CN115067794B - 一种智能化窗户清洁机器人及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机器人清洁的技术领域，并公开了一种智能化窗户清洁机器人及方法，机器人包括AGV小车、安装在AGV小车上的机械臂、控制器、力传感器、相机模块、机械爪、刮窗器、喷头、快换装置、激光雷达；AGV小车内部安装清洁容器；相机模块、激光雷达、喷头安装在靠近机械臂的执行末端处，且喷头通过连接管与清洁容器连接；机械臂的执行末端通过快换装置与机械爪或刮窗器连接，实现快速转换；力传感器安装在机械臂的执行末端；控制器分别与力传感器、相机模块、机械爪、AGV小车、机械臂、激光雷达连接。本发明能避免出现人工进行高层玻璃清洁时的意外情况，同时清洁工作全程智能化，节约了人力成本，可以24小时工作。

Description

一种智能化窗户清洁机器人及方法
技术领域
本发明涉及机器人清洁的技术领域，尤其涉及到一种智能化窗户清洁机器人及方法。
背景技术
随着社会和科技水平的发展，建筑物的高度越来越高。因此，对于高层建筑玻璃的擦洗工作越来越困难和危险，因此“蜘蛛人”行业快速发展，在生活中，我们经常能看到市民站在窗沿、防盗窗栅栏上擦洗户外窗户，也能看到站在云梯上擦洗窗户的“蜘蛛人”。尽管现在有很多的方法和技术极大程度上保证了“蜘蛛人”的安全，但是这仍旧十分危险，一旦发生意外，后果轻则受伤，重则丢失宝贵的生命。由于户外擦洗窗户而不幸坠楼身亡的报道屡见不鲜，解决此问题也已经迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种智能化窗户清洁机器人，可以避免人工进行高层玻璃的清洁，避免了意外情况的发生，同时清洁工作全程智能化，节约了人力成本，可以24小时工作。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：
一种智能化窗户清洁机器人，包括AGV小车、安装在AGV小车上的机械臂、控制器、力传感器、相机模块、机械爪、刮窗器、喷头、快换装置、激光雷达；
其中，所述AGV小车内部安装有清洁容器；
所述相机模块、喷头安装在靠近机械臂的执行末端处，且喷头通过连接管与清洁容器连接；
所述机械臂的执行末端通过快换装置与机械爪或刮窗器连接，实现机械爪或刮窗器的快速转换；
所述力传感器安装在机械臂的执行末端；
所述激光雷达安装在AGV小车上；
所述控制器分别与力传感器、相机模块、机械爪、AGV小车、机械臂、激光雷达连接。
进一步地，所述清洁容器内部装有清洁剂和水，并安装有换向阀；
所述换向阀与控制器连接，从而控制清洁剂和水的切换。
进一步地，所述机械臂的前端包括可伸缩式碳纤维圆管。
进一步地，所述控制器内安装的系统包括定位与地图构建模块、数据处理模块、路径规划模块、运动规划模块。
为实现上述目的，本发明另外提供一种智能化窗户清洁方法，其包括以下步骤：
S1、控制上面所述的智能化窗户清洁机器人在当前楼层运动，在激光雷达的配合下，通过slam技术在定位与地图构建模块中构建出当前楼层的地图；在建图过程中，通过搭载的相机模块在智能化窗户清洁机器人移动时对窗户进行识别，并在地图中标记出来；在数据处理模块中对当前地图信息进行处理，将每一个窗户位置作为途径点，然后运用蚁群算法从起点规划出一条经过各个途径点的最优路径；
S2、智能化窗户清洁机器人根据规划的路线移动到第一个窗户处，通过相机模块对该窗户进行识别，识别窗框轮廓和把手的轮廓，并判断此时窗户和把手所处的状态；
