一种自适应楼梯清扫机器人

技术领域

本发明涉及扫地机器人，特别涉及一种可以进行楼梯宽度自适应清扫的扫地机器人。

背景技术

随着科技的进步，计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术成为了新的研究热点，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。扫地机器人成为了智能家居必不可少的一部分，扫地机器人在整个清洁过程中不需要人为控制,减轻了人的操作负担,具有省时、省力、工作效率高、能源利用率高的特点，而且轻便小巧。但是,当今市面上存在的扫地机器人只能在平面上进行清扫，无法对楼梯进行清扫。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以进行楼梯宽度自适应的清扫机器人，以解决现有的扫地机器人仅能实现平面内的清扫，其本身无法翻越楼梯的问题。

本发明包括一种自适应楼梯清扫机器人，其机身分为前中后三部分，中部机身为主体，前部机身为分块滑轨清扫装置，后部机身为伸缩擦洗装置，前部机身和后部机身分别同中部机身之间通过两组抬升臂连接。

所述中部机身的两侧装有共四个三星齿轮系和相连的共十二个驱动轮，所述三星齿轮系由其后方机身的四个直流电机驱动，直流电机由单片机控制。所述中部机身的内部装有收集灰尘的集尘袋，供水的小型水箱和供电的锂电池。

所述后部机身为上、中、下三层结构，上层构件(1)设有一级齿条(4)和一级滑轨(3)，中层构件(5)设有多个一级齿轮、二级齿条(8)、二级滑轨(11)、皮带(6)、皮带轮(7)和多个突出的立柱；其中一级齿轮、二级齿条(8)、皮带(6)和皮带轮(7)负责传动，二级滑轨(11)负责导向，多个突出的立柱负责阻挡在下层构件(18)的左挡板(16)和右挡板(17)的移动，完成进一步的功能；下层构件(18)设有由直流电机(12)连接着的联轴器(13)驱动的换向机构、多个二级齿轮和三级齿条(27)，直流电机(12)由单片机控制；换向机构包括长导杆(14)，连接在长导杆(14)两端的左挡板(16)和右挡板(17)，多个换向齿轮、微型滑块(26)、小滑轨(28)和转动的微型滑轨(15)等多种装置的组合。下层构件(18)的下表面连接有清洁棉块(29)，可以实现对楼梯台面最终的擦洗清理。

较佳的，所述后部机身的两组齿轮齿条机构，和上层构件(1)、中层构件(5)、下层构件(18)附带的两组滑轨，可以实现后部机身的横向三级平移。

较佳的，所述后部机身的左挡板(16)和右挡板(17)伸出机身外，在与墙壁发生碰撞时产生回缩，带动长导杆(14)产生相对于下层构件(18)的左右平移，最终改变换向机构的工作方向。

较佳的，如果在到达滑轨最大行程时，左挡板(16)和右挡板(17)还未与墙壁发生碰撞，它们便会和机身中层构件(5)的多个立柱发生碰撞，同样产生回缩，完成上述改变换向机构的工作方向的功能。

本发明可以实现对于具有台阶的楼梯进行清扫，同时可以根据不同的楼梯宽度规格，通过机械结构实现对楼梯宽度的自我适应，减少了传感器的数量，提高了工作效率。

所述前段清扫机构，主要是由齿轮组齿条主体与清扫末端机构组成。主体机构主要由一排相互啮合的齿轮传动组，与插于主体滑轨的滑槽中的齿条(59)相互啮合。在主体滑轨的顶端放置有电动机，带动中央齿轮轴(58)传动其他各级齿轮，进而传动齿条(59)。齿条(59)联接着清扫末端机构，由齿轮组带动实现清扫。清扫末端主要为带有毛刷的吸尘器头部(51)，吸尘头末端拥有可以通往机器人内部的吸尘管。另外该机构为了实现适应不同尺寸楼梯，将主体滑轨设计为可拆分结构，通过拆分或增添块状滑轨来改变机构的工作尺寸。最终实现清扫机构适应各种工作条件，完成清扫工作。

