一种水下清洁设备的结构及其控制方法与流程

1.本发明涉及机器人控制领域，涉及到清洁设备的结构及其控制方法。


背景技术：

2.传统泳池清洁需要人工作业，步骤繁多，成本高耗时长，不具经济性，随着科技的发展，近期出现了可自动清洁泳池的水下清洁设备，大大降低了人力成本。
3.但大部分现有技术中的水下清洁设备只具备池底清扫作业，无法完成对泳池墙壁的清扫，清扫效果单一；而有少部分现有技术中的水下清洁设备具备爬墙的功能。该能爬墙的传统水下清洁设备是运用了水泵向墙壁的反方向喷水产生向墙的压力从而提高履带或轮子与墙体的摩檫力，然后通过行走电机驱动履带或者轮子来达到向上爬墙的功能。现有技术中能向上爬墙的水下清洁设备遇到特别光滑的泳池墙壁，履带或轮子与墙壁的摩檫力极小，需要进一步提高该设备的水泵转速来加大摩檫力，导致该设备的功耗大幅度提高，且行走电机因为长期负载过大而导致寿命加速衰减；并且当水泵电机转速转动到最大转速还无法提供足够大的摩檫力时，该设备无法继续向上爬墙；还有一些现有技术中的清洁设备由于结构受力的不合理，该设备无法完成从前进到直立的姿态变化，导致设备无法进行抬头进行墙壁清洁。因此，需要一种新的水下清洁设备的结构及其控制方法来实现设备的抬头动作和向上爬墙的功能。


技术实现要素：

4.本发明提出了一种水下清洁设备的结构及其控制方法，提高了清洁设备向上爬墙的效率、提高了清洁覆盖率，并且提升了设备的寿命。
5.为了解决上述技术问题，本发明提出了一种水下清洁设备的结构。
6.所述水下清洁设备的结构由以下部件组成：至少一对左右对称的并且可旋转的l形导流管、前滚刷、万向轮、定向轮、底部进水口、进水口明轮、分流管道以及传动装置。
7.所述清洁设备的底部进水口位于设备的底部后侧，水流从该进水口流入。
8.所述清洁设备的滚刷位于设备前端，内部通过传动装置与所述底部进水口内的明轮相连，所述明轮的一侧与进水口内经过的水流接触，另一侧藏于凹槽内；当水流经过所述明轮的叶片时，会带动明轮旋转，所述明轮通过传动装置驱动滚刷的旋转，所述滚刷即可扬起池底或池壁的污垢，方便所述底部进水口的吸入。
9.所述清洁设备的l形导流管结构的特征是：导流管有a、b两段，两段之间有一定夹角，内部导通，导流管外形呈现l形；所述a段与设备相连，并且可延设备侧壁旋转一定角度；所述b段不与设备相连；水流从所述清洁设备的底部进水口进入，依次经过垃圾收纳盒、过滤网、水泵涡轮，然后由分流管道分为左右两股水流，并分别进入左右两侧的l形导流管a段，经过左右两侧的l形折弯处，最后分别从左右两侧的导流管b段流出。
10.所述清洁设备的万向轮位于设备底部，该万向轮可使设备完成偏航动作。
11.所述清洁设备的定向轮位于左右两侧，该定向轮给设备在水下提供一定的定向作
用以及使设备可以前进或者后退。
12.本发明所述的前滚刷的优点是：现有技术的清洁设备的滚刷是行走电机传动的，因此设备必须在运动中才可以使滚刷旋转，对于某一个重点清扫区域，必须来回经过才可以多次清扫，做不到定点清扫；而本发明中，无论所述清洁设备处于任何一种运动状态，只要有水流进入到底部进水口，就可以驱动滚刷的旋转；当所述设备控制两侧l形导流管使自身原地静止时，依然有水流经过进水口，滚刷依然旋转，因此方案可实现设备的定点清扫。
13.本发明提供了一种水下清洁设备的控制方法，具体方法如下。
14.所述清洁设备通过分别控制左右两侧的l形导流管的旋转角度和水流流速，即可完成一系列的动作。
15.所述清洁设备有三种运动状态：水平面运动状态、垂直面运动状态和沿水线平移状态。
[0016] 所述清洁设备在清理池底时，该设备的左右两侧l形导流管同时旋转， l形导流管的b段指向设备的上方90度，此时通过b段流出的水流给设备产生一个向下的推力f，使设备能够贴紧池底，此状态称为池底静止状态。
[0017]
