CN113653020A - 一种全水层智能清洁机器人及清洁方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全水层智能清洁机器人及清洁方法，全水层智能清洁机器人，包括：机器人主体(1),安装在所述机器人主体(1)上的支承单元(2)，安装在所述支承单元(2)上的动力单元(3)，至少一种清洁组件(4)；沿竖直方向，所述支承单元(2)的上下两侧分别设置有挂载机构(5)，所述清洁组件(4)可选择的与所述支承单元(2)任一侧的所述挂载机构(5)可拆卸地的连接；沿水平方向，所述动力单元(3)在所述支承单元(2)的左右两侧分别设置，用于驱动所述机器人主体(1)在竖直方向和/或水平方向移动。本发明可在包括水面，水中和水底等各个水层的工作环境下执行作业，可快速高效的进行水体清洁工作。

Description

一种全水层智能清洁机器人及清洁方法

技术领域

本发明涉及特种机器人领域，尤其涉及一种全水层智能清洁机器人及清洁方法。

背景技术

随着工业的迅速发展，水体污染都愈发严重，而人们对水体质量的要求又在不断提高。但是人工清洁耗时耗力，且常常无法达到预期的清洁效果，一些复杂水域人力无法到达。尤其是公共水域环境由于长期处于无人值守状态，更难以实时进行清理保障,容易发生众多状况,影响其正常自然状态或使用保障。因此，水层清理是目标前进行水域维护的主要工作之一。

目前，室内水域的清扫需要将水域排空进行清扫，人力物力消耗较大，工作量累积严重，无法实时高效清理。对于开放水域，则需要人工着水服进行作业或使用打捞船，作业难度高、工作量繁重且危险系数高。此外，由于在水域中存在水面、水中、水底不同位置均有不同程度、不同类型的污染物，进而通过简单的人工清理并不能达到全面的清理效果。

针对上述情况，现在市面上也出现了一些进行水体清洁的机器人，但这些机器人具有自主性不高和应用局限，仅能完成特定的任务，适用范围小。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全水层智能清洁机器人及清洁方法，解决适用范围小的问题。

为实现上述发明目的，本发明提供一种全水层智能清洁机器人，包括：机器人主体,安装在所述机器人主体上的支承单元，安装在所述支承单元上的动力单元，至少一种清洁组件；

沿竖直方向，所述支承单元的上下两侧分别设置有挂载机构，所述清洁组件可选择的与所述支承单元任一侧的所述挂载机构可拆卸地的连接；

沿水平方向，所述动力单元在所述支承单元的左右两侧分别设置，用于驱动所述机器人主体在竖直方向和/或水平方向移动。

根据本发明的一个方面，所述挂载机构包括：两对共四个分别置于机器人主体上下两侧的相互平行的支承导轨，与所述支承导轨滑动连接的滑块组件；

每个所述支承导轨上可拆卸地设置至少一个所述滑块组件；

沿所述支承导轨的长度方向，在所述支承导轨上阵列设置有多个定位槽；

所述滑块组件包括：用于与所述支承导轨相互配合的咬合连接部，设置在所述咬合连接部的限位件，以及固定连接在所述咬合连接部上且用于固定所述清洁组件的固定连接部；

所述限位件与所述咬合连接部可拆卸地连接，用于限制所述咬合连接部与所述支承导轨的连接位置。

根据本发明的一个方面，所述支承单元包括：主体连接件，以及设置在所述主体连接件相对两侧的支撑框架；

所述动力单元安装在所述支撑框架远离所述主体连接件的一侧；

所述挂载机构的支承导轨固定安装在所述支撑框架的上下两侧。

根据本发明的一个方面，所述机器人主体包括：防水舱，设置在所述防水舱内的内置支架，以及安装在所述内置支架上的电控单元；

所述支承单元的主体连接件套设在所述防水舱的外侧，所述支承单元的支撑框架在所述防水舱的相对两侧平行设置。

根据本发明的一个方面，所述防水舱包括：筒体，设置在所述筒体一端的前罩，设置在所述筒体另一端且用于连接所述电控单元、所述动力单元和所述清洁组件的电连接面板；

所述筒体和所述前罩均采用透明亚克力材质制成；

所述内置支架为中空的筒状体；

沿所述内置支架的轴向，在所述内置支架的侧壁上设置有两个开口凹槽；

沿所述内置支架的轴向，所述开口凹槽分别以所述内置支架的端部起始且向相互靠近的方向延伸；

所述内置支架上还设置有支撑组件，且所述支撑组件与所述开口凹槽相对应的在所述内置支架的端部设置；

所述电连接面板上设置有用于控制所述全水层智能清洁机器人启停的控制开关、多个电连接端口，以及用于检测所述防水舱气密性的有气密性检测头。

根据本发明的一个方面，所述电控单元包括：单片机主板，舵机，安装在所述舵机上的全景摄像头，陀螺仪，深度及温度传感器，电源；

所述舵机和所述全景摄像头设置在所述内置支架的支撑组件上侧，且所述全景摄像头与所述防水舱的前罩相邻设置；

所述舵机可驱动所述全景摄像头自由转动；

所述陀螺仪，所述深度及温度传感器固定支撑在所述内置支架的支撑组件上侧，且所述陀螺仪，所述深度及温度传感器与所述防水舱的电连接面板相邻设置；

所述单片机主板包括：用于控制所述全水层智能清洁机器人执行目标识别和清洁作业的目标跟随模块，用于控制所述全水层智能清洁机器人在无可识别目标状态下自主执行清洁作业的自由探索模块；

所述电源固定支撑在所述支撑组件的下侧，且所述电源为可充电电源；

所述电源采用在所述防水舱内布置太阳能电板进行充电或者通过所述电连接面板上的电连接端口连接外部供电。

根据本发明的一个方面，所述清洁组件具有四种，分别为水面清洁装置，水中清洁装置，用于封闭水域的第一水底清洁装置，以及用于开放水域或管道的第二水底清洁装置；

所述水面清洁装置包括：第一泵体，与所述第一泵体入口相连接的第一收集管，与所述泵体出口相连接的收集装置，以及设置于所述泵体上用于与所述支承单元相连接的第一挂载结构；

