垃圾清扫机器人

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垃圾清扫机器人\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种垃圾清扫机器人。\n背景技术\n[0002] 清洁机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者, 其研究始于2 0 世纪80 年代, 到目前为止, 已经产生了一些概念样机和产品。现在市场上销售的智能清洁机器人基本上都是基于室内环境，且只能除尘或者吸取微小的垃圾。对于室外的清洁机器人则要么是自动化程度不够，或者应用范围受到较大限制，抑或清洁效果不理想。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的在于提供了一种垃圾清扫机器人，它是一种室外清洁机器人，能够进行全自动化的垃圾清扫工作，对环境的适应性比较好。能够在高温或者低温下良好工作，能够清扫较大的垃圾。\n[0004] 本发明是这样来实现的，它包括外壳、轴Ⅰ、轴承座、连杆Ⅰ、电动推杆输出轴、轴Ⅱ、电动推杆、连杆Ⅱ、底板、清扫斗、摄像头、超声波避障传感器、传动轴、清扫板连接块、转角电位器Ⅰ、红外传感器、减速电机Ⅰ、清扫板、减速电机Ⅱ、前红外避障传感器、前车轮、后红外避障传感器、后车轮、侧插板、插板限位块、立支架、减速电机Ⅲ、小齿轮、连杆Ⅲ、大齿轮、轴Ⅲ 、轴Ⅳ、轴Ⅴ、固定支架、转角电位器Ⅱ、连接板、角铝、轴Ⅵ、舵机支架、舵机Ⅰ和舵机Ⅱ，其特征在于外壳的底部为底板，底板的下表面前部和后部分别连有前车轮和后车轮，前车轮和后车轮均连有减速电机Ⅱ，底板的上表面前部设有前红外避障传感器，外壳的侧壁上连有插板限位块，侧插板连接在插板限位块之间，位于侧插板正下方的外壳侧壁上还设有后红外避障传感器，外壳中后部连有两个立支架，立支架之间连有两个轴Ⅰ，其中上方的轴Ⅰ两端连有轴承座，上方的轴Ⅰ和下方的轴Ⅰ分别连接在连杆Ⅰ和连杆Ⅱ的后端，位于立支架之间前方的外壳上还电动推杆，轴Ⅱ连接在电动推杆上方的电动推杆输出轴上，轴Ⅱ的两点连接在连杆Ⅰ上，连杆Ⅰ和连杆Ⅱ的前部连接在连杆Ⅲ上，连杆Ⅲ之间连有轴Ⅲ、轴Ⅳ和轴Ⅴ，连杆Ⅲ通过连接板与角铝相连，角铝和固定支架均固定连接在清扫斗的后侧壁上，轴Ⅵ的两端分别连有转角电位器Ⅱ和小齿轮，转角电位器Ⅱ连接在固定支架上，小齿轮和位于轴Ⅴ上的大齿轮啮合，轴Ⅵ紧靠小齿轮的一端还设有减速电机Ⅲ；清扫斗的前部两侧通过清扫板连接块连接清扫板，清扫板连接块连接在位于清扫斗内的传动轴上，传动轴的上下两端分别连有减速电机Ⅰ和转角电位器Ⅰ，清扫斗内底部还设有红外传感器，清扫斗的顶部对称设有超声波避障传感器，清扫斗的顶部连有舵机Ⅱ，舵机Ⅱ的上部连有舵机Ⅰ，舵机Ⅰ通过舵机支架与摄像头相连。\n[0005] 本发明的技术效果是：能够在室外自主移动、避障，能够实现垃圾搜寻、识别、定位、清扫全自动化，能够在高温或寒冷的天气下工作，利用清扫板的旋转能够确保将垃圾扫入清扫斗。\n附图说明\n[0006] 图1为本发明的结构主视图。\n[0007] 图2为本发明的清扫斗定位结构示意图。