CN103129639B - 一种凸轮式负压吸附的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种凸轮式负压吸附的爬壁机器人，通过自身的反凸轮机构和无源真空吸附机构实现吸盘负压吸附功能，摆脱了真空源设备带来的限制；通过机械结构使真空吸盘吸附和脱离过程变得容易，负压实现机构简单，吸盘吸附力大；吸附转向机构避免了履带式机器人最小转弯半径的限制，实现了原地转向功能。吸附移动机构位于机器人主底板两侧，转向动力机构固定在主底板上，转向盘组件通过伸缩螺纹杆与转向动力机构相连；转向辅助机构安装在主底板上，通过调整凸轮轨迹槽的位置使吸附转向机构工作。本发明通过将直线移动部分和转向部分采用螺纹传动方式连接，通过合理的步态安排实现机器人运动过程，使机器人控制方便，作业范围大。

Description

一种凸轮式负压吸附的爬壁机器人

技术领域

本发明涉及爬壁机器人领域,特别是涉及一种凸轮式负压吸附的爬壁机器人。

背景技术

随着城市中高层建筑物的日益增多，高层建筑壁面维护作业的需求也越来越多。目前这类工作主要是由清洗工人搭乘高空吊篮来完成。这种极限作业不仅存在一定的危险性，而且工作效率较低，因此急需一种高效快捷的机器人替代人工操作完成这项工作。国内外很多研究机构竞相展开这方面的研究；根据机器人吸附在工作墙面上的方式,爬壁机器人大体上分为三类:真空吸附型、磁力吸附型、推力型,目前应用最多是真空吸附型爬壁机器人,这种类型的机器人又可分为单吸盘爬壁机器人和多吸盘爬壁机器人；对于爬壁机器人的核心位置保持功能和移动功能，亦提出了各种类型的技术方案。

现有公开的文献，《机械设计》第20卷第8期中提到的CleanbotⅣ机器人是多吸盘爬壁机器人，机器人的吸盘对称排布在链式履带上，真空泵为吸盘提供负压，通过电磁阀的开闭实现吸盘负压吸附与脱离功能。机器人后轮接驱动电机，前轮通过液压缸实现方向控制，当前轮和后轮对齐时，机器人可以径直移动，当液压缸控制前轮转向时，机器人就改变了运动方向。该机器人的转向功能是利用每个相邻链节可以相对扭转2.4°这一特点实现的，因此存在最小转弯半径为600mm。机器人通过机械和控制结合的方式实现了吸附和运动的功能，但是转向时存在最小转弯半径限制、作业范围受真空泵管路限制、控制难度较大。

发明内容

为克服现有技术中存在的负压式吸盘结构复杂、作业范围受真空泵管路限制、控制难度大的不足，本发明提出一种凸轮式负压吸附的爬壁机器人，这种利用反凸轮机构原理实现吸盘无源真空吸附的爬壁机器人，通过将负压吸附与直线移动部分和负压吸附与转向部分采用螺纹传动方式连接，通过合理的步态安排实现机器人运动过程，使机器人控制方便，作业范围大。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括吸附移动机构、吸附转向机构、转向辅助机构、机架主底板，其中，吸附移动机构包括两个主驱动轮、两个从驱动轮、移动用履带、多个移动用吸附组件、凸轮轨迹槽；吸附转向机构包括转向盘组件和转向动力机构；吸附移动机构位于机架主底板两侧对称安装，驱动轮安装在移动用履带两侧，移动用吸附组件位于移动用履带的宽度方向的中间部位，凸轮轨迹槽通过连接梁和传动螺杆与机架主底板固连，且凸轮轨迹槽内廓两端分别与主驱动轮和从驱动轮同心；转向动力机构固定安装在机架主底板上方，转向盘组件位于机架主底板下方，且与转向动力机构通过伸缩螺纹杆固连；转向辅助机构安装在机架主底板上，转向辅助机构通过调整凸轮轨迹槽的位置使吸附转向机构正常工作；转向辅助机构包括一个转向辅助电机、五个小同步带轮、转向辅助同步带、四个传动螺杆、两个连接梁，转向辅助电机位于机架主底板后部的下方，五个小同步带轮安装在机架主底板上，转向辅助电机输出轴与位于主底板前后方向的纵向轴线上的小同步带轮连接，轴线两侧的四个小同步带轮分别与四个传动螺杆连接，传动螺杆通过螺纹传动与连接梁连接，转向辅助电机通过转向辅助同步带带动小同步带轮同步转动；转向辅助机构中的连接梁与凸轮轨迹槽相连接，通过传动螺杆转动调整连接梁和凸轮轨迹槽相对于主底板的上下位置；在直线移动过程中，移动用吸附组件中的滚动轴承周期性进出凸轮轨迹槽的轴承运动槽；在转向过程中，移动吸附组件中的滚动轴承停止进出凸轮轨迹槽的轴承运动槽。

