專利名稱：基于足式爬壁的智能玻璃清潔機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于足式爬壁的智能機器人，應用于高樓外側玻璃清洗工作。
背景技術：
在日常生活中，人們一般使用抹布清潔擦洗小塊的玻璃，用桿和梯子等輔助工具人工擦洗大塊玻璃和窗戶外立面玻璃。這種清潔玻璃的方式不僅勞動量大、效率低，而且擦洗窗戶外立面玻璃時操作難，存在一定安全隱患。隨著城市的發展，高樓建筑成為城市的主要建筑物，這些高樓的壁面多采用玻璃幕墻作為裝飾，每經一段時間，就需要對壁面進行清洗。因為幕墻面積較大，部分處于幾十米甚至上百米的高度，周圍無可攀援的支架，幕墻的清洗也就成為一項繁重、危險、耗資巨大的工作。目前，對高層建筑的清洗工作主要由人工完成，清洗工人搭乘吊籃或腰系繩索進行高空擦洗，十分危險，而且人工作業的效率很低，清洗費用昂貴。不但如此，人工清洗對天氣等環境條件的要求很高，樓層越高，要求風速越小且氣溫適宜，雨水天氣無法作業。

發明內容
本發明的目的是提供一種基于足式爬壁的智能玻璃清潔機器人，本發明在玻璃單側吸附，可跨越窗框等障礙物，具有圖像識別功能，行走方式靈活，運動平穩，實現了無線監控，解決了人工清洗玻璃效率低、不安全的技術問題。本發明解決上述技術問題是通過如下技術方案實現的:一種基于足式爬壁的智能玻璃清潔機器人，包括機器人主體、行走單元、吸附單元、驅動單元、機體控制單元、清洗單元、圖像識別單元和無線控制單元，所述行走單元包括四只機械足；所述吸附單元設有四個，分別安裝在四只機械足上，與所述機械足一起組成四只吸附足，在所述機體控制單元的作用下，所述四只吸附足和所述驅動單元協調運動，帶動所述機器人主體運動；所述圖像識別單元與機體控制單元連接，通過實時采集圖像信號來檢測障礙物和幕墻邊緣，將所采集的圖像信號進行處理后傳輸給機體控制單元；所述無線控制單元與機體控制單元連接，用于遠程控制所述機器人主體運動。優選的，所述吸附單元包括連接板、金具、防滑吸盤、緩沖裝置，緩沖單元套在金具上；金具一端連著吸盤，另一端連著連接板；所述緩沖裝置安裝在金具上。優選的，所述驅動單元包括減速電機、齒桿及齒輪；所述齒輪安裝在減速電機上，所述減速電機固定在所述機器人主體上，所述齒輪咬合所述齒桿。優選的，所述機體控制單元包括電機驅動板、舵機控制板、電磁繼電器及單片機，所述電機驅動板與所述減速電機相連，所述舵機控制板與所述機械足上的舵機相連，所述單片機分別與所述電機驅動板、舵機控制板和所述電磁繼電器相連。優選的，所述圖像識別單元包括攝像頭、圖像采集卡、主機及無線收發模塊，所述攝像頭安裝在所述機器人主體上；通過所述攝像頭采集實時圖像，經所述圖像采集卡處理后經所述無線收發模塊發送，由所述主機接收并處理后反饋給機體控制單元。優選的,所述無線控制單元包括Zigbee發送模塊和Zigbee接收模塊,所述Zigbee發送模塊用于發送控制信號；所述Zigbee接收模塊安裝在所述機器人主體上，用于接收控制信號，并將所述控制信號傳輸給機體控制單元。與現有技術相比，本發明的有益效果如下:1、本發明行走方式靈活穩定、速度快，同一時刻有兩組吸盤吸附在玻璃上，有效防止墜落，可以跨越窗框障礙物，只在玻璃單側吸附，不受玻璃厚度和安裝方式的限制；所述玻璃清潔機器人在有窗框、無窗框、室內、室外的玻璃上都實用。2、本發明采用電機、齒輪和齒桿組合的驅動單元，驅動力大，提高了玻璃清潔的效率，且所述機器人水平方向上的運動速度可調節。3、本發明機器人只吸附在玻璃的一側，不受玻璃厚度和玻璃安裝方式的約束。4、本發明在吸盤組金具上安裝了緩沖裝置，解決了主體受力不均時吸附不穩定的問題。


