大楼环保清洗机器人控制方法以及采用所述方法的机器人 【技术领域】
本发明涉及的是一种大楼环保清洗机器人控制方法，以及采用所述方法的机器人。背景技术
北京航天航空大学公开了一种名为“蓝天洁士”的楼宇清洗机器人，该机器人采用了多吸盘的吸附方式，可以跨越一定的障碍，但是交替移动中不能进行连续清洗。
CN97121896公开了一种“爬壁机器人”，所述的机器人包括螺旋桨或涵道风扇、动力、移动机构、控制盒等部分构成，螺旋桨或涵道风扇在动力驱动下产生指向壁面的推力，使机器人贴于壁面，移动机构在控制盒的操纵下，驱动机器人在壁面爬行并认为该爬壁机器人可以用于各种高大建筑壁面作业，但是该文献没有公开如何配合清洗机构。
本发明的研究人员发现，上述以及现有技术中的类似机器人存在管路较多、爬高能力差、对楼宇的适应性和清洗效率低、清洗效果差，而且不能够连续、多方位清洗以及路径规划协调性差等缺陷。发明内容
本发明的主要目的在于提供一种大楼环保清洗机器人，从而克服了现有技术中楼宇清洗机器人存在的上述不足。
本发明的目的可以通过以下方式得以实现，本发明所述的清洗机器人包括机器人本体、清洗系统、安全系统和控制系统四部分组成。
其中，机器人本体由负压吸附(风机)、螺旋桨和移动三部分组成：吸附系统通过风机在密封圈里的旋转可以产生一定的吸附力，真空度可以通过安全阀实现动态调节；螺旋桨可以产生一定推力，在机器人吸附前给机器人一个正压力，使所述的机器人更快地吸附在壁面上；行走系统控制机器人在壁面上自由移动，并且可实时调节机器人地行走速度和移动方向，负压吸附(风机)、螺旋桨两者的结合产生的作用力共同作用可以补充机器人在跨越障碍时的吸附力，防止机器人出现打滑或掉下的现象，使机器人安全可靠地吸附在工作壁面上。本发明所述的机器人的行走系统由两套交流伺服电机和减速器轮和带有导向机构的从动轮(带同步驱动电机和电磁离合器)构成，能够适应壁面的轻载性和清洗作业的快速化。
清洗系统，是机器人进行楼宇清洗作业的具体执行机构，由喷嘴、圆盘刷、收、刮水圈、废水回收机、清洗水箱、单向阀、电机(单向220v)、步进电机、减速器、驱动器、同步带、带轮、吸、排水管、液位传感器、大气/负压转换器和位置转换器组成。该装置首先用真空转换器在水箱里形成正压力，把水和洗涤剂的混合物输送到负压喷水管，通过喷嘴喷到高速旋转的清洗刷上，清洗水箱的压力转换是通过负压转换器来实现的，在清洗刷的作用下均匀的分散在壁面上，清洗刷在电机、同步带和带轮的作用下，通过驱动器可以实现速度连续调节，能够适应不同的壁面，并把壁面上的污物去掉，在废水回收机的作用下，可以把积存在密封圈里的污水及时回收，并经过过滤排到清洗水箱，实现废水的回收再利用。最后经过刮水圈将壁面刮净，清洗效果良好、效率较高。
控制系统，控制系统的任务是通过遥控盒或微机操作完成楼宇清洗机器人在壁面上的吸附、移动控制和清洗作业控制，主要包括遥控器或微机、控制器和安全装置三部分，采用电力线载波的有线通讯的方式，通过对传感器反馈信号的实时处理，对轮子进行粗调和微调，可以实现机器人在壁面上的路径规划、识别和协调功能。
安全系统，能够在机器人突然掉电或发生意外从壁面脱落时起到保护作用，并可以承载电缆的重量，使机器人在壁面上作业时理论负载是恒定的，提高了机器人工作的高度。它主要包括单吸盘小车、导轨、机械吸盘固定钓钩、卷扬机和隐藏信号线的钢丝绳，必要时配有机械吸盘轨道。为了适应不同的楼顶状况，采用了单吸盘小车和机械吸盘轨道相结合的方式，利用重力可以自主调节钢丝绳和卷扬机滚筒的角度，减少钢丝绳和滑轮之间的摩擦，可以选择由地面人员通过遥控盒或微机控制钢丝绳的收/放，或由楼顶的工作人员负责，在清洗过程中钢丝绳要承受机器人本体的一部分重量，通过张力传感器自动调节，实现安全机构和机器人本体之间的协调控制。附图说明
附图1是本发明所述的大楼环保清洗机器人的立体示意图；
附图2是本发明所述的大楼环保清洗机器人的仰视图，可以清楚地看到传动和清洗部分的构造和连接方式；
附图3是本发明所述的大楼环保清洗机器人的清洗过程的工作方式示意图以及相关部件的示意图；
