CN109222778A - 一种带有姿态调整电动关节的攀壁机 - Google Patents

Abstract

一种带有姿态调整电动关节的攀壁机。主要包括本体、螺旋桨系统、姿态调整关节。攀壁机本体包括一段刚性结构，刚性结构与牵引绳相连，同时通过姿态调整关节与本体的其他部分相连。刚性结构在牵引绳的上拉力和攀壁机本体的下拉力作用下保持姿态固定，因此当姿态调整关节转动时，可以以刚性结构为基准对攀壁机本体的其他部分进行精确快速的姿态调整。从而可以利用俯仰姿态的调整实现作业工具或支撑轮与所攀附的墙壁的接触与分离，从而提高攀壁机操作的灵活性与便利性。而采用攀壁机上部与下部交替与墙面接触的方式，实现攀壁机的便捷越障。此外，实现了攀壁机本体横滚角度的自动调整，便可以只用单根牵引绳进行牵引，降低了系统的复杂性。

Description

一种带有姿态调整电动关节的攀壁机

技术领域

本发明涉及机械电子设备。

背景技术

公知的高空墙壁作业，如幕墙清洗等，尚无成熟的自动化设备以替代人工进行半空作业。而当前公知的墙壁作业设备，需要将人工吊挂在半空已完成作业，这不仅增大了作业成本，而且导致人身安全问题。

为了实现采用自动化设备代替人工实现高空墙壁作业的目的，曾有技术人员在研制攀壁机方面作了大量努力。目前相关的公知技术包括：采用卷扬机（即固定在高处的电机拖动设备）通过线缆对攀壁机进行拖动，实现攀壁机的上下移动，即纵向位置控制；采用螺旋桨产生的风力，使攀壁机稳定地依附在墙壁上；在攀壁机上设置轮子，以实现攀壁机顺利地上下移动。

为了提高攀壁机的运动灵活性，攀壁机本体应当具有姿态调节机制。具体来讲，调整攀壁机本体的姿态角度的作用是：可以将攀壁机的作业工具（如清洁擦等）设置在攀壁机本体的顶部，同时在攀壁机本体的底部设置万向轮以作为支撑轮，通过调整攀壁机本体的俯仰角度，可以实现作业工具与所攀附的墙体的接触与分离。当攀壁机前倾时，作业工具抵在墙体上，此时可以实现相应作业（如墙体或幕墙的清洗）；当攀壁机后仰时，作业工具与所攀附的墙体分离，攀壁机以其支撑轮与墙体接触，此时可以实现攀壁机本体的灵活移动。此外，需要保证作业工具的姿态端正不倾斜，需要对攀壁机本体的横滚角度进行实时调整。因此，攀壁机本体需要具备精确调整姿态的机制及相应的系统装置。

一旦实现了俯仰姿态的调整，便可以将作业工具固定在攀壁机本体的顶部，利用俯仰姿态的调整实现作业工具或支撑轮与所攀附的墙壁的接触与分离，从而提高攀壁机操作的灵活性与便利性。

此外，一旦实现了俯仰姿态的调整，便可以采用攀壁机上部与下部交替与所攀附的墙面接触的方式，在无需其他辅助装置的情况下，实现攀壁机的越障功能。

此外，公知的攀壁作业机器人，通常采用两根牵引绳进行牵引，以实现本体的横滚角度的控制，以避免横向倾斜。而如果能够实现攀壁机本体横滚角度的自动调整，便可以只用单根牵引绳进行牵引，降低了系统的复杂性。

一种实现攀壁机本体的俯仰和横滚角度的自动调整的方法是：利用螺旋桨所产生的力矩。其原理类似于多旋翼无人机。然而这种利用空气推力的方法所进行的姿态角度调整，其精度、速度及稳定性难以满足要求。

