CN103991487A - 全气动真空吸附式爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

一种全气动真空吸附式爬壁机器人，它主要是解决现有的爬壁机器人耗能大、墙面过渡难、噪音大、扭矩较小、抗载荷能力低等技术问题。其技术方案要点是：它包括四条肢腿、能在一定范围内压缩的机身、气动系统和与支腿连接的吸盘组（16）、设置在支腿上的真空发生器（10），所述肢腿采用前后对称的布局方式安装在机身两侧，机身前后能在一定范围内压缩，与机身连接的肢腿底板一端直接铰接在机身上，一端通过缓冲装置（2）与机身连接。它主要可用于高楼墙壁作业以及复杂环境下的反恐侦查、探测。

Description

全气动真空吸附式爬壁机器人

技术领域

本发明涉及一种爬壁机器人，特别是一种全气动真空吸附式爬壁机器人。

背景技术

随着各式各样的机器人在各个领域中的广泛应用和迅速发展，爬壁机器人以其能够替代人工在垂直墙面上极限作业的一种自动机械装置，越来越受到人们的重视。

目前，国内外已研制出各种各样的爬壁机器人，其驱动方式有电机驱动和气压驱动等，一般采用电能提供能源，通过电动机将电能转化为气体内能或机械能。而电动机的旋转存在一定的机械噪声和电磁噪声。除此之外，针对电机驱动的爬壁机器人，电动机不仅质量大，增加了机器人的质量，而且相对扭矩较小，抗载荷能力低，耗能大。

根据爬壁机器人吸附方式和移动方式不同，有磁履带式、真空履带式、单吸盘轮式、多吸盘足式、旋翼轮式、多吸盘框架式、基于范德华力的仿壁虎式等等。但各类爬壁机器人依然存在着许多问题，例如：履带式爬壁机器人不具备壁面过渡和跨越障碍能力；负压吸附原理的爬壁机器人采用负压整体滑移式方式，吸附面磨损大，能量消耗大，无墙面过渡能力；两足爬壁机器人虽越障碍能力强，但负重能力弱；旋翼式爬壁机器人不仅方向控制难，而且动力消失后马上失效；基于范德华力的仿壁虎式多足爬壁机器人运行过程中过约束问题较多，制作材料问题目前仍待进一步研究解决。

因此，爬壁机器人技术在许多方面仍存在不足之处，尤其是噪音大、运动扭矩较小、抗载荷能力低、墙面过渡难、耗能大等技术问题。针对以上问题，结合现代爬壁机器人发展趋势和社会生产生活的需要，本专利发明了一种新型的全气动真空吸附式爬壁机器人。

发明内容

本发明目的是提供一种具有直行、转弯、倒退、跨障碍和墙面过渡功能、并且负重能力强、运动扭矩大、方向控制方便、无过约束、低能耗、低噪声的全气动真空吸附式爬壁机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：它包括四条肢腿、能在一定范围内压缩的机身、气动系统和与支腿连接的吸盘组16、设置在支腿上的真空发生器10，其特征是：所述肢腿采用前后对称的布局方式安装在机身两侧，机身前后能在一定范围内压缩，与机身连接的肢腿底板一端直接铰接在机身上，一端通过缓冲装置2与机身连接。

所述机身包括通过弹性连接装置4连接的机身前骨架3和机身后骨架5；所述机身前骨架3包括机身前骨架底板31，机身前骨架底板31上设置有两左右对称的前导向零件32，所述机身后骨架5包括后骨架底板51，后骨架底板51上设置有两左右对称的后导向零件52，所述弹性连接装置4由两根平行导杆42以及套在导杆42上的弹簧B41和定位套筒43组成，导杆42两端分别插入对应的前导向零件32和后导向零件52中，通过改变定位套筒43的位置来调节机身的长度。

所述肢腿包括采用铰接方式依次连接的小臂11、大臂12、肩部13和肢腿底座14，每个肢腿具有三个自由度，连接处设置有气缸，小臂11的尖端与吸盘组16相连，小臂11上设置有真空发生器10和与真空发生器10连接的电磁单向阀98，肢腿底座14上设置有圆弧卡槽15。

