升降伸缩式楼道清洁机器人

1. 一种升降伸缩式楼道清洁机器人，其特征是：包括作为支撑体的升降导轨，升降导轨上固装纵向齿条，纵向齿条与装在第一齿轮轴上的第一齿轮啮合，第一齿轮轴通过传动齿轮机构与第一驱动机构连接，升降导轨中设置第一滑条，第一滑条通过角铝与上底板连接；上底板通过角铝与水平的滚珠伸缩导轨固连，滚珠伸缩导轨中的滑条通过支柱与下底板固连，横向齿条通过支撑块与滚珠伸缩导轨中的滑条连接，横向齿条与由第二驱动机构驱动的第二齿轮啮合，第二驱动机构固装在上底板上；下底板的前端装旋转扫帚，下底板的下方设置水平滚动刷子，在水平滚动刷子的后方设置垃圾箱，下底板上设置吸尘器，吸尘器通过设有滤网的孔与垃圾箱相通；在下底板底部设置万向支撑轮和驱动轮；一个控制系统控制第一、第二驱动机构、吸尘器、驱动轮、水平滚动刷子及旋转扫帚的工作。
2. 根据权利要求1所述的升降伸缩式楼道清洁机器人，其特征是：所述控制系统包括单片机，单片机与第一、第二驱动机构、吸尘器的电机、旋转扫帚的电机连接；单片机与防跌落红外传感器、楼梯判断与避障传感器、碰撞传感器及超声波传感器连接。
3. 根据权利要求1或2所述的升降伸缩式楼道清洁机器人，其特征是：伸出机身的下底板上设置配重。

升降伸缩式楼道清洁机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及一种升降伸缩式楼道清洁机器人。
背景技术
[0002] 对于爬楼机器人的研究已有较长的历史，先后提出了各种各样的机构。按照机构形式分类，可以分为行星轮式、履带式、腿足式和平行四杆机构式等。
[0003] 行星轮式：在满足一定地形适应性前提下，可充分发挥移动机器人移动灵活、控制简单等优点。但对地形的适应性大小与轮子的数量成正比，随着轮子数量的增加又带来了体积庞大、重量重等缺点。
[0004] 履带式：履带式爬楼梯机构用的不少，特别是在各类防暴机器人中有着广泛的应用。其主要特点是：越障能力强，且可以适应不同的楼梯；在上下楼梯过程中重心波动小，运动相当平稳；其最大不足是平地行走时阻力较大，运动不灵活，能耗高；在爬楼梯时，如果设计不当，履带也容易损坏楼梯梯沿；此外，在初下楼梯某一时刻，整个机构会突然倾斜。
[0005] 腿式机器人：地面适应性强，稳定性高，但机构及控制复杂、运行速度低。
[0006] 以上几种形式的清洁机器人各自拥有不同的优点，但其爬楼方式与自身机构比较复杂，尤其不利于设计清洁机构。而目前室内清洁机器人只能用于平面的清洁工作，还没有同时针对楼道清扫任务的产品。
[0007] 2002年，美国iRobot公司研发的家庭清洁机器人“Roomba”。Roomba表面光滑，呈圆形，旋转扫帚与吸尘器相结合。为保证房间的各个角落都被清扫，当碰撞障碍物后，会顺着障碍物前行，移动一定距离后，会自动转动90度，并不断重复上面的过程。这样循环的进行，一直到清洁完成，然后停止工作。
[0008] 哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一些成果，对清洁机器人相关技术如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力驱动等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。哈尔滨工业大学在2008年上半年推出了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，但存在机构复杂，制造成本高，且清洁功能不显著，清洁机构设计不合理的问题。
发明内容
[0009] 本发明的目的在于提供一种结构合理，工作性能好的升降伸缩式楼道清洁机器人。
[0010] 本发明的技术解决方案是：
[0011] 包括作为支撑体的升降导轨，升降导轨上固装纵向齿条，纵向齿条与装在第一齿轮轴上的第一齿轮啮合，第一齿轮轴通过传动齿轮机构与第一驱动机构连接，升降导轨中设置第一滑条，第一滑条通过角铝与上底板连接；上底板通过角铝与水平的滚珠伸缩导轨固连，滚珠伸缩导轨中的滑条通过支柱与下底板固连，横向齿条通过支撑块与滚珠伸缩导轨中的滑条连接，横向齿条与由第二驱动机构驱动的第二齿轮啮合，第二驱动机构固装在上底板上；下底板的前端装旋转扫帚，下底板的下方设置水平滚动刷子，在水平滚动刷子的后方设置垃圾箱，下底板上设置吸尘器，吸尘器通过设有滤网的孔与垃圾箱相通；在下底板底部设置万向支撑轮和驱动轮；一个控制系统控制第一、第二驱动机构、吸尘器、驱动轮、水平滚动刷子及旋转扫帚的工作。
[0012] 所述控制系统包括单片机，单片机与第一、第二驱动机构、吸尘器的电机、旋转扫帚的电机连接；单片机与防跌落红外传感器、楼梯判断与避障传感器、碰撞传感器及超声波传感器连接。
[0013] 本发明机器人能攀爬常见楼梯，每爬上（或下）一层，在该层上行走完成清扫。其既可以从上往下完成清扫，也可以从下往上完成清扫，整个过程自主完成，无需人参与。