所述收集装置可挂载在所述支承单元上，或者设置于地面上；

所述水中清洁装置包括：第二泵体，与所述第二泵体入口相连接的第一储污盒，与所述第一储污盒相连接的第二收集管，以及设置于所述泵体上用于与所述支承单元相连接的第二挂载结构；

所述第一储污盒与所述第二泵体入口之间设置有过滤网；

所述第一储污盒具有至少一个空腔，且在所述第一储污盒的部分或全部空腔内填充有活性炭；

所述第一水底清洁装置包括：第三泵体，与所述第三泵体入口相连接支撑管路，与所述支撑管路相连接的第二储污盒，与所述第二储污盒相连接的安全刮片，以及设置于所述泵体上用于与所述支承单元相连接的第三挂载结构；

所述支撑管路与所述第三泵体相连接的位置之间设置有过滤网；

所述安全刮片所述第二储污盒相连接的位置设置有用于与所述第二储污盒相连通的刮片开口；

所述安全刮片采用硬质橡胶或弹性树脂材质制成；

所述第二水底清洁装置包括：可相互靠近或远离的抓取工作部平行放置的平行夹爪，用于控制所述抓取工作部平行放置平行夹爪相对运动的驱动组件，以及用于与所述支承单元相连接的第四挂载结构。

为实现上述发明目的，本发明提供一种采用前述全水层智能清洁机器人的清洁方法，包括：

S1.确定清洁作业区域及目标任务需求，选择相应的清洁组件并安装在所述支承单元上，并将所述清洁组件与机器人主体上的电连接面板电连接；

S2.对所述机器人主体的气密性进行检测，若所述机器人主体的气密性满足要求则，执行步骤S3；

S3.开启所述电连接面板上的控制开关，并将所述全水层智能清洁机器人切换至相应的工作模式，待所述全水层智能清洁机器人重置且自定义记录初始参数后，将其整体平稳放入水中；其中，所述工作模式包括：水域巡检模式和管道巡检模式；

S4.所述全水层智能清洁机器人基于所述机器人主体的电控单元自主开展清洁。

根据本发明的一个方面，步骤S4中，所述全水层智能清洁机器人基于所述机器人主体的电控单元自主开展清洁的步骤中，根据识别出的目标进行污物分类并根据所述目标的污物分类结果确定相应的运行速度执行清洁作业，包括：

S41.采集所述目标的目标物图像；

S42.将所述目标物图像的背景干扰及噪点过滤掉并进行图像分割生成目标物子图；

S43.将各个目标物子图的RGB图像分别转化为LAB色彩模型与HSI色彩模型，并将颜色分量的平均值作为颜色特征值；其中，将各个目标物子图的RGB图像转化为LAB色彩模型时，将RGB颜色空间转换到XYZ颜色空间，之后再把XYZ颜色空间转换到LAB颜色空间；

S44.将所述颜色特征值输入预先完成训练的机器学习分类模型，得到各个所述目标的污物分类结果，根据所述污物分类结果确定相应的运行速度执行清洁作业；其中，所述机器学习分类模型在预先的训练过程中建立了各类型污物的颜色特征值和各类型污物分类结果之间的映射；

所述机器学习分类模型为SVM分类器，其通过以下步骤训练获得，包括：

S01.采集所述目标的目标物图像构建训练集和测试集，并分别为所述训练集和所述测试集附加标签；

S02.利用所述训练集及其标签并采用遗传算法对所述SVM分类器进行参数寻优确定RBF核函数中的c惩罚参数和g核函数参数，用于将在低维空间线性不可分的所述训练集中的数据通过所述RBF核函数c映射到高维的特征空间变成线性可分；

S03.根据寻优确定的所述RBF核函数的c惩罚参数和g核函数参数，利用所述训练集及其标签对所述SVM分类器进行训练，然后利用所述测试集测试所述SVM分类器的分类结果的标准率，如果所述标准率满足要求则完成所述SVM分类器的训练生成所述机器学习分类模型，否则继续执行步骤S01至步骤S03直至所述标准率满足要求。

根据本发明的一个方面，步骤S4中，所述全水层智能清洁机器人基于所述机器人主体的电控单元自主开展清洁的步骤中，若所述全水层智能清洁机器人执行水下管道巡检作业，则包括：

S001.获取所述电控单元采集的目标物图像；

S002.先对所述目标物图像进行高斯模糊和降噪处理；

S003.对处理后的所述目标物图像进行腐蚀与膨胀处理，得到拟合图形，将所述拟合图形与附着物外形做比较，鉴别是否为需要处理的垃圾；其中，所述全水层智能清洁机器人通过矩形图像的拟合，获得所巡检的管道的中心线以及偏移角，并基于所述中心线和所述偏移角的数据进行管道巡检。

根据本发明的一种方案，本发明的机器人具有轻质灵活、可完成全水层清洁任务、耗能低等的优点，而且还可实现全自主运行的智能水层清洁，极大的解决了水体清洁的任务。此外，机器人结构小巧、功能多样、续航能力强，操作灵活，具有广阔的应用前景。

根据本发明的一种方案，可在包括水面，水中和水底等各个水层的工作环境下执行作业，可快速高效的进行水体清洁工作。

根据本发明的一种方案，本发明的机器人具有实施成本低、作业效率高、安全可靠的优点，同时，本发明的机器人还具有自主搜索目标物、自主探索未知水域的能力。

根据本发明的一种方案，可其通过不同的清洁模块，完成水面油污吸除，水中杂质、漂浮物过滤、水底清洁等功能，达到了便捷、灵活、高效的水体清洁效果。

根据本发明的一种方案，本发明的机器人外部有不同的接口，可根据不同的工作环境加不同的外设，如配有特制的机械臂与视觉系统来抓取水面上及水中的垃圾，还可装配活性炭盒进行水中等悬浊物的清理，也可利用螺旋桨加压潜入水底，配合刮片、滚轴等外挂的清理器来清除附着在水底的杂物。

