技术领域
[0001] 本
发明属于服务型机器人领域，具体涉及一种具有越障功能的两足壁面清洁
机器人本体。
背景技术
[0002] 近年来，
高层建筑越来越普遍。随之而来的高层建筑表面，特别是玻璃帷幕，的清洁需要越来越突出。人工高层清洁的负担和
风险问题催生了自动化高空作业的清洁机器人的出现。但是目前市面上所售出的壁面清洁机器人大多为平面壁面清洁机器人，其工作环境受限于平面，无法满足复杂曲面的工作表面，高层的复杂壁面，尤其是清洁需要非常频繁的玻璃清洁，仍然是人工去实现。
[0003] 目前存在的壁面清洁机器人,包括单足、多足、轮式及
履带式等形式，主体结构为十字、
框架结构等。从机器人的结构主体上来讲，一般包括清洁部件、
吸附部件、旋转部件、
连杆部件等。它们可以实现在平面上的稳定吸附。市面上单足和多足壁面清洁机器人应用最为广泛。但单足的结构简单、功能单一；多足的功能性好，但结构复杂、成本高。
[0004] 复杂壁面的清洁需要可稳定吸附、具有跨越一定高度障碍功能的壁面清洁机器人。目前，有越障功能的机器人主要是框架结构的，一般结构比较复杂，体积臃肿，
质量较大，使用成本较高，并且只能进行单一的直线运动。市面上性价比较好的两足机器人，由于其机器人本体两清洁部件距离近，连杆部件为固定式，无法实现两清洁部件的相对运动，故无法自主完成越障。当遇到具有一定弧度的曲面玻璃时，由于此类机器人本体清洁部件为单
吸盘，会导致机器人与玻璃壁面有效吸附
力降低，将会使得机器人在玻璃壁面上安全吸附的可靠性降低，从而会从工作面上脱落，以至于不能够完成清洁工作。能不能在结构简单的两足壁面清洁机器人的
基础上，开发出稳定吸附、具有越障功能的壁面清洁机器人，以自动完成复杂曲面玻璃帷幕清洁工作，变得越来越迫切。
发明内容
[0005] 本发明目的是提供一种结构简单、性价比高、能安全吸附并具有自主越障能力、用于自动完成复杂光滑壁面清洁工作的两足壁面清洁机器人，特别适用于玻璃帷幕的清洁工作。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种两足壁面清洁机器人本体，包括连杆部件和2个分别连接在连杆部件两端的工作组件；每个工作组件包括清洁部件、吸附部件和
真空发生器；所述连杆部件包括一端通过回转参数可控的连杆间垂直回转副铰接连接在一起的第一连杆和第二连杆,以实现二者在垂直平面内围绕连杆间垂直回
转轴线旋转；所述连杆部件还包括与所述第一连杆和第二连杆的另一端分别通过一个回转参数可控的旁垂直回转副铰接连接的2个旁垂直回转臂，以实现所述第一连杆和第二连杆分别与所述旁垂直旋转臂在垂直平面内围绕旁垂直回转轴线旋转；所述连杆部件还包括把每个所述旁垂直回转臂与工作组件铰接连接的两个回转参数可控的吸附端
水平回转副，用以实现所述工作组件在水平平面内围绕所述吸附端水平回转副的水平回转轴线旋转；所述吸附部件套接在所述清洁部件上，包括关节
支架和数个安装在所述关节支架上、由柔性材料制成的吸盘；所述工作组件通过所述关节支架与所述吸附端水平回转副铰接连接；所述清洁部件上有密封的空腔结构，用于固定安装所述真空发生器；所述真空发生器进气口位于所述密封的空腔结构内，出气口位于所述密封的空腔结构外；所述清洁部件上有数个供所述吸盘穿过的贯通结构；所述吸盘的外壁紧密贴合并穿过所述贯通结构，并在所述密封的空腔结构内的部位开有数个通气结构。
[0008] 所述关节支架包括关节支架
主板；所述关节支架主板的下表面固定安装有与所述吸盘个数匹配的数个下安装柱，所述关节支架主板的上表面固定安装有上安装结构；所述下安装柱的下端具有头结构，每个所述球头结构紧密套接入对应的所述吸盘的上端，形成数个球头关节，每个所述吸盘上端绕对应的所述球头关节旋转，使每个所述吸盘的下端在各自