S3、如果窗户处于关闭状态，并且把手处于横向状态，则由运动规划模块规划机械臂和机械爪配合执行关窗的动作，将把手锁死；如果把手处于纵向状态，则此时把手已经锁死，跳过此步；
如果窗户处于打开状态，则通过相机模块判断出把手的位置，通过把手距离机械臂末端的距离判断窗户的种类，然后由运动规划模块规划机械臂关窗的动作，将窗户关闭；
S4、根据窗框的高度、位置、玻璃的尺寸和刮窗器的尺寸，由路径规划模块和运动规划模块规划出AGV小车和机械臂、刮窗器协同清洁玻璃的路径；
S5、控制智能化窗户清洁机器人沿着规划出的路径进行清洁工作；
S6、内侧窗户清洁完成后，通过快换装置，将机械臂执行末端的刮窗器更换为机械爪，将窗户打开；
S7、清洁窗户的外侧；
S8、控制智能化窗户清洁机器人移动到路径上下一个窗户处开始清洁工作，直到路径上所有的窗户均已清洁。
进一步地，识别窗框轮廓和把手的轮廓包括：
A、对通过相机模块拍摄到的图片进行高斯滤波；
B、对滤波后的图片进行灰度处理；
C、对灰度图片进行二值化处理；
D、在二值化处理后的图片中绘制窗框轮廓和把手的轮廓。
进一步地，通过判断窗户把手的位置和把手相对于窗框的位置，判断窗户处于打开还是关闭状态；过程包括：
若把手处于纵向状态以及把手和窗框在相机模块中位于同一深度，则窗户处于关闭状态，并且把手锁死；
若把手处于横向状态以及把手和窗框在相机模块中位于同一深度，则窗户处于关闭状态，但是把手没有锁死；
若把手处于纵向状态以及把手和窗框在相机模块中位于不同深度，则窗户处于打开状态，但是把手锁死；
若把手处于横向状态以及把手和窗框在相机模块中位于不同深度，则窗户处于打开状态，并且把手没有锁死。
进一步地，如果窗户处于打开状态，则通过相机模块判断出把手的位置，通过把手距离机械臂末端的距离判断窗户的种类，然后由运动规划模块规划机械臂关窗的动作，将窗户关闭，包括：
A)通过相机模块获取把手的点云图；
B)通过匹配拍摄的点云图和预先内设的点云图，估计出把手抓取点相对于机械臂执行末端的机械爪的位置；
C)控制机械臂执行末端的机械爪运动到把手的抓取点；
D)通过机械爪控制窗户进行关闭动作，通过力传感器的力反馈得知窗户是否已经关闭，如果已经处于关闭状态，控制机械爪，将把手顺时针旋转90°，将窗户锁死。
进一步地，所述步骤S4包括：
S4-1、规划机械臂清洁工作的起点；
S4-2、根据窗框和把手的高度以及位置规划机械臂需要躲避窗框的避障路径；
S4-3、根据路径起点、横向运行次数和局部避障路径，规划出清洁整面玻璃需要运行的路径。
进一步地，所述步骤S5包括：
S5-1、通过快换装置，将机械臂执行末端的机械爪更换为刮窗器；
S5-2、控制器控制清洁容器中的换向阀，使得喷头与清洁剂端连通；
S5-3、控制刮窗器与玻璃接触，通过力传感器的反馈判断是否与玻璃接触，并且设置接触力的大小；控制智能化窗户清洁机器人沿着预设的路径运动，通过喷头喷射清洁剂，同时通过刮窗器擦拭玻璃；
S5-4、控制器控制机械臂返回起点，控制清洁容器中的换向阀处于水端；
S5-5、控制刮窗器与玻璃接触，通过力传感器的反馈判断是否与玻璃接触，在刮窗器与玻璃接触的情况下，控制机械臂沿着规划的路径运动，喷射水，清洁掉残余的清洁剂。
与现有技术相比，本方案原理及优点如下：
本方案通过智能化窗户清洁机器人代替人工进行窗户清洁，避免出现人工进行高层玻璃清洁时的意外情况，同时清洁工作全程智能化，节约了人力成本，可以24小时工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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。
