CN102826138A - 具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，包括主支架、真空吸盘、真空泵、气管、主电路板、距离传感器、真空压力传感器与倾角传感器。该吸附模块可在机器人和工业搬运运用，当吸附模块在逐步靠近但又没有接触到被吸附面时，通过倾角传感器测出吸附模块相对于地面/重力方向的位姿，通过距离传感器测距计算出吸盘面与被吸附面之间的夹角和距离，从而可综合计算出真空吸盘相对于被吸附面的当前姿态。这种具有自主检测相对位姿功能的负压吸附模块，消除了系统先接触再调整的冗余动作；采用自动与被动相结合的调整装置，可有效地增强机器人的自主性，实现自主攀爬。

Description

具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块

技术领域

本发明涉及机器人的自动检测技术领域，特别涉及一种具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块。

背景技术

获取真空吸盘相对于被吸附面的位置和姿态，是引导吸附过程和保证吸附可靠的必要条件。

传统的吸附模块安装接触传感器和光纤曲率传感器来实现真空吸盘与被吸附面接触状况探测。以爬壁机器人吸附模块为例，美国密歇根州立大学研制的两种双足式小型爬壁机器人FLIPPER和CRAWLER，哈尔滨工业大学研制的仿尺蠖微小型双足爬壁机器人，沈阳自动化研究所的双足爬壁机器人等都是在真空吸盘足部安装接触传感器或者光纤曲率传感器，以探测出真空吸盘是否与壁面接触和贴合在一起。同样，在工业运用中也有很多类似的吸附单元。但是这种方法比较被动，只有当真空吸盘接触被吸附面后，传感器才有信号产生。当未有接触时，控制单元无法获取任何信息来引导真空吸盘单元根据其与被吸附面的相对位姿进行调整；而一旦真空吸盘单元与被吸附面已经接触上，所能进行的调整微乎其微，否则容易产生碰撞，致使设备损坏。再者，在接近被吸附面运动过程中，吸附单元相对于被吸附面的姿态也是未知的，需要人工来逐步调整，缺乏启发信息，费时费力，也不可靠。

另外,目前多吸盘吸附模块很少有在吸盘处连接球铰，从而容易导致由于被吸附面不平整而形成不了密闭空腔，产生吸附压力不够、吸附不可靠等一系列问题。

发明内容

本发明的发明目的是针对现有机器人自动检测的技术不足，提供一种具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，包括吸附块及主控系统；所述吸附块包括主支架、真空泵、气管、主电路板、真空压力传感器、倾角传感器、3个及3个以上距离传感器与3个及3个以上真空吸盘；所述主支架上设有吸盘连接轴，3个及3个以上真空吸盘通过吸盘连接轴安装于主支架的下方；所述主支架上还设有元件安装板，所述真空泵通过元件安装板安装于主支架的下方；所述真空吸盘通过气管与真空泵连接，所述气管上设有电磁阀与单向阀；所述主支架上还设有倾角传感器安装板，所述倾角传感器通过倾角传感器安装板安装于主支架的下方；所述主支架上还设有距离传感器安装架，3个及3个以上距离传感器通过距离传感器安装架安装于主支架的上方，且距离传感器与真空吸盘相错开；所述主电路板设于主支架上，所述真空压力传感器设于主电路板上；所述真空压力传感器与气管相连通，用以检测真空吸盘与被吸附面之间形成的密闭空腔的真空度。

优选地,所述真空吸盘与主支架之间设有球铰；所述球铰套于吸盘连接轴的中部。从而赋予真空吸盘相对于主支架三个方向的小角度被动转动能力。

优选地,所述真空吸盘与吸盘连接轴的一端螺纹连接，所述吸盘连接轴的另一端穿过主支架且通过六角螺帽压紧于主支架上，且真空吸盘、吸盘连接轴、球铰、六角螺帽中心轴线共线并依次连成一体。当被吸附面不完全平整或有小弧度时，又或者在吸附模块靠近被吸附面时，这种每个真空吸盘各自带有球铰的设计，使得吸附模块的被动适应被吸附面的能力得以提高，更利于密闭空腔的行成，从而提高吸附成功率和可靠性。