所述移动用吸附组件包括第一吸盘、第一气缸嘴、移动用缸体、移动用活塞、滚动轴承；第一吸盘与第一气缸嘴连接，第一吸盘分布在移动用履带外侧，移动用缸体固定在移动用履带内侧，一对滚动轴承固连在移动用活塞杆的端部，滚动轴承与凸轮轨迹槽配合。

所述转向盘组件包括主转向盘、多个转向用吸附组件、齿圈、两个传动齿轮、两个舵机、第一副转向盘、第二副转向盘、转向主轴；所述转向用吸附组件包括第二吸盘、第二气缸嘴、转向用缸体、转向用活塞、齿轮；转向用吸附组件通过螺钉安装在主转向盘与第二副转向盘之间，传动齿轮与舵机连接，舵机固定在主转向盘上对称安装，齿轮、传动齿轮和齿圈位于第一副转向盘与第二副转向盘之间；第二吸盘与第二气缸嘴连接，第二气缸嘴与转向用缸体过盈配合；转向用活塞密封端通过O型密封圈与转向用缸体内壁密封，转向用活塞杆与齿轮配合传动。

所述转向动力机构包括转向动力壳体、蜗轮、蜗杆、滑动轴承、滚动轴承、转向伸缩杆、第一直流减速电机、第二直流减速电机；蜗轮、蜗杆、滚动轴承、滑动轴承、转向伸缩杆通过配合组装在转向动力壳体内，转向伸缩杆一端与第一直流减速电机的输出轴连接，另一端穿过滑动轴承与蜗轮固连，第二直流减速电机的输出轴与蜗杆连接，蜗轮和蜗杆啮合传动。

所述机架主底板的两端各有一对轴架，主轴和副轴固定在轴架上，辅助肋板对称安装在机架主底板两侧，驱动轮位于主轴和副轴的两端；主电机位于机架主底板前部的下方通过电机辅助支撑固定在电机座上，主电机齿轮和主电机输出轴固连,并且主电机齿轮与主轴上的齿轮啮合传动。

有益效果

本发明凸轮式负压吸附的爬壁机器人，通过自身的反凸轮机构和无源真空吸附机构实现吸盘负压吸附功能，摆脱了真空源设备带来的限制，扩大了作业范围；通过机械结构使真空吸盘吸附和脱离过程变得容易，同时负压实现机构简单，吸盘吸附力大；吸附转向机构避免了履带式机器人最小转弯半径这一限制，实现了原地转向功能。凸轮式负压吸附的爬壁机器人，通过将负压吸附与直线移动部分和负压吸附与转向部分采用螺纹传动方式连接，通过合理的步态安排实现机器人运动过程，使机器人控制方便，作业范围大。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种凸轮式负压吸附的爬壁机器人作进一步详细说明。

图1为本发明凸轮式负压吸附的爬壁机器人轴侧图。

图2为本发明爬壁机器人的吸附移动机构示意图。

图3为本发明爬壁机器人的吸附移动机构中第一吸附组件示意图。

图4为本发明爬壁机器人的吸附移动机构中凸轮轨迹槽示意图。

图5为本发明爬壁机器人的吸附转向机构中转向盘示意图。

图6为本发明爬壁机器人的吸附转向机构中转向盘的俯视图。

图7为本发明爬壁机器人的吸附转向机构中第二吸附组件示意图。

图8为本发明爬壁机器人的吸附转向机构中转向动力机构示意图。

图9为本发明爬壁机器人的吸附转向机构中转向动力机构侧视图。

图10为本发明爬壁机器人的机架主底板示意图。

图11为本发明爬壁机器人的机架结构仰视图。

图12为本发明爬壁机器人总体装配仰视图。

图中:

1.主驱动轮2.移动用履带3.移动用吸附组件4.凸轮轨迹槽5.从驱动轮6.移动用缸体7.进气孔8.移动用活塞9.第一气缸嘴10.第一吸盘11.轴承运动槽12.凹槽配合面13.凹槽非配合面14.转向主轴15.第一副转向盘16.第二副转向盘17.转向用吸附组件18.主转向盘19.齿圈20.传动齿轮21.舵机22.转向用活塞23.齿轮24.转向用缸体25.第二气缸嘴26.第二吸盘27.第一直流减速电机28.转向动力壳体29.第一装配孔30.转向伸缩杆31.第一滑动轴承32.蜗轮33.蜗杆34.第二滑动轴承35.第二直流减速电机36.第二装配孔37.滚动轴承38.辅助肋板39.机架主底板40.小同步带轮41.转向辅助同步带42.主轴43.轴架44.主电机45.电机辅助支撑46.电机座47.主电机齿轮48.连接梁49.副轴50.转向辅助电机51.转向主轴孔52.传动螺杆

