CN116831473A - 一种楼梯扶手自动清洁装置及楼梯协同清洁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种楼梯扶手自动清洁装置及楼梯协同清洁机器人，楼梯扶手自动清洁装置包括行走小车以及安装于行走小车上的擦拭组件、动量轮平衡机构、角动量传感器和控制器，擦拭组件包括抱爪以及驱动抱爪开合的驱动机构，抱爪的内侧设有用来擦拭扶手的软性材料。其具有适用性强、平衡性好、能够有效防止掉落等优点。楼梯协同清洁机器人包括上述的楼梯扶手自动清洁装置以及楼梯踏面自动清洁装置，楼梯扶手自动清洁装置的行走小车上安装有摄像头模块，摄像头模块用来对楼梯踏面自动清洁装置的位置进行实时拍摄。其具有稳定性好、灵活方便、成本低廉等优点。

Description

一种楼梯扶手自动清洁装置及楼梯协同清洁机器人

技术领域

本发明主要涉及楼梯自动清洁设备领域。

背景技术

目前，在楼梯自动清洁设备领域，现有的扶手自动清洁装置存在很大的使用局限性，由于扶手的形状各异，导致扶手清洁装置难以适应各类扶手，而且扶手大多为细长形状，支撑面狭窄，扶手清洁装置在扶手上行进时难以保持平衡，一旦失去平衡就容易从扶手上掉落从而导致装置损坏。

另外，现有的楼梯自动清洁设备大多只能单独对楼梯扶手进行清洁，或者单独对楼梯踏面进行清洁，功能单一。即使有二者功能合二为一的清洁机器人，也只是简单地将两者通过机械臂连接起来，这就带来了比较明显的缺点：第一，由于扶手清洁装置通过机械臂连接在踏面清洁装置的头顶斜上方，会因头部过重而影响机器人整体的稳定性，从而增加了控制难度；第二，机器人在清扫时，由于机械臂横在空中，会阻碍行人通行；第三，机械臂价格高昂，造成机器造价太贵，很难做到真正普及。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术存在的不足，提供一种适用性强、平衡性好、能够有效防止掉落的楼梯扶手自动清洁装置，同时提供一种能同时清洁楼梯扶手和踏面，且稳定性好、灵活方便、成本低廉的楼梯协同清洁机器人。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种楼梯扶手自动清洁装置，包括行走小车以及安装于行走小车上的擦拭组件、动量轮平衡机构、角动量传感器和控制器；所述行走小车包括车架、安装于车架上的行走轮以及用来驱动行走轮在扶手上行走的减速电机；所述擦拭组件包括抱爪以及驱动抱爪开合的驱动机构，所述抱爪合拢时可抱住扶手，所述抱爪的内侧设有用来擦拭扶手的软性材料；所述动量轮平衡机构包括动量轮电机以及由动量轮电机驱动的飞轮，所述飞轮的轴向沿行走小车的行进方向布置；所述角动量传感器用来检测楼梯扶手自动清洁装置的角动量，所述控制器根据角动量传感器的检测信号控制动量轮电机带动飞轮转动施以相反的角动量，使楼梯扶手自动清洁装置在扶手上保持动态平衡。

进一步，所述抱爪包括两个相对布置的弯爪，所述驱动机构包括舵机以及由舵机驱动旋转的两个相啮合的传动齿轮，每个传动齿轮对应与一个弯爪固定连接，通过传动齿轮旋转带动两个弯爪摆动实现抱爪的开合。

进一步，所述抱爪设置于行走小车的前方或后方。

一种楼梯协同清洁机器人，包括上述技术方案的楼梯扶手自动清洁装置，还包括楼梯踏面自动清洁装置，所述楼梯踏面自动清洁装置包括爬楼行进组件、横移组件和踏面清洁组件，所述爬楼行进组件用于爬楼行进，所述横移组件用于沿楼梯踏面长度方向横向移动，所述踏面清洁组件用于对踏面进行清洁；所述楼梯扶手自动清洁装置的行走小车上还安装有摄像头模块，所述摄像头模块用来对楼梯踏面自动清洁装置的位置进行实时拍摄，所述控制器根据拍摄的照片将楼梯踏面自动清洁装置的位置转化为坐标信息，并通过比较楼梯扶手自动清洁装置与楼梯踏面自动清洁装置两者之间的坐标差值，来控制楼梯扶手自动清洁装置的行走速度，使两者之间的坐标差值缩小趋于零。