优选地,所述电磁阀为二位二通电磁阀，所述真空吸盘为3个，所述距离传感器也为3个；3个所述真空吸盘分别通过L形快插式螺纹引出3条气管，3条气管分别与四合一分气接头的3个分支接口相连接汇聚成总气管，总气管依次通过第一快插式变径接头、二位二通电磁阀、单向阀、第二快插式变径接头与真空泵的抽气口连接；另外，真空压力传感器通过气管与四合一分气接头的剩下的1个分支接口连接。

优选地,3个所述真空吸盘呈正三角形分布；3个所述距离传感器呈正三角形分布在距离传感器安装架上；且3个距离传感器组成的正三角形与3个真空吸盘组成的正三角正相错开，而且3个距离传感器组成的正三角形的外圆与3个真空吸盘组成的正三角的外圆同心。真空吸盘呈正三角布置可有效增大吸附模块的抗倾覆力矩，提高吸附的可靠性和安全性。

优选地,3个所述真空吸盘为圆锥状吸盘。

优选地, 所述主支架上还设有连接架，所述主电路板设于连接架内。

优选地，所述主控系统包括基于单片机的主控制器，3个所述距离传感器与基于单片机的主控制器通过I²C总线连接；另外，倾角传感器及真空压力传感器通过降压电路与基于单片机的主控制器连接；真空泵和二位二通真空电磁阀通过驱动电路与基于单片机的主控制器连接；所述基于单片机的主控制器通过RS485串口与上位机连接。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

该吸附模块可在机器人和工业搬运运用，当吸附模块在逐步靠近但又没有接触到被吸附面时，通过倾角传感器测出吸附模块相对于地面/重力方向的位姿，通过距离传感器测距计算出吸盘面与被吸附面之间的夹角和距离，从而可综合计算出真空吸盘相对于被吸附面的当前姿态。

再者，当一系列吸附动作完成（抽真空）后，可以通过距离传感器的测距值来判断真空吸盘是否可靠的吸附在被吸附面上。这种具有自主检测相对位姿功能的负压吸附模块，消除了系统先接触再调整的冗余动作；采用自动与被动相结合的调整装置，可有效地增强机器人的自主性，实现自主攀爬。

该吸附模块应用于爬壁机器人或者工业机器人中，即可根据目标吸附点，运用逆运动学求解出真空吸盘到达吸附点所需的各关节的调节量，实现在运动过程中自主检测和调节吸附模块的相对位姿，使真空吸盘到达吸附点时即能可靠吸附。对于爬壁机器人来说，这是实现自主攀爬（自主检测、调节、移动）的基础，包括同一壁面爬行和任意夹角壁面过渡等爬壁机器人必须克服的难题。

同时，真空吸盘处连接有球铰，可实现小角度摆动，吸附可靠，具有被动适应能力；即可实现真空吸盘对被吸附面的被动式调整，使真空吸盘最大程度地贴紧被吸附棉，形成可靠的吸附。

本吸附模块结构简单，独立完整，方便与其它模块或零部件组合使用；本吸附模块气路简单，控制容易。

附图说明

图1为本发明吸附模块的结果示意图；

图2为本发明吸附模块的爆炸图；

图3为本发明吸附模块的气路连接图；

图4为本发明吸附模块的局部剖面图；

图5为本发明吸附模块的控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。

如图1、2、3与4所示，一种具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，包括主支架03、真空吸盘01、连接架06、真空泵10、单向阀14、气管20、主电路板12、距离传感器04、真空压力传感器13与倾角传感器22。距离传感器04、真空压力传感器13与倾角传感器22可采用超声波传感器或红外传感器等。倾角传感器采用单轴、双轴或三轴倾角传感器。