所述气动系统包括安装在小臂11与大臂12之间的气缸A 91、安装在大臂12和肩部13之间的气缸B 92、安装在肩部13和底座14之间的气缸C 93，由通过固定装置固定在弹性连接装置4上的高压储气罐94提供气源，高压储气罐94与调压过滤器95连接，调压过滤器95另一端连接调速阀96，调速阀96另一端通过多通接头与电磁换向阀97连通，调速阀96和电磁换向阀97固定在后机身底板51上。

所述缓冲装置2包括弹簧座21、弹簧A22，弹簧座21固定在机身骨架下表面，固定弹簧A22的一端，弹簧另一端与圆弧卡槽15相连。

本发明的有益效果是：提供了一种采用四足爬行方式的全气压驱动、真空吸附式，能实现直行、转弯、倒退、跨障碍和墙面过渡等复杂动作，并且运动过程中无过约束、吸附性能可靠、负重能力强、运动扭矩大、方向控制简单、低能耗、低噪声的全气动吸附式爬壁机器人。

附图说明

图1是本发明的三维视图。

图2是本发明的机械装置仰视图。

图3是本发明的机械装置主视图。

图4是本发明的手臂装配图。

图5是本发明的机身装配图。

图6是本发明的手臂底座卡槽装配图。

图7是本发明的气动系统安装布置图。

图8是本发明的吸盘中心可覆盖的平面区域示意图。

图9是本发明的吸盘中心可覆盖的垂直面区域示意图。

图10是本发明的前行示意图。

图11是本发明的转向示意图。

图12是本发明的墙面过渡示意图。

图中：1-左前肢腿，2-缓冲装置，3-机身前骨架，4-弹性连接装置，5-机身后骨架，6-左后肢腿，7-右后肢腿，8-右前支腿，10-真空发生器，11-小臂，12-大臂，13-肩部，14-肢腿底座，15-圆弧卡槽，16-吸盘组，21-弹簧座，22-弹簧A，31-前骨架底板，32-前导向零件，41-弹簧B，42-导杆，43-定位套筒，51-后骨架底板，52-后导向零件，91-气缸A， 92-气缸B，93-气缸C，94-储气罐，95-调压过滤器，96-调速阀，97-电磁换向阀，98-电磁单向阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1，本发明包括四条肢腿、能在一定范围内压缩的机身、气动系统和与支腿连接的吸盘组16、设置在支腿上的真空发生器10，其特征是：所述肢腿采用前后对称的布局方式安装在机身两侧，机身前后能在一定范围内压缩，与机身连接的肢腿底板一端直接铰接在机身上，使肢腿底座可绕铰接点转动；一端通过缓冲装置2与机身连接。其目的在于解决爬行过程中多足联动时的过约束的问题，避免因过约束产生的内力对附着吸盘造成影响，从而增强整机的吸附稳定性。参阅图1至图12。

实施例2，本发明所述机身包括通过弹性连接装置4连接的机身前骨架3和机身后骨架5；所述机身前骨架3包括机身前骨架底板31，机身前骨架底板31上设置有两左右对称的前导向零件32，所述机身后骨架5包括后骨架底板51，后骨架底板51上设置有两左右对称的后导向零件52，所述弹性连接装置4由两根平行导杆42以及套在导杆42上的弹簧B41和定位套筒43组成，导杆42两端分别插入对应的前导向零件32和后导向零件52中，通过改变定位套筒43的位置来调节机身的长度，前后机身间的距离可通过调节定位套筒43的位置来确定，同时也可通过调节导杆上弹簧弹力的大小来确定。参阅图1至图12，其余同实施例1。

