CN115070784A - 一种用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人 - Google Patents

Abstract

一种用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人，包括：底座；安装与底座的机械臂组件，机械臂组件包括至少两个可伸缩的机械臂，且两个机械臂之间连接的角度可调；安装于机械臂组件的梢端的除尘主体，除尘主体为圆盘状结构；沿除尘主体的圆周设置的多个第一测距仪；安装于底座且相互连接的电机和控制系统，电机连接并驱动机械臂组件，控制系统控制电机启动和停止。本发明能够对不可移动文物进行无损除尘。

Description

一种用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人

技术领域

本发明涉及一种文化遗产保护设备技术领域，具体涉及一种用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人。

背景技术

不可移动文物是指古文化遗址、古墓葬、古建筑、石窟寺、石刻、壁画、近代现代重要史迹和代表性建筑等，有着极高的历史、科学、艺术价值。不可移动文物一般体量较大，无法易地保护，多处于露天或半露天环境，表面情况复杂，粉尘污染物清理工作困难，会不断积聚不可移动文物本体表面上。粉尘污染物的沉积会与文物本体之间发生物理化学作用。不但会堵塞的表面孔隙，还会在表面形成黑色层造成岩石的风化剥落以及吸附空气中的SO₂形成酸性物质对岩石中胶结物的腐蚀。另外，粉尘污染物也是细菌、霉菌的良好载体，从而造成不可移动文物的生物风化。粉尘污染物的存在影响了文物的艺术价值，甚至威胁文物的有效寿命。

目前，不可移动文物表面粉尘多采用软毛刷人工清扫表面粉尘污染物或借用特殊设备清洗等方式，这些手段都需要与表面直接或间接接触，会对不可移动文物造成二次损伤，又因为不可移动文物体量巨大，以上除尘方式需要搭建脚手架等设施才能除尘，导致工作量巨大，除尘周期长，无法做到及时有效清理。

现有的除尘机器人一般将吸尘口设置在主体的底部，通过在地面上行走时，对地面进行除尘；这限制了除尘机器人的可除尘范围，如墙面的除尘就无法完成；而不可移动文物不仅严禁使用接触式的除尘工具，还需要对面积较大的壁面开展及时有效的除尘，现有的除尘机器人无法满足这些条件。

另外，现有的除尘机器人只有自动避障和简单识别功能，也无法实现精确无损的清除粉尘；除尘机器人大都只具备擦、扫、拖的功能，无自动调节吸力大小的功能。

发明内容

鉴于如上所述基于不可移动文物的重要性和现有除尘机器人的局限性而产生的问题，本发明提供了一种针对不可移动文物表面粉尘能够精确识别的、智能调节吸力大小的、无损的清除粉尘的除尘机器人。

具体而言，本发明提供一种用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人，包括：

底座；

安装与所述底座的机械臂组件，所述机械臂组件包括至少两个可伸缩的机械臂，且两个所述机械臂之间连接的角度可调；

安装于所述机械臂组件的梢端的除尘主体，所述除尘主体为圆盘状结构；

沿所述除尘主体的圆周设置的多个第一测距仪；

安装于所述底座且相互连接的电机和控制系统，所述电机连接并驱动所述机械臂组件，所述控制系统控制所述电机启动和停止。

根据本发明，通过圆盘状的除尘主体和沿其圆周设置的多个第一测距仪，能够在除尘的同时，精确定位除尘主体的位置，避免智能除尘机器人损坏四周具有重大价值的不可移动文物。

也可以是，所述除尘主体在远离机械臂组件的一侧形成有吸尘口，所述吸尘口的相对两侧设置有两个第二测距仪，以免单一的测距仪无法精确识别复杂信息，导致除尘主体继续移动损坏文物，同时两者互补精确定位吸尘口离壁面灰尘的最近位置，并自动调节除尘主体的吸力，以免吸力过大。

也可以是，所述除尘主体以可拆卸的方式连接于所述机械臂组件的梢端，从而便于进行灰尘清理、除尘主体的维修保养等工作。

也可以是，所述除尘主体外壳内从靠近机械臂组件的一侧至远离机械臂组件的一侧依次形成有安装空间、集尘盒及所述吸尘口，所述吸尘口的直径小于所述安装空间和所述集尘盒的直径。由此，能够在进行精确吸尘的同时具备较大的集尘空间。

