CN109353423A - 一种直角坐标系爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

一种直角坐标系爬壁机器人，包括垂直交叉安装在移动机架上的纵向足步爬壁机构和横向足步爬壁机构，纵向足步爬壁机构包括纵向驱动机构、微型电动气泵Ⅰ和纵向真空吸盘总成，微型电动气泵Ⅰ通过导线与外部的气泵控制器连接并分别与纵向真空吸盘总成的气路连接，横向足步爬壁机构包括横向驱动机构、微型电动气泵Ⅱ和横向真空吸盘总成，微型电动气泵Ⅱ通过导线与外部的气泵控制器连接并分别与横向真空吸盘总成的气路连接。该一种直角坐标系爬壁机器人通过其纵向真空吸盘总成和横向真空吸盘总成的吸附和松开动作，以及纵向驱动机构和横向驱动机构的驱动，实现横向和纵向交叉移动，稳定性好，吸附可靠，效率高，可很好的满足高空擦洗玻璃的需求。

Description

一种直角坐标系爬壁机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别涉及一种适用于从事高空壁面工作的直角坐标系爬壁机器人。

背景技术

随着城市建设的发展，越来越多的人员开始从事高空壁面工作，其中也包括对高楼外壁面进行清洗，但这种工作方式危险性高、保障低、耗时耗力，因此设计爬壁机器人来代替人工作业就显得十分必要；爬壁机器人的设计与开发包括两个技术层面：吸附技术和爬行技术，吸附技术是指使爬壁机器人不发生滑落、倾翻的技术，常用的吸附方式有反向推力式、磁力吸附式、真空吸附式、基于范德华力的动物仿生式四种类型；爬行技术是指使爬壁机器人能够在各类墙面上自由爬行、灵活地翻越障碍的一种技术，目前爬壁机器人领域常用的爬行方式主要依靠足式爬壁机构、履带式爬壁机构、车轮式爬壁机构。

传统的爬壁机器人存在如下不足：

1．大多数爬壁机器人采用外接负压源的吸附技术,虽然产生的吸附力大但是在作业过程中产生的噪声大.并且作业范围小；

2．足式爬壁机构、履带式爬壁机构和车轮式爬壁机构组成复杂，运动笨拙，操作不便，难以控制；

3．由于结构复杂导致质量大、成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、操作方便的直角坐标系爬壁机器人，以克服上述已有技术存在的不足。

本发明采取的技术方案是：

一种直角坐标系爬壁机器人，包括垂直交叉安装在移动机架上的纵向足步爬壁机构和横向足步爬壁机构；

所述移动机架包括移动基座和伸缩调节杆，所述移动基座为“工”形结构，包括两根平行的横梁Ⅰ和与其垂直连接的中梁Ⅰ，伸缩调节杆通过螺栓垂直连接在两根横梁Ⅰ两端角的下部；

所述纵向足步爬壁机构包括纵向驱动机构、固连基座Ⅰ、4个微型电动气泵Ⅰ和4个纵向真空吸盘总成，所述纵向真空吸盘总成分别连接在伸缩调节杆的下端，所述微型电动气泵Ⅰ连接在两根横梁Ⅰ两端的上部，4个微型电动气泵Ⅰ通过导线与外部的气泵控制器连接，并分别与4个纵向真空吸盘总成的气路连接；

所述纵向驱动机构通过固连基座Ⅰ安装在移动基座下部，所述纵向驱动机构包括伺服电机Ⅰ、螺纹丝杆Ⅰ、轴承支座Ⅰ、移动导向块Ⅰ和联轴器Ⅰ，移动导向块Ⅰ上部通过螺栓与“工”形移动基座的中梁Ⅰ固定连接，所述固连基座Ⅰ为“十”字形结构，包括垂直连接的纵梁和横梁，螺纹丝杆Ⅰ通过联轴器Ⅰ安装在移动导向块Ⅰ的中心孔内，螺纹丝杆Ⅰ两端通过滚动轴承与轴承支座Ⅰ连接，轴承支座Ⅰ通过螺栓连接在固连基座Ⅰ纵梁两端，伺服电机Ⅰ安装在其中一端的轴承支座Ⅰ上并与螺纹丝杆Ⅰ传动连接；伺服电机Ⅰ受外接的控制系统控制，伺服电机Ⅰ工作时带动螺纹丝杆Ⅰ转动，螺纹丝杆Ⅰ相对于移动导向块Ⅰ纵向移动从而带动固连基座Ⅰ纵向移动；