附图4是本发明所述的大楼环保清洗机器人的密封、清洗部分的剖视图。具体实施方案
本发明所述的机器人开始工作的时候，首先通过高速旋转电机11驱动螺旋桨12产生一定的正压力，机器人本体被推到壁面上，通过吸盘(由负压腔14和密封圈组成)吸附在壁面上，负压是通过风机13和吸水风机9形成的，当负压不足时，螺旋桨将起到补偿负压的作用。
交流伺服电机15通过减速器16驱动轮子17驱动机器人本体，在倾角传感器的作用下，同时对机器人本体有微调矫正的功能。
同步电机3通过离合器2的配合驱动轮子1，对机器人本体起到补偿驱动，步进电机5通过减速器、转向梯形机构4作用在轮子1上实现转向和粗调矫正，角位移传感器7通过联轴器固定在梯形机构4上，进而控制步进电机5的旋转角度，这样角位移传感器7和电子倾角传感器的协调配合实现对机器人的路径规划。
本发明所述的机器人在进行清洗时，参见附图1、2、4，异步电机10通过同步带轮40和同步带39作用在圆盘刷38上，四个圆盘刷分成旋转方向相反的两组，这样可以起到力的平衡作用。
机器人清洗水的供给是通过位置和气路的转换来实现的，转换机构在步进电机32通过减速器33作用在动盘23和静盘25上，其作用是实现负压和大气之间的转换。
参见附图3，为了实现机器人全方位清洗，位置转换机构在步进电机8通过减速器和齿轮31作用在动盘29和静盘30上，实现对水箱28和18的水阀和气阀位置随着运动方向的转换，水箱里的清洗水是通过压差被压到吸盘里，进而喷到刷体上，清洗水的回收是通过吸水风机9和连接在进口的吸头来实现把吸盘里的水回收到水箱里。
现有技术中公开的密封方式包括：机械密封、橡胶密封和柔性密封三种。
本发明所述的机器人采用柔性密封气囊18(外面用摩擦系数小的材料19保护，参见附图4)和液体(水)密封相结合的新型密封方式，通过风机13产生负压，利用液体的流动性可以很好的补偿柔性密封的不足，在机器人的运动过程中，在柔性密封圈和壁面的接触部分，会形成一层水膜，这层水膜一方面起到密封的作用，另一方面起到润滑、减小摩擦的作用。因为气体受温度影响比较敏感，而液体并不敏感，这样由于负压柔性水密封圈里的水可以抑制气体的敏感度，也就是说气体受温度的影响会很小，再通过安全阀控制和调节气囊内空气的压力，这样可以保证吸盘和玻璃或瓷砖有很好的适应性，把摩擦系数很小的耐磨材料巧妙的包在气囊上，并且和壳体14的连接是很方便拆卸的，气囊和壳体连接起来便构成了一个负压柔性水密封机构。
在柔性水密封机构里安装两组运动方向相反、对称、速度可调的圆盘刷，参见附图4，利用一台电机10通过齿轮40换向和同步带39可实现四个圆盘刷同步运动，解决了整体圆盘刷受力不平衡的问题，此种刷体和圆盘刷的结合实现了吸盘和刷之间零力矩，并且也不存在漏洗现象，这样圆盘刷和负压柔性水密封机构的结合，便构成了负柔性水密封清洗系统，参见附图4。
无泵供水/废水回收系统，参见附图3，附图3中虚线22表示是气路，实线21表示的是水路，其具体的工作原理如下：
机器人的大气/负压转换装置处于图(3.4)中(a)所示的状态时，由于动盘两个孔形成的夹角和静盘相邻两个孔的夹角相等，动盘29的两个大气负压口被静盘30密封，因此压力转换处于停止状态，当动盘29逆时针旋转一定角度时，动盘29和静盘30的对应位置的大气和负压孔接通，静盘29中间孔接负压柔性密封系统43，两边孔接大气，此时水箱28里是大气压，而水箱18里是负压，水箱里的水在压差的作用下，通过位置转换机构排到吸盘里的喷水管42里，而吸水风机9通过吸头46和负压风机携带出微量的水通过单向水气分离阀24排到水箱18里，两个水箱的液位通过液位开关控制，当风机把其中一个水箱排满时，控制器接收到液位开关反馈信号，进而控制步进电机旋转一定的角度，实现大气/负压的转换，在机器人工作过程中，大气/负压转换机构处于交替转换的状态，这样，就完成了机器人在上下运行情况下的清洗水的循环和回收，通过步进电机和接近开关的作用，通过步进电机的正反旋转就实现了机器人在进行左右运动时的清洗水的循环和回收，这样就实现了机器人全方位清洗。