因此，以公知的技术，尚不能实现攀壁机姿态的快速精确的姿态调整。

发明内容

为了实现对攀壁机本体的姿态角度进行快速精确地调节，本发明提供了一种带有姿态调整电动关节的攀壁机。该攀壁机的本体包含一段刚性结构，所述刚性结构设置在牵引绳与攀壁机本体（除所述刚性结构之外）的其他结构之间，所述刚性结构与牵引绳相连，同时与攀壁机本体的其他结构之间通过姿态调整电动关节相连，姿态调整电动关节带有驱动电机。刚性结构在攀壁机的其他结构对其施加的下拉力以及牵引绳对其施加的上拉力的作用下保持姿态不变，姿态调整关节在驱动电机的作用下转动，从而可以以刚性结构为支撑物对攀壁机本体（除刚性结构之外的）的其他部分进行姿态调整。将攀壁机的作业工具（如清洁擦等）以及支撑轮等设置在攀壁机本体的可以进行姿态调整的部分上，以利用所述姿态调整功能实现与所攀附的墙体的接触与分离。

本发明提供的攀壁机，主要包括攀壁机本体、牵引绳、螺旋桨以及螺旋桨驱动装置，其中，攀壁机上设置有姿态调整电动关节。

其中，所述攀壁机本体包括一段刚性结构，所述刚性结构与牵引绳相连，所述刚性结构同时通过姿态调整电动关节与所述攀壁机本体的其他部分相连。因此该刚性结构同时受到牵引绳的上拉力和攀壁机本体（除所述刚性结构之外）的其他部分的下拉力，并在这两个力的作用下保持姿态固定，因此当姿态调整关节在驱动电机的作用下转动，便可以以刚性结构为支撑，对攀壁机本体的除刚性结构之外的其他部分进行姿态调整。

攀壁机本体可以是由连杆通过连接件所构建的框架。为了降低重量，连杆可以采用碳纤维材料制成，也可以采用铝管或不锈钢管，以利于固定于其上的电机以及电源管理装置的散热。攀壁机本体也可以是由塑料或金属材料构成的一体式的框架结构或者多个一体式框架结构的组合。

螺旋桨系统由螺旋桨以及螺旋桨驱动系统构成，螺旋桨驱动系统可以是盘形外转子式无刷直流电动机系统，也可以是发动机。螺旋桨驱动系统是电动机时，可以在电动机上设置散热装置。散热装置可以是铝质散热片，散热片通过导热硅胶与电动机的底部或周围外壳相粘合，散热片伸展到四周区域，并通过螺旋桨产生的风来提高散热效果。

实际工作中，优选地，攀壁机本体通过牵引绳与牵引系统相连，攀壁机的上下移动通过牵引系统的牵引作用来实现。牵引系统主要包括安装在高处的动力系统（如电动机驱动系统、带有减速及传动机构的燃油发动机）、受动力系统驱动的卷柱。牵引绳一端缠绕在所述卷柱上另一端与攀壁机本体连接。动力系统与卷柱可以是直接相连，也可以是通过传动机构（如传动皮带、齿轮或减速机）间接相连。

当攀壁机是重量较小的轻量化攀壁机时，为了降低系统的复杂程度、避免电机拖动系统的速度突变造成的牵引绳上下伸缩性振动，可以采用人力直接拖动牵引绳的方式实现攀壁机本体的上下移动，此时，可以采用多个攀壁机并行工作的方式以提高效率。在这种应用方式中，由于避免了将人吊在半空中所造成的危险，因此仍然具有工程优势，具有实际应用意义。这种情况下，只需要攀壁机带有牵引绳即可，因此拖动动力系统不是攀壁机系统所必须的。

当采用以电动机作为动力系统的牵引系统时，优选地，电动机拖动装置上设置有电子调速系统和刹车装置以及减速结构。其中电子调速系统可以通过导线或无线电接收相应调速指令信号，并根据接收到的指令信号对拖动装置的运行速度的大小和方向进行实时调整。刹车装置的作用是防止攀壁机本体坠落以及在攀壁机本体固定不动时，可以利用刹车装置卡住攀壁机，并停止电动机拖动装置中的电动机的运转，以节省电能以及进行电机降温。减速结构可以由一系列齿轮构成，其作用是对电机的输出力矩进行放大。电动机拖动装置的电子调速系统可以包括用于位置反馈的编码器。为此，可以将拖动装置驱动电机的转轴与编码器共轴相连。这样，转轴带动编码器的中心轴转动，从而使编码器能够测量出攀壁机本体的上下位移大小。