位置上实现稳定吸附。
[0009] 所述清洁部件由清洁
块压板和清洁块组成，并通过所述清洁块压板固定安装在所述关节支架主板下平面上；所述贯通结构贯穿所述清洁块压板(和清洁块的组合体；所述清洁块压板上部有所述密封的空腔结构，所述真空发生器固连其中，下部为边缘处有向内卡条的敞开式内腔，用于卡扣住所述清洁块；所述清洁块的底部在安装状态下高出所述吸盘的底部。
[0010] 所述连杆间垂直回转副为垂直旋转
舵机；所述第一连杆和第二连杆中的一个铰接在所述垂直旋转舵机
输出轴处，另一个固定连接在所述垂直旋转舵机
机体处。
[0011] 2个所述旁垂直回转副为旁垂直旋转舵机；2个所述旁垂直回转臂分别固定连接在所述旁垂直旋转舵机机体处，所述第一连杆和第二连杆分别铰接于所述旁垂直旋转舵机输出轴处。
[0012] 2个所述吸附端水平回转副分别为水平旋转舵机；所述旁垂直回转臂固定连接在所述水平旋转舵机机体处，所述关节支架铰接连接在所述水平旋转舵机输出轴处。
[0013] 所述旁垂直旋转臂由所述水平旋转舵机上固定连接的水平旋转舵
机架和所述旁垂直旋转舵机上固定连接的旁垂直旋转舵机架固接组成。
[0014] 所述第一连杆和第二连杆为等长对称结构。
[0015] 每个所述吸附部件在圆周方向上均匀布设有3个所述吸盘；对应的，所述清洁部件在圆周方向上均匀布设有3个供所述吸盘穿过的所述贯通结构。
[0016] 所述通气结构为通透的圆形、椭圆形、多边形中的一种。
[0017] 采用本发明的技术方案，可以取得以下有益效果：
[0018] 本发明的具有稳定吸附和越障功能的两足壁面清洁机器人本体,适合复杂壁面，特别是玻璃帷幕的两足壁面清洁机器人本体。
[0019] 本发明采用舵机作为回转副，使得两足壁面清洁机器人本体结构紧凑、步态变换控制简单、总体质量较轻；采用对称结构设计，可以使两足壁面清洁机器人本体动、静态
稳定性好；通过三个垂直回转副之间的动作，可以有效完成两足壁面清洁机器人本体的越障与移动功能；通过两个水平回转副之间的动作以及球形回转副的设计，可以实现吸附部件对所需清洁壁面的稳定吸附和完成清洁工作。
附图说明
[0020] 图1为本发明两足壁面清洁机器人本体结构的原理示意图
[0021] 图2为本发明两足壁面清洁机器人本体结构的正视示意图
[0022] 图3为本发明两足壁面清洁机器人本体结构中
球形关节部分的结构示意图[0023] 图4为本发明两足壁面清洁机器人本体中吸附部件与清洁部件连接结构的局部示意图
[0024] 附图标记 1-连杆部件 11-第一连杆 12-第二连杆 2-水平旋转舵机 21-水平旋转舵盘 22-水平旋转舵机架 3-旁垂直旋转舵机 31-旁垂直旋转舵盘 32-旁垂直旋转舵机架 4-吸附部件 41-关节支架 411-下安装柱 4111-球头结构 412-关节支架主板关节支架下平面 413-上安装结构 42-吸盘 5-清洁部件 51-清洁块压板 52- 清洁块 6-旁垂直回转臂 7-垂直旋转舵机 71-垂直旋转舵盘 72-垂直旋转舵机架 8-真空发生器 9-工作组件 Ⅰ-水平回转轴线 Ⅱ-连杆间垂直回转轴线 Ⅲ-旁垂直回转轴线 A-连杆间垂直回转副 B-旁垂直回转副 C-吸附端水平回转副
具体实施方式
[0025] 为能解释本发明的结构，用具体
实施例做进一步说明：
