楼道清洁机器人专利，机械创新设计大赛作品设计:升降伸缩式楼道清洁机器人

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楼道清洁机器人专利，一种全自动楼梯清洁机器人

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种全自动楼梯清洁机器人。

背景技术 机器人技术的发展，是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，是为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术。

经济的发展改变了人类社会结构的组成，在智能化大发展的浪潮下，利用机器人来替代传统的利用人类的劳动力来清洁楼道的趋势已经越来越明显。

然而，当前热门的楼道清扫机器人爬楼结构较为复杂，制造成本较高，因此对于研制高性能、低成本的楼梯爬升机器人带来诸多挑战。

实用新型内容 本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种全自动楼梯清洁机器人。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种全自动楼梯清洁机器人，包括机身，设置于机身两侧的台阶清洁部件，带动机身和台阶清洁部件完成爬梯及行走的台阶爬升部件，以及辅助台阶爬升部件爬楼的两组稳定轮；其中：

所述台阶爬升部件设置为两个且分别设置于机身前后两侧，每个台阶爬升部件均包括全向轮行走机构和一号电动推杆，所述全向轮行走机构通过顶部的一号电动推杆与机身固定连接，两组所述稳定轮转动设置于机身前后两侧并位于全向轮行走机构前侧。



本实用新型的有益效果在于：

1)本实用新型通过两个台阶爬升部件、两个一号电动推杆以及两组稳定轮配合使用，在控制组件的控制下，能够驱动两组麦克纳姆轮前移和侧移，前移时结合两个一号电动推杆上升、下降能够起到向前爬台阶功能，侧移时能够实现侧向移动清洁台阶功能，结构简单且成本低； 2)本实用新型通过前后两组稳定轮的设置，能够在台阶爬升过程中，配合麦克纳姆轮使用，保证始终有四个轮子着地，稳定性得到保障。

具体实施方式 下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”、“若干”的含义是两个或两个以上。

所述台阶爬升部件3设置为两个且分别设置于机身1前后两侧，每个台阶爬升部件3均包括全向轮行走机构31和一号电动推杆32，所述全向轮行走机构31通过顶部的一号电动推杆32与机身1固定连接，两组所述稳定轮4转动设置于机身1前后两侧并位于全向轮行走机构31前侧；所述全向轮行走机构31包括两个麦克纳姆轮以及驱动两个麦克纳姆轮转动的减速电机，两个麦克纳姆轮分别位于两个稳定轮4的后侧。

两侧的所述台阶清洁部件2之间通过连接架8固定，所述连接架8顶部通过二号电动推杆5与机身1连接，所述二号电动推杆5通过连接架8带动两侧的所述台阶清洁部件2升降。

所述机身1内侧固定设置有控制组件7和蓄电池6，所述控制组件7为单片机。

需要说明的是，在机器人使用时，单片机通过PWM双路调速模块1、2分别控制驱动四个麦克纳姆轮的减速电机1、2、3、4，单片机通过PWM双路调速模块3控制两个一号电动推杆，单片机通过PWM双路调速模块4分别控制二号电动推杆、台阶清洁部件2的两个并联减速电机(如若两个台阶清洁部件2由两个并联的减速电机驱动)，蓄电池6通过24V直流电池给PWM双路调速模块供电，通过24V转5V降压模块给单片机供电； 具体的爬楼过程如下：

1、前后两个一号电动推杆32分别向下推动前后两个全向轮行走机构31，此时的两组麦克纳姆轮与地面接触且不动，致使车身抬升，车身带动四个稳定轮4抬升； 2、启动前后两个全向轮行走机构31：

减速电机驱动两组麦克纳姆轮前进，紧靠台阶； 3、前侧一号电动推杆32收缩，抬升前侧全向轮行走机构31，然后后侧的全向轮行走机构31继续运行，推动整个机器人继续前进； 4、直到后侧的全向轮行走机构31的麦克纳姆轮到达台阶边缘，此时前侧全向轮行走机构31的麦克纳姆轮和稳定轮4全部位于上一台阶； 5、后侧一号电动推杆32收缩，抬升后侧全向轮行走机构31，到达上一台阶高度后，前侧全向轮行走机构31继续运行，推动整个机器人继续前进，直到后侧的全向轮行走机构31的麦克纳姆轮完全到达上一台阶表面为止，此时四个麦克纳姆轮和四个稳定轮4全部位于上一台阶表面，至此完成一个台阶爬升。

