CN106985925A - 一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于静电吸附原理的垂直表面攀爬任务平台，以单片机为主控核心，两路同轴高减速比力矩电机为执行元件，通过驱动电路电动机，带动上下两个张紧辊转动，从而实现静电吸附履带的运动。通过适当的自张紧机构实现履带的张紧，使履带适应不同硬度的表面，并且在控制电路中，通过调节控制电压实现高压供电模块输出控制，实现静电吸附作用力的调节。本发明攀爬任务平台有着较为充裕的载重量，可以携带多种传感器，如摄像头，放射线探伤仪，墙面清洁装置等，实现实用情境中如墙面清洁，监视和探测，壁面探伤，搜索救援等复杂任务。本发明的优点为：应用静电吸附原理和静电吸附结构，实现超低功耗，长续航时间能够适应有缝隙表面的特点。

Description

一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台

技术领域

本发明属于运动探测机器人技术领域,涉及一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台。

背景技术

目前在生产生活以及科学考察领域，存在很多需要进行垂直移动的实际应用场景，如高层建筑玻璃外墙的清洁，壁面探伤，垂直岩壁攀爬等，并且在消防，核工业，造船等具有一定危险性的行业同样存在这需要进行垂直攀爬和探测的实际需求，在这些使用场景中，传统机器人存在着一些难以克服的问题，从而限制了传统机器人的使用场景，静电吸附的基本原理是依靠高压电场使得放入其中的物体产生极化从而带点，异种电荷间产生吸力，当异种电荷间可靠绝缘时，产生稳定的吸力，其优点是功耗较小，附加设备较少，重量较轻，单位面积负载能力强，可以适用于有缝隙和灰尘较多的表面，并且其吸附力量较为稳定可调，噪音很小，垂直方向吸附力大。

目前垂直攀爬机器人运动方式一般有以下几种：

1、依靠涵道风扇或螺旋桨产生风力负压产生吸附力，配合轮式移动方式，此种方式移动速度较快，较为灵活，但是功耗大，受制于机器人重量和体积，续航时间很短，并且控制复杂，无法实现自主静止吸附，而且运动时噪音和震动较大。

2、依靠多路真空吸盘吸附足进行吸附和移动，此种方式法向吸附力较大，可以自主静止吸附，但是移动速度慢，功耗较大，并且对于表面平整度要求高，气路重量大，设计和控制都很复杂，在表面存在接缝或伸缩缝时无法工作。

3、仿生吸附和移动：模仿自然界中具有垂直攀爬能力的动物的微观结构，环境适应力较强，但是实现难度大，并且成本高昂，吸附力小并且存在结构易受到污染不易清洁，不能实现模块化等缺点。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于静电吸附原理的垂直表面攀爬任务平台单体，即一种使用静电吸附原理完成垂直攀爬和勘察，负重等指定任务需求的机器人，以其创新的静电吸附原理和静电吸附结构，实现超低功耗，长续航时间能够适应有缝隙表面的特点，完成传统垂直攀爬机器人难以完成的任务，充分利用静电吸附作用的优点，实现低功耗的垂直表面移动，并且控制简单，尺寸和载重容易等比例放大，从而为不同任务提供完整的解决方案体系。

本发明一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，包括机体支架、张紧辊、张紧支架与静电吸附膜。所述机体支架具有相互平行的左侧架与右侧架。所述张紧辊为两根，垂直于左侧架和右侧架设置，分别位于左侧架与右侧架前端和后端之间；其中一个张紧辊电动机驱动转动，另一个张紧辊被动转动。所述张紧支架为倒U型结构，安装于机体支架上；通过两根纵梁伸缩实现顶部横梁上下位置调节。

所述静电吸附薄膜为由柔性线路板工艺制成的具有梳齿型电极结构的薄膜，绕过前张紧辊、后张紧辊、张紧支架顶部横梁后两端相接固定，形成履带结构；通过张紧支架调节静电吸附薄膜张紧程度。

上述张紧支架的横梁上安装有簧片，同时在静电吸附膜上安装有接触条与簧片接触；并将高压供电模块与簧片相连，使高压供电模块的输出端通过簧片与接触条间导电，实现为静电吸附薄膜的供电；进而通过静电吸附薄膜提供吸力，使本发明垂直表面攀爬任务平台吸附于攀爬面上。