实施例3，所述肢腿包括采用铰接方式依次连接的小臂11、大臂12、肩部13和肢腿底座14，每个肢腿具有三个自由度，连接处设置有气缸，通过对关节和气缸铰接点的合理布局，肢腿可实现伸缩、摆动和大角度的上抬下压动作，对爬壁机器人直行、转弯、倒退、跨障碍和墙面过渡的执行有重要作用；小臂11的尖端与吸盘组16相连，小臂11上设置有真空发生器10和与真空发生器10连接的电磁单向阀98，气流通过气动系统调速阀96后，通过多通接头引入电磁单向阀98，通过电磁单向阀98和真空发生器10在真空吸盘组16中制造真空，肢腿底座14上设置有圆弧卡槽15，可构成槽型卡住机身骨架。参阅图1至图12，其余同上述实施例。

实施例4，本发明所述气动系统包括安装在小臂11与大臂12之间的气缸A 91，驱动小臂左右摆动、安装在大臂12和肩部13之间的气缸B 92，驱动大臂前后摆动、安装在肩部13和底座14之间的气缸C 93，用于手臂实现上台和下压动作，由通过固定装置固定在弹性连接装置4上的高压储气罐94提供气源，高压储气罐94与调压过滤器95连接，调压过滤器95另一端连接调速阀96，调速阀96另一端通过多通接头与电磁换向阀97、电磁单向阀98连通，调速阀96和电磁换向阀97固定在后机身底板51上，气流通过电磁换向阀97后通往各气缸，从而控制气缸动作。参阅图1至图12，其余同上述实施例。

实施例5，所述缓冲装置2包括弹簧座21、弹簧A22，弹簧座21固定在机身骨架下表面，固定弹簧A22的一端，弹簧另一端与圆弧卡槽15相连，四肢腿与机身均采用以上链接方式。参阅图1至图12，其余同上述实施例。参阅图1至图12，其余同上述实施例。

实施例6，本发明直行：如图10所示，壁机器人位于初始位置，四肢腿吸附在墙面上，第一步：解除右前支腿和左后肢腿的真空吸附，控制以上两肢腿的气缸C93收缩小段行程，两肢腿抬起一定角度；第二步：控制右前肢腿的气缸A91和气缸B92伸长，左后肢腿气缸A91和气缸B92收缩，两只腿都往前移动一段距离；第三步：控制两肢腿的气缸C93伸出，两肢腿下压，使吸盘贴紧墙面，同时使用真空发生装置制造真空，使以上两肢腿吸附在墙面上；第四步：气缸C93微缩，使机身贴近墙面，此操作目的在于使下个动作下压时具有更大的压力。第一步：换为左前支腿和右后肢腿抬起；第二步：控制右前肢腿的气缸A91和气缸B92收缩，左后肢腿气缸A91和气缸B92伸长，机身前移一段距离；第三、四、五步：换为左前支腿和右后肢腿；之后的直线爬行动作均可采用交叉换腿方式。参阅图1至图12，其余同上述实施例。

实施例7，本发明转弯：图11为右转弯示意图，壁机器人位于初始位置，四肢腿吸附在墙面上，第一步：右前支腿和左后肢腿抬起一定角度，具体实施同直行中的抬起动作；第二步：控制右前肢腿的气缸A91伸长，左后肢腿气缸B92收缩，使右前肢腿小臂右摆，左后肢腿大臂左摆；第三步：两肢腿下压，吸附在墙面上，具体实施同直行中的下压动作；第四步：气缸C93微缩，使机身贴近墙面。第一步：换为左前支腿和右后肢腿抬起，具体实施同以上抬起动作；第二步：控制右前肢腿的气缸B92伸长，左后肢腿气缸B92伸长，机身原地向右转动一定角度，另外两肢腿跟随机身旋转过来，左转动作的实施则相反。参阅图1至图12，其余同上述实施例。

