CN103082934B - 基于足式爬壁的智能玻璃清洁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于足式爬壁的智能玻璃清洁机器人，包括机器人主体、行走单元、四个吸附单元、驱动单元、机体控制单元、清洗单元、图像识别单元和无线控制单元；行走单元包括四只机械足；四个吸附单元分别安装在四只机械足上组成四只吸附足，在机体控制单元的作用下四只吸附足和驱动单元协调运动，带动机器人主体运动；图像识别单元与机体控制单元连接，通过实时采集图像信号来检测障碍物和幕墙边缘，将所采集的图像信号进行处理后传输给机体控制单元；无线控制单元与机体控制单元连接，用于远程控制所述机器人主体运动。本发明在玻璃单侧吸附，可跨越窗框等障碍物，具有图像识别功能，行走方式灵活，运动平稳。

Description

基于足式爬壁的智能玻璃清洁机器人

技术领域

本发明涉及一种基于足式爬壁的智能机器人，应用于高楼外侧玻璃清洗工作。

背景技术

在日常生活中，人们一般使用抹布清洁擦洗小块的玻璃，用杆和梯子等辅助工具人工擦洗大块玻璃和窗户外立面玻璃。这种清洁玻璃的方式不仅劳动量大、效率低，而且擦洗窗户外立面玻璃时操作难，存在一定安全隐患。

随着城市的发展，高楼建筑成为城市的主要建筑物，这些高楼的壁面多采用玻璃幕墙作为装饰，每经一段时间，就需要对壁面进行清洗。因为幕墙面积较大，部分处于几十米甚至上百米的高度，周围无可攀援的支架，幕墙的清洗也就成为一项繁重、危险、耗资巨大的工作。目前，对高层建筑的清洗工作主要由人工完成，清洗工人搭乘吊篮或腰系绳索进行高空擦洗，十分危险，而且人工作业的效率很低，清洗费用昂贵。不但如此，人工清洗对天气等环境条件的要求很高，楼层越高，要求风速越小且气温适宜，雨水天气无法作业。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于足式爬壁的智能玻璃清洁机器人，本发明在玻璃单侧吸附，可跨越窗框等障碍物，具有图像识别功能，行走方式灵活，运动平稳，实现了无线监控，解决了人工清洗玻璃效率低、不安全的技术问题。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案实现的：一种基于足式爬壁的智能玻璃清洁机器人，包括机器人主体、行走单元、吸附单元、驱动单元、机体控制单元、清洗单元、图像识别单元和无线控制单元，

所述行走单元包括四只机械足；所述吸附单元设有四个，分别安装在四只机械足上，与所述机械足一起组成四只吸附足，在所述机体控制单元的作用下，所述四只吸附足和所述驱动单元协调运动，带动所述机器人主体运动；

所述图像识别单元与机体控制单元连接，通过实时采集图像信号来检测障碍物和幕墙边缘，将所采集的图像信号进行处理后传输给机体控制单元；

所述无线控制单元与机体控制单元连接，用于远程控制所述机器人主体运动。

优选的，所述吸附单元包括连接板、金具、防滑吸盘、缓冲装置，缓冲单元套在金具上；金具一端连着吸盘，另一端连着连接板；所述缓冲装置安装在金具上。

优选的，所述驱动单元包括减速电机、齿杆及齿轮；所述齿轮安装在减速电机上，所述减速电机固定在所述机器人主体上，所述齿轮咬合所述齿杆。

优选的，所述机体控制单元包括电机驱动板、舵机控制板、电磁继电器及单片机，所述电机驱动板与所述减速电机相连，所述舵机控制板与所述机械足上的舵机相连，所述单片机分别与所述电机驱动板、舵机控制板和所述电磁继电器相连。

优选的，所述图像识别单元包括摄像头、图像采集卡、主机及无线收发模块，所述摄像头安装在所述机器人主体上；通过所述摄像头采集实时图像，经所述图像采集卡处理后经所述无线收发模块发送，由所述主机接收并处理后反馈给机体控制单元。

优选的，所述无线控制单元包括Zigbee发送模块和Zigbee接收模块，所述Zigbee发送模块用于发送控制信号；所述Zigbee接收模块安装在所述机器人主体上，用于接收控制信号，并将所述控制信号传输给机体控制单元。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明行走方式灵活稳定、速度快，同一时刻有两组吸盘吸附在玻璃上，有效防止坠落，可以跨越窗框障碍物，只在玻璃单侧吸附，不受玻璃厚度和安装方式的限制；所述玻璃清洁机器人在有窗框、无窗框、室内、室外的玻璃上都实用。

2、本发明采用电机、齿轮和齿杆组合的驱动单元，驱动力大，提高了玻璃清洁的效率，且所述机器人水平方向上的运动速度可调节。

3、本发明机器人只吸附在玻璃的一侧，不受玻璃厚度和玻璃安装方式的约束。

4、本发明在吸盘组金具上安装了缓冲装置，解决了主体受力不均时吸附不稳定的问题。

附图说明

下面结合附图对所述各个单元的技术方案进行详细说明：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是吸附单元的结构示意图；

