CN103373405B - 爬壁机器人无源真空吸附和行走装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置,其特征在于:电机在控制装置的控制下，通过蜗杆涡轮和齿轮机构驱动链轮轴转动，八个链轮对称安装在两个链轮轴的两端，后链轮轴带动链轮转动，链轮带动四条链条滚动，每侧的两根链条上分别均匀固连多个吸盘组件，防后仰机构一端安装在后链轮轴上，另一端通过轴承和前链轮轴组成转动副，电机固连在机器人框架的横梁上，并通过联轴器和蜗杆相连，链轮轴和齿轮轴、吸盘拨杆滑槽和吸盘支架导槽都通过螺钉固定在机器人框架的侧板上。本发明无需真空动力源便可自由在光滑的壁面上行走，且吸附力大、安全可靠、结构简单、操作方便，可有效防止溜车，并可跨越沟槽，还可搭载多种工具代替人在光滑壁面上执行多种任务。
Description
技术领域
本发明属于爬壁机器人领域，特别涉及一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置。
背景技术
近年来，我国城市面貌发生了翻天覆地的变化,高层建筑拔地而起,但发展的同时也带来了如高空擦洗玻璃、高空消防急救、高空建筑施工等难题。爬壁机器人作为一种能在垂直外壁进行移动作业的机器人移动平台，可搭载多种工具执行多种任务，对其进行深入的研究具有重要的实用价值和应用前景！
爬壁机器人必须具备两种功能：壁面吸附和行走功能。但现有技术中，爬壁机器人吸附装置的吸附方式主要有有源真空吸附，磁吸附和静电吸附几种，但三种方式都有其不足之处：（1）有源真空吸附方式常常借助于真空泵、真空发生器或者风机等真空动力源提供吸附动力把车体吸附在墙面上，不但产生很大的噪音，还会造成装置的复杂；（2）磁吸附机器人是借助电磁力把机器人吸附在墙体上，但磁吸附方式只适用于导磁性壁面,只能在导磁金属壁面上作业，具有很大的局限性；（3）静电吸附一般吸附力很小，很难真正作一些民用和军用的工作。另外，吸附装置是为机器人提供吸附力，使其可靠的吸附在壁面上的，而机器人需要移动工作时，吸附力成为其主要的运动阻力，故爬壁机器人的吸附能力和行走能力是相互矛盾的。
因此设计一种爬壁机器人吸附和行走装置，该装置能有效弥补以上三种吸附方式的不足，并解决爬壁机器人吸附和行走的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置，解决爬壁机器人吸附和行走的问题，利用该装置，无需真空动力源（真空泵、真空发生器或者风机等），爬壁机器人便可自由在光滑的壁面（玻璃、瓷砖、铝塑板）上自由行走，且吸附力大、安全可靠、结构简单、操作方便，有效防止溜车现象，并可跨越沟槽；当机器人各吸盘在贴近墙壁时，吸附力自动产生，吸盘将要离开墙壁时，吸附力自动解除，进而保证爬壁机器人运动的平稳和连续。
本发明的技术方案是：一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置，其本体包括两侧四条对称布置的链条，两侧两对对称布置的链轮、两侧32个对称布置的吸盘组件、两侧两对对称布置的吸盘凸缘导槽、两侧两个对称布置的吸盘拨杆滑槽、蜗杆蜗轮机构、齿轮机构、电机、电机控制装置、防后仰机构和机器人框架。
