CN113944147A - 一种多模式水面垃圾清理机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多模式水面垃圾清理机器人，其包括行走机构、清理机构、垃圾传送机构、检测机构结构，行走机构箱体包括内置清理机构的前箱体和存储垃圾的后箱体，所述清理机构包括齿轮机构、偏心盘、凸轮机构、锁紧机构、转位机构、机构曲柄、末端执行杆以及对应的垃圾清扫铲，可以实现灵活、高柔性地将主动齿轮的转动运动转换为末端执行器的间歇运动，且可通过调节偏心盘位置和齿轮减速比实现对间歇运动的控制，所述检测机构结构包括摄像头、距离传感器、位置传感器以及对应的控制单元，可以实现机器人多模式下的控制，在水面垃圾清理机器人领域具有较大的创新。

Description

一种多模式水面垃圾清理机器人

技术领域

本发明涉及一种水面垃圾清理机器人，具体地说，涉及一种多模式水面垃圾清理机器人，属于环保设备技术领域。

背景技术

随着社会的不断发展，水资源污染严重，其中一项重要的污染来源便是陆地上的废弃物，其中又以塑料瓶塑料袋类的废弃物居多，同时水华和水面碎屑对水质的影响也非常严重，上述情况往往成为杀死水生物的元凶。现在，海洋、河流垃圾的清理、处置技术与设施相对落后，垃圾清理仍以劳动密集型为主，许多非沿海发达城市的地方大多采用人工打捞水面垃圾的原始方法。利用半舱式或甲板机动驳船，由环卫工人手持网兜站在甲板边上直接把垃圾捞上来，这种作业方式劳动强度大、工作环境恶劣，人身安全没有保障，不仅费时费力、清理难度大，而且综合成本高、难以及时清理。因此，急需研究开发一种更加安全、高效水面垃圾自动清理无人机。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种多模式水面垃圾清理机器人，并在机器人结构设计上应用可调式转位机构，能够通过驱动电机的连续转动运动转换为末端执行元件的间歇运动，且转换运动具有灵敏、平滑、高柔性且易于更改参数的特点。相较于转位凸轮和棘轮机构，本发明的机械结构减少了冲击载荷，并使得产品具有更强的通用性，可以很方便的更改电机转动圈数与转位盘转动圈数的对应关系以及每次间歇运动的时间长短。

具体地，本发明提供一种多模式水面垃圾清理机器人，包括行走机构、清理机构、垃圾传送机构、检测机构，其特征在于：所述清理机构安装于行走机构前部内侧，所述垃圾传送机构安装在所述清理机构后方，所述检测机构安装在行走机构外壳上；

所述清理机构包括：清理电机、、行星齿轮、限位机构、转位盘、线移驱动架、机构曲柄、传动杆曲柄、末端执行杆、垃圾清扫铲，所述清理电机固定安装在行走机构的前箱体内侧；所述清理电机输出轴连接有主动齿轮并驱动其转动，所述主动齿轮啮合连接有带凸轮的从动齿轮，主动齿轮设置有带有安装孔的偏心盘，偏心盘铰接有主动齿轮驱动连杆的一端，主动齿轮驱动连杆另一端转动连接有行星齿轮；所述带凸轮的从动齿轮通过凸轮传动与限位机构进行配合；所述限位机构上设有齿条段和内啮合齿轮段，齿条段与转位盘啮合连接，内啮合齿轮段能够与行星齿轮相互啮合；所述带凸轮的从动齿轮、限位机构以及转位盘转动安装在行走机构壳体内；所述转位盘上有多个圆形安装孔，且能够通过圆形安装孔与机构曲柄的一端进行铰接；所述机构曲柄另一端与线移驱动架的横杆进行铰接；所述行走机构壳体内设置有线移驱动架轴承座，线移驱动架的两个竖杆滑动安装在线移驱动架轴承座上；所述传动杆曲柄铰接一端与线移驱动架的横杆进行铰接，另一端与末端执行杆中部铰接；所述末端执行杆一端与行走机构外壳铰接，另一端固定连接有垃圾清扫铲。

