CN102996611A - 一种自主开关行为的吸附单元及吸附装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自主开关行为的吸附单元及吸附装置，包括三个以上的吸附单元、空气腔、抽气元件、电机、底板支架，所有的吸附单元都固定在底板支架上，并且每个吸附单元的导管通过空气腔并联相通，空气腔的出口处连接抽气元件，通过电机驱动抽气元件对空气腔进行抽气，使得吸附装置内部形成负压。本发明能够在复杂壁面工作环境下，感知所接触的壁面情况的好坏，本能地做出反应，实现整个装置的可靠吸附，能够灵活可靠地适应复杂的工作环境中。

Description

一种自主开关行为的吸附单元及吸附装置

技术领域

本发明属于自适应的吸附技术，特别是一种在粗糙不平壁面上形成稳定吸附的自主开关行为的吸附单元及吸附装置。

背景技术

吸附机器人作为一种能够代替人类进行危险和艰苦工作的自动化装置，已经在桥梁检测、冷却塔及大坝检测方面有着非常大的应用范围。在上述应用时，吸附机器人要能够水平吸附和垂直吸附在建筑物表面，并保持一定的负载能力。要使吸附机器人稳定工作在复杂的工作环境中，良好的吸附装置是必不可少的。性能不好的吸附装置会严重影响吸附机器人的吸附力，造成吸附机器人因吸附力不足而脱落。因此，设计一种自动适应复杂工作环境、可靠的吸附装置，是一直以来的热点和难点。

目前的各种吸附方式都具有局限性，往往针对性强，只限于某些特定的工作环境，比较难通用化。现在的吸附技术主要有负压吸盘的吸附方式，可以吸附在光滑的壁面上，但常见的吸盘容易发生泄露气体的现象，适应不了粗糙的壁面；滑动吸附和旋风模拟技术的吸附方式能够提升粗糙的壁面上的吸附能力，但能耗高且噪声大；磁吸附方式可以产生非常大的吸附力，但只能在铁磁体上吸附，应用有限；用刺和爪进行抓吸壁面的方法可以工作在非常粗糙或可被刺透的壁面上，此吸附方法存在对壁面一定程度的损害；热感应吸附方法负载能力很强，但是需要长时间的预热时间且能耗高；仿壁虎的弹性吸附方法利用范德华力产生吸附力，但不能在湿的壁面上吸附，弹性材料可重复利用率低且成本高（S. Kim, "Smooth Vertical Surface Climbing With Directional Adhesion," IEEE Transactions on Robotics,2008, vol. 24, no. 1, pp. 65-74）。静电吸附方法采用半导体静电吸盘，吸附效果良好，但在潮湿的混泥土表面吸附力降低很多（A. Yamamoto, T. Nakashima, "Wall Climbing Mechanisms Using Electrostatic Attraction Generated by Flexible Electrodes," in International Symposium on Micro-NanoMechatronics and Human Science, Nagoya, Japan, Nov. 11-14, 2007, pp. 389-394）。

在上述的吸附方式中，大部分吸附技术的装置都是单吸盘，而且只对特定的壁面具有较好的适应性，安全系数不高，并且不能根据壁面的不同做出适当反应去适应壁面。多吸盘的吸附方法中的单个吸盘大都没有并联机制，缺少各个吸盘的协同性，而且给每个吸盘都要提供动力，能量消耗高。同时，多吸盘吸附方法缺乏对壁面环境的感知，不能自动地随环境的不同而做出相应的反应，形成各个小吸盘的局部区域，在条件好时产生吸附，在条件不好时，不产生吸附。

吸附装置作为吸附机器人完成壁面运动的核心，其发展直接影响到吸附机器人的研究进展。吸附机器人吸附装置的研究和应用有着非常广泛的工程应用背景，主要用于核工业、石油化工业、建筑业、消防等行业。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自主开关行为的吸附单元及吸附装置，能够在复杂壁面工作环境下，感知所接触的壁面情况的好坏，本能地做出反应，实现整个装置的可靠吸附。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种自主开关行为的吸附单元，包括弹性密封圈、吸盘、管道支架、滑动阀芯、伸缩弹簧、导管，弹性密封圈固定在吸盘末端，与壁面接触时，与壁面形成密封腔；吸盘与壁面接触后形成负压区域，以此产生吸附力；管道支架的一端连接导管，管道支架另一端连接吸盘，并与吸盘相通，管道支架的通道中间直径大，两端直径小；滑动阀芯处于管道支架内，并固定在伸缩弹簧上，管道的流通情况通过移动滑动阀芯实现；伸缩弹簧一端连接滑动阀芯，另一端固定在管道支架内部。

