CN108528554A - 无源真空吸附履带式爬壁机器人小半径转弯装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无源真空吸附履带式爬壁机器人小半径转弯装置,其特征在于所属的转弯电机通过联轴器和蜗杆涡轮机构的蜗杆连接，涡轮、分度凸轮、齿轮一和拨压凸轮都通过键联接和凸轮轴固连，两分度凸轮对称布置在凸轮轴的两端，凸轮轴安装在机器人框架的两侧板的轴承孔中，齿轮二和球面槽轮机构的主动件通过键固接在过渡轴上，球面槽轮机构的从动槽轮和齿轮三分别通过键和槽轮轴固连，齿轮三和转弯大吸盘组件中的齿轮四啮合，齿轮三和齿轮四组成行星轮系。该装置不但可使爬壁机器人轻松的转弯，而且可方便的实现小半径转弯（转弯半径为机器人车身的一半），并保证转弯后转弯机构自动自锁,进而可保证爬壁机器人运动的灵活、平稳和连续。
Description
技术领域
本发明属于爬壁机器人领域，特别涉及一种无源真空吸附履带式爬壁机器人小半径装置。
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！
履带式爬壁机器人因其吸附可靠，行走稳定且连续，应用较广泛，但爬壁机器人除了应具备壁面吸附和行走功能外，还必须具备转弯功能，爬壁机器人主要由吸附行走装置和小半径转弯装置组成，但转弯困难是所有履带式机构设备的弊病，尤其对于吸附式爬壁机器人，转弯更是一个难题，因机器人若安全可靠的在壁面上爬行，机器人履带均布的吸附组件必需提供大而可靠的吸附力，但履带式机器人一旦转弯，像坦克在地面转弯一样，必然造成履带和固连在履带上的吸盘组件在壁面上滑动，吸盘一旦滑动便会漏气，内部真空状态便会消失，吸附力也便立刻消除，吸附力一旦失去，机器人不但不能转弯，而且还会在自重作用下从高空落下，造成机器的损坏。
发明内容
本发明的目的在于针对吸附式爬壁机器人艰难转弯的问题，提供一种安全可靠、结构简单且操作方便的转弯装置，该装置不但可轻松的转弯，而且可方便的实现小半径转弯（转弯半径为机器人车身的一半），并保证转弯后转弯机构自动自锁,自锁后机器人不会因为自重或其它因素回转，进而可保证爬壁机器人运动的灵活、平稳和连续。
本发明的技术方案是：一种无源真空吸附履带式爬壁机器人小半径转弯装置，其本体包括转弯电机、转弯电机控制装置、球面槽轮机构、齿轮一、齿轮二、齿轮三、蜗杆涡轮机构、两侧两个对称布置的分度凸轮、拨压凸轮、转弯大吸盘组件、两侧两个对称布置的拨杆滑槽、两侧对称布置的四个拉簧、凸轮轴、过渡轴和机器人框架。
其特征在于:转弯电机通过联轴器和蜗杆涡轮机构的蜗杆连接，涡轮、分度凸轮、齿轮一和拨压凸轮都通过键联接和凸轮轴固连，两分度凸轮对称布置在凸轮轴的两端，在拉簧作用力下分度凸轮轮廓和拨杆滑槽接触，拉簧一端和机器人框架的悬臂相连，另一端和拨杆滑槽相连，拨杆滑槽端面呈U形，拨压凸轮安装在凸轮轴的中间，拨压凸轮两端凸轮轮廓线和转弯大吸盘组件压板的上表面接触，拨压凸轮中间C环轮廓线可拨动转弯大吸盘组件的拨杆，凸轮轴安装在机器人框架的两侧板的轴承孔中，齿轮一和齿轮二啮合，齿轮二和球面槽轮机构的主动件通过键固接在过渡轴上，过渡轴安装在机器人框架上，球面槽轮机构的从动槽轮和齿轮三分别通过键和槽轮轴固连，齿轮三和转弯大吸盘组件中的齿轮四啮合，齿轮三和齿轮四组成行星轮系。每个拨杆滑槽上表面固接两个导柱，拨杆滑槽的内表面和行走机构中的小吸盘拨杆接触，导柱可在导套内自由移动，导套固定在机器人框架的侧板上，转弯电机、转弯电机控制装置、球面槽轮机构的从动槽轮、转弯大吸盘组件中的非标转盘轴承的外圈分别安装在机器人框架的横梁上。
