CN102167101A - 多盘非接触吸附式爬墙机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多盘非接触吸附式爬墙机器人。机器人的机身包括四个彼此间通过柔性元件连接的吸盘，连接后机身的四个外侧顶角上各有一块固定板，步进电机、轮毂罩、推力球轴承、深沟球轴承通过轴安装于固定板上，轮子与电机1相连安装在轮毂罩内，步进电机与轮子相连；每个吸盘5的上表面上设有一个多自由度接头，所述的多自由度接头是这样构成的：泵机7固定在浮动板上，浮动板通过连杆连接在吸盘上；吸盘侧表面上固定一圈密封裙边，密封裙边与墙面相对的端面上开有沟槽，每个吸盘底部有两个万向轮。本发明结构简单、吸附可靠，有爬坡功能并对墙面不平度适应性良好，运动阻力小。

Description

多盘非接触吸附式爬墙机器人

技术领域

本发明涉及一种爬墙机器人，具体地说，涉及一种利用真空负压提供吸附力，具有多个由柔性件连接的吸盘与墙面间隙接触，以轮式驱动的机器人装置。

背景技术

随着城市中高层建筑的兴建和高层建筑表面大量使用玻璃幕墙，目前，这些高楼大厦外墙表面装置的的安装、墙面清洁和维护工作等危险高空作业大多是由人来完成，十分危险。特别是遇到恶劣的天气时，操作更加困难。这是目前现实工作中经常碰到的问题，但是，到目前为止，还没有一个很好的方法来解决这个难题。

目前发展迅速的爬墙机器人技术是解决这一问题的重要方法之一，已研制出各种各样的爬墙机器人，机器人与墙面之间的吸附，一般都是通过负压吸附原理进行的，但目前的机器人一般只有一个吸附盘，吸附的可靠性不高，因为一旦发生失压现象，整个机器人将会从墙上脱落。此外，这种单吸附盘还存在一个问题是，吸附间隙难以控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以在光滑墙面上运动、能够自由转向，有效实现在竖直、倾斜墙面的吸附和运动的机器人。本发明的机器人能适应墙面的一定不平度，工作效率高，灵活性强，没有运动死角，具有爬斜坡的功能，可以负载清洁、检测等模块进行工作。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

一种多盘非接触吸附式爬墙机器人，其特征在于，所述的机器人的机身包括四个吸盘5，所述的吸盘5包括上表面5a及由上表面5a的四边垂直延伸出的一圈侧表面5b；四个吸盘5彼此间通过柔性元件14连接，连接后的机身的四个外侧顶角上各设置一块固定板2，每个固定板2上有一个步进电机4，步进电机4的底部通过固定板2的一端安装在吸盘5上，轮毂罩3、推力球轴承23、深沟球轴承22通过轴28安装于固定板2的另一端，轮子19与电机1相连安装在轮毂罩3内，步进电机4的顶部设有一个第一转向曲柄16a，通过一个转向连杆15与第二转向曲柄16b相连，再连接于轴28上；

每个吸盘5的上表面上设有一个多自由度接头，所述的多自由度接头是这样构成的：两个支撑座10固定在吸盘5上，一个多自由度轴11的两端连接到支撑座10上，一个L型固定板12固定在多自由度轴11上；

一个泵机7固定在浮动板6上，浮动板6边缘上设有两个浮动连接头8，每个浮动连接头8依次通过一个短连杆(17)、两个长连杆18连接到两个多自由度接头的多自由度轴11上；

在所述的吸盘5的侧表面5b上固定有一圈密封裙边20，密封裙边20与墙面相对的端面上开有沟槽27，在每个吸盘5底部，对应于柔性元件14的部位装有两个万向轮26。

所述的柔性元件14的材质为橡胶。

所述的密封裙边20的高度d大于吸盘5的侧表面5b的高度h。

所述的沟槽27为波浪型沟槽。

有益效果

本发明采用上述技术方案，与现有爬墙机器人技术相比具有如下优点：

1.本发明的爬墙机器人采用了非接触式密封原理，吸盘与墙面之间靠保持很小的间隙实现密封，既保证吸盘内的负压强度，使机器人不会失效坠落，同时由于吸盘与墙面之间没有直接接触，使得机器人在运行时的摩擦阻力很小。

2.本发明的爬墙机器人采用了四个吸盘，吸盘之间通过柔性元件进行连接，吸盘与墙面之间的微小间隙通过四个驱动轮的调节和装在每个吸盘上的两个小万向轮进行保证，即使其中一个吸盘在工作中受到破坏、失效，其他吸盘仍能正常工作，保证机器人不会坠落。

