发明人：韩宝玲；罗庆生；刘成；王帅；范皓
履带吸盘式壁面清洁机器人
技术领域
本发明属于特种机器人应用领域，具体涉及一种履带吸盘式壁面清洁机器人。
背景技术
目前有很多关于壁面清洗机器人的研究和已经发表的论文，国内外使用的较多的是吊缆式的高空玻璃清洁机器人。虽然在清洁高空玻璃方面这种机器人可以代替人工，减少伤亡事故的发生率，效率也有一定的提高，但是这类清洁机器人无法摆脱吊缆的控制，不具有智能识别和清洗的功能，而且造价昂贵。对于足式爬壁机器人的低使用效率及所能承载的整体重量也是很难克服的一大难关，这对于足式的机械机构强度要求较高。
北京航空航天大学与金讯公司合作，自1996年来开发研究，得到目前来说整体水平与国外具有同步领先地位的“蓝天洁士”玻璃清洗机器人。“蓝天洁士”的三个开发系列主要针对于中低层、中高层、高层、超高层、斜面、小角度倾斜铅垂平面、小角度转折平面等不同的清洁环境。“蓝天洁士”的成功标志着我国清洁机器人的水平已经开始进入新纪元。
目前开发出的“蓝天洁士”系列的玻璃清清洗机器人，由于此机器人采用吊缆式，虽然可以在很多环境下进行作业，但是功耗量是不可忽视的，但是吊缆式的机器人需要工作人员不间断的操作，另外，还需要在建筑物顶铺设机器人在清洁过程中行进时需要的轨道。我们看到了“蓝天”系列跨时代的创新优点，但也不可忽略这些不足。
为使清洗机器人能够具有更好的适应能力和清洁能力，我们致力于设计和开发一种履带吸盘式的壁面自动清洗机器人。此机器人可以摆脱吊缆的束缚，即采用无缆式控制，而且具有一定的越障和自动识别功能，能在低功耗的情况下，达到我们需要的工作量。壁面自动清洗机器人适用于玻璃幕墙及瓷砖等壁面，靠真空吸盘的吸附能力及履带的行进能力可以快速地作业。不仅避免了使用传统人工清洗时清洗效率低、资源浪费和事故频发等现象，也避免了吊缆式机器人无法摆脱人工操作、需要预设轨道等不足之处，而且具有体积小、适合多种材料壁面、低功耗、效率高等特色。
发明内容
本发明的内容在于设计和实现履带吸盘式壁面清洁机器人。该机器人靠装有吸盘的履带行进，履带吸盘与真空泵连接，抽气形成真空度；吸盘设计有杠杆销钉，能够通过杠杆作用放气；底盘中央设计有转向吸盘，通过电动机控制丝杠的运转，能够使车身围绕转向吸盘轴线旋转；车身前设计有超声探测与反馈装置，保证车体在行进中能在恰当时刻自动转向；车体上装有清洁装置，由单一电动机控制驱动，伴随车体行进时进行清洗工作。通过机械结构设计、电路控制与自动控制等多方面结合，使该机器人能在合适的环境下爬壁并清洁壁面，同时超声探测与反馈系统与其他控制单位协调一体保证了机器人的转向和越障功能的完美执行。
为了实现上述发明目的，履带吸盘式壁面清洁机器人主要有以下零部件：履带、履带吸盘、履带驱动轮、履带转动轮、履带同步轮、传动齿轮、驱动电动机、底盘、中央吸盘、转向丝杠结构、转向驱动电动机、真空泵、导气管、真空泵控制电动机、电控结构、超声探测与反馈系统、排气杠杆、清洁滚刷、清洁刮板、喷水装置、电池组等。
主要设计包括以下结构：①履带吸盘结构：将吸盘装配在履带上，根据吸盘吸附壁面的条件，设计同步轮和杠杆排气机构，保证了吸盘与履带的同步运行，同时确定整车的运行路线和状态。②转向结构：履带上的吸盘在壁面上紧紧吸附，无法使整车利用差速原理转向，安装在底盘的中央吸盘配合与底盘固定的转向丝杠的运动，车体可以升降，完成转向，促进被动吸附。③履带吸盘的抽气与放气结构：履带吸盘的抽气装置采用齿轮配合和凸轮机构，通过电动机驱动齿轮带动凸轮机构运动，由于齿轮配合具有一定的传动比关系，安装在凸轮上的气嘴可以反复与吸盘气嘴结合并进行吸气；吸盘设计有杠杆排气装置，当吸盘随履带运动到后轮时，杠杆装置运行，吸盘排气。④超声探测与反馈系统：该系统设定的探测障碍距离为车体对角线的一半，保证车体在转向时不会与障碍触碰，阻碍转向系统的正常运行。
本发明的优点在于：
1）设计的转向机构克服了此类机器人在壁面上难以转向的难题，结构简单，运行效率高，气阀式吸盘吸附效率高，多吸盘可靠性强。
2）履带吸盘的吸气与排气结构动力来自于主驱动电动机，提高了能源使用效率，同时利用齿轮传动比与凸轮机构的配合、杠杆排气装置，保证了吸气与排气的成功进行。
3）采用履带吸盘式平台，相对于现有的足式能承受更大的负载，在传统爬壁机器人基础上，实现了履带吸盘式壁面机器人的成功研发，显著提高了运行效率。
