CN115892273A - 伸缩式攀爬全自动清洁机器人和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了伸缩式攀爬全自动清洁机器人和方法，包括擦洗部和吸附行走机构，擦洗部安装在吸附行走机构上，吸附行走机构用于安装在反光环上行走。本发明克服原有吸附型擦洗机器人吸附和行走的矛盾，使得擦洗机器人安全性可靠性得以提升。将原有的人工封闭隧道清洗模式转换为机器人自动清洗模式，极大的提高了工作效率和道路通行状况，采用前后吸盘配合交替吸附的形式，使得吸附清洗装置越障大大提高。

Description

伸缩式攀爬全自动清洁机器人和方法

技术领域

本发明属于隧道反光环清洗机器人技术领域，涉及一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人和方法。

背景技术

高速公路隧道反光板主要是在隧道行车过程中起警示作用的环形设备，其反光原理是因为反光涂层上有玻璃微珠，使光发生折射和衍射，继而提醒司机注意隧道壁。但在长时间使用当中，灰尘等污垢的覆盖会导致反光能力下降。传统清洗隧道反光板常采用封闭半幅车道后用重型登高车+人工进行清洗，其费时费力。已有的隧道反光板清洗设备常基本上用夹紧原理，其运行缓慢，结构笨重，且由于现有隧道反光板背部工况较为复杂，夹紧机构较难夹紧，易发生掉落，不能很好满足智能化清洗隧道反光板要求。截至2018年12月28日，中国高速公路总里程已达14万千米，位居全球第一。这带来的是隧道反光板的数量激增，清洗困难的难题，现有清洗手段无法语圆满解决这一问题，市面上急需一种可靠的清洗隧道反光板的装置。基于吸附的清洗机器人已经广泛用于清洗玻璃幕墙，其技术成熟，安全可靠。将吸附技术应用于清洗隧道反光板，避开了对隧道反光版背部复杂工况的研究，且针对吸附方式难以移动，越障能力差这一难点。基于上述两大功能，设计了一款能够实现吸附、识别、转向、清洗的智能机器人，主要以面向高速公路上不便人工清洗的隧道内隧道反光环清洗日常使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人和方法，供给高速公路上不便人工清洗的隧道内隧道反光环清洗使用，以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明采取的技术方案为：伸缩式攀爬全自动清洁机器人，包括擦洗部和吸附行走机构，擦洗部安装在吸附行走机构上，吸附行走机构用于安装在反光环上行走。

优选的，上述吸附行走机构包括前吸盘组和后吸盘组，前吸盘组通过伸缩驱动机构连接到后吸盘组，前吸盘组和后吸盘组均通过管道和电动阀门连接到真空发生器，真空发生器安装在前吸盘组上。

优选的，上述伸缩驱动机构包括两个驱动齿轮、两根齿条和行走电机，两个驱动齿轮通过同一根旋转轴旋转连接在前吸盘组的上端面设置的支架上，旋转轴通过变速器连接到行走电机，行走电机安装在支架，与两个齿轮相啮合的两根齿条外侧面设置有两根导轨，两根导轨滑动连接在前吸盘组的上端面两侧设置的滑块上，两根齿条后端连接到后吸盘组。

优选的，上述后吸盘组前端设置有两根内置履带导轨，内置履带导轨铰接在两根齿条内并通过后置摆动电机驱动摆动。具体如何实现，

优选的，上述后吸盘组朝前安装有两根内置履带导轨，两根齿条后端内侧设置有导轨槽，导轨槽后端固定连接有固定同步轮，两根内置履带导轨置于两个导轨槽内且能够摆动，固定同步轮与内置履带导轨相啮合，两根内置履带导轨后端伸出内置履带导轨后通过导向轮连接到摆动电机上的主动同步带轮，两根内置履带导轨内的同步带为一体结构，中部采用两个挤压轮组对称将其与主动同步带轮啮合，挤压轮组的轮架两端通过两根导向杆连接到导向套，挤压轮组的轮架中部抵靠有调整螺钉，调整螺钉螺旋连接在固定座上，固定座、导向套和摆动电机均固定连接在后吸盘组上。

