CN107140051A - 一种爬墙机器人及其脚掌及其脚掌吸附方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种爬墙机器人及其脚掌及其脚掌吸附方法，所述爬墙机器人脚掌包括吸盘，吸盘与支撑结构相连接；支撑结构包括环绕设置在吸盘外部的支撑架；其能够使得吸盘承受较大的负载，能够承担起各个方向的力，而不是单方向的力，能够将吸附力的方向和负载的重力最大程度做到平行，从而最大程度的提高吸附效率。

Description

一种爬墙机器人及其脚掌及其脚掌吸附方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种爬墙机器人及其脚掌及其脚掌吸附方法。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，爬墙机器人也越来越得到广泛的应用，通过真空泵提供负压产生吸附力的爬墙机器人，其能否成功的在墙面上运动，取决于电机能否负载起整体自身的重量，以及气泵提供的负压在吸盘上产生的吸力能否支撑起整体自身的重量。

现有的爬墙机器人多采用多个吸盘吸附在墙面上，需要同时至少有两只吸盘进行完全吸附以提供支撑力，才能支撑起整个脚掌，但是仅单脚掌吸附在墙面上提供支撑力的爬墙机器人多存在受整体自身重力影响，使得吸盘受到向上撬动的力，导致形变的问题，从而导致爬墙机器人的爬墙动作失败。

公开号为CN205706942U，名称为“攀壁机器人吸附脚”的中国发明专利文献公开了一种攀壁机器人吸附脚，属于攀爬装置领域，包括永磁吸盘，永磁吸盘的操作杆上设有齿轮A，齿轮A与通过链条与齿轮B配合，齿轮B安装在动力机构的动力输出轴上，动力装置的控制端连接到控制装置，其虽然可以使机器人在竖直方向进行攀登，但是其同样存在爬墙机器人的脚掌结构受整体自身重力影响，使得脚掌受到向上撬动的力，导致形变的问题。

公开号为CN203381704U，名称为“爬壁机器人伸缩脚臂”的中国发明专利文献公开了一种爬壁机器人伸缩脚臂，其每个伸缩脚臂单元的结构是，包括气缸座，气缸座通过顶部的接耳与滑杆固定连接，气缸座通过水平接耳与横杆固定连接，气缸座向下与脚臂气缸缸体固定连接，脚臂气缸活塞杆下端与吸盘固定板固定连接，吸盘固定板下表面固定安装有真空吸盘，其在伸缩脚臂上设置有折叠板，使得在吸盘受力时，将大部分力由折叠板直接传至气缸座，受力就不会由气缸单独承载，保护了气缸，但是其却存在结构复杂，且同样受整体自身重力影响，使得脚掌受到向上撬动的力，导致形变的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种爬墙机器人及其脚掌及其脚掌吸附方法，用以解决现有的爬墙机器人仅单脚掌吸附在墙面上提供支撑力的爬墙机器人多存在受整体自身重力影响，使得吸盘受到向上撬动的力，导致形变的问题，从而避免爬墙机器人的爬墙动作失败。

为实现上述目的，本发明一方面提供一种爬墙机器人脚掌。具体地，该爬墙机器人脚掌包括如下结构：

所述爬墙机器人脚掌，包括吸盘，吸盘与支撑结构相连接；支撑结构包括环绕设置在吸盘外部的支撑架。

可选地，支撑架包括下支撑环板，下支撑环板套设在吸盘的外部，且下支撑环板位于吸盘的中部位置。

可选地，支撑架还包括上支撑环板，上支撑环板设置在吸盘外的上部；上支撑环板和下支撑环板之间通过连接杆相连接。

可选地，吸盘与吸盘座相连接，上支撑环板与吸盘座连接件相连接；吸盘座与吸盘座连接件以间隙配合方式相连接；吸盘、上支撑环板和下支撑环板均设为同心的圆形。

可选地，吸盘座连接件上设置有微动开关，微动开关的中部设置有固定用的孔位，吸盘座连接件上设置有与孔位相对应匹配的卡扣，吸盘座连接件通过卡扣卡入孔位内与微动开关连接；微动开关的顶部设置有按钮，吸盘座的顶部设置有卡槽，卡槽内卡设有位于按钮上方的微动卡环。

