CN1546285A - 自攀爬曲面清洁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于清洗曲面，球面高层建筑外墙表面的清洁机器人。机器人主体由主框架和后箱体两部分组成，它们都是由平行的铝型材构成的长立方体。在主框架上安装有前、后支撑俯仰调节结构和前下插抓持机构；在主框架的前、后中部还装有主、辅驱动，在主框架的下边还装有船形板。后箱体上装有后下插抓持机构，在后箱体的左右两外侧各装一组清洗装置；后箱体与主框架通过八个滑块连接；后箱体与主框架之间可以相对滑动。本发明机器人采用直流微电机驱动，多传感器融合及计算机智能控制，能在曲面和球面的建筑外墙表面上自主攀爬，自动检测，越障和擦洗。

Description

自攀爬曲面清洁机器人

技术领域

本发明专利涉及一种用于清洗曲面，球面高层建筑外墙表面的清洁机器人。

背景技术

随着城市建设的发展，越来越多的高层建筑出现在大都市中，并成为城市现代化的标志。基于采光和美观的缘故，许多高层建筑都以玻璃幕墙为外装饰，于是就带来了这种建筑物玻璃幕墙的清洗问题。高大建筑物玻璃幕墙的清洗是一项繁重而危险的工作。国内外目前使用的方法主要有三种，一种是用绳索直接吊挂清洁工(俗称蜘蛛人)在幕墙上作业，这种方式危险性很大，许多发达国家和地区(美国，香港等)都已将其明令禁止；第二种是靠楼顶轨道车和升降平台承载清洁工进行玻璃窗和壁面的清洗，但这种方式未能根本消除工人的危险，而且系统成本极高；另一种是用安装在楼顶的轨道及吊索系统将擦窗机对准窗户进行自动擦洗，采用第三种方式，除了成本高以外，还要求在建筑物设计之初就要将擦窗系统相应结构考虑进去，从而限制了这种方式的使用。同时，对于不规则的建筑物表面的清洗，如阶梯状或带弧形表面建筑，上述方法都显得无能为力。

目前壁面清洗机器人的研究在国内外均有开展，主要有框架式、步行式、轮式或履带式等结构形式。如Leoncio Briones等研制的可变形框架式壁面机器人具有一定的转向和面面转换能力，但结构复杂，通用性差；俄罗斯科学院机器人和机械电子学实验室研制的多关节壁面移动机器人，为步行式结构，通过两足交替吸附可完成在与管节轴线垂直感的二维平面内移动、越障和面面转动，但对三维空间壁面环境的适应能力明显不足；在国内哈尔滨工业大学研制的单车体壁面移动机器人和北京航空航天大学研制的双吸盘结构的履带式机器人，均采用负压吸附原理，对平整壁面，结构化的作业环境有较高适应性，但运动时车体容易打滑，容易造成事故。可知现有壁面机器人对表面平整，结构化作业环境有较高适应性，但面向圆弧面、球面等复杂极限环境，尚无应用实例。

发明内容

本发明专利的目的是设计一种自攀爬式机器人，它具备全方位运动和面面转换功能，满足沿较大折角玻璃面或弧形玻璃面等不规则壁面(带)的移动与清洗要求，特别是满足对复杂玻璃结构的玻璃幕墙的清洗作业。

本发明的技术解决方案是，机器人主体由主框架和后箱体两部分组成，它们都是由平行的铝型材构成长立方体；在主框架上安装有前、后支撑俯仰调节机构和前下插抓持机构；在主框架的前后中间位置装有主、辅驱动。在后箱体上装有后下插抓持机构，并在后箱体两侧各安装一组清洗装置；后箱体与主框架通过八个滑块连接，它与主框架之间可以相对滑动。本发明采用直流微电机驱动，一十七个运动关节，并在各运动关节处设置接近觉传感器，框架头，中，尾部分别装有超声传感器用来检测曲面外墙上的横向导轨和机器人与外墙的平行度。清洗刷子采用力控制。