较佳的，所述清扫机构分为主体滑轨，左滑块，左末端滑块，右滑块，右末端滑块。其中左滑块与右滑块可出现多个。

较佳的，所述清扫机构在两末端滑块位置设置有缓冲弹簧装置，从而消减撞到障碍物带来的刚性冲击。

较佳的，所述清扫机构通过两端部内放置有压力传感器弹簧，当齿条达到最大行程并开始压缩弹簧，传感器受力发出换向信号使电机反转实现换向。

本发明主要实现了根据楼梯不同的规格对机构进行简单调节，从而适应环境并正常工作的机构，并且该机构原来简单可靠，运行稳定，节省能源。

所述中部机身主要为箱体和行星轮机构，行星轮机构有离合器(65)、(66)和三星齿轮系，考虑到实际楼梯尺寸，故设计行星轮每个分支上中间有三个惰轮，由直流电机Ⅱ(62)连接着联轴器驱动中间输入轴，经过齿轮转动最后经输出轴(80)将转矩输出给驱动轮(68)，直流电机Ⅱ(62)由单片机控制。牙嵌式离合器(65)、(66)由往复式直线电机(64)控制，往复式直线电机(64)由单片机控制。在日常直线地面行走时，四个离合器均不啮合，驱动轮正常摩擦行驶；需要转弯是根据需要调节直流电机Ⅱ(62)正反转；爬升楼梯时四个离合器抱死，整个行星轮成一个整体绕中间输出轴旋转，实现楼梯的爬升。

较佳的，所述中部行星轮齿轮机构传动稳定，增加惰轮满足楼梯尺寸，行星轮分支较长，可以跨过普通家用楼梯。

较佳的，所述牙嵌式离合器(65)、(66)易控制，能解决平地行走，楼梯爬升，转弯及爬楼转弯等多种运动需求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身上层构件的俯视图。

图2为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身上层构件按照一定方式投影，得到主视图的剖视图。

图3为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身中层构件的俯视图。

图4为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身中层构件按照一定方式投影，得到主视图的剖视图。

图5为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身下层构件的俯视图。

图6为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身下层构件按照一定方式投影，得到主视图的阶梯剖视图。