一种自适应的吸附装置，包括三个以上的吸附单元、空气腔、抽气元件、电机、底板支架，所有的吸附单元都固定在底板支架上，并且每个吸附单元的导管通过空气腔并联相通，空气腔的出口处连接抽气元件，通过电机驱动抽气元件对空气腔进行抽气，使得吸附装置内部形成负压。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）本发明的吸附装置是由若干个吸附单元通过空气腔并联组成的，如附图4所示。空气腔不仅是各吸附单元与抽气元件的联通装置还是个储能器，当所有吸附单元离开吸附面时吸气泵所产生的负压能将被储存在空气腔中为下一次吸附做好准备，提高了系统的能量利用率和吸附单元的响应速度，同时还降低了吸附所需的功率。在正常状态下工作的吸附单元为整个吸附装置提供吸附力，而在漏气状态下工作的吸附单元关闭自身能力，不提供吸附力，从而不影响吸附装置整体的吸附性能，也不会因吸盘存在漏气而增大功耗，也不会因吸盘存在漏气而增大功耗。

（2）本发明的吸附装置中的每个吸附单元能够在复杂壁面工作环境下，感知所接触的壁面情况的好坏，本能地做出反应，实现整个装置的可靠吸附，因此本发明能够灵活可靠地适应复杂的工作环境中。本发明的吸附装置的工作过程是一个自然的行为，随环境不同而自主做出开关行为。本发明的灵活、可靠、自主和低耗的优点使得本发明在吸附爬壁机器人、物体抓取、人类攀爬都有良好的应用。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1 是本发明的吸附单元结构示意图。

图2 是本发明的吸附单元在正常状态下的吸附过程。

图3 是本发明的吸附单元在漏气状态下的吸附过程。

图4 是本发明由五个吸附单元并联构成的吸附装置是实施例。

图5 是本发明的吸附装置中若干个吸附单元的排列。

图6 是本发明在双足吸附机器人上的应用。

图7 是本发明在抓取实际物体封装箱上的应用。

图8 是本发明在人类攀爬中的应用。

具体实施方式

结合图1，本发明自主开关行为的吸附单元，包括弹性密封圈1、吸盘2、管道支架3、滑动阀芯6、伸缩弹簧7、导管10，弹性密封圈1固定在吸盘2末端，与壁面接触时，与壁面形成密封腔；吸盘2与壁面接触后形成负压区域，以此产生吸附力；管道支架3的一端连接导管10，管道支架3另一端连接吸盘2，并与吸盘2相通，管道支架3的通道中间直径大，两端直径小；滑动阀芯6处于管道支架3内，并固定在伸缩弹簧7上，管道的流通情况通过移动滑动阀芯6实现；伸缩弹簧7一端连接滑动阀芯6，另一端固定在管道支架3内部。

本发明自主开关行为的吸附单元的管道支架3的通道中间直径大的部分为中间腔室，两端直径小的部分为左腔室和右腔室，管道支架3内部有台阶，在左腔室和中间腔室之间的台阶是左阀座5，在中间腔室内部的台阶是右阀座8，滑动阀芯6在中间腔室内滑动，固定在伸缩弹簧7的一端，滑动阀芯6在向左腔室方向滑动时由中间腔室与左腔室之间的左阀座5限位，滑动阀芯6在向右腔室方向滑动时由右阀座8限位，伸缩弹簧7的另一端固定在中间腔室与右腔室之间的台阶上。其中，管道支架3内的伸缩弹簧7能够使滑动阀芯6抵到左腔室和中间腔室的左阀座5处。 

结合图4，本发明自适应的吸附装置，包括三个以上的吸附单元19、空气腔20、抽气元件21、电机22、底板支架23，所有的吸附单元19都固定在底板支架23上，并且每个吸附单元19的导管10通过空气腔20并联相通，空气腔20的出口处连接抽气元件21，通过电机22驱动抽气元件21对空气腔20进行抽气，使得吸附装置内部形成负压。抽气元件21可以采用离心泵，采用12伏特的电机来驱动离心泵旋转，使空气腔20内的气体被离心泵甩出，在吸附装置内形成负压。

本发明的自适应的吸附装置，还包括一个外罩24，该外罩24将空气腔20、吸附单元19、电机22和抽气元件21罩住。所述的吸附单元19、管道支架3与前述的结构、功能完全相同。