[0026] 一种两足壁面清洁机器人本体，包括连杆部件1和2个分别连接在连杆部件1两端的工作组件9；每个工作组件9包括清洁部件5、吸附部件4和真空发生器8；连杆部件1包括一端通过回转参数可控的连杆间垂直回转副A铰接连接在一起的第一连杆11和第二连杆12, 以实现二者在垂直平面内围绕连杆间垂直回转轴线Ⅱ旋转；连杆部件1还包括与第一连杆11 和第二连杆12的另一端分别通过一个回转参数可控的旁垂直回转副B铰接连接的2个旁垂直回转臂6，以实现第一连杆11和第二连杆12分别与旁垂直旋转臂6在垂直平面内围绕旁垂直回转轴线Ⅲ旋转；连杆部件1还包括把每个旁垂直回转臂6与工作组件9铰接连接的两个回转参数可控的吸附端水平回转副C，用以实现工作组件9在水平平面内围绕水平回转轴线Ⅰ旋转；吸附部件4套接在清洁部件5上，包括关节支架41和数个安装在关节支架41上、由柔性材料制成的吸盘42；工作组件9通过关节支架41与吸附端水平回转副C铰接连接；清洁部件5上有密封的空腔结构，用于固定安装真空发生器8；真空发生器8进气口位于密封的空腔结构内，出气口位于密封的空腔结构外；清洁部件5上有数个供吸盘42穿过的贯通结构；
吸盘42的外壁紧密贴合并穿过贯通结构，并在密封的空腔结构内的部位开有数个通气结构
421。
[0027] 关节支架41包括关节支架主板412；关节支架主板412的下表面固定安装有与吸盘42 个数匹配的数个下安装柱411，关节支架主板412的上表面固定安装有上安装结构413；
下安装柱411的下端具有球头结构4111，每个球头结构4111紧密套接入对应的吸盘42的上端，形成数个球头关节，每个吸盘42上端绕对应的球头关节旋转，使每个吸盘42的下端在各自位置上实现稳定吸附。
[0028] 清洁部件5由清洁块压板51和清洁块52组成，并通过清洁块压板51固定安装在关节支架主板412下平面上；贯通结构贯穿清洁块压板51和清洁块52的组合体；清洁块压板51上部有密封的空腔结构，真空发生器8固连其中，下部为边缘处有向内卡条的敞开式内腔，用于卡扣住清洁块52；清洁块52的底部在安装状态下高出吸盘42的底部。
[0029] 连杆间垂直回转副A为垂直旋转舵机7；第一连杆11和第二连杆12中的一个铰接在垂直旋转舵机7输出轴处，另一个固定连接在垂直旋转舵机7机体处。
[0030] 2个旁垂直回转副B为旁垂直旋转舵机3；2个旁垂直回转臂6)别固定连接在旁垂直旋转舵机3机体处，第一连杆11和第二连杆12分别铰接于旁垂直旋转舵机3输出轴处。
[0031] 2个所述吸附端水平回转副C分别为水平旋转舵机2；旁垂直回转臂6固定连接在水平旋转舵机2机体处，关节支架41铰接连接在水平旋转舵机2输出轴处。
[0032] 旁垂直旋转臂6由水平旋转舵机2上固定连接的水平旋转舵机架22和旁垂直旋转舵机3 上固定连接的旁垂直旋转舵机架32固接组成。
[0033] 第一连杆11和第二连杆12为等长对称结构。
[0034] 每个吸附部件4在圆周方向上均匀布设有3个吸盘42；对应的，清洁部件5在圆周方向上均匀布设有3个供吸盘42穿过的贯通结构。
[0035] 通气结构421为通透的圆形、椭圆形、多边形中的一种。
[0036] 下面结合附图1～4，对本具体实施例做更具体的说明，如下：
[0037] 本发明涉及的一种两足壁面清洁机器人本体，可以用于复杂壁面，尤其是玻璃帷幕的自动化清洁工作。该本体可以看做是“两足五关节六臂”的结构。从附图1的本发明本体结构的原理示意图可以看出，所谓两足为：吸附部件4和清洁部件5共同构成的两个工作组件9；所谓五关为：一个连杆间垂直回转副A、两个旁垂直回转副B和两个吸附端水平回转副C，共计5个回转副；所谓六臂为：两个以关节支架41为刚性构件的工作组件9、两个旁垂直回转臂、第一连杆和第二连杆，共计6个构件。所有的回转副均采用回转速度和回转