可选地，吸盘座的中部套设有弹簧，吸盘座设置有支台，弹簧设置在上支撑环板与支台之间。

本发明另一方面提供一种爬墙机器人。具体地，该爬墙机器人包括如下结构：

所述爬墙机器人，包括如本发明一个方面所述的爬墙机器人脚掌，其设置有具有五自由度的五个轴。

可选地，五个轴中，三个轴串联形成前后运动，两个轴独立形成旋转转向运动。

本发明再一方面提供一种爬墙机器人脚掌的吸附方法，包括以下步骤：

将所述爬墙机器人脚掌的结构设置为：包括吸盘，吸盘与支撑结构相连接；支撑结构包括环绕设置在吸盘外部的支撑架；

启动电机，以控制脚掌竖直下压时，当吸盘接触到墙面后，吸盘被墙面顶起，单片机控制打开气泵气阀电路，开始抽气；

通过单片机检测微动开关的信号，如果在设定时间内得到微动开关预定的信号，则得出结论为吸盘漏气量小于设定值，脚掌可以支撑起整个机体，其过程为吸盘与墙面之间的缝隙小于设定值，漏气量小于抽气量，吸盘内部真空度上升，吸盘变形、下压，吸盘带动微动卡环下压并压住微动开关上部的按钮，单片机得到信号，吸盘内的真空度达到设定值后，脚掌支撑起整个爬墙机器人的机体；

如果在设定时间内未得到微动开关预定的信号，则得出结论为吸盘漏气量大于设定值，吸盘内没有变化，吸盘不变形，微动开关按钮不再被压下，脚掌不能支撑起整个爬墙机器人的机体，则继续选择其他落脚点。

可选地，将所述爬墙机器人的脚掌的支撑架结构设置为：支撑架包括下支撑环板，下支撑环板套设在吸盘外的中部；支撑架还包括上支撑环板，上支撑环板设置在吸盘外的上部；上支撑环板和下支撑环板之间通过连接杆相连接；吸盘与吸盘座相连接，上支撑环板与吸盘座连接件相连接；吸盘座与吸盘座连接件以间隙配合方式相连接；吸盘、上支撑环板和下支撑环板均设为同心的圆形；吸盘座连接件上设置有微动开关，微动开关的中部设置有固定用的孔位，吸盘座连接件上设置有与孔位相对应匹配的卡扣，吸盘座连接件通过卡扣卡入孔位内与微动开关连接；微动开关的顶部设置有按钮，吸盘座的顶部设置有卡槽，卡槽内卡设有位于按钮上方的微动卡环；吸盘座的中部套设有弹簧，吸盘座设置有支台，弹簧设置在上支撑环板与支台之间；

将所述爬墙机器人的脚掌的初始状态设置为：弹簧被初步压缩，弹力方向向下，使得吸盘和吸盘座往下自然悬空，此时吸盘底部低于下支撑环板的底部，吸盘处于松弛状态，卡在吸盘座上的微动卡环向下压着微动开关，微动开关处于触发状态；

启动电机，控制脚掌竖直下压，当吸盘接触到墙面后，吸盘和吸盘座被墙面顶起，吸盘座上移，弹簧被继续压缩，吸盘座上方的微动卡环跟着上升，微动开关的按钮被松开，此时吸盘仍然处于松弛状态，仅将吸盘和吸盘座通过电机的下压向上顶起，下压过程中，通过单片机收到微动开关被松开的信号后，则确定吸盘正常顶起、吸盘接触到墙面的信息，则单片机控制打开气泵气阀电路，开始抽气；

通过单片机检测微动卡环与微动开关之间的位置状态信息，如果在设定时间内检测到微动卡环再次压住微动开关的按钮的信息，则得出吸盘内漏气量小于抽气量的结论，则继续抽真空，使得吸盘完全下压至墙面，使得脚掌支撑起整个机体；

如果在设定时间内检测不到微动卡环再次压住微动开关的按钮的信息，则得出吸盘内漏气量大于抽气量的结论，吸盘不能下压或完全下压至墙面，不能使得脚掌支撑起整个机体，则继续选择其他落脚点。

本发明方法具有如下优点：

本发明的爬墙机器人及其脚掌及其脚掌吸附方法，能够解决现有的爬墙机器人的双吸盘结构所存在的受整体自身重力影响，使得吸盘受到向上撬动的力，导致形变的问题，从而避免爬墙机器人的爬墙动作失败，其能够使得吸盘承受较大的负载，能够承担起各个方向的力，而不是单方向的力，能够将吸附力的方向和负载的重力最大程度做到平行，从而最大程度的提高吸附效率；其尤其适用于单只吸盘吸附在墙面上的情况，由于外部的支撑架结构对其受力情况进行优化，使其通过单只吸盘即能够提供较大的吸附力。