结合图2和图3，本发明中吸附单元内的伸缩弹簧7的选择要合理，关系到吸附单元吸附效果的好坏。在选择吸附单元的伸缩弹簧7时，主要考虑伸缩弹簧的长度和弹性系数。本发明中选择长度为10毫米的伸缩弹簧作为各吸附单元内的弹簧。本发明选择的弹簧弹性系数应使得吸附单元在正常状态下，吸盘2较小漏气，固定在伸缩弹簧7一端的滑动阀芯在自主移动过程中，到达不了管道支架3的右阀座13；如果滑动阀芯6到达右阀座13时，滑动阀芯6将无法回到初始位置，从而达不到理想的吸附力，因此伸缩弹簧的弹性系数不宜过小、长度不宜过短，以免滑动阀芯轻易到达右阀座13，影响吸附效果。所以管道支架3内的伸缩弹簧7能够使滑动阀芯6抵到左腔室和中间腔室的左阀座处。

本发明的吸附装置中的每个吸附单元工作原理和结构一样，在吸附单元工作时，根据不同的壁面环境会自动做出不同的反应，大体上可以分为两种状态：第一种是正常状态，第二种是漏气状态。

第一种状态，吸附单元的吸盘与壁面形成良好的密合，此时吸附单元处于正常状态。在吸盘与壁面接触进行工作时，吸盘形成了一个相对密封的区域。在开始工作时，吸附单元管道中的滑动阀芯总是处在管道支架的左阀座12处，即如附图2中的1状态，单元内管道支架的中间宽两端窄的构造使得在初始通道内气体流量很小，离心泵开始对吸附单元抽气，吸附单元内的气体处于不平衡的状态。吸附单元中管道支架左腔室14的气体先被抽走，形成局部的负压区域。由于管道支架左腔室11和吸盘内的气体压强与大气相等，压力差的作用使得滑动阀芯向右阀座13移动，此时的吸附单元的左腔室11打开。

吸附单元管道的畅通使得左腔室11和吸盘的气体被离心泵抽出，吸盘内的气体压强慢慢降低。在吸盘和左腔室的气体压强慢慢降低的过程中，滑动阀芯两端的压差越来越小，而弹簧的阻力越来越大。当滑动阀芯上的弹簧由于形变使得滑动阀芯上的阻力大于压强差形成的推力时，滑动阀芯移动速度逐渐减缓，直到滑动阀芯速度为零，如附图2中的2状态。此时，本发明合理的弹簧选择使得滑动阀芯没有到达右阀座13，吸附单元内通道依然畅通。

离心泵继续对吸盘进行抽气，滑动阀芯两端的压力差使得滑动阀芯又向管道支架的左阀座12移动。滑动阀芯移动速度越来越大，直到滑动阀芯到达管道支架的左阀座12，如附图2中3状态。此时，滑动阀芯回到初始时在管道支架中的位置，使得吸盘内的气体以很小流量地流过管道，气体交换恒定，吸附单元内气体处于动态的平衡状态。

只有在理想的情况下，吸盘与壁面绝对密封，此时吸附单元进入理想状态。在理想状态下，滑动阀芯回到初始时的位置时，管道支架的左腔室11关闭，没有气体流入，此时吸附单元内将保持极高的负压；理论上，离心泵可以停止对吸附单元的抽气工作。

吸附单元在正常状态的工作过程中，吸盘内的气体慢慢被离心泵抽出，气体压强逐渐降低，吸盘与外界大气的压差产生了吸附力。在滑动阀芯整个移动过程中，先向右阀座移动后向左阀座移动，吸盘内的压强一种是保持降低的趋势，所产生的吸附力也是越来越大，直到滑动阀芯到达管道支架的右阀座13处，吸盘内压强保持不变，吸附力达到了稳定值。由此可见，在吸附单元正常状态下，通过管道支架的自动感知外界环境和自动的调节，使得吸附单元最终产生稳定的吸附力。

第二种状态，吸盘不能和壁面形成较良好的密合，吸盘存在较大的气体泄漏，此时吸附单元处于漏气状态。在开始工作时，吸附单元内中的滑动阀芯总是在管道支架的左阀座16处，即如附图3中的1状态，管道支架中间宽两端窄的构造使得管道在初始时流量很小。此时，离心泵开始工作，对吸附单元进行抽气，吸附单元内的气体处于不平衡的状态。吸附单元中右腔室18的气体先被抽走，由于吸附单元的左腔室15和吸盘内的气体压强与大气相等，大于吸附单元右腔室18的气体压强，通过压力差的作用使得滑动阀芯向右阀座17移动，此时的吸附单元内左腔室15打开。