根据本发明的一种方案，本发明的机器人可以实现对水下管道，泳池，或是开放水域的全方面清理，完全不需人的控制，且动力单元能够实现在不同方位的驱动，使机器人能够自如灵活的在水下运动，实现无死角清洁。

根据本发明的一种方案，本发明的机器人所采用的原材料绿色环保，主体结构部件均使用可回收可降解的塑料制成，即使在机器人报废后也不会对环境造成污染。

根据本发明的一种方案，本发明的机器人在具备全水层清洁与自动识别能力的同时，其还可通过不同的外设工具，实现对不同种类污染物的有效处理。

附图说明

图1是示意性表示根据本发明的一种实施方式的全水层智能清洁机器人的结构图；

图2是示意性表示根据本发明的一种实施方式的全水层智能清洁机器人的俯视图；

图3是示意性表示根据本发明的一种实施方式的支承单元的结构图；

图4是示意性表示根据本发明的一种实施方式的动力单元在支撑框架上的分布结构图；

图5是示意性表示根据本发明的一种实施方式的主体连接件的结构图；

图6是示意性表示根据本发明的一种实施方式的支撑框架的结构图；

图7是示意性表示根据本发明的一种实施方式的竖直挂件的结构图；

图8是示意性表示根据本发明的一种实施方式的水平挂件的结构图；

图9是示意性表示根据本发明的一种实施方式的支承导轨与支撑框架的安装结构图；

图10是示意性表示根据本发明的一种实施方式的挂载机构的结构图；

图11是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电控单元的结构图；

图12是示意性表示根据本发明的一种实施方式的防水舱的结构图；

图13是示意性表示根据本发明的一种实施方式的电连接面板的结构图；

图14是示意性表示根据本发明的一种实施方式的内置支架的结构图；

图15是示意性表示根据本发明的一种实施方式的水面清洁装置的结构图；

图16是示意性表示根据本发明的一种实施方式的水中清洁装置的结构图；

图17是示意性表示根据本发明的一种实施方式的第一水底清洁装置的结构图；

图18是示意性表示根据本发明的一种实施方式的第二水底清洁装置的结构图；

图19是示意性表示根据本发明的一种实施方式的全水层智能清洁机器人沿管路的巡视图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。

结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种全水层智能清洁机器人，包括：机器人主体1,安装在主体1上的支承单元2，安装在支承单元2上的动力单元3，至少一种清洁组件4。在本实施方式中，沿竖直方向，支承单元2的上下两侧分别设置有挂载机构5，清洁组件4可选择的与支承单元2任一侧的挂载机构5可拆卸地的连接。在本实施方式中，沿水平方向，动力单元3在支承单元2的左右两侧分别设置，用于驱动机器人主体1在竖直方向和/或水平方向移动。

结合图1和图2所示，根据本发明的一种实施方式，动力单元3为多个螺旋桨推进结构构成。在本实施方式中，动力单元3在整个全水层智能清洁机器人上设置有六个螺旋桨推进结构，其中，四个动力单元3在全水层智能清洁机器人的周围对称分布用于实现全水层智能清洁机器人在竖直方向的运动，两个动力单元3在全水层智能清洁机器人的周围对称分布用于实现全水层智能清洁机器人在水平方向的运动。需要注意的是，动力单元3可根据实际需要进行相应的设置，例如，增加或减少螺旋桨推进结构的数量，调整各螺旋桨推进结构的分布位置，或者采用其他结构提供动力。

在本实施方式中，螺旋桨推进结构圆筒状外保护壳轴向长度为75mm，圆筒状外保护壳筒口径为62mm，工作电压为6～12V。

结合图1、图2、图3和图4所示，根据本发明的一种实施方式，支承单元2包括：主体连接件21，以及设置在主体连接件21相对两侧的支撑框架22。在本实施方式中，动力单元3安装在支撑框架22远离主体连接件21的一侧；挂载机构5的支承导轨51固定安装在支撑框架22的上下两侧。在本实施方式中，可根据支撑框架22的长度间隔的设置多个主体连接件21，以实现其在机器人主体1上的稳定固定，不仅结构简单且连接牢固。

结合图3和图5所示，根据本发明的一种实施方式，主体连接件21包括：第一连接部分211和第二连接部分212。第一连接部分211和第二连接部分212的端部可相互连接用于实现与机器人主体1的固定。在本实施方式中，第一连接部分211和第二连接部分212的形状可根据机器人主体1的外形相对应的设置，以实现其与机器人主体1的稳定固定。例如，机器人主体1外形呈圆柱状，则将第一连接部分211和第二连接部分212的形状分别设置为圆弧状，通过端部固定形成与机器人主体1外形相适配的圆环。

结合图3、图4、图6、图7和图8所示，根据本发明的一种实施方式，支撑框架22为整体呈矩形的框架结构，在支撑框架22上设置有用于安装主体连接件21的安装连接部22a，第一连接部分211和第二连接部分212的端部分别通过与该安装连接部22a的连接实现整个支承单元2与机器人主体1的固定连接。在本实施方式中，动力单元3中的多个螺旋桨推进结构通过竖直挂件和水平挂件分别挂在支撑框架22上。参见图4、图6、图7和图8所示，竖直挂件与支撑框架22上处于前后位置的安装连接部22a分别对应设置，进而螺旋桨推进结构可通过该竖直挂件竖直的挂载到支撑框架22上。水平挂件与支撑框架22上处于中间位置的安装连接部22a对应设置，进而螺旋桨推进结构可通过该水平挂件水平的挂载到支撑框架22上。

