生收紧方向的运动趋势，此时双向梯形丝杠73上的丝杠螺母78会反向驱动双向梯形丝杠73发生自传，不会影响运动，即两个机械手爪75的收紧工作，反之则为机械手爪75的放松工作。在这个过程中，双向梯形丝杠73因两段旋向相反可视为无阻力物件。然而，当两个电机76-1分别带动两个单旋向梯形丝杠74做顺时针旋转运动时，一对单旋向梯形丝杠使各自相连的丝杠螺母78和机械手爪1产生相同方向的运动趋势，但由于双向梯形丝杠73两段螺纹旋向相反，机械手爪75将会卡死从而无法收紧或松开，这时，机械手爪75会因为单旋向梯形丝杠74的顺时针旋转随同支架71整体绕支撑座77而上升，反之则下降，即实现机械手爪75的翻转。可见，并联式驱动机械手利用两个电机各控制一只机械手爪，通过电机的正(反)转实现机械手爪的移动抓取，电机同向转动实现机械手的翻转动作，并联式机械手的设计，解决了横向距离较大时，需要布置多个电机或者传动结构提高稳定性的问题，减少了电机数量，增加了机械手的稳定性。并且，左右两端安装有角度传感器，可以实时感应和反馈机械臂的状态。

当夹紧时，由于簧片16具有韧性，会由于压力产生形变，从而触发微动开关15，微动开关15输出信号，机械手爪75开始翻转。电机同向转动实现机械手爪75的翻转动作，此时一对单旋向梯形丝杠74将会带动与各自相连的丝杠螺母78和机械手爪75做同向的平动，但由于双旋向的滚珠丝杠73两段螺纹旋向相反，机械手爪75将会卡死从而无法收紧或松开，这时，机械手爪75将会因为单旋向梯形丝杠74的顺时针旋转而上升，反之则下降，即机械手爪75的翻转。

本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (10)

1.一种水陆两栖清洁机器人，包括前轮(1)、控制器(2)、桨叶后轮(3)、船体浮子(4)、车身(5)、摄像机(6)、机械臂7、收集舱和桨叶后轮驱动转向装置(10)；

车身(5)底部设置有可转动的两个前轮(1)和两个桨叶后轮(3)，车身(5)前部布置有摄像机(6)和具有拾取和翻转运送垃圾的机械臂(7)，机械臂(7)后方的车身(5)上设置有收集舱；车身(5)两侧布置有船体浮子(4)，水陆工作转换时，桨叶后轮(3)的自转及在水平面内向后翻转由安装于车身(5)上的桨叶后轮驱动转向装置(10)控制，所述桨叶后轮(3)为轮毂与布置于轮毂内的螺旋桨组装的一体化结构；

控制器(2)安装于车身(5)的后部，摄像机(6)与控制器(11)电性连接，控制器(2)控制电驱动的前轮(1)、机械臂(7)和桨叶后轮驱动转向装置(10)。

2.根据权利要求1所述一种水陆两栖清洁机器人，其特征在于：所述机械臂(7)包含支座(70)、支架(71)、光轴(72)、双向梯形丝杠副、两个单旋向梯形丝杠副、两个机械手爪(75)和两套传动机构(76)；

光轴(72)、双向梯形丝杠(73)和单旋向梯形丝杠(74)由上至下平行布置，两个单旋向梯形丝杠(74)可转动地安装在支座(70)上，两个单旋向梯形丝杠(74)的旋向相同，所述双向梯形丝杠(73)分为旋向相反的两段丝杠，光轴(72)和双向梯形丝杠(73)的两端分别安装在一个支架(71)上，支架(71)可转动地安装在支撑座(77)上，支座(70)和支撑座(77)固装在车身(5)的前部，双向梯形丝杠(73)相对支架(71)可周向转动，两个机械手爪(75)分别通过丝杠螺母(78)与对应的丝杠段和单旋向梯形丝杠(74)连接，且两个机械手爪(75)可滑动地沿轴向设置在光轴(72)上，所述两个单旋向梯形丝杠(74)分别通过两套电驱传动机构(76)驱动转动。