当所述清洁设备的左右两侧l形导流管b段同时从所述池底静止状态的90度向后倾斜一定角度时，所述向下的推力f会产生一个向前的分量f，此时所述清洁设备会依靠分量f向前移动，此状态称为池底前进状态；当上述倾斜角度越大时，向前的分量f越大，设备前进的速度也越大；相反，所述倾斜角度越小，向前的分量f越小，设备前进的速度越小。
[0018]
当所述清洁设备的左右两侧l形导流管b端同时从所述池底静止状态的90度向前倾斜一定角度，所述分量f指向后方，此时所述清洁设备会依靠分量f向后移动，此状态称为池底后退状态；当上述倾斜角度越大时，向后的分量f越大，设备后退的速度也越大；相反，所述倾斜角度越小，向后的分量f越小，设备后退的速度越小。
[0019]
当所述清洁设备的左侧l形导流管b端从所述池底静止状态的90度向前倾斜一定角度，所述左侧向下的推力f会在设备左边产生一个向后的分量f1；而右侧l形导流管b端从所述池底静止状态的90度向后倾斜一定角度，所述右侧向下的推力f在设备右边产生一个向前的分量f2；该设备受到相反方向的分量f1和f2作用，使得设备延逆时针方向旋转，此状态称为池底左转状态；当所述左右两侧l形导流管之间的夹角越大时，分量f1和f2的差值越大，该设备左转的速度也越大；相反，所述夹角越小，分量f1和f2的差值越小，该设备左转的速度也越小。
[0020]
当所述清洁设备的左侧l形导流管b端从所述池底静止状态的90度向后倾斜一定角度，所述设备左侧分量f1指向前；而右侧l形导流管b端从所述池底静止状态的90度向前倾斜一定角度，所述设备右侧分量f2指向后；该设备受到相反方向的分量f1和f2作用，使得设备延顺时针方向旋转，此状态称为池底右转状态；当所述左右导流管之间的夹角越大时，分量f1和f2的差值越大，该设备右转的速度也越大；相反，所述夹角越小，分量f1和f2的差值越小，设备右转的速度也越小。
[0021]
所述清洁设备从水平面运动状态切换到垂直面运动状态时，需要进行一个抬头的动作。
[0022]
所述清洁设备进行抬头动作时，上述左右两侧l形导流管b段旋转至重力相同的方向时，此时水流产生的推力f，抵消了重力；当f大于重力时，该设备开始上浮；同时，由于位
于后侧的底部进水口在不断地进水，该设备后端会产生一个低压区域，使得设备后端会有一个向下的吸力fp。
[0023]
所述清洁设备在上浮过程中，后端受到吸力fp的作用，该设备尾部下沉，此状态称为抬头状态。
[0024]
所述清洁设备处于上述抬头状态时，当设备底部与池壁近乎平行时，所述左右侧l形导流管同时迅速旋转至垂直于池壁的角度，此时该设备受到一个指向池壁的推力f，使得设备贴墙，此状态称为池壁贴墙状态。
[0025]
所述清洁设备处于上述池壁贴墙状态时，上述左右两侧l形导流管同时向重力方向偏转一定角度，上述指向墙的推力f会产生一个向上的分量f，此时所述清洁设备会依靠分量f向上移动，此状态称为池壁上墙状态；当上述倾斜角度越大时，向上的分量f越大，该设备上墙的速度也越大；相反，该倾斜角度越小，向上的分量f越小，该设备上墙的速度越小。
[0026]
所述清洁设备处于上述池壁贴墙状态时，上述左右两侧l形导流管同时向重力反方向偏转一定角度，上述指向墙的推力f会产生一个向下的分量f，此时所述清洁设备会依靠分量f向下移动，此状态称为池壁下墙状态；当上述倾斜角度越大时，向下的分量f越大，该设备下墙的速度也越大；相反，该倾斜角度越小，向下的分量f越小，设备下墙的速度越小。
[0027]
所述清洁设备处于上述池壁上墙状态时，当设备越过水线，设备收到浮力减小；并且当左右两侧l形导流管或者底部进水口越过水线时，该设备左右两侧l形导流管产生的推力f减小；因此，受两者因素影响，设备无法继续延墙壁向上移动，此状态称为水线驻泊状态。
[0028]