在本实施方式中，支撑框架22采用ABS材料3D打印制成，具有较强的抗冲击性能，保证了机器人在复杂水域的稳定性和可靠性。

结合图1、图2、图9和图10所示，根据本发明的一种实施方式，挂载机构5包括：两对共四个分别置于机器人主体上下两侧的相互平行的支承导轨51，与支承导轨51滑动连接的滑块组件52。在本实施方式中，每个支承导轨51上可拆卸地设置至少一个滑块组件52；沿支承导轨51的长度方向，在支承导轨51上阵列设置有多个定位槽511。在本实施方式中，滑块组件52包括：用于与支承导轨51相互配合的咬合连接部521，设置在咬合连接部521的限位件522，以及固定连接在咬合连接部521上且用于固定清洁组件4的固定连接部523；在固定连接部523上设置有用于安装清洁组件4的固定承载结构，在本实施方式中，固定连接部523上的固定承载结构为两端敞开的弧面凹槽。当然，固定连接部523上的固定承载结构还可以设置为其他形状，可根据实际需要进行选择。在本实施方式中，限位件522与咬合连接部521可拆卸地连接，用于限制咬合连接部521与支承导轨51的连接位置。在本实施方式中，支承导轨51为皮卡汀尼导轨。在本实施方式中，支承导轨51采用不锈钢制成，其长度为140mm，宽度为20mm，厚度为10mm。

根据本发明，通过采用上述设置的支承导轨51可用于灵活安装不同的外部结构，不仅固定连接结构简单，便于操作，而且还极大的减少了更换机器人外设固定和拆卸的工作量。此外，通过上述设置的支承导轨51其耐腐蚀且强度高，有效的提高了其在水中的使用寿命。

结合图1和图11所示，根据本发明的一种实施方式，机器人主体1包括：防水舱11，设置在防水舱11内的内置支架12，以及安装在内置支架12上的电控单元13。在本实施方式中，支承单元2的主体连接件21套设在防水舱11的外侧，支承单元2的支撑框架22在防水舱11的相对两侧平行设置。

结合图1、图11和图12所示，根据本发明的一种实施方式，防水舱11包括：筒体111，设置在筒体111一端的前罩112，设置在筒体111另一端且用于连接电控单元13、动力单元3和清洁组件4的电连接面板113。在本实施方式中，筒体111和前罩112均采用透明亚克力材质制成，且其表面均采用抛光处理，提高了透明度，保证了内置摄像头的视野清晰；同时实验规避了屈光度影响，确定了内置摄像头放置位置，减少了图像提取的变形度。在本实施方式中，防水舱11由亚克力材质圆筒制成，圆筒轴向长度为250mm，圆筒外径尺寸为130mm，圆筒内径尺寸为120mm。

在本实施方式中，内置支架12为中空的筒状体；沿内置支架12的轴向，在内置支架12的侧壁上设置有两个开口凹槽121；沿内置支架12的轴向，开口凹槽121分别以内置支架12的端部起始且向相互靠近的方向延伸。在本实施方式中，内置支架12上还设置有支撑组件122，且支撑组件122与开口凹槽121相对应的在内置支架12的端部设置。在本实施方式中，内置支架12采用PLA材料，以3D打印为主要工艺，在保证强度的前提下，极大程度的减小了体积和重量，并有效的减少了内置支架12开裂的可能。

如图14所示，在本实施方式中，电连接面板113上设置有用于控制全水层智能清洁机器人启停的控制开关1131、多个电连接端口1132，以及用于检测防水舱11气密性的有气密性检测头1133。其中，部分电连接端口1132用于与动力单元3相连接，动力单元3中的螺旋桨推进结构与电连接面板113上的电连接端口1132一一对应连接。此外，剩余电连接端口1132还用于与清洁组件4相连接作为通信和通电的端口，以及作为备用接口。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，电控单元13包括：单片机主板，舵机131，全景摄像头132，陀螺仪133，深度及温度传感器134，电源135。在本实施方式中，全景摄像头132安装在舵机131上，且舵机131可驱动全景摄像头132自由转动。舵机131和全景摄像头132相连接后固定支撑在内置支架12的支撑组件122上侧，且舵机131和全景摄像头132与防水舱11的前罩112相邻设置，以实现全景摄像头132具有最有的拍摄视野。在本实施方式中，全景摄像头132为OV5647型号的摄像头，具有500W像素的全景广角，并且在舵机131的作用下其视角可达到200度，有效的提高了机器人的清洁和搜寻效率。

在本实施方式中，陀螺仪133，深度及温度传感器134固定支撑在内置支架12的支撑组件122上侧，且陀螺仪133，深度及温度传感器134与防水舱11的电连接面板113相邻设置，用于实现与电连接面板113上的电连接端口1132相连接。在本实施方式中，陀螺仪133可采用Mpu6050六轴陀螺仪，以数字输出6轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据。通过输出数据判断此时机器人的姿态维持自稳和姿态调整。在本实施方式中，深度及温度传感器134可采用MS5837型号深度、温度传感器，接上电即输出当前所处环境的压力和温度，通过数据处理，将压力通过公式(如淡水的密度,重力加速度)计算出此时距水面的深度，并把深度和温度一起传到单片机主板上。

在本实施方式中，单片机主板包括：用于控制全水层智能清洁机器人执行目标识别和清洁作业的目标跟随模块，用于控制全水层智能清洁机器人在无可识别目标状态下自主执行清洁作业的自由探索模块；在本实施方式中，单片机主板采用STM32F407型号的系列板，其提供了工作频率为168MHz的CortexTM-M4内核(具有浮点单元)的性能，能够在满足基础运动器件的基础上，留有足够的引脚来控制附加的外设，提高了机器人的兼容性。

在本实施方式中，电源135固定支撑在支撑组件122的下侧，且电源135为可充电电源。在本实施方式中，电源135采用在防水舱11内布置太阳能电板进行充电或者通过电连接面板113上的电连接端口连接外部供电。在本实施方式中，电源135采用12V电压的锂电池。通过变压电路可转变为不同模块的工作电压，减少了多余冗杂结构，在降低了成本的同时，也提高了机器人的工作时长。

根据本发明的一种实施方式,电控单元13还可通过无线或有线的方式将生成的数据传输智远程终端,供操作人员实时掌握机器人的各项运行数据及机器人的具体位置。

如图16、图17、图18和图19所示，根据本发明的一种实施方式，清洁组件4具有四种，分别为水面清洁装置41，水中清洁装置42，用于封闭水域(如游泳池、染料池)的第一水底清洁装置43，以及用于开放水域(如公园水塘、河道)或管道的第二水底清洁装置44。