转弯大吸盘组件包括四个导柱、四个导套、四根弹簧、齿轮四、非标转盘轴承、压板和转弯大吸盘。齿轮四、机器人框架和齿轮三组成行星轮系，齿轮四是中心轮，齿轮三是行星轮，非标转盘轴承的外圈通过四个螺钉固定在机器人框架的横梁上，非标转盘轴承内圈和齿轮四分别均布四个通孔，通孔内安装四个导套，内圈和齿轮四固接，四个导柱分别和四个导套配合，导柱可在导套内自由滑动，导柱的上端和压板通过螺纹固结，另一端通过螺纹和转弯大吸盘的外壳固结，四根弹簧分别套在四个导柱上，弹簧一端和压板下表面接触，另一端和齿轮四的上表面接触。
转弯大吸盘包括：内置钢制嵌件的真空橡胶抽放阀芯、转弯大吸盘外壳、回位塔形弹簧、钢丝绳、凸轮拨杆。内置钢制嵌件的真空橡胶抽放阀芯的上表面和外壳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，塔形弹簧的小端和外壳的内表面接触，塔形弹簧的大端和真空橡胶抽放阀芯的橡胶内表面接触，真空橡胶抽放阀芯通过钢丝绳和凸轮拨杆的端部凸轮连接，凸轮拨杆端部圆周遍布凸轮圆弧。当凸轮拨杆在拨压凸轮中间C环作用力下摆动时，凸轮拨杆端部凸轮向径便会增大，钢制嵌件在钢丝绳的作用下沿着外壳的顶部孔轴线方向滑动，从而真空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，当凸轮拨杆外力去除后，橡胶抽放阀芯的端部橡胶在回位塔形弹簧的作用下变形消失，真空的密闭空间也同时消失，吸附力自动消失。
本发明的有益效果是：本发明不但可使吸附履带式爬壁机器人轻松转弯，而且可方便的实现小半径转弯（转弯半径为机器人车身的一半），并保证转弯后转弯机构自动自锁,自锁后机器人不会因为自重或其它因素回转，进而可保证爬壁机器人运动的灵活、平稳和连续，且操作方便，安全可靠，只需通过转动控制手把；该装置和机器人行走和吸附装置配合使用，可搭载多种工具在光滑壁面上执行多种任务。
附图说明
图1是爬壁机器人总体三维图；
图2是爬壁机器人小半径转弯装置三维图；
图3是爬壁机器人小半径转弯装置俯视图；
图4是爬壁机器人小半径转弯装置主视图；
图5是爬壁机器人小半径转弯装置局部三维图；
图6是爬壁机器人小半径转弯装置凸轮轴和大吸盘组件装配三维图；
图7是大吸盘组件和球面槽轮机构装配图；
图8是大吸盘组件；
图9是吸盘组件和吸盘凸缘导槽配合图；
图10是吸盘组件和拨杆滑槽配合图；
图11是拨压凸轮三维图；
图12是拨压凸轮剖面图；
图13是分度凸轮正视图。
其中，
1.爬壁机器人吸附行走装置，2. 爬壁机器人小半径转弯装置，3. 转弯电机，4. 分度凸轮，5. 蜗杆涡轮机构，6. 球面槽轮机构，7. 拉簧，8. 凸轮轴，9. 齿轮三，10. 过渡轴，11. 机器人框架， 12. 拨杆滑槽，13. 吸盘凸缘导槽，14.连接杆， 15. 齿轮二 ，16. 齿轮一，17. 拨杆滑槽导柱导套机构，18. 拨压凸轮， 19. 大吸盘组件，20. 转弯电机控制装置，21. 球面槽轮机构的从动槽轮，22. 球面槽轮机构的主动件，23. 