其特征在于:电机在控制装置的控制下，通过蜗杆蜗轮和齿轮机构驱动后链轮轴转动，八个链轮对称安装在两个链轮轴的两端，后链轮轴带动链轮转动，链轮带动和其啮合的四条链条滚动和前链轮转动，每侧的两根链条上分别固连16个吸盘组件，吸盘组件均布在链条上，防后仰机构一端安装在后链轮轴上，另一端通过轴承和前链轮轴组成转动副，电机固连在机器人框架的横梁上，并通过联轴器和蜗杆相连，前、后链轮轴和蜗轮轴都安装在机器人框架侧板的轴承孔内，吸盘拨杆滑槽和吸盘凸缘导槽都通过螺栓固定在机器人框架的侧板上，吸盘拨杆滑槽断面为U形，吸盘凸缘导槽呈L形，吸盘凸缘导槽的上表面和吸盘支架的下表面呈面接触，吸盘拨杆滑槽的导槽内表面和吸盘拨杆接触。
机器人在光滑壁面上上爬时，通过操纵控制装置的控制转把，可随意改变电机的转速的大小和方向，经蜗杆蜗轮和齿轮传动，电机驱动后链轮转动，后链轮带动链条和吸盘滚动，从而驱动机器人爬行，机器人的爬行速度大小和速度方向是由电机速度的大小和方向决定的，由于采用了具有自锁性的蜗杆蜗轮机构，有效防止了溜车现象的发生，每组吸盘组件随链条滚动的过程中，当吸盘组件在机器人前端逐渐接触壁面时，在防后仰装置压杆的压力下，吸盘逐渐贴紧壁面，同时，吸盘的拨杆滑入到吸盘拨杆滑槽的导槽内，且被吸盘拨杆导槽拨动，此时吸盘端部和壁面之间便形成真空的密闭空间，在大气压力作用下吸盘紧紧的吸附在壁面上，随着机器人的爬行，吸盘组件逐渐从机器人前端滑动到机器人的后端，这一过程，吸盘组件吸附力一直保持，且吸附力一直保持到吸盘拨杆脱离吸盘拨杆滑槽，此时吸盘吸附力在回位塔形弹簧作用下自动解除，接着吸盘开始随链条滚动脱离壁面。如此反复循环，32个吸盘组件在随链条滚动时，链条前端的吸盘不断的接触壁面并产生吸附力，链条末端的吸盘不断的解除吸附力并脱离壁面，且每个瞬间都保证至少有14个吸盘同时提供吸附力，从而保证机器人在壁面上安全、可靠和稳定的爬行。
本发明的有益效果是：本发明无需真空动力源（真空泵、真空发生器、风机），靠杠杆和凸轮机构使吸盘发生变形，吸附力自动产生和消除，故结构简单、噪声小；每个吸盘组件的橡胶吸盘直径为120mm，吸附力大（每个吸盘可产生35kg的吸附力）；而每个瞬间都至少有14个吸盘同时保持吸附，即使有几个吸盘由于跨越沟槽或障碍等情况造成失效，仍安全可靠，安全系数很大；且操作方便，只需通过转动控制手把；该装置可搭载多种工具在光滑壁面上执行多种任务，可作为家庭居室壁面和玻璃清洗的机械，也可加上辅助装置代替人从事军事侦察、反恐、防爆、核辐射等工作。
附图说明
图1是吸附行走装置立体图；
图2是机器人框架三维示意图；
图3是吸附行走装置主视图；
图4是吸附行走装置俯视图；
图5是吸盘组件、链条和吸盘凸缘导槽装配三维示意图；
图6是吸盘组件和吸盘拨杆滑槽配合三维示意图；
图7是吸盘主视图；
图8是吸盘左视图；
图9是吸盘俯视图；
图10是防后仰装置结构原理图。其中，
1. 吸盘组件，2. 电机，3. 链条，4. 机器人框架，5. 齿轮机构，6. 防后仰机构，7. 蜗杆蜗轮机构，8. 链轮，9. 吸盘拨杆滑槽，10. 吸盘凸缘导槽，11. 电机控制装置，12.机器人框架侧板，13. 机器人框架横梁， 14. 联轴器，15. 前链轮，16. 后链轮，17. 前链轮轴，18. 后链轮轴，19. 控制转把，20. 控制器，21. 蜗轮轴，22. 轴承，23. 拨杆，24. 螺栓，25. 内置钢制嵌件真空橡胶抽放阀芯，26. 外壳，27. 回位塔形弹簧，28. 调距螺母，29. 调力弹簧，30. 推力轴承，31. 键一，32. 单向轴承，33. 键二，34. 主动摩擦片壳体，35. 主动摩擦片， 36. 从动摩擦片，37. 压杆，38. 从动摩擦片壳体。
