CN105102314B - 用于沿倾斜表面行驶的机器人装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于沿倾斜表面驱动机器人的驱动装置。环形履带与一对轮连接，使环形履带形成平的底表面。真空马达在吸附孔与真空开口对准时通过环形履带中的吸附孔吸入空气。

Description

用于沿倾斜表面行驶的机器人装置

相关申请的交叉引用

本申请的权利要求享有申请号为No.61/778,047的美国专利申请(于2013年3月13日提交)的优先权，所述申请的全部公开内容通过参引并入本文。

联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在国家科学基金会(NSF)授予的、合同号为No.IIP-1332027的政府支持下做出的。政府享有该发明的权利。

背景技术

说明书中公开的主题涉及能够在倾斜表面上移动以克服沟槽和凸起的机器人装置。该装置可以用于建筑物检查、非破坏性评估、监测、清洁等诸如此类。传统的爬壁机器人通常不能在存在沟槽的粗糙表面上工作。本发明期望提供一种能够沿倾斜表面行驶的改进的机器人装置。

以上内容仅为提供主要背景技术并且并非意在用于帮助确定权利要求保护主题的范围。

发明内容

本发明公开了一种用于沿着倾斜表面驱动机器人的驱动装置。环形履带与一对轮连接，使环形履带的底面形成平的底表面。当环形履带中的吸附孔与真空开口对准时，真空马达通过环形履带中的吸附孔吸入空气。与现有技术中公开的机器人相比，本发明的优点在于，本发明的机器人可以更容易地在具有缝隙的倾斜表面上行驶。

在第一实施方式中，公开了一种用于驱动机器人的驱动装置。驱动装置包括一对轮，所述一对轮相对于本体以可旋转的方式设置。环形履带与所述一对轮连接，使环形履带的底面形成平的底表面，环形履带具有多个吸附孔，其中，至少三个吸附孔在环形履带的平的底表面上。真空马达与真空开口连接，当至少一个吸附孔与真空开口对准时，真空马达通过该对准的吸附孔吸入空气，在环形履带的平的底表面上设置的至少三个吸附孔中，必有一个吸附孔与真空开口对准。

在第二实施方式中，公开了一种用于沿倾斜表面行驶的机器人。该机器人包括本体，本体设置于第一驱动装置与第二驱动装置之间。第一驱动装置和第二驱动装置各自包括相对于本体以可旋转的方式设置的一对轮。环形履带与所述一对轮连接，使环形履带的底面形成平的底表面，环形履带上具有多个吸附孔，其中，至少三个吸附孔设置在环形履带的平的底表面上。真空马达与真空开口连接，使得所述真空马达在所述吸附孔与所述真空开口对准时通过至少一个对准的吸附孔吸入空气，所述至少一个对准的吸附孔是所述至少三个吸附孔中的一个。机器人装置设有涡轮，涡轮向环形履带的平的底表面的相反方向排出空气，从而使环形履带上的平的底表面向倾斜表面推压。

在第三实施方式中，公开了一种用于沿倾斜表面行驶的机器人。该机器人包括本体，本体设置于第一驱动装置与第二驱动装置之间。本体具有至少一个输送管型风机，所述至少一个输送管型风机在本体的底部一侧上设置有进气口，以及在本体的顶部一侧上设置有排气口。第一驱动装置和第二驱动装置各自包括环形履带，环形履带与一对可旋转的驱动轮连接，使环形履带形成底表面和顶表面，环形履带设置有多个吸附孔。真空马达与真空开口连接，真空开口与环形履带上的底表面相对设置，这样的设置是当环形履带上设置的多个吸附孔与真空开口对准时，真空马达通过该环形履带上设置的多个吸附孔吸入空气，并且将所述空气供给至本体中的至少一个输送管型风机，从而使得输送管型风机旋转并且施加朝向底表面推压机器人的力。

