四段式清掃機器人的製作方法
2023-06-05 03:24:36 1
專利名稱：四段式清掃機器人的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種室內清掃機器人，特別是一種四段式清掃機器人。
背景技術：
清掃機器人又稱吸塵機器人，融合了移動機器人和吸塵器技術，是目前家用電器領域最 具挑戰性的熱門研發課題。從2000年後清掃機器人商用化產品接連上市，成為服務機器人領 域中的一種新型高技術產品，具有可觀的市場前景。
日本日立自上世紀八十年代後期便開始研發吸塵機器人。日本松下、韓國三星、LG、韓 諾機器人(Hanool Robotics)、瑞典伊萊克斯、荷蘭飛利浦、德國凱馳(Karcher)、英國戴松 (Dyson)、澳大利亞地板機器人(Floorbotics)、美國優樂卡(Eureka)及艾羅伯特(iRobot)、 進化機器人(EvolutionRobotic)等公司均在或曾積極開發並提供了一些樣品或小批量產品。 國內哈爾濱理工大學、浙江大學、海爾集團等一些研究機構和企業也做了一些研究工作， 並有相關產品推向市場，但大多是模仿國外的產品，沒有技術上的實質性突破，缺少自己的 智慧財產權。實用新型專利99234964.8 "全自動清掃機器人"提出了使用超聲波探頭探測前 方障礙物的方法，並可以紅外遙控方式控制機器人，機器人可自動定時啟動或紅外遙控完成 其清掃工作。
目前清掃機器人的功能主要包括自主清掃、障礙物規避、自我保護、簡單的路徑規劃和 遍歷、紅外遙控功能，有些還有自主充電和自主傾倒垃圾等功能。現有的很多清掃機器人產 品大都採用單一主刷和一個真空吸裝置的方式，其缺點是吸和掃一體，主刷成為真空吸的障 礙，吸塵口過大，吸力不足，掃不乾淨。美國iRobot公司的Roomba是目前佔市場份額最大的 產品，專利US 6,883 201 B2 "自主地板清掃機器人"公布了其採用的三段式清掃技術，改進 了單一主刷的掃吸一體的缺點，其缺點是副刷一側容易積累灰塵，過多的灰塵會會再掉在地 板上，也可能附著過多堵塞副刷。因主刷和副刷共用一個電機控制，如果一個刷子被堵清掃 工作就會被中斷。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的缺陷，提供一種提高清掃質量 和可靠性的四段式清掃機器人。
本發明的技術方案是一種四段式清掃機器人，包括位於圓形底盤上的電源系統，運動系統，傳感器系統、控 制系統和清掃系統，所述清掃系統包括位於所述底盤前、後位的前主刷裝置、後主刷裝置、 位於所述底盤左、右位的左邊刷裝置、右邊刷裝置和位於所述底盤後側的真空吸塵裝置。
所述前主刷裝置、後主刷裝置中分別設有獨立的主刷、電機和集塵腔，所述主刷與所述 電機相連；所述前主刷裝置中集塵腔位於其主刷前方，所述後主刷裝置的集塵腔位於其主刷 後方；所述左邊刷裝置、右邊刷裝置中分別設有邊刷，所述邊刷與所述前主刷裝置、後主刷 裝置中的電機一對一相連；所述真空吸塵裝置中設有真空吸電機。
所述前主刷裝置、後主刷裝置中的主刷為對稱或不對稱設置，旋轉方向相同或者相反。
所述運動系統由萬向輪組件和左驅動輪裝置、右驅動輪裝置構成；所述萬向輪組件位於 所述機器人的前後軸線上，其中萬向輪通過輪軸設於安裝架上，輪座套接在所述輪軸上；所 述左驅動輪裝置、右驅動輪裝置與所述控制系統相連，其中驅動電機設有編碼器，採用閉環 控制，為差動式運動。
所述左邊刷裝置中的邊刷與所述前主刷裝置中的電機相連，所述右邊刷裝置中的邊刷與 所述後主刷裝置中的電機相連。
所述控制系統由處理器及其外圍電路構成，包括控制所述運動系統的運動控制模塊、控 制所述清掃系統的清掃模塊、以及傳感器信號釆集與處理模塊。
所述運動控制模塊採用PWM信號驅動所述運動系統中的驅動電機，並將反饋信號傳送到 所述處理器，所述處理器採用PID控制算法做閉環運動控制。
所述清掃模塊採用PWM信號同時或分別控制所述清掃系統中的前主刷裝置和後主刷裝置。