本发明首先提供了能在曲面和球面的建筑外墙表面上自主攀爬，自动检测，越障和擦洗的机器人。具有很大的社会效益和经济效益，是高科技产物。

附图说明

图1为本发明自攀爬曲面清洁机器人结构立体图。

图2为本发明机器人在建筑物上做攀爬、清洗所用的辅助物示意图。

图3为本发明机器人的前、后下插抓持机构图。

图4为本发明机器人各个关节分布示意图。

图5为本发明机器人攀爬运动示意图。

图6为本发明机器人擦洗运动示意图。

图中：1.攀升电机  2.主框架  3.前下插抓持机构  4.主驱动  5.后箱体  6.清洗装置  7.后俯仰支撑调节机构  8.辅驱动  9.船形板  10.前俯仰支撑调节机构  11.刷子电动滚筒  12.后下插抓持机构  13.滑块  14.同步带  15.清洁装置升降电机  16.驱动电机  17.驱动部分升降电机  18.驱动部分夹紧电机  19.横向导轨  20.竖向导轨  21.同步带轮  22.摩擦轮  23.头部超声传感器  24.中部超声传感器  25.尾部超声传感器  26.连接板  27.槽口  28.滑动导杆  29.建筑物导轨  30.建筑物幕墙  31.建筑物导轨A  32.建筑物导轨B  33.建筑物导轨C

图2中：建筑物导轨是指机器人工作时的建筑物上的导轨，在此基础上增加了滑动导杆28的设计，滑动导杆28与建筑物导轨通过滑块13相连，两个滑动导杆28通过连接板26保持两滑动导杆28之间的距离，该距离保证船形板9准确地插入滑动导杆28的槽口27内。

具体实施方式

结合附图进一步对本发明作详细说明。

由图1可知本发明结构主要由主框架2和后箱体5组成，其它结构均为这两部分的载体。主框架2与后箱体5通过滑块13形成滑动连接；滑块13呈凸形。攀升电机1安装于主框架2顶部，同步带14的一端先固定在后箱体5上的固定架前端，向前绕经攀升电机1驱动的带轮，从下边穿过主框架2内部，再绕过主框架2尾部的同步带轮21，最后在上边固定在后箱体5上的固定架后端，从而形成一个封闭驱动环。攀升电机1转动带动同步带14运动，从而后箱体5相对主框架2前后移动。在机器人主框架2前端左右两侧装有前下插抓持机构3，在后箱体5的左右两侧装有后下插抓持机构12，两后下插抓持机构的间距大于两前下插抓持机构的间距；它们都是由下插电机、螺旋副及与其相连的套筒抓块组成；利用与螺旋副相连的导轨与固定在底板上的滑块相对运动来达到定向。套筒抓块下边的形状与建筑导轨上边的滑动导杆的形状相吻合，它们用于在攀爬时交替抓持建筑物导轨上面的滑动导杆。为了更好的攀爬，在主框架2底部两根辅梁外侧装有条形板，并在这条形板前后两端都固定有三角形导向件，它们与条形板共同构成中间空的形状像船的船形板9。当主框架2向前移动到建筑导轨时，船形板9一端与两滑动导杆的端部的槽口27插入吻合。在主框架2的前、后中间位置安装主驱动4和辅驱动8，两者结构相同，都是由升降部分、夹紧部分和驱动部分组成，主、辅驱动与主框架2经横向导轨19和竖向导轨20连接；利用升降电机17驱动主、副驱动整体沿竖向导轨20上下运动以适应建筑物导轨的高度变化，夹紧电机18使两摩擦轮22夹紧建筑物导轨，驱动电机16带动摩擦轮转动与建筑物导轨形成摩擦力，使机器人沿建筑物导轨横向运动。后箱体5左右外侧携带各一个清洗装置6，其上有一刷子升降电机15可以驱动清洗装置6上下运动，使得刷子与建筑物板面接触并保持一定的压力，刷子电动滚筒11运动可以完成刷子旋转运动，在滚筒上镶嵌有刷毛，水阀打开刷子喷水，在横向移动的带动下完成机器人清洗运动。在主框架2前装有前俯仰支撑调节机构10，在主框架2的后面装有后俯仰支撑调节机构7，它们都是由螺旋副、电机、套筒及摩擦轮构成；主要用于机器人沿建筑物导轨竖向攀爬时调节框架与板面之间的平行度，并改善攀爬时机器人框架的受力。在主框架头中尾部安装三个超声模拟传感器即头超声传感器23、中超声传感器24和尾超声传感器25，用于检测框架与板面之间的平行度和攀爬时检测建筑物导轨。

