履帶吸盤式壁面清潔機器人的製作方法

2023-05-13 15:59:21 3

專利名稱：履帶吸盤式壁面清潔機器人的製作方法
技術領域：
本發明屬於特種機器人應用領域，具體涉及一種履帶吸盤式壁面清潔機器人。
背景技術：
目前有很多關於壁面清洗機器人的研究和已經發表的論文，國內外使用的較多的是吊纜式的高空玻璃清潔機器人。雖然在清潔高空玻璃方面這種機器人可以代替人工，減少傷亡事故的發生率，效率也有一定的提高，但是這類清潔機器人無法擺脫吊纜的控制，不具有智能識別和清洗的功能，而且造價昂貴。對於足式爬壁機器人的低使用效率及所能承載的整體重量也是很難克服的一大難關，這對於足式的機械機構強度要求較高。北京航空航天大學與金訊公司合作，自1996年來開發研究，得到目前來說整體水平與國外具有同步領先地位的「藍天潔士」玻璃清洗機器人。「藍天潔士」的三個開發系列主要針對於中低層、中高層、高層、超高層、斜面、小角度傾斜鉛垂平面、小角度轉折平面等不同的清潔環境。「藍天潔士」的成功標誌著我國清潔機器人的水平已經開始進入新紀元。目前開發出的「藍天潔士」系列的玻璃清清洗機器人，由於此機器人採用吊纜式，雖然可以在很多環境下進行作業，但是功耗量是不可忽視的，但是吊纜式的機器人需要工作人員不間斷的操作，另外，還需要在建築物頂鋪設機器人在清潔過程中行進時需要的軌道。我們看到了 「藍天」系列跨時代的創新優點，不過也不可忽略這些它的不足。為玻璃清洗機器人能夠具有更好的適應性能力和清潔能力，我們致力於設計和開發一種履帶吸盤式的壁面自動清洗機器人。此機器人可以擺脫吊纜的束縛，即採用無纜式控制，而且具有一定的越障和自動識別功能，能在低功耗的情況下，達到我們需要的工作量。壁面自動清洗機器人適用於玻璃幕牆以及瓷磚等壁面，靠真空吸盤的吸附能力以及履帶的行進能力可以快速的作業。不僅避免了使用傳統人工清洗時很多清洗效率低、資源浪費和事故頻發等現象，也避免了吊纜式機器人無法擺脫人工操作、需要預設軌道等不足之處，而且具有體積小、適合多種材料壁面、低功耗、效率高等特色。

發明內容
本發明的內容在於設計和實現履帶吸盤式壁面清潔機器人。該發明中的履帶吸盤式壁面清潔機器人為一種可以實現在玻璃幕牆、瓷磚外牆等垂直表面上行進並進行清洗工作的小型機器人。該機器人依靠裝有吸盤的履帶行進，履帶吸盤具有吸氣與放氣的功能，並同時與真空泵聯接，經過真空泵的工作對吸盤內部抽氣形成局部真空以產生負壓，從而使吸盤可以吸附在給出的垂直表面上。真空泵與吸盤之間的吸氣過程通過安裝在同步輪處的凸輪機構完成，凸輪機構具有吸氣結構，當每個需要吸氣的吸盤經過凸輪機構底部時，凸輪機構的凸輪推動安裝在凸輪下部的氣嘴插入吸盤進行吸氣。吸盤與履帶固聯，履帶行進中已經吸附的吸盤與垂直表面之間是相對靜止的，而吸盤往復的吸氣與放氣，同時在主驅動電機的驅動下，驅動輪旋轉，履帶工作，機器人車體也隨著履帶行進。安裝在履帶上的吸盤採用經特殊設計的自帶氣閥式結構，可通過安裝在吸盤上的槓桿放氣，槓桿處於被壓狀態時，氣閥結構開放，吸盤內部與大氣相通，完成放氣過程，吸盤不在吸附於錘子表面上；反之，則是保持氣閥結構關閉，吸盤內部與大氣隔絕，吸盤處於吸附狀態。