附图说明

图1为爬墙机器人的脚掌在工作状态的受力示意图。

图2为本发明的爬墙机器人脚掌的结构示意图。

图3为本发明的爬墙机器人脚掌的剖面示意图。

图4为本发明的爬墙机器人脚掌的吸盘的结构示意图。

图5为本发明的爬墙机器人脚掌的下支撑板的结构示意图。

图6为本发明的爬墙机器人脚掌的上支撑板的结构示意图。

图7为本发明的爬墙机器人脚掌的连接杆的结构示意图。

图8为本发明的爬墙机器人脚掌的吸盘座的结构示意图。

图9为本发明的爬墙机器人脚掌的吸盘座连接件的结构示意图。

图10为本发明的爬墙机器人脚掌的微动开关的结构示意图。

图11为本发明的爬墙机器人脚掌的微动卡环的结构示意图。

图12为本发明的爬墙机器人脚掌的吸附方法的吸盘悬空状态主视图。

图13为本发明的爬墙机器人脚掌的吸附方法的吸盘被底面顶起状态主视图。

图14为本发明的爬墙机器人脚掌的吸附方法的吸盘吸附完全状态主视图。

图15为本发明的爬墙机器人脚掌的吸附方法的吸盘悬空状态侧视图。

图16为本发明的爬墙机器人脚掌的吸附方法的吸盘被底面顶起状态侧视图。

图17为本发明的爬墙机器人脚掌的吸附方法的吸盘吸附完全状态侧视图。

图18为本发明的爬墙机器人脚掌的吸附方法的吸盘悬空状态示意图。

图19为本发明的爬墙机器人脚掌的吸附方法的吸盘被底面顶起状态示意图。

图20为本发明的爬墙机器人脚掌的吸附方法的吸盘吸附完全状态示意图。

图中，1为吸盘，2为下支撑环板，3为上支撑环板，4为连接杆，5为吸盘座，6为吸盘座连接件，7为微动开关，8为微动卡环，9为弹簧，10为气管接口。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

参见图1至图4，一种爬墙机器人脚掌，包括吸盘1，吸盘1与支撑结构相连接；支撑结构包括环绕设置在吸盘1外部的支撑架。

本实施例的爬墙机器人脚掌的吸附方法，参见图12至图20包括以下步骤：启动电机，以控制脚掌竖直下压时，当吸盘1接触到墙面后，吸盘1被墙面顶起，单片机控制打开气泵气阀电路，开始抽气；

通过单片机检测微动开关的信号，如果在设定时间内得到微动开关7预定的信号，则得出结论为吸盘1漏气量小于设定值，脚掌可以支撑起整个机体，其过程为吸盘与墙面之间的缝隙小于设定值，漏气量小于抽气量，吸盘1内部真空度上升，吸盘1变形、下压，吸盘1带动微动卡环8下压并压住微动开关7上部的按钮，单片机得到信号，吸盘1内的真空度达到设定值后，脚掌支撑起整个爬墙机器人的机体；

如果在设定时间内未得到微动开关7预定的信号，则得出结论为吸盘1漏气量大于设定值，吸盘1内没有变化，吸盘1不变形，微动开关7按钮不再被压下，脚掌不能支撑起整个爬墙机器人的机体，则继续选择其他落脚点。

其中，预定的信号可以是微动卡环8压住微动开关7上部按钮的信号。

参见图1至图20，可见，本实施例的爬墙机器人脚掌，其通过支撑架与吸盘1相连接，对吸盘1起到辅助支撑的作用，当吸盘1稳定的吸附在墙面上时，整个脚掌视为一个刚性的整体，优选的脚掌为圆形，参见图1，左边为墙面，右侧为支撑架，F1为吸盘的拉力，F2为爬墙机器人的重力，F3为墙面对脚掌的支撑力，F4为摩擦力，d1为重力的力臂，d2为脚掌的半径，M为力矩。一般情况下假定脚盘下方防滑有效，所以简化为铰链，若是要使得机器人能吸附在上面，则有：

∑F＝0 (1)

∑M＝0 (2)

F1＝F3 (3)

F4＝F2 (4)

F1×d2-F2×d1＝0 (5)

由式(1)至式(5)得出：

从式(6)可知，当脚掌的半径d2越大时，吸盘1所受到的拉力就越小，所以吸盘1的拉力F1和脚掌的半径d2之间的关系是：随着d2的增加，F1降低。但是在实际中，脚掌越大，爬墙机器人机身的重量也越大；这里优选脚掌的半径d2为120mm；假设支撑架支撑在墙面上不打滑，那么当F2有负载重力时，由于有了支撑架，吸盘1则不会受到巨大的撬动的力量，而是有很大一部分通过支撑架的支撑作用，转换成了与吸附力F1平行的拉力，其能够使得吸盘承受较大的负载，能够承担起各个方向的力，而不是单方向的力，能够将吸附力的方向和负载的重力最大程度做到平行，从而最大程度的提高吸附效率。需要说明的是，这里的吸盘1优选为双层吸盘，其吸附力会比单层吸盘大一些，而且允许有一定的斜向上的拉力和位移量，从而提高辅助吸附效果；其适用于单只吸盘1吸附在墙面上的情况，由于外部的支撑架结构对其受力情况进行优化，使其通过单只吸盘1即能够提供较大的吸附力。