按照本发明的设计思路设计的本机器人，按上述结构实施的机器人，从理论到实践都证明：设计合理，达到了设计要求，满足了实际效果。其最大作业高度50米，最大爬行速度200毫米/秒，清洗效率＞800平方米/日，最大越障能力150毫米×50毫米(宽度×高度)。

为更好理解本发明，下面结合附图具体说明机器人运动过程：

机器人就像人一样，它也有很多关节，没有关节就不能活动，所以先从图4了解本发明的关节。它共有二十五个运动关节，一十七个主动关节分别由17台直流微电机驱动；八个被动关节，能够根据环境的不同自适应调节。这二十五个关节分配如下：主框架2与后箱体5之间一个主动关节、两前下插抓持机构3各一个主动关节、两后下插抓持机构12各一个主动关节、前支撑俯仰调节机构10和后支撑俯仰调节机构7各一个主动关节及各一个被动关节、主驱动4和辅助驱动8各有三个主动关节和三个被动关节、两个清洗装置6各有一个主动关节和一个被动关节。

当机器人在建筑物表面作业时，主要分为两个过程：攀爬运动和擦洗运动。攀爬运动是指本发明从一层钛板或玻璃运动到另一层钛板或玻璃的过程，分为从下向上和从上向下攀爬两部分。由于向上攀爬与向下攀爬运动过程一样，仅以向上运动为例进行说明。参看图5。

(a)，机器人处于标准位姿，前、后下插抓持机构3、12抓紧滑动导杆28，主框架2底部船形板9安全插于两根滑动导杆槽口27之间，前、后附仰调节支撑机构10、7收起；

(b)，后下插抓持机构12收起，后箱体5开始攀升；

(c)，前、后下插抓持机构3、12位置重合时，攀升运动停止，后下插抓持机构12伸出与滑动导杆28良好抓持；

(d)，前下插抓持机构3收起，前俯仰支撑调节机构10向下运动与板面良好接触；

(e)，主框架2向上攀升，船形板9从滑动导杆C 33的槽口中脱出，当后俯仰支撑调节机构7越过建筑导轨后，其向下运动与板面良好接触；

(f)，前俯仰支撑调节机构10收起，主框架2攀升至前俯仰支撑调节机构10越过建筑导轨B 32后，前俯仰支撑调节机构10向下运动与板面良好接触；

(g)，升至机器人头部传感器23发现建筑导轨A 31后，主框架4攀升运动停止，前、后俯仰支撑调节机构10、7根据传感器信息调节主框架4与板面平行后，主框架4向上运动，船形板9插入滑动导杆28的槽口；

(h)，前下插抓持机构3随主框架4运动对准滑动导杆28后，向下伸出与滑动导杆28良好抓持，前、后俯仰调节支撑机构10、7收起，至此结束一个完整的攀爬过程。

擦洗运动是指机器人在同一层钛板或玻璃板横向运动完成清洗作业的过程，请看图6其过程如下：

(a)，机器人处于标准状态，前、后下插抓持机构3、12抓紧滑动导杆28，主框架4底部的船形板9安全插入两根滑动导杆28的槽口27之间，前、后俯仰支撑调节机构3、12和主、辅驱动4、8收起；