3.本发明的爬墙机器人使用四个柔性元件来连接四个吸盘，使四个吸盘彼此都有一定的自由度，可以让机器人适应壁面的坡度。

4.本发明的爬墙机器人四个轮子的转向皆由四个独立的步进电机控制，可以转到任意方向，运动到任何地方，运动轨迹没有死角。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的俯视。

其中，1：电机，2：固定板，3：轮毂罩，4：步进电机，5：吸盘，5a：上表面，5b：侧表面，6：浮动板，7：泵机，8：浮动连接头，9：过滤器，10：支承座，11：多自由度轴，12：L型固定板，13：挡板，14：柔性件，15：转向连杆，16a：第一转向曲柄，16b：第二转向曲柄。

图3是本发明的左视图。

其中，1：电机，2：固定板，3：轮毂罩，5：吸盘，6：浮动板，7：泵机，11：多自由度轴，12：L型固定板，14：柔性件，16a：第一转向曲柄，16b：第二转向曲柄，17：短连杆，18：长连杆，19：轮子，20：密封裙边，21：螺母，26：万向轮。

图4是本发明轮子固定方式图。

其中，1：电机，2：固定板，3：轮毂罩，19：轮子，21：螺母，22：深沟球轴承，23：推力球轴承，28：轴。

图5是本发明实现非接触密封的原理图。

其中，5：吸盘，5a：上表面，5b：侧表面，20：密封裙边，24：O型圈，25：壁面，27：沟槽，h：侧表面5b高度，d：密封裙边20的高度。

图6是多自由度接头结构示意图

其中，10：支承座，多自由度轴，12：L型固定板，29：轴承。

图7是浮动板连接形式放大图

6：浮动板，7：泵机，8：浮动连接头，17：短连杆，18：长连杆。

具体实施方式

下面结合附图、具体实施方式及实施例对本发明作进一步阐述：

如图1、2所示，四个吸盘5彼此以柔性件14相连。四个轮子19通过轮毂罩3、固定板2下面的推力球轴承23和固定板2上面的深沟球轴承22与固定板2相连，固定板2通过螺钉与吸盘5相连，电机1与轮子19相连，步进电机4通过两个转向曲柄16a、16b和一个转向连杆15与轮毂罩3通过紧定螺钉相连，以此保证机器人的前进、后退、转向的运动。多自由度接头是由L型固定板12、多自由度轴11、支承座10和两个深沟球轴承通过螺钉螺母连接在一起，再通过四个螺钉固定在吸盘5上。泵机7固定在浮动板6上，每个吸盘5上都安装有一个使用泵机7所需的过滤器9，浮动板6两端固定有浮动连接头8，浮动连接头8对应安装在两个对称的柔性件的上方，通过铆钉与短连杆17、长连杆18相连接，最后与多自由度接头相连，安装在吸盘5上，柔性件14弯曲适应地面坡度变化时，上部的泵机7与浮动板6能配合柔性件14运动，不会相互干涉。密封条20通过二十四个螺钉与吸盘5侧表面5b相连，两者之间安装了O型圈24，保证吸盘各部分密封性能。每个吸盘5底部安装了两个万向轮26，保证吸盘5工作时与墙面25保持一定的微小间隙。

如图3所示，为四个轮子9的具体固定方法。轮毂罩3上方套有一个深沟球轴承22和一个推力球轴承23，两者将固定板2夹住，并用螺母21压紧。下方通过电机输出轴直接与轮子9连接孔相连，输出动力。这样就可以实现轮子前进、后退、转向的功能。

如图4所示，为本发明非接触式密封的原理。吸盘的密封裙边20通过一组螺钉与吸盘5相连，中间嵌入O型圈24，保证两者之间的密封性能。裙边20与墙面对应的底部挖出如图所示的波浪型槽口27，以便使流经密封间隙的空气产生节流作用，从而进一步提高密封压力，产生相对真空，利用这个负压使机器吸附在墙面上。

该机器人的工作过程为：在光滑墙面上直线运动时，首先启动空气泵，待吸盘中的空气负压达到工作状态时，同时启动安装在四个轮子上的四个电机1，使其向前运动。

当机器人需要转向时，先停止四个电机1，然后启动四个与轮毂罩相连的四个步进电机4，旋转需要的角度，连杆机构带动轮毂罩旋转同样的角度，使固定在上面的轮子19也随之旋转相应的角度，从而完成转向动作。

当机器人在直行运动中遇到了斜坡，则在前端的两块吸盘会随着斜坡翘起，使柔性件弯曲，使机器人紧密贴合斜坡的角度，爬上斜坡，而不会使吸盘脱离壁面而失效坠落。而上部的浮动板与下部的长连杆及吸盘组成了一个四连杆，当下部的吸盘互相产生一定角度，不在同一直线上时，两根长连杆也会产生一定角度的运动，以满足柔性件运动的自由度。