图7为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身向相反方向平移，产生碰撞的阶梯剖视图情况。

图8为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身向左平移的最大限度。

图9为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身向左平移最大限度时的左视图。

图10为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身向左平移最大限度时的俯视图的阶梯剖视图。

图11为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身向右平移的最大限度。

图12为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身向右平移最大限度时的左视图。

图13为一种自适应楼梯清扫机器人后部机身向右平移最大限度时的俯视图的阶梯剖视图。

图14为一种自适应楼梯清扫机器人的清扫机构的俯视图(去顶盖)。

图15为一种自适应楼梯清扫机器人的清扫机构的正视图。

图16为一种自适应楼梯清扫机器人的清扫机构的侧视图。

图17为一种自适应楼梯清扫机器人的清扫机构的正视图，并且处于拆分状态。

图18为一种自适应楼梯清扫机器人的清扫机构的俯视图(去顶盖)，并且处于拆分状态。

图19为一种自适应楼梯清扫机器人的清扫机构的侧视图。

图20为一种自适应楼梯清扫机器人的清扫机构的正视图(整体)。

图21为一种自适应楼梯清扫机器人的清扫机构的侧视图(整体)。

图22为一种自适应楼梯清扫机器人中部机身的俯视图。

图23为一种自适应楼梯清扫机器人中部行星轮机构按照一定方式投影所得到的侧视图。

图24为一种自适应楼梯清扫机器人中部行星轮齿轮组的主视图。

图25为一种自适应楼梯清扫机器人中部行星轮离合器俯视图。

图26为一种自适应楼梯清扫机器人中部行星轮输入轴零件组左视图。

图27为一种自适应楼梯清扫机器人中部行星轮输出轴零件组左视图。

图28为一种自适应楼梯清扫机器人中部行星轮输出轴中间轴承零件组左视图。

图29为一种自适应楼梯清扫机器人中部行星轮主视图。

图30为一种自适应楼梯清扫机器人抬升机构的侧视图。

图31为一种自适应楼梯清扫机器人抬升机构的俯视图。

图32为一种自适应楼梯清扫机器人的总体侧视图。

附图标记

1-上层构件，2-圆柱，3-一级滑轨，4-一级齿条，5-中层构件，6-皮带，7-皮带轮，8-二级齿条，9-一级齿轮1，10-一级齿轮2，11-二级滑轨，12-直流电机，13-联轴器，14-长导杆，15-转动的微型滑轨，16-左挡板，17-右挡板，18-下层构件，19-二级齿轮1，20-二级齿轮2，21-二级齿轮3，22-换向齿轮1，23-换向齿轮2，24-换向齿轮3，25-换向齿轮4，26-微型滑块，27-三级齿条，28-小滑轨，29-清洁棉块，30-凸起1，31-凸起2，32-凸起3，33-立柱1，34-立柱2，35-立柱3，36-凸起4，37-凸起5，38-立柱4，39-立柱5，40-左末端顶盖,41-顶盖,42-顶盖,43-马达支架,44-右顶盖,45-右末端顶盖,46-左末端底盖,47-左底盖,48-底盖,49-挡片,50-滑环,51-吸尘器头部,52-滑动轴,53-右底盖,54-右末端底盖,55-主传动齿轮,56-副传动齿轮,57-弹簧,58-中央齿轮轴,59-齿条,60-挡环，61-箱体，62-直流电机Ⅱ，63-离合器推杆，64-往复式直线电机，65、66-牙嵌式离合器，67-输入轴里轴承盖，68-驱动轮，69-轴承盖，70-外行星轮支架，71、72、73、74实心直齿轮一起组成齿轮传动组，76-输入轴，77-惰轮轴，78-输出轴输出端轴承盖，79-轴承垫圈，80-输出轴，81-深沟球轴承，82-抬升架后臂，83-销，84-抬升架前臂，85-轴，86-键.

具体实施方式

以下将结合图片对于本发明进行详细的描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例，本领域技术人员在不改变本发明精神和内容的范围内，能够对其进行修改和润色。

请参考图1至图8，描述了一种自适应楼梯清扫机器人的后部机身。

后部机身的上层构件(1)为凹型结构，上部连接了两个圆柱(2)，方便与抬升臂连接，并在下侧连接了一对一级滑轨(3)，上层背板在特定位置连接了一级齿条(4)，方便与中层构件(5)的相应齿轮进行啮合。后部机身的中层构件(5)连有一级齿轮1(9)和一级齿轮2(10)，两个一级齿轮通过皮带轮(7)和皮带(6)进行连接，同时与上层构件(1)的一级齿条(4)啮合。在中层构件(5)同样连有二级齿条(8)。后部机身的下层构件(18)，底部连接清洁棉块(29)若干，侧面连有一对二级滑轨(11)。连接了三级齿条(27)，与中层构件(5)的一级齿轮1(9)和一级齿轮2(10)啮合。同时二级齿轮1(19)、二级齿轮2(20)、二级齿轮3(21)相互啮合，二级齿轮3(21)同时与二级齿条(8)啮合。换向齿轮2(23)和换向齿轮4(24)分别于对应的二级齿轮同轴。在转动的微型滑轨(15)上，换向齿轮1(22)和换向齿轮4(25)相互啮合，同时转动的微型滑轨(15)上还有微型滑块(26)可以随之滑动。微型滑块(26)的另一端与小滑轨(28)正面的一侧孔形成铰链连接，小滑轨(28)正面的另一侧孔与长导杆(14)固定，小滑轨(28)的背面与下层构件(18)固定。这样就实现了长导杆(14)、小滑轨(28)、左挡板(16)和右挡板(17)在水平方向的独立移动，其移动也会带动转动的微型滑轨(15)、换向齿轮1(22)和微型滑块(26)的左右摆动，达到切换换向齿轮1(22)的啮合齿轮数的目的。同时，长导杆(14)的左侧连有左挡板(16)，右侧连有右挡板(17)。