所述横向足步爬壁机构包括横向驱动机构、4个微型电动气泵Ⅱ、4个横向真空吸盘总成和固连基座Ⅱ；所述固连基座Ⅱ为“工”字形结构，包括两根平行的纵梁Ⅱ和与其垂直连接的中梁Ⅱ，所述横向驱动机构安装在固连基座Ⅰ下部，包括伺服电机Ⅱ、螺纹丝杆Ⅱ、轴承支座Ⅱ、移动导向块Ⅱ和联轴器Ⅱ，移动导向块Ⅱ通过螺栓连接在固连基座Ⅱ的中梁Ⅱ上，螺纹丝杆Ⅱ通过联轴器Ⅱ安装在移动导向块Ⅱ的中心孔内，螺纹丝杆Ⅱ两端通过滚动轴承与轴承支座Ⅱ连接，轴承支座Ⅱ通过螺栓连接固连基座Ⅰ的横梁两端下部，伺服电机Ⅱ安装在其中一端的轴承支座Ⅱ上并与螺纹丝杆Ⅱ传动连接；4个微型电动气泵Ⅱ安装在“工”字形结构的两根纵梁Ⅱ上，4个微型电动气泵Ⅱ通过导线与外部的气泵控制器连接，并分别与4个横向真空吸盘总成的气路连接，伺服电机Ⅱ受外接的控制系统控制，伺服电机Ⅱ工作时带动螺纹丝杆Ⅱ转动，进而带动移动导向块Ⅱ相对于螺纹丝杆Ⅱ横向移动，从而带动4个横向真空吸盘总成横向移动。

其进一步的技术方案是：所述纵向真空吸盘总成包括吸盘杆Ⅰ、螺旋弹簧Ⅰ和橡胶吸盘Ⅰ，吸盘杆Ⅰ通过上端的螺纹段与伸缩调节杆的螺纹孔配合连接，螺旋弹簧Ⅰ与吸盘杆Ⅰ配合安装，所述吸盘杆Ⅰ端部中空处开孔连接气管，并与橡胶吸盘Ⅰ连接；

所述横向真空吸盘总成包括吸盘杆Ⅱ、螺旋弹簧Ⅱ和橡胶吸盘Ⅱ，吸盘杆Ⅱ通过上端的螺纹段与固连基座Ⅱ的螺纹孔配合连接，螺旋弹簧Ⅱ与吸盘杆Ⅱ配合安装，所述吸盘杆Ⅱ端部中空处开孔连接气管，并与橡胶吸盘Ⅱ连接。

更进一步：

所述纵向足步爬壁机构的微型电动气泵Ⅰ和横向足步爬壁机构的微型电动气泵Ⅱ是通过气泵垫圈配合安装。

所述移动机架、固连基座Ⅰ和固连基座Ⅱ采用轻质的铝合金材料制成。

由于采用上述技术方案，本发明之一种直角坐标系爬壁机器人具有下述有益效果：

1.该一种直角坐标系爬壁机器人包括垂直交叉安装在移动机架上的纵向足步爬壁机构和横向足步爬壁机构，通过其纵向真空吸盘总成和横向真空吸盘总成的吸附和松开动作，完成交替吸附，实现爬壁机器人在横向和纵向稳定移动，从而实现对玻璃的完全擦洗，可以很好的满足高空玻璃进行擦洗的需求；

2.该爬壁机器人采用真空吸附式方式，吸附力大且吸附可靠，能够牢牢吸附于玻璃上而不易脱落（对吸附平面的要求高但对越障能力的要求不高，而高空玻璃刚好符合此特点），因而具有稳定性好、工作效率高的优势；

3．该爬壁机器人的纵向足步爬壁机构的微型电动气泵Ⅰ是通过气泵垫圈配合安装，纵向真空吸盘总成由吸盘杆Ⅰ、螺旋弹簧Ⅰ和橡胶吸盘Ⅰ组成，吸盘杆Ⅰ通过上端的螺纹段与伸缩调节杆的螺纹孔配合连接，螺旋弹簧Ⅰ与吸盘杆Ⅰ配合安装，所述吸盘杆Ⅰ端部中空处开孔连接气管，并与橡胶吸盘Ⅰ连接；

横向足步爬壁机构的微型电动气泵Ⅱ是通过气泵垫圈配合安装，横向真空吸盘总成由吸盘杆Ⅱ、螺旋弹簧Ⅱ和橡胶吸盘Ⅱ组成，吸盘杆Ⅱ端的螺纹段与固连基座Ⅱ的螺纹孔配合连接，螺旋弹簧Ⅱ与吸盘杆配合安装，其吸盘杆Ⅱ端部中空处开孔连接气管，并与橡胶吸盘Ⅱ连接；