实际工作中，攀壁机的螺旋桨所产生的推力将攀壁机本体推向墙壁，从而使攀壁机本体稳定地附着在墙壁上。

为了使攀壁机具有姿态调节功能，本发明所提供的攀壁机上设置了姿态调整电动关节。姿态调整电动关节主要包括：设置在攀壁机本体上的关节、用于驱动所述关节转动的驱动电机、驱动电机的驱动控制电路。

此外，攀壁机上设置了用于作为姿态调整时的支撑结构的刚性结构，所述刚性结构具有支撑作用，因此是攀壁机机械本体的一部分。所述刚性结构一端与牵引绳相连，另一端通过所述姿态调整电动关节与攀壁机本体的其他部分相连。

在正常工作时，该刚性结构同时受到牵引绳的上拉力和攀壁机本体（除所述刚性结构之外）的其他部分的下拉力，并在这两个力的作用下保持姿态固定，因此当姿态调整关节在驱动电机的作用下转动，便可以以刚性结构为支撑，对攀壁机本体的除刚性结构之外的其他部分进行姿态调整。

姿态调整电动关节的具体实现方式包括但不限于以下几种方式：

1.直接采用驱动电机实现，具体是：所述驱动电机的机体与刚性结构相固结，驱动电机的转轴（或驱动电机所配备的减速器的转轴）与攀壁机本体（除所述刚性结构之外）的其他部分相固结；

2.直接采用驱动电机实现，具体是：所述驱动电机的转轴（或驱动电机所配备的减速器的转轴）与刚性结构相固结，驱动电机的机体与攀壁机本体的其他部分相固结；

3.刚性结构与攀壁机本体的其他部分之间通过无动力旋转关节相连，无动力旋转关节通过传动机构与驱动电机相连。驱动电机固定在刚性结构上或攀壁机本体的其他部分上。旋转关节在驱动电机的驱动作用下转动。旋转关节与驱动电机以及两者之间的传动机构共同构成姿态调整电动关节。传动机构是齿轮组，或传动带，或蜗轮-蜗杆组件，或锥齿轮组件，或者是多种传动机构的组合。当传动机构中包含蜗轮-蜗杆组件或锥齿轮组件时，可以使旋转关节的转轴与驱动电机的转轴垂直。

4.刚性结构与攀壁机本体的其他部分之间通过无动力旋转关节相连，除此之外，刚性结构与攀壁机本体的其他部分之间还设置有电动推杆，通过电动推杆的推拉作用，实现攀壁机本体的除刚性结构之外的其他部分绕旋转关节的转动。旋转关节与电动推杆共同构成姿态调整电动关节。

为了提高结构强度并保证电动关节具有足够大的力矩，优选地，采用带有蜗轮-蜗杆式双出轴减速机的驱动电机。此时，当驱动电机的机体与刚性结构相固结时，减速机的两个出轴同时与攀壁机本体的除刚性结构之外的其他部分相固结；当驱动电机的机体与攀壁机本体的除刚性结构之外的其他部分相固结时，减速机的两个出轴同时与刚性结构相固结。由于减速机中的蜗轮-蜗杆组件属于传动机构而减速机的出轴以及出轴的轴承构成无动力关节，因此这种采用带有减速机的驱动电机所构建的姿态调整电动关节属于上述第3种情况。

由于越障、工具切换以及工作模式切换都依赖于俯仰角度的调整，因此攀壁机应当至少设置一个用于俯仰角度调整的姿态调整电动关节。

可以在所述刚性结构和攀壁机本体的除刚性结构之外的其他部分之间设置两个串联的姿态调整电动关节，两个关节分别用于攀壁机本体的俯仰和横滚两个方向的姿态调整。

为了减轻重量，上述刚性结构可以采用碳纤维管或铝管或不锈钢管通过管夹等连接部件组成。

为了提高安全性，可以在螺旋桨周围设置防护框架，并在防护框架上设置防护网。防护框架可以采用铝合金，通过焊接组装而成，也可以采用连接件连接而成。防护框架也可以采用碳纤维管组成。

