CN104207733A

CN104207733A - 负压吸附式楼道清扫机器人

Info

Publication number: CN104207733A
Application number: CN201410378143.6A
Authority: CN
Inventors: 陈炜峰; 赵伟; 刘云平; 王璐
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2014-08-04
Filing date: 2014-08-04
Publication date: 2014-12-17

Abstract

本发明公开了一种负压吸附式楼道清扫机器人，克服现有了清扫机器人爬楼困难以及清扫效率不高、稳定性较差，无法很好完成楼道清扫工作的问题,本发明提供一种负压吸附式楼道清扫机器人，目的在于高效、稳定的完成边爬楼梯边清扫工作，很好的实现机器人在楼道等环境复杂区域智能清扫。该负压吸附式楼道清扫机器人，至少包括两块基板、设置于第一基板一侧用于壁面吸附及移动的负压吸附式爬壁模块、设置于第二基板下端面由吸尘器与旋转毛刷组成的清扫模块、设置于第二基板上端面并与负压吸附式爬壁模块相连的负压装置、以及负责机器人整体智能运作的控制模块。本发明机器人具有高智能化、爬壁稳定、清扫高效等优点。

Description

负压吸附式楼道清扫机器人

技术领域：

本发明属于机器人和自动控制领域,特别是一种在楼道等环境复杂区域完成清扫工作的楼道清扫机器人。

背景技术：

随着经济的飞速发展，现代化高层办公大楼以及高层住宅楼数量骤增，劳动力供给不足、雇佣劳动力花销巨大等现实问题，使我们迫切需求智能楼道清扫机器人的出现。目前，国内外已经有大量的研究者投入到楼道清扫机器人的开发研究当中。

山东理工大学矫玉菲，侯荣国，苏秋平等人，于制造业自动化发表一种新型智能清洁机器人及其控制方法一文，文章编号1009-0134（2013）12-0026-04。文中设计的智能清洁机器人主要由行走及攀爬机构、自动拖地/吸尘装置、控制***、智能识别模块等部分组成。该装置通过增加带辐片式轮组的行走及攀爬机构，可实现机器人在平地行走和爬楼梯之间的转换；通过自动升降吸尘装置清理收集各种垃圾、尘土，经电动滚子式拖把将地面清理干净；其控制***采用单片机作为核心部件，与智能控制模块相结合且具有语音识别功能和红外线接收功能，可控制机器人完成卫生清洁工作。该机器人体型较大，功耗大、清扫效率不高，控制繁琐。

南通大学张磊，唐文学，张乐等人，发明了一种升降伸缩式楼道清扫机器人，申请号：201210116810.4，公开号：CN 102631172 A。该升降伸缩式楼道清洁机器人,采用平行四杆机构，通过单片机控制芯片控制实现四杆机构的升降伸缩变换，机器人完成爬楼工作，同时通过安装在机器底部的清扫装置完成清扫。该机器人稳定性较差，容易发生倾翻且清扫效率不高。

哈尔滨工业大学推出了楼梯清洁机器人受齿轮啮合原理启发,利用渐开线型轮爬楼的方法,进而设计了一种新型爬楼机,并在此基础上增加了楼梯清扫功能。该机器人清扫装置过于简单，存在清洁功能不显著,清洁机构设计不合理的问题。

美国卡萨贝拉公司的设计者埃利奥特科恩提出了一种新型的概念楼道清扫机器人，该机器人采用蜂窝状型轮，具有较好的越野攀爬能力，机身腹部正中间安装有吸尘器，并且可以自动调节吸力以及离地间隙，此外，该机器人可以将打扫时清理、收集的细菌转化为生物能，为自身提供循环电力。该概念机器人的提出让人眼前一亮，但它存在造价昂贵，机构复杂，技术不成熟等问题。

发明内容：

为了克服现有清扫机器人爬楼困难以及清扫效率不高、稳定性较差，无法很好完成楼道清扫工作的问题,本发明提供一种负压吸附式楼道清扫机器人，目的在于高效、稳定的完成边爬楼梯边清扫工作，很好的实现机器人在楼道等环境复杂区域智能清扫。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：

一种负压吸附式楼道清扫机器人，至少包括两块基板、设置于第一基板一侧用于壁面吸附及移动的负压吸附式爬壁模块、设置于第二基板下端面由吸尘器与旋转毛刷组成的清扫模块、设置于第二基板上端面并与负压吸附式爬壁模块相连的负压装置、以及负责机器人整体智能运作的控制模块。