根据一个或更多个实施例，本发明的简要说明仅意在提供主题的简要概述，并非用作解释权利要求或限定或限制本发明的范围的指导，本发明的范围仅通过所附权利要求限定。本简要说明设置用于以在下面详细说明中进一步描述的简化形式介绍发明的示例选择方案。本简要说明并不意在确定所要求主题的关键特征或必要特征，也并不意在用作帮助确定所要求主题的范围。所要求主题并不局限于在背景技术中指出的解决任意或全部缺点的实施方案。

附图说明

为了能够理解本发明的特征的方式，本发明的详细说明可以参照一些实施方式进行，这些实施方式中的一部分图示在附图中。然而，应当指出的是，附图图示了本发明的仅是一些实施方式并且因此不应视为限制本发明的范围，因为本发明的范围涵括其他等同效果的实施方式。附图不必按比例绘制，而是主要重点着重于图示本发明的一些实施方式的特征。在附图中，贯穿各个视图，相同的附图标记用于指示相同的部件。因此，为了进一步理解本发明，以下详细说明将参考结合附图进行阅读，在附图中：

图1A是第一示例机器人的立体图而图1B是第二示例机器人的立体图；

图2是图1A的第一示例机器人的分解图；

图3A是图1A的第一示例机器人的在去除环形履带的情况下的俯视图而图3B是图1A的第一示例机器人的在示出环形履带的情况下的俯视图；

图4A是图1A的第一示例机器人的截面图而图4B是图1A的示例机器人的底视立体图；

图5是第三示例机器人的立体图；

图6A是图5的第三示例机器人的驱动装置的底视立体图而图6B是图6A的驱动装置的截面图；以及

图7是图5的第三示例机器人的分解图。

具体实施方式

图1A是用于沿倾斜表面行驶的示例机器人100的立体图。机器人100包括通过本体104连接的第一驱动装置102a和第二驱动装置102b。第一驱动装置102a和第二驱动装置102b各自具有相应的环形履带，所述环形履带与一对轮连接，形成顶表面106和平的底表面108。环形履带包括排布成至少一行的多个吸附孔110。第一驱动装置102a和第二驱动装置102b各自具有真空马达，该真空马达与真空室连接，真空室与平的底表面对准，真空马达通过在平的底表面上的吸附孔吸入空气。平的底表面具有一定的长度，该长度足以确保至少三个吸附孔接触倾斜表面。图1B是用于沿倾斜表面行驶的示例机器人150的立体图。除了机器人150的本体152包括至少一个涡轮154之外，机器人150与图1A的机器人100基本类似，涡轮154用于沿与平的底表面158相反的第一方向156排出空气，这样，平的底表面158可沿悬挂的系绳电缆的第二方向160移动。更详细的部件说明如下。

图2是机器人100的示意图，其中，第一驱动装置102以分解形式示出。环形履带106与一对轮连接，在机器人100的实施例中，所述一对轮包括驱动轮200和从动轮202。驱动轮200由驱动马达204驱动，驱动马达204固定地设置在马达安装架206上。驱动马达204通过套筒208与驱动轮200连接，套筒208与驱动轮200通过摩擦连接，驱动马达带动驱动轮200旋转，并且由此驱动环形履带106。驱动轮200可以通过摩擦连接或通过穿过多个吸附孔110的多个齿与环形履带106连接。真空马达210对真空毂部212提供真空，真空毂部212通过开口216与真空歧管214连接。真空歧管214进而对真空室218a、218b提供真空。真空室218a、218b的底面一侧设置有真空开口，真空开口与环形履带106的平的底表面108相对。当环形履带平的底面上设置的多个吸附孔118与真空开口对准时，空气通过对准的吸附孔吸入，由此在平的底表面108与倾斜表面之间产生了吸附。框架220对机器人100提供支持。为了对环形履带106提供可调节的张紧状态，马达安装架206设置有带螺纹的固定座224，所述固定座224固定地连接至框架220，固定座224与一个或更多个螺杆222相配合。操作螺杆222使马达安装架206朝向从动轮202移动或朝离开从动轮202的方向移动，并且由此张紧或放松环形履带106。