图4是驱动单元的结构示意图；

图5是吸附足的示意图；

图6是吸附足与吸附单元的连接示意图；

图7是图像识别单元的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本发明基于足式爬壁的智能玻璃清洁机器人包括机器人主体、行走单元、吸附单元、驱动单元、机体控制单元、图像识别单元、无线控制单元及清洗单元。

如图1、2所示，所述的行走单元包括四只机械足，其中两只是水平向机械足2、4，每只水平向机械足由2个所述舵机组成，安装在所述齿杆的两端；另外两只是竖直向机械足1、3，每只竖直向机械足由3个舵机组成，安装在所述机器人主体的上下两端。机械足上舵机的数量可以根据机体的体积和重量变动。

所述吸附单元设有四个。如图3所示，每个吸附单元包括一块连接板5、2根金具6、2个防滑吸盘7、2套缓冲装置8，缓冲单元套在金具6上，金具6一端连着吸盘7，另一端连着连接板5，组成一套吸盘组。所述吸盘组与吸气泵9相连，所述吸气泵9工作产生真空，使所述吸盘组吸附在玻璃上，其技术难点在于保证每次吸附时所述吸盘与玻璃表面完全贴合，不能留一丝缝隙。为解决这一技术难点，在所述金具6上安装有由两个不同劲度系数的弹簧组装成的缓冲装置8，用于增加所述吸附单元的灵活性，保证当所述机器人主体上下和左右受力不均时所述吸盘能与玻璃表面完全贴合，稳定吸附在玻璃上。所述吸盘、吸气泵、电磁阀的数量可以根据机体的体积和重量改变。

如图4所示，所述驱动单元包括一个减速电机10、一根齿杆11、一个齿轮12。安装有齿轮12的减速电机10固定在所述机器人主体上，所述齿轮咬合所述齿杆11，所述减速电机10具有足够的驱动力且速度可调。

所述每只机械足与所述每个吸附单元通过连接板连接在一起，组装成一个吸附足。如图5所示，所述机器人上共有4只吸附足，其中两只是水平向吸附足22、24，另外两只是竖直向吸附足21、23。如图6所示，所述两只水平向吸附足22、24通过连接板5连接到所述齿杆11的两端。

所述的机体控制单元包括一块电机驱动板、一块舵机控制板、两个电磁继电器及一块单片机，机体控制单元安装在所述机器人主体上。所述电机驱动板与所述减速电机10相连，所述舵机控制板与所述机械足的10个舵机相连，所述电磁继电器与所述电磁阀相连，所述单片机与所述电机驱动板、所述舵机控制板和所述电磁继电器相连。在烧写入单片机的程序的控制下，所述各个单元能协调工作，保证所述机器人能吸附在玻璃上并按程序要求向上下左右四个方向运动。在所述机体控制单元的控制下，所述行走单元、吸附单元和驱动单元能够协调工作，使所述机器人吸附在玻璃幕墙上，并向上下左右四个方向平稳运动，并且跨越窗框等障碍物。

如图7所示，所述图像识别单元用于检测窗框等障碍物和幕墙边缘，包括摄像头、图像采集卡、主机、无线收发模块，所述摄像头13安装在所述机器人主体上，通过所述摄像头采集实时图像，经所述图像采集卡处理后经所述无线收发模块14发送，由所述主机接收并处理后反馈给机体控制单元的单片机，再由所述单片机的运动控制程序对机体运动速度和方向等进行一系列的调节和控制。

所述无线控制单元包括Zigbee发送和接收模块，用于远程控制所述玻璃清洁机器人运动。所述Zigbee接收模块安装在所述机器人主体上，当所述机器人用于擦洗高楼幕墙玻璃时，操作者利用所述Zigbee发送模块发送控制信号，所述Zigbee接收模块接收信号，并将所述控制信号传输给机体控制单元的单片机，实现对所述机器人的远程控制。

所述的清洗单元包括清洁刷、喷液装置，清洁液与清水分开喷射。所述清洁刷与舵机相连，安装在所述机器人齿杆的两端，在所述机器人水平向运动时，所设定程序可通过调整所述舵机角度使所述清洁刷贴在玻璃壁面上进行擦洗，所述喷液装置将清洁液和清水分开喷射。

下面以本发明基于足式爬壁的智能玻璃清洁机器人擦洗一块带边框的玻璃为例，对本发明机器人的运动流程进行说明：

程序初始化后，所述机器人的四只吸附足同时牢固吸附在玻璃壁面上，所述摄像头开始采集壁面图像，并将图像信息传给所述图像采集卡，经图像采集卡处理后的信息传送给所述主机，所述主机判断所述机器人是否处于左上角的边框处，并将判断信息反馈给所述单片机，若信息显示所述机器人未放置于左上角的边框处，则所述单片机控制所述机器人行走至左上角，在这一过程中所述清洗单元不工作。

