一种多功能智能清洁机器人

摘要

一种多功能智能清洁机器人属于智能清洁技术领域，目的在于解决现有技术存在的成本高、结构复杂、清理繁杂以及功能单一等问题。本发明包括：移动壳体，移动壳体至少包括底部机壳；安装在移动壳体内并穿过底部机壳的履带运动机构；安装在移动壳体内并穿过底部机壳的中心离心吸力电机；可拆卸安装在底部机壳外表面的清洁海绵；安装在移动壳体外表面的多个反射式光电传感器；以及安装在移动壳体内部的电源和主控电路板，电源为履带运动机构、中心离心吸力电机以及主控电路板供电。本发明的多功能智能清洁机器人具有手动和自动两种控制方式，可以实现双运动模式和自主避障运动，同时其结构紧凑但清洁面积比较大，可以满足在不同环境下的清洁需求。

说明书

技术领域

本发明属于智能清洁技术领域，具体涉及一种多功能智能清洁机器人。

背景技术

对多功能智能清洁机器人的研究和开发是现代服务机器人技术发展的重要组成部分，有助于广大老百姓能及时享受到智能清洁设备技术的进步为生活带来的便捷。但是，我国清洁服务技术起步较晚，市场上清洁设备种类较少，清洁设备相对简陋，无法满足越来越多的家庭和公共场所对智能清洁产品的需求。

目前，家庭日常清洁窗体主要使用磁铁相吸的手动清理工具，而天花板、墙体、狭缝等只能靠人工清理。针对于窗户玻璃、地面等平面的清洁，市场上出现了一些智能的清洁设备，它们结构复杂、价格昂贵的同时功能比较单一。现有的平面清洁技术按其应用领域主要分为两种：一种是地面清洁，一般采用刷扫、吸尘和擦洗等方式，将地面杂物吸纳进入自身的垃圾收纳盒，从而完成地面清洁。另一种是壁面清洁，壁面清洁机器人利用真空离心吸力电机产生负压将机器人吸附到玻璃等平面上，并通过清洁机器人和其底部的清洁装置的运动清洁壁面。这两种清洁模式结构复杂，只能实现平面清洁，没有解决人们对于天花板、墙体、狭缝等壁面清洁困难的问题，存在成本高、结构复杂、清理繁杂、功能单一的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提出一种多功能智能清洁机器人，解决现有技术存在的成本高、结构复杂、清理繁杂以及功能单一的问题。

为实现上述目的，本发明的一种多功能智能清洁机器人包括：

移动壳体，所述移动壳体至少包括底部机壳；

安装在所述移动壳体内并穿过所述底部机壳的履带运动机构；

安装在所述移动壳体内并穿过所述底部机壳的中心离心吸力电机；

可拆卸安装在所述底部机壳外表面的清洁海绵；

安装在所述移动壳体外表面的多个反射式光电传感器；

以及安装在所述移动壳体内部的电源和主控电路板，所述电源为履带运动机构以及中心离心吸力电机供电，所述主控电路板通过控制总线和所述履带运动机构、中心离心吸力电机以及反射式光电传感器电进行通信。