参见图16所示，在本实施方式中，水面清洁装置41包括：第一泵体411，与第一泵体411入口相连接的第一收集管412，与泵体411出口相连接的收集装置，以及设置于泵体411上用于与支承单元2相连接的第一挂载结构413。在本实施方式中，第一收集管412是一个向上弯曲的管路，进而机器人装载该水面清洁装置41后，其可通过上浮至第一收集管412端部与水面接近或相平的位置即可对水面上的污物进行清除，实现相连接的收集装置的储存。

在本实施方式中，第一挂载结构413具有两个挂载部413a，其设置数量与挂载机构5的固定连接部523相对应的设置。在本实施方式中，挂载部413a中具有柱状主体413a1和在柱状主体413a1相对两端设置的挂载盘413a2。其中，柱状主体413a1的外表面与固定连接部523的内表面相匹配，且柱状主体413a1的长度与固定连接部523相匹配，进而实现柱状主体413a1相对两端的挂载盘413a2可于固定连接部523的侧面相接触实现嵌合的限位夹紧作用。当然还可通过其他夹紧结构实现第一挂载结构413与固定连接部523的限位连接固定，在此不再赘述。

在本实施方式中，收集装置可挂载在支承单元2上，或者通过延长的管路设置于地面上。

通过上述设置的水面清洁装置41，其第一泵体411可选用强力泵以实现对水面上漂浮的油污等优化物质进行收集并送至收集装置中储存，而当作业面积大时可通过延长管路的方式送至地面上的收集装置，增加实时作业效率。

如图17所示，根据本发明的一种实施方式，水中清洁装置42包括：第二泵体421，与第二泵体421入口相连接的第一储污盒422，与第一储污盒422相连接的第二收集管423，以及设置于第二泵体421上用于与支承单元2相连接的第二挂载结构424。在本实施方式中，第二挂载结构424具有两个挂载部424a，其设置数量与挂载机构5的固定连接部523相对应的设置。在本实施方式中，挂载部424a中具有柱状主体424a1和在柱状主体424a1相对两端设置的挂载盘424a2。其中，柱状主体424a1的外表面与固定连接部523的内表面相匹配，且柱状主体424a1的长度与固定连接部523相匹配，进而实现柱状主体424a1相对两端的挂载盘424a2可于固定连接部523的侧面相接触实现嵌合的限位夹紧作用。当然还可通过其他夹紧结构实现第二挂载结构424与固定连接部523的限位连接固定，在此不再赘述。

在本实施方式中，第一储污盒422与第二泵体421入口之间设置有过滤网。

在本实施方式中，第一储污盒422具有至少一个空腔，且在第一储污盒422的部分或全部空腔内填充有活性炭。例如，第一储污盒422盒内设置有并排的三个平行的矩形空腔，位于中间的空腔称为动力室，两侧的空腔称为净化室，两侧的净化室内填充有活性炭，而中部的动力室与第二泵体421入口相连，提供一定的吸力，使得水流自第一储物盒422外侧流向动力室，以此方式使得水流穿过外侧活性炭，对水中色素、油渍、絮尘等污染物进行吸附清除。工作于游泳池、染料池等环境时，对水中悬浊物进行实时吸附清除，防止淤积。水中清洁装置42的运行通过机器人尾部的电连接板113上的电连接接口连接提供信号及电源。

如图18所示，根据本发明的一种实施方式，第一水底清洁装置43包括：第三泵体431，与第三泵体431入口相连接支撑管路432，与支撑管路432相连接的第二储污盒433，与第二储污盒433相连接的安全刮片434，以及设置于第三泵体431上用于与支承单元2相连接的第三挂载结构435；在本实施方式中，第三挂载结构435具有两个挂载部435a，其设置数量与挂载机构5的固定连接部523相对应的设置。在本实施方式中，挂载部435a中具有柱状主体435a1和在柱状主体435a1相对两端设置的挂载盘435a2。其中，柱状主体435a1的外表面与固定连接部523的内表面相匹配，且柱状主体435a1的长度与固定连接部523相匹配，进而实现柱状主体435a1相对两端的挂载盘435a2可于固定连接部523的侧面相接触实现嵌合的限位夹紧作用。当然还可通过其他夹紧结构实现第三挂载结构435与固定连接部523的限位连接固定，在此不再赘述。

在本实施方式中，支撑管路432与第三泵体431相连接的位置之间设置有过滤网；

在本实施方式中，安全刮片434与第二储污盒433相连接的位置设置有用于与第二储污盒433相连通的刮片开口434a；其中，安全刮片434采用硬质橡胶或弹性树脂材质制成；在本实施方式中，安全刮片434包括：刮片部4341、护片部4342；护片部4342在刮片部4341相对的两端设置，且护片部4342与刮片部4341之间是具有夹角的倾斜设置。刮片开口434a设置在刮片部4341上，以实现污物向第二储污盒433输送。在本实施方式中，刮片部4341可通过管路与第二储污盒433相连，也可以直接与第二储污盒433相连。

在本实施方式中，刮片部4341主要用于对平整的水底进行附着物的刮除，经后部的第三泵体431吸入第二储污盒433实现吸收过滤。

如图19所示，根据本发明的一种实施方式，第二水底清洁装置44包括：可相互靠近或远离的平行夹爪441(该平行夹爪441的抓取工作部平行放置)，用于控制平行夹爪441相对运动(该平行夹爪441的抓取工作部平行移动)的驱动组件，以及用于与支承单元2相连接的第四挂载结构442。在本实施方式中，平行夹爪441为平行爪结构，驱动组件为舵机结构。其中，通过机械结构将舵机旋转运动转换为平行夹爪441的相对运动，以实现物体的夹取和释放。在本实施方式中，第四挂载结构442具有至少一个挂载部，其设置数量可根据安装需要进行相应设置。在本实施方式中，挂载部中具有柱状主体和在柱状主体442a1相对两端设置的挂载盘。其中，柱状主体的外表面与固定连接部523的内表面相匹配，且柱状主体的长度与固定连接部523相匹配，进而实现柱状主体相对两端的挂载盘可于固定连接部523的侧面相接触实现嵌合的限位夹紧作用。当然还可通过其他夹紧结构实现第四挂载结构442与固定连接部523的限位连接固定，在此不再赘述。