所述机器人行走过程如下所述：若开始需水平向行走，当所述图像识别单元在行走方向未检测到障碍物，所述竖直向吸附足牢固吸附在玻璃上，所述单片机通过控制所述电磁继电器控制与所述水平向吸附足吸盘相连的电磁阀使其阀门开启，所述水平向吸附足的吸盘脱离玻璃壁面，然后所述水平向吸附足抬升，所述减速电机工作，带动所述齿轮向顺时针方向转动，驱动所述齿杆以最大步距m向前运动一步，然后所述水平向吸附足下降，贴住玻璃表面，所述单片机通过控制所述电磁继电器控制与所述水平向吸附足吸盘相通的所述电磁阀使其阀门关闭，吸气泵迅速抽空所述吸盘内的空气形成真空，所述水平向吸附足牢固吸附在玻璃壁面上，之后所述竖直向吸附足以上述相同方式脱离玻璃壁面，所述单片机控制所述减速电机带动所述齿轮向逆时针方向转动，驱动所述机器人主体向前运动，然后所述竖直向吸附足再次吸附在玻璃上，水平向吸附足抬升，重复之前的运动。

当所述图像识别单元在行走方向检测到障碍物时，将障碍物与机体的距离n（n<齿杆最大步距m-机器人主体宽度k，当n>齿杆最大步距m-机器人主体宽度k时，单片机不对反馈信息作出响应）反馈给单片机，所述单片机控制所述水平向吸附足抬升，所述齿杆向前运动n+k距离，所述水平向吸附足跨越障碍，吸附在玻璃上，所述竖直向吸附足抬升，所述减速电机工作，驱动所述机体主体向前运动跨越障碍。

当所述机器人处于玻璃左上角的边框后，所述机器人按照上述方式开始水平向右运动，此时若未遇障碍物，所述清洁刷下降至与玻璃壁面接触，随所述齿杆一起向右运动，擦洗玻璃。当运动到右上角的边框处时，再向下运动一步，然后向左运动。所述机器人按照上述方式运动并擦洗玻璃，直到完成整块玻璃的擦洗工作，程序终止运行，所述机器人的水平向吸附足和竖直向吸附足一起吸附在玻璃壁面上，恢复初始状态。

所述机器人的图像识别***能够识别窗框、障碍物和玻璃幕墙边缘，跨越窗框和跨越障碍物方式相同。

所述机器人可以远程操作，当所述机器人在高空或者远距离作业时，操作者利用所述Zigbee发射模块发出一系列控制信息，所述机器人主体上的Zigbee接收模块接收该控制信息并传输给所述单片机，所述单片机根据该控制信息控制机器人运动。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于足式爬壁的智能玻璃清洁机器人，包括机器人主体、行走单元、吸附单元、驱动单元、机体控制单元、清洗单元、图像识别单元和无线控制单元，其特征在于：

所述行走单元包括四只机械足；所述吸附单元设有四个，分别安装在四只机械足上，与所述机械足一起组成四只吸附足，在所述机体控制单元的作用下，所述四只吸附足和所述驱动单元协调运动，带动所述机器人主体运动；

所述图像识别单元与机体控制单元连接，通过实时采集图像信号来检测障碍物和幕墙边缘，将所采集的图像信号进行处理后传输给机体控制单元；

所述无线控制单元与机体控制单元连接，用于远程控制所述机器人主体运动；

所述每个吸附单元包括一块连接板、两根金具、两个防滑吸盘、两个缓冲装置，每个缓冲装置套在一个金具上；金具一端连着吸盘，另一端连着连接板，两个缓冲装置为两个不同劲度系数的弹簧；

所述驱动单元包括减速电机、齿杆及齿轮；所述齿轮安装在减速电机上，所述减速电机固定在所述机器人主体上，所述齿轮咬合所述齿杆。

2.根据权利要求1所述的智能玻璃清洁机器人，其特征在于，所述机体控制单元包括电机驱动板、舵机控制板、电磁继电器及单片机，所述电机驱动板与所述减速电机相连，所述舵机控制板与所述机械足上的舵机相连，所述单片机分别与所述电机驱动板、舵机控制板和所述电磁继电器相连。

3.根据权利要求1所述的智能玻璃清洁机器人，其特征在于，所述图像识别单元包括摄像头、图像采集卡、主机及无线收发模块，所述摄像头安装在所述机器人主体上；通过所述摄像头采集实时图像，经所述图像采集卡处理后经所述无线收发模块发送，由所述主机接收并处理后反馈给机体控制单元。

4.根据权利要求1所述的智能玻璃清洁机器人，其特征在于，所述无线控制单元包括Zigbee发送模块和Zigbee接收模块，所述Zigbee发送模块用于发送控制信号；所述Zigbee接收模块安装在所述机器人主体上，用于接收控制信号，并将所述控制信号传输给机体控制单元。