四段式清掃機器人中前主刷裝置、後主刷裝置的兩個主刷旋轉方向相同或相反，並有單 獨的集塵腔。兩組獨立的主刷可以對稱，也可以是不對稱。四段清掃過程為1、邊刷將機器 人邊緣的碎屑灰塵等掃入機器人底部。2、前主刷將碎屑灰塵掃入集塵腔。3、後主刷將碎屑 灰塵掃入集塵腔。4、真空吸塵裝置將餘下的細小碎屑和灰塵吸入過濾腔。
本發明的有益效果
本發明採用了兩個邊刷，能將機器人左右兩側邊緣的碎屑等掃入機器人主刷的路徑中，
使牆角、邊緣處掃得更加乾淨；兩組獨立的主刷清掃機構，前後主刷相互補充，能夠將碎屑、 灰塵等雜物最大限度地掃入集塵腔；本發明的一個邊刷和一個獨立主刷共用一個電機，構成 一套獨立的清掃系統。兩套清掃系統可以協同工作，也可以單獨工作；兩套系統可以同相旋轉，也可以反相旋轉，獨立工作，相互補充，提高了清掃質量和可靠性；真空吸塵裝置單獨 採用一個電機控制，真空吸塵裝置放在兩個主刷裝置後面，能將殘餘的碎屑灰塵等吸入過濾 器，增強了清掃的效果。
圖1為本發明機器人系統結構框圖。圖2為本發明外觀圖。圖3為本發明左視圖。圖4為本發明左視剖面圖。圖5為本發明仰視圖。圖6為本發明仰視剖面圖。圖7為本發明俯視透視圖。圖8為本發明控制系統框圖。
具體實施方式
參照圖l， 一種四段式清掃機器人，主要由殼體IO,控制系統20，電源系統30，運動系 統40,傳感器系統50和四段式清掃系統60組成。控制系統20，電源系統30,運動系統40， 傳感器系統50和四段式清掃系統60與殼體10相連接構成機器人系統。因為要提到機器人的前後，下面提到的附圖中標有F和A的線指機器人的對稱軸線，F指 目U萬。參照圖2、 3和4，殼體10主要由上蓋11、底盤12、碰撞環13、轉折隔板14、裝飾板 16組成。控制系統20，電源系統30，運動系統40，傳感器系統50和四段式清掃系統60都 裝在底盤12上。底盤12呈盤形，上蓋ll呈蓋狀，上蓋11覆蓋在底盤12上，與之相配合緊 密連接，將控制系統20，電源系統30，運動系統40，傳感器系統50和四段式清掃系統60 封在機器人腔體裡，以保護這些裝置。上蓋11和底盤12用螺絲或者卡口連接。轉折隔板14 位於上蓋11和底盤12形成的腔體中間，覆蓋在電源系統30,運動系統40,傳感器系統50 和四段式清掃系統60之上。控制系統20的控制電路板21固定在轉折隔板14之上。轉折隔 板14將控制系統20與電源系統30，運動系統40，傳感器系統50和四段式清掃系統60分開， 便於保護控制系統的電路，以及維護的方便。參照圖2，裝飾板16是一個圓環形的塑料板，在裝飾板的環孔中安裝電源和清掃開關17， 開關17的控制信號線接到控制系統20的控制電路板21上。參照圖2，集塵箱65與底盤12和上蓋11由機械卡口連接。集塵箱與上蓋11之間的拆卸按鈕15為上蓋11上的一部分。按下拆卸按鈕15可將集塵箱65從機器人殼體10上拆下來， 以便傾倒垃圾或維修。
參照圖2，傳感器盒51與上蓋11相連。傳感器盒51內裝虛擬牆和充電引導傳感器，其 控制線接到控制系統20的控制電路板21上。
參照圖2、 3和4，弧形的碰撞環13由左右各一個碰撞臂連接在上蓋11的前部，向外突 出，碰撞環13相對上蓋11是可活動的。碰撞臂是傳感器系統50中碰撞傳感器的一個組件， 一端接在上蓋11上， 一端接在碰撞環13上。當碰撞環13被擠壓後退時，碰撞臂被推動移位， 碰撞傳感器向控制系統20發出I/0信號，機器人檢測到了障礙物，調用相應的避障程序，使 機器人後退或者轉彎，安全地離開障礙物，繼續作業。左右各一個彈片連接在上蓋11上，與 碰撞環13接觸。當機器人碰到障礙物時，碰撞環13被擠壓向上蓋方向後退，到極限位置停 止；機器人與障礙物分離後，碰撞環12被彈片推回原位置。
參照圖4、 5和6，可充電電池31是電源系統30的主要部件。電池31固定在機器人腔 體內的轉折隔板14上，電池蓋32與底盤12通過卡口或者螺絲連接。