觸發吸盤槓桿裝置主要有兩種方式，一種是機器人在前行過程中，安裝在機器人車體底盤驅動輪位置處的凸起結構可以在吸盤運動到此位置時擠壓槓桿，另ー種是機器人在轉向過程中，安裝在機器人底盤兩條履帶旁邊的槓桿觸發裝置，此槓桿觸發裝置可以只在轉向過程中才會參與工作，可以同時觸發所有已經吸附的履帶吸盤上的槓桿裝置，完成這些吸盤的同時放氣。機器人底盤中部設有轉向吸盤，通過電機控制滾珠絲槓的運轉，能夠使機器人車體圍繞轉向吸盤軸線旋轉以實現轉向。機器人車體前端設有超聲探測與反饋裝置，該裝置設置有安全探測距離，為機器人車身對角線的半長度，從而可以保證機器人在行進中能適時測障與避障。機器人車體上裝有霧狀噴淋裝置、滾筒刷洗裝置和刮板刮洗裝置，能夠在機器人行進時進行牆面的清洗工作。通過機器人系統功能、機械結構、運動機構、電子電路、傳感探測和程序控制等多技術和多學科的融合，使該機器人能實現在玻璃幕牆、瓷磚外牆等垂直表面上的可靠行進和高效清洗功能。為了實現上述發明目的，該履帶吸盤式壁面清潔機器人主要包括以下結構①履 帶吸盤結構將具有特殊設計的吸盤裝配在履帶上，根據吸盤吸附壁面的條件，適時進行吸盤的吸氣和放氣，保證了吸盤與履帶的同步運行，同時確定整車的運行路線和狀態。②轉向結構機器人底盤中部設有轉向吸盤，通過電機控制滾珠絲槓的運轉，能夠使機器人車體圍繞轉向吸盤軸線旋轉從而實現機器人車體的轉向。③履帶吸盤的抽氣與放氣結構履帶吸盤的抽氣裝置採用齒輪配合和凸輪機構，通過齒輪帶動凸輪機構運作，由於齒輪配合具有一定的傳動比關係，安裝在凸輪上的氣嘴可以反覆與吸盤氣嘴結合併進行吸氣；吸盤本身設計有槓桿排氣裝置，當吸盤隨履帶運動到後輪時，槓桿裝置運行，吸盤排氣。④超聲探測與反饋系統該系統設定的探測障礙距離為車體對角線的半長度，保證車體在轉向時不會與障礙觸碰，阻礙轉向系統的正常運行。本發明的優點在於(I)設計的轉向機構克服了此類機器人在壁面上難以轉向的難題，結構簡單，運行效率高，氣閥式吸盤吸附效率高，多吸盤可靠性強。 (2)履帶吸盤的吸氣與排氣結構動カ來自於主驅動電機，提高了能源使用效率，同時利用齒輪傳動比與凸輪機構的配合、槓桿排氣裝置，保證了吸氣與排氣的成功進行。(3)採用履帶吸盤式平臺，相對於現有的足式能承受更大的負載，在傳統爬壁機器人基礎上，實現了履帶吸盤式壁面機器人的成功研發，顯著提高了運行效率。(4)搭建的壁面吸附平臺具有較高的承載功能，可以廣泛用於各種光滑壁面。履帶吸盤式平臺可以推廣使用的範圍涉及軍事、國民生活、エ業生產等多方面。


附圖I為履帶吸盤式壁面清潔機器人整體示意圖；附圖2為履帶吸盤式壁面清潔機器人俯視圖；附圖3為履帶吸盤式壁面清潔機器人正視圖；附圖4為履帶吸盤式壁面清潔機器人仰視圖；附圖5為履帶吸盤式壁面清潔機器