具体实施方式
如图1～9中，一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置包括两侧四条对称布置的链条3，两侧两对对称布置的链轮8、两侧32个对称布置的吸盘组件1、两侧两对对称布置的吸盘凸缘导槽10、两侧两个对称布置的吸盘拨杆滑槽9、蜗杆蜗轮机构7、齿轮机构5、电机2、电机控制装置11、防后仰机构6和机器人框架4。
电机2在控制装置的控制下，通过蜗杆蜗轮7和齿轮机构5驱动后链轮轴18转动，八个链轮8对称安装在两个链轮轴的两端，后链轮轴18带动后链轮16转动，链轮8带动和其啮合的四条链条3滚动和前链轮15转动，每侧的两根链条3上分别固连16个吸盘组件1，吸盘组件1均布在链条3上，防后仰机构6一端安装在后链轮轴18上，另一端通过轴承22和前链轮轴17组成转动副，电机2固连在机器人框架横梁13上，并通过联轴器14和蜗杆相连，前、后链轮轴17、18和蜗轮轴21都安装在机器人框架侧板12的轴承孔内，吸盘拨杆滑槽9和吸盘凸缘导槽10都通过螺栓24固定在机器人框架4的侧板上，吸盘拨杆滑槽9断面为U形，吸盘凸缘导槽10呈L形，吸盘凸缘导槽10的上表面和吸盘支架的下表面呈面接触，吸盘拨杆滑槽9的导槽内表面和吸盘拨杆23接触。
两侧两对对称布置的链轮8中，机器人后端的两个链轮8为主动轮，机器人前端的两个链轮8为从动轮，主动轮和后链轮轴18通过键连接，从动轮和前链轮轴17亦通过键连接，前、后链轮轴18安装在机器人框架侧板12的轴承22内。
两侧32个对称布置的吸盘组件1中，每个组件包括：内置钢制嵌件真空橡胶抽放阀芯25、外壳26、回位塔形弹簧27、螺栓24和拨杆23。内置钢制嵌件真空橡胶抽放阀芯25的上表面和外壳26的下圆环面形成面接触，真空橡胶抽放阀芯的钢制嵌件上套有一回位塔形弹簧27，塔形弹簧的大端和外壳26的内表面接触，塔形弹簧的小端和真空橡胶抽放阀芯的橡胶内表面接触，外壳26上表面和拨杆23端部凸轮下轮廓线接触，每个吸盘外壳26上表面左、右两侧各有一对侧板，每对侧板通过两个销钉和链条3的一个链结固接，外壳26两边各有一凸缘，凸缘下表面和吸盘凸缘导槽10的上表面以面接触，借助吸盘凸缘导槽10进行水平导向，以防止链条3的弯曲。真空橡胶抽放阀芯通过销钉和拨杆23端部凸轮以圆柱副连接，拨杆23端部两侧各有一段凸轮圆弧，橡胶抽放阀芯的钢制嵌件和外壳26的顶部孔以间隙配合。当拨杆23在外力作用下左、右摆动时，拨杆23端部凸轮向径便会增大，钢制嵌件沿着外壳26的顶部孔轴线方向滑动，从而橡胶抽放阀芯的端部橡胶发生变形，橡胶贴在光滑壁面上时，和光滑墙壁便形成真空的密闭空间，吸盘对壁面产生吸附力，当拨杆23外力去除后，橡胶抽放阀芯的端部橡胶在回位塔形弹簧27的作用下变形消失，真空的密闭空间也同时消失，吸附力自动消失。
蜗杆蜗轮机构7的蜗杆和电机2通过联轴器14连接，蜗轮通过键联接和蜗轮轴21固结，蜗轮轴21安装在机器人框架侧板12的轴承22内，蜗杆蜗轮机构7不但可对电机2进行减速，还能利用其自锁性能防止爬壁机器人溜车。齿轮机构5的小齿轮通过键联接和蜗轮轴21固结，大齿轮和后链轮轴18通过键固结，对电机2进行二次减速。