所述两块基板相互垂直固连在一起。

所述负压吸附式爬壁模块包括密封吸盘、移动装置、通气导管、电磁阀；密封吸盘吸附在第一基板表面，移动装置包括两个运动方向十字正交的机构，每个机构均由电机、传动组件、转轴、轮子组成。

所述电机采用直流电机，电机座固定在第一基板上,电机输出轴经传动组件与转轴传动连接；传动组件采用齿轮齿条结构；所述负压吸附式爬壁模块的密封吸盘采用改性PTFE(聚四氟乙烯)材料制成。

所述清扫模块由旋转毛刷、吸尘器、旋转毛刷驱动电机、吸尘器驱动电机及其传动件组成。

所述负压装置包括吸盘、真空泵、电磁阀和通气导管；电磁阀一端通过通气管路与真空泵连接,另一端通过通气管路与吸盘连接。

还包括传感器信息采集***，传感器信息采集***包括红外接收器、楼梯判断传感器、碰撞传感器及超声波测距传感器；其中，红外接收器安装于第二基板底部下方；楼梯判断传感器安装于第二基板左侧面；碰撞传感器设置二个，分别安装于第二基板前侧面及后侧面；超声波测距传感器安装于第二基板底部下方。

所述控制模块采用STM32控制芯片（还配有电源模块和状态显示器），其中移动装置的电机、吸尘器电机、旋转毛刷电机和真空泵驱动电机分别与控制模块的驱动控制端口连接；红外接收器、楼梯判断传感器、碰撞传感器及超声波测距传感器分别与控制模块的信号采集端连接；真空泵、真空泵驱动电机和各电磁阀分别与控制模块的控制端口相连。

本发明的有益效果如下：

相比于传统的轮式楼道清扫机器人、升降伸缩式楼道清扫机器人或者是履带式楼道清扫机器人，其设计结构新颖，特殊的爬楼方式—壁面吸附爬楼方式完美的解决了由于楼梯存在带来的各种攀爬问题,多吸盘负压吸附式爬壁机构使得机器人的移动能力和越障能力显著提升，吸附稳定且控制便捷，上下楼梯动作简洁。

单片机配合传感器信息采集***、驱动控制***，智能控制第二基板下端面的一体化清扫装置以及单向轮子的运作使得机器人在每爬上完一层楼梯到达楼梯面后能灵活的在该层完成清扫任务且特殊的一体化清扫模块也使得机器人的清扫效率有了很大程度的提高，本发明机器人高智能化、爬壁稳定、清扫高效，制造成本低,体型适中，易于维修,适合量产。

附图说明:

图1是本发明机器人负压吸附式爬壁机构示意图。

图2是本发明机器人各类传感器安装分布示意图。

图3是本发明机器人控制***结构示意图。

图4是本发明机器人总体结构示意图。

图中：1、封闭吸盘；2、通气导管；3、第一电磁阀；4、第二电磁阀；5、第三电磁阀；6、第四电磁阀；7、真空泵；8、真空泵驱动电机；9、第一基板；10、第一基板轮1；11、第一基板轮1驱动电机；12、第一基板轮2；13、第一基板轮2驱动电机；14、碰撞传感器1；15、红外接收器；16、超声波测距传感器；17、楼梯判断传感器；18、碰撞传感器2；19、第二基板；20、第二基板后轮；21、后轮驱动电机；22、第一旋转毛刷；23、第一旋转毛刷驱动电机；24、吸尘器；25、第二旋转毛刷；26、第二旋转毛刷驱动电机；27、第二基板前轮；28、前轮驱动电机；29、STM32。

具体实施方式：

下面结合具体实例及附图对本发明做进一步说明。

实施例一：

本发明包括：两块基板、设置于第一基板上用于吸附壁面且进行壁面移动的负压吸附式爬壁模块、设置于第二基板下端面由吸尘器与旋转毛刷组成的清扫模块、设置于第二基板上端面，与吸盘相连的负压装置以及负责机器人整体智能运作的控制模块。由STM32作为主控制芯片，各类传感器联合采集信息并反馈，经STM32协调控制该机器人智能运作，通过负压吸附式爬壁模块、负压装置以及传感器信息采集模块联合完成机器人的墙壁攀爬运动；通过清扫模块和传感器信息采集模块联合完成楼梯面的高效清扫。