所述清洁机器人还包括无线传输模块，所述无线传输模块为蓝牙；所述主控电路板通过所述蓝牙和外部移动终端连接。

所述移动壳体还包括环状的外围机壳，所述底部机壳安装在所述外围机壳的底部端面上。

所述底部机壳外表面和所述中心离心吸力电机配合处周围采用弹性材料进行连接。

所述履带运动机构包括两组，呈对角线对称布置，每组所述履带运动机构包括：

安装在所述移动壳体内部的运动电机；

传动机构，所述传动机构包括两个轴线平行安装的传动带轮，所述运动电机和任意一个传动带轮同轴固定连接；

连接在两个所述传动带轮之间的履带；

以及安装在所述运动电机的电机输出轴上的光电编码器。

所述主控电路板分别控制两组履带运动机构的两个运动电机运动。

所述中心离心吸力电机包括：

安装在所述移动壳体内部的中心无刷电机，通过所述主控电路板控制所述中心无刷电机运动；

以及和所述中心无刷电机输出轴连接的离心叶片，所述离心叶片安装在所述底部机壳中心通孔的正上方。

所述中心离心吸力电机还包括过滤网，所述过滤网安装在所述底部机壳中心的通孔处。

所述清洁海绵可拆卸安装在所述底部机壳外表面，具体为：所述底部机壳外表面设置两个呈对角线布置的凹槽，两个所述清洁海绵可拆卸嵌套固定在所述凹槽内。

所述反射式光电传感器数量为六个，六个所述光电传感器对称安装在所述移动壳体长度方向的两端

所述主控电路板上安装有主控芯片和电极驱动芯片；所述主控芯片通过无线传输模块接收外部信号并通过电机驱动芯片驱动履带运动机构的运动电机和中心离心吸力电机的运动。

本发明的有益效果为：

1、本发明的多功能智能清洁机器人体积小巧，通过减少运动电机数目，采用两个运动电机和一个离心吸力电机，减少了整个机体的质量，实现了整机紧凑化和轻量化；

2、本发明的多功能智能清洁机器人底部采用方便其行动的履带，在光滑的玻璃、电梯内表面和在粗糙的墙面都能进行清洁运动；

3、本发明的多功能智能清洁机器人两个传动履带轮可以使整机具有双运动模式。当两个履带轮等速运动时，可以使整机在狭小的清洁空间直线清洁或者快速运动到清洁区域；而当两个履带轮差速运动时，可以使整机绕自身中心进行旋转运动，可以对大范围的清洁空间内进行高效清洁。

4、本发明的多功能智能清洁机器人内部具有无线蓝牙通信模块，可以在远距离下控制机器人。在使用时通过蓝牙将手机与清洁机器人连接，通过手机App就可以实现清洁机器人的运动控制。

5、本发明的多功能智能清洁机器人控制模块既可以手动控制其运动，又可以实现自动运动避障模式，以满足不同场合的实际需求。

附图说明

图1为本发明的一种多功能智能清洁机器人正面结构图；

图2为本发明的一种多功能智能清洁机器人背面结构图；

图3为本发明的一种多功能智能清洁机器人中清洁海绵拆解图；

图4为本发明的一种多功能智能清洁机器人中履带运动机构的结构图；

图5为本发明的一种多功能智能清洁机器人反射式光电传感器原理示意图。

图6为本发明的一种多功能智能清洁机器人中主控芯片控制原理图。

图7为本发明一实例中的自动运动模式下运动效果图；

图8为本发明另一实例中的自动运动模式下运动效果图；

其中：1、移动壳体，101、底部机壳，102、外围机壳，103、通孔，104、凹槽，2、履带运动机构，201、运动电机，202、传动机构，203、履带，204、光电编码器，3、中心离心吸力电机，301、中心无刷电机，302、离心叶片，303、过滤网，4、清洁海绵，5、反射式光电传感器，501、红外发射管，502、红外接收管，6、电源，7、主控电路板，701、主控芯片，702、电机驱动芯片，8、无线传输模块，9、障碍物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1-附图6，本发明的一种多功能智能清洁机器人包括：

移动壳体1，所述移动壳体1至少包括底部机壳101；

安装在所述移动壳体1内并穿过所述底部机壳101的履带运动机构2，通过所述履带运动机构2带动清洁机器人整体运动；

安装在所述移动壳体1内并穿过所述底部机壳101的中心离心吸力电机3；

可拆卸安装在所述底部机壳101外表面的清洁海绵4；

安装在所述移动壳体1外表面的多个反射式光电传感器5；

以及安装在所述移动壳体1内部的电源6和主控电路板7，所述电源6和所述履带运动机构2以及中心离心吸力电机3连接供电，所述主控电路板7和所述履带运动机构2、中心离心吸力电机3以及反射式光电传感器5电连接。所述的电源6为可充电式锂电池，电池电压为3.7V；可以使清洁机器人近距离时通过有线供电工作，在远距离时通过电池供电工作。