防后仰机构6包括：调距螺母28、调力弹簧29、推力轴承30、从动摩擦片36、主动摩擦片35、单向轴承32、后链轮轴18和压杆37。单向轴承32通过键一31联接和后链轮轴18固接，单向轴承32内圈一侧和轴肩接触，单向轴承32外圈通过键二33和主动摩擦片壳体34固接，主动摩擦片35和主动摩擦片壳体34粘接，主动摩擦片35另一侧和从动摩擦片36橡胶面接触，从动摩擦片36和从动摩擦片壳体38粘接，从动摩擦片壳体38和推力轴承30的一侧面接触，推力轴承30的另一侧和调力弹簧29的一端接触，调力弹簧29的另一端和调距螺母28面接触，调距螺母28、调力弹簧29和推力轴承30都套在后链轮轴18上，压杆36通过螺栓24固结在从动摩擦片壳体38上。运用摩擦力恒定打滑原理，当机器人前进上爬时，利用单向轴承32的单向性使主动摩擦片35与后链轮轴18的运动同步，而从动摩擦片35是静止不动的，两摩擦片间由相对滑动产生摩擦力，该摩擦力通过压杆36传到机器人前链轮轴17上，从而防止车身后仰；当机器人后退下降时，由于单向轴承32的单向性，主动摩擦片35不能随主动轴运动，从动摩擦片36也不运动，两摩擦片间不产生摩擦力，因机器人后退下降时，机器人前端吸盘在逐渐接触壁面过程中，依靠自重便能贴紧壁面完成吸附过程，故下降过程中不需要压杆37作用力。通过调整调距螺母28来调节弹簧的弹簧力，进而可随意调节主从摩擦片间的传动摩擦力。
机器人在光滑壁面上上爬时，通过操纵控制装置的控制转把19，可随意改变电机2的转速的大小和方向，经蜗杆蜗轮和齿轮传动，电机2驱动后链轮16转动，后链轮16带动链条3和吸盘滚动，从而驱动机器人爬行，机器人的爬行速度大小和速度方向是由电机2速度的大小和方向决定的，由于采用了具有自锁性的蜗杆蜗轮机构，有效防止了溜车现象的发生，每组吸盘组件1随链条3滚动的过程中，当吸盘组件1在机器人前端逐渐接触壁面时，在防后仰装置压杆37的压力下，吸盘逐渐贴紧壁面，同时，吸盘的拨杆23滑入到吸盘拨杆滑槽9的导槽内，且被吸盘拨杆导槽拨动，此时吸盘端部和壁面之间便形成真空的密闭空间，在大气压力作用下吸盘紧紧的吸附在壁面上，随着机器人的爬行，吸盘组件1逐渐从机器人前端滑动到机器人的后端，这一过程，吸盘组件1吸附力一直保持，且吸附力一直保持到吸盘拨杆23脱离吸盘拨杆滑槽9，此时吸盘吸附力在回位塔形弹簧27的作用下自动解除，接着吸盘开始随链条3滚动脱离壁面。如此反复循环，32个吸盘组件1在随链条3滚动时，链条3前端的吸盘不断的接触壁面并产生吸附力，链条3末端的吸盘不断的解除吸附力并脱离壁面，且每个瞬间都保证至少有14个吸盘同时提供吸附力，从而保证机器人在壁面上安全、可靠和稳定的爬行。
Claims (7)
1.一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置，其特征包括两侧四条对称布置的链条（3），两侧两对对称布置的链轮（8）、两侧32个对称布置的吸盘组件（1）、两侧两对对称布置的吸盘凸缘导槽（10）、两侧两个对称布置的吸盘拨杆滑槽（9）、蜗杆涡轮机构（7）、齿轮机构（5）、电机（2）、电机控制装置（11）、防后仰机构（6）和机器人框架（4）；八个所述的链轮（8）对称安装在两个链轮轴的两端，吸盘组件（1）均布在链条（3）上，防后仰机构（6）一端安装在后链轮轴（18）上，另一端通过轴承（22）和前链轮轴(17）组成转动副，前、后链轮轴（17）、（18）和涡轮轴（21）都安装在机器人框架侧板（12）的轴承孔内，控制器（20）、吸盘拨杆滑槽（9）和吸盘凸缘导槽（10）都通过螺栓（24）固定在机器人框架（4）的侧板上，控制器（20）的三束线分别和电机（2）、电源和控制转把（19）连接，吸盘拨杆滑槽（9）断面为U形，吸盘凸缘导槽（10）呈L形，吸盘凸缘导槽（10）的上表面和吸盘支架的下表面呈面接触，吸盘拨杆滑槽（9）的导槽内表面和吸盘拨杆（23）接触。