下面結合附圖對所述各個單元的技術方案進行詳細說明:圖1是本發明的整體結構示意圖；圖2是圖1的俯視圖；圖3是吸附單元的結構示意圖；圖4是驅動單元的結構示意圖；圖5是吸附足的示意圖；圖6是吸附足與吸附單元的連接示意圖；圖7是圖像識別單元的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限于此。實施例本發明基于足式爬壁的智能玻璃清潔機器人包括機器人主體、行走單元、吸附單元、驅動單元、機體控制單元、圖像識別單元、無線控制單元及清洗單元。如圖1、2所示，所述的行走單元包括四只機械足，其中兩只是水平向機械足2、4，每只水平向機械足由2個所述舵機組成，安裝在所述齒桿的兩端；另外兩只是豎直向機械足1、3，每只豎直向機械足由3個舵機組成，安裝在所述機器人主體的上下兩端。機械足上舵機的數量可以根據機體的體積和重量變動。所述吸附單元設有四個。如圖3所示，每個吸附單元包括一塊連接板5、2根金具
6、2個防滑吸盤7、2套緩沖裝置8，緩沖單元套在金具6上，金具6 —端連著吸盤7，另一端連著連接板5，組成一套吸盤組。所述吸盤組與吸氣泵9相連，所述吸氣泵9工作產生真空，使所述吸盤組吸附在玻璃上，其技術難點在于保證每次吸附時所述吸盤與玻璃表面完全貼合，不能留一絲縫隙。為解決這一技術難點，在所述金具6上安裝有由兩個不同勁度系數的彈簧組裝成的緩沖裝置8，用于增加所述吸附單元的靈活性，保證當所述機器人主體上下和左右受力不均時所述吸盤能與玻璃表面完全貼合，穩定吸附在玻璃上。所述吸盤、吸氣泵、電磁閥的數量可以根據機體的體積和重量改變。如圖4所示，所述驅動單元包括一個減速電機10、一根齒桿11、一個齒輪12。安裝有齒輪12的減速電機10固定在所述機器人主體上，所述齒輪咬合所述齒桿11，所述減速電機10具有足夠的驅動力且速度可調。所述每只機械足與所述每個吸附單元通過連接板連接在一起，組裝成一個吸附足。如圖5所示，所述機器人上共有4只吸附足，其中兩只是水平向吸附足22、24，另外兩只是豎直向吸附足21、23。如圖6所示，所述兩只水平向吸附足22、24通過連接板5連接到所述齒桿11的兩端。所述的機體控制單元包括一塊電機驅動板、一塊舵機控制板、兩個電磁繼電器及一塊單片機，機體控制單元安裝在所述機器人主體上。所述電機驅動板與所述減速電機10相連，所述舵機控制板與所述機械足的10個舵機相連，所述電磁繼電器與所述電磁閥相連，所述單片機與所述電機驅動板、所述舵機控制板和所述電磁繼電器相連。在燒寫入單片機的程序的控制下，所述各個單元能協調工作，保證所述機器人能吸附在玻璃上并按程序要求向上下左右四個方向運動。在所述機體控制單元的控制下，所述行走單元、吸附單元和驅動單元能夠協調工作，使所述機器人吸附在玻璃幕墻上，并向上下左右四個方向平穩運動，并且跨越窗框等障礙物。如圖7所示，所述圖像識別單元用于檢測窗框等障礙物和幕墻邊緣，包括攝像頭、圖像采集卡、主機、無線收發模塊，所述攝像頭13安裝在所述機器人主體上，通過所述攝像頭采集實時圖像，經所述圖像采集卡處理后經所述無線收發模塊14發送，由所述主機接收并處理后反饋給機體控制單元的單片機，再由所述單片機的運動控制程序對機體運動速度和方向等進行一系列的調節和控制。