图1为本发明一种智能化窗户清洁机器人的结构示意图(采用刮窗器时)；
图2为本发明一种智能化窗户清洁机器人中控制器与受其控制的模块的连接框图；
图3为本发明一种智能化窗户清洁方法的原理流程图；
图4为根据窗框和把手的高度以及位置规划机械臂需要躲避窗框的避障路径示意图；
图5为从已经打开的窗户将机械臂伸到窗外清理另一扇窗户的外侧的规划路径示意图。
附图标记：
1-AGV小车；2-机械臂；3-控制器；4-力传感器；5-相机模块；6-机械爪；7-刮窗器；8-喷头；9-快换装置；10-激光雷达；11-可伸缩式碳纤维圆管；12-定位与地图构建模块；13-数据处理模块；14-路径规划模块；15-运动规划模块。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：
如图1至图2所示，本实施例所述的一种智能化窗户清洁机器人，包括AGV小车1、安装在AGV小车1上的机械臂2、控制器3、力传感器4、相机模块5、机械爪6、刮窗器7、喷头8、快换装置9(现有)、激光雷达10；
其中，AGV小车1内部安装有清洁容器，该清洁容器内部装有清洁剂和水，并安装有换向阀；
相机模块5、喷头8安装在靠近机械臂2的执行末端处，且喷头8通过连接管与清洁容器连接；
机械臂2的执行末端通过快换装置9与机械爪6或刮窗器7连接，实现机械爪6或刮窗器7的快速转换；
力传感器4安装在机械臂2的执行末端；
激光雷达10安装在AGV小车1上；
控制器3分别与力传感器4、相机模块5、机械爪6、AGV小车1(AGV小车1的动力模块)、机械臂2、激光雷达10、换向阀连接。
上述中，机械臂2的前端包括可伸缩式碳纤维圆管11。
相机模块5为双目相机(深度相机)。
机械爪6为二指夹爪。
快换装置9采用现有的快换装置9，为现有技术。
控制器3内安装的系统包括定位与地图构建模块12、数据处理模块13、路径规划模块14、运动规划模块15。
如图3所示，本实施例的工作原理如下，包括步骤：
S1、控制上述的智能化窗户清洁机器人在当前楼层运动，在激光雷达10的配合下，通过slam技术在定位与地图构建模块12中构建出当前楼层的地图；在建图过程中，通过搭载的双目相机在智能化窗户清洁机器人移动时对窗户进行识别，并在地图中标记出来；在数据处理模块13中对当前地图信息进行处理，将每一个窗户位置作为途径点，然后运用蚁群算法从起点规划出一条经过各个途径点的最优路径。
S2、智能化窗户清洁机器人根据规划的路线移动到第一个窗户处，通过双目相机对该窗户进行识别，识别窗框轮廓和把手的轮廓，并判断此时窗户和把手所处的状态；
本步骤中，识别窗框轮廓和把手的轮廓包括：
A)对通过双目相机拍摄到的图片进行高斯滤波；
B)对滤波后的图片进行灰度处理；
C)对灰度图片进行二值化处理；
D)在二值化处理后的图片中绘制窗框轮廓和把手的轮廓。
本步骤中，通过判断窗户把手的位置和把手相对于窗框的位置，判断窗户和把手所处的状态；过程包括：
若把手处于纵向状态以及把手和窗框在相机模块5中位于同一深度，则窗户处于关闭状态，并且把手锁死；
若把手处于横向状态以及把手和窗框在相机模块5中位于同一深度，则窗户处于关闭状态，但是把手没有锁死；
若把手处于纵向状态以及把手和窗框在相机模块5中位于不同深度，则窗户处于打开状态，但是把手锁死；
若把手处于横向状态以及把手和窗框在相机模块5中位于不同深度，则窗户处于打开状态，并且把手没有锁死。