优选的，上述擦洗部采用海绵条，固定连接在吸附行走机构的前吸盘组或后吸盘组件的底部前后侧。

优选的，上述伸缩式攀爬全自动清洁机器人，还锁紧外壳，锁紧外壳安装在吸附行走机构上且能够紧固反光环上。

优选的，上述锁紧外壳包括人字顶部、L形紧固板和伸缩机构，人字顶部两端铰接有两块相对布置的L形紧固板，两块L形紧固板均通过伸缩机构连接到吸附行走机构的前吸盘组两侧，伸缩机构缩回后，能够通过L形紧固板下端与前吸盘组两侧底面锁紧反光环。

优选的，上述吸附行走机构前端安装有机械视觉识别模块。

伸缩式攀爬全自动清洁机器人的清洗方法，该方法为：将智能机器人置于隧道反光板底部，并使智能机器人在该位置吸附于隧道反光板上、夹紧机构位于隧道反光板两侧，随后启动智能机器人，在行走电机的作用下，智能机器人通过齿轮齿条的正反转配合前吸盘组和后吸盘组开闭进行前进，并配合后侧的摆动电机实现转弯行走，对于智能机器人直线行走时：控制后吸盘组吸附在反光板上后，松开前吸盘组吸附，通过齿轮的转动带动齿条的移动完成前吸盘组向前的运动，之后前吸盘组吸附在反光板上，松开后吸盘组吸附，经过齿轮反转带动齿条移动使后吸盘组向前移动，反复操作，实现机构的不断直线运动；对于拐弯，配合机械视觉识别模块识别前方遮挡的百分比，利用摆动电机的转动和导轨的配合进行转弯，在前进过程中擦洗部的擦洗海绵进行擦洗。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

克服原有吸附型擦洗机器人吸附和行走的矛盾，使得擦洗机器人安全性可靠性得以提升。将原有的人工封闭隧道清洗模式转换为机器人自动清洗模式，极大的提高了工作效率和道路通行状况，采用前后吸盘配合交替吸附的形式，使得吸附清洗装置越障大大提高。

对于操作人员来说，该发明将他们从繁重的劳动当中解脱出来，只需进行紧急遥控操作和放置机器人至隧道反光板底部即可；对于公路管理局来说，该发明使得清洗隧道反光板变得更有效率，且不用在采取封闭单侧隧道来进行人工清洗，增加了公路通勤能力。

附图说明

图 1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的另一视角立体结构示意图；

图3为本发明的立体结构示意图（去除锁紧机构）；

图4为本发明的另一视角立体结构示意图（去除锁紧机构）；

图5为本发明的前视结构示意图；

图6为图5中A-A剖面结构示意图；

图7为本发明的右视结构示意图；

图8为本发明的俯视结构示意图；

图9为本发明的仰视结构示意图；

图10为后吸盘组立体结构示意图；

图11为两根齿条立体结构示意图；

图12为同步带传动机构安装结构示意图；

图13为固定同步轮与内置履带导轨处的截面结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-13所示，伸缩式攀爬全自动清洁机器人，包括擦洗部1和吸附行走机构2，擦洗部1安装在吸附行走机构2上，吸附行走机构2用于安装在反光环上行走。

其中，上述吸附行走机构2包括前吸盘组201和后吸盘组202，前吸盘组201通过伸缩驱动机构连接到后吸盘组202，前吸盘组201和后吸盘组202均通过管道和电动阀门连接到真空发生器213（真空泵），真空发生器213安装在前吸盘组201上，通过伸缩配合吸附，实现吸附行走机构的快速行走，行走平稳可靠。