也可以是，所述安装空间内靠近所述集尘盒的一侧安装有气流发生器，所述安装空间和所述集尘盒分隔开，而所述集尘盒与所述吸尘口连通，所述集尘盒内部与所述吸尘口连通的位置设置有第一过滤器，且所述集尘盒与所述气流发生器之间设置有第二过滤器。通过双层过滤器确保灰尘收集在集尘盒内部。

也可以是，所述机械臂组件包括末端通过第一转轴装置安装于所述底座的第一机械臂；安装于所述第一机械臂的末端处的第一液压系统；末端通过第二转轴装置安装于所述第一机械臂的梢端的第二机械臂；安装于所述第二机械臂的末端处的第二液压系统；以及末端通过第三转轴装置安装于所述第二机械臂的梢端的第三机械臂。由此，能够提升除尘机器人的灵活性，确保除尘机器人变为所需的姿态，确保在进行吸尘的过程中不损坏文物。

也可以是，所述电机包括第一电机和第二电机，所述第一电机分别与所述第一转轴装置和所述第一液压系统连接，所述第二电机分别与所述第二转轴装置和所述第二液压系统连接。由此，能够分别对第一转轴装置和第二转轴装置进行精确的控制，确保除尘机器人变为所需的姿态，确保在进行吸尘的过程中不损坏文物。

也可以是，所述底座的底部设置有万向轮，从而便于除尘机器人的移动。

附图说明

图1为本发明智能除尘机器人的侧视图；

图2为本发明除尘机器人的机械臂组件的侧视图；

图3为本发明除尘机器人的除尘主体的侧透视图；

符号说明：

4-万向轮；5-底座；6-第一转轴装置；7-第一机械臂；8-第二转轴装置；9-第二机械臂；10-第三转轴装置；11-第三机械臂；12-第四转轴装置；13-除尘主体；14-电机；15-总控制器；16-供电装置；17-吸尘口；

201-第一液压系统；202-第二液压系统；

301-微型电脑控制器；18、302、303、304-第一测距仪；305、306-第二测距仪；307-第一过滤器；308-第二过滤器；309-集尘盒；310-气流发生器。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

如图1所示，本发明的除尘机器人包括：带有四个万向轮4的底座5以及安装在底座上的机械臂组件、除尘主体13、电机14和控制系统。

结合图1和图2所示，机械臂组件的末端通过第一转轴装置6以可拆卸的形式安装于底座5，且机械臂组件的梢端通过第四转轴装置12以可拆卸的形式安装前述的除尘主体13。机械臂组件包括：末端通过第一转轴装置6安装于底座5的第一机械臂7、安装于该第一机械臂7的末端处的第一液压系统201以控制该第一机械臂7伸缩、末端通过第二转轴装置8安装于第一机械臂7的梢端的第二机械臂9、安装于该第二机械臂9的末端处的第二液压系统202以控制该第二机械臂9伸缩、末端通过第三转轴装置10安装于第二机械臂9的梢端的第三机械臂11、以及安装于第三机械臂11的梢端的第四转轴装置12。

第一转轴装置6的转轴轴线沿铅垂方向竖直延伸，且该第一转轴装置6转动范围为0~360°，换言之在俯视观察时，第一转轴装置6绕轴线360°自由旋转，由此能带动第一机械臂7及其他组件360°旋转，从而适应于各种朝向的文物表面。第二转轴装置8的转轴轴线沿与第一机械臂7正交的方向延伸，如图1所示，第二转轴装置8的转轴轴线垂直于纸面，可以绕转轴在纸面上顺时针或逆时针自由转动，第二转轴装置8的转动范围为0~135°，且当第二转轴装置转动角度为0°时，第二机械臂9位于沿第一机械臂7延伸的直线上，即、第二机械臂9处于与第一机械臂7呈一直线的姿态。第三转轴装置10的转轴轴线沿与第二机械臂9正交的方向延伸，如图1所示，第三转轴装置10的转轴轴线垂直于纸面，可以绕转轴在纸面上顺时针或逆时针自由转动，第三转轴装置其转动范围为0~45°，且当第三转轴装置10转动角度为0°时，第三机械臂11的轴线位于沿第二机械臂9延伸的直线上，即第三机械臂11处于与第二机械臂9呈一直线的姿态。通过第三转轴装置10的转动和第四转轴装置12的微调使得第三机械臂11的轴线与待清洁的不可移动文物壁面垂直，并且带动除尘主体13与待清洁的不可移动文物壁面平行。

