CN113616124A - 一种高空清洁机器人及其清洁高空墙面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高空清洁机器人，其包括一底盘、四个麦轮机构、一清洁机构、一旋翼机构、一供给机构及一控制机构；四个麦轮机构呈平行四边形悬挂固定在底盘上，清洁结构包括机械臂、盘刷、刮水器及喷头，机械臂的前端连接喷头，后端连接刮水器；旋翼机构包括脚架、保护架、舵机及可转动的扇叶，多个扇叶等间距间隔安装在保护架上，舵机安装在各个扇叶上；所述供给机构包括设置有水箱及电箱的箱体，连接箱体与清洁机构的输水管及连接箱体与控制机构的输电线；所述控制机构包括主控芯片及连接主控芯片的至少一传感器，主控芯片设置在底盘上并输电线。本发明具有高效、安全、成本低、全自动清洁墙面，解放人力等优点。

Description

一种高空清洁机器人及其清洁高空墙面的方法

技术领域

本发明涉及清洗设备的技术领域，特别是指一种高空清洁机器人及其清洁高空墙面的方法。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，建筑物的高度也越来越高，许多高层建筑在不断的建设当中也出现了诸多的问题，比如高层建筑外层玻璃的清洗工作。目前的解决办法依然是采用人工高空悬挂作业的方式进行，这样的工作方式不仅存在工作效率低，人工成本高，而且存在极大的安全隐患，不断有新闻报道高空作业事故的发生。为此，市面上出现了一些代替人工高空作业的高空清洁机器人，例如公开号为CN207855629U的在先专利，其公开的清洁机器人结构简单，工作原理简洁，但不适用于特殊复杂场合；再如USCN202408733U的美国在先专利，其公开的马达组件设计不够理想，组件工作时不够简洁，容易损伤其使用寿命，性价比不高；又如CN108755631A的发明在先申请，其结构较为复杂，并且为水域清洁，应用不够广泛，所涉及传感器较多，维护不便，经济成本较高；CN207734099U的在先专利采用直推式擦窗，抹布容易受压变形，导致其外缘磨损严重，长时间外缘擦拭不干净，操纵不便，效率较低。现有空清洁机器人整体分为高压清洗机和墙面清洁车，但都较为笨重，技术上难以实现突破，操纵性不强，难以满足高空的需求，并且成本较高，不能够满足大众需求，难以实现应用的普遍性。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可取代人工作业且高效、安全的高空清洁机器人。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种高空清洁机器人，其包括一底盘、四个麦轮机构、一清洁机构、一旋翼机构、一供给机构及一控制机构；

四个麦轮机构呈平行四边形悬挂固定在所述底盘上，所述清洁结构包括机械臂、盘刷、刮水器及喷头，机械臂为两个呈前后连接的弯弧中空管，机械臂的两弯弧连接处设置在底盘上，机械臂的前端连接喷头，机械臂的后端连接刮水器；旋翼机构包括脚架、保护架、舵机及可转动的扇叶，脚架的顶端连接保护架，脚架的底端连接底盘上，多个扇叶等间距间隔安装在保护架上，舵机安装在各个扇叶上；所述供给机构包括设置有水箱及电箱的箱体，连接箱体与清洁机构的输水管及连接箱体与控制机构的输电线；所述控制机构包括主控芯片及连接主控芯片的至少一传感器，主控芯片设置在底盘上并输电线。

进一步，所述底盘的前端可设置挡圈，底盘的两侧设有对称设置的两底盘外壳，所述机械臂设置在两底盘外壳之间。

进一步，每一麦轮机构包括麦克纳姆轮、联轴器、轴承座、电机、悬挂臂及避震器，所述联轴器连接麦克纳姆轮及轴承座，联轴器的一端固定在麦克纳姆轮的轮毂上，另一端与轴承座固定在一起，电机安装在联轴器上，悬挂臂的一端连接轴承座，另一端安装在底盘外壳上，避震器安装在背离麦克纳姆轮一侧的悬挂臂上。

进一步，所述底盘上设有多个镂空孔；各底盘外壳外周的后端及近中部位置形成一弯弧，弯弧的两端用以连接麦克纳姆轮；所述底盘上还设有一凸出底盘用以连接清洁机构的机械臂的连接棒，机械臂的两弯弧连接处设置在底盘的连接棒上，且位于两底盘外壳之间。