所述無線控制單元包括Zigbee發送和接收模塊，用于遠程控制所述玻璃清潔機器人運動。所述Zigbee接收模塊安裝在所述機器人主體上，當所述機器人用于擦洗高樓幕墻玻璃時，操作者利用所述Zigbee發送模塊發送控制信號，所述Zigbee接收模塊接收信號，并將所述控制信號傳輸給機體控制單元的單片機，實現對所述機器人的遠程控制。所述的清洗單元包括清潔刷、噴液裝置，清潔液與清水分開噴射。所述清潔刷與舵機相連，安裝在所述機器人齒桿的兩端，在所述機器人水平向運動時，所設定程序可通過調整所述舵機角度使所述清潔刷貼在玻璃壁面上進行擦洗，所述噴液裝置將清潔液和清水分開噴射。下面以本發明基于足式爬壁的智能玻璃清潔機器人擦洗一塊帶邊框的玻璃為例，對本發明機器人的運動流程進行說明:程序初始化后，所述機器人的四只吸附足同時牢固吸附在玻璃壁面上，所述攝像頭開始采集壁面圖像，并將圖像信息傳給所述圖像采集卡，經圖像采集卡處理后的信息傳送給所述主機，所述主機判斷所述機器人是否處于左上角的邊框處，并將判斷信息反饋給所述單片機，若信息顯示所述機器人未放置于左上角的邊框處，則所述單片機控制所述機器人行走至左上角，在這一過程中所述清洗單元不工作。所述機器人行走過程如下所述:若開始需水平向行走，當所述圖像識別單元在行走方向未檢測到障礙物，所述豎直向吸附足牢固吸附在玻璃上，所述單片機通過控制所述電磁繼電器控制與所述水平向吸附足吸盤相連的電磁閥使其閥門開啟，所述水平向吸附足的吸盤脫離玻璃壁面，然后所述水平向吸附足抬升，所述減速電機工作，帶動所述齒輪向順時針方向轉動，驅動所述齒桿以最大步距m向前運動一步，然后所述水平向吸附足下降，貼住玻璃表面，所述單片機通過控制所述電磁繼電器控制與所述水平向吸附足吸盤相通的所述電磁閥使其閥門關閉，吸氣泵迅速抽空所述吸盤內的空氣形成真空，所述水平向吸附足牢固吸附在玻璃壁面上，之后所述豎直向吸附足以上述相同方式脫離玻璃壁面，所述單片機控制所述減速電機帶動所述齒輪向逆時針方向轉動，驅動所述機器人主體向前運動，然后所述豎直向吸附足再次吸附在玻璃上，水平向吸附足抬升，重復之前的運動。當所述圖像識別單元在行走方向檢測到障礙物時，將障礙物與機體的距離η (η<齒桿最大步距m-機器人主體寬度k，當n>齒桿最大步距m-機器人主體寬度k時，單片機不對反饋信息作出響應)反饋給單片機，所述單片機控制所述水平向吸附足抬升，所述齒桿向前運動n+k距離，所述水平向吸附足跨越障礙，吸附在玻璃上，所述豎直向吸附足抬升，所述減速電機工作，驅動所述機體主體向前運動跨越障礙。當所述機器人處于玻璃左上角的邊框后，所述機器人按照上述方式開始水平向右運動，此時若未遇障礙物，所述清潔刷下降至與玻璃壁面接觸，隨所述齒桿一起向右運動，擦洗玻璃。當運動到右上角的邊框處時，再向下運動一步，然后向左運動。所述機器人按照上述方式運動并擦洗玻璃，直到完成整塊玻璃的擦洗工作，程序終止運行，所述機器人的水平向吸附足和豎直向吸附足一起吸附在玻璃壁面上，恢復初始狀態。所述機器人的圖像識別系統能夠識別窗框、障礙物和玻璃幕墻邊緣，跨越窗框和跨越障礙物方式相同。