附圖6為履帶吸盤式壁面清潔機器人履帶示意圖；附圖7為履帶吸盤式壁面清潔機器人轉向機構裝配附圖8為履帶吸盤式壁面清潔機器人轉向機構示意圖人裝配圖。附圖中1-轉向機構，2-底盤，3-同步帶，4-主驅動電機，5-槓桿觸發裝置，6-轉向舵機，7-承託架，8-真空泵，9-真空泵驅動電機，10-三角架，12-滾刷支架，13-驅動軸，14-支撐架，15-軸承，16-升降被動齒輪，17-轉向被動齒輪，18-升降主動齒輪，19-滾珠絲槓，20-轉向主動齒輪，21-中央吸盤，22-卡簧，23-吸盤，24-同步輪，25-同步帶，26-驅動輪，27-絲槓固定螺母，28-絲槓螺母，29-墊片，30-平頭螺釘，31-放氣槓桿，32-固定銷，33-橡膠密封球，34-壓球彈簧，35-放氣彈簧，36-長螺釘，37-密封墊圈，38-螺釘，39-轉向吸盤柱，40-放氣門，41-固定螺釘，42-刮板，43-壓緊拉簧，44-滾刷，45-三角帶，46-驅動齒輪副，47-配氣齒輪組，48-凸輪機構。
具體實施例方式A.履帶的結構與組裝如附圖6所示，履帶由同步帶(25)、同步輪(24)、驅動輪(26)、吸盤裝配(23)組成。為保證傳動比，通過計算每個吸盤之間的距離的理論值，在同步帶上面打孔，將吸盤與同步帶通過壓帶彈簧實現連接。B.轉向機構的結構與組裝如附圖7和附圖8所示。轉向機構主要由轉向主動齒輪(20)、轉向被動齒輪(17)、升降主動齒輪(18)、升降被動齒輪(16)、滾珠絲槓(19)、中央吸盤(21)、軸承(15)、卡簧
(22)等組成。中央吸盤與絲槓處在同軸線的位置，二者固聯；吸盤正上方，轉向被動齒輪
(17)安裝於絲槓上；轉向被動齒輪(17)上方安裝的是升降被動齒輪(16)，該齒輪與絲槓螺母(28)通過螺釘固連，絲槓螺母與滾珠絲槓的絲杆(19)的通過滾珠減小摩擦。升降被動齒輪(16)與轉向被動齒輪(17)都固連於機身底盤。升降主動齒輪(18)、轉向主動齒輪
(20)分別與對應的被動齒輪形成嚙合，並與轉向蝸輪蝸杆舵機￠)的驅動端連接。在絲槓上端安裝軸承(15)及固定軸承用的卡簧(22)。C.清潔系統組裝清潔系統包括霧狀噴淋裝置、滾筒刷洗裝置和刮板刮洗裝置。清潔機構主要由以下部分組成滾刷(44)、刮板(42)、機架(2)等。將滾刷(44)，以及車尾的刮板(42)安裝於底盤(2)。清潔液由水泵噴出衝洗並浸潤壁面；隨後由滾刷(44)刷洗壁面，除去附著力較大的汙垢；最後，由刮水板(42)刮淨殘留的液體。採用衝洗、刷洗、刮洗聯合作業的清洗方式，在清洗的同時電機帶動履帶轉動實現行進過程的順利連續。並且清潔裝置前置，有利於死角的清潔，清洗效率高。滾刷安裝在車體的前方，而刮板安裝在車尾，同時對履帶行進之後造成的痕跡和殘留的汙潰進一步清理，儘量減少由於履帶行進對幕牆造成的汙染，使幕牆更清潔。D.機器人整體組裝如附圖5所示，在已經加工好的底盤⑵的三角架(10)上安裝同步輪(24)，在支撐架(14)上安裝驅動輪(26)，將同步帶(3)安裝於同步輪與驅動輪上。在吸盤(23)的放氣槓桿(31)旁將槓桿觸發裝置(5)安裝於車架上，安裝真空泵(8)，同時安裝真空泵驅動電機(9)，在同步輪處安裝凸輪機構(48)和配氣齒輪組(47)。在底盤(2)的中央擴孔處安裝附圖8所示的轉向機構(I)，將承託架(7)安裝於轉向機構⑴上方，轉向機構⑴的軸承(15)安裝於承託架(7)的軸承套中，將轉向舵機(6)安裝於承託架(7)上。安裝驅動軸