在本实施方式中，第二水底清洁装置44中的平行夹爪441可根据需要通过3D打印获得并进行更换。

根据上述设置的第二水底清洁装置44通过平行运动实现物体的夹取有利于稳定抓取目标。当工作于水下管道环境时，针对管道上附着物进行抓取；工作与开放水域如公园池塘环境时，针对水中、水面垃圾进行抓取。通过机器人尾部的电连接面板113上的电连接接口连接提供信号及电源。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种采用前述全水层智能清洁机器人的清洁方法，包括：

S1.确定清洁作业区域及目标任务需求，选择相应的清洁组件4并安装在支承单元2上，并将清洁组件4与机器人主体1上的电连接面板113电连接；

S2.对机器人主体1的气密性进行检测，若机器人主体1的气密性满足要求则，执行步骤S3；

S3.开启电连接面板113上的控制开关1131，并将全水层智能清洁机器人切换至相应的工作模式，待全水层智能清洁机器人重置且自定义记录初始参数后，将其整体平稳放入水中；其中，工作模式包括：水域巡检模式和管道巡检模式；

S4.全水层智能清洁机器人基于机器人主体1的电控单元13自主开展清洁。

根据本发明的一种实施方式，步骤S1中，选定所需要的清洁组件4后，根据清洁组件4上挂载结构(如第一挂载结构413、第二挂载结构424等)中的挂载部的数量选择在挂载机构5上设置的滑块组件52的数量，将滑块组件52与清洁组件4上挂载结构相连接，然后通过滑块组件52上的咬合连接部521插入至支承导轨51上，调整合适位置后通过固定限位件522将其在支承导轨51上的位置进行固定。在本实施方式中，固定限位件522可采用螺栓或其他结构所实现。

在本实施方式中，在完成清洁组件4在挂载机构5上位置固定的情况下，通过机器人尾部的电连接板113上的相应电连接端口1132与该清洁组件4相连接，以实现机器人主体1对清洁组件4的控制

根据本发明的一种实施方式，步骤S2中，对机器人主体1的气密性进行检测的步骤中，通过配套设置的气密性检测工具所实现。在本实施方式中，将安装在电连接面板113上的气密性检测头1133旋拧开启，插入气密性检测工具中的抽气枪，将机器人主体1内部的空气抽出。而在抽气枪尾部连接有一水封罐，待内部空气抽尽后，观察水封罐，若15-30分钟后，水封罐内水位线没有超过3mm的变化，则可认为机器人主体1气密性支持下水工作。

根据本发明的一种实施方式，步骤S3中，开启电连接面板113上的控制开关1131，并将全水层智能清洁机器人切换至相应的工作模式，观察动力单元3是否正常运行，观察电控单元13中的舵机131是否正常运行，以及观察全景摄像头132回传图像是否正常，完毕即可由机器人自主开展后续工作。然后，待全水层智能清洁机器人重置且自定义记录初始参数后，将其整体平稳放入水中；其中，工作模式包括：水域巡检模式和管道巡检模式。

根据本发明的一种实施方式，步骤S4中，全水层智能清洁机器人基于机器人主体1的电控单元13自主开展清洁的步骤中，其通过目标跟随模块内置的目标跟随算法执行目标识别和清洁作业，然后通过自由探索模块内置的内生激励探索算法进行自主的在目标水域内探索不同区域并结合目标识别自主进行。在本实施方式中，在执行目标识别的过程中，通过电控单元13中的舵机131驱动全景摄像头132在事视野范围内进行图像采集，然后对采集的图像进行处理，若识别到目标(即垃圾)，则全景摄像头132跟随目标，同时驱动机器人靠近，进行抓取动作。若当前位置无可识别目标，则依据内生激励探索算法，机器人前往下一目标位置，重复以上过程。

如图1所示，根据本发明的一种实施方式，步骤S4中，全水层智能清洁机器人基于机器人主体1的电控单元13自主开展清洁的步骤中，根据识别出的目标进行污物分类并根据目标的污物分类结果确定相应的运行速度执行清洁作业，包括：

S41.采集目标的目标物图像；

S42.将目标物图像的背景干扰及噪点过滤掉并进行图像分割生成目标物子图；

S43.将各个目标物子图的RGB图像分别转化为LAB色彩模型与HSI色彩模型，并将颜色分量的平均值作为颜色特征值；其中，将各个目标物子图的RGB图像转化为LAB色彩模型时，将RGB颜色空间转换到XYZ颜色空间，之后再把XYZ颜色空间转换到LAB颜色空间；

S44.将颜色特征值输入预先完成训练的机器学习分类模型，得到各个目标的污物分类结果，根据污物分类结果确定相应的运行速度执行清洁作业；其中，机器学习分类模型在预先的训练过程中建立了各类型污物的颜色特征值和各类型污物分类结果之间的映射。

在本实施方式中，机器学习分类模型为SVM分类器，其通过以下步骤训练获得，包括：

S01.采集目标的目标物图像构建训练集和测试集，并分别为训练集和测试集附加标签；

S02.利用训练集及其标签并采用遗传算法对SVM分类器进行参数寻优确定RBF核函数中的c惩罚参数和g核函数参数，用于将在低维空间线性不可分的训练集中的数据通过RBF核函数c映射到高维的特征空间变成线性可分；其中，采用遗传算法对SVM分类器进行参数寻优确定RBF核函数c惩罚参数和g核函数参数的步骤包括：(1)准备样本数据；(2)遗传算法内部参数初始化；(3)产生参数对，使用交叉验证，在训练集上搜寻适应度最佳的参数；(4)使用最优参数，重新训练，根据训练结果，生成机器自主评判预测模型。根据工作反馈，得到评判向量，将其带入机器自主评判预测模型，得到支持向量机的预测模型，且机器根据计算结果进行下一步工作；

S03.根据寻优确定的RBF核函数的c惩罚参数和g核函数参数，利用训练集及其标签对SVM分类器进行训练，然后利用测试集测试SVM分类器的分类结果的标准率，如果标准率满足要求则完成SVM分类器的训练生成机器学习分类模型，否则继续执行步骤S01至步骤S03直至标准率满足要求。