当整体机构运动时，直流电机(12)通过联轴器(13)，将动力传输至换向齿轮4(25)所在的齿轮轴，换向齿轮1(22)随之转动。换向机构整体左偏时，下层构件(18)状态如图6所示，换向齿轮1(22)与二级齿轮1(19)啮合，将动力按顺序传输至二级齿轮3(21)，再至中层构件(5)的二级齿条(8)，中层构件(5)因此整体产生水平右移。接着，中层构件(5)的一级齿轮1(9)和一级齿轮2(10)因为所处层的水平右移，与三级齿条(27)啮合产生旋转，当两个一级齿轮有一方与三级齿条(27)脱离啮合时，中层构件(5)有的皮带轮(7)和皮带(6)会将另一方的旋转传至脱离啮合的一方，达到二者的同步转动。两个一级齿轮的旋转，可以带动所啮合的一级齿条(4)水平右移，从而牵连着上层构件(1)整体右移，这样的，如果将上层构件(1)固定，可以视为中层构件(5)和下层构件(18)整体左偏移。整体后部机身完成向左的清扫去程。

如图7所示，当左挡板(16)与楼梯左侧墙壁发生碰撞时，左挡板(16)连带着上级的换向机构向右回缩，转动的微型滑轨(15)整体向右摆动，带动着换向齿轮1(22)右移，与二级齿轮2(20)啮合。由于二级齿轮2(20)和二级齿轮1(19)转向相反，因此传动链上级所有机构转向均改变。如果将上层构件(1)固定，可以视为中层构件(5)和下层构件(18)整体右偏移。整体后部机身完成向右的清扫回程，以及经过机身中线之后的向右的清扫去程。

以上两步循环交替发生，完成了对楼梯宽度自适应的清扫过程。

当后部机身向左运动到最大限度时，如图8，并未与左侧墙壁发生碰撞，此时机身内部设有立柱4(38)，立柱5(39)等多个立柱，相应的左侧挡板也有凸起4(36)，凸起5(37)等多个凸起。如果机身继续向左运动，立柱和凸起将会接触，阻碍着换向系统继续左移，将左挡板(16)反向牵拉，同样达到了上文中转动的微型滑轨(15)向右摆动的功能。当后部机身向右运动到最大限度时，如图11，情况与向左移相同，只不过是立柱1(33)、立柱2(34)和立柱3(35)与凸起1(30)、凸起2(31)、凸起3(32)发生碰撞，效果同理。

请参考图14至图21，描述了一种自适应的楼梯清扫机器人的后部机身。

整个清扫机构的主体由主体滑块，左滑块，左末端滑块，右滑块，右末端滑块构成。其中主体滑块包含底盖(48)，顶盖(42)，马达支架(43)，中央齿轮轴(58)以及4个主传动齿轮(55)和4个副传动齿轮(56)组成；左滑块由左底盖(8)，左顶盖(2)，主传动齿轮(55)和副传动齿轮(56)组成；左末端滑块由左末端底盖(46)，左末端顶盖(40)组成；右滑块由右底盖(53)，右顶盖(44)，主传动齿轮(55)和副传动齿轮(56)组成；右末端滑块由右末端底盖(54)，右末端顶盖(45)组成。各个滑块之间通过T型键插装连接，插装方向是由前端向后插入，并且左末端滑块和主体滑块中间可叠加多个左滑块，并且右端同理。每一个不同的滑块连接后，都存在相同的滑槽，且安装后相互连通(见图6)并且各个齿轮相互啮合，为齿条传动做铺垫。马达放置于马达架(4)当中，马达输出轴与中央齿轮轴(58)直接相连，从而带动所有齿轮，进一步传动齿条(59)。

