一种激光式擦窗机器人及方法

1.本发明属于擦窗设备技术领域，尤其涉及一种激光式擦窗机器人及方法。


背景技术：

2.随着城市的发展，越来越多的高楼大厦拔地而起，高楼中的窗户等玻璃装饰增加了视野和采光度，但对于高楼的玻璃外墙进行清洁打扫则较为困难，往往需要专业的清洁人员，并且是一项危险的工作。在危险的氛围和紧张的心情压力下，清洁人员的工作效率不高且存在清洁不干净的地方。此外，聘请专业的清洁人员进行高空作业也需要昂贵的人工费。
3.为了解决高楼玻璃外墙清洁卫生的难题，现在已经有一些关于擦窗机器人的研究和设计，市场上也有一些可用的擦窗产品，避免清洁人员在高空进行危险作业的情形，提高了安全性且一定程度上节省了成本。但是现有产品和研究主要是通过机器人在窗体上移动过程中，本体底盘上的湿抹布于玻璃接触、摩擦的方式擦除玻璃表面的灰尘。这类依靠湿抹布擦窗的方式要求抹布对玻璃表面有较大的正压力，才能将玻璃擦干净。抹布擦窗一段时间后会布满灰尘，需要不断更换、清洗，耗费时间，增加成本。此外，湿抹布移动过后，玻璃表面可能会留下水渍，使得玻璃表面没有达到清洁光整的效果。总的来说，现有擦窗机器人效率较低，且清洁效果不理想。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种激光式擦窗机器人及方法，以解决上述的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明的一种激光式擦窗机器人及方法的具体技术方案如下：一种激光式擦窗机器人，包括机体外壳和底盘，所述底盘盖合在外壳的底部，所述机体外壳内部具有用于清除玻璃表面污物的激光清洁单元，用于驱动擦窗机器人本体移动的移动单元，用于吸附玻璃的吸附单元，用于控制激光清洁单元、移动单元、吸附单元工作的电控单元，所述激光清洁单元、移动单元、吸附单元均与电控单元电连接，所述激光清洁单元通过发射不同功率和焦距的激光到玻璃表面从而对玻璃表面不同程度的污渍进行清洁。
6.进一步的，所述机体外壳内部具有用于检测玻璃表面清洁程度的检测单元，所述检测单元与电控单元电连接，所述电控单元根据检查单元检测到的玻璃表面污渍程度以及视野内的障碍物调整移动单元的移动路线和控制激光清洁单元的激光发射功率和焦距。
7.进一步的，所述机体外壳的上表面具有急停按钮和启停开关，所述机体外壳的上表面两侧具有机体抓持把手，所述机体外壳的前方具有激光输出头安装孔和检测头孔洞，所述激光输出头安装孔为竖直长条形孔位，用于探出激光清洁单元的激光输出头，其长度和宽度满足激光输出头上下转动的活动范围要求，所述激光输出头沿竖直长条形孔位改变发射方向，所述检测头孔洞用于探出检测单元。
8.进一步的，所述吸附单元包括擦窗机器人底部的底盘中心开设的空腔和安装在空腔上的离心风机，所述空腔中心具有吸附孔，所述底盘底部边缘与玻璃面紧密贴合形成密封，所述离心风机旋转通过吸附孔抽取底盘底部的空气从而产生负压使机器人本体附着于玻璃表面。
9.进一步的，所述移动单元包括左右对称设置的主动轮组，所述主动轮组安装在底盘上的吸附孔两侧，所述主动轮组选用前后设置的同步轮通过皮带传动。
10.进一步的，所述移动单元包括行程检测装置，所述行程检测装置包括一个光栅轮和一组对射传感器，所述光栅轮安装于底盘一侧边缘，与两组同步轮构成三角位型，所述对射传感器安装于光栅轮的两侧，所述对射传感器通过扫描光栅轮上的光栅计算光栅轮的运动步长。
11.进一步的，所述移动单元包括被动轮组，所述被动轮组包括设置在底盘四角的导向轮。
12.进一步的，所述激光清洁单元包括激光发生器、激光输出头和激光器转动关节，所述激光发生器固定在移动单元上方的平台上，所述激光输出头通过激光器转动关节与激光发生器连接，所述转动关节用于控制激光输出头在一定范围内转动。
13.进一步的，所述激光清洁单元包括光束调整传输装置，所述光束调整传输装置中有光纤等导光条，用于将激光发生器产生的激光引导至激光输出头，激光输出头内部通过透镜的变换，改变发射激光的焦距。