上述伸缩驱动机构包括两个驱动齿轮203、两根齿条204和行走电机205，两个驱动齿轮203通过同一根旋转轴207旋转连接在前吸盘组201的上端面设置的支架206上，旋转轴207通过变速器连接到行走电机205，行走电机205安装在支架206，与两个齿轮相啮合的两根齿条204外侧面设置有两根导轨208，两根导轨208滑动连接在前吸盘组201的上端面两侧设置的滑块209上，两根齿条204后端连接到后吸盘组202，齿轮齿条配合滑块导轨结构，能够快速实现前后行走，结构简单紧凑，装卸方便快捷。

上述后吸盘组202朝前安装有两根内置履带导轨214，两根齿条204后端内侧设置有导轨槽215，导轨槽215后端固定连接有固定同步轮216，两根内置履带导轨214置于两个导轨槽215内且能够摆动，固定同步轮216与内置履带导轨214相啮合，两根内置履带导轨214后端伸出内置履带导轨214后通过导向轮217连接到摆动电机210上的主动同步带轮218，两根内置履带导轨214内的同步带219为一体结构，中部采用两个挤压轮组220对称将其与主动同步带轮218啮合，挤压轮组220的轮架两端通过两根导向杆221连接到导向套222，挤压轮组220的轮架中部抵靠有调整螺钉223，调整螺钉223螺旋连接在固定座224上，固定座224、导向套222和摆动电机210均固定连接在后吸盘组202上。内置履带导轨214前端内设置有从动同步带轮225，同步带轮、导向轮与同步带形成环形结构，主动带轮在挤压轮组的挤压下驱动同步带行走，从而带动固定同步轮旋转，进而带动前吸盘组（后吸盘组吸附）或后吸盘组（前吸盘组吸附）摆动，内置履带导轨214包括同步带219和下外壳226和盖合在下外壳226上的上外壳227，下外壳226与上外壳227形成的外壳内侧设置T形槽，同步带219截面为T形结构，卡入T形槽内，同步带的齿形部凸出外壳内侧面与固定同步轮相啮合，挤压轮组220的轮架为U形，其自由端转动连接有带环形凹槽的挤压轮，两个挤压轮挤压同步带，从而使得同步带紧密贴合到主动同步轮上，没侧的同步带咬合主动同步轮弧度为45度以上，确保咬合稳定性。电机停电情况下自锁。

上述两根齿条204前端之间安装有前挡杆211，后吸盘组202上端面设置有后挡杆212且其位于摆动电机210后侧，能够起到防护作用。

其中，上述擦洗部1采用海绵条和冲洗机构，固定连接在吸附行走机构2的前吸盘组201或后吸盘组件202的底部前后侧，清洗方便快捷，冲洗机构的喷头安装在海绵条前侧和后侧，并通过水泵连接到水箱。

其中，上述伸缩式攀爬全自动清洁机器人还锁紧外壳3，锁紧外壳3安装在吸附行走机构2上且能够紧固反光环上，便于进行吸附行走机构的锁紧。

优选的，上述锁紧外壳3包括人字顶部301、L形紧固板302和伸缩机构303，人字顶部301两端铰接有两块相对布置的L形紧固板302，两块L形紧固板302均通过伸缩机构303连接到吸附行走机构2的前吸盘组201两侧，伸缩机构缩回后，能够通过L形紧固板302下端与前吸盘组201两侧底面锁紧反光环，采用L形紧固板配合伸缩机构，能够快速实现锁紧，锁紧力大，伸缩机构303包括气缸和连接在L形紧固板与前吸盘组之间的复位弹簧，启动设备后，打开气缸，气缸将L形紧固板张开，当断电后，复位弹簧将L形紧固板拉回锁紧机器人。

上述吸附行走机构2前端安装有机械视觉识别模块4，机械视觉识别模块4采用摄像头，能够对弯曲的反光板进行及时调整和弯曲行走。

请参阅图9，前吸盘组和后吸盘组底部均设置一对真空吸盘腔，真空吸盘腔外沿设置有密封橡胶环，密封橡胶环低于海绵垫高度，前吸盘组和后吸盘组均能通过真空发生器来使前后吸盘组吸附在反光板上。前吸盘组或后吸盘组行走过程中，清洗部的海绵条与隧道反光板进行弹性的物理接触，齿轮齿条驱动前吸盘组行走时实现清洗，并控制摆动电机控制机器人进行一个小幅度的转弯完成机构的运动。