进一步，所述盘刷具有两个，两个盘刷对称安装在底盘的前端两侧，且分别连接盘刷电机，盘刷电机设置在底盘与底盘外壳之间；所述机械臂的前端弯弧设有一复位弹簧，复位弹簧的一端连接在机械臂上，另一端连接底盘上。

进一步，所述旋翼机构的脚架至少设有三个，每一脚架的顶端连接保护架，脚架的底端连接在底盘外壳上，脚架与保护架连接的一端形成第一弯臂，脚架与底盘外壳连接的一端形成第二弯臂，所述第一弯臂及第二弯臂内设有槽孔，底盘外壳对应脚架的安装位置处设有一限位槽。

进一步，所述保护架包括中心板及对应扇叶数量设置的多个叶片安装架，多个叶片安装架等间距间隔设置在中心板的外周且连接中心板。所述扇叶至少具有三个，每一扇叶对应安装在一叶片安装架中。

进一步，每一扇叶包括一摆臂、一安装杆、连接柱、至少两叶片及一固定杆，摆臂设置在叶片安装架上，安装杆连接摆臂及安装架，使摆杆可摆动的设置在安装架上，安装杆与固定杆呈交叉设置，连接柱设置在安装杆及固定杆的中心位置处，连接柱内设置有无刷电机，所述叶片设置在安装柱的底部并连接无刷电机，所述舵机设置在扇叶的安装杆上。

进一步，所述供给机构的箱体为水电一体式箱体，箱体外周设有绕线轮，绕线轮上绕设有输料管，所述输电线与输水管捆绑在输料管内，箱体的底部设有大麦轮。

进一步，所述控制机构的主控芯片及传感器装设在底盘上，且通过底盘外壳罩盖，控制机构还包括设置在底盘的外周的至少一摄像头及一遥控器，摄像头连接主控芯片，遥控器与无限摄像头及主控芯片无限连接。

本发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种可取代人工作业且高效、安全的高空墙面清洁方法。

为了达成上述目的，本发明采用的方案是：

本发明还揭示了一种使用上述高空清洁机器人清理高空墙面的方法，包括以下步骤：

步骤一、将供给机构放置在楼顶，并将供给机构输料管的输电线和输水管分别连接机器人主体的电源接口及喷头；

步骤二、所述底盘、麦轮机构、清洁机构、旋翼机构组装在一起后形成机器人主体，启动机器人主体，并将机器人主体贴于壁面，旋翼机构会自动根据环境计算贴壁需提供的风力；

步骤三、喷头喷出清洁剂后，机械臂两侧的盘刷会将清洁剂迅速打匀，位于后端的刮水器将墙面的污水及杂质往下刮，机器人主体沿着预设路径行走，使盘刷及刮水器对墙面进行清洁。

采用上述方案后，本发明高空清洁机器人可以在非水平墙面进行清洁作业，通过麦轮机构的麦克纳姆轮使机器人主体具有灵活性和自由机动性，四个麦轮机构形成平行四边形悬挂，具有避震能力强，运动稳定的优点；清洁机构的机械臂巧妙运动杠杆原理实现工作与不工作状态的流畅切换；旋翼机构利用可活动的扇叶使旋翼机构提供稳定的贴壁力，保证高空作业的进行；供给机构采用水电一体输送，可作为安全绳以防高空险情；控制机构采用STM32芯片控制，价格低廉；运用各类传感器，精确运行。其中可活动的扇叶，水电分离，芯片和各个电机都有镀一层绝缘胶，这些都可提高高空作业的安全性。通过上述结构组成，使本发明高空清洁机器人具有高效、安全、成本低、全自动清洁墙面，解放人力等优点，不仅加工简单，而且拆装容易；可适用于大型商场、办公大楼等墙面清洁。

附图说明

图1为本发明的立体示意图一。

图2为本发明的立体示意图二。

图3为本发明的立体示意图三。

图4为本发明底盘的结构示意图。

图5为本发明底盘、麦轮机构及清洁机构的组合示意图。

图6为本发明旋翼机构的结构示意图。

图7为本发明脚架的结构示意图。

图8为本发明供给机构的结构示意图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，本发明揭示了一种高空清洁机器人，其包括一底盘10、四个麦轮机构20、一清洁机构30、一旋翼机构40、一供给机构50及一控制机构。