实施例8，本发明墙面过渡：如图12所示，在整个过程中每次只移动一条肢腿，另外三肢腿用来吸附和支撑。当四条肢腿都运动到位并吸附稳定后，再移动机身。重复此动作几次就可完成墙面过渡步态。具体实施如下：起始状态为机器人停在需过渡墙面角落，机器人三腿固定，左前肢腿气缸C93收缩，使肢腿大角度抬高，然后肢腿往前伸出，再控制气缸C93伸出，将吸盘按在另一墙面上，并吸附稳定，其中抬起、前伸动作具体实施同实施例1中对应动作。机器人两后肢腿分别抬起、回缩、下压吸附。具体实施同实施例1中对应动作。右前肢腿运动到另一墙面，具体实施同左前肢腿墙面过渡；此时四组吸盘都已运动到位，接下来移动机身，此时后肢腿伸长并上抬，前支腿回缩并下压；再重复几次可完成90度角的墙面过渡。参阅图1至图12，其余同上述实施例。

实施例9，本发明在转弯和墙面过渡时存在机身长度被压缩一定长度的情况，若要继续旋转或墙面过渡，需先单独控制前面两手臂分别往前伸出一段距离，恢复机身长度，为在墙面过渡中保护机身不与墙面碰撞，在机身前骨架3和机身后骨架底板51上分别添加了柔性薄板，并做成头和尾巴的形状。参阅图1至图12，其余同上述实施例。

实施例10，本发明因具有可压缩机身和缓冲装置，允许任意多个肢腿同时动作，确保了爬壁机器人可执行更多复杂动作，而且不会产生约束，在墙面条件不够好或特殊控制要求的情况下也可采用每次一条肢腿单独动作，另三肢腿吸附的方式前进。参阅图1至图12，其余同上述实施例。

Claims (5)

1.一种全气动真空吸附式爬壁机器人，其特征是：它包括四条肢腿、能在一定范围内压缩的机身、气动系统和与支腿连接的吸盘组（16）、设置在支腿上的真空发生器（10），所述肢腿采用前后对称的布局方式安装在机身两侧，机身前后可伸缩，与机身连接的肢腿底板一端直接铰接在机身上，一端通过缓冲装置（2）与机身连接。

2.根据权利要求1所述的全气动真空吸附式爬壁机器人，其特征是：所述机身包括通过弹性连接装置（4）连接的机身前骨架（3）和机身后骨架（5）；所述机身前骨架（3）包括机身前骨架底板（31），机身前骨架底板（31）上设置有两左右对称的前导向零件（32），所述机身后骨架（5）包括后骨架底板（51），后骨架底板（51）上设置有两左右对称的后导向零件（52），所述弹性连接装置（4）由两根平行导杆（42）以及套在导杆（42）上的弹簧B（41）和定位套筒（43）组成，导杆（42）两端分别插入对应的前导向零件（32）和后导向零件（52）中。

3.根据权利要求1所述的全气动真空吸附式爬壁机器人，其特征是：所述肢腿包括采用铰接方式依次连接的小臂（11）、大臂（12）、肩部（13）和肢腿底座（14），每个肢腿具有三个自由度，连接处设置有气缸，小臂（11）的尖端与吸盘组（16）相连，小臂（11）上设置有真空发生器（10）和与真空发生器（10）连接的电磁单向阀（98），肢腿底座（14）上设置有圆弧卡槽（15）。

4.根据权利要求1或2或3所述的全气动真空吸附式爬壁机器人，其特征是：所述气动系统包括安装在小臂（11）与大臂（12）之间的气缸A （91）、安装在大臂（12）和肩部（13）之间的气缸B （92）、安装在肩部（13）和底座（14）之间的气缸C （93），由通过固定装置固定在弹性连接装置（4）上的高压储气罐（94）提供气源，高压储气罐（94）与调压过滤器（95）连接，调压过滤器（95）另一端连接调速阀（96），调速阀（96）另一端通过多通接头与电磁换向阀（97）连通，调速阀（96）和电磁换向阀（97）固定在后机身底板（51）上。

5.根据权利要求1或3所述的全气动真空吸附式爬壁机器人，其特征是：所述缓冲装置（2）包括弹簧座（21）、弹簧A（22），弹簧座（21）固定在机身骨架下表面，固定弹簧A（22）的一端，弹簧另一端与圆弧卡槽（15）相连。