角度可以通过控制系统进行控制的机构，在本具体实施例中，回转副采用舵机。
[0038] 在本实施例中，第一连杆和第二连杆采用等长设计，使得整体结构为对称型，利于两足壁面清洁机器人本体步态变换控制简单、整体结构紧凑,使机器人动、静态稳定性好；在吸附部件4中设计了3个圆周均布的吸盘42。连杆间垂直回转副A和旁垂直回转副B选用DS3135 型舵机作为垂直旋转舵机2和旁垂直旋转舵机3，连杆间垂直回转轴线Ⅱ和旁垂直回转轴线Ⅲ垂直于附图1的平面；水平回转副A选用DSS160型舵机作为水平旋转舵机2，水平回转轴线Ⅰ位于附图1的平面内。旁垂直旋转臂6由水平旋转舵机2上固定连接的水平旋转舵机架 22和所述旁垂直旋转舵机3上固定连接的旁垂直旋转舵机架32固接组成。
[0039] 首先对吸附部件4进行说明。本发明的吸附部件4包括关节支架41、柔性材料制成的3 个圆周均布的吸盘42。
[0040] 关节支架41是一个支架结构，包括关节支架主板412、其下表面安装的与3个吸盘42 匹配的3个下安装柱411，和其上表面居中位置安装的上安装结构413；其中，上安装结构
413用于连接到水平旋转舵机2的水平旋转舵盘21上，以便带动固接在关节支架41上的所有零部件一起随水平旋转舵机2的输出轴旋转而旋转。
[0041] 在本实施例中，下安装柱411有3个，圆周均布于关节支架主板412下表面，每个下安装柱411端头具有球头结构4111，与3个吸盘42匹配。由于吸盘42是柔性结构，比如材料选用某种
橡胶，其上部可以做成大半个球形的结构，以紧密套接入对应的球头结构4111，使得关节支架41和吸盘42之间形成3个球头关节，以便每个吸盘42上端可以围绕对应的球头关节任意旋转，这样每个吸盘42的下端可以在各自位置上实现局部稳定吸附，进而实现整个吸附部件4对复杂壁面的稳定吸附。
[0042] 本发明的连杆部件1为两杆回转连接结构，即连杆部件1由第一连杆11和第二连杆12 组成，二者之间通过连接一个垂直旋转舵机7组成回转副；安装方式要保证其中的一个连杆，比如第一连杆11，连接在垂直旋转舵机7输出轴上(一般是通过与该输出轴同时旋转的垂直旋转舵盘71连接)，另一个连杆，比如第二连杆12，固定连接在垂直旋转舵机7上(一般是通过固定安装在垂直旋转舵机7上的垂直旋转舵机架72)，以实现第一连杆11和第二连杆12 在二者构成平面内、围绕垂直旋转舵机7的
旋转轴转动，形成一个连杆间垂直回转副A。参考附图1，第一连杆11和第二连杆12之间应该实现附图1平面内的旋转，即旋转轴线为垂直旋转舵机7的输出轴线Ⅱ，其垂直于附图1的平面。在本具体实施例中，采用2个连杆组成连杆部件1，为的是以最简单的结构，实现连杆部件1两端部之间水平、垂直两方向之间的距离连续性变动，即实现机器人的两足之间距离的改变，形成步态。
[0043] 第一连杆11和第二连杆12旋转连接后，各自的另一端，分别连接一个旁垂直旋转舵机3，需要把两个连杆通过旁垂直旋转舵盘31固连到旁垂直旋转舵机的输出轴处，形成铰接。在旁垂直旋转舵机3上固连有各自的旁垂直旋转舵机架32，该旁垂直旋转舵机架32与水平旋转舵机2上固连的水平旋转舵机架22紧固相连，旁垂直旋转舵机架32和水平旋转舵机架22相连成旁垂直回转臂6。这样，两个旁垂直回转臂6分别和第一连杆11、第二连杆12，通过旁垂直旋转舵机3作为回转副，形成两个旁垂直回转副B。参考附图1，第一连杆11或第二连杆12与旁垂直回转臂6之间应该实现附图1平面内的旋转，即旋转轴线为旁垂直旋转舵机3 的输出轴线Ⅲ，其垂直于附图1的平面。在本具体实施例中，采用3个垂直方向的回转副，便于实现机器人的跃障。当遇到障碍需跨越时，在3个垂直旋转舵机的组合形成的复合回转副的作用下，可实现吸附足(其中一个工作组件9作为吸附足)稳定吸附，抬升足(另一个工作组件9作为抬升足)越障的动作。