參照圖4、 5和6，萬向輪組件41、左右驅動輪裝置42和43組成運動系統40。萬向輪 組件41由一個萬向輪411、輪座412、輪軸413、軸套414、安裝架415組成。萬向輪411通 過輪軸413安裝在安裝架415上，輪座412套在輪軸413上，萬向輪411可繞安裝架415旋 轉。萬向輪座412安裝在軸套414處，軸座412可繞其軸線旋轉。安裝架415用螺絲固定在 底盤2上。萬向輪組件41的固定位置在機器人的前後軸線FA上，靠近機器人的前部。萬向 輪在機器人轉彎、爬坡時起到支撐作用。
左右驅動裝置42和43左右對稱，分別由兩個直流電機驅動。參照圖6，左驅動輪裝置 42由左驅動輪421、左驅動電機422、左齒輪減速箱423組成。右驅動輪裝置43由右驅動輪 431、右驅動電機432、右齒輪減速箱433組成。左驅動電機422上裝有編碼器，可以做運動 閉環控制。右驅動輪裝置43與左驅動輪裝置42類似。機器人運動採用差動式控制速度相 同，方向相同時，機器人走直線；速度相同，方向相反時，機器人原地旋轉；速度不同，方 向相同或相反時，機器人按一定半徑轉彎。控制系統20通過閉環控制算法對機器人的運動做 閉環控制。
參照圖4、 5和6，後主刷裝置64由後主刷641、後電機642、後齒輪傳動機構643、刮 板644、後集塵腔645構成。前主刷裝置63由前主刷631、前電機632、前齒輪傳動機構633、 刮板644、前集塵腔635構成。後電機642固定在底盤12上，通過後齒輪傳動機構643帶動後主刷641旋轉。刮板644起刮下主刷上附著的毛髮、碎屑的作用。右邊刷裝置62包括右邊 刷621、右邊刷輪622。左邊刷裝置61包括左邊刷611、左邊刷輪612。右邊刷621與後主刷 裝置64共用一個後電機642，通過同步帶623傳動到右邊刷輪622，右邊刷621固定在右邊 刷輪622上。前主刷裝置63與後主刷裝置64類似，左邊刷裝置61與右邊刷裝置62類似， 左邊刷611與前主刷裝置63共用一個前電機632。前、後主刷631和641分別把碎屑灰塵掃 入各自的前、後集塵腔635和645內。
參照圖4和7，集塵箱裝置65由真空吸電機651、風扇652、吸塵口 653、過濾網654、 底蓋655、蓋板656、電機固定板657組成。真空吸電機651固定在電機固定板657上。風扇 652連在真空吸電機651的輸出軸上。過濾網654覆蓋在風扇652表面。電機651、風扇652、 過濾網654、底蓋655封閉在一個圓柱腔體裡，與後集塵腔645隔離，形成真空腔，留一個 小口穿過機器人底盤12，形成吸塵口 653。真空吸電機運轉時腔體內形成真空，碎屑灰塵從 吸塵口 653吸入，過濾網654擋住灰塵碎屑，使之不能進入真空腔，從而不會堵塞電機風扇。 集塵腔65可以整體從殼體10上拆卸，以便傾倒垃圾和清洗、替換過濾網。
清掃工作方式1、左、右邊刷裝置61和62將機器人邊緣的碎屑灰塵掃入機器人底盤 12下。2、前主刷631向後旋轉，將底盤下的將碎屑灰塵掃入前集塵腔635。 3、後主刷641 向前旋轉，將前主刷631遺漏的碎屑灰塵掃入後集塵腔645。 4、真空吸電機651帶動風扇652 旋轉，從吸塵口 653吸入殘餘的碎屑和灰塵。經過這樣四段的清掃工作，地板會被清掃得非 常乾淨。
傳感器系統50主要有若干個邊緣檢測傳感器、虛擬牆傳感器、充電引導傳感器、碰撞傳 感器等。邊緣檢測傳感器採用紅外工作原理，每個傳感器具有一個發射器和一個接收器。邊 緣檢測傳感器分散地安裝在機器人底部的邊緣，當機器人遇到臺階，桌面等懸空邊緣時，傳 感器發出信號給控制系統20,控制系統將調用防止跌落程序。虛擬牆傳感器裝在傳感器盒51 裡面，能檢測到用戶放置的虛擬牆發射器發出的平行光束，並給控制系統20發出信號，控制 系統20能使機器人限定在一個房間內清掃。充電引導傳感器也裝在傳感器盒51裡，能檢測 到充電座，在機器人電力不足時引導機器人找到充電座進行自主充電。碰撞傳感器裝在碰撞 環13和上蓋11之間，當機器人前部碰撞到障礙物時發出信號給控制系統20，由控制系統20 調用避障算法使機器人安全離開障礙物。