S3、如果窗户处于关闭状态，并且把手处于横向状态，则由运动规划模块15规划机械臂2和机械爪6配合执行关窗的动作，将把手锁死；如果把手处于纵向状态，则此时把手已经锁死，跳过此步；
如果窗户处于打开状态，则通过双目相机判断出把手的位置，通过把手距离机械臂2末端的距离判断窗户的种类(内开式窗户处于打开状态时，把手的位置会在机械臂2末端和玻璃平面之间，外开式窗户处于打开状态时，玻璃平面会在把手和机械臂2末端中间)，然后由运动规划模块15规划机械臂2关窗的动作，将窗户关闭；其过程具体为：
A)通过双目相机获取把手的点云图；
B)通过匹配拍摄的点云图和预先内设的点云图，估计出把手抓取点相对于机械臂2执行末端的机械爪6的位置；
C)控制机械臂2执行末端的机械爪6运动到把手的抓取点；
D)通过机械爪6控制窗户进行关闭动作，通过力传感器4的力反馈得知窗户是否已经关闭，如果已经处于关闭状态，控制机械爪6，将把手顺时针旋转90°，将窗户锁死。
S4、根据窗框的高度、位置、玻璃的尺寸和刮窗器7的尺寸，由路径规划模块14和运动规划模块15规划出AGV小车1和机械臂2、刮窗器7协同清洁玻璃的路径；
本步骤具体包括：
S4-1、规划机械臂2清洁工作的起点；
S4-2、根据窗框和把手的高度以及位置规划机械臂2需要躲避窗框的避障路径，如图4所示；
S4-3、根据路径起点、横向运行次数和局部避障路径，规划出清洁整面玻璃需要运行的路径(为了使机械臂2有足够的长度清理整面玻璃，故在第四轴处采用可伸缩式结构，可以使机械臂2延连杆方向伸缩，见图1可伸缩式碳纤维圆管11)。
S5、控制智能化窗户清洁机器人沿着规划出的路径进行清洁工作；
本步骤具体包括：
S5-1、通过快换装置9，将机械臂2执行末端的机械爪6更换为刮窗器7；
S5-2、控制器3控制清洁容器中的换向阀，使得喷头8与清洁剂端连通；
S5-3、控制刮窗器7与玻璃接触，通过力传感器4的反馈判断是否与玻璃接触，并且设置接触力的大小；控制智能化窗户清洁机器人沿着预设的路径运动，通过喷头8喷射清洁剂，同时通过刮窗器7擦拭玻璃；
S5-4、控制器3控制机械臂2返回起点，控制清洁容器中的换向阀处于水端；
S5-5、控制刮窗器7与玻璃接触，通过力传感器4的反馈判断是否与玻璃接触，在刮窗器7与玻璃接触的情况下，控制机械臂2沿着规划的路径运动，喷射水，清洁掉残余的清洁剂。
S6、内侧窗户清洁完成后，通过快换装置9，将机械臂2执行末端的刮窗器7更换为机械爪6，将窗户打开；
S7、清洁窗户的外侧；
本步骤中，
对于外开式窗户(一般大玻璃上装配有两扇外开式窗户)，过程包括：
S7-1-1：先控制机械臂2和二指夹爪打开一扇窗户；
S7-1-2：通过快换装置9，将机械臂2执行末端的机械爪6更换为刮窗器7；
S7-1-3：从已经打开的窗户将机械臂2伸到窗外，通过刮窗器7清洁另一扇窗户的外侧，规划路径和清理方式如S4和S5，如图5所示；
S7-1-4：清洁完成后，通过快换装置9，将机械臂2末端的刮窗器7更换成二指夹爪，然后将打开的窗户关闭，并将另一扇窗户打开；
S7-1-5：通过快换装置9，将机械臂2执行末端的机械爪6更换为刮窗器7；
S7-1-6：清洁整个玻璃和另一扇窗户的外侧，规划路径和清理方式如S4和S5。
对于内开式窗户(一般大玻璃上装配有两扇内开式窗户)，过程包括：：
S7-2-1:先控制机械臂2和二指夹爪打开一扇窗户；
S7-2-2：通过快换装置9，将机械臂2执行末端的机械爪6更换为刮窗器7；
S7-2-3：清洁已经打开的窗户的外侧，规划路径和清理方式如S4和S5；
S7-2-4：从已经打开的窗户将机械臂2伸到窗外，通过刮窗器7清洁整个玻璃和另一扇窗户的外侧，规划路径和清理方式如S4和S5。