实施例2

参见图5，一种爬墙机器人脚掌，与实施例1相似，所不同的是，支撑架包括下支撑环板2，下支撑环板2套设在吸盘1的外部，且下支撑环板2位于吸盘1的中部位置。这样，能够使得支撑架的下支撑板2的结构起到稳定支撑的作用。

参见图6，优选的，支撑架还包括上支撑环板3，上支撑环板3设置在吸盘1外的上部。这样，能够进一步使得支撑架起到稳定支撑的作用，优化受力结构。

参见图7，优选的，上支撑环板3和下支撑环板2之间通过连接杆4相连接。这样，能够使得支撑架的上支撑环板3和下支撑环板2之间的连接结构更加稳定，且连接方便。

需要说明的是，连接杆4可以设置为倾斜的“Z”字形结构，连接杆4的顶面可以与上支撑环板3的底面相连接，连接杆4的底面可以与下支撑环板2的顶面相连接，连接杆4的顶面和底面上可以分别设置有螺纹通孔，上支撑环板3和下支撑环板2的顶面上可以分别设置有与螺纹通孔相对应匹配的螺纹孔，螺纹通孔和螺纹孔内分别设置有螺栓或螺钉，以将连接杆4分别与上支撑环板3及下支撑环板2相连接。另外，上支撑环板3的尺寸小于下支撑环板2的尺寸，则倾斜的“Z”字形结构的连接杆4的倾斜方向为由内到外向下倾斜。连接杆4的数量为至少两个，且均匀对称分布，优选为四个。

实施例3

参见图8，一种爬墙机器人脚掌，与实施例2相似，所不同的是，吸盘1与吸盘座5相连接，上支撑环板3与吸盘座连接件6相连接。这样，下支撑环板2用于与吸盘1一起贴合在墙面上起到支撑作用，能够使得吸盘1自身的结构更加稳定，同时使得吸盘1与支撑架的连接结构更为稳定。

参见图9，优选的，吸盘座5与吸盘座连接件6以间隙配合方式相连接。这样，上支撑环板2的中心位置处可以与吸盘座连接件6相连接，能够优化吸盘1的整体的连接结构，提高平衡稳定性。需要说明的是，吸盘座连接件6下部设置有突出部分，用来与上支撑环板3的中心相套连接，其以过渡配合的方式相连接；进一步的，吸盘座连接件6上可以设置两个用于螺丝固定的孔位，从而将吸盘座连接件6与上支撑环板3相固定，这样能够使得连接更加牢靠，同时防止吸盘座连接件6套和后旋转。

需要说明的是，吸盘座5的上部可以设置有凸起的键，吸盘座连接件6可以设置为圆筒形，吸盘座连接件6的内壁上可以设置有与键相对应匹配的键槽，吸盘座连接件6套设在吸盘座5的外部，且键设置在键槽内。

优选的，吸盘1、上支撑环板3和下支撑环板2均设为同心的圆形。这样，能够提高脚掌整体的平衡稳定性能，优化辅助吸附结构。上支撑环板3可以设置为“8”字形的双环结构，其中一个环的直径大于另一个环的直径。直径较大的环内设置有十字形的加强筋，加强筋的中心处设置有圆环形的配合环，吸盘座连接件6穿过配合环。连接杆4与直径较大的环相连接，直径较小的环用于与爬墙机器人的机身相连接。

实施例4

参见图10，一种爬墙机器人脚掌，与实施例3相似，所不同的是，吸盘座连接件6上设置有微动开关7，微动开关7的中部设置有固定用的孔位，吸盘座连接件6上设置有与孔位相对应匹配的卡扣，吸盘座连接件6通过卡扣卡入孔位内与微动开关7连接。这样，将微动开关7固定在脚掌上，能够通过微动开关7反馈吸盘1的漏气情况。