进一步，所述爬楼行进组件包括机架、安装于机架底部的一对行进履带以及安装于机架前部的一对提升履带，所述提升履带相对行进履带倾斜布置；所述横移组件包括轮架以及安装在轮架上的麦克纳姆轮，所述轮架通过升降机构与机架上的横梁连接，所述横梁的两端可自由转动地安装于机架上，且机架上设有用来限制横梁转动的制动器，所述升降机构用来带动轮架升降，所述轮架升起时，麦克纳姆轮离开踏面，所述轮架降下时，麦克纳姆轮接触踏面并将机架顶起使行进履带与踏步脱离接触。

进一步，所述升降机构为电推杆。

进一步，所述踏面清洁组件包括扫吸机构和拖地机构，沿爬楼行进方向，所述扫吸机构位于拖地机构的前方，且清洁工作时扫吸机构与拖地机构分别位于相邻的两级踏步上。

进一步，所述扫吸机构和拖地机构安装于一支架上，所述支架安装于一直线模组上，所述直线模组安装于机架上，所述直线模组用于带动支架作直线升降运动使扫吸机构和拖地机构接触或离开踏面。

进一步，所述扫吸机构与拖地机构之间的距离可调。

进一步，所述支架包括一横杆，所述扫吸机构和拖地机构通过套筒可滑动地套设于横杆上。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的楼梯扶手自动清洁装置，一是通过将擦拭扶手的部件设置成抱爪，抱爪可以像人手一样抓住扶手，容易与扶手贴合，既能适应各种形状的扶手，又能在一定程度上提高楼梯扶手自动清洁装置在扶手上的稳定性；二是设置了动量轮平衡机构，通过施以相反的角动量抵消掉扶手自动清洁装置的倾倒趋势，使扶手自动清洁装置在扶手上始终保持动态平衡，从而避免扶手机器人在使用过程中掉落造成损坏。

本发明的楼梯协同清洁机器人，能同时对楼梯扶手和踏面进行清洁，并且，在楼梯扶手自动清洁装置上安装有摄像头模块，通过摄像头模块对楼梯踏面自动清洁装置的位置进行实时拍摄，并通过比较楼梯扶手自动清洁装置与楼梯踏面自动清洁装置两者之间的坐标差值，来控制楼梯扶手自动清洁装置的行走速度，使两者之间的坐标差值缩小趋于零，实现两者在行进方向上的位置同步，从而实现两者的协同清洁。由于两者之间无需通过机械臂连接，因此具有稳定性好、灵活方便、成本低廉等优点。

附图说明

图1为本发明楼梯扶手自动清洁装置的结构示意图。

图2为本发明楼梯扶手自动清洁装置中的擦拭组件的分解结构示意图。

图3为本发明楼梯协同清洁机器人的楼梯踏面自动清洁装置的结构示意图。

图4为本发明中楼梯踏面自动清洁装置在轮架降下时的状态图(去掉了踏面清洁组件和机架部分外壳)。

附图标记：摄像头模块1；控制器2；电源3；车架4；行走轮5；减速电机6；抱爪7；弯爪8；扶手9；舵机10；传动齿轮11；支撑轴12；支撑板13；动量轮电机14；飞轮15；机架16；行进履带17；提升履带18；轮架19；麦克纳姆轮20；驱动电机21；横梁22；电推杆23；制动器24；扫吸机构25；拖地机构26；直线模组27；悬杆28；横杆29；竖杆30；套筒31；软性材料32。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，应当指出，本发明的保护范围并不仅局限于下述实施例，在不脱离本发明原理的前提下，对本发明所作出的任何改进和润饰，均应视为本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的楼梯扶手自动清洁装置，包括行走小车以及安装于行走小车上的擦拭组件、动量轮平衡机构、角动量传感器、控制器2和电源3。行走小车包括车架4、安装于车架4上的行走轮5以及用来驱动行走轮5在扶手9上行走的减速电机6。电源3安装于车架4的底部，用于给减速电机6及其他驱动部件供电。行走轮5共两个，一前一后安装于车架4的底部，减速电机6通过链传动机构与行走轮5连接。

擦拭组件包括抱爪7以及驱动抱爪7开合的驱动机构，抱爪7合拢时可抱住扶手9，抱爪7的内侧设有用来擦拭扶手9的软性材料32，软性材料32可采用海绵或抹布。优选地，抱爪7设置于行走小车的前方或后方。参见图2，抱爪7包括两个相对布置的弯爪8，弯爪8呈弧形或多节弯折形。驱动机构包括舵机10以及由舵机10驱动旋转的两个相啮合的传动齿轮11，每个传动齿轮11对应与一个弯爪8固定连接，通过传动齿轮11旋转带动两个弯爪8摆动实现抱爪7的开合。具体地，其中一个传动齿轮11与舵机10的输出轴连接，另一个传动齿轮11与一支撑轴12连接，舵机10和支撑轴12均安装于一支撑板13上，所述支撑板13安装于行走小车的车架4上。