S8、控制智能化窗户清洁机器人移动到路径上下一个窗户处开始清洁工作，直到路径上所有的窗户均已清洁。
以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种智能化窗户清洁机器人，包括AGV小车、安装在AGV小车上的机械臂，其特征在于，还包括控制器、力传感器、相机模块、机械爪、刮窗器、喷头、快换装置、激光雷达；
其中，所述AGV小车内部安装有清洁容器；
所述相机模块、喷头安装在靠近机械臂的执行末端处，且喷头通过连接管与清洁容器连接；
所述机械臂的执行末端通过快换装置与机械爪或刮窗器连接，实现机械爪或刮窗器的快速转换；
所述力传感器安装在机械臂的执行末端；
所述激光雷达安装在AGV小车上；
所述控制器分别与力传感器、相机模块、机械爪、AGV小车、机械臂、激光雷达连接；
所述清洁容器内部装有清洁剂和水，并安装有换向阀；
所述换向阀与控制器连接，从而控制清洁剂和水的切换；
所述机械臂的前端包括可伸缩式碳纤维圆管；
所述控制器内安装的系统包括定位与地图构建模块、数据处理模块、路径规划模块、运动规划模块；
通过智能化窗户清洁机器人进行智能化窗户清洁的步骤包括：
S1、控制智能化窗户清洁机器人在当前楼层运动，在激光雷达的配合下，通过slam技术在定位与地图构建模块中构建出当前楼层的地图；在建图过程中，通过搭载的相机模块在智能化窗户清洁机器人移动时对窗户进行识别，并在地图中标记出来；在数据处理模块中对当前地图信息进行处理，将每一个窗户位置作为途径点，然后运用蚁群算法从起点规划出一条经过各个途径点的最优路径；
S2、智能化窗户清洁机器人根据规划的路线移动到第一个窗户处，通过相机模块对该窗户进行识别，识别窗框轮廓和把手的轮廓，并判断此时窗户和把手所处的状态；
S3、如果窗户处于关闭状态，并且把手处于横向状态，则由运动规划模块规划机械臂和机械爪配合执行关窗的动作，将把手锁死；如果把手处于纵向状态，则此时把手已经锁死，跳过此步；
如果窗户处于打开状态，则通过相机模块判断出把手的位置，通过把手距离机械臂末端的距离判断窗户的种类，然后由运动规划模块规划机械臂关窗的动作，将窗户关闭；
S4、根据窗框的高度、位置、玻璃的尺寸和刮窗器的尺寸，由路径规划模块和运动规划模块规划出AGV小车和机械臂、刮窗器协同清洁玻璃的路径；
S5、控制智能化窗户清洁机器人沿着规划出的路径进行清洁工作；
S6、内侧窗户清洁完成后，通过快换装置，将机械臂执行末端的刮窗器更换为机械爪，将窗户打开；
S7、清洁窗户的外侧；
S8、控制智能化窗户清洁机器人移动到路径上下一个窗户处开始清洁工作，直到路径上所有的窗户均已清洁。
2.一种智能化窗户清洁方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、控制权利要求1所述的智能化窗户清洁机器人在当前楼层运动，在激光雷达的配合下，通过slam技术在定位与地图构建模块中构建出当前楼层的地图；在建图过程中，通过搭载的相机模块在智能化窗户清洁机器人移动时对窗户进行识别，并在地图中标记出来；在数据处理模块中对当前地图信息进行处理，将每一个窗户位置作为途径点，然后运用蚁群算法从起点规划出一条经过各个途径点的最优路径；
S2、智能化窗户清洁机器人根据规划的路线移动到第一个窗户处，通过相机模块对该窗户进行识别，识别窗框轮廓和把手的轮廓，并判断此时窗户和把手所处的状态；
S3、如果窗户处于关闭状态，并且把手处于横向状态，则由运动规划模块规划机械臂和机械爪配合执行关窗的动作，将把手锁死；如果把手处于纵向状态，则此时把手已经锁死，跳过此步；