请参阅图3，展示发明机构实现前进转弯的运动机构及工作原理：当机构运行到图3的工位时，定义此时前吸盘组的工位为待复位工位（吸附状态），后吸盘组的工位为工作工位（非吸附状态），为使机构可以实现前进功能，前吸盘组通过真空发生器抽出负压吸附在反光环上，此时齿轮条机构的齿轮进行旋转，齿条就会被齿轮带动向前运动到适当位置，此时也会带动后吸盘组向前运动到适当位置，当运动完成后后吸盘组吸附在反光板上边，在吸附完成后前吸盘组关闭真空并进行放气（采用安装的放气电动阀门（或三通电动阀门，一个通道为吸气，另一个通道连接外界放弃）进行放气），齿轮齿条机构反向驱动，前吸盘组向前移动；完成运动过后前吸盘组吸附在反光环上，此后后吸盘组连接的真空发生器停止工作开始给前吸盘组放气，此时齿轮机构再次驱动后吸盘组向前移动，不断的重复运动完成多个循环，实现前景。

请参阅图1，为了展示机器人在识别障碍物之后机构的转向运动过程以及在特殊情况下机械锁死过程。在前吸盘组上安装的机械视觉识别模块的摄像头会识别前方障碍物的遮挡百分比，当遮挡面积超过百分之三十时，摄像头会给控制器传递信号使摆动电机进行正转或者反转，从而皮带传动，皮带传动带动导轨驱动前吸盘组后侧进行转向，从而实现转向，当摄像头中障碍物面积减少到百分之五后摆动电机停止转动，继续进行前进的作业步骤。

本发明单个吸盘在真空发生器抽气作用下可达-48KPa真空度，各吸盘腔内边长皆为长70mm、宽50mm，取动摩擦系数为f=0.1，并考虑极端情况本发明竖直吸附于隧道反光板上。通过计算可得单个吸盘能吸附竖向力为52N，可以将5kg左右重量的本发明悬挂于隧道反光板上。所以一个吸盘组的单个吸盘够用这也就就提高了机械的越障能力。机器人采用交替吸附的方式进行前进转弯。

实施例2：伸缩式攀爬全自动清洁机器人的清洗方法，该方法为：将智能机器人置于隧道反光板底部，并使智能机器人在该位置吸附于隧道反光板上、夹紧机构位于隧道反光板两侧，随后启动智能机器人，在行走电机的作用下，智能机器人通过齿轮齿条的正反转配合前吸盘组和后吸盘组开闭进行前进，并配合后侧的摆动电机实现转弯行走，对于智能机器人直线行走时：控制后吸盘组吸附在反光板上后，松开前吸盘组吸附，通过齿轮的转动带动齿条的移动完成前吸盘组向前的运动，之后前吸盘组吸附在反光板上，松开后吸盘组吸附，经过齿轮反转带动齿条移动使后吸盘组向前移动，反复操作，实现机构的不断直线运动；对于拐弯，配合机械视觉识别模块识别前方遮挡的百分比，利用摆动电机的转动和导轨的配合进行转弯，在前进过程中擦洗部的擦洗海绵进行擦洗。当机器人遇到紧急情况导致吸附力不足产生掉落倾向时，夹紧机构在控制器作用下开始工作，夹住隧道反光板，避免机器人产生掉落。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人，其特征在于：包括擦洗部（1）和吸附行走机构（2），擦洗部（1）安装在吸附行走机构（2）上，吸附行走机构（2）用于安装在反光环上行走。

2.根据权利要求1所述的一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人，其特征在于：吸附行走机构（2）包括前吸盘组（201）和后吸盘组（202），前吸盘组（201）通过伸缩驱动机构连接到后吸盘组（202），前吸盘组（201）和后吸盘组（202）均通过管道和电动阀门连接到真空发生器（213），真空发生器（213）安装在前吸盘组（201）上。