由于上述结构，可通过旋入螺纹孔的长度实现爬壁机器人的重心高度调节，螺旋弹簧与吸盘杆配合安装，不仅降低本体结构的晃动引起的震动，而且也可更多排挤空气而增强爬壁机器人的吸附能力，在吸盘杆端部中空处开孔连接气管实现吸排空气以完成吸附和松脱的动作过程，并在吸盘杆下端与橡胶吸盘连接；

4. 该爬壁机器人结构简单，操作方便，成本低廉，行走总成利用抽气气缸对吸盘产生真空负压，每个抽气气缸所需气量小，对气泵的要求低，可操作性和实用性好，其机架采用轻质的铝合金材料，移动灵活方便。

下面结合附图和实施例对本发明之一种直角坐标系爬壁机器人的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1～图3为本发明之一种直角坐标系的爬壁机器人结构示意图：

图1为立体结构示意图，图2为主视图(图1的A向视图)，图3为图2之右视图；

图4为移动机架结构示意图；

图5～图8为纵向足步爬壁机构结构示意图（与移动机架连接）：

图5为主视图，图6为图5之右视图，图7为图5之俯视图，图8为立体效果图；

图9为固连基座Ⅰ结构示意图（“十”字形结构）；

图10为固连基座Ⅱ结构示意图（“工”字形结构）；

图11～图14为横向足步爬壁机构结构示意图：

图11为主视图，图12为图11之左视图，图13为立体效果图，图14为图12之仰视图；

图15为工作流程图（纵向移动）。

图中：

1—移动机架，11—移动基座，111—横梁Ⅰ，112—中梁Ⅰ，12—伸缩调节杆，2—纵向驱动机构，21—伺服电机Ⅰ，22—螺纹丝杆Ⅰ，23—轴承支座Ⅰ，24—移动导向块Ⅰ，25—联轴器Ⅰ，26—滚动轴承Ⅰ，3—微型电动气泵Ⅰ，4—纵向真空吸盘总成，5—固连基座Ⅰ，51—纵梁，52—横梁，6—固连基座Ⅱ，61—纵梁Ⅱ，62—中梁Ⅱ，7—横向驱动机构，71—伺服电机Ⅱ，72—螺纹丝杆Ⅱ，73—轴承支座Ⅱ，74—移动导向块Ⅱ，75—联轴器Ⅱ，76—滚动轴承Ⅱ，8—微型电动气泵Ⅱ，9—横向真空吸盘总成。

具体实施方式，

一种直角坐标系爬壁机器人，包括垂直交叉安装在移动机架1上的纵向足步爬壁机构和横向足步爬壁机构；

所述移动机架1包括移动基座11和伸缩调节杆12，所述移动基座为“工”形结构，包括两根平行的横梁Ⅰ111和与其垂直连接的中梁Ⅰ112，伸缩调节杆通过螺栓垂直连接在两根横梁Ⅰ两端角的下部；

所述纵向足步爬壁机构包括纵向驱动机构2、固连基座Ⅰ5、4个微型电动气泵Ⅰ3和4个纵向真空吸盘总成4，所述纵向真空吸盘总成4分别连接在伸缩调节杆的下端，所述微型电动气泵Ⅰ3连接在两根横梁Ⅰ两端的上部，4个微型电动气泵Ⅰ通过导线与外部的气泵控制器连接，并分别与4个纵向真空吸盘总成的气路连接；

所述纵向驱动机构2通过固连基座Ⅰ5安装在移动基座11下部，所述纵向驱动机构2包括伺服电机Ⅰ21、螺纹丝杆Ⅰ22、轴承支座Ⅰ23、移动导向块Ⅰ24和联轴器Ⅰ25，移动导向块Ⅰ上部通过螺栓与“工”形移动基座的中梁Ⅰ固定连接，所述固连基座Ⅰ5为“十”字形结构，包括垂直连接的纵梁51和横梁52，螺纹丝杆Ⅰ通过联轴器Ⅰ安装在移动导向块Ⅰ的中心孔内，螺纹丝杆Ⅰ两端通过滚动轴承与轴承支座Ⅰ连接，轴承支座Ⅰ23通过螺栓连接在固连基座Ⅰ5 纵梁两端，伺服电机Ⅰ安装在其中一端的轴承支座Ⅰ上并与螺纹丝杆Ⅰ传动连接；伺服电机Ⅰ受外接的控制系统控制，伺服电机Ⅰ工作时带动螺纹丝杆Ⅰ转动，由于移动导向块Ⅰ上部通过螺栓与“工”形移动基座的中梁Ⅰ固定连接，故螺纹丝杆Ⅰ转动时只能螺纹丝杆Ⅰ相对于移动导向块Ⅰ产生纵向移动从而带动固连基座Ⅰ纵向移动；或固连基座Ⅰ不动（横向真空吸盘总成9吸住时），移动基座Ⅰ相对于固连基座Ⅰ纵向移动；