配合图4所示，所述底盘10的前端可设置挡圈11，挡圈11可以阻挡干扰物进入底盘10内，底盘10的两侧设有堆成设置的两底盘外壳12，底盘外壳12通过螺栓锁固在底盘10上，为了减底盘10的重量，底盘10上可设有多个镂空孔13，底盘10上还设有一凸出底盘10用以连接清洁机构30的机械臂31的连接棒14。各底盘外壳12整体采用骨架式设计，各底盘外壳12外周的后端及近中部位置形成一弯弧，弯弧的两端用以连接麦克纳姆轮21，弯弧的设计可以减少阻力，减轻重量。

如图1至图3，配合图5四个麦轮机构20呈平行四边形结构布置，每一麦轮机构20包括麦克纳姆轮21、联轴器22、轴承座23、电机24、悬挂臂25及避震器，所述联轴器22连接麦克纳姆轮21及轴承座23，联轴器22的一端固定在麦克纳姆轮21的轮毂上，另一端与轴承座23固定在一起，电机24安装在联轴器22上，悬挂臂25的一端连接轴承座23，另一端安装在底盘外壳12上，避震器安装在背离麦克纳姆轮21一侧的悬挂臂25上。四个麦轮机构20形成平行四边形悬挂，用联轴器22与麦克纳姆轮21相连，当高空清洁机器人需要越过玻璃间连接物时，可通过自身悬挂的避震能力，轻松平稳越障。

所述清洁结构30包括机械臂31、盘刷32、刮水器33及喷头34，机械臂31为两个呈前后连接的弯弧中空管，机械臂31的两弯弧连接处设置在底盘10的连接棒14上，安装底盘10后的机械臂31位于两底盘外壳12之间，机械臂31的前端连接喷头34，机械臂31的后端连接刮水器33，所述盘刷32具有两个，两个盘刷32对称安装在底盘10的前端两侧，且连接盘刷电机，盘刷电机设置在底盘10与底盘外壳12之间。机械臂31的结构是本发明的设计亮点之一，流线型的机械臂31既能起到连接作用，又能减少空中飞行阻力，具有两面性的优点所在。较佳的，所述机械臂31的前端弯弧（即连接喷头34的一端）设有一复位弹簧35，复位弹簧35的一端连接在机械臂31上，另一端连接底盘10上。

如图6所示，所述旋翼机构40包括脚架41、保护架42、舵机43及扇叶44，配合图7所示，所述脚架41至少设有三个，每一脚架41的顶端连接保护架42，脚架41的底端连接在底盘外壳12上，脚架41与保护架42连接的一端形成第一弯臂411，脚架41与底盘外壳12连接的一端形成第二弯臂412，为了减轻重量，使脚架轻量化，以减少空中飞行阻力，所述第一弯臂411及第二弯臂412内设有槽孔413；第一弯臂411及第二弯臂412的设计便于飞行固定时，旋翼机构40的震荡飞行，避免冲击较大时因操纵不当而使得保护架42损坏；底盘外壳12对应脚架41的安装位置处设有一供脚架41转动的限位槽121。所述保护架42包括中心板421及对应扇叶44数量设置的多个叶片安装架422，多个叶片安装架421等间距间隔设置在中心板421的外周且连接中心板421。所述扇叶44至少具有三个，每一扇叶44对应安装在一叶片安装架422中，每一扇叶44包括一摆臂441、一安装杆442、连接柱443、至少两叶片444及一固定杆445，摆臂441设置在叶片安装架421上，安装杆442连接摆臂441及安装架421，使摆杆441可摆动的设置在安装架421上，安装杆442与固定杆445呈交叉设置，连接柱443设置在安装杆442及固定杆445的中心位置处，连接柱443内设置有无刷电机，所述叶片443设置在安装柱443的底部并连接无刷电机。所述舵机43设置在扇叶44的安装杆442上。

如图8所示，所述供给机构50包括水电一体箱体51、设置在箱体51外周的绕线轮52、设置在绕线轮52上的输料管、以及设置在箱体51底部的大麦轮54（图中仅为示意），箱体51内设有高压清洗机把清洁剂通过输水管输送到喷头34，输电线与输水管捆绑在输料管内，为本发明高空清洁机器人提供电能，让高空清洁机器人能长时间持续工作。箱体51上的大麦轮54可以使其与箱体51保持在同一垂直线上，这样输料管就可以充当安全绳，防止高空清洁机器人遇到高空险情时坠落。

所述控制机构包括主控芯片及连接主控芯片的传感器，控制机构装设在底盘10上，且通过底盘外壳12罩盖，本实施例中，主控芯片为STM32芯片，所述传感器包括但不限于陀螺仪传感器、红外传感器及摄像头。为了方便二次清洁，该控制机构还可包括与主控芯片无限连接的遥控器。

