CN206166840U - 一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人，属于特种机器人领域。其特征包括:吸附装置、行走越障装置、动力装置、控制装置、清洁装置和安全装置。吸附装置主要由真空泵和吸盘组成，行进越障主要依靠吸盘和吸盘顶升机构及吸盘推进机构协同配合完成，机器人的动力由步进电机提供，控制装置包括单片机和传感器，传感器主要有角度传感器和红外传感器，清洁装置主要包括清洁箱、清洁布和节流阀等。该清洁机器人主要通过吸盘使机器人整体吸附在壁面上，通过吸盘推进机构实现机器人的前进擦拭,通过吸盘顶升机构实现机器人越障。本高楼玻璃幕墙清洁机器人可进行安全高效的清洁作业，具有吸附力稳定、越障能力强、擦拭效率高、抗风载荷能力强、重量轻、结构简单稳定的特点。

Description

一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人

技术领域

本实用新型涉及一种清洁机器人技术领域的一种特种机器人，尤其是涉及一种高楼建筑玻璃幕墙清洁机器人。

背景技术

目前高层建筑玻璃幕墙的清洗主要靠升降平台或吊篮承载清洁工进行玻璃幕墙的清洗，它的劳动强度大，工作效率又低，高空强气流使人难以平衡，工作环境恶劣，属于高空极限作业，对人身安全及玻璃壁面的安全都有很大的威胁性。因此从安全角度考虑，需要研发一种高效的玻璃幕墙清洁机器人解决以上状况。

就高层建筑外墙玻璃幕墙清洁机器人而言，机器人的吸附、行走、越障、定位、信号传输等关键技术目前尚不够完善，其越障技术，距离实际应用差距就更大，这就极大地限制了高层建筑外墙玻璃幕墙清洁机器人的广泛应用。

目前玻璃幕墙清洁机器人的研究较多，如申请号为CN201320885854.3的中国实用新型专利，公告日为2014-07-16，记载了一种由驱动部分、变向部分、吸附部分、清洁部分、水循环部分、组成的吸附移动式爬壁双向清洁机器人，虽然具有便于调整方向与更换路径，可携带多种仪器设备，有双向清洗模式,工作效率高的优点，但是该机器人结构复杂，螺杆和电磁阀等不易控制，且该机器人无法实现越障功能。再如申请号为CN200920283411.0的中国实用新型专利，公告日为2010-11-03，记载了一种由清洁机构、壁面吸附机构、机器人越障机构、机器人支援系统和GPS位姿跟踪控制系统构成的高层建筑外玻璃幕墙清洁机器人，该机器人的行走越障机构为飞行器，由于机器人在高空作业，靠吸附装置与壁面接触，飞行器越障后下落吸附会造成工作的不稳定性，一旦坠落将造成严重事故。而且对飞行器的控制要求比较高。

目前玻璃幕墙清洁机器人也有一些应用，如日本科沃斯公司在2014年5月发售的winbot擦玻璃机器人。该机器人通过真空抽气的方式将机器人吸附在表面相对光滑的玻璃上，使用履带进行移动。winbot采取“z”字形清洁的方法，自动检测边缘，设定覆盖玻璃面积的最短路径。但是该机器人只能在擦拭一整块玻璃，无法越过从一块玻璃到另一块玻璃的障碍。再如德国hobot擦玻璃机器人，通过一个真空马达抽气，采取双吸盘吸附并移动擦拭，能自动识别边缘并进行最优路径规划，通过遥控器进行操作。虽然它体积更为小巧，重量更轻。但是它依然无法完成越障动作。

国内远大集团、新松公司、梵天工业设计三家沈阳龙头企业共同研发推出了一款首款玻璃幕墙清洗机器人。该机器人需安装在楼体特殊轨道上来完成清洗和越障动作，虽然安全性得到保证，但无疑增加了其使用的复杂程度及其成本，不易普及，而且对于不能铺设轨道的玻璃幕墙结构来说，将无适用空间。另外，平面玻璃幕墙清洗机器人设计了2 个自身无行走机构并依靠壁面牵引移动的清洗机器人系统. 机器人吸附在壁面上,在楼顶卷扬机的牵引作用下依靠自身重力沿壁面下滑,同时完成清洗作业，该机器人运动轨迹笨拙，越障能力差，幕墙尚未投入市场运用。

实用新型内容

为了解决背景技术中提到的诸多问题，本实用新型提供一种吸附力稳定、越障能力强、擦拭效率高、抗风载荷能力强、重量轻、结构简单和控制方便的双吸盘连杆式玻璃幕墙清洁机器人。