具体实施方式

本实施例是一种凸轮式负压吸附的爬壁机器人，由吸附移动机构、吸附转向机构、转向辅助机构、机架主底板组成。

参阅图1、图2，吸附移动机构中包括两个主驱动轮1、两个从驱动轮5、移动用履带2、多个移动用吸附组件3和凸轮轨迹槽4，驱动轮安装在移动用履带2两侧，移动用吸附组件3位于移动用履带2的宽度方向的中间部位，凸轮轨迹槽通过连接梁48和传动螺杆52与机架主底板39固连，而且，凸轮轨迹槽4内廓两端的圆弧分别与主驱动轮1和从驱动轮5同心。移动用吸附组件3通过移动用履带2上的定位孔固定在履带上，而且移动用吸附组件3上轴承销的轴线垂直于凸轮轨迹槽的内侧面；每对驱动轮的齿安装时要对齐。机器人在移动时驱动轮的轴向分力较小，通过在轴上安装弹性挡圈来限位。

如图3所示，移动用吸附组件3包括第一吸盘10、第一气缸嘴9、移动用缸体6、进气孔7、移动用活塞8、滚动轴承；第一吸盘10与第一气缸嘴9连接，第一吸盘分布在移动用履带2外侧；移动用缸体6固定在移动用履带2内侧，一对滚动轴承通过轴承销固定安装在移动用活塞杆的端部，滚动轴承与凸轮轨迹槽4配合；移动用活塞8的密封端通过O型密封圈与移动用缸体6内壁保持密封状态。

参见图2和图4，凸轮轨迹槽4由两片结构相同的凹槽组装而成。凹槽的结构是根据凸轮轨迹槽的凸轮廓线加工成，凹槽截面中间凹陷处为移动用吸附组件中滚动轴承的轴承运动槽11，凹槽上沿为凹槽配合面12，下沿为凹槽非装配面13；当两凹槽组装后，非配合面的间距大于移动用活塞8的活塞杆的直径。在装配吸附移动机构时，先将移动用吸附组件3中除吸盘10以外的零件进行组装；移动用履带2中间有均布的定位孔，移动用吸附组件3通过定位孔安装在履带内圈；第一气缸嘴9从履带内伸出，再将第一吸盘10与第一气缸嘴9固定。调整每个移动用吸附组件中活塞8的位置，使活塞杆上的滚动轴承都能位于凸轮轨迹槽4的轴承运动槽11内，然后将凸轮轨迹槽4安装在吸附移动机构上。凸轮轨迹槽4的凸轮廓线包括近休止段、活塞上升段、远休止段、活塞下降段、回程段，各段平滑连接。其中近休止段和回程段分别位于廓线的两端，近休止段为凹圆弧，圆弧起点亦为凸轮轨迹槽的起点。远休止段为一直线段，它与近休止段圆弧终点切线平行，而且与该圆弧终点处切线的距离为移动用吸附组件中活塞密封工作的距离。近休止段与远休止段之间通过活塞上升段连接，活塞上升段为凸圆弧，该圆弧的起点与近休止段圆弧的终点相切连续，同时该圆弧的终点与远休止段也相切连续。活塞下降段和活塞上升段相对于凸轮廓线中心线对称，回程段和近休止段相对于凸轮廓线中心线对称，同时回程段的终点亦为凸轮轨迹槽的终点。

如图5、图6、图7所示，转向盘组件包括主转向盘18、多个转向用吸附组件17、齿圈19、两个传动齿轮20、两个舵机21、第一副转向盘15、第二副转向盘16、转向主轴14，转向用吸附组件17通过定位孔安装在主转向盘18上，传动齿轮20与舵机21连接，舵机21固定在主转向盘18上；转向用吸附组件17中的齿轮、传动齿轮和齿圈位于第一副转向盘15和第二副转向盘16之间，主转向盘18与第一副转向盘15和第二副转向盘16之间通过螺钉连接。转向用吸附组件17包括第二吸盘26、第二气缸嘴25、转向用缸体24、转向用活塞22、齿轮23，第二吸盘26与第二气缸嘴25连接，第二气缸嘴25与转向用缸体24过盈配合；转向用活塞22密封端通过O型密封圈与转向用缸体24内壁密封，转向用活塞22的活塞轴与齿轮23通过螺纹配合传动。