参见图11，优选的，微动开关7的顶部设置有按钮，吸盘座5的顶部设置有卡槽，卡槽内卡设有位于按钮上方的微动卡环8。这样，能够优化微动开关7的检测方式。

需要说明的是，微动开关7可以固定在吸盘座连接件6右侧。吸盘座5的下部用于套合吸盘1的上部，吸盘1与吸盘座5之间的间隙用胶水粘死，防止漏气，吸盘座5上可以设置用于接通气管的气管接口10，吸盘座5的上半部分用于与吸盘座连接件6做间隙配合，可以实现上下滑动，吸盘座5的顶部设置卡槽，卡槽内卡设一个微动卡环8，用于吸盘座5做上下运动时，触发微动开关7。微动卡环8可以设置为扳手状，微动卡环8的一侧设置有开口。

实施例5

参见图19，一种爬墙机器人脚掌，与实施例4相似，所不同的是，吸盘座5的中部套设有弹簧9，吸盘座5设置有支台，弹簧9设置在上支撑环板3与支台之间。弹簧9可以设置为非固定的结构，弹簧9的顶部顶着上支撑环板3，下部顶着吸盘座5，其主要起到复位的作用。这样，能够使得吸盘1在向上运动时，弹簧9被压缩，吸盘1悬空时，吸盘座5能够被弹簧9恢复回原来的位置。

需要说明的是，弹簧9可以设置在吸盘座5的中部，吸盘1悬空时，吸盘座5能够被弹簧9恢复回原来的位置，即最低状态。

本实施例的爬墙机器人的脚掌吸附方法，参见图12至图20，包括以下步骤：

将所述爬墙机器人的脚掌的初始状态设置为：弹簧9被初步压缩，弹力方向向下，使得吸盘1和吸盘座5往下自然悬空，此时吸盘1底部低于下支撑环板2的底部，吸盘1处于松弛状态，卡在吸盘座5上的微动卡环8向下压着微动开关7，微动开关7处于触发状态；

启动电机，控制脚掌竖直下压，当吸盘1接触到墙面后，吸盘1和吸盘座5被墙面顶起，吸盘座5上移，弹簧9被继续压缩，吸盘座5上方的微动卡环8跟着上升，微动开关7的按钮被松开，此时吸盘1仍然处于松弛状态，仅将吸盘1和吸盘座5通过电机的下压向上顶起，下压过程中，通过单片机收到微动开关7被松开的信号后，则确定吸盘1正常顶起、吸盘1接触到墙面的信息，则单片机控制打开气泵气阀电路，开始抽气；

通过单片机检测微动卡环8与微动开关7之间的位置状态信息，如果在设定时间内检测到微动卡环8再次压住微动开关7的按钮的信息，则得出吸盘1内漏气量小于抽气量的结论，则继续抽真空，使得吸盘1完全下压至墙面，使得脚掌支撑起整个机体；

如果在设定时间内检测不到微动卡环8再次压住微动开关7的按钮的信息，则得出吸盘1内漏气量大于抽气量的结论，吸盘1不能下压或完全下压至墙面，不能使得脚掌支撑起整个机体，则继续选择其他落脚点。

本发明的爬墙机器人及其脚掌及其脚掌吸附方法，如果考虑到漏气情况监测的问题，则在吸盘1的悬空状态下，吸盘1的高度低于下支撑环板2，微动卡环8压着微动开关7，此时微动开关7处于开的状态，则当电机不断控制脚掌竖直下压时，吸盘1会被墙面顶起，吸盘座5上移，微动卡环8上移，且并未压着微动开关7，此时微动开关7处于关的状态，脚掌停止下压，开始抽气产生负压，吸盘1内的空气被抽走，产生真空，由于优选的吸盘1为双层吸盘，所以吸盘1本身会被压缩，产生一段竖直的位移，带动吸盘座5下移，吸盘座5恢复自然状态时候的位置，但是吸盘1被压缩，即双层吸盘自身的褶皱高度差等于吸盘1底部与下支撑环板2底部的高度差。吸附完全时，下支撑环板2正好支撑在墙面上，并且下支撑环板2对墙面有一定的压力，此时，吸盘1、吸盘座5、下支撑环板2、吸盘座连接件6等部件所组合成的脚掌形成一个整体。

本发明的爬墙机器人及其脚掌及其脚掌吸附方法，下支撑环板2的底面可以设置橡胶垫，其能够起到脚掌底部的防滑作用，与此同时，作用在吸盘座5上的压力传导到下支撑环板2底下的橡胶垫上，压着橡胶垫与接触面接触；另一方面，橡胶垫提供摩擦力的来源，使机器人可以避免在墙上滑动，其作用不仅在于固定机器人的一个部分，还可以使得一旦脚掌部分吸牢，机身是可以任意运动的，其可以作为机器人的基座，而换脚吸附可以作为换基座立足。另外，由于吸盘座5与吸盘座连接件6之间是间隙配合连接，所以可以上下滑动，并且在吸附完成时，自动锁住整个脚掌，使得脚掌成为刚性整体，所以在吸附过程中，吸盘1的吸紧和松开运动对机器人的机体没有影响，即在吸附时所产生的位移不会使得机器人本身产生晃动或者位移。此外，吸盘座连接件6上可以设置传感器，以利用吸附过程中产生的位移，对吸附面的漏气情况进行判断和反馈，如果漏气，则说明吸盘1不能提供足够的吸附力支撑整个机体，从而为机器人提供安全保障。