动量轮平衡机构包括动量轮电机14以及由动量轮电机14驱动的飞轮15，飞轮15的轴向沿行走小车的行进方向布置。角动量传感器用来检测楼梯扶手自动清洁装置的角动量，当楼梯扶手自动清洁装置在扶手9上有向某一边倾倒的时候，角动量传感器检测到角动量变化，并将角动量信息发送给控制器2，控制器2根据角动量传感器的信号控制动量轮电机14带动飞轮15转动施以相反的角动量，抵消掉楼梯扶手自动清洁装置的倾倒趋势，使楼梯扶手自动清洁装置在扶手9上保持动态平衡。

参见图1、图3，本发明的楼梯协同清洁机器人，包括上述的楼梯扶手自动清洁装置，还包括楼梯踏面自动清洁装置，楼梯踏面自动清洁装置包括爬楼行进组件、横移组件和踏面清洁组件。爬楼行进组件用于爬楼行进，横移组件用于沿楼梯踏面长度方向横向移动，踏面清洁组件用于对踏面进行清洁。楼梯扶手自动清洁装置的行走小车上还安装有摄像头模块1，摄像头模块1用来对楼梯踏面自动清洁装置的位置进行实时拍摄并将照片信息发送给控制器2。控制器2根据每一次拍摄的照片将楼梯踏面自动清洁装置的位置计算转化为二维坐标信息，并以楼梯扶手自动清洁装置自身建立坐标系得出楼梯扶手自动清洁装置与楼梯踏面自动清洁装置两者之间的坐标差值。控制器2通过比较两者之间的坐标差值，来控制楼梯扶手自动清洁装置的行走速度，使两者之间的坐标差值缩小趋于零。具体地，以前进方向为坐标的X轴，当楼梯扶手自动清洁装置与楼梯踏面自动清洁装置两者之间的X轴坐标值不相等时即两者有位置差，控制器2通过控制减速电机6的转速，调整楼梯扶手自动清洁装置在扶手9上的行走速度，来缩小两者之间的X轴坐标差值，使两者之间的X轴坐标差值缩小趋于零，实现两者在行进方向上的位置同步，从而实现两者的协同清洁。

爬楼行进组件包括机架16、安装于机架16底部的一对行进履带17以及安装于机架16前部的一对提升履带18，提升履带18相对行进履带17倾斜布置，提升履带18与行进履带17由同一电机驱动同步运动。利用的固定的四履带爬楼，爬楼过程稳定，爬楼速度快，载重大，装置不易损坏。

横移组件包括轮架19以及安装在轮架19上的麦克纳姆轮20，轮架19的轴向沿踏面的长度方向。优选的，轮架19为两个，沿爬楼行进方向一前一后布置，每个轮架19的两端各安装一个麦克纳姆轮20，轮架19上还安装有用于驱动麦克纳姆轮20的驱动电机21。轮架19通过升降机构与机架16上的横梁22连接，相应地，横梁22也为两个，即每个轮架19通过一个升降机构与一个横梁22连接。优选的，升降机构为电推杆23，电推杆23的一端与横梁22连接，电推杆23的另一端与轮架19连接。横梁22的两端可自由转动地安装于机架16的上，且机架16上设有用来限制横梁22转动的制动器24。当制动器24不工作时，横梁22处于可自由转动状态，连接在横梁22下的电推杆23也处于可自由摆动状态，在电推杆23自身重力作用下，电推杆23会自适应摆动至垂直向下的角度；当制动器24工作时，横梁22的两端被锁紧，横梁22的转动被限制，连接在横梁22下的电推杆23的角度也被锁死。升降机构用来带动轮架19升降，轮架19升起时，麦克纳姆轮20离开踏面，轮架19降下时，麦克纳姆轮20接触踏面并将机架16顶起使行进履带17与踏步脱离接触。制动器24优选为电磁制动器，电磁制动器为成熟的现有技术，其制动原理在此就不再赘述。