\n[0008] 图3为本发明的倾倒机构放大结构示意图。\n[0009] 图4为本发明的各个执行模块方框图。\n[0010] 在图中，1、外壳 2、轴Ⅰ 3、轴承座 4、连杆Ⅰ 5、电动推杆输出轴 6、轴Ⅱ \n7、电动推杆 8、连杆Ⅱ 9、底板 10、清扫斗 11、摄像头 12、超声波避障传感器 13、传动轴 14、清扫板连接块 15、转角电位器Ⅰ 16、红外传感器 17、减速电机Ⅰ 18、清扫板 19、减速电机Ⅱ 20、前红外避障传感器 21、前车轮 22、后红外避障传感器 23、后车轮 24、侧插板 25、插板限位块 26、立支架 27、减速电机Ⅲ 28、小齿轮 29、连杆Ⅲ 30、大齿轮 31、轴Ⅲ 32、轴Ⅳ 33、轴Ⅴ 34、固定支架 35、转角电位器Ⅱ 36、连接板 37、角铝 38、轴Ⅵ 39、舵机支架 40、舵机Ⅰ 41舵机Ⅱ 42、垃圾具体实施方式\n[0011] 如图1、图2和图3所示，本发明是这样来实现的，它包括外壳1、轴Ⅰ2、轴承座3、连杆Ⅰ4、电动推杆输出轴5、轴Ⅱ6、电动推杆7、连杆Ⅱ8、底板9、清扫斗10、摄像头11、超声波避障传感器12、传动轴13、清扫板连接块14、转角电位器Ⅰ15、红外传感器16、减速电机Ⅰ17、清扫板18、减速电机Ⅱ19、前红外避障传感器20、前车轮21、后红外避障传感器\n22、后车轮23、侧插板24、插板限位块25、立支架26、减速电机Ⅲ27、小齿轮28、连杆Ⅲ29、大齿轮30、轴Ⅲ31 、轴Ⅳ32、轴Ⅴ33、固定支架34、转角电位器Ⅱ35、连接板36、角铝37、轴Ⅵ38、舵机支架39、舵机Ⅰ40和舵机Ⅱ41，其结构特点是外壳1的底部为底板9，底板9的下表面前部和后部分别连有前车轮21和后车轮23，前车轮21和后车轮23均连有减速电机Ⅱ19，底板9的上表面前部设有前红外避障传感器20，外壳1的侧壁上连有插板限位块25，侧插板24连接在插板限位块25之间，位于侧插板24正下方的外壳1侧壁上还设有后红外避障传感器22，外壳1中后部连有两个立支架26，立支架26之间连有两个轴Ⅰ2，其中上方的轴Ⅰ2两端连有轴承座3，上方的轴Ⅰ2和下方的轴Ⅰ2分别连接在连杆Ⅰ4和连杆Ⅱ8的后端，位于立支架26之间前方的外壳1上还电动推杆7，轴Ⅱ6连接在电动推杆\n7上方的电动推杆输出轴5上，轴Ⅱ6的两点连接在连杆Ⅰ4上，连杆Ⅰ4和连杆Ⅱ8的前部连接在连杆Ⅲ29上，连杆Ⅲ29之间连有轴Ⅲ31、轴Ⅳ32和轴Ⅴ33，连杆Ⅲ29通过连接板36与角铝37相连，角铝37和固定支架34均固定连接在清扫斗10的后侧壁上，轴Ⅵ38的两端分别连有转角电位器Ⅱ35和小齿轮28，转角电位器Ⅱ35连接在固定支架34上，小齿轮28和位于轴Ⅴ33上的大齿轮30啮合，轴Ⅵ38紧靠小齿轮28的一端还设有减速电机Ⅲ27；清扫斗10的前部两侧通过清扫板连接块14连接清扫板18，清扫板连接块14连接在位于清扫斗10内的传动轴13上，传动轴13的上下两端分别连有减速电机Ⅰ17和转角电位器Ⅰ15，清扫斗10内底部还设有红外传感器16，清扫斗10的顶部对称设有超声波避障传感器12，清扫斗10的顶部连有舵机Ⅱ41，舵机Ⅱ41的上部连有舵机Ⅰ40，舵机Ⅰ40通过舵机支架39与摄像头11相连。