所述機器人可以遠程操作，當所述機器人在高空或者遠距離作業時，操作者利用所述Zigbee發射模塊發出一系列控制信息，所述機器人主體上的Zigbee接收模塊接收該控制信息并傳輸給所述單片機，所述單片機根據該控制信息控制機器人運動。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于足式爬壁的智能玻璃清潔機器人，包括機器人主體、行走單元、吸附單元、驅動單元、機體控制單元、清洗單元、圖像識別單元和無線控制單元，其特征在于: 所述行走單元包括四只機械足；所述吸附單元設有四個，分別安裝在四只機械足上，與所述機械足一起組成四只吸附足，在所述機體控制單元的作用下，所述四只吸附足和所述驅動單元協調運動，帶動所述機器人主體運動； 所述圖像識別單元與機體控制單元連接，通過實時采集圖像信號來檢測障礙物和幕墻邊緣，將所采集的圖像信號進行處理后傳輸給機體控制單元； 所述無線控制單元與機體控制單元連接，用于遠程控制所述機器人主體運動。
2.根據權利要求1所述的智能玻璃清潔機器人，其特征在于，所述吸附單元包括連接板、金具、防滑吸盤、緩沖裝置，緩沖單元套在金具上；金具一端連著吸盤，另一端連著連接板；所述緩沖裝置安裝在金具上。
3.根據權利要求1所述的智能玻璃清潔機器人，其特征在于，所述驅動單元包括減速電機、齒桿及齒輪；所述齒輪安裝在減速電機上，所述減速電機固定在所述機器人主體上，所述齒輪咬合所述齒桿。
4.根據權利要求3所述的智能玻璃清潔機器人，其特征在于，所述機體控制單元包括電機驅動板、舵機控制板、電磁繼電器及單片機，所述電機驅動板與所述減速電機相連，所述舵機控制板與所述機械足上的舵機相連，所述單片機分別與所述電機驅動板、舵機控制板和所述電磁繼電器相連。
5.根據權利要求1所述的智能玻璃清潔機器人，其特征在于，所述圖像識別單元包括攝像頭、圖像采集卡、主機及無線收發模塊，所述攝像頭安裝在所述機器人主體上；通過所述攝像頭采集實時圖像，經所述圖像采集卡處理后經所述無線收發模塊發送，由所述主機接收并處理后反饋給機體控制單元。
6.根據權利要求1所述的智能玻璃清潔機器人，其特征在于，所述無線控制單元包括Zigbee發送模塊和Zigbee接收模塊,所述Zigbee發送模塊用于發送控制信號；所述Zigbee接收模塊安裝在所述機器人主體上，用于接收控制信號，并將所述控制信號傳輸給機體控制單元。
全文摘要
本發明提供一種基于足式爬壁的智能玻璃清潔機器人，包括機器人主體、行走單元、四個吸附單元、驅動單元、機體控制單元、清洗單元、圖像識別單元和無線控制單元；行走單元包括四只機械足；四個吸附單元分別安裝在四只機械足上組成四只吸附足，在機體控制單元的作用下四只吸附足和驅動單元協調運動，帶動機器人主體運動；圖像識別單元與機體控制單元連接，通過實時采集圖像信號來檢測障礙物和幕墻邊緣，將所采集的圖像信號進行處理后傳輸給機體控制單元；無線控制單元與機體控制單元連接，用于遠程控制所述機器人主體運動。本發明在玻璃單側吸附，可跨越窗框等障礙物，具有圖像識別功能，行走方式靈活，運動平穩。
文檔編號A47L1/02GK103082934SQ201210584759
公開日2013年5月8日 申請日期2012年12月28日 優先權日2012年12月28日
發明者黃元亮, 張東平, 朱建文, 羅權濤, 陳金輝, 陳佳浩, 羅祥華, 黃振雄, 劉宇杰 申請人:暨南大學