所述清洁设备处于水线驻泊状态时，通过减小左侧l形导流管的出水水流流速或者增大左侧l形导流管b段与重力之间的角度，使得该设备左侧推力f向上的分量f1减小；同理，通过增大右侧l形导流管的出水水流流速或者减小左侧l形导流管b段与重力之间的角度，使得该设备右侧推力f向上的分量f2增大；所述设备受到的推力f向上的左右分量f1小于分量f2，左右受力不平衡，向左倾斜，此状态称为池壁左偏状态。
[0029]
所述清洁设备处于上述池壁左偏状态时，保持设备的左右两侧l形导流管b段的角度不变，同时加大左右两侧l形导流管水流的流速，该设备向左上方移动，由于此时设备越过水线，无法继续向上移动，因此设备只能向左平移，此状态称为池壁向左水线清洁状态。
[0030]
所述清洁设备处于水线驻泊状态时，通过增大左侧l形导流管的出水水流流速或者减小左侧l形导流管b段与重力之间的角度，使得该设备左侧推力f向上的分量f1增大；同理，通过减小右侧l形导流管的出水水流流速或者增大左侧l形导流管b段与重力之间的角度，使得该设备右侧推力f向上的分量f2减小；所述设备受到的推力f向上的左右分量f1大于分量f2，左右受力不平衡，向右倾斜，此状态称为池壁右偏状态。
[0031]
所述清洁设备处于上述池壁右偏状态时，保持设备的左右两侧l形导流管b段的角度不变，同时加大左右两侧l形导流管水流的流速，该设备向右上方移动，由于此时设备越过水线，无法继续向上移动，因此设备只能向右平移，此状态称为池壁向右水线清洁状态。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：第一，所述清洁设备是通过控制水流的方向和流速来控制姿态，而不是依赖与泳池表面的摩擦力来控制，因此，对于任何粗糙程度的
泳池，运用本发明的清洁设备都能轻松上墙清洁，并且提升了整个泳池的清扫覆盖率；第二，现有技术中的清洁设备是通过多次上下墙的间断式水线清洁方式，而本发明可实现一次性单边水线清洁，提高了清洁效率；第三，运用本发明的设备是通过水流产生的推力前进，而不是现有技术中通过利用履带或者轮毂与泳池表面的摩檫力来前进，因此，本发明不存在现有技术中的清洁设备因为行走电机长时间高负载而产生的寿命衰减和增大摩檫力而导致电机功率升高的问题，大大提升了设备的整体使用寿命，并且更加节能。
附图说明
[0033]
图1是本发明一实例提供的一种水下清洁设备的外部结构示意图。
[0034]
图2是本发明一实例提供的一种水下清洁设备的内部结构侧视图。
[0035]
图3是本发明一实例提供的一种水下清洁设备在水平面运动状态下的左右两侧l形导流管动作示意图。
[0036]
图4是本发明一实例提供的一种水下清洁设备在垂直面运动状态下的左右两侧l形导流管动作示意图。
[0037]
图5是本发明一实例提供的一种水下清洁设备进行抬头动作的流程示意图。
[0038]
图6是本发明一实例提供的一种水下清洁设备在水平面运动状态下的纠正行走角度的流程示意图；图7是本发明一实例提供的一种水下清洁设备进行水线清洁的流程示意图。
[0039]
图1中1. 左侧滚刷挡板，3. 左侧滚刷，4. 右侧滚刷，5. 万向轮，6. 万向轮容纳槽，7. 底部进水口，9. 左侧l形导流管，10. 右侧l形导流管，11. 左侧定向轮，12. 右侧定向轮图2中3. 左侧滚刷，5. 万向轮，6. 万向轮容纳槽，7. 底部进水口，8. 明轮，11. 左侧定向轮，13. 明轮叶片，14. l形导流管安装孔，15. 垃圾容纳盒，16. 过滤网，17. 水泵涡轮，18. 分流管道，19. 左侧滚刷叶片，20. 传动机构。
具体实施方式
[0040]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创新性劳动动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]