图3A是机器人100的在移除环形履带106的俯视图。图3B是设置有环形履带106机器人100的俯视图。设置在环形履带106中的多个吸附孔110排布成第一行302和第二行304，其中，环形履带的实部306设置在第一行302与第二行304之间。第一行302或第二行304中相邻的吸附孔同时与真空室提供的真空开口进行对接。

图4A是机器人100的截面图，示出了第一真空室218a、第二真空室218b和多个吸附孔110的相对位置关系。图4B是机器人100的底部的立体图。如图4B所示，第一真空室218a、第二真空室218b均设置有朝向平的底表面的真空开口。第一真空室218a、第二真空室218b设置有至少一个支撑结构，所述支撑结构防止环形履带106在真空条件下向内塌缩。在图4A的实施方式中，每个真空室分成子室。例如，真空室218分成第一子室400a、第二子室400b以及第三子室400c。第一子室400a和第二子室400b通过支承肋402分开，支承肋402对环形履带106起到支承作用。支承杆402具有至少一个连通孔404，第一子室400a通过连通孔404通向第二字室400b。第三子室400c的结构与与第一子室400a的结构类似。第二真空室218b的第二子室400b设置有阀410，所述阀410设置在通向真空歧管214的吸附孔上。阀410促使第二真空室219b打开和闭合。在第二真空室218b达到预定阈值压力以上时，阀410闭合，不会影响第二真空室218b中的压力，由此真空室中的至少一个真空室保持真空。实施方式之一，阀410通过至少一个弹簧致动，所述至少一个弹簧为阀410提供预定阻力。实施方式之二，阀410通过传感器和致动器致动，例如致动器可以通过由系绳电缆发送的控制信号进行控制。第一真空室218a在其子室中与阀408相对应。

第一真空室218a、第二真空室218b的宽度与环形履带106的宽度大体相等。在使用中，环形履带106通过一对轮旋转，能够将环形履带106上的吸附孔覆盖在真空室218a、218b上。在图4A的实施方式中，第一真空室218a通过在多个吸附孔110中的对准的吸附孔沿箭头412的方向吸入空气。当环形履带行进时，多个吸附孔110中的不同的吸附孔与第一真空室218a、第一真空室218b对准。在一定的条件下，只要有一个吸附孔是密封的，就足以保证第一真空室218a、第二真空室218b能够提供吸附力。如果因不完全的密封或因遇到缝隙发生泄漏，则其余吸附孔保持抽吸状态，直到吸附孔与真空室重新对准并且重新建立吸附为止。

本说明书中公开的机器人尤其用于对建筑物检查、非破坏性评估、监测、清洁竖向或倾斜表面。例如，参照图1B，机器人可以通过系绳电缆162在机器人待攀爬的侧面上下升降。系绳电缆162提供用于支承机器人的机械系绳并且为真空马达210和驱动马达204提供电力。控制信号可以通过系绳电缆162发送，控制机器人的运动。如果机器人失去其机器人待攀爬的侧面的吸附，可以使用涡轮将机器人推靠，重新在机器人待攀爬的侧面建立吸附。参见图5，图5描绘了通过涡轮从悬空位置推进至爬壁位置的机器人500。下面对机器人500作进一步的详细描述。

图6A是用于机器人500上的驱动装置600。驱动装置600包括环形履带602，环形履带602与一对轮604、606连接。环形履带602具有多个吸附孔，所述多个吸附孔通过真空马达610与真空室连接。(图6A中未示出)。

图6B是驱动装置600的截面图。真空马达600提供了三个真空室，第一真空室612、第二真空室614以及第三真空室616，所述三个真空室612、614以及616与驱动装置600的平的底表面上的吸附孔608，使得在每个对准的吸附孔处建立吸附。当第一真空室612达到预定阈值压力以上时，第一阀618打开，真空马达610与第一真空室612连通。类似地，当第三真空室616达到预定阈值压力以上时，第二阀620打开，真空马达610与的第三真空室616连通。当第二真空室614达到预定阈值压力以上时，第三阀619打开，真空马达610与第二真空室614连通。