电机14包括第一电机和第二电机。第一电机分别与第一转轴装置6和第一液压系统201连接，从而驱动第一转轴装置6旋转和为第一液压系统201提供动力，第二电机分别与第二转轴装置8和第二液压系统202连接，从而驱动第二转轴装置8旋转和为第二液压系统202提供动力。第三转轴装置10和第四转轴装置12与后述的微型电脑控制器301连接并由微型电脑控制器301控制。通过第一、第二机械臂伸缩使得除尘主体13能够贴近壁面，且配合对第一~第四转轴装置的转动的控制，使得除尘主体能够平行壁面。

控制系统与上述电机14电气连接，该控制系统包括带显示屏的电脑总控制器15和与该总控制器15连接的供电系统16。供电系统16为总控制器15和电机14供电，总控制器15包括与上述电机14连接并根据指令控制电机14运转或停止的控制模块和与后述的微型电脑控制器连接并根据指令控制供电系统停止供电的紧急制动模块。通过控制系统的控制使整个除尘机器人完成自动工作。

结合图1和图3所示，除尘主体13整体上呈圆盘状，其具有外壳，外壳内从靠近机械臂组件的一侧至远离机械臂组件的一侧依次形成有安装空间、集尘盒309及直径较小的吸尘口17，安装空间与集尘盒309分隔开，而集尘盒309与吸尘口17连通。除尘主体13还包括设置在安装空间内且相互连接的微型电脑控制器301和气流发生器310。其中，微型电脑控制器301设置在靠近机械臂组件的一侧，并与供电系统16以及第三、第四转轴装置10、12电连接。气流发生器310设置在靠近集尘盒309的一侧，并且与集尘盒309之间隔着第二过滤器308地设置。集尘盒309内部形成与吸尘口27连通的风道，该风道处设置有第一过滤器307，由此，当气流发生器310启动时，吸尘口17处产生负压使空气与粉尘一并吸入，空气中的粉尘在风道处由第一过滤器307过滤、或者在靠近气流发生器310的位置由第二过滤器308过滤，从而堆积于集尘盒内。微型电脑控制器301还与总控制器15连接，根据总控制器15发出的命令控制气流发生器310工作吸力大小，从而在清理及其重要且复杂不可移动文物表面粉尘污染物时能够人工调节吸力大小，以便达到无损除尘效果。另外，作为另一实施例，吸尘口17处可加装吸尘管。另外，作为另一实施例，除尘主体13也可以与手持杆相连接以代替机械臂组件，从而可适用于结构复杂不可移动文物表面除尘，人工移动除尘口到粉尘污染物位置进行除尘工作。

除尘主体13还包括设置在外壳的外表面对应于安装空间的位置设置于外壳的第一测距仪18、303、302和304，这些第一测距仪18、303、302和304均为超声波及激光组合测距仪，沿除尘主体周长方向等间隔地安装在除尘主体外壳上，即、第一测距仪18与第一测距仪302或第一测距仪304之间间距为除尘主体的1/4周长，第一测距仪18与第一测距仪303或第一测距仪302与第一测距仪304沿除尘主体圆心中心对称。图3为除尘主体的侧透视图，旨在说明除尘主体上有四个组合测距仪组成。超声波及激光组合测距仪作用旨在避免单一激光测距仪或超声波测距仪测量劣化的不可移动文物表面的距离出现系统错误，从而避免除尘主体损坏不可移动文物。第一测距仪沿圆周分布，可以从四个方向精确定位除尘主体的位置，亦可以避免智能除尘机器人损坏四周具有重大价值的不可移动文物。

