本发明涉及一种擦窗机器人， 属于家用小电器制造技术领域。 背景技术

擦窗机器人以其体积小巧、 运动灵活的特点得到了广泛的应用。 现有的擦窗机器 人， 除了采用履带式行走机构之外， 还有的是通过吸盘和行走机构配合作业实现行 走。 现有擦窗机器人采用应变片测量形变量的方法 ， 大多采用在吸盘的密封面上单边贴应 变片的方法通过测量吸盘的形变量间接测量吸 盘的真空度。 但是由于外部温度的变化 可能引起应变片本身电阻发生改变， 从而使最后的测量值和真实的形变量之间存在 偏 差， 导致数据不精确。

具体来说， 当机器人启动之后， 真空泵抽气使得吸盘发生剧烈形变， 设置在吸盘 上的应变片同时发生形变， 通过测量形变片的形变量来计算吸盘的真空度 。 当形变量 增大时， 应变片的输出电压值也增大， 当输出电压达到预定值时， 才能确保机器人牢 固的吸附在玻璃表面上进行作业。 但是， 往往由于直接受到太阳的照射， 玻璃表面温 度很容易升高， 当温度变化时， 应变片内部的电阻变化使得应变片上的输出电 压值会 相应变化， 从而不能够真实的反应吸盘内的真空度， 机器人有跌落的危险。 发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术 的不足， 提供一种擦窗机器人， 结 构简单， 成本低， 灵敏度高， 克服了因温度变化使单个应变片电阻变化而导 致的输出 电压变化的问题， 防止因温度变化使擦窗机器人工作时从玻璃上 跌落。

本发明的所要解决的技术问题是通过如下技术 方案实现的：

一种擦窗机器人， 包括主机体和控制单元， 主机体的底部设有吸盘和行走机构， 所述的吸盘与待擦拭的玻璃表面围设成内腔室 ，该内腔室通过真空抽吸形成内负压室， 所述的内腔室中形成有密封面， 在密封面上设有形变片， 所述形变片上设有应变片组 件， 所述的应变片组件与所述控制单元相连并输出 形变数据给所述控制单元， 所述的 应变片组件由两个相同的应变片串联而成。

根据需要， 所述的应变片组件在所述形变片的正、 反两侧对称设置； 或者， 所述 的应变片组件设置在所述形变片的同一侧。

另外， 所述吸盘上还设有抽气孔， 所述抽气孔通过导气管与真空泵相连， 所述的 真空泵与所述控制单元相连。

所述的密封面由吸盘构成； 或者所述的密封面由吸盘和主机体的底壳构成 。

为了保证有效吸附， 所述的吸盘上设有开口， 所述形变片通过密封圈密封连接在 所述开口上。

所述的主机体的底壳上设有开口， 所述形变片密封固定在所述开口上。

所述应变片黏贴在形变片上。

所述应变片为电阻应变片。

所述的吸盘包括连接端和开放端， 所述的开放端围设面积占主机体的底壳面积的

1/5-1/3。

综上所述， 本发明提供一种擦窗机器人， 结构简单， 成本低， 灵敏度高， 克服了 因温度变化使单个应变片电阻变变化而导致的 输出电压变化的问题， 防止因温度变化 使擦窗机器人工作时从玻璃上跌落。