(b)，前下插抓持机构3收起，主框架2进行向上调节攀升，使得辅驱动8对齐建筑导轨A 31，辅驱动8向下伸出摩擦轮并夹紧建筑导轨；

(c)，主框架2向下运动，主驱动4对齐上层建筑导轨，主驱动4向下伸出并加紧建筑导轨；

(d)，前下插抓持机构3向下伸出与滑动导杆28良好抓持，后下插抓持机构12收起，后箱体5向上攀升；

(e)，当清洗装置6上边缘与建筑导轨A 31对齐时，攀升停止，左右刷子模块向下运动与板面接触并保持定压力，水阀打开，刷子转动，主、辅驱动4、8驱动机器人向右进行擦洗；

(f)擦洗一定距离后，刷子模块向下运动至板面下边缘，在主、辅驱动4、8作用下反方向擦洗；

(g)主、辅驱动4、8松开建筑导轨，并收起到主框架2内，后箱体5向下运动至后下插抓持机构12与建筑导轨C 33对齐，后下插抓持机构12伸出与滑动导杆28良好抓持，机器人复原为标准位姿。

Claims (8)

1、一种自攀爬曲面清洁机器人，其特征是：机器人主体由主框架(2)和后箱体(5)两部分组成，它们都是由平行的铝型材形构成长立方体；在主框架(2)上安装有前支撑俯仰调节结构(10)、后支撑俯仰调节结构(7)和前下插抓持机构(3)；后箱体(5)上装有后下插抓持机构(12)，并在后箱体(5)外两侧各装有清洗装置(6)；后箱体(5)与主框架(2)通过八个滑块连接，它与主框架(2)之间可以相对滑动。

2、根据权利要求1所说的一种自攀爬曲面清洁机器人，其特征是：前、后支撑附仰调节机构(7)是由螺旋副、电机、套筒及摩擦轮构成。

3、根据权利要求1所说的一种自攀爬曲面清洁机器人，其特征是：前下插抓持机构(3)由螺旋副、电机及与其相连的套筒抓块组成；套筒抓块下边的形状与建筑导轨上边的滑杆的形状相吻合，位于主框架(2)的前端两侧。

4、根据权利要求1所说的一种自攀爬曲面清洁机器人，其特征是：后下插抓持机构(12)与前下插抓持机构(3)结构相同，位于后箱体(5)两侧，其间距比前下插抓持机构间距大。

5、根据权利要求1所说的一种自攀爬曲面清洁机器人，其特征是：主框架(2)底部两根辅梁外侧装有条形板，并在这条形板前后两端都固定有三角形导向件，它们与条形板共同构成中间空的形状像船的船形板(9)。

6、根据权利要求1所说的一种自攀爬曲面清洁机器人，其特征是：在主框架(2)的顶端装有攀升电机(1)，同步带(14)的一端先固定在后框体上的固定架前端，向前绕经攀升电机(1)驱动的带轮，从下边穿过主框架内部，再绕过主框架尾部的同步带轮，最后在上边固定在后箱体(5)上的固定架后端，从而形成一个封闭驱动环。

7、根据权利要求1所说的一种自攀爬曲面清洁机器人，其特征是：在主框架(2)的前后中间位置装有主驱动(4)和辅驱动(8)，二者均由升降部分、夹紧部分和驱动部分组成。

8、根据权利要求1所说的一种自攀爬曲面清洁机器人，其特征是：其上共有二十五个运动关节，其中一十七个为主动关节，八个为被动关节，分别分布在主框架(2)与后箱体(5)之间一个主动关节、两前下插抓持机构(3)各一个主动关节、两后下插抓持机构(12)各一个主动关节、前支撑俯仰调节机构(10)和后支撑俯仰调节机构(7)各一个主动关节及各一个被动关节、主驱动(4)和辅助驱动(8)各有三个主动关节和三个被动关节、两个清洗装置(6)各有一个主动关节和一个被动关节。

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