\n[0012] 本清洁机器人是由前车轮21、底板9、减速电机Ⅱ19、超声波避障传感器12、前红外避障传感器20、后红外避障传感器22构成的机器人自走系统。由减速电机Ⅲ27、小齿轮28，连杆Ⅲ 29，大齿轮30，轴Ⅴ33，固定支架34，转角电位器Ⅱ35，连接板36，轴Ⅵ38、轴Ⅲ31、轴Ⅳ32、连杆Ⅰ4、连杆Ⅱ8、轴Ⅰ2、轴Ⅱ6、电动推杆7、立支架26和角铝37构成的垃圾倾倒系统，由舵机Ⅰ40、舵机Ⅱ41、舵机支架39、摄像头11构成的垃圾识别定位系统，由清扫斗10、清扫板18、减速电机Ⅰ17、清扫板连接块14、转角电位器Ⅰ15、红外传感器\n16、传动轴13、清扫板18构成的垃圾清扫系统。\n[0013] 如图4所示，垃圾清扫机器人由自走系统、垃圾识别定位系统、垃圾清扫系统和垃圾倾倒系统组成。4大系统分工明确而且协调统一。自走系统在整个垃圾清扫机器人工作中处于工作状态。当摄像头11发现垃圾时，清扫机器人的垃圾定位系统进入工作状态。定位完毕后机器人的清扫系统进入工作状态。清扫完毕后倾倒系统进入工作状态。至此完成整个清扫过程。\n[0014] 机器人的外壳1两侧和后面都装有插板24，插板24通过固定在外壳1上的插板限位块25来限位，使插板24可以向上拉出，以方便检查或维修置于外壳1内的机器人控制电路。\n[0015] 机器人自走系统包括前车轮21、底板9、减速电机Ⅱ19、超声波避障传感器12、前红外避障传感器20、后红外避障传感器22。两个超声波避障传感器12并列安装在清扫斗\n10上方的前端，两个前红外避障传感器20安装在底板9的前方的左右两个方位，并且向外倾斜45°，加上两个后红外避障传感器22，由此构成自走系统的外部环境检测子系统。两个减速电机Ⅱ19通过电机支架固定在底板9上，然后通过齿轮传动带动车轮旋转，由此组成一个驱动机构。在底板9的前后左右四个方位上都固定有这种驱动机构，垃圾清扫机器人在这种驱动机构的驱动下实现前进、后退或者转弯避障。\n[0016] 自走系统实施案例1：当安装在清扫斗10上方的两个超声波避障传感器12检测到前方有障碍时，若两个后红外传感器22没有检测到障碍物存在，则机器人向右转或者向左转的概率是相同的；若两个后红外传感器22其中一个检测到了有障碍物存在，则机器人通过控制驱动装置向另外一边转弯；若两个后红外传感器22都检测到侧边有障碍物，则机器人向后退一段距离后再根据实际情况转弯。\n[0017] 自走系统实施案例2：当左右两侧前红外传感器20的其中一侧检测到前方有障碍物时：若同时两个后红外传感器22中只有另外一侧的那个传感器检测到了障碍物或者两个都检测到了障碍物，则机器人向后退一段距离再根据实际情况转弯；若同时两个后红外传感器22中只有同一侧的那个传感器检测到了障碍物，则机器人向另外一侧转弯。\n[0018] 如图1所示，机器人垃圾清扫系统包括两个减速电机Ⅰ17，两个清扫板18，两个传动轴13，四个清扫板固定块14，两个红外传感器16及两个转角电位器Ⅰ15。减速电机Ⅰ固定在清扫斗10上，传动轴13上端与减速电机Ⅰ17的输出轴固定，下端与转角电位器Ⅰ15的旋转轴固定，转角电位器Ⅰ15固定部分与清扫斗10固定。清扫板18通过两个固定在传动轴13上的固定块14固定。