[0044] 水平旋转舵机2的输出轴线Ⅰ在附图1平面内的，它的输出轴处的水平旋转舵机盘21与吸附部件4的关节支架41上的上安装结构413固连，使得与关节支架41固连的工作组件
9 都随水平旋转舵机2的输出轴的旋转而旋转，形成两个吸附端水平回转副C。
[0045] 清洁部件5由清洁块压板51和清洁部件52组成。该部件通过清洁块压板51固定连接在关节支架41上。清洁块压板51的上部带有密封的空腔结构，真空发生器8密封固定安装在清洁块压板51的
底板上；上端进气口位于清洁块压板51腔内，出气口置于清洁块压板51外部。工作时，调节真空发生器8的转速，可控制清洁块压板51上密闭的空腔结构中的压力，进而通过吸盘42上的透气孔421，使吸附部件4上各吸盘42内部的压力同步变化，造成各吸盘42与外界之间产生
大气压强差，使吸盘42产生随调节真空发生器8转速不同而不同的吸附力，或适应稳定吸附，或适应清洁工作中的移动。吸盘42下方距离清洁块52下端面有一定高度，以保证在吸附力产生之后，清洁块52受压缩，以提供足够的擦拭力。清洁部件5 下部为边缘有向内卡条的敞开式内腔，用于卡扣住清洁部件52；清洁部件5上预留有所述吸盘42穿过的贯通结构，该贯通结构可以紧密贴合吸盘42的外壁。
[0046] 该两足壁面清洁机器人本体的步态调整是通过控制系统对各回转副上各舵机转动角度大小及设定动作先后顺序而控制的，从而实现稳定吸附、跃障，执行多种擦拭轨迹。
[0047] 为方便描述，线将采用直线形擦拭轨迹对本发明的步态调整工作原理进行阐述：
[0048] 启动控制系统和动力系统。先设定附图1中左侧足为吸附足，右侧足为清洁工作足；左侧3个吸盘42在真空发生器8与外界大气压所形成的压差作用下，配合关节支架41下端分布的3个球头结构4111形成的球型回转
副作用，使每个吸盘42的轴线与所其所吸附的局部壁面基本垂直。随着吸附力的增大，左侧一足将安全吸附于玻璃壁面上，然后保持此吸附力；此时右侧一足，通过调节真空发生器3中
马达转速大小，使其产生适当的清洁用吸附力，在清洁用吸附力作用下右侧各吸盘42将通过关节支架41和清洁块压板51对清洁块52产生滑动擦拭玻璃壁面所用的
挤压力；通过对构成右侧吸附端水平回转副的DSS160舵机控制，右吸附部件(4)将会绕其自身轴线在一定角度范围内转动，以完成反复摆动擦拭。此时，需要关注移步动作：在连杆部件1整体保持直线的状态下，通过控制在连杆部件1两端和中间的3个垂直回转副的DS3135舵机，使得第一连杆11和第二连杆12之间向内折叠，实现两足壁面清洁机器人右侧吸附部件向左侧吸附部件靠近以完成两足之间区域的擦拭；当两吸附部件相
接触时，增加右侧真空发生器8中马达转速，使得图一右侧足完成吸附动作成为吸附足，降低左侧足真空发生器马达转速，使左侧足成为清洁工作足；重复上述的反向动作，完成连杆部件1长度方向一次线性清洁工作移动擦拭动作；上述两步骤重复，可最终完成该线性壁面区域的清洁工作。当然也可以通过控制系统的设定，在一段时间内，让一侧足始终未吸附足。
[0049] 下面解释该两足壁面清洁机器人本体弯道转弯模式的工作原理：