为了实现上述目的，本实用新型为一种可完整清洁存在150mm×150mm障碍的高楼玻璃幕墙清洁机器人。其主要结构包括：吸附装置为2个吸盘和真空泵；行走越障装置，两个吸盘及固定在其上的吸盘顶升机构通过吸盘推进机构连接在一起，通过分别控制吸盘推进机构和吸盘顶升机构中的丝杠的转动，实现清洁机器人的螺旋式行走擦拭和越障；动力装置，吸盘处安装有步进电机，为吸盘的转动提供动力，吸盘顶升机构中丝杠靠近吸盘的一侧安装步进电机，为吸盘的抬起提供动力，吸盘鼎盛机构的上顶板上安装步进电机，为机器人的整体转动提供动力，吸盘推进机构中丝杠一侧安装步进电机，为吸盘的前进提供动力；控制装置，红外检测装置和角度检测装置，安装在适当的高度，发出不同的控制信号，分别检测障碍距离和旋转角度；清洁装置，由清洁箱、清洁布、橡胶环和节流阀组成，能够保证清洁液不断渗至清洁布上；安全装置，由安全环和安全绳组成。

所述吸附装置，吸附力由真空泵提供，使吸盘内形成负压，依靠摩擦力将机器人吸附于壁面上，在擦拭过程中，需要通过调节真空泵来控制吸盘对壁面的压力，当需要吸盘吸附时，将压力调整到很大，当只需小压力吸附旋转擦拭时，将压力调至一定小的范围，保证清洁布有足够压力将玻璃幕墙清洁干净。

所述行走越障装置，吸盘处主动力由2个步进电机提供，步进电机控制吸盘的旋转，来增大擦拭的面积和提高擦拭效率，吸盘推进机构和吸盘顶升机构处的动力由5个步进电机提供，分别控制不同电机的工作状况，以控制吸盘前进擦拭和越障。其中吸盘交替吸附越障方式，可保证越障稳定，增大越障度。

所述行走越障装置，吸盘顶升机构和吸盘推动机构均采用带支撑轨道的丝杠螺母机构，其中丝杠螺母机构用来传递动力，支撑轨道则用来承载和导向，从而在保证丝杠螺母不会因承载过高失效的同时提高了其运动精度，整个机构结构简单，承载能力强，控制方便。

所述控制装置，红外检测装置，当传感器监测范围内没有障碍时，电平为低电平，监测到有障碍时，电平变为高电平。该双吸盘连杆式玻璃幕墙清洁机器人对的吸盘圆形外壳处各安装一个红外传感器。主控制器可以设置三个端口用来检测电平变化，进而控制步进电机和舵机配合转动，实现避障。角度检测装置，主要是越障时，准确控制活动端吸盘转动的角度。

所述清洁装置，两个对称分布的清洁箱安装在外壳圆筒内部，清洁箱内部装有清洁液，清洁箱的安装方式能够保证清洁液在任意时刻均能在重力的作用下流出，清洁箱外部连带有节流阀的细管道，可以控制清洁液流出的速度，保证清洁液以小流速渗至清洁布上。

所述安全装置，将安全环扣在外壳圆筒处，且安全环处连有绳索，可保证机器人脱离壁面后不会翻转，与壁面发生碰撞，损坏壁面，同时保证机器人不会坠落到地面，引起事故。

所述行走越障装置，安装在吸盘上的吸盘顶升机构及与吸盘顶升机构相连的吸盘推进机构可以拆卸、更换以适应壁面上不同尺寸的障碍。

本实用新型一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人的有益技术效果为：新颖、实用、高效，可有效解决现有玻璃幕墙清洁机器人越障能力差，结构复杂和吸附及控制不稳定的缺点，可批量生产，具有较好的推广和使用价值。

附图说明

图1是一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人的总体结构图。

图2是机器人行走擦拭轨迹简图。

图3是该机器人初始状态图。

图4是该机器人前进状态图。

图5是该机器人远离障碍端吸盘越障示意图。

图6是该机器人远离障碍端吸盘越障成功示意图。

图7是该机器人靠近障碍端吸盘越障示意图。

图8是该机器人整体越障成功示意图。

具体实施方式

结合图1—8对本实用新型做出进一步的详细说明。

该清洁机器人由两个由真空泵（8）和两个吸盘（9）包括下端盖（5）、真空腔（6）和上端盖（7）组成的吸附装置，由支撑轨道（2）、丝杠（1）和安装支架（3）组成的吸盘顶升机构，由丝杠（1）和支撑轨道（2）以及安装支架（3）组成的吸盘推进机构，5步进电机（13），2个直流电机（11），2个编码器（12），水箱（4）和安全绳（10）组成，如图1所示。