当机器人在转向后的直线运动中遇到了斜坡，与上同理，前端的两块吸盘会随着斜坡翘起，使柔性件弯曲，使机器人紧密贴合斜坡的角度，爬上斜坡，而不会使吸盘脱离壁面而失效坠落。而上部的浮动板与短连杆、长连杆及两个吸盘组成了一个五连杆机构，当下部的吸盘互相产生一定角度，不在同一直线上时，长连杆和浮动盘也会产生一定角度的运动，以满足柔性件运动的自由度。

当墙面的平面度不是很好时，在柔性连接元件的作用下，四个吸盘将会自动调节各自与墙面的间隙，从而保证机器人与墙面之间的紧密吸附。

实施例：

实施环境：大楼的玻璃幕墙，与地面成90度，幕墙上有小于25度的斜坡，表面光滑。

工作目的：负载约6kg重物从1楼至6楼约17米。

工作过程：将机器人紧贴墙面放置，并通过上位机遥控机器人上的单片机启动泵机7，等待泵机7将吸盘5内的空气抽出，产生足够的负压，约30秒后，检查机器人是否已经吸紧玻璃幕墙。吸紧后，启动机器人四周的四个电机1，机器人向上运动。在机器人在上升的过程中遇到了25度的斜坡时，与斜坡先接触的两个吸盘5会随着斜坡的斜度翘起，使柔性件14弯曲，使机器人紧密贴合斜坡的角度，爬上斜坡，而不会使吸盘5脱离壁面而失效坠落。而上部的浮动板与下部的长连杆18及吸盘5组成了一个四连杆，当下部的吸盘5互相产生一定角度，不在同一直线上时，两根长连杆18也会产生一定角度的运动，以满足柔性件14运动的自由度。同理，机器人也顺利完成下坡动作。当机器人转向90度时，先停止四个电机1，然后启动四个通过第一转向曲柄16a、一个转向连杆15、第二转向曲柄16b与轮毂罩上的轴28相连的四个步进电机4，旋转90度，连杆机构带动轮毂罩旋转同样的角度，使固定在上面的轮子也随之旋转相应的角度，从而完成转向动作。这种转向易于控制，可以转到任意角度，运动时没有死角。最后，机器人经过一定的路径成功将6kg的重物运送到6层楼约17米高。

Claims (4)

1.一种多盘非接触吸附式爬墙机器人，其特征在于，所述的机器人的机身包括四个吸盘(5)，所述的吸盘(5)包括上表面(5a)及与上表面(5a)的四边垂直延伸出的一圈侧表面(5b)；四个吸盘(5)彼此间通过柔性元件(14)连接，连接后的机身的四个外侧顶角上各设置一块固定板(2)，每个固定板(2)上有一个步进电机(4)，步进电机(4)的底部通过固定板(2)的一端安装在吸盘(5)上，轮毂罩(3)、推力球轴承23、深沟球轴承22通过轴(28)安装于固定板(2)的另一端，轮子(19)与电机(1)相连安装在轮毂罩(3)内，步进电机(4)的顶部设有一个第一转向曲柄(16a)，通过一个转向连杆(15)与第二转向曲柄(16b)相连，再连接于轴(28)上；

每个吸盘(5)的上表面上设有一个多自由度接头，所述的多自由度接头是这样构成的：两个支撑座(10)固定在吸盘(5)上，一个多自由度轴(11)的两端连接到支撑座(10)上，一个L型固定板(12)固定在多自由度轴(11)上；

一个泵机(7)固定在浮动板(6)上，浮动板(6)边缘上设有两个浮动连接头(8)，每个浮动连接头(8)依次通过一根短连杆(17)、两根长连杆(18)连接到两个多自由度接头的多自由度轴(11)上；

在所述的吸盘(5)的侧表面(5b)上固定有一圈密封裙边(20)，密封裙边(20)与墙面相对的端面上开有沟槽(27)，在每个吸盘(5)底部，对应于柔性元件(14)的部位装有两个万向轮(26)。

2.如权利要求1所述的多盘非接触吸附式爬墙机器人，其特征在于，所述的柔性元件(14)的材质为橡胶。

3.如权利要求1所述的多盘非接触吸附式爬墙机器人，其特征在于，所述的密封裙边(20)的高度d大于吸盘(5)的侧表面(5b)的高度h。

4.如权利要求1所述的多盘非接触吸附式爬墙机器人，其特征在于，所述的沟槽(27)为波浪型沟槽。

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