图1为本发明一实施例提供的一种清洁设备的外部结构示意图。
[0042]
在本实施例中，左侧滚刷挡板1和左侧滚刷相连；左侧滚刷3和右侧滚刷4相连；万向轮5置于万向轮容纳槽6内；底部进水口7位于设备的尾端；左侧l形导流管9和右侧l形导流管10分别置于设备左右两侧；左侧定向轮11和右侧定向轮12分别置于设备左右两侧。
[0043]
本领域技术人员可以理解，图1中所出示的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构示意图，并不构成对本技术方案所应用于其上的水下清洁设备的限定，具体的水下清洁设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0044]
图2为本发明一实施例提供的一种清洁设备的内部结构示意图。
[0045]
在本实施例中，当水泵涡轮17旋转时，设备腔体内产生低压区域，水流从底部进水口7被吸入设备腔体，当水流经过明轮叶片13时，水流推动明轮逆时针方向旋转，通过传动机构20传动滚刷3逆时针旋转。因此，只要当水泵涡轮旋转时，就可以通过水流驱动滚刷旋转，达到扬起池底污垢的目的。
[0046]
在本实施例中，当水流进入垃圾收纳盒15后，又经过过滤网16，无法经过过滤网的颗粒被阻挡在垃圾收纳盒内，因此，诉说清洁设备可以收纳清洁垃圾。
[0047]
在本实施例中，当水流流经水泵涡轮17后，水流流入分流管道18，分流管道18分岔为左右两组管道，将水流一分为二，分流后的水流分别流入左侧和右侧的l形导流管安装口14，最后分别进入左右侧的l形导流管9、10。
[0048]
在本实施例中，万向轮5可360度旋转，并对设备起支撑作用。
[0049]
在本实施例中，定向轮11可前后旋转，并对设备起支撑作用。
[0050]
本领域技术人员可以理解，图2中所出示的结构，仅仅是与本技术方案相关的部分结构示意图，并不构成对本技术方案所应用于其上的水下清洁设备的限定，具体的水下清洁设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。
[0051]
图5是本发明一实例提供的一种水下清洁设备进行抬头动作的流程示意图。
[0052]
s101、启动水泵。
[0053]
s102、是否碰到池壁。
[0054]
s103、调整左右两侧l形导流管指向设备后方，使设备前进。
[0055]
在本实施例中，如果设备没有碰到池壁，控制左右两侧l形导流管指向设备后方，两侧l形导流管喷出的水流产生向前的分力推动设备向前移动，直到设备通过传感器检测到碰墙。
[0056]
在一具体实施例中，后方可以是与前进方向成180度。
[0057]
在一具体实施例中，分力可通过以下公式计算可得：f1 = f * cos（180-θ）。
[0058]
其中， f1为水流推力产生向前的分力，f为水流产生的推力，θ为l形导流管的指向与设备前进方向的夹角。
[0059]
在一具体实施例中，传感器可以是震动开关传感器。
[0060]
在一具体实施例中，传感器可以是陀螺仪。
[0061]
s104、设备是否正对池壁。
[0062]
s105、调整左右两侧l形导流管方向，使设备前方正对池壁。
[0063]
在本实施例中，如果设备未与池壁对齐，则设备左右两侧与池壁距离较远的一侧的l形导流管缩小与池底之间的夹角，使得此侧l形导流管喷出的水流产生向前的分力增大，使设备向另一侧偏航，当设备前方与池壁对齐后，恢复左右两侧l形导流管至相同角度，完成对齐。
[0064]
在一具体实施例中，相同角度可以是与设备前进方向成90度。
[0065]
s106、左右两侧l形导流管偏向重力方向。
[0066]
在本实施例中，当设备与池壁对齐后，调整左右两侧l形导流管指向重力方向，此时，左右l形导流管喷出的水流推力方向向上。