齿轮四，24. 转弯大吸盘组件压板，25. 大吸盘组件导柱，26. 弹簧，27. 凸轮拨杆的端部凸轮，28. 凸轮拨杆，29. 联轴器，30. 槽轮轴， 31. 螺钉，32. 非标转盘轴承（外圈），33. 钢丝绳，34. 真空橡胶抽放阀芯的橡胶表面，35. 真空橡胶抽放阀芯，36. 回位塔形弹簧，37. 非标转盘轴承（内圈），38. 大吸盘组件导套，39. 凸轮轴配合孔，40. 吸盘组件，41. 链条，42. 拨压凸轮两端凸轮，43. 拨压凸轮中间C环，44. 转弯大吸盘外壳。
具体实施方式
如图1～图13，爬壁机器人主要由吸附行走装置1和小半径转弯装置2组成。爬壁机器人吸附行走装置1，其本体包括两侧四条对称布置的链条41，两侧两对对称布置的链轮、两侧32个对称布置的吸盘组件40、两侧两对对称布置的吸盘凸缘导槽13、两侧两个对称布置的吸盘拨杆滑槽12、蜗杆涡轮机构、齿轮机构、行走电机、行走电机控制装置、防后仰机构和机器人框架11。其特征在于: 行走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，链轮轴带动链轮转动，链轮带动和其啮合的四条链条41滚动，每侧的两根链条上分别固连16个吸盘组件40，吸盘组件40均布在链条41上，防后仰机构一端安装在链轮轴上，另一端和机器人框架的横梁连接，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12和吸盘凸缘导槽13都通过螺钉固定在机器人框架的侧板上，吸盘拨杆滑槽12断面为U形，吸盘凸缘导槽13呈L形，吸盘凸缘导槽13的上表面和吸盘支架的下表面呈面接触，吸盘拨杆滑槽12的导槽内表面和吸盘组件40拨杆接触。两侧32个对称布置的吸盘组件40中，每个组件的结构和工作原理和转弯大吸盘相同，当拨杆在拨杆滑槽12作用力下左、右摆动时，钢制嵌件沿着外壳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40对壁面产生吸附力，当拨杆滑槽外力去除后，橡胶抽放阀芯的端部橡胶在回位塔形弹簧的作用下变形消失，真空的密闭空间也同时消失，吸附力自动消失，由此保证爬壁机器人稳定连续的吸附和行走。
小半径转弯装置2中两侧两个对称布置的分度凸轮4、拨压凸轮18都通过键联接和凸轮轴8固接，拨压凸轮两端凸轮42的推程运动角为30º，远休止角为270º，回程运动角为30º，近休止角为30º，拨压凸轮中间C环43凸轮角度为300º，拨压凸轮中间C环43的起始点和终止点分别对应于拨压凸轮两端凸轮42的b点和g点；分度凸轮4的推程运动角为30º，远休止角为90º，回程运动角为30º，近休止角为210º，拨压凸轮18两端凸轮起始点a点的向径和分度凸轮4的起始点h点的分布在凸轮轴8的同一角度上。
小半径转弯过程分为四个阶段：
第一阶段：吸附行走装置2停止前进、大吸盘组件19可靠吸附、吸盘组件40解除吸附和球面槽轮机构6主动件空转阶段。