具体的清洁过程如下：

当整个全自动楼梯清洁机器人爬楼至台阶上时，可以通过控制组件7控制减速电机驱动两组麦克纳姆轮侧移，同时启动二号电动推杆5和台阶清洁部件2，二号电动推杆5带动台阶清洁部件2接触台阶表面，能够实现侧向移动清洁台阶功能；其中台阶清洁部件2可以为旋转清扫结构或吸尘结构。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型专利范围的限制。

应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

楼道清洁机器人专利，一种楼道清洁机器人

本实用新型涉及一种楼道清洁机器人，基于平动旋转腿式结构上下楼，尤其涉及一种可清扫楼梯及其过道，且兼顾清扫平地的楼道清洁机器人，属于机器人领域。

随着社会经济的发展，土地使用成本不断升高，建筑向高层发展已成为一种趋势。

在林立的高楼中，如何有效、便捷地清扫楼梯是我们亟需解决的问题。

对于爬楼机器人的研究已有较长的历史，早在20世纪60年代，就已经开始了关于爬楼机器人的研究，按照爬楼机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式、平行四杆机构式等。

以上几种形式的爬楼机器人的爬楼方式与自身机构比较复杂，机构庞大，缺少有效的空间安放清扫装置。

而近几年开始流行的室内清扫机器人只能用于平面的清扫工作，应此市场上还没有能兼顾楼道清扫和平地清扫的产品。

目前，国内外对清洁机器人进行了大量的研究，并取得了一些成果。

例如，哈尔滨工业大学在2008年上半年推出的楼梯清洁机器人受齿轮啮合原路启发，利用渐开线轮型爬楼的方法，进而设计了一种新型爬楼机，并在此基础上增加了楼梯清扫功能，但其上采用的清扫装置为定长的刮板，用以刮除楼梯台阶上的垃圾，由此导致其适应的楼梯宽度有限，而且不能在平地上清扫，实用范围十分有限。

此外有的采用一种当前较流行的八轮脚结构设计楼道清洁机器人，上下楼平稳，可对楼梯进行有限清扫；山东德州学院提出一种楼道清洁机器人利用平行四边形形变的特点实现上下楼梯功能。

基于这些新型爬楼方法的楼道清洁机器人虽然体积相对履带式等结构有所减小，但仍然存在体积与占地面积较大的问题，造成机器人不方便在楼梯踏步上灵活转弯与来回行走进行清扫，也难以做到像当前室内清洁机器人可工作于低矮、狭窄的空间。

楼道清洁机器人专利，机械创新设计大赛作品设计-升降伸缩式楼道清洁机器人精选

升降伸缩式楼道清洁机器人，能完成楼道的清洁，并兼顾了清洁平地的功能，32位的ARM架构，采用超声波、红外光电、碰撞等传感器相结合，对机器人机身方位、机器人与楼梯的接近状态、与楼梯是否发生碰撞等进行检测与控制，同时结合路径规划算法，实现机器人可靠地上下楼梯与清洁。

本作品以升降伸缩式机构实现上下爬楼，结构简单，使得其成本较低，加上既能清洁楼梯也兼顾清洁平地的功能，从而有着广阔的应用领域与推广价值，可适用于居民住宅楼、办公楼，或者有着楼中楼结构或别墅型的家庭，也可推向家庭作为一般清洁器使用。