高压供电模块的输入端连接供电电池，供电电池还通过5V稳压器连接电动机的驱动电路，实现为高压供电模块与电动机的供电。供电电池还连接主控单片机，主控单片机连接电动机的驱动电路，通过主控单片机中的蓝牙模块实现上位机对电动机的蓝牙遥控，由上位机通过蓝牙模块发送控制信号至主控单片机，进而通过主控单片机控制电动机的转动速度和方向，由电动机驱动张紧辊转动，利用摩擦力带动静电吸附薄膜形成的履带结构运动，实现垂直表面攀爬任务平台在攀爬面上的移动。

本发明一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，还具有负载挂架，包括左尾架、右尾架与挂架。其中，左尾架与右尾架平行设置，前端分别固定于左侧架与右侧架后端；挂架为圆柱形支架，设置于左尾架与右尾架之间；挂架用来定位及安装负载，且使负载位置可调，进而实现本发明垂直表面攀爬任务平台的重心可调。

本发明的优点在于：

1、本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，具有梳齿形薄膜静电吸附结构和运动的机械结构，建构简单，可靠性高；

2、本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，具有较高的效率，能够在较低的功耗下实现对于垂直表面的攀爬，吸附装置重量较轻，节约能源，提高负载重量；

3、本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，采用了独创的履带薄膜吸附与行走一体化结构，对于含有缝隙的垂直表面能够实现移动，在垂直表面较为粗糙时仍能保证可靠的吸附力；

4、本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，采用柔性线路板薄膜加工工艺，使得履带柔性可变形，提高了对于不同表面的适应能力，在硬度不同的表面上均有较为良好的吸附功能；

5、本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，采用了尾部支架结构，将负载贴近机体重力作用线，减小了因为负载而产生的倾覆力矩，提高了工作的稳定性，并且提供了较为充裕的负载重量，可以执行多种不同的任务；

6、本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，采用了遥控控制与自主控制相结合的方式，可以在没有指令的情况下自主完成在垂直表面的静止吸附，降低了操作员的操作频率，减轻了人工的工作负担。

附图说明

图1是本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台结构整体示意图；

图2是本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台结构整体爆炸图；

图3是本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台的中间支架的结构示意图；

图4是本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台的上张紧辊结构示意图；

图5是本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务的张紧支架的结构示意图；

图6是本发明基于静电吸附的垂直表面攀爬任务的静电吸附膜结构示意图。

图中：

1-机体支架 2-张紧辊 3-张紧支架

4-静电吸附膜 5-负载挂架 6-簧片

7-接触条 8-高压供电模块 9-控制盒

101-左侧架 102-右侧架 103-中间支架

103a-插接头 103b-插槽 201-前张紧辊

202-后张紧辊 203-端面槽 204-电动机

301-横梁 302-纵梁 501-左尾架

502-右尾架 503-挂架

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，包括机体支架1、张紧辊2、张紧支架3、静电吸附膜4、负载挂架5与供电系统，如图1所示。

所述机体支架1包括左侧架101、右侧架102与中间支架103，如图1、图2所示。其中，左侧架101与右侧架102平行设置，中部间通过中间支架103相连。所述中间支架103为X型框架结构。中间支架103四个端部的端面上设计有楔形结构的插接头103a，如图3所示；其中，中间支架103左方两个端部的插接头103a分别与左侧架101上设计的两个矩形插槽103b配合插接固定；中间支架103右方两个端部的插接头103a分别与右侧架101上设计的矩形插槽103b配合插接固定，以此实现中间支架103与左侧架101和右侧架102间的连接固定。通过中间支架103保证左侧架101与右侧架102平行位置关系，同时中间支架103上安装张紧支架3。

所述张紧辊2为两根，令分别为前张紧辊201与后张紧辊202；前张紧辊201与后张紧辊202均垂直于左侧架101和右侧架102，前张紧辊201设置于左侧架101与右侧架102前端之间，后张紧辊202设置于左侧架101与右侧架102后端之间。前张紧辊201通过电动机204驱动转动；电动机204可采用1个或2个；当采用一个电动机204时，将前张紧辊201一端通过轴承与右侧架102相连，在前张紧辊201另一端端面上设计矩形端面槽203，如图4所示，与通过M3螺钉安装于左侧架101前端的电动机204输出轴的矩形端部配合插接固定。当采用两个电动机204时，可弥补一个电动机204的动力输出不足，此时在前张紧辊301两端均设计矩形端面槽203，分别与通过M3螺钉安装于左侧架101和右侧架102前端的电动机304输出轴的矩形端部配合插接固定，通过两个电动机204同步运动，驱动前张紧辊201转动。后张紧辊302通过两端设计的阶梯型轴肩，与内嵌在左侧架101与右侧架102后端的轴承配合相连。