图2是机器人行走擦拭轨迹简图，图2（a）是整体擦拭行走轨迹图，清楚地表达了清洁机器人在清洁壁面时，由上至下，由左向右，进行擦拭，图2（b）是机器人局部擦拭轨迹图，以螺旋式轨迹行走擦拭。该擦拭轨迹可节约能量，提高擦拭效率。

图3是该机器人初始状态图，工作初始状态时，通过调节真空泵使两端的吸盘均吸附在壁面上，且此时吸盘顶升机构的螺母位于丝杠的最靠近根部的位置，整个机器人处于最矮状态，吸盘推进机构的螺母也位于丝杠的最根部位置，整个机器人处于最短状态。

图4是该机器人前进状态图，清洁工作开始时，保持首端的吸盘固定在壁面上，通过调节真空泵将尾端吸盘的吸力减小，使吸盘以较小压力贴在壁面上，此时通过步进电机控制首端的吸盘在固定位置小幅度往复摆动，同时通过步进电机控制吸盘推进机构中的丝杠的转动使螺母与丝杠根部的距离不断变大，从而使尾端吸盘实现螺旋式前进，该过程中步进电机驱动尾端吸盘转动，带动其下面的清洁布进行旋转式清洁。

图5是该机器人远离障碍端吸盘越障示意图，当通过红外传感器检测到框架障碍时，远离障碍端的真空泵逐渐停止工作，压力减小，另一侧吸盘顶升机构中的丝杠转动，把远离障碍端的吸盘抬到指定高度，可根据障碍高度估定，使其大于最高的障碍物高度。

图6是该机器人远离障碍端吸盘越障成功示意图，当把吸盘抬至一定高度时，靠近障碍端的吸盘顶升机构安装板处的步进电机转动，使机器人逆时针转动180°，越过障碍物，同一吸盘顶升机构的丝杠反向转动，使远离障碍端的吸盘落至接触壁面，真空泵开始工作，并使其吸附在障碍的另一侧。

图7是该机器人靠近障碍端吸盘越障示意图，当远离障碍端的吸盘吸附在障碍的另一侧后，控制靠近障碍端的真空泵逐渐停止工作，压力减小，另一侧吸盘顶升机构中的丝杠转动，把靠近障碍端的吸盘抬到指定高度，可根据障碍高度估定，使其大于最高的障碍物高度。

本实用新型可用于高楼外壁的清洗，包括瓷砖、玻璃幕墙或敷设铝塑板结构。由于该机器人的四连杆可拆卸和更换，可以适应不同尺寸的障碍物。可将清洁装置换成喷涂装置和检测装置等其它装置，以完成管道喷涂等作业。

上述应用实例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并加以实施，并不能限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用新型精神实质所做出的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人，机械本体由两个由真空泵（8）和两个吸盘（9）包括下端盖（5）、真空腔（6）和上端盖（7）组成的吸附装置，由支撑轨道（2）、丝杠（1）和安装支架（3）组成的吸盘顶升机构，由丝杠（1）和支撑轨道（2）以及安装支架（3）组成的吸盘推进机构，5步进电机（13），2个直流电机（11），2个编码器（12），水箱（4）和安全绳（10）组成；吸附力主要靠两个安装在上端盖（7）处的真空泵（8）提供，通过真空泵（8）使真空腔（6）内形成负压，依靠吸盘与壁面的摩擦力将机器人吸附于壁面上；吸盘顶升机构由安装在吸盘上端盖上的支撑轨道（2）、丝杠（1）和固定在螺母上的安装支架（3）组成；吸盘推进机构由安装在安装支架（3）上的丝杠（1）及支撑轨道（2）组成；工作初始状态时，通过调节真空泵（8）使两端的吸盘（9）均吸附在壁面上，此时吸盘顶升机构中的固定在螺母上的安装支架（3）处于丝杠（1）的根部，整个机器人处于最矮状态，清洁工作开始时，保持一端，定为首端，其吸盘固定在壁面上，通过调节真空泵（8）将尾端吸盘的吸力减小，使吸盘以较小压力贴在壁面上，此时步进电机（13）控制首端的吸盘在固定位置小幅度往复摆动，同时通过步进电机控制吸盘推进装置中的丝杠（1）转动，分别固定在丝杠和螺母上的安装支架（3）相对移动从而带动尾端顶升机构及吸盘整体向前移动，从而使尾端吸盘螺旋式前进，该过程中直流电机（11）驱动尾端吸盘转动，带动其下面的清洁布进行螺旋式清洁；当固定在螺母上的安装支架（3）运动到极限位置时，尾端吸盘伸出到设定的最远位置，此时通过分别调节首位两个真空泵使尾端的吸盘以大的吸附力吸附在壁面上，首端吸盘以较小压力贴在壁面上，此时控制尾端的吸盘在固定位置小幅度往复摆动，同时丝杠螺母机构不断缩短，使首端吸盘实现螺旋式前进，该过程中直流电机（13）驱动首端吸盘转动，使其下面的清洁布进行螺旋式清洁，直到运动至丝杠螺母设置的最短极限位置，通过调节真空泵，使首尾两端的吸盘同时固定在壁面上，恢复初始工作状态；然后重复上述过程，对壁面进行清洁；当通过红外传感器检测到框架障碍时，首端吸盘固定并通过吸盘推进装置控制尾端吸盘运动到一定的位置，然后与首端吸盘连接的顶升装置中的步进电机带动丝杠（1）转动将固定在螺母上的安装支架（3）抬高，从而将吸盘推进装置以及尾端吸盘整体抬高到指定高度，可根据障碍高度估定，使其大于最高的障碍物高度，此时首端推进装置安装支架（3）处的步进电机转动，使机器人逆时针转动180°，越过障碍物，首端吸盘处吸盘顶升装置中的步进电机带动丝杠反向转动，使尾端的吸盘落至接触壁面，尾端真空泵开始工作，使尾端的吸盘吸附在障碍的另一侧；此时，采用同样的原理，使首端吸盘越过障碍，再次回到初始工作状态，然后进行越障后的清洁；当通过红外传感器检测到楼宇边界障碍时，调整过程与上述类似，只是此时机器人逆时针旋转90°，再次回到初始工作状态，然后进行越障转弯后的清洁工作。