所述清洁机器人还包括无线传输模块8，所述无线传输模块8为蓝牙；所述主控电路板7通过所述蓝牙和外部移动终端连接。所述的蓝牙接收器型号为HC-05，集成在移动壳体1内，通过蓝牙将用户命令传输给主控芯片701，实现远距离控制。

所述移动壳体1还包括环状的外围机壳102，所述底部机壳101安装在所述外围机壳102的底部端面上。

所述底部机壳101外表面和所述中心离心吸力电机3配合处采用弹性材料进行连接，弹性材料采用PET或PVC材料。

所述履带运动机构2包括两组，呈对角线对称安装，每组所述履带运动机构2包括：

安装在所述移动壳体1内部的运动电机201；

传动机构202，所述传动机构202包括两个轴线平行安装的传动带轮，所述运动电机201和任意一个传动带轮同轴固定连接；

连接在两个所述传动带轮之间的履带203；

以及安装在所述运动电机201的输出轴上的光电编码器204，用于检测电机的位置和速度信号，并且将检测信号反馈到主控电路板。

通过所述主控电路板7分别控制两组履带运动机构2的两个运动电机201运动。

所述中心离心吸力电机3包括：

安装在所述移动壳体1内部的中心无刷电机301，通过所述主控电路板7控制所述中心无刷电机301运动；

以及和所述中心无刷电机301输出轴连接的离心叶片302，所述离心叶片302安装在所述底部机壳101中心开有的通孔103的正上方。

所述中心离心吸力电机3还包括过滤网303，所述过滤网303安装在所述底部机壳101中心的通孔103处。

所述的中心离心吸力电机3通过中心无刷电机301带动离心叶片302高速旋转并配合底部四周的弹性材料快速抽离底部空气，从而产生负压实现壁面攀爬。

所述清洁海绵4可拆卸安装在所述底部机壳101外表面具体为：所述底部机壳101外表面设置两个呈对角线对称分布的凹槽104，两个所述清洁海绵可拆卸嵌套固定在所述凹槽104内。所述的清洁海绵4使用吸污力强的厨卫海绵，易洗易换，嵌套在移动壳体1底部，呈对角线和运动履带203相对交叉布置，固定方式一般采用嵌套固定，从而易洗易换，清洁海绵4的高度比履带203和履带203裸露的高度高出1-2mm左右。在中心离心吸力电机3提供足够的负压吸力时使清洁海绵4的清洁力更强。

所述反射式光电传感器5数量为六个，六个所述光电传感器对称安装在所述移动壳体1长度方向的两端。所述的反射式光电传感器5型号为ITR20001/T，内置红外发射管501与红外接收管502，当其靠近障碍物9时会反馈给主控芯片701脉冲信号。

所述主控电路板7上安装有主控芯片701和电极驱动芯片；所述主控芯片701通过无线传输模块8接收外部信号并通过电机驱动芯片702控制履带运动机构2的运动电机201和中心离心戏里电机的中心无刷电机301运动。所述的主控芯片701的型号为STM32F103ZET6，通过主控芯片701接收用户命令，并且嵌入了智能控制算法，实现清洁机器人的智能控制。所述电机驱动芯片702型号为L298N。在自动运动模式下，当多功能清洁机器人壳体靠近障碍物9时产生反馈信号，主控芯片701和电机驱动芯片702会根据反馈信号对当前的运动状态进行调整。

所述的主控芯片701控制中心无刷电机301转动产生负压吸力以及控制运动电机201转动为履带203运动提供动力，从而使清洁机器人机体可以在壁面实现攀爬运动。中心离心吸力电机3底部的弹性材料一般采用PET或PVC材料。

蓝牙接收器接收到用户指令后，开启手动控制模式。串口将指令发送到主控芯片701进行解码处理，然后由STM32主控芯片产生并发送两路不同占空比的PWM信号给电机驱动芯702，并通过电机控制用定时器外设TIM1_CH1、TIM1_CH2传输给两个运动电机201，控制运动电机201转速来实现双运动模式。同时主控芯片701产生一个高电平通过PC1发送给中心无刷电机301，控制其带动离心叶片302旋转从而产生负压吸力。