14.本发明还公开了一种激光式擦窗机器人的控制方法，包括如下步骤：吸附控制步骤：将擦窗机器人放置在玻璃表面后，启动擦窗机器人，擦窗机器人启动后，电控单元控制吸附单元开始工作，将擦窗机器人吸附在玻璃上；移动控制步骤：吸附单元开始工作后，电控单元控制移动单元按程序设定的运动路径行走；激光去污步骤：移动单元工作的同时，电控单元控制激光清洁单元工作，激光发生器产生固定功率的激光，激光输出头在激光器转动关节带动下以固定角速度上下转动，对行进路线上的玻璃表面来回扫描清洁；检测步骤：激光清洁单元工作的同时，电控单元控制检测单元实时的检测玻璃表面污渍以及视野内的障碍和边框；调整步骤：电控单元根据检测单元反馈的污渍程度、障碍、边框信息，调整移动单元的行走路径，当检测单元检测到擦窗机器人本体前方有污渍没有清除干净时，电控单元降低移动单元的行进速度或停止，并调整激光器转动关节至激光输出头能够对准污物所在区域进行小范围扫描，甚至停止扫描进行聚焦烧蚀，同时逐渐增加激光发生器的功率，确保所有污渍都能够去除，当污物去除后，回到默认工作状态，保持匀速行进和激光扫描去污；当检测单元检测到机器人本体前方较为光亮整洁时，电控单元提升移动单元行进速度。
15.本发明的一种激光式擦窗机器人及方法具有以下优点：本发明通过激光清洁装置发射激光扫描照射玻璃表面，能够快速覆盖玻璃面的更大范围。同时，激光照射除污效果比现有的用湿抹布或水雾擦窗的除污效果更好，相较于传统擦窗方式，激光式除污是非接触式擦窗，通过能量集中的激光束照射使污渍产生烧蚀效应，灰尘等污物会快速烧尽或脱落玻璃表面。由于采用非接触式擦窗，清洁过后玻璃表面不
会留下摩擦拖痕或者水渍，不会对玻璃造成二次污染。因此本发明擦窗除污效果彻底干净。此外，本发明使用的激光清洁装置整体较小，所需功率不高，能够将所需装置直接安装在所述机器人本体内部，节省空间，移动方便且减少能耗。本发明使用的激光式擦窗机器人有效的提升了擦窗去污能力，提升了工作效率。
16.另外，本发明通过抽取空气产生负压腔的方式，能够挂载更大的重量，保证所述机器人本体吸附于玻璃窗表面不掉落，增加了安全性。本发明的驱动行走结构采用多种轮组配合的方式，主动轮使用皮带式，增大于玻璃表面摩擦，防止打滑。同时底盘四周还放置了导向轮被动轮组，便于所述机器人本体高效移动。
17.此外，本发明通过检测单元反馈的机器人本体位姿信息和周边环境玻璃的光洁度，动态的调整所述机器人本体的移动速度以及激光发射器的转动方向和发射激光的功率大小，本发明的激光式擦窗机器人能够专注地清理难以去除的污渍直到玻璃透亮，也能够快速通过稍有灰尘的区域。本发明的激光式擦窗机器人作业方法有效的提高了擦窗的清洁效果和作业的效率。
附图说明
18.图1为本发明实施例的激光式擦窗机器人整体结构分解示意图。
19.图2为本发明实施例中擦窗机器人机体外壳示意图。
20.图3为本发明实施例中擦窗机器人机体底盘示意图。
21.图4为本发明实施例的擦窗机器人机体内部结构示意图。
22.图5为本发明实施例中激光式擦窗机器人的控制方法流程图。
23.附图中，各标号代表的部件列表如下：1-机体外壳，11-急停按钮，12-启停开关，13-机体抓持把手，14-激光输出头安装孔，15-检测头孔洞，2-激光清洁装置，21-激光发生器，22-激光输出头，23-激光器转动关节，24-光束调整传输装置，3-移动单元，31-光栅轮，32-对射传感器，33-皮带，34-主动轮，4-底盘，41-空腔，42-吸附孔，43-导向轮，5-吸附单元，51-离心风机，6-电控单元，61-电池，62-电路板，7-检测单元。
实施方式
24.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例和附图对本发明做进一步说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施列，而不是全部。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制。为了更好地说明本发明实施例，附图某些部件会有省略、缩放，并不代表实际产品的尺寸。对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
25.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
26.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本技术的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施方式的目的，不是旨在于限制本技术。