2.根据权利要求1所述的一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人，其特征在于：包含由内部装有大流量真空泵的两个吸盘组成的吸附装置；吸附力由真空泵提供，使吸盘内形成负压，依靠摩擦力将机器人吸附于壁面上；双吸盘及良好的密封圈保证了机器人具有稳定的吸附力。

3.根据权利要求1所述的一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人，其特征在于：机器人的主要运动状态包括前进和越障两个部分，因此动力提供装置，主要设计为吸盘处放置步进电机，控制吸盘的转动，吸盘推进装置中的丝杠一侧安装步进电机，控制丝杠转动完成前进清洁动作，吸盘顶升装置中的丝杠靠近吸盘一侧安装步进电机完成越障时吸盘的抬起动作，吸盘顶升装置的安装板上放置步进电机，完成越障时机器人的整体转动动作。

4.根据权利要求1所述的一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人，其特征在于：清洁机器人的吸盘顶升机构一端安装在吸盘的上端盖上，另一端即其固定在螺母上的上顶板与吸盘推进机构的安装板通过步进电机连接到一起，保证其可以相对转动。

5.根据权利要求1所述的一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人，其特征在于：清洁机器人在壁面上的平面部分移动时，一端吸盘固定在壁面上，通过调节真空泵使另一端吸盘以较小压力贴在壁面上，此时通过步进电机控制固定端吸盘在固定位置小幅度往复摆动，同时通过步进电机控制吸盘推进装置的丝杠转动带动吸盘直线前进，从而使活动端吸盘实现螺旋式前进，该过程中步进电机驱动活动端吸盘转动，带动其下面的清洁布进行螺旋式清洁。

6.根据权利要求1所述的一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人，其特征在于：当清洁机器人遇到障碍时，需控制离障碍较近端的吸盘吸附在壁面上，通过电机控制该端吸盘处的顶升机构将离障碍较远端的吸盘抬起到一定高度，该吸盘顶升机构的步进电机控制机器人整体转动，转至越过障碍后，通过步进电机控制吸附端吸盘顶升机构的丝杠反转使另一端吸盘下降直至接触到壁面并调节其真空泵使该吸盘吸附与壁面上，然后抬起另一端吸盘，采用同样的方式进行越障。

7.根据权利要求1所述的一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人，其特征在于：清洁布布置在吸盘下侧，当吸盘旋转时，清洁布开始擦拭壁面，且清洁布外侧套有橡胶环，一方面增大与玻璃接触时的摩擦力，另一方面起到清洁作用。

8.根据权利要求1所述的一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人，其特征在于：清洁水箱分布在圆筒外壁两侧，采用喷雾器将清洁液喷洒至玻璃幕墙表面，配合机器人行走擦拭。

9.根据权利要求1所述的一种可越障的玻璃幕墙清洁机器人，其特征在于：该机器人配有安全装置，安全环扣在外壳圆筒处，安全环处连有绳索，一方面保证机器人脱离壁面后不会翻转，与壁面发生碰撞，另一方面保证机器人不会坠落到地面，引起事故。