进一步地，所述行走机构包括：箱体、行走电机、履带驱动轮和履带张紧轮，所述箱体设有内置清理机构的前箱体和存储垃圾的后箱体，所述行走电机固定安装在箱体外壳内侧，所述行走电机的输出轴连接带动履带驱动轮并驱动其转动，所述履带张紧轮和所述履带驱动轮均转动安装在箱体外壳外侧并支撑连接有履带。

进一步地，所述垃圾传送机构包括：垃圾传送电机、叶轮传动轴，所述垃圾传送电机固定安装在箱体的前箱体内侧，其输出轴与叶轮传动轴进行刚性固连，所述叶轮传动轴的另一侧与箱体转动连接，叶轮传动轴上分布设有多个叶轮。

进一步地，所述检测机构包括:安装在箱体外壳上的摄像头、距离传感器、位置传感器，以及安装在末端执行杆上的力矩传感器。

进一步地，所述主动齿轮的偏心盘上的安装孔距圆心位置不同。

进一步地，所述清理电机、行走电机、垃圾传送电机均为蜗轮蜗杆减速电机。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明具有综合功能，可调式转位机构一方面实现了可调节的间歇运动，另一方面它的高柔性使得机器人大幅度减少了冲击载荷，机器人可以更平稳、灵活的运动，机器人寿命更长。

2. 利用简单机构即可达到预期目的，成本小，且大部分零件，尤其是齿轮机构，都可替换，可批量生产。

3. 通过齿轮及连杆传动，实现了精确的定时运动，蜗轮蜗杆减速电机的应用使得机器人具有反行程自锁功能。

4. 限位机构中的齿条和内啮合齿轮段使得机器人处于间歇状态时，末端执行器也不会因负载而发生反跳运动和运动丢失。

5. 可调式转位机构具有过载保护功能，当末端执行器的力传感器采集力过大时，会给驱动机构信号，控制凸轮运动，使得转位盘齿轮进行空转实现过载保护，并且若传感器记录过载时的位置信息，当恢复正常状态时，机器人仍可回复到之前状态。

附图说明

图1 是本发明的整体结构示意图。

图2 是本发明的行走机构结构示意图。

图3 、图4是本发明的清理机构结构示意图。

图5 是本发明的垃圾传送机构结构示意图。

其中，1-行走机构，2-清理机构，3-垃圾传送机构，4-检测机构机构，11-箱体，12-行走电机，13-履带，14-履带驱动轮，15-履带张紧轮，21-清理电机，22-主动齿轮，23-机构曲柄， 24-行星齿轮，25-线移驱动架，26-主动齿轮驱动连杆，27-线移驱动架轴承座，28-传动杆曲柄，210-末端执行杆，211-带凸轮的从动齿轮，212-限位机构，213-转位盘，214-垃圾清扫铲，31-垃圾传送电机，3-叶轮传动轴，33-叶轮，41-摄像头，42-距离传感器，43-位置传感器，44-力矩传感器。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位摆放和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1至图5，本发明提供一种多模式水面垃圾清理机器人，包括行走机构1、清理机构2、垃圾传送机构3、检测机构4，其特征在于：清理机构2安装于行走机构1前部内侧，垃圾传送机构3安装在清理机构2后方，检测机构4安装在行走机构1外壳上；