在本实施方式中，机器学习分类模型可进行五个等级污物分类的识别。其中在训练SVM分类器的过程中需要采集5种污物等级不同的目标物图像信息，并分别对其图像进行标定，用均值滤波将灰尘等造成的背景干扰及噪点过滤掉，进行图像分割后进行训练。

如图19所示，根据本发明的一种实施方式，步骤S4中，全水层智能清洁机器人基于机器人主体1的电控单元13自主开展清洁的步骤中，若全水层智能清洁机器人执行水下管道巡检作业，则包括：

S001.获取电控单元13采集的目标物图像；其中，opencv提供了能够应用于此项目识别工作的函数库，采用opencv库中特定库函数对目标图像进行形态学的处理，然后进行判断。

S002.先对目标物图像进行高斯模糊和降噪处理；

S003.对处理后的目标物图像进行腐蚀与膨胀处理，得到拟合图形，将拟合图形反馈至电控单元13中的处理器，与前期内置的基本类的附着物外形做比较，根据图像拟合程度鉴别是否为需要处理的垃圾；其中，执行巡检判断管路的工作时，全景摄像头转动至其中轴线与水平面呈约45°向下的方向，此时机器人可获取当前管道图像以及部分前方视野；进而机器人预先根据目标管道的材质、颜色选定特征值，对前方视野采集图像，转换灰度图像并在获取灰度值后与内置信息进行比对，处理并反馈管道位置信息。在本实施方式中，基于反馈的管道位置信息获取管道外形图像，全水层智能清洁机器人通过矩形图像的拟合，获得所巡检的管道的中心线以及偏移角，并基于中心线和偏移角的数据进行管道巡检。

上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。

以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全水层智能清洁机器人，其特征在于，包括：机器人主体(1),安装在所述机器人主体(1)上的支承单元(2)，安装在所述支承单元(2)上的动力单元(3)，至少一种清洁组件(4)；

沿竖直方向，所述支承单元(2)的上下两侧分别设置有挂载机构(5)，所述清洁组件(4)可选择的与所述支承单元(2)任一侧的所述挂载机构(5)可拆卸地的连接；

沿水平方向，所述动力单元(3)在所述支承单元(2)的左右两侧分别设置，用于驱动所述机器人主体(1)在竖直方向和/或水平方向移动。

2.根据权利要求1所述的全水层智能清洁机器人，其特征在于，所述挂载机构(5)包括：两对共四个分别置于所述机器人主体(1)上下两侧的相互平行的支承导轨(51)，与所述支承导轨(51)滑动连接的滑块组件(52)；

每个所述支承导轨(51)上可拆卸地设置至少一个所述滑块组件(52)；

沿所述支承导轨(51)的长度方向，在所述支承导轨(51)上阵列设置有多个定位槽(511)；

所述滑块组件(52)包括：用于与所述支承导轨(51)相互配合的咬合连接部(521)，设置在所述咬合连接部(521)的限位件(522)，以及固定连接在所述咬合连接部(521)上且用于固定所述清洁组件(4)的固定连接部(523)；

所述限位件(522)与所述咬合连接部(521)可拆卸地连接，用于限制所述咬合连接部(521)与所述支承导轨(51)的连接位置。

3.根据权利要求2所述的全水层智能清洁机器人，其特征在于，所述支承单元(2)包括：主体连接件(21)，以及设置在所述主体连接件(21)相对两侧的支撑框架(22)；

所述动力单元(3)安装在所述支撑框架(22)远离所述主体连接件(21)的一侧；

所述挂载机构(5)的支承导轨(51)固定安装在所述支撑框架(22)的上下两侧。

4.根据权利要求3所述的全水层智能清洁机器人，其特征在于，所述机器人主体(1)包括：防水舱(11)，设置在所述防水舱(11)内的内置支架(12)，以及安装在所述内置支架(12)上的电控单元(13)；

所述支承单元(2)的主体连接件(21)套设在所述防水舱(11)的外侧，所述支承单元(2)的支撑框架(22)在所述防水舱(11)的相对两侧平行设置。

5.根据权利要求3或4所述的全水层智能清洁机器人，其特征在于，所述防水舱(11)包括：筒体(111)，设置在所述筒体(111)一端的前罩(112)，设置在所述筒体(111)另一端且用于连接所述电控单元(13)、所述动力单元(3)和所述清洁组件(4)的电连接面板(113)；

所述筒体(111)和所述前罩(112)均采用透明亚克力材质制成；

所述内置支架(12)为中空的筒状体；

沿所述内置支架(12)的轴向，在所述内置支架(12)的侧壁上设置有两个开口凹槽(121)；

沿所述内置支架(12)的轴向，所述开口凹槽(121)分别以所述内置支架(12)的端部起始且向相互靠近的方向延伸；

所述内置支架(12)上还设置有支撑组件(122)，且所述支撑组件(122)与所述开口凹槽(121)相对应的在所述内置支架(12)的端部设置；

所述电连接面板(113)上设置有用于控制所述全水层智能清洁机器人启停的控制开关(1131)、多个电连接端口(1132)，以及用于检测所述防水舱(11)气密性的有气密性检测头(1133)。

6.根据权利要求5所述的全水层智能清洁机器人，其特征在于，所述电控单元(13)包括：单片机主板，舵机(131)，安装在所述舵机(131)上的全景摄像头(132)，陀螺仪(133)，深度及温度传感器(134)，电源(135)；

所述舵机(131)和所述全景摄像头(132)设置在所述内置支架(12)的支撑组件(122)上侧，且所述全景摄像头(132)与所述防水舱(11)的前罩(112)相邻设置；

所述舵机(131)可驱动所述全景摄像头(132)自由转动；

所述陀螺仪(133)，所述深度及温度传感器(134)固定支撑在所述内置支架(12)的支撑组件(122)上侧，且所述陀螺仪(133)，所述深度及温度传感器(134)与所述防水舱(11)的电连接面板(113)相邻设置；