吸附单元通道的流畅使得吸盘内的气体大量地被离心泵抽出，吸盘内的气体压强慢慢降低。吸盘内的气体开始的过程中，慢慢地被抽走，气体压强减小。但是由于吸盘存在较大的气体泄漏，使得被抽出的气体可以迅速从外界大气中得到补充，吸盘内的气体压强马上恢复到大气压强的大小。保持大气压强的吸盘内部的气体继续对滑动阀芯形成压力差，产生的推力继续使得滑动阀芯向管道支架的右阀座17处移动，如附图3中的2状态。离心泵的工作使得右腔室18的气体压强保持稳定较低的气体压强，压力差依然存在并产生推力。虽然随着滑动阀芯的移动使得与之相连的弹簧产生形变，进而产生阻力，但是较大的气压差依然推动滑动阀芯向右阀座17处移动，直到滑动阀芯到达管道的右阀座处，如附图3中的3状态。此时，吸附单元内流量很小，吸盘和管道支架的左腔室维持大气压强，吸附单元内气体处于动态的平衡状态。

吸附单元在漏气状态的工作过程中，吸附单元被离心泵抽出的气体，得到了外界大气的不断补充，使得吸盘内维持了稳定气体压强，接近于大气压。在滑动阀芯向右腔室18处移动的过程中，稳定压力差推动滑动阀芯不断地向右移动，直到滑动阀芯到达右阀座17处。最终，吸盘内的压强与外界大气压强几乎相等，不产生吸附力，吸附单元自主地关闭自身功能，从而不影响其他吸附单元的吸附性能，也不会因吸盘存在漏气而增大功耗。

在本实施例中，每个吸附单元19通过空气腔20并联在吸附装置上。空气腔20不仅是各吸附单元19与离心泵21的联通装置还是个储能器，当所有吸附单元离开吸附面时离心泵所产生的负压能将被储存在空气腔20中为下一次吸附做好准备，提高了系统的能量利用率和吸附单元19的响应速度，同时还降低了吸附所需的功率。

吸附装置中的每个吸附单元并行工作，吸附单元的吸盘通过单元的通道与空气腔进行气体交换，通过吸附单元内管道自身自动的调节，达到一种稳定的动态平衡状态。处在平衡状态下吸附单元，滑动阀芯在管道内位置固定，处于稳定。每个吸附单元的工作方式和原理相同，都能够根据壁面情况进行自动感知环境而自主作出开关行为，吸盘离开壁面时所有通道能自主关闭，可大幅度降低吸附系统的能耗。

在本实施例中，在如附图4的整个吸附装置中，吸附单元个数为五个。具体吸附单元的数量多少依据不同情况而定。在吸附面积一定的条件下，通过减小每个吸附单元的吸附面积和增加吸附单元的个数，能够显著提高整个吸附装置的效率和自适应能力。

在本实施例中，自适应吸附装置中的所有吸附单元在底板支架上的排列根据壁面环境的不同，将其灵活地排成最合适的阵形，以此提高整个吸附装置的自适应性和效率。在附图5中，若干个小同心圆环代表单个吸附单元，图中若干个吸附单元排列出两种常见的阵形：正方形阵列和圆环阵列。在两种常见的阵形中，吸附单元均匀分布在底板支架上，单元之间的间距在10厘米左右。

本实施例中将本发明应用在吸附机器人上，如附图6所示，主要组成部分：两个自适应吸附装置25、两个运动机械臂26、一从动关节27、一主动关节27。机器人上安装的吸附装置25产生稳定的吸附力。通过两个吸附装置的交替吸附，吸附机器人的两个机械臂27通过关节28的旋转，最终实现在各种壁面上的行走功能。

本实施例中抓取物体的装置中，如附图7所示，主要组成部分：一自适应吸附装置29、一机械臂31。装置中安装的自适应吸附装置29能够稳定吸附在封装箱表面30，最终实现物体的抓取功能。

在本实施例中将本发明应用在人类攀爬中，如附图8，主要组成部分：四个自适应吸附装置32、两个把手33、两个踏脚板34。两个把手和两个踏脚板分别固定在四个吸附装置上，人类两手抓住把手，双足踩在踏脚板上，通过四肢的协调运动和四个吸附装置的交替吸附，人类在壁面上可实现自由攀爬。