[0067]
s107、设备抬头。
[0068]
在本实施例中，加大水泵转速，左右l形导流管喷出的水流产生向上的推力增大，当推力逐渐大于设备重力时，设备上浮；同时，由于设备尾部的底部进水口产生的吸力，使设备尾部受到一个向下的拉力，设备失去平衡，尾部下沉，头部仰起。
[0069]
s108、设备是否与池壁平行。
[0070]
在本实施例中，设备抬头过程中，设备底部与池壁的夹角不断缩小；当设备底部与池壁近似平行时，完成抬头动作，否则继续进行抬头动作。
[0071]
s109、调整左右两侧l形导流管指向池壁垂直方向。
[0072]
在本实施例中，当调整左右两侧l形导流管指向池壁垂直的方向时，左右两侧l形导流管喷出的水流产生的推力指向池壁。
[0073]
s110、设备与池壁紧贴。
[0074]
在本实施例中，由于设备与池壁之间的正压力增大，随之产生的摩檫力也增大；当摩檫力大于重力时，设备将吸附在池壁上不会滑落。
[0075]
s111、调整左右两侧l形导流管指向重力方向和池壁垂直方向之间的角度。
[0076]
在一具体实施例中，角度可以是45度。
[0077]
s112、设备沿池壁向上移动。
[0078]
在本实施例中，此时，左右两侧l形导流管喷出的水流产生的向上的分力增大，当向上的分力大于重力后，设备沿着池壁向上移动。
[0079]
为了更好地说明设备抬头动作时左右两侧l形导流管的方向变化过程，请参考图4，图4是本发明一实例提供的一种水下清洁设备在垂直面运动状态下的左右两侧l形导流管动作示意图。
[0080]
由此我们明显可得，本技术方案的控制方法在控制设备抬头动作时，不依赖设备与池壁的摩檫力，而是直接通过水流产生的推力和尾部进水口产生的吸力共同作用而完成抬头动作。因此运用本技术方案的控制方法的清洁设备在遇到各种表面粗糙程度不同的泳池时，都可以轻松地完成抬头动作，并完成清洁模式的切换，从而提高了清洁模式切换的成功率，提高了清洁效率。而传统技术中的清洁设备遇到表面粗糙程度很小的泳池时，设备很难完成抬头动作，清洁模式切换的成功率极低，影响了清洁效果；且需要通过水泵提供很大的下压力来提升设备底部的摩擦力，从而进一步提高了功耗，并增加了行走电机的负载，降低了电机使用寿命。
[0081]
图6是本发明一实例提供的一种水下清洁设备在池底纠正行走角度的流程示意图。
[0082]
s201、水泵开启。
[0083]
s202、调整左右l形导流管指向设备，使设备前进。
[0084]
s203、设备偏离原定方向。
[0085]
在本实施例中，清洁设备每进行下一步姿态调整时，都会提前设定一个方向，需要设备一直维持此方向，直到再下一次姿态调整。
[0086]
在一具体实施例中，原定方向可以是180度。
[0087]
s204、左偏还是右偏。
[0088]
在本实施例中，如果设备偏离了原定方向，需要判断设备是向左偏离了原定方向还是向右偏离了原定方向。
[0089]
在一具体实施例中，可以通过以下公式判断设备是左偏还是右偏：derror = dnow
ꢀ–ꢀ
dset。
[0090]
其中derror是当前方向与原定方向的角度差，当derror为负数时，代表设备左偏，当derror为正数时，代表设备右偏；dnow代表当前设备方向，dset代表设备原定方向。
[0091]
s205、调整左右l形导流管方向，使设备左侧水流推力向前的分力大于右侧水流推力向前的分力。
[0092]
在本实施例中，当设备左侧的l形导流管向后的倾角大于设备右侧的l形导流管向后的倾角时，在左右两侧l形导流管喷出水流的流速一致时，左侧l形导流管喷出的水流产生向前的分力大于右侧l形导流管喷出的水流产生向前的分力，设备向右偏航。
[0093]
其中，倾角是指l形导流管指向与设备前进方向的夹角。
[0094]