图7是机器人500的分解图。机器人500包括驱动装置600、与驱动装置600基本相同的第二驱动装置700(在分解图中示出)、以及本体702。本体702包括至少一个涡轮704，所述至少一个涡轮704使空气沿箭头706的方向穿过，由此朝向驱动装置600、700的平的底表面推动机器人500。涡轮还可以通过电子控制系统致动，以更快的速度旋转产生推动机器人500朝向接触表面的的推力。环形履带708与齿型带710摩擦连接，齿型带710与一对轮712、714上的齿啮合。所述一对轮712、714由驱动马达716驱动。金属(例如钢)滑动器718设置在第一真空室612、第二真空室614和第三真空室616的底部边缘。环形履带708抵靠在金属滑动器718的平滑的边缘，形成真空，达到密封状态。上板720设置在金属滑动器718顶上，且对金属滑动器718提供结构制成，真空马达722固定设置在上板720上。

环形履带可以由柔性泡沫材料制成，如弹性片。这种柔性泡沫材料更易形成真空密封，并且可以使机器人能通过有轻微不平的表面，而且功能性的附件没有损失。

机器人的本体可以配备有无损检测设备或其他装备。无损检测设备的示例包括探地雷达(GPR)、摄像机、超声波探头等诸如此类的设备。机器人还用于在诸如玻璃建筑、风车塔体、水坝之类的倾斜表面上操纵。

本书面说明书使用的实施例来公开本发明，包括最佳的实施例，并且通过该说明，使得本领域的技术人员能够实施本发明，包括制造并且使用任何装置或系统以及实施任何包含的方法。本发明的可以取得的专利的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员能够想到的其他示例。在这样的其他示例具有与权利要求的文字表述相同的结构元件或包括与权利要求的文字表述无本质差异的等同结构元件的情况下，这样的其他示例也处于权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种用于驱动机器人的驱动装置，所述驱动装置包括：

一对轮，所述一对轮相对于本体以可旋转的方式设置；

环形履带，所述环形履带与所述一对轮连接，使所述环形履带形成平的底表面，所述环形履带具有多个吸附孔，其中，所述多个吸附孔中的至少三个所述吸附孔在所述平的底表面上；

真空马达，所述真空马达与所述底表面对准的真空开口的真空室连接，使得所述真空马达在所述吸附孔与所述真空开口对准时通过至少一个对准的吸附孔吸入空气，所述至少一个对准的吸附孔是所述至少三个吸附孔中的一个；

所述的真空开口设置在驱动装置的下方，真空开口包括第一真空室和第二真空室，第一真空室和第二真空室的每一个真空室的宽度大体上等于所述环形履带的宽度，第一真空室和第二真空室相邻设置，在一对轮的驱动下，多个吸附孔的每一个吸附孔依次越过第一个真空室、第二个真空室。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其中，所述第一真空室包括至少一个支承结构，所述至少一个支承结构设置于接触所述环形履带的所述第一真空室内，并且防止所述环形履带在所述第一真空马达工作时向内塌缩。

3.一种用于沿倾斜表面行驶的机器人，所述机器人包括：

本体，所述本体设置于第一驱动装置与第二驱动装置之间；

所述第一驱动装置和第二驱动装置，所述第一驱动装置和第二驱动装置各自包括：

一对轮，所述一对轮相对于所述本体以可旋转的方式设置；

环形履带，所述环形履带与所述一对轮连接，使得所述环形履带的平的底表面，所述环形履带具有多个吸附孔，其中，所述多个吸附孔中的至少三个所述吸附孔在所述平的底表面上；

真空马达，所述真空马达与所述底表面对准的真空开口的真空室连接，使得所述真空马达在所述吸附孔与所述真空开口对准时通过至少一个对准的吸附孔吸入空气，所述至少一个对准的吸附孔是所述至少三个吸附孔中的一个；