该清洁机器人可以由用户通过蓝牙手动控制其运动，又可以实现自动运动模式，所述的自动运动模式是用户不需要给控制芯片发布命令，控制芯片自行控制履带运动机构2运动，并在运动过程中自动对障碍物9进行躲避的运动模式。

移动壳体1周边分布有六处反射式光电传感器5，当进行自动运动方式时，主控芯片701通过捕获反射式光电传感器5信号源的分布，确定机体的具体运动方式。当六个反射式光电传感器5都没有反馈信号时，主控芯片701控制两个履带运动机构2持续进行差速度运动，从而以中心无刷电机301传动轴为中心机身进行旋转运动，默认在这种运动模式下主控芯片701右侧的电机为速度较大的电机。在进行360度旋转运动之后，两个履带运动机构2同速，沿机身方向向前运动，运动一个机身长度，此时称一组旋转运动和一组直线运动为一组旋转清洁运动。其中，机身直线运动距离由履带203内部的光电编码器204进行位置采集，之后不断重复旋转清洁运动。在清洁运动的同时，通过以下算法实现了智能避障功能。在工作过程中，当单侧某个反射式光电传感器5有反馈信号，则假定机身单侧存在障碍物，这时控制机身向该反射式光电传感器5的另一侧转向，直到反馈信号全部消失，沿机身方向向前运动一个机身长度后再继续之前的旋转清洁运动；当双侧都有反射式光电传感器5反馈信号，则假定机身两侧都存在障碍物，这时控制机身沿直线运动，直到反馈信号全部消失，再继续之前的旋转清洁运动；当机身持续进行旋转运动而无法沿机身方向进行直线运动，机身持续进行180度旋转运动或无法持续沿机身方向进行直线运动，默认机身连续三次直线运动不超过一个机身位而被迫返回时，则假定周围存在障碍物，结束自动运动模式，主控芯片701通过蓝牙提醒用户手动进行解决。

本实施例以清洁机器人用于家庭室内墙壁、玻璃表面进行清洁的事例进行说明。在其他环境室内外环境中，所述的智能清洁机器人都可以进行清洁并实现自主避障，例如：餐厅、超市、商场等的玻璃、墙壁和电梯内部壁面等。

参见附图7，多功能智能清洁机器人沿平面竖直向上运动。多功能智能清洁机器人沿垂直壁面进行清洁并处于自动模式，中心离心电机1旋转为机身提供吸附力。障碍物9为大于90度拐角型，当多功能智能清洁机器人中心位于垂直面上A点处时，此时六个反射式光电传感器5均匀与障碍物9保持一定距离，主控芯片701未接收到反射式光电传感器5的反馈信号，则电机驱动芯片702控制履带运动机构2进行旋转清洁运动，其中远离障碍物9的履带运动机构2的速度大于靠近障碍物9的履带运动机构2。当旋转清洁运动中的直线运动结束时，多功能智能清洁机器人中心位于B处，机器人顶部靠近障碍物9的两个反射式光电传感器5因为靠近障碍物9而产生反馈信号。主控芯片701通过电机驱动芯片702控制履带运动机构2向远离障碍物9方向旋转一定角度(靠近障碍物9的履带运动机构2的速度大于远离障碍物9的履带运动机构2)，直至反馈信号完全消失后再使得机身沿先前的轨迹进行直线运动(两个履带运动机构2等速度运动)。在整个运动过程中，清洁海绵4对垂直面上多功能智能清洁机器人的运动轨迹覆盖的区域进行清洁。

参见附图8，多功能智能清洁机器人垂直向上进行运动。多功能智能清洁机器人沿垂直面清洁并处于自动模式，中心无刷电机301旋转提供吸附力。障碍物9位于机身两侧，此时位于机身两侧的反射式光电传感器5由于分别靠近两侧的障碍物9而产生反馈信号，主控芯片701接收到反馈信号后通过电机驱动芯片702控制两个履带运动机构2同速运动，从而使多功能智能清洁机器人沿直线方向向前运动。