当需要转弯时，行进电机首先停止转动，爬壁机器人停止前进，此时，吸附行走装置1的两侧对称布置的贴紧墙面的吸盘组件40中的吸盘拨杆被拨杆滑槽12处在拨动状态，爬壁机器人仍稳定的吸附在壁面上，接着，转弯电机3启动，通过蜗杆涡轮机构5驱动凸轮轴8转动，爬壁机器人中间的转弯大吸盘19被拨压凸轮两端凸轮42通过转弯大吸盘组件压板24顶出，从而和光滑的墙面接触，随后转弯大吸盘19的凸轮拨杆28被拨压凸轮中间C环43拨动，凸轮拨杆端部凸轮27向径便会增大，钢制嵌件在钢丝绳36的作用下沿着转弯大吸盘外壳44的顶部孔轴线方向滑动，从而真空橡胶抽放阀芯35的端部橡胶34发生变形，真空橡胶抽放阀芯的橡胶表面34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，随后，分度凸轮4随着凸轮轴8处在回程阶段，向径慢慢变小，在拉簧7的拉力下，并在拨杆滑槽导柱导套机构17导向下，拨杆滑槽12向上移动，于是吸盘组件40中的吸盘拨杆不受拨杆滑槽12的拨动而复位，吸盘组件40吸附力消失，此时球面槽轮机构6的主动件空转，从动槽轮不转动。
第二阶段：大吸盘组件19可靠吸附、吸盘组件40解除吸附和球面槽轮机构6主从动件啮合传动阶段。
在该阶段，转弯电机3继续转动，分度凸轮4处在近休止阶段，吸盘组件40吸附力继续消失，转弯大吸盘19的凸轮拨杆28被拨压凸轮中间C环43继续拨动，大吸盘组件19继续吸附在墙壁上，以支撑整个机器人重量，球面槽轮机构6主动件在凸轮轴8的驱动下经齿轮二15和齿轮一16啮合而转动，并带动球面槽轮机构6的从动槽轮转动，通过齿轮三9和齿轮四23的啮合，齿轮三9以齿轮四23为中心轮，围绕齿轮四23转动，由于齿轮四23和大吸盘组件19固结，大吸盘组件19可靠的吸附在墙壁上固定不动，齿轮三9安装在机器人框架11上，故齿轮三9和机器人框架11上安装的零部件都一起围绕转弯大吸盘组件19转动，实现了转弯半径约等于机器人长度的灵活转弯，转弯后球面槽轮机构6在锁止弧作用下立刻自锁。
第三阶段：吸盘组件40可靠吸附、大吸盘组件19解除吸附阶段
在该阶段，转弯电机3继续转动，分度凸轮4处在推程阶段，吸附行走装置1的两侧对称布置的贴紧墙面的吸盘组件40中的吸盘拨杆逐渐被拨杆滑槽12拨动，并逐渐稳定的吸附在壁面上后，爬壁机器人中间的转弯大吸盘19的凸轮拨杆28逐渐脱离拨压凸轮中间C环的拨动，吸附力随即消失，在弹簧26的弹力下，转弯大吸盘19缩回到机器人内部。
第四阶段：转弯停止、吸附行走装置2启动前进阶段
当转弯大吸盘19缩回到机器人内部后，转弯电机3停止，行进电机启动，吸附行走装置2开始工作，爬壁机器人可随意的前进和后退，当不需要前进和后退时，只需要停止行进电机，由于采用了具有自锁功能的蜗杆涡轮机构，机器人会可靠的锁定在墙壁上，不会溜车，完成一个转弯周期后，因吸盘组件中的吸盘已再次吸附，故转弯后机器人可随时行走，也可继续进行下一周期的转弯。
爬壁机器人小半径转弯功能主要通过拨压凸轮18和分度凸轮4的合理配合实现的，拨压凸轮18控制转弯大吸盘工作，分度凸轮4控制两侧对称布置的吸盘组件的小吸盘工作，具体步骤如下：
（1）当机器人停止前进时，启动转弯电机3,通过蜗杆涡轮5带动凸轮轴8转动，凸轮轴8带动拨压凸轮18和分度凸轮4转动，常态时拨压凸轮18两端凸轮轮廓的A点与转弯大吸盘压盘上表面接触，两端凸轮转过推程运动角30 º时，该过程拨压凸轮18将转弯大吸盘沿导柱导套方向压向墙壁并贴紧。
（2）拨压凸轮18转过30º时，其上的拨压凸轮中间C环43开始拨动转弯大吸盘19的拨杆28，拨压凸轮18随后再转过30º，把转弯大吸盘19的拨杆28拨动到预定位置，使大吸盘19吸紧墙壁，在转过0º~60º角度内，因分度凸轮4一直处在远休止阶段，两侧对称布置的吸盘组件40吸附力一直持续。