参见图3，在楼梯踏面自动清洁装置爬楼行进时，电推杆23带动轮架19升起使麦克纳姆轮20离开踏面，此时制动器24不工作，横梁22处于自动转动状态，连接在横梁22下的电推杆23在自身重力作用下始终保持垂直向下的角度，而不受楼梯倾斜度的影响。参见图4，当行进履带17停止运动准备清洁踏面时，制动器24工作锁紧横梁22，然后电推杆23带动轮架19降下，使麦克纳姆轮20接触踏面并将机架16顶起使行进履带17与踏步脱离接触。由于电推杆23是在垂直状态下将机架16顶起，因此机架16顶起过程也是垂直向上的，不会与踏步踢面发生干涉剐蹭，重心也不会发生偏移，保证了稳定性和可靠性，避免了机器损坏。

踏面清洁组件包括扫吸机构25和拖地机构26，沿爬楼行进方向，扫吸机构25位于拖地机构26的前方，且清洁工作时扫吸机构25与拖地机构26分别位于相邻的两级踏步上。即，扫吸机构25在上一级踏步工作时，拖地机构26在相邻的下一级踏步工作，相当于对楼梯踏步进行先扫后拖。

扫吸机构25用来清扫踏面上的灰尘等垃圾，其主要由电机、毛刷、吸尘系统以及收尘盒与外壳构成，通过电机驱动毛刷旋转来达到清扫作用，吸尘系统装在毛刷旁，并将吸尘口对准毛刷，将毛刷扫起的灰尘吸入收尘盒中储存。拖地机构26用来对踏面进行擦拭，其主要由圆筒滚刷、电机、喷嘴组成，工作时喷嘴喷出消毒水，使圆筒滚刷润湿，电机驱动圆筒滚刷旋转与踏面接触摩擦以达到清洁效果。扫吸机构25和拖地机构26的结构原理均为成熟的现有技术，在此就不再赘述。

扫吸机构25和拖地机构26安装于一支架上，支架安装于一直线模组27上，直线模组27安装于机架16上，直线模组27用于带动支架作直线升降运动使扫吸机构25和拖地机构26接触或离开踏面。优选的，直线模组27采用丝杆导轨直线模组27。扫吸机构25和拖地机构26的升降状态与轮架19及麦克纳姆轮20的升降状态同步，即，当行进履带17爬楼行进时，麦克纳姆轮20以及扫吸机构25和拖地机构26均处于升起状态，当行进履带17停止爬楼处于某一踏步上时，麦克纳姆轮20降下在踏面横向移动，扫吸机构25和拖地机构26也同时降下开始清洁工作。

优选的，扫吸机构25与拖地机构26之间的距离可调。具体地，支架包括悬杆28和横杆29，悬杆28的一端安装于直线模组27上，悬杆28的另一端与横杆29连接，扫吸机构25和拖地机构26的顶部各连接有一竖杆30，两根竖杆30均通过套筒31可滑动地套设于横杆29上。这种设置可适应各种宽度踏面的楼梯，在使用时，先根据楼梯踏面的宽度，调节扫吸机构25和拖地机构26之间的距离，使扫吸机构25与拖地机构26能够恰好分别位于相邻的两级踏步上即可。另外，竖杆30与扫吸机构25和拖地机构26的顶部连接处均设有扭簧，可自动调整扫吸机构25和拖地机构26与踏面之间的角度，使扫吸机构25和拖地机构26的底部与踏面贴合，确保工作顺畅。

楼梯踏面自动清洁装置的工作过程如下：

爬楼过程：楼梯踏面自动清洁装置上装有红外传感器，先通过红外传感器确定楼梯位置并控制电机驱动行进履带17靠近楼梯，使楼梯踏面自动清洁装置的头部对齐楼梯。对齐后，电机驱动行进履带17继续向前运动，随后提升履带18与楼梯的第一级踏步接触，在提升履带18的带动下，使楼梯踏面自动清洁装置的头部升起并向斜上方运动，直至行进履带17与楼梯踏步接触，行进履带17与楼梯踏步接触后带动楼梯踏面自动清洁装置沿楼梯向上行进；

横移及清洁过程：楼梯踏面自动清洁装置在爬楼运动进行一段距离程序设定的一级踏步的长度时停止爬楼运动，利用电推杆23将连接有麦克纳姆轮20的轮架19降下并将机架16顶起，使麦克纳姆轮20接替行进履带17与踏面接触，随后驱动电机21驱动麦克纳姆轮20在踏面上横向运动。与此同时，直线模组27也将扫吸机构25和拖地机构26降下与踏面接触，在装置横向运动的同时进行清洁工作。

Claims (10)