27.如图1所示，本发明的一种激光式擦窗机器人，包括机体外壳1和底盘4，底盘4盖合在外壳1的底部，机体外壳1内部具有用于清除玻璃表面污物的激光清洁单元2，用于驱动擦窗机器人本体移动、转向等功能的移动单元3，用于提供吸附力，保证擦窗机器人不掉落的吸附单元5，用于检测玻璃表面清洁程度的检测单元7，用于控制激光清洁单元2、移动单元3、吸附单元5、检测单元7工作的电控单元6，激光清洁单元2、移动单元3、吸附单元5、检测单元7均与电控单元6电连接。
28.具体的，机体外壳1盖合在擦窗机器人本体上方，用于保护壳内各单元，避免灰层进入的功能，提高了擦窗机器人的安全性。如图2所示，机体外壳1的上表面具有急停按钮11和启停开关12，操作人员可以在醒目的位置看到并操作擦窗机器人启动或停止工作，对于危险情况也能够及时停止工作。这样的设置提高了擦窗机器人使用的安全性。机体外壳1的上表面两侧具有机体抓持把手13，机体抓持把手13用于双手握持擦窗机器人，将擦窗机器人放置在玻璃上或从玻璃上取下。机体外壳1的前方具有激光输出头安装孔14和检测头孔洞15，激光输出头安装孔14为竖直长条形孔位，用于探出激光清洁单元2的激光输出头22，其长度和宽度满足激光输出头上下转动的活动范围要求，激光输出头22能够沿竖直长条形孔位改变发射方向，检测头孔洞15用于探出检测单元7。
29.本发明具有吸附单元5可以使擦窗机器人本体附着于玻璃表面，优选地，本发明中的吸附单元通过产生负压的方式使机器人本体吸附于玻璃面。如图3所示，在一个实施例中，吸附单元5包括擦窗机器人底部的底盘4中心开设的空腔41和安装在空腔41上的离心风机51，空腔41中心具有吸附孔42，底盘4底部边缘与玻璃面紧密贴合形成密封，离心风机51高速旋转通过吸附孔42抽取底盘4底部的空气从而产生负压，保证机器人本体能够附着于玻璃表面。当然，这里的吸附方式可以多种，离心风机仅是一种优选的实施方式，通过其他方式产生负压或者使用吸盘等吸附方式都属于本发明保护范围。
30.在一个实施例中，本发明的移动单元3包含多类轮组。优选地，移动单元3包括左右对称设置的主动轮组，本实施例中，主动轮组安装在底盘4上的吸附孔42两侧。主动轮组选用前后设置的同步轮34和皮带33相结合的方式。同步轮34传动准确，平稳，工作时无滑动，皮带33有较大的摩擦系数，这种主动轮组方式能够保证擦窗机器人平稳可靠地运行。
31.在一个实施例中，本发明的移动单元3还具有行程检测装置。优选地，如图4所示，行程检测装置包括一个光栅轮31和一组对射传感器32。光栅轮31安装于底盘4一侧边缘，与两组同步轮34构成三角位型，保证行走过程的稳定性，对射传感器32安装于光栅轮31的两侧。对射传感器32通过扫描光栅轮31上的光栅计算光栅轮31的运动步长，行程检测装置能够实时反馈擦窗机器人本体的移动里程，便于控制器动态地进行路径规划，调整运动方向，速度等。
32.优选地，本发明的移动单元3还包括一些被动轮组。在一个实施例中，被动轮组包括设置在底盘4四角的小型的导向轮43，导向轮43增加了机器人本体移动的灵活性，可以方便地完成转向动作。
33.在一个实施例中，电控单元6安放在擦窗机器人本体内部空余位置，包括电池61和电路板62，为擦窗机器人工作提供动力和控制程序。
34.本发明的技术重点在于激光清洁单元2。如图4所示，激光清洁单元2安装于擦窗机
器人本体内部，激光清洁单元2包括激光发生器21、激光输出头22和激光器转动关节23。激光发生器21固定在移动单元3上方的平台上，激光输出头22通过激光器转动关节23与激光发生器21连接，转动关节23可以控制激光输出头22在一定范围内转动，增加激光的扫描范围，提升扫描效率。其中，激光输出头22的头部透过机器人外壳1前方的激光输出头安装孔14，探出在外侧，便于发射的激光直接照射在玻璃表面。
35.在一个实施例中，激光发生器21能够产生全波段的激光波长，可以是紫外、红外和可见光，优选地，本发明使用红外波段的激光，这个波段在人眼可视范围之外，降低了所述擦窗机器人工作时对人活动的影响。
36.在一个实施例中，激光发生器21产生的激光功率在一定范围内可调，优选地，本发明使用1w到5w功率范围，使用该功率段的激光束照射玻璃表面，可以通过烧蚀反应将污渍清除干净。