爬墙机器人的脚掌在自然状态下，由于吸盘座5中部有弹簧9，弹簧9处于稍被压缩状态，弹力方向向下，使得吸盘1和吸盘座5往下自然悬空，此时吸盘1底部低于下支撑环板2的底部大约6mm，双层的吸盘1处于松弛状态，吸盘1底面距离吸盘1的支撑面有大约8mm，卡在吸盘座5最上方的微动卡环8向下始终压着微动开关7的按钮，微动开关7处于触发状态，微动开关7上可以设置触发弹片，以提高触发效果。当电机不断控制脚掌竖直下压时，如果吸盘1是正对墙面，吸盘1底部最先触碰到墙面，当吸盘1接触到墙面后，吸盘1和吸盘座5会被墙面顶起，吸盘座5上移，弹簧9被压缩，吸盘座5上方的微动卡环8跟着上升，微动开关7的按钮被松开，这时候吸盘1仍然处于松弛状态，只不过是把吸盘1和吸盘座5通过电机的下压，而被墙面向上顶起而已，由于机体本身有着一定的弹性和柔性，所以下压量可以大约为6mm。当下压过程中单片机收到微动开关7被松开的信号后，就能够确定吸盘1正常顶起，吸盘1接触到墙面等信息，就可以进行下一步操作，当上一步完成后，单片机控制打开气泵气阀电路，开始抽气；此时如果吸盘1与墙面之间缝隙较小，吸盘1内的空气逐渐被抽出，内部真空度不断上升，吸盘1会开始变形、下压，直到吸盘1内有一定真空度后，吸盘1完全下压至墙面，而随之吸盘1的变形使得吸盘座5的下移，微动卡环8再次压住微动开关7的按钮，单片机检测到此信号变化，即可知道吸盘1内漏气量较小，吸盘1内漏气较小，吸盘1吸附完全，脚掌可以提供足够支撑力；此时如果吸盘1与墙面之间缝隙较大，吸盘1内漏气量较大，不能被抽至真空状态，漏气量大于抽气量，那么吸盘1内就不会有任何变化，吸盘1不会变形，吸盘座5不会被下移，微动开关7不会被再次压下，单片机设定在一定时间内如果不能检测到微动开关7的压下信号，即视为吸盘1内漏气量较大，吸盘1未吸附在墙面上，脚掌不能支撑起整个机体，则必须选择其他的落脚点。

本发明的爬墙机器人及其脚掌及其脚掌吸附方法，其气管和气管接口10的气路结构，能够使吸盘快速抽气下压，而需要让脚掌离开的时候，又能马上脱离，在断电的时候，吸盘1通过吸盘座5和气阀相连，而经过气阀后通向大气，同时，气泵也停止工作。当气泵气阀通电时，气泵经过气阀，连接到吸盘1，既可以抽走气路里的空气，一旦需要快速脱离吸附面，只需要同时关闭气泵气阀，吸盘1将通过气阀通向大气，吸盘1内真空度快速下降，充满空气，既可以快速脱离吸附面。吸盘1可以是直径为50mm的双层吸盘，吸盘座5可以是塑料吸盘座，二者可以通过胶合连接，以增加气密性。双层吸盘是柔软的底部能更好的贴合吸附面，而且被拉起时，由于是吸盘1上面先变形，底下的部分变形量不大，则吸力变化不大，一个吸盘1对应一个气泵，避免多个吸盘1同时漏气，且方便控制和检测。

本发明的爬墙机器人及其脚掌及其脚掌吸附方法，其成功率高、重量小、体积小、多用途、成本低，误触发率几乎为零，其利用负压的物理原理，只要吸盘1里面能够被抽到一定真空度，吸盘1就会产生一段位移，带动微动开关7产生信号，如果没有这段位移，则说明吸盘1并没有变形。其微动卡环8的主要作用为两个，一个是触发微动开关7，另一个是防止吸盘座5掉落，提高安全性。