以及安装于吸尘口17的相对两侧的图像识别测距仪305和306（第二测距仪），第二测距仪为图像采集与激光测距组合图像识别测距仪，由于文物壁面劣化后常常出现各种大小不一的凹坑，而第二测距仪305、306在两侧安装可以进行互补，以免单一的测距仪无法精确识别复杂信息，导致除尘主体继续移动损坏文物；同时通过反馈信息，及时调整吸尘口与壁面的角度，使其与壁面平行，以达到更好地除尘效果；同时两者互补精确定位吸尘口离壁面灰尘的最近位置，并自动调节除尘主体的吸力，以免吸力过大。且，第二测距仪305、306还可以根据预先测定的粉尘图像信息，准确识别文物表面是否存在灰尘，若存在灰尘，然后根据表面信息进行反馈控制系统，决定除尘系统进行除尘工作。图像识别测距仪305、306以及超声波和激光测距仪18、303、302和304与总控制器15连接，通过接收到的激光信号来实时传输除尘主体与四周不可移动文物表面的距离，并将测得的距离反馈给总控制器15，从而实时监测除尘主体13的位置及姿态，从而使总控制器15根据除尘主体13的位置及姿态发出指令，控制除尘机器人正确地执行除尘命令。

前述的图像拍摄识别系统，包括信号接收器、无线传输器和安装在除尘主体吸尘口两侧的摄像头，摄像头用于拍摄不可移动文物表面图片信息并反馈至总控制器15，经控制系统进行图像识别处理后，用超声波和激光测距仪来探测粉尘污染物壁面上的位置和面积，控制吸尘口移动到此位置上进行除尘。

也可以是，第二测距仪305和306实时传输除尘箱与不可移动文物表面的距离，总控制系统来发出指令及时调节除尘主体的吸力大小。

前述的超声波和激光测距仪，包括信号接收器、无线传输器和安装在除尘主体四周超声波仪，通过超声波侦测不可移动文物周围的物体方位反馈到总控制系统，再由控制系统发出指令控制机械臂组件及时调整除尘主体的位置。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

本方案中先通过总控制系统控制机械臂组件7、9、11以及除尘主体13调整到恰当的角度，控制吸尘口17平行于不可移动文物壁面。然后通过超声波和激光测距仪18、302、303、304、305和306自动扫描整个文物壁面粉尘信息，并反馈到总控制系统15，并将处理信息显示在总控制系统15的显示屏上，确定好文物壁面粉尘污染物的位置，并发出指令控制机械臂组件7、9、11以及除尘主体13以最佳的线路到达第一个文物表面粉尘污染物的位置附近。通过吸尘口17两侧的图像识别测距仪305和306扫描粉尘污染物的信息以及与吸尘口的距离，反馈到总控制器15，及时调整吸尘口与文物壁面粉尘污染物的位置。具体而言，当图像识别测距305和306检测到的粉尘距离吸尘口的距离大于位于底部的图像识别测距306检测到的粉尘距离吸尘口的距离时，则使第二转轴装置8沿图1的顺时针方向旋转、第三转轴装置10沿图1的逆时针方向旋转，第四转轴装置12的轻微调节以使吸尘口与文物表面平行；或者，当图像识别测距305检测到的粉尘距离吸尘口的距离小于设定值，则表明吸尘口过于靠近文物表面，启动紧急制动模块停止供电，或者，当第二测距仪305和306之间测距值相差大于设定值时，则表明洗尘口位于文物表面的劣化大凹坑中，过于接近文物表面启动紧急制动模块停止供电，或者，第一测距仪18,、302、303和304的其中一个以上检测到除尘主体距离周围文物壁面的距离小于设定值，则表明除尘主体过于接近周围的文物表面，启动紧急制动模块停止供电。当除尘主体的除尘口位于粉尘壁面的恰当位置时，向微型电脑根据第一测距仪和第二测距仪反馈的信息进行识别处理，并发出指令控制气流发生器310启动，并根据距离在500Pa、1000Pa、2000Pa、3000Pa四挡内从低到高调节吸力大小，图像识别测距仪305和306实时反馈文物表面除尘效果，以便及时停止除尘。