所述负压吸附式爬壁模块由4个吸盘、移动装置、4个电磁阀和通气导管组成。其吸盘采用负压吸盘,吸盘与壁面接触的密封气囊具有滑动密封效果,在机器人运动过程中,起到维持吸盘内负压的作用，吸盘内产生负压时,吸盘附着于壁面。该机构采用了四个封闭吸盘，由通气导管与真空泵连接，通过电磁阀的打开或关闭控制吸盘的吸附与放松，吸盘灵活的负压吸附与放松使得机器人具有了一定的越障能力。

所述清扫装置，设计有双旋转毛刷、吸尘器一体化结构，第二基板下端面前端安装旋转毛刷,基板下端面中间下方设置吸尘器,在吸尘器后方继续设置旋转毛刷;由单片机控制***智能控制吸尘器与旋转毛刷的工作与停止。

所述楼梯面运动模块，设计有直流电机、单向运动轮及其齿轮传动部件。由主控制***控制直流电机的运转，通过齿轮传动***智能控制滑轮在楼梯面的运动。

所述控制***包括控制芯片STM32，该芯片与各个运动轮驱动电机及其齿轮传动部件、吸尘器电机、旋转毛刷电机、真空泵驱动电机等组成的驱动控制***；与红外接收器、楼梯判断传感器、碰撞传感器及超声波测距传感器组成的信息采集***；与真空泵、真空泵驱动电机、电磁阀、通气导管组成的负压控制***。STM32联合控制各个子***，保证负压吸附式楼道清扫机器人高效稳定的完成清扫工作。

本发明设计了负压吸附式爬壁机构，与STM32、负压控制***、传感器信息采集***、驱动控制***的联合运作可使机器人吸附于墙壁并运动；设计了旋转毛刷、吸尘器一体化清扫装置，与STM32、传感器信息采集***、驱动控制***的联合运作，使机器人完成楼梯面边往复运动边清扫工作；设计了基于单片机控制***,采用多种功能传感器,实现机器人自主可靠的吸附墙壁运动，完成楼梯攀爬，每爬上一层,机器人于该层上行走，智能自主的完成台阶清扫工作，整个过程,全程自动化，无需人力参与。

实施例二：

图1，负压吸附式爬壁机构。电磁阀3、电磁阀4、电磁阀5、电磁阀6的一端通过通气导管2与真空泵7连接,另一端通过通气导管2分别与各个吸盘连接，爬壁机构贴近墙壁面后，打开真空泵驱动电机8同时打开电磁阀，封闭吸盘形成负压，机器人紧紧吸附于墙壁表面；通过控制***智能控制第一基板轮1驱动电机11、第一基板轮2驱动电机13的启动与停止，实现机器人上下与左右方向的运动进而完成爬楼。

图2，各类传感器安装分布。第二基板 19底部下方安装红外接收器15和超声波测距传感器16，红外接收器15用于接收操控者发送的指令,实现机器人运动的实时控制；超声波测距传感器16用于实时测量第二基板 19与楼梯面的距离，实时反馈给主控制芯片STM32 29响应控制机器人执行下一步运作；第二基板 19前侧面及后侧面各安置一个碰撞传感器1 14、碰撞传感器2 18，机器人工作时若与墙壁发生碰撞则立即反馈给主控制芯片STM32 29，单片机立即响应控制机器人执行合适的运作；第二基板 19左侧面安装有楼梯判断传感器17，可以实时判断机器人是否靠近楼梯边缘，反馈给控制芯片STM32 29，做出相应的响应控制。

图3，发明机器人控制***结构，电源模块、主控制芯片STM32 29分别与驱动控制***、信息采集***、负压控制***连接；驱动控制***通过信号线分别与真空泵驱动电机8、第一基板轮1驱动电机11、第一基板轮2驱动电机13、后轮驱动电机21、第一旋转毛刷驱动电机23、吸尘器24、第二旋转毛刷驱动电机26、前轮驱动电机28相连;信息采集***通过信号线与红外接收器15、楼梯判断传感器17、碰撞传感器14、18、超声波测距传感器16相连；负压控制***通过信号线与真空泵7、真空泵驱动电机8、电磁阀3、电磁阀4、电磁阀5、电磁阀6、通气导管2相连。

本发明机器人爬壁清扫可以分成以下几个部分的任务:

探测楼梯、决策爬壁:主控制芯片STM32 29通过信号线分别与负压吸附爬壁机构移动装置上的驱动电机以及负压装置上的真空泵驱动电机8以及各个电磁阀连接，在机器人第二基板上,安装楼梯判断传感器17、碰撞传感器14、碰撞传感器18,根据楼梯判断传感器17的反馈信息，确保机器人贴着楼梯前沿运行；根据碰撞传感器18的反馈信息，实时判断机器人是否贴近墙壁，如果是则转入爬壁处理；否则，继续沿楼梯前沿运行。

在机器人第二基板底部下方,安装一个超声波测距传感器16。转入爬壁运动时，配合其他传感器的联合信息，实时测量吸附于墙壁上的机器人第二基板 19与楼梯面的距离并反馈给主控制芯片STM32 29响应，控制机器人进行下一步运作。如第二基板与楼梯面距离未达到已设定的某一参数时，则继续进行壁面升降运动；如距离接近该参数，配合楼梯判断传感器17联合反馈信息，控制机器人进行壁面平移运动后抵达某位置停止；控制电磁阀、真空泵7、真空泵驱动电机8，移除吸盘的负压效果，机器人平稳的停至楼梯面。

机器人平稳停至上一级台阶面后，主控制芯片STM32 29智能控制清扫模块的第一旋转毛刷驱动电机23、第二旋转毛刷驱动电机26、吸尘器24的运作与停止，同时配合传感器信息采集***，智能控制机器人在楼梯面的往复运动的同时完成清扫工作，整个清扫过程高效快捷。

清扫完毕后，停止清扫模块的运作，主控制芯片STM32 29配合传感器信息采集***，重复探测楼梯、决策爬壁运作。机器人移动至贴近墙壁面处停止；主控制芯片STM32 29配合负压控制***以及驱动控制***，机器人进行负压吸附爬壁运动，再次完成爬楼，如此反复，便可以智能、高效、稳定的完成楼道清扫工作。

Claims

1.一种负压吸附式楼道清扫机器人，其特征在于：至少包括两块基板、设置于第一基板一侧用于壁面吸附及移动的负压吸附式爬壁模块、设置于第二基板下端面由吸尘器与旋转毛刷组成的清扫模块、设置于第二基板上端面并与负压吸附式爬壁模块相连的负压装置以及负责机器人整体智能运作的控制模块。

2.根据权利要求1所述的负压吸附式楼道清扫机器人，其特征在于：所述两块基板相互垂直固连在一起。

3.根据权利要求1所述的负压吸附式楼道清扫机器人，其特征在于：所述负压吸附式爬壁模块包括密封吸盘、移动装置、通气导管、电磁阀；密封吸盘吸附在第一基板表面，移动装置包括两个运动方向十字正交的机构，每个机构均由电机、传动组件、转轴、轮子组成。

4.根据权利要求3所述的负压吸附式楼道清扫机器人,其特征在于:所述电机采用直流电机，电机座固定在第一基板上,电机输出轴经传动组件与转轴传动连接；传动组件采用齿轮齿条结构；所述负压吸附式爬壁模块的密封吸盘采用改性PTFE材料制成。

5.根据权利要求1所述的负压吸附式楼道清扫机器人，其特征在于：所述清扫模块由旋转毛刷、吸尘器、旋转毛刷驱动电机、吸尘器驱动电机及其传动件组成。

6.根据权利要求1-5任一所述的负压吸附式楼道清扫机器人,其特征在于:所述负压装置包括吸盘、真空泵、电磁阀和通气导管；电磁阀一端通过通气管路与真空泵连接,另一端通过通气管路与吸盘连接。

7.根据权利要求6所述的负压吸附式楼道清扫机器人,其特征在于:还包括传感器信息采集***，传感器信息采集***包括红外接收器、楼梯判断传感器、碰撞传感器及超声波测距传感器；其中，红外接收器安装于第二基板底部下方；楼梯判断传感器安装于第二基板左侧面；碰撞传感器设置二个，分别安装于第二基板前侧面及后侧面；超声波测距传感器安装于第二基板底部下方。

8.根据权利要求7所述的负压吸附式楼道清扫机器人,其特征在于:所述控制模块采用STM32控制芯片，其中移动装置的电机、吸尘器电机、旋转毛刷电机和真空泵驱动电机分别与控制模块的驱动控制端口连接；红外接收器、楼梯判断传感器、碰撞传感器及超声波测距传感器分别与控制模块的信号采集端连接；真空泵、真空泵驱动电机和各电磁阀分别与控制模块的控制端口相连。