所述横向足步爬壁机构包括横向驱动机构7、4个微型电动气泵Ⅱ8、4个横向真空吸盘总成9和固连基座Ⅱ6；所述固连基座Ⅱ6为“工”字形结构，包括两根平行的纵梁Ⅱ61和与其垂直连接的中梁Ⅱ62，所述横向驱动机构7安装在固连基座Ⅰ5下部，包括伺服电机Ⅱ71、螺纹丝杆Ⅱ72、轴承支座Ⅱ73、移动导向块Ⅱ74和联轴器Ⅱ75，移动导向块Ⅱ74通过螺栓连接在固连基座Ⅱ6的中梁Ⅱ62上，螺纹丝杆Ⅱ通过联轴器Ⅱ安装在移动导向块Ⅱ的中心孔内，螺纹丝杆Ⅱ两端通过滚动轴承与轴承支座Ⅱ73连接，轴承支座Ⅱ通过螺栓连接固连基座Ⅰ5的横梁两端下部，伺服电机Ⅱ安装在其中一端的轴承支座Ⅱ上并与螺纹丝杆Ⅱ传动连接；4个微型电动气泵Ⅱ8安装在“工”字形结构的两根纵梁Ⅱ上，4个微型电动气泵Ⅱ8通过导线与外部的气泵控制器连接，并分别与4个横向真空吸盘总成9的气路连接；伺服电机Ⅱ71受外接的控制系统控制，伺服电机Ⅱ71工作时带动螺纹丝杆Ⅱ72转动，由于螺纹丝杆Ⅱ两端通过轴承支座Ⅱ73与固连基座Ⅰ5固定连接，故螺纹丝杆Ⅱ72的转动时只能使移动导向块Ⅱ74产生相对于螺纹丝杆Ⅱ72的横向移动，从而带动4个横向真空吸盘总成9横向移动。

所述纵向真空吸盘总成4包括吸盘杆Ⅰ、螺旋弹簧Ⅰ和橡胶吸盘Ⅰ，吸盘杆Ⅰ通过上端的螺纹段与伸缩调节杆12的螺纹孔配合连接，螺旋弹簧Ⅰ与吸盘杆Ⅰ配合安装，所述吸盘杆Ⅰ端部中空处开孔连接气管，并与橡胶吸盘Ⅰ连接；

所述横向真空吸盘总成9包括吸盘杆Ⅱ、螺旋弹簧Ⅱ和橡胶吸盘Ⅱ，吸盘杆Ⅱ通过上端的螺纹段与固连基座Ⅱ6的螺纹孔配合连接，螺旋弹簧Ⅱ与吸盘杆Ⅱ配合安装，所述吸盘杆Ⅱ端部中空处开孔连接气管，并与橡胶吸盘Ⅱ连接。

所述纵向足步爬壁机构的微型电动气泵Ⅰ3和横向足步爬壁机构的微型电动气泵Ⅱ8通过气泵垫圈配合安装。

所述移动机架1、固连基座Ⅰ5和固连基座Ⅱ6采用轻质的铝合金材料制成。

一种直角坐标系爬壁机器人的工作流程如下：

当爬壁机器人需要纵向运动时, 气泵控制器控制横向真空吸盘总成9吸住高楼外壁面不动，控制系统控制伺服电机Ⅰ21正转,带动移动机架以及纵向真空吸盘总成4移动，气泵控制器控制纵向真空吸盘总成4吸住高楼外壁面不动，此时横向真空吸盘总成释放气压，不再吸住外壁面，控制系统控制伺服电机21反转，带动移动机架以及纵向真空吸盘总成4移动，然后吸住外壁面，此时纵向吸盘释放气压，以此类推纵向吸盘和横向吸盘交错在运动，实现机器人纵向或横向爬行。

Claims (4)

1.一种直角坐标系爬壁机器人，其特征在于： 一种直角坐标系爬壁机器人，包括垂直交叉安装在移动机架（1）上的纵向足步爬壁机构和横向足步爬壁机构；

所述移动机架（1）包括移动基座（11）和伸缩调节杆（12），所述移动基座（11）为“工”形结构，包括两根平行的横梁Ⅰ（111）和与其垂直连接的中梁Ⅰ（112），伸缩调节杆通过螺栓垂直连接在两根横梁Ⅰ两端角的下部；