下面结合附图和具体实施例， 对本发明的技术方案进行详细地说明。 附图说明

图 1为本发明的整体结构示意图；

图 2为本发明吸盘的局部结构示意图；

图 3为本发明实施例一应变片设置位置示意图；

图 4为电桥补偿法原理图；

图 5为本发明实施例二应变片设置位置示意图。 具体实施方式

实施例一

图 1为本发明的整体结构示意图； 图 2为本发明吸盘的局部结构示意图。 如图 1 并结合图 2所示， 本发明提供一种擦窗机器人， 包括主机体 1和控制单元 （图中未示 出）。 主机体 1 的底部设有吸盘 11和行走机构 12。 所述的吸盘 11为无顶角的类倒锥 形结构， 当擦窗机器人吸附在待擦拭的玻璃 100表面时， 吸盘 11与玻璃 100的表面所 围设而成的空间为内腔室。所述吸盘 11的内腔室通过真空抽吸形成内负压室。所述� �� 腔室的密封面上设有形变片 111， 所述形变片 111上设有应变片组件 112， 所述的应变 片组件 112与所述控制单元相连并输出形变数据给所述 控制单元。为了使吸盘 11的内 腔室能够通过真空抽吸形成内负压室， 所述吸盘 11上还设有抽气孔 113， 所述抽气孔 113通过导气管 114与真空泵 115相连， 所述的真空泵 115与所述控制单元相连。 如 图 2所示， 为了便于连接， 所述的吸盘 11包括连接端 116和开放端 117， 其中的连接 端 116用于吸盘 11与主机体 1的连接， 开放端 117用于使擦窗机器人吸附在玻璃 100 的表面。 所述密封面由吸盘 11构成， 或者由吸盘 11和主机体 1的底壳构成。 当吸盘 11一端面封闭时， 即吸盘 11靠近主机体 1 的底壳的一端面封闭时， 密封面直接由吸 盘 11构成； 当吸盘 11两端面均不封闭时， 即吸盘 11靠近主机体 1的底壳的一端面也 不封闭时， 吸盘 11需结合底壳形成密封端面， 此时密封面由吸盘 11和主机体 1的底 壳构成。 形变片 111可以设置在密封面上的任一位置。 为了方便形变片 111 的固定， 所述的吸盘 11上设有开口 118， 为了保证密封效果， 所述形变片 111通过密封圈 119 密封连接在所述开口 118上。 或者， 也可以在主机体 1的底部壳体上直接开口， 然后 再将形变片 111密封固定在主机体 1的底壳上。 此时， 吸盘 11上无开口， 但可以与形 变片 111一体设置。 只有这样， 吸盘 11的内腔室才能够通过真空抽吸顺利形成内负� �� 室。通常情况下， 所述的形变片 111的尺寸大于所述开口 118的尺寸。 应变片组件 112 的黏贴位置位于形变片的形变区域内， 可以黏贴在开口 118范围内的任一位置上。 为 了达到良好的形变效果， 形变片 111 的材质为可发生弹性形变的材质， 如： 金属片或 塑料 PC。 应变片组件 112可以通过多种方式固定在形变片 111上， 在本实施例中， 应 变片组件 112直接黏贴在形变片 111上。 应变片组件 112为一电子元器件， 为了提高 灵敏度， 所述应变片组件 112可以采用电阻应变片。

要使擦窗机器人在玻璃表面上正确行走并完成 相应的作业， 吸盘内的真空度、 形 变片 111 以及黏贴在其上的应变片组件 112的形变程度， 与主机体 1的自重、 以及行 走过程中摩擦力之间需要形成特定的参数关系 。 具体来说， 如果用等式来表示， 则是： F=PS， f= F= PS>=G， 其中： F为正压力， P为吸盘的真空度， S为密封面积， μ为滑 动摩擦系数， G为重力， f为摩擦力。 由上述参数关系中可知， 只要吸盘的真空度达到 阈值即可， 而形变程度与吸盘真空度成正比， 至于应变片的形变程度则会根据应变片 本身的规格、 材质的不同而有所差异。 因此， 吸盘放置在玻璃表面上的面积的大小， 与擦窗机器人是否能够安全运行具有直接的关 系。 根据需要， 所述的开放端围设面积 占主机体的底部壳体面积的 1/5-1/3。