所述单片机主板包括：用于控制所述全水层智能清洁机器人执行目标识别和清洁作业的目标跟随模块，用于控制所述全水层智能清洁机器人在无可识别目标状态下自主执行清洁作业的自由探索模块；

所述电源(135)固定支撑在所述支撑组件(122)的下侧，且所述电源(135)为可充电电源；

所述电源(135)采用在所述防水舱(11)内布置太阳能电板进行充电或者通过所述电连接面板(113)上的电连接端口连接外部供电。

7.根据权利要求6所述的全水层智能清洁机器人，其特征在于，所述清洁组件(4)具有四种，分别为水面清洁装置(41)，水中清洁装置(42)，用于封闭水域的第一水底清洁装置(43)，以及用于开放水域或管道的第二水底清洁装置(44)；

所述水面清洁装置(41)包括：第一泵体(411)，与所述第一泵体(411)入口相连接的第一收集管(412)，与所述泵体(411)出口相连接的收集装置，以及设置于所述泵体(411)上用于与所述支承单元(2)相连接的第一挂载结构(413)；

所述收集装置可挂载在所述支承单元(2)上，或者设置于地面上；

所述水中清洁装置(42)包括：第二泵体(421)，与所述第二泵体(421)入口相连接的第一储污盒(422)，与所述第一储污盒(422)相连接的第二收集管(423)，以及设置于所述泵体(411)上用于与所述支承单元(2)相连接的第二挂载结构(424)；

所述第一储污盒(422)与所述第二泵体(421)入口之间设置有过滤网；

所述第一储污盒(422)具有至少一个空腔，且在所述第一储污盒(422)的部分或全部空腔内填充有活性炭；

所述第一水底清洁装置(43)包括：第三泵体(431)，与所述第三泵体(431)入口相连接支撑管路(432)，与所述支撑管路(432)相连接的第二储污盒(433)，与所述第二储污盒(433)相连接的安全刮片(434)，以及设置于所述泵体(431)上用于与所述支承单元(2)相连接的第三挂载结构(435)；

所述支撑管路(432)与所述第三泵体(431)相连接的位置之间设置有过滤网；

所述安全刮片(434)所述第二储污盒(433)相连接的位置设置有用于与所述第二储污盒(433)相连通的刮片开口(434a)；

所述安全刮片(434)采用硬质橡胶或弹性树脂材质制成；

所述第二水底清洁装置(44)包括：可相互靠近或远离的平行夹爪(441)，用于控制所述平行夹爪(441)相对运动的驱动组件，以及用于与所述支承单元(2)相连接的第四挂载结构(442)。

8.一种采用权利要求1至7任一项所述的全水层智能清洁机器人的清洁方法，包括：

S1.确定清洁作业区域及目标任务需求，选择相应的清洁组件(4)并安装在所述支承单元(2)上，并将所述清洁组件(4)与机器人主体(1)上的电连接面板(113)电连接；

S2.对所述机器人主体(1)的气密性进行检测，若所述机器人主体(1)的气密性满足要求则，执行步骤S3；

S3.开启所述电连接面板(113)上的控制开关(1131)，并将所述全水层智能清洁机器人切换至相应的工作模式，待所述全水层智能清洁机器人重置且自定义记录初始参数后，将其整体平稳放入水中；其中，所述工作模式包括：水域巡检模式和管道巡检模式；

S4.所述全水层智能清洁机器人基于所述机器人主体(1)的电控单元(13)自主开展清洁。

9.根据权利要求8所述的清洁方法，其特征在于，步骤S4中，所述全水层智能清洁机器人基于所述机器人主体(1)的电控单元(13)自主开展清洁的步骤中，根据识别出的目标进行污物分类并根据所述目标的污物分类结果确定相应的运行速度执行清洁作业，包括：

S41.采集所述目标的目标物图像；

S42.将所述目标物图像的背景干扰及噪点过滤掉并进行图像分割生成目标物子图；

S43.将各个目标物子图的RGB图像分别转化为LAB色彩模型与HSI色彩模型，并将颜色分量的平均值作为颜色特征值；其中，将各个目标物子图的RGB图像转化为LAB色彩模型时，将RGB颜色空间转换到XYZ颜色空间，之后再把XYZ颜色空间转换到LAB颜色空间；

S44.将所述颜色特征值输入预先完成训练的机器学习分类模型，得到各个所述目标的污物分类结果，根据所述污物分类结果确定相应的运行速度执行清洁作业；其中，所述机器学习分类模型在预先的训练过程中建立了各类型污物的颜色特征值和各类型污物分类结果之间的映射；

所述机器学习分类模型为SVM分类器，其通过以下步骤训练获得，包括：

S01.采集所述目标的目标物图像构建训练集和测试集，并分别为所述训练集和所述测试集附加标签；

S02.利用所述训练集及其标签并采用遗传算法对所述SVM分类器进行参数寻优确定RBF核函数中的c惩罚参数和g核函数参数，用于将在低维空间线性不可分的所述训练集中的数据通过所述RBF核函数c映射到高维的特征空间变成线性可分；

S03.根据寻优确定的所述RBF核函数的c惩罚参数和g核函数参数，利用所述训练集及其标签对所述SVM分类器进行训练，然后利用所述测试集测试所述SVM分类器的分类结果的标准率，如果所述标准率满足要求则完成所述SVM分类器的训练生成所述机器学习分类模型，否则继续执行步骤S01至步骤S03直至所述标准率满足要求。

10.根据权利要求9所述的清洁方法，其特征在于，步骤S4中，所述全水层智能清洁机器人基于所述机器人主体(1)的电控单元(13)自主开展清洁的步骤中，若所述全水层智能清洁机器人执行水下管道巡检作业，则包括：

S001.获取所述电控单元(13)采集的目标物图像；

S002.先对所述目标物图像进行高斯模糊和降噪处理；

S003.对处理后的所述目标物图像进行腐蚀与膨胀处理，得到拟合图形，将所述拟合图形与附着物外形做比较，鉴别是否为需要处理的垃圾；其中，所述全水层智能清洁机器人通过矩形图像的拟合，获得所巡检的管道的中心线以及偏移角，并基于所述中心线和所述偏移角的数据进行管道巡检。

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