本发明的吸附装置中的每个吸附单元能够在复杂壁面工作环境下，感知所接触的壁面情况的好坏，本能地做出反应，实现整个装置的可靠吸附，因此本发明能够灵活可靠地适应复杂的工作环境中。本发明的吸附装置的工作过程是一个自然的行为，随环境不同而自主做出开关行为。本发明的灵活、可靠、自主和低耗的优点使得本发明在上述的吸附爬壁机器人、物体抓取、人类攀爬的应用上体现出良好的性能。

Claims (7)

1.一种自主开关行为的吸附单元，其特征在于包括弹性密封圈（1）、吸盘（2）、管道支架（3）、滑动阀芯（6）、伸缩弹簧（7）、导管（10），弹性密封圈（1）固定在吸盘（2）末端，与壁面接触时，与壁面形成密封腔；吸盘（2）与壁面接触后形成负压区域，以此产生吸附力；管道支架（3）的一端连接导管（10），管道支架（3）另一端连接吸盘（2），并与吸盘（2）相通，管道支架（3）的通道中间直径大，两端直径小；滑动阀芯（6）处于管道支架（3）内，并固定在伸缩弹簧（7）上，管道的流通情况通过移动滑动阀芯（6）实现；伸缩弹簧（7）一端连接滑动阀芯（6），另一端固定在管道支架（3）内部。

2.根据权利要求1所述的自主开关行为的吸附单元，其特征在于管道支架（3）的通道中间直径大的部分为中间腔室，两端直径小的部分为左腔室和右腔室，管道支架（3）内部有台阶，在左腔室和中间腔室之间的台阶是左阀座（5），在中间腔室内部的台阶是右阀座（8），滑动阀芯（6）在中间腔室内滑动，固定在伸缩弹簧（7）的一端，滑动阀芯（6）在向左腔室方向滑动时由中间腔室与左腔室之间的左阀座（5）限位，滑动阀芯（6）在向右腔室方向滑动时由右阀座（8）限位，伸缩弹簧（7）的另一端固定在中间腔室与右腔室之间的台阶上。

3.根据权利要求1所述的自主开关行为的吸附单元，其特征在于管道支架（3）内的伸缩弹簧（7）能够使滑动阀芯（6）抵到左腔室和中间腔室的左阀座（5）处。

4.一种自适应的吸附装置，其特征在于包括三个以上的吸附单元（19）、空气腔（20）、抽气元件（21）、电机（22）、底板支架（23），所述吸附单元（19）包括弹性密封圈（1）、吸盘（2）、管道支架（3）、滑动阀芯（6）、伸缩弹簧（7）、导管（10），弹性密封圈（1）固定在吸盘（2）末端，与壁面接触时，与壁面形成密封腔；吸盘（2）与壁面接触后形成负压区域，以此产生吸附力；管道支架（3）的一端连接导管（10），管道支架（3）另一端连接吸盘（2），并与吸盘（2）相通，管道支架（3）的通道中间直径大，两端直径小；滑动阀芯（6）处于管道支架（3）内，固定在伸缩弹簧（7）上，管道的流通情况通过移动滑动阀芯（6）实现；伸缩弹簧（7）一端连接滑动阀芯（6），另一端固定在管道支架（3）内部；

所有的吸附单元（19）都固定在底板支架（23）上，并且每个吸附单元（19）的导管（10）通过空气腔（20）并联相通，空气腔（20）的出口处连接抽气元件（21），通过电机（22）驱动抽气元件（21）对空气腔（20）进行抽气，使得吸附装置内部形成负压。

5.根据权利要求4所述的自适应的吸附装置，其特征在于还包括一个外罩（24），该外罩（24）将空气腔（20）、吸附单元（19）、电机（22）和抽气元件（21）罩住。

6.根据权利要求4所述的自适应的吸附装置，其特征在于所述管道支架（3）的通道中间直径大的部分为中间腔室，两端直径小的部分为左腔室和右腔室，管道支架（3）内部有台阶，在左腔室和中间腔室之间的台阶是左阀座（5），在中间腔室内部的台阶是右阀座（8），滑动阀芯（6）在中间腔室内滑动，固定在伸缩弹簧（7）的一端，滑动阀芯（6）在向左腔室方向滑动时由中间腔室与左腔室之间的左阀座（5）限位，滑动阀芯（6）在向右腔室方向滑动时由右阀座（8）限位，伸缩弹簧（7）的另一端固定在中间腔室与右腔室之间的台阶上。

7.根据权利要求4所述的自适应的吸附装置，其特征在于管道支架（3）内的伸缩弹簧（7）能够使滑动阀芯（6）抵到左腔室和中间腔室的左阀座（5）处。

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