（3）转弯大吸盘19吸好后，即转过60º后，在随后转动的30º内，分度凸轮4处在回程阶段，拨杆滑槽12在拉簧7作用力下向上抬起，两侧对称布置的贴紧墙面的吸盘组件40中的吸盘拨杆不被滑槽12的束缚而回位，吸盘组件40中的吸盘吸附力全部消失。此30º范围内，拨压凸轮18两端凸轮处在远休止阶段，转弯大吸盘19吸附力一直保持，并在之前转动的0º~90º内，通过蜗杆涡轮5和齿轮传动，球面槽轮间歇机构6一直处在停歇阶段，齿轮三9和齿轮四23不相对转动，故机器人不转弯。
（4）在转动90 º~270 º角度时，分度凸轮4一直处在近休止阶段，拨压凸轮18两端凸轮42处于远休止阶段，两侧吸盘40一直失效，转弯大吸盘19一直吸附；该180 º范围内，机器人由转弯大吸盘19支撑，球面槽轮间歇机构6处于运动阶段，主动件22带动从动槽轮21转动，从动槽轮21带动行星齿轮三9围绕中心轮4转动，因转弯大吸盘19一直吸附在壁面上，转弯大吸盘19中的齿轮四23也静止不动，爬壁机器人以齿轮四23中心轴线为圆心，做转弯半径为机器人身长一半的小半径转弯。
（5）在转动270 º~300 º角度时,该30 º是拨压凸轮18两端凸轮回程阶段，拨压凸轮18回程过程中逐渐失去对大吸盘19的压力，在导柱外套弹簧力的作用下，大吸盘19有向车身靠的趋势，但拨压凸轮中间C环43一直拨动转弯吸盘拨杆，转弯吸盘吸力19一直持续且较大，所以拉着车身贴向壁面，使两侧对称布置的小吸盘40压紧在壁面上，此阶段分度凸轮4仍处在近休止阶段，两侧对称布置的小吸盘40仍处于失效状态，此阶段球面槽轮间歇机构6一直处在停歇阶段。
（6）在转动300 º~330 º角度时，拨压凸轮18两端凸轮处于近休止阶段，拨压凸轮中间C环43一直拨动转弯吸盘19拨杆28，转弯吸盘19吸力一直持续，两侧对称布置的小吸盘40一直压紧在壁面上，而分度凸轮4处在推程阶段，分度凸轮4克服拉簧作用力推动拨杆滑槽12斜向下移动，拨杆滑槽12进而拨动两侧对称布置吸盘组件40中的小吸盘拨杆，小吸盘40吸附在壁面上，此时的转弯大吸盘19和两侧小吸盘40同时吸附，此阶段球面槽轮间歇机构6一直处在停歇阶段。
（7）在转动到330 º时，拨压凸轮18的拨压凸轮中间C环43和转弯大吸盘19的拨杆28脱离，大吸盘19的拨杆在塔形弹簧36作用力下复位，转弯大吸盘19失去吸力，此时机器人吸附力又回到由两侧小吸盘组件40提供的状态。
（8）在转动到330 º~360 º时，拨压凸轮18两端凸轮处于近休止阶段，分度凸轮4处在远休止阶段，转弯大吸盘19持续失效，两侧小吸盘组件40吸附力一直保持，转弯电机3停止转动,转弯过程结束。
Claims (4)
1.一种无源真空吸附履带式爬壁机器人小半径转弯装置，其特征在于所属装置
主要由转弯电机（3）、转弯电机控制装置（20）、球面槽轮机构（6）、齿轮一（16）、齿轮二（15）、齿轮三（9）、蜗杆涡轮机构（5）、两侧两个对称布置的分度凸轮（4）、拨压凸轮（18）、转弯大吸盘组件（19）、两侧两个对称布置的拨杆滑槽（12）、两侧对称布置的四个拉簧（7）、凸轮轴（8）、过渡轴（10）和机器人框架（11）组成。
2.根据权利要求1所述的一种无源真空吸附履带式爬壁机器人小半径转弯装