37.在一个实施例中，激光清洁单元2还包括光束调整传输装置24，光束调整传输装置24中有光纤等导光条，用于将激光发生器21产生的激光引导至激光输出头22，激光输出头22内部通过透镜的变换，可以改变发射激光的焦距。优选地，发射激光的焦距可变配合激光发射方向可变，使得激光能够通过烧蚀反应发挥清洁作用的区域增大，提升了所述擦窗机器人清理窗户的效率。
38.在一个实施例中，擦窗机器人还包括用于检测机体周围玻璃环境清洁度的检测单元7。检测单元7为摄像头，摄像头通过检测头孔洞15探出，对玻璃表面进行视觉识别，检测单元7检测玻璃表面粘附的污物以及玻璃窗户的边框位置。通过实时的识别反馈，根据污渍程度动态的调整机体行进的路径、速度，检测到边框后及时的控制转向，以及检测到污渍后改变激光输出头发射激光的照射区域和发射功率，闭环控制确保玻璃的全方位清洁光亮。
39.如图5所示，本发明的一种激光式擦窗机器人的控制方法，包括如下步骤：吸附控制步骤：将擦窗机器人放置在玻璃表面后，按下启停开关12启动擦窗机器人，擦窗机器人启动后，电控单元6即控制吸附单元5开始工作，将擦窗机器人吸附在玻璃上。
40.移动控制步骤：吸附单元5开始工作后，电控单元6控制移动单元3按程序设定的运动路径，z字型、n字型或回环型中的任意一种或多种路径行走。
41.激光去污步骤：移动单元3工作的同时，电控单元6控制激光清洁单元2工作，激光发生器21产生固定功率的激光，激光输出头22在激光器转动关节23带动下以固定角速度上下转动，对行进路线上的玻璃表面来回扫描清洁。
42.检测步骤：激光清洁单元2工作的同时，电控单元6控制检测单元7实时的检测玻璃表面污渍以及视野内的障碍、边框等。
43.路线调整步骤：电控单元6根据检测单元7反馈的污渍程度、障碍、边框信息，调整移动单元3的行走路径。具体的，当检测单元7检测到擦窗机器人本体前方有污渍没有清除干净时，电控单元6会降低移动单元3的行进速度甚至停止，并调整激光器转动关节23至激光输出头22能够对准污物所在区域进行小范围扫描，甚至停止扫描进行聚焦烧蚀，同时逐渐增加激光发生器21的功率，确保所有污渍都能够去除。当污物去除后，回到默认工作状态，保持匀速行进和激光扫描去污。当检测单元7检测到机器人本体前方较为光亮整洁时，电控单元6会适当提升移动单元3行进速度，节省能耗。
44.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

技术特征：
1.一种激光式擦窗机器人，包括机体外壳（1）和底盘（4），所述底盘（4）盖合在外壳（1）的底部，其特征在于，所述机体外壳（1）内部具有用于清除玻璃表面污物的激光清洁单元（2），用于驱动擦窗机器人本体移动的移动单元（3），用于吸附玻璃的吸附单元（5），用于控制激光清洁单元（2）、移动单元（3）、吸附单元（5）工作的电控单元（6），所述激光清洁单元（2）、移动单元（3）、吸附单元（5）均与电控单元（6）电连接，所述激光清洁单元（2）通过发射不同功率和焦距的激光到玻璃表面从而对玻璃表面不同程度的污渍进行清洁。2.根据权利要求1所述的激光式擦窗机器人，其特征在于，所述机体外壳（1）内部具有用于检测玻璃表面清洁程度的检测单元（7），所述检测单元（7）与电控单元（6）电连接，所述电控单元（6）根据检查单元（7）检测到的玻璃表面污渍程度以及视野内的障碍物调整移动单元（3）的移动路线和控制激光清洁单元（2）的激光发射功率和焦距。3.根据权利要求1所述的激光式擦窗机器人，其特征在于，所述机体外壳（1）的上表面具有急停按钮（11）和启停开关（12），所述机体外壳（1）的上表面两侧具有机体抓持把手（13），所述机体外壳（1）的前方具有激光输出头安装孔（14）和检测头孔洞（15），所述激光输出头安装孔（14）为竖直长条形孔位，用于探出激光清洁单元（2）的激光输出头（22），其长度和宽度满足激光输出头上下转动的活动范围要求，所述激光输出头（22）沿竖直长条形孔位改变发射方向，所述检测头孔洞（15）用于探出检测单元（7）。4.