所述的真空开口设置在驱动装置的下方，真空开口包括第一真空室和第二真空室，第一真空室和第二真空室的每一个真空室的宽度大体上等于所述环形履带的宽度，第一真空室和第二真空室相邻设置，在一对轮的驱动下，多个吸附孔的每一个吸附孔依次越过第一个真空室、第二个真空室；

涡轮，所述涡轮用于沿与所述平的底表面相反的方向排出空气使得所述平的底表面朝倾斜表面推进。

4.根据权利要求3所述的机器人，其中，所述涡轮设置于所述本体中。

5.根据权利要求3所述的机器人，其中，马达安装架通过用于张紧装置连接至内部框架，所述马达安装架设置有从动轮，其中，所述马达安装架通过张紧装置的移动对所述环形履带施加张紧力。

6.根据权利要求3所述的机器人，其中，所述第一真空室的宽度大体上等于所述环形履带的宽度。

7.根据权利要求3所述的机器人，其中，所述环形履带中的所述多个吸附孔至少排布成两行，所述的至少两行包括第一行和第二行，所述第一行中的第一吸附孔和所述第二行中的第二吸附孔同时与所述第一真空室和第二真空室接触。

8.根据权利要求3所述的机器人，所述机器人包括通过歧管连接至所述真空马达的两个真空室，所述真空室与所述平的底表面对准。

9.根据权利要求3所述的机器人，其中，所述一对轮包括主动轮和从动轮，所述从动轮围绕轮毂旋转，所述轮毂固定地连接在所述本体上。

10.根据权利要求3所述的机器人，还包括系绳电缆，所述系绳电缆的第一端处连接至所述机器人，所述系绳电缆的第二端处连接至支承结构。

11.根据权利要求3所述的机器人，其中，所述环形履带由弹性体泡沫制成。

12.根据权利要求3所述的机器人，还包括驱动马达，所述驱动马达驱动所述一对轮中的至少一个轮。

13.根据权利要求4所述的机器人，其中，所述第一真空室包括至少一个支承结构，所述至少一个支承结构设置于所述第一真空室内，所述第一真空室接触所述环形履带，并且当所述真空马达工作时，防止所述环形履带向内塌缩。

14.根据权利要求13所述的机器人，其中，所述至少一个支承结构设置于所述第一真空室的周界内。

15.根据权利要求13所述的机器人，其中，所述至少一个支承结构设置于所述第一真空室的周界内，并且靠近所述第一真空室的中心。

16.根据权利要求13所述的机器人，其中，所述至少一个支承结构设置于所述第一真空室的周界内和至少一个支承结构细长肋，所述细长肋延伸至所述第一真空室的长度。

17.一种用于沿倾斜表面行驶的机器人，所述机器人包括：

本体，所述本体设置于第一驱动装置与第二驱动装置之间，所述本体具有至少一个输送管型风机，所述至少一个输送管型风机具有在所述本体的底部侧上的进气口，以及在所述本体的顶部侧上的排气口；

所述第一驱动装置和所述第二驱动装置，所述第一驱动装置和所述第二驱动装置各自包括：

环形履带，所述环形履带与一对可旋转的驱动轮连接，使得所述环形履带形成底表面和顶表面，所述环形履带具有多个吸附孔；

真空马达，所述真空马达连接至与所述底表面对准的真空开口的真空室，使得所述真空马达在所述多个吸附孔与所述真空开口对准时通过所述多个吸附孔吸入空气，并且将所述空气供给至所述本体中的所述至少一个输送管型风机，从而使得所述输送管型风机旋转并且施加朝向所述底表面推压所述机器人的力；

所述的真空开口设置在驱动装置的下方，真空开口包括第一真空室和第二真空室，第一真空室和第二真空室的每一个真空室的宽度大体上等于所述环形履带的宽度，第一真空室和第二真空室相邻设置，在一对轮的驱动下，多个吸附孔的每一个吸附孔依次越过第一个真空室、第二个真空室。

18.根据权利要求17所述的机器人，还包括系绳电缆，所述系绳电缆在所述系绳电缆的第一端处连接至所述本体，并且在所述系绳电缆的第二端处连接至支承结构。