置（2），其特征在于所述的转弯电机（3）通过联轴器（29）和蜗杆涡轮机构（5）的蜗杆连接，涡轮、分度凸轮（4）、齿轮一（16）和拨压凸轮（18）都通过键联接和凸轮轴（8）固连，两分度凸轮（4）对称布置在凸轮轴（8）的两端，在拉簧（7）作用力下分度凸轮（4）轮廓和拨杆滑槽（12）接触，拉簧（7）一端和机器人框架（11）的悬臂相连，另一端和拨杆滑槽（12）相连，拨杆滑槽（12）端面呈U形，拨压凸轮（18）安装在凸轮轴（8）的中间，拨压凸轮两端凸轮（42）轮廓线和转弯大吸盘组件压板（24）的上表面接触，拨压凸轮中间C环（43）轮廓线可拨动转弯大吸盘组件（19）的拨杆（28），凸轮轴（8）安装在机器人框架（11）的两侧板的轴承孔中，齿轮一（16）和齿轮二（15）啮合，齿轮二（15）和球面槽轮机构（6）的主动件（22）通过键固接在过渡轴（10）上，过渡轴（10）安装在机器人框架（11）上，球面槽轮机构（6）的从动槽轮（21）和齿轮三（9）分别通过键和槽轮轴（30）固连，齿轮三（9）和转弯大吸盘组件（19）中的齿轮四（23）啮合，齿轮三（9）和齿轮四（23）组成行星轮系，每个拨杆滑槽（12）上表面固接两个导柱（17），拨杆滑槽（12）的内表面和行走机构中的小吸盘（40）拨杆接触，导柱（17）可在导套内自由移动，导套固定在机器人框架（11）的侧板上，转弯电机（3）、转弯电机控制装置（20）、球面槽轮机构（6）的从动槽轮（21）、转弯大吸盘组件（19）中的非标转盘轴承的外圈（32）分别安装在机器人框架（11）的横梁上。
3.根据权利要求1所述的转弯大吸盘组件，其特征在于所属组件包括四个导柱
（25）、四个导套、四根弹簧（26）、齿轮四（23）、非标转盘轴承（32）和（38）、压板（24）和转弯大吸盘（19），齿轮四（23）、机器人框架（11）和齿轮三（9）组成行星轮系，齿轮四（23）是中心轮，齿轮三（9）是行星轮，非标转盘轴承的外圈（32）通过四个螺钉（31）固定在机器人框架（11）的横梁上，非标转盘轴承内圈（37）和齿轮四（23）分别均布四个通孔，通孔内安装四个导套，内圈和齿轮四（23）固接，四个导柱（25）分别和四个导套（38）配合，导柱（25）可在导套（38）内自由滑动，导柱（25）的上端和压板（24）通过螺纹固结，另一端通过螺纹和转弯大吸盘的外壳（44）固结，四根弹簧（26）分别套在四个导柱（25）上，弹簧（26）一端和压板（24）下表面接触，另一端和齿轮四（23）的上表面接触。
4.根据权利要求3所述的转弯大吸盘，其特征在于所属机构包括内置钢制嵌件的真空橡胶抽放阀芯（35）、转弯大吸盘外壳（44）、回位塔形弹簧（36）、钢丝绳（26）、凸轮拨杆（28），内置钢制嵌件的真空橡胶抽放阀芯的上表面（34）和外壳（44）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（36），塔形弹簧（36）的小端和外壳（44）的内表面接触，塔形弹簧（36）的大端和真空橡胶抽放阀芯的橡胶内表面（34）接触，真空橡胶抽放阀芯（35）通过钢丝绳（26）和凸轮拨杆（28）的端部凸轮（27）连接，凸轮拨杆端部圆周遍布凸轮圆弧。
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