本发明高空清洁机器人主要包括由麦轮机构20、清洁机构30、旋翼机构40及控制机构组装在底盘10上的机器人主体及为机器人提供水及动力的供给机构50组成。其中，麦轮机构20采用麦克纳姆轮21，麦克纳姆轮21的独特运行方式使得机器人主体具有较大的灵活性和自由机动性，四个麦轮机构20采用平行四边形悬挂在底盘10与底盘外壳12之间，平行四边形的悬挂方式行程大，而且避震能力很强，可以通过各种坑洼，使高空清洁机器人主体保持运动稳定。清洁机构30通过机械臂31将喷头34与刮水器33连接起来，喷头位于机器人主体的前端，刮水器33位于后端，喷头34与供给机构50的高压清洗机相连，当喷头34喷出清洁剂时，前面的盘刷32能将清洁剂迅速打匀，当前端喷头34工作时，由于高压液体的喷出，会是机械臂31带动喷头34往上翘起，由于杠杆原理，后端刮水器33会同时挤压墙面，起到刮水作用，此时复位弹簧35处于拉伸状态，当喷头34停止工作时，复位弹簧35复位，刮水器33就处于悬空状态。旋翼机构40提供贴壁力，使得机器人主体紧贴于壁面，当有风吹过，内置的陀螺仪可自动识别风力大小，从而调整扇叶44的摆臂441角度来保持平衡，利用可活动的扇叶44使旋翼机构4提供稳定的贴壁力。

旋翼机构40贴壁力的计算分析是，先测出组装后机器人主体总重量m（本实施例中机器人主体经测量为2.86kg）后，根据G=mg，算出机器人主体的重力N，经计算G≈28N；最大静摩擦力f =μN（μ=1，N为四个无刷电机提供的力），要使f≥G，即N≥G≈28N；故每个旋翼机构40的无刷电机只需提供7N左右的力即可。通过ANSYS进行应力分析：给每个无刷电机20N的外力，由所呈现的应力云图可知，无刷电机完全可以提供机器人主体贴壁运动所需要的力。

本发明还揭示了一种使用上述高空清洁机器人清理高空墙面的方法，包括以下步骤：

步骤一、将供给机构50放置在楼顶，并将供给机构50输料管的输电线和输水管分别连接机器人主体的电源接口及喷头34；

步骤二、所述底盘10、麦轮机构20、清洁机构30、旋翼机构40组装在一起后形成机器人主体，启动机器人主体，并将机器人主体贴于壁面，旋翼机构40会自动根据环境计算贴壁需提供的风力；

步骤三、喷头34喷出清洁剂后，机械臂31两侧的盘刷32会将清洁剂迅速打匀，位于后端的刮水器33将墙面的污水及杂质往下刮，机器人主体沿着预设路径行走，使盘刷及刮水器对墙面进行清洁。

由于机器人主体设有摄像头，在擦拭过程中，工作人员可通过摄像头监控是否清洁到位，发现哪个地方未清洁到位时，可将机器人主体转换成遥控模式进行二次清洁，直至清洁完成。

本发明高空清洁机器人可以在非水平墙面进行清洁作业，通过麦轮机构10的麦克纳姆轮使机器人主体具有灵活性和自由机动性，四个麦轮机构形成平行四边形悬挂，具有避震能力强，运动稳定的优点；清洁机构的机械臂巧妙运动杠杆原理实现工作与不工作状态的流畅切换；旋翼机构利用可活动的扇叶使旋翼机构提供稳定的贴壁力，保证高空作业的进行；供给机构采用水电一体输送，可作为安全绳以防高空险情；控制机构采用STM32芯片控制，价格低廉；运用各类传感器，精确运行。其中可活动的扇叶，水电分离，芯片和各个电机都有镀一层绝缘胶，这些都可提高高空作业的安全性。通过上述结构组成，使本发明具有高效、安全、成本低、全自动清洁墙面，解放人力等优点，不仅加工简单，而且拆装容易；可适用于大型商场、办公大楼等墙面清洁。

上述实施例和图示并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (10)

1.一种高空清洁机器人，其特征在于，包括：

一底盘，底盘顶面两侧具有对称设置的两底盘外壳；

四个麦轮机构，四个麦轮机构呈平行四边形悬挂固定在所述底盘上；

一清洁机构，其包括机械臂、盘刷、刮水器及喷头，机械臂为两个呈前后连接的弯弧中空管，机械臂的两弯弧连接处设置在底盘上，机械臂设置在两底盘外壳之间，机械臂的前端连接喷头，机械臂的后端连接刮水器；