清理机构2包括：清理电机21、、行星齿轮24、限位机构212、转位盘213、线移驱动架25、机构曲柄23、传动杆曲柄28、末端执行杆210、垃圾清扫铲214，清理电机21固定安装在行走机构1的前箱体内侧；清理电机21输出轴连接有主动齿轮22并驱动其转动，主动齿轮22啮合连接有带凸轮的从动齿轮211，主动齿轮22设置有带有安装孔的偏心盘，偏心盘铰接有主动齿轮驱动连杆26的一端，主动齿轮驱动连杆26另一端转动连接有行星齿轮24；带凸轮的从动齿轮211通过凸轮传动与限位机构212进行配合；限位机构212上设有齿条段和内啮合齿轮段，齿条段与转位盘213啮合连接，内啮合齿轮段能够与行星齿轮24相互啮合；带凸轮的从动齿轮211、限位机构212以及转位盘213转动安装在行走机构1壳体内，限位机构212设置有卡簧用于转动后的复位；转位盘213上有四个圆形安装孔，且能够通过圆形安装孔与机构曲柄23的一端进行铰接，进而实现对末端执行杆210不同工作行程的控制；机构曲柄23另一端与线移驱动架25的横杆进行铰接；行走机构1壳体内设置有线移驱动架轴承座27，线移驱动架25的两个竖杆滑动安装在线移驱动架轴承座27上；传动杆曲柄28铰接一端与线移驱动架25的横杆进行铰接，另一端与末端执行杆210中部铰接；末端执行杆210一端与行走机构1外壳铰接，另一端固定连接有垃圾清扫铲214。

具体地，主动齿轮22上的偏心盘部分所占面积为半周，偏心盘上的安装孔为五个且距圆心位置不同，用于主动齿轮驱动连杆26，以实现不同转位角度的控制，主体驱动机构内的限位机构212上有齿条以及内啮合齿轮段，当凸轮运转到小直径时，由齿条控制转位盘213进行锁紧，当凸轮运转到大直径时，内啮合齿轮段与行星齿轮24和转位盘213构成行星轮系进行驱动，避免了暂停时的反跳运动和丢失运动。带凸轮的从动齿轮211上的凸轮部分所占面积为半周，当转位盘213进行转位的开始和末尾，带凸轮的从动齿轮211上都处于啮合状态。带凸轮的从动齿轮211和主动齿22轮运动为一级齿轮传动，可通过更改传动比来更改间歇运动暂停的时间。

本发明可选的另一种实施例，行走机构1包括：箱体11、行走电机12、履带驱动轮14和履带张紧轮15，箱体11设有内置清理机构2的前箱体和存储垃圾的后箱体，行走电机12固定安装在箱体11外壳内侧，行走电机12的输出轴连接带动履带驱动轮14并驱动其转动，履带张紧轮15和履带驱动轮14均转动安装在箱体11外壳外侧并支撑连接有履带13。具体地，机器人本体的移动由行走电机12进行驱动控制，行走电机12经由带轮和带将动力输出给履带驱动轮14，履带驱动轮14又将动力通过履带13输送给履带张紧轮15，各部分借助履带13传动轴进行转动，使得机器人可以均匀地、平稳地在水面上运动。行走机构1内有内置主体驱动机构的前箱和存储垃圾的后箱，两个箱体11彼此分离，并且后箱有过滤网罩，可以排出箱体11内的水以减小机器人负载，并且水流对于机器人的运动具有推动作用。箱体11上有后箱盖子、前箱盖子，其中后箱盖子用于打开箱移除内部的垃圾，前箱盖子用于维修机器人内部结构。

本发明可选的另一种实施例，垃圾传送机构3包括：垃圾传送电机31、叶轮传动轴32，垃圾传送电机31固定安装在箱体11的前箱体内侧，其输出轴与叶轮传动轴32进行刚性固连，叶轮传动轴32的另一侧与箱体11转动连接，叶轮传动轴32上分布设有五个叶轮33；叶轮传动轴32通过叶轮传动键带动叶轮33传动，垃圾传送机构3借助叶轮33实现，垃圾传送电机31向叶轮传动轴32输出动力，并通过叶轮传动键驱动叶轮33进行转动，通过流体运动将水面垃圾输送给机器人后箱进行存储和处理。

本发明可选的另一种实施例，检测机构4包括:安装在箱体11外壳上的摄像头41、距离传感器42、位置传感器43，以及安装在末端执行杆25上的力矩传感器44。距离传感器42为超声波传感器，位置传感器43为GPRS模块，摄像头41为双目摄像头41，且都具有防水功能。