控制系統20包括控制電路板21和軟體系統。參照圖4，電路板21裝在上蓋11與轉折 板14之間，固定在轉折板14上。參照圖8，電路板21由嵌入式系統及其外圍電路構成，有運動控制、清掃、傳感器信號釆集與處理、開關和指示燈等I/0信號、電源管理等主要功能模 塊。CPU採用16位或者32位的微處理器，運動控制模塊控制左右驅動輪，左輪和右輪電機 採用PWM信號驅動，編碼器信號反饋到處理器中，採用PID控制算法做閉環運動控制。清掃 功能模塊共有三個電機前主刷電機、後主刷電機和真空吸電機，分別由處理器通過PWM信 號驅動。傳感器信號釆集到處理器中，由處理器處理後對機器人進行行為控制，使機器人能
實現各種工作模式自由行走和清掃、固定軌跡行走和清掃、危險避讓、跌落防止、虛擬牆
檢測、自主充電等。用戶開關按鈕信號由IO埠進入處理器，以響應用戶的操作。處理器發 出IO信號控制指示燈和揚聲器，指示燈用來顯示電源、工作模式等，揚聲器用來發出各種聲 音，以提示用戶機器人所處的正常或者錯誤狀態。機器人具有一個USB或者RS232串口與外 界計算機通訊，可通過通訊口給機器人下載程序。電池給控制系統供電，控制系統對電池充 電進行管理。
權利要求
1. 一種四段式清掃機器人，包括位於圓形底盤上的電源系統，運動系統，傳感器系統、控制系統和清掃系統，其特徵在於所述清掃系統包括位於所述底盤前、後位的前主刷裝置、後主刷裝置、位於所述底盤左、右位的左邊刷裝置、右邊刷裝置和位於所述底盤後側的真空吸塵裝置。
2、 根據權利要求1所述的四段式清掃機器人，其特徵在於所述前主刷裝置、後主刷裝置 中分別設有獨立的主刷、電機和集塵腔，所述主刷與所述電機相連；所述前主刷裝置中 集塵腔位於其主刷前方，所述後主刷裝置的集塵腔位於其主刷後方；所述左邊刷裝置、 右邊刷裝置中分別設有邊刷，所述邊刷與所述前主刷裝置、後主刷裝置中的電機一對一 相連；所述真空吸塵裝置中設有真空吸電機。
3、 根據權利要求2所述的四段式清掃機器人，其特徵主要在於所述前主刷裝置、後主刷 裝置中的主刷為對稱或不對稱設置，旋轉方向相同或者相反。
4、 根據權利要求1所述的四段式清掃機器人，其特徵在於所述運動系統由萬向輪組件和 左驅動輪裝置、右驅動輪裝置構成；所述萬向輪組件位於所述機器人的前後軸線上，其 中萬向輪通過輪軸設於安裝架上，輪座套接在所述輪軸上；所述左驅動輪裝置、右驅動 輪裝置與所述控制系統相連，其中驅動電機設有編碼器，採用閉環控制，為差動式運 動。
5、 根據權利要求2所述的四段式清掃機器人，其特徵在於所述左邊刷裝置中的邊刷與所 述前主刷裝置中的電機相連，所述右邊刷裝置中的邊刷與所述後主刷裝置中的電機相 連。
6、 根據權利要求1所述的四段式清掃機器人，其特徵在於所述控制系統由處理器及其外圍電路構成，包括控制所述運動系統的運動控制模塊、控制所述清掃系統的清掃模塊、 以及傳感器信號採集與處理模塊。
7、 根據權利要求6所述的四段式清掃機器人，其特徵在於所述運動控制模塊採用PWM信號驅動所述運動系統中的驅動電機，並將反饋信號傳送到所述處理器，所述處理器採用PID控制算法做閉環運動控制。
8、 根據權利要求6所述的四段式清掃機器人，其特徵在於所述清掃模塊採用PWM信號同時或分別控制所述清掃系統中的前主刷裝置和後主刷裝置。
全文摘要
本發明為一種四段式清掃機器人，包括位於圓形底盤上的電源系統，運動系統，傳感器系統、控制系統和清掃系統，所述清掃系統包括位於所述底盤前、後位的前主刷裝置、後主刷裝置、位於所述底盤左、右位的左邊刷裝置、右邊刷裝置和位於所述底盤後側的真空吸塵裝置；前、後主刷裝置由獨立電機驅動，有各自的集塵腔，一個邊刷和一個主刷共用一個電機，構成一套獨立的清掃系統。兩套清掃系統可以協同工作，也可以單獨工作。四段清掃過程為邊刷將灰塵掃入機器人底部；前主刷將灰塵掃入集塵腔；後主刷將灰塵掃入集塵腔；真空吸裝置將殘餘灰塵吸入過濾腔。本發明提出的四段式清掃機構，解決了由於現有產品設計而產生的清掃不乾淨、主刷容易堵塞的問題。
文檔編號B62D61/00GK101301186SQ20081004328
公開日2008年11月12日 申請日期2008年4月23日 優先權日2008年4月23日
發明者付西光, 盧秋紅, 張明民, 胡晉璟, 蔣金鵬 申請人:上海中為智慧機器人有限公司