本作品以全自主方式实现控制，无须人参与，有利于减轻人们的劳动负担，给人们创造轻松美好的幸福生活。

1 研制背景及意义 随着科学技术的不断发展，在当今社会中，机器人在减轻劳动强度，提高生产效率方面发挥了巨大的作用。

平地清洁机器人的报道屡见不鲜，其业已进入家庭。

另一方面，在高楼耸立的现代生活中，楼道清理的工作繁重、枯燥，有必要开发相关的清洁机器人以减轻人们的劳动负担。

目前有关爬楼机器人的类型，典型的有轮式机器人，履带式机器人和腿式机器人三种机构模型。

其中，轮式机器人控制灵活，移动简单，但该种类机器对地形的依赖性较大，轮子数量的增加会导致体积庞大，重量重的缺点；履带式机器人对地面适应性强，稳定性高，结构简单，但能量损耗较大；腿式机器人适应性强，稳定性高，但机构及控制复杂，运动速率低。

由哈尔滨工程大学研制的楼梯清扫机器人[8]实现了连续爬楼的功能，具备爬楼梯与平面运动两种运动状态的功能，且两者之间可以互相转换。

其设计核心在于车轮轮廓设计采用了阿基米德螺线三叶轮。

但该机器人只能完成简单的爬楼运动，而不能在楼梯上转弯，无法实现楼梯全方位的清洁工作。

其次，该机器人的爬楼与清洁机构结合得比较庞大复杂，机器人显得比较笨重。

另外，设计的三叶轮尺寸固定，只能适应于某固定高度的楼梯。

所以该机器人在实际运用中适应能力有较大局限。

因此，需要设计具有较大适用范围、结构简洁、成本低廉的楼道清洁机器人，以减轻人们家居与办公的负担。

2 机械设计 经过对清洁机器人专业技术知识的掌握和研究学习，设计了这款新型楼道清洁机器人。

其满足以下性能要求：

具有良好的地面适应性；成本低；体积轻巧；工作效率高；耗能低；易于维护和修理；市场价值高。

为满足其工作要求，通过与传统爬楼机器人的比较分析，这里选择了只利用两个自由度实现爬楼的设计思路，避免繁重的控制设计和高额的制作成本，同时保留机器人工作灵活，稳定性强，工作效率高的需求。

 升降伸缩式楼道清洁机器人全景图 该机器人是通过一个升降机构、一个伸缩机构实现爬楼功能，通过清洗机构完成清洁任务。

楼道清洁机器人由升降机构，车身前后伸缩机构，清洁机构等组成，如下图所示（如图1楼道清洁机器人全景图） 2.1 爬楼方式设计 为实现本作品能攀爬常见楼梯的功能，并且每爬上（或下）一层，在该层上行走完成清扫，既可以从上往下完成清扫，也可以从下往上完成清扫。

这里设计了利用升降与伸缩两个自由度的运动实现上下攀爬的功能。

设计的机器人爬楼过程示意图如下所示（如图2爬楼过程示意图） 图2 爬楼过程示意图 2.2 升降机构 本作品利用垂直导轨实现机器人的升降，如图2的最左下方为机器人的升起状态（以上升为例说明，下降类推）所示。

其中垂直导轨与支柱固连，机器人的主要车身与该垂直导轨中的滑条固连。

其有关传动由齿轮齿条实现，如图3所示。

在这种结构下，通过电机驱动一对齿轮、齿轮长轴，将动力传到齿轮齿条。

由于支柱不动，车身连同导轨中的滑条在齿轮齿条的相对运动带动下进行上下移动，实现了升降。

图3 升降机构图 2.3 伸缩机构 本作品利用水平导轨实现机器人的伸缩，如图2的自左往右的第二个为机器人升起后的伸出状态（以伸出为例说明，缩回类推）所示。

其中水平导轨与机器人车身的上底板固连，车身的下底板连同图中的连接柱与水平导轨中的滑条固连。

车底上下底板之间（即导轨与导轨中的滑条之间）的相对水平运动由水平齿轮齿条驱动实现，图4(a)显示缩回状态，图4(b)显示伸出状态，从而可实现车身水平伸出，伸到上一级台阶，如图2所示。

随后机器人可将升降机构的导轨（连同支柱）往上收回，再将车身上底板连同垂直导轨往前收回，如图2所示的自左往右的第三、第四状态。



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