所述张紧支架3为由一根横梁301与两根纵梁302构成的倒U型一体结构框架，如图5所示；其中，两根纵梁302一端与横梁301两端相接；两根纵梁302另一端设计有u型结构插接头303，分别与中间支架103上，靠近中间支架103下方两端端部的对称位置插接固定，并使横梁301位于机体支架1上方，垂直于左侧架101和右侧架102设置。上述两根纵梁302为可伸缩梁，通过两根纵梁302周向上的伸缩，实现对横梁301高度的调节。

所述静电吸附薄膜4为由柔性线路板工艺制成的具有梳齿型电极结构的薄膜，如图6所示。梳齿型电极的设计中将电极尖端的间隔适当增大至10mm～15mm，避免因为尖端放电现象导致线路击穿而产生损坏，在梳齿型电极的加工中，使用聚酰亚胺材质的基材和覆盖材料，提高绝缘性能避免因为电压较高时因为漏电流过大而产生的模块过热损坏。静电吸附薄膜4绕过前张紧辊201、后张紧辊202、张紧支架3的横梁301以及中间支架103外侧后两端相接固定，形成履带结构，并使静电吸附薄膜4靠近中间支架103一侧面(履带结构底面)平行于中间支架103，且与中间支架103间具有间隙，同时高于机体支架1的下侧面。上述履带结构的静电吸附薄膜5可通过张紧支架3调节张紧程度，保持其处于张紧状态。

所述供电系统包括簧片6、接触条7、高压供电模块8与供电电池。其中，簧片6为两个，分别安装于张紧支架3的横梁301两端，如图5所示；同时接触条7为两条，采用铜箔材料，分别沿静电吸附膜4前后方向粘贴于静电吸附膜4内侧壁两侧，与梳齿型电极接触，如图6所示；且两条接触条7分别与两个簧片6接触。高压供电模块8安装于左侧架101外侧，如图1、图2所示，通过导线与簧片6相连。从而高压供电模块8的输出端通过簧片6与接触条7间导电，实现静电吸附薄膜4的供电，进而通过静电吸附薄膜4内部设计的梳齿型电极结构提供吸力，使本发明垂直表面攀爬任务平台吸附于攀爬面上；且可根据不同攀爬面的特点，采用不同的吸附电压，从而产生大小可调的吸附力，不至于损伤表面。所述簧片6与静电吸附薄膜4接触端以冲压工艺加工为圆钝型，避免簧片6与静电吸附膜4接触时的摩擦而划破静电吸附膜4，造成静电吸附薄膜4的整体破损；同时，在高压供电模块8的输出端与簧片6的连接处应当采用氩弧焊焊接工艺，从而保证簧片6与高压供电模块8输出端引线间良好的导电性能。高压供电模块8输入端连接有开关，用于控制高压供电模块8的通断电。供电电池通过导线连接高压供电模块8的输入端，并通过导线与5V稳压器连接电动机304的驱动电路，实现为高压供电模块8与电动机204的供电。供电电池还通过导线连接到Arduino nano主控单片机，主控单片机通过导线连接电动机204的驱动电路，通过主控单片机中的蓝牙模块实现上位机对电动机204的蓝牙遥控，由上位机通过蓝牙模块发送控制信号至主控单片机，进而通过主控单片机控制电动机204的转动速度和方向，由电动机204驱动前张紧辊201转动，利用摩擦力带动静电吸附薄膜4形成的履带结构运动，实现垂直表面攀爬任务平台在攀爬面上的移动。