(13)於驅動輪(26)之間。將同步帶(3)按照前面的步驟安裝在底盤另ー邊，前後輪分別靠驅動軸(13)聯結在一起。將主驅動電機(4)安裝於底盤中後部，且該電機傳動軸上的齒輪 與驅動軸(13)上的齒輪嚙合。車體前端安裝滾刷支架(12)，在滾刷支架上安裝滾刷(44)，車體底盤後部安裝刮板(42)，並用壓緊彈簧(43)將刮板壓緊在車體底盤(2)上。最後在車體上安裝超聲探測與反饋裝置以及電路控制結構。
權利要求
1.履帶吸盤式壁面清潔機器人，具備在玻璃幕牆、瓷磚外牆等光滑、平整、垂直壁面上可靠行進和高效清洗的功能。該機器人依靠裝有吸盤的履帶行進，履帶吸盤與真空泵聯接，通過真空泵的吸氣形成吸盤內部的局部負壓，保證吸盤的吸附；吸盤經過特殊設計，具有通過槓桿放氣的氣閥；機器人底盤中間設計有轉向吸盤，通過電機控制滾珠絲槓的運轉，能夠使機器人車體圍繞轉向吸盤軸線旋轉以實現轉向；機器人車體前端設有超聲探測與反饋裝置，保證機器人在行進中能適時測障與避障；機器人車體上裝有霧狀噴淋裝置、滾筒刷洗裝置和刮板刮洗裝置，能夠在機器人行進時進行牆面的清洗工作。
2.一種履帶吸盤式壁面清潔機器人，其特徵在於同步帶輪(24)、同步帶(25)與吸盤組(23)構成履帶式吸盤行駛系統；轉向機構(I)由滾珠絲槓(19)、升降主被動齒輪(16)和(18)、轉向主被動齒輪(17)和(20)組成，通過蝸輪蝸杆電機(6)驅動，具有大扭矩自鎖的特性；由真空泵(8)及齒輪組(47)與凸輪機構(48)，通過約束傳動比實現吸盤吸氣工況的配氣工作；相應的放氣機構由舵機(49)及槓桿觸發裝置(5)、(50)觸發氣門的開啟，控制吸盤在行進中車尾與轉向過程中的放氣工作；滾刷(44)、刮板(42)及微型水泵等主要器件構成機器人的霧狀噴淋裝置、滾筒刷洗裝置和刮板刮洗裝置結合的清潔系統。機器人可由主驅動電機(4)及齒輪減速機構(46)驅動同步帶輪(24)實現在垂直壁面上的吸附與行進。
全文摘要
本發明為一種可以實現在玻璃幕牆、瓷磚外牆等垂直表面上行進並進行清洗工作的小型機器人。該機器人依靠裝有吸盤的履帶行進，履帶吸盤與真空泵聯接，經過抽氣形成局部真空以產生負壓；吸盤採用經特殊設計的自帶氣閥式結構，可通過槓桿作用放氣；機器人底盤中部設有轉向吸盤，通過電機控制滾珠絲槓的運轉，能夠使機器人車體圍繞轉向吸盤軸線旋轉以實現轉向；機器人車體前端設有超聲探測與反饋裝置，保證機器人在行進中能適時測障與避障；機器人車體上裝有霧狀噴淋裝置、滾筒刷洗裝置和刮板刮洗裝置，能夠在機器人行進時進行牆面的清洗工作。通過機器人系統功能、機械結構、運動機構、電子電路、傳感探測和程序控制等多技術和多學科的融合，使該機器人能實現在玻璃幕牆、瓷磚外牆等垂直表面上的可靠行進和高效清洗功能。
文檔編號A47L11/38GK102631173SQ201210114808
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月16日 優先權日2012年4月16日
發明者劉成, 王帥, 羅慶生, 範皓, 韓寶玲 申請人:北京理工大學