静盘25最上面三个孔是吸水风机和吸头之间的位置转换孔，均匀分布在圆周上的12个孔中，其上面三个孔和静盘25最下面的三个孔是水箱和吸盘以及吸盘和吸头的水路转换孔，均匀分布圆周上的下面三个孔是风机和水箱6(由水箱28和18两个组成)之间水路转换孔，左右三个孔分别是水箱28和18压力转换孔，27是水箱之间的梭阀，用来隔离两个水箱里的水，26是单向阀，用来隔离水箱和吸水风机之间的水，24是单向水气分离阀，防止吸盘里的负压泄漏。
本发明所述的大气/负压转换机构包括由动盘29、静盘30、步进电机8、接近开关、齿轮31和减速器组成。在步进电机8的作用下，通过接近开关控制电机的开始位置，通过步进电机的正反转来实现大气和负压之间的转换，参见附图3.3。
本发明所述的水路(气路)位置转换机构包括由动盘23、静盘25、步进电机32、接近开关和减速器组成，在步进电机32的作用下，通过接近开关控制电机的开始位置，通过步进电机的正反转来实现位置转换，参见3.1。
本发明所述的单向水气分离阀包括进水孔34、出水孔35、浮球24、排气孔36和浮球座37组成，利用液体的浮力原理实现水气分离。负压风机13抽出来的水(里面含有气体)通过进气孔34进入单向水阀里，开始时水的浮力比较小，由于出水孔和负压管相通，这时浮球被吸附在浮球座上，起到密封的作用，这时单向水阀里的气体通过排气孔36排出，当水的浮力大于负压吸附力时，浮球浮起，这时水就排到负压管并流进水箱，参见附图3.2。
按照本发明所述的方式和结构实现的清洗机器人可以达到如下的技术要求和指标：
(1)、两轮/四轮驱动，四轮行走的方式；
(2)、爬行速度4-20m/min；
(3)、爬行高度100m以上；
(4)、可进行5mm以上的玻璃幕墙或瓷砖的清洗作业；
(5)、移动时能够跨越凹槽和2cm以内的突起；
(6)、所述的机器人的外型尺寸约800×660×300mm；
(7)、清洗效率可达到300-480平方米/每小时
本发明所述的机器人具有结构独特、工艺集成度高的优点，真正实现了在机器人的表面无线的设计，突破了单吸盘不能跨越障的难题，并且在越障时仍然可以实现废水回收。
本发明提出的清洗刷的独特结构解决了圆形刷体偏心的难题，而本发明提出的密封圈和机器人本体的特殊连接方式，解决了使用耐磨、摩擦系数小的密封材料的难题，
本发明中的废水回收方式突破了传统用泵回收水的模式，能够很好的实现废水的回收再利用，而且根据壁面的粗糙度实时调节供水量。
本发明所述的机器人采用了主动轮的电子校正和从动轮/驱动轮纠偏的双重调节，能够很好的实现机器人的路径规划，避免在行走过程中出现横向位移。
本发明所述的清洗刷结构的互换性和速度的可调节性能够适应不同的壁面，刷体位置的巧妙布置，保证了清洗壁面的均匀性，消除了对本体横向位移的影响。
总之，本发明所述的大楼环保清洗机器人具有清洗效果良好、废水回收率高的特点，同时实现了在爬行过程中动态矫正、无横向位移和上下左右四个方向清洗，无空行程、本发明所述的机器人可以清洗瓷砖，弧面、凹面以及楼宇突出部分的下面等人工不好清洗的地方，实现了清洗的连续性，提高清洗效率、实现了单吸盘和螺旋桨的互相结合和补充。
作为对本发明的所述的机器人的优点概括，具体为：
(1)体积小、重量轻、安全、运动灵活，爬高能力强；
(2)在保证清洗效果的前提下大大提高了清洗速度，最高可达20m/min；
(3)可实现四个方向清洗，提高清洗效率；
(4)可以清洗人工无法清洗的地方，驱动和自主行走能力强；
(5)很好的实现了废水回收，有利于环保和节约用水；
(6)真正的实现了一线制，和机器人本体连接的只有一根钢丝绳，消除了不利于机器人行走的因素，降低了劳动成本；
(7)能够实现单吸盘平稳跨越沟槽和2cm的障碍，以及多吸盘在动态下实现连续吸附，提高清洗效率；
(8)安全机构的小型、轻量化，具有自主调整功能，对钢丝绳起到保护作用，通过特殊的结构设计代替了用较大负载作为配重的方式，易于搬运、拆卸，可以适应不同形状的楼顶。