本发明中的机器人还提供了负载挂架5，包括左尾架501、右尾架502与挂架503，如图1所示；其中，左尾架501与右尾架502平行设置，相互对称，前端分别通过M3螺钉固定安装于左侧架101与右侧架102后端，且轴线分别与左侧架101与右侧架102轴线重合。挂架503为圆柱形支架，设置于左尾架501与右尾架502之间，垂直于左尾架501与右尾架502。挂架503通过两端设计的柱形突起，与左尾架501和右尾架502前部设计的插孔间配合插接固定。挂架503用来定位及安装负载，且使负载位置可调，进而实现本发明垂直表面攀爬任务平台的重心可调，使垂直表面攀爬平台的重心位于机体支架1的中线上。

上述负载包括主控单片机、电动机的驱动电路以及任务载荷；其中，主控单片机与驱动电路集成于控制盒9内，套接于挂架503上，如图1所示。对于任务载荷可为摄像头，可通过主控单片机接收摄像头获取的图像信息，并回传至上位机；任务载荷可为放射线探伤仪，可通过编写主控单片机的模块化程序实现实时监测并将结果回传给上位机；任务载荷可为清洁模块，实现对于光滑墙体的清洁和维护。

本发明静电吸附的垂直表面任务攀爬平台中，所采用的电动机204为N20型电动机，其额定转速为20rpm，搭配4cm直径的张紧辊，可以实现每分钟约2.4m的移动速度；N20型电动机的堵转转矩为5KG·CM，减速比1000:1，具有良好的自锁性能和机械特性，可以实现在无外加控制电压的状态下的机械自锁，对于实现垂直固定吸附有重要作用。所采用的高压供电模块8为Q40H模块，可以实现在5V输入状态下的4000V输出，体积较小，输出电压可调，且线性度很高，重量轻，能够满足实际需求。

本发明静电吸附的垂直表面任务攀爬平台的沿移动方向摩擦力较大从而实现了垂直攀爬的运动，在机体自重800g的基础上仍能有效负载1.5kg以上的质量，并且在移动方向的法向压力较小，可以有效避免因为被吸附材料强度问题而造成的材料损坏，可以越过比较宽的垂直平面缝隙，移动方式以直线移动为主。

Claims (8)

1.一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，其特征在于：包括机体支架、张紧辊、张紧支架、静电吸附膜；

所述机体支架具有相互平行的左侧架与右侧架；所述张紧辊为两根，垂直于左侧架和右侧架设置，分别位于左侧架与右侧架前端和后端之间；其中一个张紧辊电动机驱动转动，另一个张紧辊被动转动；所述张紧支架为倒U型结构，安装于机体支架上；通过两根纵梁伸缩实现顶部横梁上下位置调节；

所述静电吸附薄膜绕过前张紧辊、后张紧辊、张紧支架顶部横梁后两端相接固定，形成履带结构；通过张紧支架调节静电吸附薄膜张紧程度；

上述张紧支架的横梁上安装有簧片，同时在静电吸附膜上安装有接触条与簧片接触；并将高压供电模块与簧片相连，使高压供电模块的输出端通过簧片与接触条间导电，实现为静电吸附薄膜的供电；

高压供电模块的输入端连接供电电池，供电电池还通过5V稳压器连接电动机的驱动电路，实现为高压供电模块与电动机的供电。

2.如权利要求1所述一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，其特征在于：左侧架与右侧架间安装有X型结构的中间支架。

3.如权利要求1所述一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，其特征在于：静电吸附膜为由柔性线路板工艺制成的具有梳齿型电极结构的薄膜。

4.如权利要求3所述一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，其特征在于：梳齿型电极尖端的间隔L为10mm～15mm。

5.如权利要求3所述一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，其特征在于：梳齿型电极使用聚酰亚胺材质的基材和覆盖材料。

6.如权利要求1所述一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，其特征在于：供电电池连接主控单片机，主控单片机连接电动机的驱动电路，通过主控单片机中的蓝牙模块实现上位机对电动机的蓝牙遥控，由上位机通过蓝牙模块发送控制信号至主控单片机，进而通过主控单片机控制电动机的转动速度和方向。

7.如权利要求1所述一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，其特征在于：还具有负载挂架，包括左尾架、右尾架与挂架；其中，左尾架与右尾架平行设置，前端分别固定于左侧架与右侧架后端；挂架为圆柱形支架，设置于左尾架与右尾架之间；挂架用来定位及安装负载，且使负载位置可调。

8.如权利要求1所述一种基于静电吸附的垂直表面攀爬任务平台，其特征在于：重心位于机体支架的中线上。