如果窗户处于打开状态，则通过相机模块判断出把手的位置，通过把手距离机械臂末端的距离判断窗户的种类，然后由运动规划模块规划机械臂关窗的动作，将窗户关闭；
S4、根据窗框的高度、位置、玻璃的尺寸和刮窗器的尺寸，由路径规划模块和运动规划模块规划出AGV小车和机械臂、刮窗器协同清洁玻璃的路径；
S5、控制智能化窗户清洁机器人沿着规划出的路径进行清洁工作；
S6、内侧窗户清洁完成后，通过快换装置，将机械臂执行末端的刮窗器更换为机械爪，将窗户打开；
S7、清洁窗户的外侧；
S8、控制智能化窗户清洁机器人移动到路径上下一个窗户处开始清洁工作，直到路径上所有的窗户均已清洁。
3.根据权利要求2所述的一种智能化窗户清洁方法，其特征在于，识别窗框轮廓和把手的轮廓包括：
A、对通过相机模块拍摄到的图片进行高斯滤波；
B、对滤波后的图片进行灰度处理；
C、对灰度图片进行二值化处理；
D、在二值化处理后的图片中绘制窗框轮廓和把手的轮廓。
4.根据权利要求2所述的一种智能化窗户清洁方法，其特征在于，通过判断窗户把手的位置和把手相对于窗框的位置，判断窗户和把手所处的状态；过程包括：
若把手处于纵向状态以及把手和窗框在相机模块中位于同一深度，则窗户处于关闭状态，并且把手锁死；
若把手处于横向状态以及把手和窗框在相机模块中位于同一深度，则窗户处于关闭状态，但是把手没有锁死；
若把手处于纵向状态以及把手和窗框在相机模块中位于不同深度，则窗户处于打开状态，但是把手锁死；
若把手处于横向状态以及把手和窗框在相机模块中位于不同深度，则窗户处于打开状态，并且把手没有锁死。
5.根据权利要求2所述的一种智能化窗户清洁方法，其特征在于，如果窗户处于打开状态，则通过相机模块判断出把手的位置，通过把手距离机械臂末端的距离判断窗户的种类，然后由运动规划模块规划机械臂关窗的动作，将窗户关闭，包括：
A)通过相机模块获取把手的点云图；
B)通过匹配拍摄的点云图和预先内设的点云图，估计出把手抓取点相对于机械臂执行末端的机械爪的位置；
C)控制机械臂执行末端的机械爪运动到把手的抓取点；
D)通过机械爪控制窗户进行关闭动作，通过力传感器的力反馈得知窗户是否已经关闭，如果已经处于关闭状态，控制机械爪，将把手顺时针旋转90°，将窗户锁死。
6.根据权利要求2所述的一种智能化窗户清洁方法，其特征在于，所述步骤S4包括：
S4-1、规划机械臂清洁工作的起点；
S4-2、根据窗框和把手的高度以及位置规划机械臂需要躲避窗框的避障路径；
S4-3、根据路径起点、横向运行次数和局部避障路径，规划出清洁整面玻璃需要运行的路径。
7.根据权利要求2所述的一种智能化窗户清洁方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
S5-1、通过快换装置，将机械臂执行末端的机械爪更换为刮窗器；
S5-2、控制器控制清洁容器中的换向阀，使得喷头与清洁剂端连通；
S5-3、控制刮窗器与玻璃接触，通过力传感器的反馈判断是否与玻璃接触，并且设置接触力的大小；控制智能化窗户清洁机器人沿着预设的路径运动，通过喷头喷射清洁剂，同时通过刮窗器擦拭玻璃；
S5-4、控制器控制机械臂返回起点，控制清洁容器中的换向阀处于水端；
S5-5、控制刮窗器与玻璃接触，通过力传感器的反馈判断是否与玻璃接触，在刮窗器与玻璃接触的情况下，控制机械臂沿着规划的路径运动，喷射水，清洁掉残余的清洁剂。
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