本发明的爬墙机器人的脚掌及其吸附稳定性判断方法，其爬墙机器人可以为五自由度的机器人，其中三个轴串联形成前后运动，两个轴独立形成旋转转向运动，三轴的机器人能够做到小型化但是不失姿态多样性，三轴能够做到爬墙机器人爬行过程中所需要的各类姿态，例如前进后退、从地面垂直上到墙面、从墙面垂直上到天花板、从地面直接平行翻跃到天花板等等姿态动作，其可以应对360°全方位的吸附面的角度转换。其小型爬墙机器人整机重量为650g，气泵可负载1100g，但是考虑到现实运行中的风、自身晃动、震动等因素，需要预留出1/4的余量，所以还可以负载大概200g的重量运行。另外，如果其选用微型的机器人舵机和微型气泵气阀，此机器人舵机平均转矩为20kg·cm，供电电压为4.8V～7.4V，不同电压对应不同转矩，转动速度为60°/0.26s，重量为51g，转动角度限制为小于300°，非常适用于在小型机器人。选用的气泵最大负压为-65Kpa，流量为0.6L/Min，额定电压为3V，额定电流为450mA，重量为21g，最大体积为12mmх20mmх45mm。选用的双层的吸盘1直径为50mm，气管内径为3mm，在这种配置情况下，抽到气泵所能产生最大真空度所需要时间大约为500ms，再配上直径为120mm外部的下支撑环板2，其能够支撑1100g-1200g的负载。其中最两端的两对电机为平行连接，以减少整体机身转矩中的力臂，机身力臂越短，电机和吸盘的转矩就越少，电机的负担就越小，而吸盘1的吸附稳定性就越高，但是不能过短，否则会导致每次向前运动的距离过小。其机架自身在不受力或者受力较好的部位采用ABS塑料，在严格需要刚性材料的部位采用铝合金，可以结合采用3D打印技术，其板件可以用于固定器件用的槽为一体，不仅能够将电机之间相互连接，还能够固定气泵、气阀、控制板、气管、电线等器件。吸盘座5和吸盘座连接件6可以采用ABS材料。而支撑架这种用于支撑整个机体的结构，不能有严重的形变，要求有一定的强度和刚性，所以支撑架采用铝材的铝板，铝板之间用单颗螺丝连接，部件之间采用方形的槽和键相配合连接，弥补单颗螺丝固定所带来零件的转动问题。其在脚掌底面上用泡沫胶和橡胶做了防滑结构，防止在墙面上横着运动时候爬墙机器人打滑。其通过支撑架增大吸附力的效率，使得一个吸盘1即能够支撑起整个机体，并且在吸附完成时，自动锁住整个脚掌，使得脚掌成为刚性整体，所以吸附过程中，吸盘1的吸紧和松开运动对机器人的本体没有影响，即在吸附的时候所产生的位移对机器人本身不产生晃动或者位移；还可以在爬墙机器人上设置传感器进行反馈，利用吸附过程中产生的位移，对吸附面的漏气情况进行判断。其能够适用于复杂度较高的墙面，只需要一个吸盘吸附在墙面上即可产生能够支撑起整个机体的吸附力，而不需要两个或三个以上的吸盘同时吸附在墙面上才能提供支撑整个机体的吸附力；其重量小、体积小，吸附效果稳定，能够做到爬墙机器人爬行过程中所需要的各类姿态，例如前进后退、从地面垂直上到墙面、从墙面垂直上到天花板、从地面直接平行跳跃到天花板等等姿态动作，他可以应对360°全方位的吸附面的角度转换，能够在小空间的区域作业并且拥有一定的姿态多样性，能够进行跨越障碍、翻墙、上墙、上天花板等复杂的动作；其安全性高，效率高、成本低，可应用于玻璃幕墙清洗、高墙和桥梁检测、管道探测、反恐侦查、高危区域探查、墙面喷漆等多领域。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种爬墙机器人脚掌，包括吸盘，其特征在于，吸盘与支撑结构相连接；支撑结构包括环绕设置在吸盘外部的支撑架。

2.如权利要求1所述的爬墙机器人脚掌，其特征在于，支撑架包括下支撑环板，下支撑环板套设在吸盘的外部，且下支撑环板位于吸盘的中部位置。

3.如权利要求2所述的爬墙机器人脚掌，其特征在于，支撑架还包括上支撑环板，上支撑环板设置在吸盘外的上部；上支撑环板和下支撑环板之间通过连接杆相连接。

4.如权利要求3所述的爬墙机器人脚掌，其特征在于，吸盘与吸盘座相连接，上支撑环板与吸盘座连接件相连接；吸盘座与吸盘座连接件以间隙配合方式相连接；吸盘、上支撑环板和下支撑环板均设为同心的圆形。