真空吸盘01通过吸盘连接轴18安装于主支架03的下方，真空吸盘01与吸盘连接轴18的一端螺纹连接，吸盘连接轴18的另一端穿过主支架03且通过六角螺帽15压紧于主支架03上，即真空吸盘01、吸盘连接轴18、六角螺帽15中心轴线共线并依次连成一体。

本实施例中，3个真空吸盘01呈正三角形分布在主支架03上。3个所述真空吸盘01为圆锥状吸盘。真空吸盘01呈正三角布置可有效增大吸附模块的抗倾覆力矩，提高吸附的可靠性和安全性。

真空吸盘01与主支架03之间还设有球铰17；球铰17套于吸盘连接轴的中部，且真空吸盘01、吸盘连接轴18、球铰17、六角螺帽15中心轴线共线并依次连成一体。球铰17通过球铰基座09固定于主支架03上，从而赋予真空吸盘01连同吸盘连接轴18、球铰17与六角螺帽15相对于主支架033个方向的小角度被动转动能力；当被吸附面不完全平整或有小弧度时，又或者在吸附模块靠近被吸附面时，这种每个真空吸盘01各自带有球铰的设计，使得吸附模块的被动适应被吸附面的能力得以提高，更利于密闭空腔的行成，从而提高吸附成功率和可靠性。

主支架03上还设有元件安装板19，真空泵10通过元件安装板19安装于主支架03的下方。真空吸盘01通过气管20与真空泵10连接，气管20上设有单向阀14与二位二通电磁阀02。

主支架03上还设有距离传感器安装架07，距离传感器04通过距离传感器安装架07安装于主支架03的上方。本实施例中，3个距离传感器04呈正三角形分布在距离传感器安装架07上。且3个距离传感器04组成的正三角形与3个真空吸盘01组成的正三角形相错开，而且3个距离传感器04组成的正三角形的外圆与3个真空吸盘01组成的正三角形的外圆同心。本吸附模块可通过距离传感器04来检测其相对于被吸附面的倾角和距离。

主支架03上还设有倾角传感器安装板21，倾角传感器22通过倾角传感器安装板21安装于主支架03的下方。本吸附模块可通过倾角传感器22检测其相对于重力方向的倾角。

主支架03上还设有连接架06， 主电路板12设于主支架03上，且主电路板12设于连接架06内。真空压力传感器13焊接于主电路板12上。真空压力传感器13与气管20相连通，用以检测吸盘与被吸附面之间形成的密闭空腔的真空度。

本实施例中，3个真空吸盘01分别通过L形快插式螺纹08引出三条气管20，三条气管20分别与四合一分气接头05的3个分支接口相连接汇聚成总气管，总气管依次通过第二快插式变径接头23、二位二通电磁阀02、单向阀14、第一快插式变径接头11与真空泵10的抽气口连接；另外，真空压力传感器通过气管与四合一分气接头的剩下的一个分支接口连接。本吸附模块壳通过真空压力传感器13实时监测吸附可靠性和安全性。

具体地，3个L形快插式螺纹接头08分别通过螺纹固定于每个真空吸盘01对应的六角螺帽15顶部。而气管20分别从3个L形快插式螺纹接头08引出，并由四合一分气接头05汇聚形成总气管。总气管从汇合端引出依次连接快插式变径接头23、二位二通电磁阀02、单向阀14与快插式变径接头11，最后接到真空泵10的抽气口上；真空压力传感器13通过气管20连接到四合一分气接头05的其中一个分支接口上，与以上气路相连通，用以检测真空吸盘01与被吸附面之间形成的密闭空腔的真空度。 

如图5所示，为本吸附模块的主控系统框图。3个所述距离传感器04与基于单片机的主控制器通过I²C总线连接；另外，倾角传感器22也与基于单片机的主控制器连接；真空压力传感器13也与基于单片机的主控制器连接；真空泵10和二位二通真空电磁阀02通过驱动电路与基于单片机的主控制器连接。