电动机拖动装置通过牵引绳对攀壁机本体进行牵引，攀壁机本体在该牵引作用下实现上下移动。为了使攀壁机本体能够被平稳拖动，可以采用数字处理器及相应的传感器建立运动控制系统，用于控制电机拖动系统的电动机的运行速度以及支撑轮转向装置的驱动电机以及其他驱动电机的运行。所采用的传感器可以包括：固定在攀壁机本体上的加速度计（用于测量重力信号，判断攀壁机本体是否倾斜）、陀螺仪角速度计或编码器。

此外，通过水平移动电动机拖动装置，实现攀壁机本体的水平移动。为此，可以将电动机拖动装置固定在移动小车上，以便于水平移动。小车的轮子可以设置自动调速系统，以便于控制小车的移动。小车的车轮自动调速系统可以通过有线方式接收移动指令，也可以设置无线信号接收装置，通过无线方式接收移动指令信号。

优选地，为了实现连续工作，本发明所提供的攀壁机本体上的供电设备的实现方式是：采用长导线从固定位置处取电。为此，供电设备包含固定在攀壁机本体上的电源管理装置。电源管理装置具有输入端和输出端，其中输入端通过长导线与电源电连接。电源可以是发电机或供电线路（如普通市电线路），输入端与攀壁机本体上的。电能从其输入端输入，经过一定的处理（如交流转直流、降压）后，从输出端输出适合于攀壁机本体上的附属设备的电压。为了使电源管理装置的输出电压稳定，电源管理装置的输入端或输出端可以设置滤波电路。

当不需要长时间连续工作时（比如墙体较矮），可以在攀壁机本体上设置电池，采用电池供电。

为了实现幕墙清洗，本发明所提供的攀壁机上设置特定的作业工具，作业工具可以包括擦拭器、刮水器（用于擦玻璃等）以及喷头（用于喷射清水进行清洗）。为了确保喷幅，可以采用多个并行排列的喷头。

为了实现作业工具的切换（包括开始工作时的靠近墙体，以及结束工作时的脱离墙体，以及变换作业工序时的不同工具间的切换），可以将作业工具固定在攀壁机本体上的能够进行姿态调整的部分。

可以在攀壁机上挂载液体清洁剂容器，其中的清洁剂可以通过专门的微型泵及与之相连的喷头喷洒到擦拭器上，擦拭器可以是由电动机带动的滚动式柱状结构。喷头可以是多个并排的扇形喷头，也可以是直线喷头。当喷头是直线喷头时，可以将其安装在电动机的转轴上，通过电机控制其喷射方向。

为了降低姿态调整电动关节的载荷大小，可以将电源管理装置和液体清洁剂容器固定在所述作为姿态调整时的支撑结构的刚性结构上。

为了便于作业过程中的遥控，本发明所提供的攀壁机上可以安装摄像头以及无线图传，从而可以对作业过程进行远程实时监控，并通过远程地面站对攀壁机进行远程遥控。

攀壁机上的包括姿态调整电动关节、螺旋桨驱动装置以及作业工具在内的各功能模块可以分别配置分立的驱动控制电子装置，即各功能模块分别包含各自专用的驱动装置，各驱动装置各自接收控制指令，并驱动相应的功能模块的动力单元（即驱动电机）完成相应动作，同时通过电信号相互协调配合。也可以是集成式的驱动控制装置，即由同一个驱动控制电路同时与各个功能模块相连，对各功能模块进行控制。

为了实现灵活作业，本发明所提供的攀壁机本体上可以安装机械臂，并将作业工具（擦拭器、刮水器、喷头）固定在机械臂上。

机械臂可以是直线丝杠型滑动机械臂，主要由丝杠、驱动丝杠转动的驱动电机、导轨以及滑动臂构成。

为了降低重量，机械臂可以采用碳纤维材料制成。机械臂上还可以固定摄像头。

本发明的有益效果是：提出了一种带有姿态调整关节的攀壁机。主要包括攀壁机本体、螺旋桨系统、姿态调整关节。攀壁机本体包括一段刚性结构，刚性结构与牵引绳相连，同时通过姿态调整关节与攀壁机本体的其他部分相连。刚性结构在牵引绳的上拉力和攀壁机本体的下拉力作用下保持姿态固定，因此当姿态调整关节转动时，可以以刚性结构为基准对攀壁机本体的其他部分进行精确快速的姿态调整。从而可以利用俯仰姿态的调整实现作业工具或支撑轮与所攀附的墙壁的接触与分离，从而提高攀壁机操作的灵活性与便利性。而采用攀壁机上部与下部交替与墙面接触的方式，实现攀壁机的便捷越障。此外，实现了攀壁机本体横滚角度的自动调整，便可以只用单根牵引绳进行牵引，降低了系统的复杂性。