当减速电机17通电后，由减速电机17输出轴带动传动轴13旋转，从而带动清扫板18运动，同时传动轴13带动转角电位器Ⅰ15的旋钮旋转，控制中心通过检测转角电位器的旋转来控制清扫板18的运动极限位置，从而确保将垃圾扫入清扫斗内10。安装在清扫斗10内的红外传感器16能够检测垃圾是否已扫入，若检测到已扫入，则清扫板10回归到原位，若没有检测到垃圾，则启动与左侧相同的右侧清扫系统，如此反复循环直至将垃圾扫入清扫斗10内。垃圾被扫入清扫斗10后，机器人便寻找垃圾倾倒场所，然后启动垃圾倾倒系统将垃圾倾倒\n[0019] 如图1、图3所示，机器人垃圾倾倒系统包括以电动推杆7为动力的升降系统及以减速电机27为动力的倾覆系统。现对其工作原理进行说明。由连杆Ⅰ4、立支架26、连杆Ⅱ8及连杆Ⅲ 29组成一个四杆机构，四个连杆的旋转副之间通过轴两两铰接，立支架26固定在底板9上，电动推杆7的底部与一个支架铰接，支架固定在底板9上，电动推杆7的输出轴通过轴6与连杆Ⅰ4铰接。当电动推杆7通电后，其输出轴5通过轴6带动四杆机构运动，从而使连杆Ⅲ29上升或者下降。倾覆系统包括减速电机Ⅲ27，小齿轮28，大齿轮\n30，连杆Ⅲ29，轴Ⅴ33，固定支架34，转角电位器Ⅱ35，两个连接板36，两个角铝37，传动轴\n38。减速电机Ⅲ27固定在连接板36上，小齿轮28固定在减速电机Ⅲ27的输出轴上，大齿轮30固定在连杆Ⅲ29上，小齿轮28与大齿轮30啮合，传动轴38一端与减速电机Ⅲ27输出轴固定，另一端与转角电位器Ⅱ35的旋钮固定。转角电位器Ⅱ35连接在在支架34上，固定支架34固定在清扫斗10上。连接板36一端与连杆Ⅲ29通过轴Ⅴ33铰接，另一端固定在角铝上，角铝固定在清扫斗10上。当减速电机Ⅲ27通电后带动小齿轮28旋转，因大齿轮30固定在连杆Ⅲ29上，所以小齿轮28的旋转中心将绕着大齿轮30旋转，从而带动连接板36旋转，最终通过角铝37的作用使清扫板10发生倾斜。同时由于连杆Ⅲ29的上升或下降带动清扫斗10上升下降。\n[0020] 垃圾识别定位系统包括摄像头11，舵机Ⅰ40，舵机Ⅱ41，舵机支架39。\n[0021] 如图2所示,坐标系建立在摄像头11的感光芯片的中心点上。X轴与清扫斗10的上表面的长边平行，Y轴与清扫斗10上表面的短边平行，Z轴垂直清扫斗10的上表面向下。清扫斗10的上表面与地面平行。H为已知参数，是坐标原点与地面的高度，S是垃圾42与坐标原点Y轴方向的距离。α是摄像头11的俯视角，β是摄像头11与清扫斗10中心平面之间的夹角。当智能清扫机器人的摄像头11发现垃圾时，舵机Ⅰ40转动的角度α和舵机Ⅱ41转动的角度β即确定下来。控制单元根据β值调整智能小车向垃圾一侧转动β角，使清扫斗10正对着垃圾。此时清扫斗10与垃圾42在水平面内的距离为c=b*sinβ／tanα。控制单元将处理的结果分析并命令车体直线前进c的距离长度后停下。清扫板18启动，即可将垃圾扫入清扫斗10内。\n[0022] 摄像头定位方法:摄像头扫描一幅图像后，经过灰度化和二值化处理，再经过中值滤波、轮廓提取，得到垃圾的外形轮廓。再提取目标图像最小外接矩形。S点即为矩形两条对角线的焦点。此技术为已成熟技术，在此不再详述。