2.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置，其特征在于两侧两对对称布置的链轮（8）中，机器人后端的两个链轮（8）为主动轮，机器人前端的两个链轮（8）为从动轮，主动轮和后链轮轴（18）通过键连接，从动轮和前链轮轴（17）亦通过键连接，前、后链轮轴（18）安装在机器人框架侧板（12）的轴承孔内。
3.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置，其特征在于两侧32个对称布置的吸盘组件（1）中，每个组件包括：内置钢制嵌件真空橡胶抽放阀芯（25）、外壳（26）、回位塔形弹簧（27）、螺栓（24）和拨杆（23）。
4.根据权利要求3所述的一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置，其特征在于内置钢制嵌件真空橡胶抽放阀芯（25）的上表面和外壳（26）的下圆环面形成面接触，真空橡胶抽放阀芯的钢制嵌件上套有一回位塔形弹簧（27），塔形弹簧的大端和外壳（26）的内表面接触，塔形弹簧的小端和真空橡胶抽放阀芯的橡胶内表面接触，外壳（26）上表面和拨杆（23）端部凸轮下轮廓线接触，每个吸盘外壳（26）上表面左、右两侧各有一对侧板，每对侧板通过两个销钉和链条（3）的一个链结固接，外壳（26）两边各有一凸缘，凸缘下表面和吸盘凸缘导槽（10）的上表面以面接触，真空橡胶抽放阀芯通过销钉和拨杆（23）端部凸轮以圆柱副连接，拨杆（23）端部两侧各有一段凸轮圆弧，橡胶抽放阀芯的钢制嵌件和外壳（26）的顶部孔以间隙配合。
5.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置，其特征在于蜗杆涡轮机构（7）的蜗杆和电机（2）通过联轴器（14）连接，涡轮通过键联接和涡轮轴（21）固结，涡轮轴（21）安装在机器人框架侧板（12）的轴承（22）内，齿轮机构（5）的小齿轮通过键联接和涡轮轴（21）固结，大齿轮和后链轮轴（18）通过键固结。
6.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置，其特征在于防后仰机构（6）包括：调距螺母（28）、调力弹簧（29）、推力轴承（30）、从动摩擦片（36）、主动摩擦片（35）、单向轴承（32）、后链轮轴（18）和压杆（37）。
7.根据权利要求6所述的一种爬壁机器人无源真空吸附和行走装置，其特征在于单向轴承（32）通过键一（31）联接和后链轮轴（18）固接，单向轴承（32）内圈一侧和轴肩接触，单向轴承（32）外圈通过键二（33）和主动摩擦片壳体（34）固接，主动摩擦片（35）和主动摩擦片壳体（34）粘接，主动摩擦片（35）另一侧和从动摩擦片（36）橡胶面接触，从动摩擦片（36）和从动摩擦片壳体（38）粘接，从动摩擦片壳体（38）和推力轴承（30）的一侧面接触，推力轴承（30）的另一侧和调力弹簧（29）的一端接触，调力弹簧（29）的另一端和调距螺母（28）面接触，调距螺母（28）、调力弹簧（29）和推力轴承（30）都套在后链轮轴（18）上，压杆（37）通过螺栓（24）固结在从动摩擦片壳体（38）上。
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