附图说明

图1是本发明所提供攀壁机的斜视图（实施例1）。

图2是本发明所提供攀壁机的侧面剖视图（实施例1）。

图3是本发明所提供攀壁机的局部视图，给出了电动关节的具体结构（实施例1）。

图4所示为本发明所提供攀壁机的正视图（实施例2）。

图5所示为本发明所提供攀壁机的侧视图（实施例2）。

图6所示为本发明所提供攀壁机的局部视图，给出了电动关节的具体结构（实施例2）。

图1至图3所示为攀壁机的实施例1。

图1中，1. 攀壁机本体，2.支撑杆（包括支撑杆2.1-2.3），3.螺旋桨（包括螺旋桨3.1-3.4），4.螺旋桨驱动电机（包括驱动电机4.1-4.4），5.姿态调整电动关节，6.刚性结构，7.作业工具，8.牵引绳，9. 电机拖动装置的用于缠绕牵引绳的轱辘，10.电机拖动装置的电动机。

图2中，11.攀壁机所攀附的墙体。

图3中，5.作为姿态调整电动关节的电动机。

图4至图7所示为攀壁机的实施例2。

图4中，1. 攀壁机本体，2.支撑杆（包括支撑杆2.1-2.3），3.螺旋桨（包括螺旋桨3.1-3.4），4.螺旋桨驱动电机（包括驱动电机4.1-4.4），5.姿态调整电动关节，6.刚性结构，7.作业工具，8.横向轮驱动电机，9.横向轮，10.电机拖动装置的用于缠绕牵引绳的轱辘，11. 电机拖动装置的电动机，12. 牵引绳。

图5中，13. 攀壁机所攀附的墙体。

图6中，5.1. 姿态调整电动关节的减速机，5.2. 姿态调整电动关节的电动机。

图7给出了姿态调整电动关节的减速机的内部结构，其中，5.1.1.蜗杆，5.1.2蜗轮。

具体实施方式

实施例1：

如图1所示，攀壁机（1）带有四个螺旋桨（3），螺旋桨（3）的旋转平面位于竖直平面内（或者略有倾斜），因此螺旋桨（3）旋转时会产生水平推力。该水平推力将攀壁机（1）推向所要攀附的墙体（11）上。

攀壁机（1）的电动机拖动装置包括牵引绳（8）、轱辘（9）以及驱动电机（10）。在驱动电机（10）的驱动作用下，轱辘（9）旋转，带动攀壁机本体（1）上下移动。

刚性结构（6）是具有两个拐角的弯曲结构，上部与牵引绳（8）相连，并受到牵引绳（8）的向上的拉力，下部通过调整姿态调整电动关节（5）与攀壁机（1）的其他部分相连，并受到所述攀壁机（1）的其他部分的向下的拉力，在这些拉力的作用下保持姿态稳定，从而可以作为攀壁机（1）的除刚性结构（6）之外的其他部分的姿态调整的支撑物。通过调整姿态调整电动关节（5），可以实现攀壁机（1）的除刚性结构（6）之外的其他部分的俯仰角度的姿态调整，从而改变俯仰角度，使作业工具（7）与墙体（11）接触或分离。

图3给出了姿态调整电动关节（5）的实现方式。姿态调整电动关节（5）由驱动电机（5）构成。驱动电机（5）固定在刚性结构（6）上，支撑杆（2.3）同时也是驱动电机（5）的转轴。当驱动电机（5）的转轴（2.3）转动时，带动攀壁机本体（1）的除刚性结构（6）之外的部分转动，从而实现姿态调整。

实施例2：

如图4所示，攀壁机（1）带有四个螺旋桨（3），螺旋桨（3）的旋转平面位于竖直平面内（或者略有倾斜），因此螺旋桨（3）旋转时会产生水平推力。该水平推力将攀壁机（1）推向所要攀附的墙体（13）上。