一旋翼机构，其包括脚架、保护架、舵机及可转动的扇叶，脚架的顶端连接保护架，脚架的底端连接底盘，多个可转动的扇叶等间距间隔安装在保护架上；

一供给机构，其包括设置有水箱及电箱的箱体，连接箱体与清洁机构的输水管，连接箱体与控制机构的输电线；及

一控制机构，其包括主控芯片及连接主控芯片的至少一传感器，主控芯片设置在底盘上并输电线。

2.如权利要求1所述的一种高空清洁机器人，其特征在于：每一麦轮机构包括麦克纳姆轮、联轴器、轴承座、电机、悬挂臂及避震器，所述联轴器连接麦克纳姆轮及轴承座，联轴器的一端固定在麦克纳姆轮的轮毂上，另一端与轴承座固定在一起，电机安装在联轴器上，悬挂臂的一端连接轴承座，另一端安装在底盘外壳上，避震器安装在背离麦克纳姆轮一侧的悬挂臂上。

3.如权利要求2所述的一种高空清洁机器人，其特征在于：所述底盘上设有多个镂空孔；各底盘外壳外周的后端及近中部位置形成一弯弧，弯弧的两端用以连接麦克纳姆轮；底盘上还设有一连接清洁机构的机械臂的连接棒，机械臂的两弯弧连接处设置在底盘的连接棒上，且位于两底盘外壳之间。

4.如权利要求1所述的一种高空清洁机器人，其特征在于：所述盘刷具有两个，两个盘刷对称安装在底盘的前端两侧，且分别连接盘刷电机，盘刷电机设置在底盘与底盘外壳之间，所述机械臂的前端弯弧设有一复位弹簧，复位弹簧的一端连接在机械臂上，另一端连接底盘上。

5.如权利要求1所述的一种高空清洁机器人，其特征在于：所述旋翼机构的脚架至少设有三个，每一脚架的顶端连接保护架，脚架的底端连接在底盘外壳上，脚架与保护架连接的一端形成第一弯臂，脚架与底盘外壳连接的一端形成第二弯臂，所述第一弯臂及第二弯臂内设有槽孔，底盘外壳对应脚架的安装位置处设有一限位槽。

6.如权利要求1所述的一种高空清洁机器人，其特征在于：所述保护架包括中心板及对应扇叶数量设置的多个叶片安装架，多个叶片安装架等间距间隔设置在中心板的外周且连接中心板，所述扇叶至少具有三个，每一扇叶对应安装在一叶片安装架中。

7.如权利要求6所述的一种高空清洁机器人，其特征在于：每一扇叶包括一摆臂、一安装杆、连接柱、至少两叶片及一固定杆，摆臂设置在叶片安装架上，安装杆连接摆臂及安装架，使摆杆可摆动的设置在安装架上，安装杆与固定杆呈交叉设置，连接柱设置在安装杆及固定杆的中心位置处，连接柱内设置有无刷电机，所述叶片设置在安装柱的底部并连接无刷电机，所述舵机设置在扇叶的安装杆上。

8.如权利要求1所述的一种高空清洁机器人，其特征在于：所述供给机构的箱体为水电一体式箱体，箱体外周设有绕线轮，绕线轮上绕设有输料管，所述输电线与输水管捆绑在输料管内，箱体的底部设有大麦轮。

9.如权利要求1所述的一种高空清洁机器人，其特征在于：所述控制机构的主控芯片及传感器装设在底盘上，且通过底盘外壳罩盖，控制机构还包括设置在底盘的外周的至少一摄像头及一遥控器，摄像头连接主控芯片，遥控器与无限摄像头及主控芯片无限连接。

10.一种使用如权利要求1至9中任意一项所述的高空清洁机器人清洁高空墙面的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、将供给机构放置在楼顶，并将供给机构输料管的输电线和输水管分别连接机器人主体的电源接口及喷头；

步骤二、所述底盘、麦轮机构、清洁机构、旋翼机构组装在一起后形成机器人主体，启动机器人主体，并将机器人主体贴于壁面，旋翼机构会自动根据环境计算贴壁需提供的风力；

步骤三、喷头喷出清洁剂后，机械臂两侧的盘刷会将清洁剂迅速打匀，位于后端的刮水器将墙面的污水及杂质往下刮，机器人主体沿着预设路径行走，使盘刷及刮水器对墙面进行清洁。

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