5.如权利要求4所述的爬墙机器人脚掌，其特征在于，吸盘座连接件上设置有微动开关，微动开关的中部设置有固定用的孔位，吸盘座连接件上设置有与孔位相对应匹配的卡扣，吸盘座连接件通过卡扣卡入孔位内与微动开关连接；微动开关的顶部设置有按钮，吸盘座的顶部设置有卡槽，卡槽内卡设有位于按钮上方的微动卡环。

6.如权利要求5所述的爬墙机器人脚掌，其特征在于，吸盘座的中部套设有弹簧，吸盘座设置有支台，弹簧设置在上支撑环板与支台之间。

7.一种爬墙机器人，其特征在于，包括如权利要求1-6中任一项所述的爬墙机器人脚掌，其设置有具有五自由度的五个轴。

8.如权利要求7所述的爬墙机器人，其特征在于，五个轴中，三个轴串联形成前后运动，两个轴独立形成旋转转向运动。

9.一种爬墙机器人脚掌的吸附方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述爬墙机器人脚掌的结构设置为：包括吸盘，吸盘与支撑结构相连接；支撑结构包括环绕设置在吸盘外部的支撑架；

启动电机，以控制脚掌竖直下压时，当吸盘接触到墙面后，吸盘被墙面顶起，单片机控制打开气泵气阀电路，开始抽气；

通过单片机检测微动开关的信号，如果在设定时间内得到微动开关预定的信号，则得出结论为吸盘漏气量小于设定值，脚掌可以支撑起整个机体，其过程为吸盘与墙面之间的缝隙小于设定值，漏气量小于抽气量，吸盘内部真空度上升，吸盘变形、下压，吸盘带动微动卡环下压并压住微动开关上部的按钮，单片机得到信号，吸盘内的真空度达到设定值后，脚掌支撑起整个爬墙机器人的机体；

如果在设定时间内未得到微动开关预定的信号，则得出结论为吸盘漏气量大于设定值，吸盘内没有变化，吸盘不变形，微动开关按钮不再被压下，脚掌不能支撑起整个爬墙机器人的机体，则继续选择其他落脚点。

10.如权利要求9所述的爬墙机器人脚掌的吸附方法，其特征在于，包括以下步骤：

将所述爬墙机器人脚掌的支撑架结构设置为：支撑架包括下支撑环板，下支撑环板套设在吸盘外的中部；支撑架还包括上支撑环板，上支撑环板设置在吸盘外的上部；上支撑环板和下支撑环板之间通过连接杆相连接；吸盘与吸盘座相连接，上支撑环板与吸盘座连接件相连接；吸盘座与吸盘座连接件以间隙配合方式相连接；吸盘、上支撑环板和下支撑环板均设为同心的圆形；吸盘座连接件上设置有微动开关，微动开关的中部设置有固定用的孔位，吸盘座连接件上设置有与孔位相对应匹配的卡扣，吸盘座连接件通过卡扣卡入孔位内与微动开关连接；微动开关的顶部设置有按钮，吸盘座的顶部设置有卡槽，卡槽内卡设有位于按钮上方的微动卡环；吸盘座的中部套设有弹簧，吸盘座设置有支台，弹簧设置在上支撑环板与支台之间；

将所述爬墙机器人的脚掌的初始状态设置为：弹簧被初步压缩，弹力方向向下，使得吸盘和吸盘座往下自然悬空，此时吸盘底部低于下支撑环板的底部，吸盘处于松弛状态，卡在吸盘座上的微动卡环向下压着微动开关，微动开关处于触发状态；

启动电机，控制脚掌竖直下压，当吸盘接触到墙面后，吸盘和吸盘座被墙面顶起，吸盘座上移，弹簧被继续压缩，吸盘座上方的微动卡环跟着上升，微动开关的按钮被松开，此时吸盘仍然处于松弛状态，仅将吸盘和吸盘座通过电机的下压向上顶起，下压过程中，通过单片机收到微动开关被松开的信号后，则确定吸盘正常顶起、吸盘接触到墙面的信息，则单片机控制打开气泵气阀电路，开始抽气；

通过单片机检测微动卡环与微动开关之间的位置状态信息，如果在设定时间内检测到微动卡环再次压住微动开关的按钮的信息，则得出吸盘内漏气量小于抽气量的结论，则继续抽真空，使得吸盘完全下压至墙面，使得脚掌支撑起整个机体；

如果在设定时间内检测不到微动卡环再次压住微动开关的按钮的信息，则得出吸盘内漏气量大于抽气量的结论，吸盘不能下压或完全下压至墙面，不能使得脚掌支撑起整个机体，则继续选择其他落脚点。