本发明可选的另一种实施例，清理电机21、行走电机12、垃圾传送电机31均为蜗轮蜗杆减速电机。

本发明可选的另一种实施例，机器人可设置三种控制模式：机器人机械式自动巡航清理、机器人智能扫描式巡航清理以及用户主动控制清理。针对这三种模式，机器人机械式自动巡航清理模式适用于环境较差、能见度较低且工作人员不易进入的场所，此种模式下机器人可完成自主运动，自主清理，自动化程度较高。机器人智能扫描式巡航清理模式适用于能见度较好，垃圾覆盖面积较大的场所，此种模式下机器人智能化水平较高，机器人清理垃圾效率较高，用时较短。用户主动控制清理模式适用于垃圾覆盖面积较小且工作人员易于进入的场所，此种模式下机器人所航行的路径均为最优路径，用时最短。

当机器人处于机械式自动巡航清理模式，行走电机12开始运动并驱动履带驱动轮14进行转动，机器人开始在水面上行走，此时清理电机12驱动主动齿轮22进行转动，由于它由齿轮和偏心圆盘固连而成，所以运动会分为两部分向下传递，一方面齿轮的啮合运动驱动带凸轮的从动齿轮211进行转动，其中凸轮部分分为小半径部分和大半径部分两部分，另一方面通过主动齿轮驱动连杆26对行星齿轮24进行驱动，当带凸轮的从动齿轮211中的凸轮部分转动到小半径时，带凸轮的从动齿轮211不与限位机构212进行接触，此时限位机构212中的齿条对转位盘213进行锁紧，转位盘213无法运动，则行星齿轮24也无法进行运动输出。当带凸轮的从动齿轮211中的凸轮部分转动到大半径时，凸轮会驱动限位机构212进行运动，此时一方面限位机构212中的齿条失去对转位盘213的缩进作用，另一方面限位机构212中的内啮合齿轮部分与行星齿轮24进行啮合，此时行星齿轮24，限位机构212中的内啮合齿轮与转位盘213共同构成行星轮系，可以对转位盘213进行驱动作用，输出的力进一步传递到机构曲柄23上，曲柄的转动运动会驱动线移驱动杆25进行直线运动，线移驱动杆25的直线运动会通过传动杆曲柄28传递给末端执行杆210，末端执行杆210上的垃圾清扫铲214会对水面垃圾进行清扫，清扫后的垃圾会通过叶轮33输送到机器人后箱内进行存储和处理，输送到机器人后箱内的水分会通过过滤网罩流出以减少机器人负载，机器人完成清扫运动后打开后箱盖子将垃圾倒出。同时位置传感器43会记录机器人巡航轨迹，进行信息处理后可减少剩余清理面积，进而增大机器人工作效率，缩短机器人工作时间。

当机器人处于智能扫描式巡航清理模式，首先会由摄像头41进行图像采集和处理，控制器会分析得到水面垃圾位置，并给行走电机12信号以驱动履带驱动轮14使得机器人运动到垃圾附近，到达垃圾附近位置以后，距离传感器42会判断机器人与垃圾位置并打开原动机清理电机12进行动力输出，带动垃圾清扫铲214会对水面垃圾进行清扫。同时位置传感器43会记录机器人巡航轨迹，进行信息处理后可减少剩余清理面积，进而增大机器人工作效率，缩短机器人工作时间。

当机器人处于用户主动控制清理模式，此时用户可通过遥控端借助摄像头41观测机器人水面视角，并遥控行走电机12使得机器人在水面上进行移动，到达垃圾附近位置以后，用户可通过遥控端打开清理电机12进行动力输出，动垃圾清扫铲214会对水面垃圾进行清扫。此部分垃圾清理结束后，用户再驱动机器人向下个垃圾位置移动，开始下一个垃圾清理周期。

当机器人末端执行杆210过载，即力矩传感器采集到的信息超过安全值时，控制器会给清理电机12信号，驱动控制带凸轮的从动齿轮211上的凸轮转向小半径位置，进而释放限位机构212使得行星齿轮24空转，进而使得转位盘213齿轮进行空转实现过载保护，并且若传感器记录过载时的位置信息，当恢复正常状态时，机器人仍可回复到之前状态。