4）搭建的壁面吸附平台具有较高的承载功能，可以广泛用于各种光滑壁面。履带吸盘式平台可以推广使用的范围涉及军事、国民生活、工业生产等多方面。
附图说明
附图M-1为履带吸盘式壁面清洁机器人整体示意图。
附图M-2为履带吸盘式壁面清洁机器人俯视图。
附图M-3为履带吸盘式壁面清洁机器人正视图。(www.xing528.com)
附图M-4为履带吸盘式壁面清洁机器人装配图。
附图M-5为履带吸盘式壁面清洁机器人履带示意图。
附图M-6为履带吸盘式壁面清洁机器人转向机构装配图。
附图M-7为履带吸盘式壁面清洁机器人转向机构示意图。
以上附图中：1—转向机构；2—底盘；3—同步带；4—主驱动电动机；5—杠杆触发装置；6—转向舵机；7—承托架；8—真空泵；9—真空泵驱动电动机；10—三角架；12—滚刷支架；13—驱动轴；14—支撑架；15—轴承；16—升降被动齿轮；17—转向被动齿轮；18—升降主动齿轮；19—丝杠；20—转向主动齿轮；21—中央吸盘；22—卡簧；23—吸盘；24—同步带轮；25—同步带；26—驱动轮；27—丝杠固定螺母；28—丝杠螺母；29—垫片；30—平头螺钉；31—放气杠杆；32—固定销；33—橡胶密封球；34—压球弹簧；35—放气弹簧；36—长螺钉；37—密封垫圈；38—螺钉；39—转向吸盘柱；40—放气门；41—固定螺钉；42—刮板；43—压紧拉簧；44—滚刷；45—三角带；46—驱动齿轮副；47—配气齿轮组；48—凸轮机构。
具体实施方式
1.履带的结构与组装
如附图M-5所示，履带由同步带25、同步带轮24、驱动轮26、吸盘23组成。为保证传动比，通过计算每个吸盘之间的距离的理论值，在同步带上面打孔，将吸盘与同步带通过压带弹簧实现连接。
2.转向机构的结构与组装
如附图M-6和附图M-7所示。转向机构主要由17、20构成的转向齿轮、16、18构成的升降齿轮、丝杠19、中央吸盘21、轴承15、卡簧22等组成。中央吸盘与丝杠处在同轴线的位置，二者固联；吸盘正上方，转向大齿轮17连接于丝杠；转向大齿轮上方安装的是升降被动齿轮16，该齿轮与滚珠丝杠螺母28通过螺钉固连，丝杠螺母与滚珠丝杠的丝杆19的通过滚珠减小摩擦。升降大齿轮与转向大齿轮17都固连于机身底盘。另外两个20、18构成的传动齿轮分别与对应的被动齿轮形成啮合，并与转向蜗轮蜗杆电动机的驱动端连接。在丝杠上端安装轴承15及固定轴承用的卡簧22。
3.清洁系统组装
清洁系统包括雾状喷淋装置、滚筒刷洗装置和刮板刮洗装置。清洁机构主要由以下部分组成：滚刷44、刮板、机架等。将滚刷44及车尾的刮板安装于底盘。清洁液由水泵喷出冲洗并浸润壁面；随后由滚刷44刷洗壁面，除去附着力较大的污垢；最后，由刮水板刮净残留的液体。采用冲洗、刷洗、刮洗联合作业的清洗方式，在清洗的同时，电动机带动履带转动实现行进过程的顺利连续。并且清洁装置前置，有利于死角的清洁，清洗效率高。滚刷安装在车体的前方，而刮板安装在车尾，同时对履带行进之后造成的痕迹和残留的污渍进一步清理，尽量减少由于履带行进对幕墙造成的污染，使幕墙更清洁。
4.机器人整体组装
如附图M-4所示，在已经加工好的底盘2前后10、14-底盘架上分别安装好驱动轮、前轮、履带及同步轮，在履带吸盘杠杆旁将5-杠杆触发装置安装于车架上，安装真空泵（8）。在底盘2的中央扩孔处安装转向机构1，将承托架7安装于转向机构上方，转向机构的轴承15安装于承托架的轴承套中，将转向舵机6安装于承托架上。安装驱动轴13于驱动轮之间，同时在前轮之间也安装同一驱动轴。将同步带3按照前面的步骤安装在底盘另一边，前后轮分别靠驱动轴13连接在一起。将主驱动电动机4安装于底盘中后部，且该电动机传动轴上的齿轮与驱动轴13上的齿轮啮合。在车体上安装超声探测与反馈装置及电路控制结构。
说明书附图
附图M-1 履带吸盘式壁面清洁机器人整体示意图
附图M-2 履带吸盘式壁面清洁机器人俯视图
附图M-3 履带吸盘式壁面清洁机器人正视图
附图M-4 履带吸盘式壁面清洁机器人装配图
附图M-5 履带吸盘式壁面清洁机器人履带示意图
附图M-6 履带吸盘式壁面清洁机器人转向机构装配图
附图M-7 履带吸盘式壁面清洁机器人转向机构示意图
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