如图8和图9所示，转向动力机构包括转向动力壳体28、蜗轮32、蜗杆33、第一滑动轴承31、第二滑动轴承34、滚动轴承37、转向伸缩杆30、第一直流减速电机27、第二直流减速电机35；蜗轮32、蜗杆33、滚动轴承37；第一滑动轴承31、第二滑动轴承34、转向伸缩杆30通过配合组装在转向动力壳体28内，转向伸缩杆30一端与第一直流减速电机27的输出轴连接，另一端穿过滑动轴承与蜗轮32固连，第二直流减速电机35的输出轴与蜗杆33连接，蜗轮32和蜗杆33啮合传动。

如图10和图11所示，机架主底板39的两端各有一对轴架43，主轴42和副轴49分别固定安装在轴架上，辅助肋板38对称安装在机架主底板39两侧，主驱动轮1和从驱动轮5位于主轴42和副轴49的两端；主电机44位于机架主底板39前部的下方通过电机辅助支撑45固定在电机座46上，主电机齿轮和主电机输出轴固连,并且主电机齿轮与主轴上的齿轮啮合传动。转向辅助电机50输出轴与位于主底板前后方向的纵向轴线上的小同步带轮40连接，该轴线两侧的四个小同步带轮分别与四个传动螺杆52连接，传动螺杆52通过螺纹传动与连接梁连接，转向辅助电机50通过转向辅助同步带带动小同步带轮40同步转动；转向辅助机构中的连接梁与凸轮轨迹槽相连接，通过传动螺杆52转动调整连接梁和凸轮轨迹槽相对于主底板的上下位置；在直线移动过程中，移动用吸附组件中的滚动轴承周期性进出凸轮轨迹槽的轴承运动槽；在转向过程中，移动吸附组件中的滚动轴承停止进出凸轮轨迹槽的轴承运动槽。

图12为本发明爬壁机器人总体装配的仰视图。在机器人整体安装时，两组吸附移动机构除驱动轮从两侧装入机架主底板39上，通过螺钉将凸轮轨迹槽4和连接梁48固定连接，再把驱动轮安在主轴42和副轴49上，即完成了吸附移动机构的全部安装，而且每对驱动轮的齿安装时要对齐。

本发明在实现直线移动功能时，移动用吸附组件在主驱动轮的驱动下，各吸附组件的滚动轴承依次通过凸轮轨迹槽。在通过凸轮轨迹槽过程中，吸附组件首先经过近休止段，此时吸附组件中的吸盘与壁面贴合，吸盘内形成初始负压。在活塞上升段，在与吸附移动机构运动方向垂直的方向上，活塞与缸体发生相对运动，吸盘内负压逐渐增大，吸附力逐渐增大。此后移动用吸附组件进入远休止段，此时活塞与缸体之间不发生相对运动，吸附内保持最大负压值和最大吸附力。吸附组件进入回程段后，活塞向气缸底部运动，吸盘内负压值逐渐减小，吸盘最后脱离壁面。移动用吸附组件完成一个吸附脱离的循环，在移动用履带的带动下各个吸附组件依次进行吸附脱离的循环，完成机器人直线方向前进后退的吸附与运动过程。

本发明在实现转向功能时，机器人首先停止直线运动静止吸附在壁面；吸附转向机构通过转向动力机构将转向盘组件压向壁面，使转向用吸附组件的吸盘与壁面贴合，形成初始负压。转向盘组件的舵机通过传动齿轮带动齿圈和转向用吸附组件的齿轮；通过活塞杆和齿轮之间的螺纹传动带动活塞杆运动，转向用吸附组件的吸盘达到最大吸附力。转向辅助机构中的直流减速电机带动小同步带轮同步转动，通过螺纹传动带动连接梁上升，凸轮轨迹槽内的移动用吸附组件的活塞杆被进一步提升，直至活塞密封端越过缸体的进气孔，使吸盘与壁面的吸附失效。转向伸缩杆再次转动，将机器人整体推离壁面；转向动力机构内的蜗杆带动蜗轮使机器人主体相对于转向盘转动，机器人实现转向功能。转向完成后，蜗轮蜗杆停住转动，转向伸缩杆反向运动使移动用履带上的吸盘重新贴合壁面；转向辅助机构中的直流减速电机反转，带动活塞杆向下移动至气缸最底部；直流减速电机再正转，使活塞恢复到转向前相对于气缸的位置，移动用履带上的吸盘达到最大吸附力；主转向盘的舵机反转，使转向用吸附组件缸体内恢复常压，转向伸缩杆反转使转向盘与壁面脱离。