最后应说明的是：以上的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种多模式水面垃圾清理机器人，包括行走机构（1）、清理机构（2）、垃圾传送机构（3）、检测机构（4），其特征在于：所述清理机构（2）安装于行走机构（1）前部内侧，所述垃圾传送机构（3）安装在所述清理机构（2）后方，所述检测机构（4）安装在行走机构（1）外壳上；

所述清理机构（2）包括：清理电机（21）、、行星齿轮（24）、限位机构（212）、转位盘（213）、线移驱动架（25）、机构曲柄（23）、传动杆曲柄（28）、末端执行杆（210）、垃圾清扫铲（214），所述清理电机（21）固定安装在行走机构（1）的前箱体内侧；所述清理电机（21）输出轴连接有主动齿轮（22）并驱动其转动，所述主动齿轮（22）啮合连接有带凸轮的从动齿轮（211），主动齿轮（22）设置有带有若干个安装孔的偏心盘，偏心盘铰接有主动齿轮驱动连杆（26）的一端，主动齿轮驱动连杆（26）另一端转动连接有行星齿轮（24）；所述带凸轮的从动齿轮（211）通过凸轮传动与限位机构（212）进行配合；所述限位机构（212）上设有齿条段和内啮合齿轮段，齿条段与转位盘（213）啮合连接，内啮合齿轮段能够与行星齿轮（24）相互啮合；所述带凸轮的从动齿轮（211）、限位机构（212）以及转位盘（213）转动安装在行走机构（1）壳体内；所述转位盘（213）上有多个圆形安装孔，且能够通过圆形安装孔与机构曲柄（23）的一端进行铰接；所述机构曲柄（23）另一端与线移驱动架（25）的横杆进行铰接；所述行走机构（1）壳体内设置有线移驱动架轴承座（27），线移驱动架（25）的两个竖杆滑动安装在线移驱动架轴承座（27）上；所述传动杆曲柄（28）铰接一端与线移驱动架（25）的横杆进行铰接，另一端与末端执行杆（210）中部铰接；所述末端执行杆（210）一端与行走机构（1）外壳铰接，另一端固定连接有垃圾清扫铲（214）。

2.根据权利要求1所述的一种多模式水面垃圾清理机器人，其特征在于：所述行走机构（1）包括：箱体（11）、行走电机（12）、履带驱动轮（14）和履带张紧轮（15），所述箱体（11）设有内置清理机构（2）的前箱体和存储垃圾的后箱体，所述行走电机（12）固定安装在箱体（11）外壳内侧，所述行走电机（12）的输出轴连接带动履带驱动轮（14）并驱动其转动，所述履带张紧轮（15）和所述履带驱动轮（14）均转动安装在箱体（11）外壳外侧并支撑连接有履带（13）。

3.根据权利要求1所述的一种多模式水面垃圾清理机器人，其特征在于：所述垃圾传送机构（3）包括：垃圾传送电机（31）、叶轮传动轴（32），所述垃圾传送电机（31）固定安装在箱体（11）的前箱体内侧，其输出轴与叶轮传动轴（32）进行刚性固连，所述叶轮传动轴（32）的另一侧与箱体（11）转动连接，叶轮传动轴（32）上分布设有多个叶轮（33）。

4.根据权利要求2所述的一种多模式水面垃圾清理机器人，其特征在于：所述检测机构（4）包括:安装在箱体（11）外壳上的摄像头（41）、距离传感器（42）、位置传感器（43），以及安装在末端执行杆（25）上的力矩传感器（44）。

5.根据权利要求1所述的一种多模式水面垃圾清理机器人，其特征在于：所述主动齿轮（22）的偏心盘上的安装孔距圆心位置不同。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的一种多模式水面垃圾清理机器人，其特征在于：所述清理电机（21）、行走电机（12）、垃圾传送电机（31）均为蜗轮蜗杆减速电机。

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