攀壁机（1）的电动机拖动装置包括牵引绳（12）、轱辘（10）以及驱动电机（11）。在驱动电机（11）的驱动作用下，轱辘（10）旋转，带动攀壁机本体（1）上下移动。

刚性结构（6）是具有两个拐角的弯曲结构，上部与牵引绳（12）相连，并受到牵引绳（12）的向上的拉力，下部通过调整姿态调整电动关节（5）与攀壁机（1）的其他部分相连，并受到所述攀壁机（1）的其他部分的向下的拉力，在这些拉力的作用下保持姿态稳定，从而可以作为攀壁机（1）的除刚性结构（6）之外的其他部分的姿态调整的支撑物。通过调整姿态调整电动关节（5），可以实现攀壁机（1）的除刚性结构（6）之外的其他部分的俯仰角度的姿态调整。

通过改变俯仰角度，可以使作业工具（7）以及横向轮（9）与墙体（13）接触或分离。具体是：当攀壁机（1）前倾时，作业工具（7）与墙体（13）接触，此时通过攀壁机（1）的上下移动实现攀壁机（1）的相应作业；当攀壁机（1）后仰时，作业工具（7）与墙体（13）分离，横向轮（9）与墙体（13）接触，此时在驱动电机（8）的驱动作用下，横向轮（9）转动，利用横向轮（9）与墙体（13）之间的摩擦力使攀壁机（1）左右移动，实现横向位置的调整。

图6给出了姿态调整电动关节（5）的实现方式。所述姿态调整电动关节（5）由驱动电机（5.2）和所述驱动电机（5.2）所配备的减速机（5.1）构成。

图7给出了减速机（5.1）的内部结构。减速机（5.1）主要包括两部分：蜗轮（5.1.2）和蜗杆（5.1.1）。其中蜗杆（5.1.1）与驱动电机（5.2）的转轴共轴相连，并在驱动电机（5.2）的驱动作用下绕自身转轴旋转。蜗杆（5.1.1）与蜗轮（5.1.2）相啮合，蜗轮（5.1.2）在蜗杆（5.1.1）的驱动作用下转动。通过蜗杆（5.1.1）与蜗轮（5.1.2）组成的减速系统，实现减小输出转速、增大输出力矩的目的。蜗轮（5.1.2）与支撑杆（2.3）相固结，支撑杆（2.3）同时也是蜗轮（5.1.2）的转轴。当支撑杆（2.3）随蜗轮（5.1.2）绕自身中心轴转动时，带动攀壁机本体（1）的除刚性结构（6）之外的部分转动，从而实现姿态调整。

以上对本发明所提供的一种带有姿态调整电动关节的攀壁机进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。本说明书内容不应理解为对本发明的限制。上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种带有姿态调整电动关节的攀壁机，主要包括攀壁机本体、牵引绳、螺旋桨以及螺旋桨驱动装置，其特征是：攀壁机上设置有姿态调整电动关节。

2.根据权利要求1所述带有姿态调整电动关节的攀壁机，其特征是：

攀壁机本体包括一段刚性结构，所述刚性结构与牵引绳相连，所述刚性结构同时通过姿态调整电动关节与所述攀壁机本体的其他部分相连。

3.根据权利要求2所述带有姿态调整电动关节的攀壁机，其特征是：至少设置一个用于俯仰角度调整的姿态调整电动关节。

4.根据权利要求3所述带有姿态调整电动关节的攀壁机，其特征是：姿态调整电动关节包括一个俯仰姿态调整关节和一个横滚姿态调整关节。

5.根据权利要求3所述带有姿态调整电动关节的攀壁机，其特征是：攀壁机具有以电动机作为动力系统的拖动装置，其中拖动电机具有电子调速系统，电动机拖动装置的电子调速系统带有编码器。

6.根据权利要求3所述带有姿态调整电动关节的攀壁机，其特征是：攀壁机的拖动装置固定在移动小车上。

7.根据权利要求6所述带有姿态调整电动关节的攀壁机，其特征是：攀壁机的拖动装置所在的移动小车，带有车轮调速系统，该调速系统能够接收调速指令。

8.根据权利要求2所述带有姿态调整电动关节的攀壁机，其特征是：攀壁机本体上设置有摄像头。