3.根据权利要求2所述一种水陆两栖清洁机器人，其特征在于：所述电驱传动机构(76)包含电机(76-1)、传动带(76-2)和传动轮(76-3)；电机(76-1)通过电机座固定在车身(5)上，电机(76-1)的输出轴上安装有一个传动轮(76-3)，单旋向梯形丝杠(74)上安装有一个传动轮(76-3)，两个传动轮(76-3)通过传动带(76-2)传动，电机(76-1)由控制器(2)控制。

4.根据权利要求2或3所述一种水陆两栖清洁机器人，其特征在于：所述桨叶后轮驱动转向装置(10)包含后轮驱动电机(101)、后防水罩(102)、直角传动转换锥齿轮箱(103)和干式单片电磁制动器(104)；后轮驱动电机(101)和干式单片电磁制动器(104)均布置在后防水罩(102)内，所述后轮驱动电机(101)安装在车身(5)的后部，后轮驱动电机(101)的输出轴通过直角传动转换锥齿轮箱(103)与桨叶后轮(3)的后传动轴(3-1)连接，所述后传动轴(3-1)上设置有干式单片电磁制动器(104)。

5.根据权利要求4所述一种水陆两栖清洁机器人，其特征在于：车身(5)的后部布置有两套后轮转向定位装置，每套后轮转向定位装置包含连接块(11-1)、固定连杆(11-2)、吸合板(11-3)和两个电磁铁(11-4)，两个电磁铁(11-4)之间的车身底板上开有能使桨叶后轮翻转的四分之一圆弧形孔，连接块(11-1)固定在干式单片电磁制动器(104)上，驱动电机(101)的输出轴穿过连接块(11-1)并可转动，固定连杆(11-2)一端固定在连接块(11-1)上，固定连杆(11-2)另一端部穿过圆弧形孔与吸合板(11-3)固接，固定连杆(11-2)上连接有可贴合车身底板滚动的滚轮(11-5)。

6.根据权利要求2、3或5所述一种水陆两栖清洁机器人，其特征在于：收集舱的上舱(8-1)上还可转动地连接有舱盖(13)，舱盖(13)与机械手爪(75)之间布置有连杆(14)，连杆(14)一端可滑动地顶靠在机械手爪(75)底部的圆弧形滑槽(75-1-1)内，连杆(14)的另一端与舱盖(13)铰接，舱盖(13)上与连杆(14)对应位置固定有可吸合连杆(14)的磁铁(20)。

7.根据权利要求6所述一种水陆两栖清洁机器人，其特征在于：所述前轮(1)由前电驱装置控制，包含前轮驱动电机、前防水罩和前直角传动转换锥齿轮箱；前轮驱动电机安装在车身(5)前部，前防水罩罩在前驱动电机上，前驱动电机的输出轴通过前直角传动转换锥齿轮箱与前轮的前传动轴连接。

8.根据权利要求2、3、5或7所述一种水陆两栖清洁机器人，其特征在于：所述机械手爪(75)包含连接板(75-1)、定位板(75-2)和加强板(75-3)；连接板(75-1)和定位板(75-2)固接，连接板(75-1)分别与丝杠螺母(78)连接，定位板(75-2)通过直线轴承(79)可滑动地设置在光轴(72)上，连接板(75-1)上固接有加强板(75-3)。

9.根据权利要求8所述一种水陆两栖清洁机器人，其特征在于：所述连接板(1-1)的端部安装有微动开关(15)，加强板(75-3)的端部安装有簧片(16)，当捕捉物被夹紧时，所述簧片(16)能触发微动开关(15)输出信号，所述支架(10)上安装有角度传感器(12)，所述角度传感器(12)的轴与支架(71)的转轴同轴设置，角度传感器(12)与控制器(2)电性连接。

10.根据权利要求9所述一种水陆两栖清洁机器人，其特征在于：还包含水下推进器(9)，所述船体浮子(4)与车身(5)设置有水下推进器(9)，控制器(2)控制水下推进器(9)。

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