具体来说， 擦窗机器人的行走启动控制方法具体过程是这 样的： 将擦窗机器人放 到玻璃表面上之后， 需要用手扶住主机体 1， 真空泵 115开始工作， 在吸盘 11的内部 空间里产生一定的真空度， 形变片 111在负压的作用下产生形变， 随着真空度增大， 应变片组件 112感受到形变， 将形变数据传送给控制单元。 控制单元内设一预定值， 一旦判断形变数据所对应的真空度达到阈值， 即认为贴合， 判断机器可以行走， 于是 发出指令使装置行走， 方可松手； 否则， 继续对吸盘的内腔室进行抽真空作业， 并持 续对应变片组件 112传送给控制单元的形变数据与控制单元内的 预定值进行比较。

图 3为本发明实施例一应变片设置位置示意图。 如图 3所示， 在本实施例中， 应 变片组件 112包含应变片 1121和应变片 1122， 待测部件 （如形变片 111 ) 的正、 反两 侧分别对应设置一个应变片 1121和应变片 1122， 且两个应变片 1121和 1122为串联， 以两个串联应变片之间的电压为输出电压。假 设两个应变片完全相同， 在同等条件下， 该输出电压应当是不变的， 从而消除外部环境如温度等对应变片可靠性的 影响。 且由 于应变片 1121和 1122放置在形变片 111的正、反两侧， 可以有效提高应变片组件 112 的灵敏度。其原因为， 当吸盘 11为负压室，形变片 111向下形变， 应变片 1121和 1122 对应拉伸或压縮， 则应变片 1121和 1122对应的累积输出变成单个应变片的 2倍， 有 效提高应变片组件 112的灵敏度。

对于应变片的温度误差及补偿主要的原理， 以下进行详细地说明。

首先， 关于应变片温度误差的产生， 是由于测量现场环境温度的改变而给测量带 来的附加误差， 称之为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有：

1 ) 电阻温度系数的影响：

敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下 式表示：

Rt = R0 ( 1+ 0 Δ ΐ ) ( 3 - 14 )

式中： Rt: 温度为 t°C时的电阻值； R0: 温度为 0°C时的电阻值；

α θ: 金属丝的电阻温度系数； A t: 温度变化值， A t=t-t0。

当温度变化 At时， 电阻丝电阻的变化值为：

Δ Rt = Rt - R0= R0 α 0 Δ t ( 3 - 15 )

2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响：

当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时， 不论环境温度如何变化， 电阻丝的变 形仍和自由状态一样， 不会产生附加变形。 当试件和电阻丝线膨胀系数不同时， 由于 环境温度的变化， 电阻丝会产生附加变形， 从而产生附加电阻。

设电阻丝和试件在温度为 0°C时的长度均为 L0， 它们的线膨胀系数分别为 β ₈ 和 β _Β , 若两者不粘贴， 则它们的长度分别为： Ls = L0 (l+PsAt) (3 - 16)

Lg = L0 (1+ β gAt) (3 - 17)

当二者粘贴在一起时， 电阻丝产生的附加变形 AL， 附加应变 εβ和附加电阻变化 ΔΓΙβ分别为：

AL = Lg-Ls= (Pg-Ps ) LOAt (3- 18)

_£ p = ALL0= (Pg-Ps ) Δΐ (3- 19)

Δ R β = K0 R0 εβ = K0 R0 ( β g- β s) Δ t (3 -20)

式（3- 15)和式（3-20)， 可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变 化量为： — =—— - ~ ^ = _aa ht + ^< s- =[« _a Af+^(Jg-A)]Ai = «Af (3-21)

R。 i 折合成附加应变量或虚假的应变 s t， 有：

AR 由式 （3 - 21) 和式 （3 - 22) 可知， 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变 化量， 除了与环境温度有关外， 还与应变片自身的性能参数 （ K0 ， ct O ， β ₈ ) 以 及被测试件线膨胀系数 β g有关。

其次， 电阻应变片的温度补偿方法原理。

电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法 和应变片自补偿两大类。

1) 线路补偿法

电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法 。 图 4为电桥补偿法原理图。 如图 4所示， 电桥输出电压 Uo与桥臂参数的关系为：