[0014] 本发明设计了升降与伸缩两个自由度的运动实现上下楼梯；设计了旋转扫帚、水平滚动刷子与吸尘器，联合完成清洁功能；设计的控制系统基于32位的ARM架构，采用多种接近、接触传感器，实现机器人自主可靠地上下楼梯与清洁。
[0015] 本发明相比于行星轮式、履带式、腿式上下楼，结构简单，爬楼过程机器人不歪斜，上下楼梯动作简洁，清洁装置不会与楼梯干涉，每上（下）完一层楼梯能灵活地在该层完成清扫任务。另外这种结构制造成本低，易于维修，适合量产。
附图说明
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0017] 图1是本发明一个实施例的结构示意图。
[0018] 图2是图1的俯视图。
[0019] 图3是图1的左视图。
[0020] 图4是控制系统结构示意图。
[0021] 图5是本发明机器人上楼过程示意图。
具体实施方式
[0022] 一种升降伸缩式楼道清洁机器人，包括作为支撑体的升降导轨1，升降导轨上固装纵向齿条2，纵向齿条与装在第一齿轮轴13上的第一齿轮12啮合，第一齿轮轴通过传动齿轮机构与第一驱动机构（升降电机14）连接，升降导轨中设置第一滑条3，第一滑条通过角铝与上底板4连接；上底板通过角铝与水平的伸缩导轨16固连，伸缩导轨中的滑条通过支柱与下底板9固连，横向齿条8通过支撑块与伸缩导轨中的滑条连接，横向齿条与由第二驱动机构（伸缩电机15）驱动的第二齿轮17啮合，第二驱动机构固装在上底板上；下底板的前端装旋转扫帚5，下底板的下方设置水平滚动刷子18，在水平滚动刷子的后方设置垃圾箱
10，下底板上设置吸尘器7，吸尘器通过设有滤网的孔与垃圾箱相通；在下底板底部设置前方万向轮6和后方万向轮11、驱动轮19，在上楼梯过程中与升降导轨交替作为支撑体；一个控制系统控制第一、第二驱动机构、水平滚动刷子、驱动轮、吸尘器及旋转扫帚的工作。
[0023] 所述控制系统包括单片机20，单片机与驱动电机25、第一、第二驱动机构（即升降电机13、伸缩电机14）、吸尘器的吸尘电机26、旋转扫帚的扫帚电机27、驱动水平滚动刷子的滚刷电机28连接；单片机与防跌落红外传感器21、楼梯判断与避障传感器22、碰撞传感器23及超声波传感器24连接。
[0024] 升降的工作过程：
[0025] 机器人升降运动由升降电机14提供源动力，动力经传动齿轮机构传递到第一齿轮轴13、第一齿轮12上，通过齿轮12、纵向齿条2，将圆周运动转变成直线运动，由于与齿条
2固连的升降导轨1是作为支撑体，从而使升降导轨中的滑条带动机身作上下直线运动，实现了车体在垂直方向上的升降。
[0026] 伸缩工作过程：
[0027] 机器人的伸缩运动由固定在上底板的伸缩电机15提供源动力，动力经齿轮17与齿条8的啮合，将旋转运动转化为直线运动。从而使与齿条8相固连的支柱和下底板作前后直线运动，实现了机器人的伸缩。
[0028] 执行清扫任务过程中，旋转毛刷电机带动清洁刷的旋转清扫地面，同时将垃圾扫入机器人下方中间区域内，由水平滚动刷子18将垃圾顺利扫入垃圾箱。与此同时，吸尘器将尘埃类垃圾吸入垃圾箱，保证了垃圾清理的可靠性。
[0029] 为保持机器人平衡不发生倾翻，一个基本点是，无论机器人在平地运动还是上下梯，重心必须都保持在四轮支撑范围内，以上楼梯为例（下楼梯类似），机器人以如图5方式伸出机身时，重心会因支撑支柱而后移，但不允许超出四轮支撑范围，所以机器人在通常状态需要考虑使重心设计得偏前方，为满足重心可靠平衡的要求，本款楼道清洁机器人还在伸出机身的下底板上加以配重。
[0030] 整个控制系统基本上可以分成以下几个部分的任务：
[0031] （1）控制旋转毛刷电机、吸尘电机、滚刷电机。两边旋转毛刷电机和吸尘电机、水平滚动刷子电机可以同时控制，需要清洁机器人开始清扫工作的时候，4个电机就开始同时工作，停止清扫的时候，4个电机就同时停止。
[0032] （2）防止跌落：清洁机器人下底板的下方前后布置了4个防跌落红外传感器，当其检测到机器人所在台阶的边缘时，机器人转入防跌落处理任务。
[0033] （3）探测楼梯、决策爬楼：在机器人下底板上的前方，布置一个楼梯判断红外传感器及二个碰撞传感器，在上楼时，根据这些传感器的联合信息，判断前方是否为楼梯的上一级台阶，如果是则转入爬楼处理；在机器人下底板上的后方，布置一个楼梯判断红外传感器，在机器人下楼时，判断后方是否为楼梯的下一级台阶，如果是则转入下楼处理。
[0034] （4）根据楼梯踏步宽度，规划清扫路径。在机器人左右两侧各布置一个避障红外传感器，根据其信号，判断楼梯台阶的踏步宽度，决定沿台阶横向行走的次数，进行清扫。
[0035] （5）路线偏离校正处理。根据机器人左右两侧避障红外传感器与超声波传感器的联合信息，控制驱动轮电机，使机器人按规定路线行走。