齿条(59)与清扫末端相连接，齿条两端下侧用螺钉固定两个挡片(49)，两挡片中间配合插有滑动轴(52)。轴上左右两端套有缓冲弹簧，且中间套有滑环(50)，滑环底端则是吸尘器头部(51)(见图7-8)。当齿条被齿轮组传动时，在滑槽中滑动的同时也带动底部的清扫末端移动进行清扫。

开始工作前，应当先根据楼梯尺寸适当的增加或者减少滑块，把整体滑轨调整到合适的工作长度。工作初始位置时，齿条(59)位于正中央与中央齿轮轴(58)啮合。当电机开始转动时，中央齿轮轴(58)转动并且带动全部齿轮，齿条(59)开始移动，且清扫末端的吸尘器(51)开始工作。当齿条(59)在滑轨中移动到一侧末端，齿条(59)开始挤压位于末端滑块的滑槽中的传力弹簧。弹簧末端与滑槽末端内壁之间贴有压力传感片，压力传感片在受力后产生电信号传导至隔壁腔室内发信器产生红外信号发射于马达，使马达反转从而实现换向。

请参考图22至图29，描述了一种自适应楼梯清扫机器人的中部机身。

所述机构中，(61)为箱体，(62)为直流电机Ⅱ，(63)是离合器推杆，(64)是往复式直线电机，(65)、(66)是牙嵌式离合器，(67)是输入轴里轴承盖，(68)是驱动轮，(69)是轴承盖，(70)是外行星轮支架，(71)、(72)、(73)、(74)实心直齿轮一起组成齿轮传动组，(76)是输入轴，(77)是惰轮轴，(78是输出轴输出端轴承盖，(79)是轴承垫圈，(80)是输出轴，(81)是深沟球轴承。

行星轮机构中轴承盖和支架通过螺钉螺母链接。

另：如图27所示，每个齿轮都和对应的轴由平键B型进行力的传输，两旁加以轴承垫圈，轴承和相应轴承盖。结构较经典简单，在此不做多于阐述。

当整体机构平面运动时，往复式直线电机处于最短状态，带动(63)、(65)，使(65)、(66)处于不啮合的状态，单片机控制直流电机Ⅱ(62)通过联轴器将动力传输至输入轴(76)带动内部齿轮组齿轮轴，转矩经(71)、(72)、(73)、(74)最终传达输出轴(80)上，带动驱动轮(68)进行旋转以此达到摩擦前进。

当整体机构楼梯爬升运动时，往复式直线电机处于最长状态，带动(63)、(65)，使(65)、(66)处于啮合的状态，单片机控制直流电机Ⅱ(62)通过联轴器将动力传输至输入轴(76)，(65)与(76)末端啮合，(66)、(67)处于啮合状态，此时点击直接带动整个行星轮整体实现行星轮机构的旋转爬升前进。

当整体机构需要转弯时，往复式直线电机处于最长状态，带动(63)、(65)，使(65)、(66)处于不啮合的状态，此时不同部位的单片机控制直流电机Ⅱ(62)通过联轴器将动力传输至输入轴(76)带动内部齿轮组齿轮轴，转矩经(71)、(72)、(73)、(74)最终传达输出轴(80)上，带动驱动轮(68)进行旋转以此达到方向改变。

请参考图30至图31，描述了一种自适应楼梯清扫机器人的抬升机构。

抬升机构的抬升架后臂82通过销83和抬升架前臂84铰接在一起，将动力输入轴85输入的动力传递到抬升架前臂，从而实现抬升前后执行机构的功能。