为实现以上功能，基于单片机的主控系统采用C8051F040单片机作为主控制器。是较重，真空压力传感器13和倾角传感器22接入主控制器的16位A/D模块；而距离传感器04则通过I²C总线接入进行数据采集；真空泵10和二位二通真空电磁阀02的工作与否均由主控制器通过驱动电路控制；与其它模块相连接构成系统时，主控制器作为下位机，响应上位机（例如工控机等，图中未画出）的指令，上下位机之间通过RS485串口通讯。

当吸附模块在机械臂等的支配下逐步靠近但又没有接触到被吸附面时，下位机采集倾角传感器22和距离传感器04的信息，综合计算出吸附模块相对于被吸附面的当前姿态，并反馈给上位机。上位机根据已规划好的目标吸附点，运用逆运动学求解出真空吸盘到达该吸附点所需的各关节的调节量，再驱动各关节运动，从而实现在运动过程中末端功能部件相对位姿的自主检测和调节，使吸附模块到达目标点时即能启动吸附。

上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，包括吸附块及主控系统，其特征在于：所述吸附块包括主支架、真空泵、气管、主电路板、真空压力传感器、倾角传感器、3个及3个以上距离传感器与3个及3个以上真空吸盘；所述主支架上设有吸盘连接轴，3个及3个以上真空吸盘通过吸盘连接轴安装于主支架的下方；所述主支架上还设有元件安装板，所述真空泵通过元件安装板安装于主支架的下方；所述真空吸盘通过气管与真空泵连接，所述气管上设有电磁阀与单向阀；所述主支架上还设有倾角传感器安装板，所述倾角传感器通过倾角传感器安装板安装于主支架的下方；所述主支架上还设有距离传感器安装架，3个及3个以上距离传感器通过距离传感器安装架安装于主支架的上方，且距离传感器与真空吸盘相错开；所述主电路板设于主支架上，所述真空压力传感器设于主电路板上；所述真空压力传感器与气管相连通，用以检测真空吸盘与被吸附面之间形成的密闭空腔的真空度。

2.根据权利要求1所述的具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，其特征在于：所述真空吸盘通过球铰与主支架铰接；所述球铰套于吸盘连接轴的中部。

3.根据权利要求2所述的具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，其特征在于：所述真空吸盘与吸盘连接轴的一端螺纹连接，所述吸盘连接轴的另一端穿过主支架且通过六角螺帽压紧于主支架上，即真空吸盘、吸盘连接轴、球铰与六角螺帽中心轴线共线并依次连成一体。

4.根据权利要求1-3任一项所述的具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，其特征在于：所述电磁阀为二位二通电磁阀，所述真空吸盘为3个，所述距离传感器也为3个；3个所述真空吸盘分别通过L形快插式螺纹引出3条气管，3条气管分别与四合一分气接头的3个分支接口相连接汇聚成总气管，总气管依次通过第一快插式变径接头、二位二通电磁阀、单向阀、第二快插式变径接头与真空泵的抽气口连接；另外，真空压力传感器通过气管与四合一分气接头的剩下的1个分支接口连接。

5.根据权利要求4所述的具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，其特征在于：3个所述真空吸盘呈正三角形分布；3个所述距离传感器呈正三角形分布在距离传感器安装架上；且3个距离传感器组成的正三角形与3个真空吸盘组成的正三角正相错开，而且3个距离传感器组成的正三角形的外圆与3个真空吸盘组成的正三角形的外圆同心。

6.根据权利要求5所述的具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，其特征在于：3个所述真空吸盘为圆锥状吸盘。

7.根据权利要求6所述的具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，其特征在于：所述主支架上还设有连接架，所述主电路设于连接架内。

8.根据权利要求1-3、7任一项所述的具有姿态自主检测和吸附面自适应能力的负压吸附模块，其特征在于：所述主控系统包括上位机及基于单片机的主控制器，3个所述距离传感器与基于单片机的主控制器通过I²C总线连接；另外，倾角传感器及真空压力传感器通过降压电路与基于单片机的主控制器连接；真空泵和二位二通真空电磁阀通过驱动电路与基于单片机的主控制器连接；所述基于单片机的主控制器通过RS485串口与上位机连接。

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