3.根据权利要求2所述的一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人，其特征在于：伸缩驱动机构包括两个驱动齿轮（203）、两根齿条（204）和行走电机（205），两个驱动齿轮（203）通过同一根旋转轴（207）旋转连接在前吸盘组（201）的上端面设置的支架（206）上，旋转轴（207）通过变速器连接到行走电机（205），行走电机（205）安装在支架（206），与两个齿轮相啮合的两根齿条（204）外侧面设置有两根导轨（208），两根导轨（208）滑动连接在前吸盘组（201）的上端面两侧设置的滑块（209）上，两根齿条（204）后端连接到后吸盘组（202）。

4.根据权利要求3所述的一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人，其特征在于：后吸盘组（202）朝前安装有两根内置履带导轨（214），两根齿条（204）后端内侧设置有导轨槽（215），导轨槽（215）后端固定连接有固定同步轮（216），两根内置履带导轨（214）置于两个导轨槽（215）内且能够摆动，固定同步轮（216）与内置履带导轨（214）相啮合，两根内置履带导轨（214）后端伸出内置履带导轨（214）后通过导向轮（217）连接到摆动电机（210）上的主动同步带轮（218），两根内置履带导轨（214）内的同步带（219）为一体结构，中部采用两个挤压轮组（220）对称将其与主动同步带轮（218）啮合，挤压轮组（220）的轮架两端通过两根导向杆（221）连接到导向套（222），挤压轮组（220）的轮架中部抵靠有调整螺钉（223），调整螺钉（223）螺旋连接在固定座（224）上，固定座（224）、导向套（222）和摆动电机（210）均固定连接在后吸盘组（202）上。

5.根据权利要求4所述的一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人，其特征在于：两根齿条（204）前端之间安装有前挡杆（211），后吸盘组（202）上端面设置有后挡杆（212）且其位于摆动电机（210）后侧。

6.根据权利要求1所述的一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人，其特征在于：擦洗部（1）采用海绵条，固定连接在吸附行走机构（2）的前吸盘组（201）或后吸盘组件（202）的底部前后侧。

7.根据权利要求5所述的一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人，其特征在于：还锁紧外壳（3），锁紧外壳（3）安装在吸附行走机构（2）上且能够紧固反光环上。

8.根据权利要求6所述的一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人，其特征在于：锁紧外壳（3）包括人字顶部（301）、L形紧固板（302）和伸缩机构（303），人字顶部（301）两端铰接有两块相对布置的L形紧固板（302），两块L形紧固板（302）均通过伸缩机构（303）连接到吸附行走机构（2）的前吸盘组（201）两侧，伸缩机构缩回后，能够通过L形紧固板（302）下端与前吸盘组（201）两侧底面锁紧反光环。

9.根据权利要求1所述的一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人，其特征在于：吸附行走机构（2）前端安装有机械视觉识别模块（4）。

10.根据权利要求1-8任一所述的一种伸缩式攀爬全自动清洁机器人的清洗方法，其特征在于：该方法为：将智能机器人置于隧道反光板底部，并使智能机器人在该位置吸附于隧道反光板上、夹紧机构位于隧道反光板两侧，随后启动智能机器人，在行走电机的作用下，智能机器人通过齿轮齿条的正反转配合前吸盘组和后吸盘组开闭进行前进，并配合后侧的摆动电机实现转弯行走，对于智能机器人直线行走时：控制后吸盘组吸附在反光板上后，松开前吸盘组吸附，通过齿轮的转动带动齿条的移动完成前吸盘组向前的运动，之后前吸盘组吸附在反光板上，松开后吸盘组吸附，经过齿轮反转带动齿条移动使后吸盘组向前移动，反复操作，实现机构的不断直线运动；对于拐弯，配合机械视觉识别模块识别前方遮挡的百分比，利用摆动电机的转动和导轨的配合进行转弯，在前进过程中擦洗部的擦洗海绵进行擦洗。

Images