1.一种楼梯扶手自动清洁装置，其特征在于：包括行走小车以及安装于行走小车上的擦拭组件、动量轮平衡机构、角动量传感器和控制器(2)；所述行走小车包括车架(4)、安装于车架(4)上的行走轮(5)以及用来驱动行走轮(5)在扶手(9)上行走的减速电机(6)；所述擦拭组件包括抱爪(7)以及驱动抱爪(7)开合的驱动机构，所述抱爪(7)合拢时可抱住扶手(9)，所述抱爪(7)的内侧设有用来擦拭扶手(9)的软性材料(32)；所述动量轮平衡机构包括动量轮电机(14)以及由动量轮电机(14)驱动的飞轮(15)，所述飞轮(15)的轴向沿行走小车的行进方向布置；所述角动量传感器用来检测楼梯扶手自动清洁装置的角动量，所述控制器(2)根据角动量传感器的检测信号控制动量轮电机(14)带动飞轮(15)转动施以相反的角动量，使楼梯扶手自动清洁装置在扶手(9)上保持动态平衡。

2.根据权利要求1所述的楼梯扶手自动清洁装置，其特征在于：所述抱爪(7)包括两个相对布置的弯爪(8)，所述驱动机构包括舵机(10)以及由舵机(10)驱动旋转的两个相啮合的传动齿轮(11)，每个传动齿轮(11)对应与一个弯爪(8)固定连接，通过传动齿轮(11)旋转带动两个弯爪(8)摆动实现抱爪(7)的开合。

3.根据权利要求1或2所述的楼梯扶手自动清洁装置，其特征在于：所述抱爪(7)设置于行走小车的前方或后方。

4.一种楼梯协同清洁机器人，其特征在于：包括权利要求1至3任意一项所述的楼梯扶手自动清洁装置，还包括楼梯踏面自动清洁装置，所述楼梯踏面自动清洁装置包括爬楼行进组件、横移组件和踏面清洁组件，所述爬楼行进组件用于爬楼行进，所述横移组件用于沿楼梯踏面长度方向横向移动，所述踏面清洁组件用于对踏面进行清洁；所述楼梯扶手自动清洁装置的行走小车上还安装有摄像头模块(1)，所述摄像头模块(1)用来对楼梯踏面自动清洁装置的位置进行实时拍摄，所述控制器(2)根据拍摄的照片将楼梯踏面自动清洁装置的位置转化为坐标信息，并通过比较楼梯扶手自动清洁装置与楼梯踏面自动清洁装置两者之间的坐标差值，来控制楼梯扶手自动清洁装置的行走速度，使两者之间的坐标差值缩小趋于零。

5.根据权利要求4所述的楼梯协同清洁机器人，其特征在于：所述爬楼行进组件包括机架(16)、安装于机架(16)底部的一对行进履带(17)以及安装于机架(16)前部的一对提升履带(18)，所述提升履带(18)相对行进履带(17)倾斜布置；所述横移组件包括轮架(19)以及安装在轮架(19)上的麦克纳姆轮(20)，所述轮架(19)通过升降机构与机架(16)上的横梁(22)连接，所述横梁(22)的两端可自由转动地安装于机架(16)上，且机架(16)上设有用来限制横梁(22)转动的制动器(24)，所述升降机构用来带动轮架(19)升降，所述轮架(19)升起时，麦克纳姆轮(20)离开踏面，所述轮架(19)降下时，麦克纳姆轮(20)接触踏面并将机架(16)顶起使行进履带(17)与踏步脱离接触。

6.根据权利要求5所述的楼梯协同清洁机器人，其特征在于：所述升降机构为电推杆(23)。

7.根据权利要求5或6所述的楼梯协同清洁机器人，其特征在于：所述踏面清洁组件包括扫吸机构(25)和拖地机构(26)，沿爬楼行进方向，所述扫吸机构(25)位于拖地机构(26)的前方，且清洁工作时扫吸机构(25)与拖地机构(26)分别位于相邻的两级踏步上。

8.根据权利要求7所述的楼梯协同清洁机器人，其特征在于：所述扫吸机构(25)和拖地机构(26)安装于一支架上，所述支架安装于一直线模组(27)上，所述直线模组(27)安装于机架(16)上，所述直线模组(27)用于带动支架作直线升降运动使扫吸机构(25)和拖地机构(26)接触或离开踏面。

9.根据权利要求8所述的楼梯协同清洁机器人，其特征在于：所述扫吸机构(25)与拖地机构(26)之间的距离可调。

10.根据权利要求9所述的楼梯协同清洁机器人，其特征在于：所述支架包括一横杆(29)，所述扫吸机构(25)和拖地机构(26)通过套筒(31)可滑动地套设于横杆(29)上。