Uo =A ( Rl R4- RB R3 ) (3-23)

式中： A: 由桥臂电阻和电源电压决定的常数，

R1: 工作应变片； RB: 补偿应变片。

由上式可知， 当 R3和 R4为常数时， R1和 RB对电桥输出电压 U0的作用方向相 反， 利用这一基本关系可实现对温度的补偿。 测量应变时， 工作应变片 R1 粘贴在被 测试件表面上， 补偿应变片 RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上� �� 且仅工 作应变片承受应变。 如图 4所示。 当被测试件不承受应变时， R1和 RB又处于同一环 境温度为 t °C的温度场中， 调整电桥参数， 使之达到平衡， 有： Uo =A (R1R4-RBR3) = 0 (3-24)

工程上， 一般按 Rl =R2 = R3 =R4选取桥臂电阻。 当温度升高或降低 Δ t = t - tO 时， 两个应变片的因温度而引起的电阻变化量相等 ， 电桥仍处于平衡状态， 艮卩：

Uo=A [( Rl+ARlt ) R4- (RB+ARBt) R3] =0 (3-25)

若此时被测试件有应变 ε的作用， 则工作应变片电阻 R1又有新的增量 AR1=R1K ε， 而补偿片因不承受应变， 故不产生新的增量， 此时， 电桥输出电压为：

Uo =ARlR4Ks (3-26)

由上式可知， 电桥的输出电压 Uo仅与被测试件的应变 ε有关， 而与环境温度无 关。

应当指出， 若实现完全补偿， 上述分析过程必须满足四个条件：

在应变片工作过程中， 保证 R3=R4;

Rl和 RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数 α， 线膨胀系数 β， 应变灵敏度 系数 Κ和初始电阻值 R0;

粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测 试件材料必须一样， 两者线膨胀系 数相同；

两应变片应处于同一温度场。

2) 应变片的自补偿法

这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用 的应变片， 称之为温度自补偿应变 片。

温度自补偿应变片的工作原理可由式（3 -21)得出， 要实现温度自补偿， 必须有： α 0 = -Κ0 ( β g- β s ) (3-27)

上式表明， 当被测试件的线膨胀系数 β g已知时， 如果合理选择敏感栅材料， 即 其电阻温度系数 α0、 灵敏系数 Κ0和线膨胀系数 β ₈ ， 使式 （3-27) 成立， 则不论温 度如何变化， 均有 ARt/R0 = 0， 从而达到温度自补偿的目的。 实施例二

图 5为本发明实施例二应变片设置位置示意图。 如图 5所示， 在本实施例中， 应 变片组件 112包含应变片 1121和应变片 1122， 待测部件 （如形变片 111) 上同侧同时 设置两个应变片 1121 和 1122， 且两个应变片为串联， 以两个串联应变片之间的电压 为输出电压。 假设两个应变片完全相同， 在同等条件下， 该输出电压应当是不变的， 从而消除外部环境如温度等对应变片可靠性的 影响。 在本实施例中， 只是应变片组件 112中的应变片 1121和 1122在形变片 111上的 设置位置与上述实施例一有所不同， 其他内容均与实施例一相同， 在此不再赘述。 需要说明的是， 关于本申请中的擦窗机器人， 如何在吸盘吸附于玻璃表面的同时 实现行走， 为现有技术， 具体内容可参见 CN101822513A和 CN102138760A所公开的 内容， 在此不再赘述。

综上所述， 本发明提供一种擦窗机器人， 结构简单， 成本低， 灵敏度高。 待测部 件两侧分别设置一个应变片， 或者也可以在部件的同一侧设两个应变片， 且两个应变 片为串联， 以两个串联应变片之间的电压为输出电压。 假设两个应变片完全相同， 在 同等条件下， 该输出电压应当是不变的。 这样， 就克服了因温度变化使单个应变片电 阻变化而导致的输出电压变化的问题，防止因 温度变化使机器人工作时从玻璃上跌落。