根据权利要求1所述的激光式擦窗机器人，其特征在于，所述吸附单元（5）包括擦窗机器人底部的底盘（4）中心开设的空腔（41）和安装在空腔（41）上的离心风机（51），所述空腔（41）中心具有吸附孔（42），所述底盘（4）底部边缘与玻璃面紧密贴合形成密封，所述离心风机（51）旋转通过吸附孔（42）抽取底盘（4）底部的空气从而产生负压使机器人本体附着于玻璃表面。5.根据权利要求1所述的激光式擦窗机器人，其特征在于，所述移动单元（3）包括左右对称设置的主动轮组，所述主动轮组安装在底盘（4）上的吸附孔（41）两侧，所述主动轮组选用前后设置的同步轮（34）通过皮带（33）传动。6.根据权利要求5所述的激光式擦窗机器人，其特征在于，所述移动单元（3）包括行程检测装置，所述行程检测装置包括一个光栅轮（31）和一组对射传感器（32），所述光栅轮（31）安装于底盘（4）一侧边缘，与两组同步轮（34）构成三角位型，所述对射传感器（32）安装于光栅轮（31）的两侧，所述对射传感器（32）通过扫描光栅轮（31）上的光栅计算光栅轮（31）的运动步长。7.根据权利要求1所述的激光式擦窗机器人，其特征在于，所述移动单元（3）包括被动轮组，所述被动轮组包括设置在底盘（4）四角的导向轮（43）。8.根据权利要求1所述的激光式擦窗机器人，其特征在于，所述激光清洁单元（2）包括激光发生器（21）、激光输出头（22）和激光器转动关节（23），所述激光发生器（21）固定在移动单元（3）上方的平台上，所述激光输出头（22）通过激光器转动关节（23）与激光发生器（21）连接，所述转动关节（23）用于控制激光输出头（22）在一定范围内转动。9.根据权利要求1所述的激光式擦窗机器人，其特征在于，所述激光清洁单元（2）包括光束调整传输装置（24），所述光束调整传输装置（24）中有光纤等导光条，用于将激光发生器（21）产生的激光引导至激光输出头（22），激光输出头（22）内部通过透镜的变换，改变发射激光的焦距。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的激光式擦窗机器人的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：吸附控制步骤：将擦窗机器人放置在玻璃表面后，启动擦窗机器人，擦窗机器人启动后，电控单元（6）控制吸附单元（5）开始工作，将擦窗机器人吸附在玻璃上；移动控制步骤：吸附单元（5）开始工作后，电控单元（6）控制移动单元（3）按程序设定的运动路径行走；激光去污步骤：移动单元（3）工作的同时，电控单元（6）控制激光清洁单元（2）工作，激光发生器（21）产生固定功率的激光，激光输出头（22）在激光器转动关节（23）带动下以固定角速度上下转动，对行进路线上的玻璃表面来回扫描清洁；检测步骤：激光清洁单元（2）工作的同时，电控单元（6）控制检测单元（7）实时的检测玻璃表面污渍以及视野内的障碍和边框；调整步骤：电控单元（6）根据检测单元（7）反馈的污渍程度、障碍、边框信息，调整移动单元（3）的行走路径，当检测单元（7）检测到擦窗机器人本体前方有污渍没有清除干净时，电控单元（6）降低移动单元（3）的行进速度或停止，并调整激光器转动关节（23）至激光输出头（22）能够对准污物所在区域进行小范围扫描，甚至停止扫描进行聚焦烧蚀，同时逐渐增加激光发生器（21）的功率，确保所有污渍都能够去除，当污物去除后，回到默认工作状态，保持匀速行进和激光扫描去污；当检测单元（7）检测到机器人本体前方较为光亮整洁时，电控单元（6）提升移动单元（3）行进速度。

技术总结
本发明属于擦窗设备技术领域，公开了一种激光式擦窗机器人，包括机体外壳和底盘，底盘盖合在外壳的底部，机体外壳内部具有用于清除玻璃表面污物的激光清洁单元，用于驱动擦窗机器人本体移动的移动单元，用于吸附玻璃的吸附单元，用于控制激光清洁单元、移动单元、吸附单元工作的电控单元，激光清洁单元、移动单元、吸附单元均与电控单元电连接，所述激光清洁单元通过发射不同功率和焦距的激光到玻璃表面从而对玻璃表面不同程度的污渍进行清洁。本发明通过的激光束照射使污渍产生烧蚀效应，灰尘等污物会快速烧尽或脱落玻璃表面，不会对玻璃造成二次污染。动态调整提高了擦窗的清洁效果和作业的效率。作业的效率。作业的效率。


技术研发人员：郑胜锋 王进 李小飞 陈磊杰 陆国栋
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/20