Claims (5)

1.一种凸轮式负压吸附的爬壁机器人，包括吸附移动机构、吸附转向机构、转向辅助机构、机架主底板，其特征在于:吸附移动机构包括两个主驱动轮、两个从驱动轮、移动用履带、多个移动用吸附组件、凸轮轨迹槽；吸附转向机构包括转向盘组件和转向动力机构；吸附移动机构位于机架主底板两侧对称安装，驱动轮安装在移动用履带两侧，移动用吸附组件位于移动用履带的宽度方向的中间部位，凸轮轨迹槽通过连接梁和传动螺杆与机架主底板固连，且凸轮轨迹槽内廓两端分别与主驱动轮和从驱动轮同心；转向动力机构固定安装在机架主底板上方，转向盘组件位于机架主底板下方，且与转向动力机构通过伸缩螺纹杆固连；转向辅助机构安装在机架主底板上，转向辅助机构通过调整凸轮轨迹槽的位置使吸附转向机构正常工作；转向辅助机构包括一个转向辅助电机、五个小同步带轮、转向辅助同步带、四个传动螺杆、两个连接梁，转向辅助电机位于机架主底板后部的下方，五个小同步带轮安装在机架主底板上，转向辅助电机输出轴与位于主底板前后方向的纵向轴线上的小同步带轮连接，轴线两侧的四个小同步带轮分别与四个传动螺杆连接，传动螺杆通过螺纹传动与连接梁连接，转向辅助电机通过转向辅助同步带带动小同步带轮同步转动；转向辅助机构中的连接梁与凸轮轨迹槽相连接，通过传动螺杆转动调整连接梁和凸轮轨迹槽相对于主底板的上下位置；在直线移动过程中，移动用吸附组件中的滚动轴承周期性进出凸轮轨迹槽的轴承运动槽；在转向过程中，移动吸附组件中的滚动轴承停止进出凸轮轨迹槽的轴承运动槽。

2.根据权利要求1所述的凸轮式负压吸附的爬壁机器人，其特征在于:所述移动用吸附组件包括第一吸盘、第一气缸嘴、移动用缸体、移动用活塞、滚动轴承；第一吸盘与第一气缸嘴连接，第一吸盘分布在移动用履带外侧，移动用缸体固定在移动用履带内侧，一对滚动轴承固连在移动用活塞杆的端部，滚动轴承与凸轮轨迹槽配合。

3.根据权利要求1所述的凸轮式负压吸附的爬壁机器人，其特征在于:所述转向盘组件包括主转向盘、多个转向用吸附组件、齿圈、两个传动齿轮、两个舵机、第一副转向盘、第二副转向盘、转向主轴；所述转向用吸附组件包括第二吸盘、第二气缸嘴、转向用缸体、转向用活塞、齿轮；转向用吸附组件通过螺钉安装在主转向盘与第二副转向盘之间，传动齿轮与舵机连接，舵机固定在主转向盘上对称安装，齿轮、传动齿轮和齿圈位于第一副转向盘与第二副转向盘之间；第二吸盘与第二气缸嘴连接，第二气缸嘴与转向用缸体过盈配合；转向用活塞密封端通过O型密封圈与转向用缸体内壁密封，转向用活塞杆与齿轮配合传动。

4.根据权利要求1所述的凸轮式负压吸附的爬壁机器人，其特征在于:所述转向动力机构包括转向动力壳体、蜗轮、蜗杆、滑动轴承、滚动轴承、转向伸缩杆、第一直流减速电机、第二直流减速电机；蜗轮、蜗杆、滚动轴承、滑动轴承、转向伸缩杆通过配合组装在转向动力壳体内，转向伸缩杆一端与第一直流减速电机的输出轴连接，另一端穿过滑动轴承与蜗轮固连，第二直流减速电机的输出轴与蜗杆连接，蜗轮和蜗杆啮合传动。

5.根据权利要求1所述的凸轮式负压吸附的爬壁机器人，其特征在于:所述机架主底板的两端各有一对轴架，主轴和副轴固定在轴架上，辅助肋板对称安装在机架主底板两侧，驱动轮位于主轴和副轴的两端；主电机位于机架主底板前部的下方通过电机辅助支撑固定在电机座上，主电机齿轮和主电机输出轴固连,并且主电机齿轮与主轴上的齿轮啮合传动。