本方案中除尘主体13可从连接装置12上拆卸下来；集尘盒309也可从除尘主体上拆卸，便于清理所收集的不可移动文粉尘污染物，并对集尘盒309以及过滤装置307和308进行清洗或更换。

本方案的气流发生器310用于提供气流，主要产生气流的吸力，吸力大小500Pa、1000Pa、2000Pa、3000Pa之间智能可调，也可手动控制吸力大小，防止重要的文物信息遭受到保护性破坏；气流发生器310提供的气流使得除尘机器人除尘主体13的吸尘口17吸取文物壁面的粉尘污染物等，通过过滤装置307（防止粉尘飞出集尘盒）进入到集尘盒309内被收集，同时气流通过过滤器308后进入到气流发生器310的出风口，实现气流发生器310对集尘腔201的气流供给。

超声波和激光测距仪18、302、303和304安装在除尘主体的四周，两两之间呈90°，实时反馈给微型电脑控制器除尘主体的位置，以防除尘主体碰到上下左右的不可移动文物壁面；图像识别测距仪305和306安装在吸尘口17两边与吸尘口平行，通过摄像和激光测距来反馈所除尘的文物壁面信息，自动调节除尘口始终平行于文物壁面和气流发生器310的吸力大小，也可以人为设置吸力大小，以免破坏文物壁面信息。

也可以通过智能识别确定所要除尘区域，而其他区域可使清流发生器暂停工作，可根据除尘效果输入该区域除尘时间。智能识别测距仪18、302、303、304、305和306当出现某一个或几个出现信息传输错误时，总控制系统15中的紧急制动模块控制供电系统16及时断电，以免除尘机器人损坏不可移动文物。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。

Claims (8)

1.一种用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人，其特征在于，包括：

底座；

安装与所述底座的机械臂组件，所述机械臂组件包括至少两个可伸缩的机械臂，且两个所述机械臂之间连接的角度可调；

安装于所述机械臂组件的梢端的除尘主体，所述除尘主体为圆盘状结构；

沿所述除尘主体的圆周设置的多个第一测距仪；

安装于所述底座且相互连接的电机和控制系统，所述电机连接并驱动所述机械臂组件，所述控制系统控制所述电机启动和停止。

2.根据权利要求1所述的用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人，其特征在于，所述除尘主体在远离机械臂组件的一侧形成有吸尘口，所述吸尘口的相对两侧设置有两个第二测距仪。

3.根据权利要求1或2所述的用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人，其特征在于，所述除尘主体以可拆卸的方式连接于所述机械臂组件的梢端。

4.根据权利要求1或2所述的用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人，其特征在于，所述除尘主体外壳内从靠近机械臂组件的一侧至远离机械臂组件的一侧依次形成有安装空间、集尘盒及所述吸尘口，所述吸尘口的直径小于所述安装空间和所述集尘盒的直径。

5.根据权利要求1或2所述的用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人，其特征在于，所述安装空间内靠近所述集尘盒的一侧安装有气流发生器，所述安装空间和所述集尘盒分隔开，而所述集尘盒与所述吸尘口连通，所述集尘盒内部与所述吸尘口连通的位置设置有第一过滤器，且所述集尘盒与所述气流发生器之间设置有第二过滤器。

6.根据权利要求1所述的用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人，其特征在于，所述机械臂组件包括：

末端通过第一转轴装置安装于所述底座的第一机械臂；

安装于所述第一机械臂的末端处的第一液压系统；

末端通过第二转轴装置安装于所述第一机械臂的梢端的第二机械臂；

安装于所述第二机械臂的末端处的第二液压系统；

以及末端通过第三转轴装置安装于所述第二机械臂的梢端的第三机械臂。

7.根据权利要求6所述的用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人，其特征在于，

所述电机包括第一电机和第二电机，所述第一电机分别与所述第一转轴装置和所述第一液压系统连接，所述第二电机分别与所述第二转轴装置和所述第二液压系统连接。

8.根据权利要求1所述的用于不可移动文物表面清理的智能除尘机器人，其特征在于，

所述底座的底部设置有万向轮。

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