s206、调整左右l形导流管方向，使设备右侧水流推力向前的分力大于左侧水流推力向前的分力。
[0095]
在本实施例中，当设备右侧的l形导流管向后的倾角大于设备左侧的l形导流管向后的倾角时，在左右两侧l形导流管喷出水流的流速一致时，右侧l形导流管喷出的水流产生向前的分力大于左侧l形导流管喷出的水流产生向前的分力，设备向左偏航。
[0096]
其中，倾角是指l形导流管指向与设备前进方向的夹角。
[0097]
在一具体实施例中，左侧l形导流管向后的倾角可以是180度。
[0098]
在一具体实施例中，右侧l形导流管向后的倾角可以是125度。
[0099]
s207、设备右转。
[0100]
在一具体实施例中，设备右转，当设备方向与原定方向重合时，恢复左右l形导流管向后的倾角，结束右转。
[0101]
s208、设备左转。
[0102]
在一具体实施例中，设备左转，当设备方向与原定方向重合时，恢复左右l形导流管向后的倾角，结束左转。
[0103]
可见，本技术发明的控制方法在水下控制设备运动时，是依靠水流在设备左右两侧产生向前不同的分力来控制设备转弯的。因此，运用本发明的清洁设备不需要额外的行走电机来驱动设备行走，降低了设备成本，节省了设备内部空间，降低了结构重量，并且不会因为行走电机因为负载过大而损坏的情况。
[0104]
图7是本发明一实例提供的一种水下清洁设备进行水线清洁的流程示意图。
[0105]
s301、设备延池壁向上移动。
[0106]
在本实施例中，当设备完成图5所示的清洁模式切换后，设备沿着池壁向上移动。
[0107]
s302、设备是否已经越过水线。
[0108]
在本实施例中，当设备沿池壁向上移动的过程中，设备前端越过了水线，随着设备越过水线的部分不断增加，相应设备受到的浮力越小，当浮力与重力达到平衡时，设备无法继续沿池壁向上移动，从而停留在水线位置不变。
[0109]
s303、调整左右l形导流管方向，使设备左侧水流向上的分力大于右侧水流向上的分力。
[0110]
在本实施例中，当设备左侧的l形导流管向后的倾角大于设备右侧的l形导流管向后的倾角时，在左右两侧l形导流管喷出水流的流速一致时，左侧l形导流管喷出的水流产
生向上的分力大于右侧l形导流管喷出的水流产生向上的分力，设备向右倾斜。
[0111]
其中，倾角是指l形导流管指向与设备前进方向的夹角。
[0112]
在一具体实施例中，左侧l形导流管向后的倾角可以是120度。
[0113]
在一具体实施例中，右侧l形导流管向后的倾角可以是100度。
[0114] s304、设备向右倾斜。
[0115] s305、是否达到预设倾斜角度。
[0116]
在一具体实施例中，预设倾斜角度可以是向右30度。
[0117] s306、调整左右l形导流管指向重力方向和池壁垂直方向之间的角度。
[0118]
在一具体实施例中，角度可以是池壁垂直方向到重力方向的30度。
[0119] s307、加大水泵转速。
[0120] s308、设备由于无法继续向上移动，而沿着水线向右平移。
[0121] s308传统技术中的运用履带或者轮毂驱动设备移动的水下清洁设备无法完成长距离水线清洁。而运用了本技术发明的控制方法的清洁设备可轻松完成长距离水线清扫，直到遇到池壁的拐角处，可一次性完成泳池单边的水线清扫，大大提高了清洁效率，降低了池壁漏扫率。
[0122]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为是描述简介，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0123]
以上所述是本发明的优先实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。因此，本技术专利保护范围应以所附权利要求书为准。