[0050] 依然设定附图1中左侧工作组件9为吸附足，右侧工作组件9为清洁工作足。当吸附足运动至清洁区边缘，需要改变工作的线性壁面区域时，进入弯道转弯模式，以改变线性工作区域到原线性区域成一定角度的位置。调节左侧足真空发生器8转速，改变真空发生器8与外界大气压所形成的压差，从而加大3个吸盘42与壁面之间的吸附力，进一步保持吸附足的稳定吸附。然后，调整右侧清洁工作足的位置：通过控制在连杆部件3个垂直回转副的DS3135 舵机，使得第一连杆11和第二连杆12之间向内折叠，实现两足壁面两足壁面清洁机器人本体右侧清洁工作足向左侧吸附足移动；当右侧清洁工作足与左侧吸附足靠近时，停止对3个垂直回转副的DS3135舵机控制，维持3个垂直回转副DS3135舵机现转动角度；此时，开启对作为左侧吸附足处的水平回转副关节的水平旋转舵机2(DSS160)的控制，使其转动目标角度；由于吸附足有足够的吸附力，使得与关节支架41刚性连接的水平旋转舵机2上的水平旋转舵盘21相对不动，则连杆部件(1)连同右侧清洁工作足将会随水平旋转舵机2(DSS160) 转过相应的角度，完成弯道转弯动作。
[0051] 下面解释该两足壁面清洁机器人本体跃障模式的工作原理：
[0052] 当壁面局部弧度较大或是需要跨越两幅壁面进行清洁工作时，需要开启对障碍区域的越障工作模式。依然设定附图1中左侧工作组件9为吸附足，右侧工作组件9为清洁工作足。设定如附图1所示左侧吸附足已到达障碍区边缘。调节左侧足真空发生器8转速，改变真空发生器8与外界大气压所形成的压差，从而加大3个吸盘42与壁面之间的吸附力，进一步保持吸附足的稳定吸附。然后，调整附图1三个垂直旋转舵机中左端的垂直旋转舵机3(DS3135) 和中间的垂直旋转舵机7(DS3135)，使它们发生设定的逆
时针(针对附图1平面而言)转动角度，可抬高右侧清洁工作足；当右侧清洁工作足抬升高度超过障碍高度时，维持左端的垂直旋转舵机3(DS3135)和中间的垂直旋转舵机7(DS3135)的转动角度不动；此时，重复两足壁面清洁机器人本体弯道转弯模式，将右侧清洁工作足转送到障碍区的另一侧，然后，反方向控制原来的左端的垂直旋转舵机3(DS3135)和中间的垂直旋转舵机7(DS3135)向相反方向发生转动角度，直至清洁工作足可以吸附到新的壁面，完成该两足壁面清洁机器人本体一个足的跃障动作。此时，通过调整两个真空发生器8转速，对吸附足和清洁工作足的功能进行转换，可以完成原本是吸附足的跃障动作。从而完成两足壁面清洁机器人本体整体的越障动作。
[0053] 当然控制系统可以设定移步、旋转、跃障的动作可以有序进行，也可以适当地组合进行。
[0054] 在实际应用中，各个回转副可以是舵机，也可以是用锥齿、
同步带等外加动力装置的组合结构。这些结构都可以实现本发明的相关功能，只是锥齿总体质量较大，会对吸附要求变高；用同步带在
精度上会有损失。比较来说，舵机性价比较高。
[0055] 所有的臂结构可以设计成
冲压成型的多功能支架，也可以是其它形状的功能件，各个臂结构和回转副(具体到本实施例为舵机)之间的连接只要符合功能实现要求，可以是本领域的任何公知连接关系。比如上安装结构414可以省略，将水平旋转舵机2的水平旋转舵盘21 直接固定连接到关节支架上平面413上；或者增加一个附带其它功能的结构件，把水平旋转舵机2的水平旋转舵盘21与关节支架上平面413固定连接；等等。其它结构上的本领域技术手段范围内的变化不再赘述。
[0056] 尽管上面结合附图和优选实施例对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施例，上述的具体实施例仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明实质情况下，还可以做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。