所述纵向足步爬壁机构包括纵向驱动机构（2）、固连基座Ⅰ（5）、4个微型电动气泵Ⅰ（3）和4个纵向真空吸盘总成（4），所述纵向真空吸盘总成（4）分别连接在伸缩调节杆（12）的下端，所述微型电动气泵Ⅰ（3）连接在两根横梁Ⅰ两端的上部，4个微型电动气泵Ⅰ通过导线与外部的气泵控制器连接，并分别与4个纵向真空吸盘总成的气路连接；

所述纵向驱动机构（2）通过固连基座Ⅰ（5）安装在移动基座（11）下部，所述纵向驱动机构（2）包括伺服电机Ⅰ（21）、螺纹丝杆Ⅰ（22）、轴承支座Ⅰ（23）、移动导向块Ⅰ（24）和联轴器Ⅰ（25），移动导向块Ⅰ上部通过螺栓与“工”形移动基座（11）的中梁Ⅰ（112）固定连接，所述固连基座Ⅰ（5）为“十”字形结构，包括垂直连接的纵梁（51）和横梁（52），螺纹丝杆Ⅰ通过联轴器Ⅰ安装在移动导向块Ⅰ的中心孔内，螺纹丝杆Ⅰ两端通过滚动轴承与轴承支座Ⅰ连接，轴承支座Ⅰ通过螺栓连接在固连基座Ⅰ（5）纵梁两端，伺服电机Ⅰ安装在其中一端的轴承支座Ⅰ上并与螺纹丝杆Ⅰ传动连接，伺服电机Ⅰ受外接的控制系统控制，伺服电机Ⅰ工作时带动螺纹丝杆Ⅰ转动，螺纹丝杆Ⅰ相对于移动导向块Ⅰ纵向移动从而带动固连基座Ⅰ（5）纵向移动；

所述横向足步爬壁机构包括横向驱动机构（7）、4个微型电动气泵Ⅱ（8）、4个横向真空吸盘总成（9）和固连基座Ⅱ（6），所述固连基座Ⅱ（6）为“工”字形结构，包括两根平行的纵梁Ⅱ（61）和与其垂直连接的中梁Ⅱ（62），所述横向驱动机构（7）安装在固连基座Ⅰ（5）下部，包括伺服电机Ⅱ（71）、螺纹丝杆Ⅱ（72）、轴承支座Ⅱ（73）、移动导向块Ⅱ（74）和联轴器Ⅱ（75），移动导向块Ⅱ（74）通过螺栓连接在固连基座Ⅱ（6）的中梁Ⅱ（62）上，螺纹丝杆Ⅱ通过联轴器Ⅱ安装在移动导向块Ⅱ的中心孔内，螺纹丝杆Ⅱ两端通过滚动轴承与轴承支座Ⅱ（73）连接，轴承支座Ⅱ通过螺栓连接固连基座Ⅰ（5）的横梁两端下部，伺服电机Ⅱ安装在其中一端的轴承支座Ⅱ上并与螺纹丝杆Ⅱ传动连接；4个微型电动气泵Ⅱ（8）安装在“工”字形结构的两根纵梁Ⅱ上，4个微型电动气泵Ⅱ通过导线与外部的气泵控制器连接，并分别与4个横向真空吸盘总成（9）的气路连接，伺服电机Ⅱ（71）受外接的控制系统控制，伺服电机Ⅱ（71）工作时带动螺纹丝杆Ⅱ（72）转动，进而带动移动导向块Ⅱ（74）相对于螺纹丝杆Ⅱ（72）横向移动，从而带动4个横向真空吸盘总成（9）横向移动。

2.根据权利要求1所述的一种直角坐标系爬壁机器人，其特征在于：

所述纵向真空吸盘总成（4）包括吸盘杆Ⅰ、螺旋弹簧Ⅰ和橡胶吸盘Ⅰ，吸盘杆Ⅰ通过上端的螺纹段与伸缩调节杆（12）的螺纹孔配合连接，螺旋弹簧Ⅰ与吸盘杆Ⅰ配合安装，所述吸盘杆Ⅰ端部中空处开孔连接气管，并与橡胶吸盘Ⅰ连接；

所述横向真空吸盘总成（9）包括吸盘杆Ⅱ、螺旋弹簧Ⅱ和橡胶吸盘Ⅱ，吸盘杆Ⅱ通过上端的螺纹段与固连基座Ⅱ（6）的螺纹孔配合连接，螺旋弹簧Ⅱ与吸盘杆Ⅱ配合安装，所述吸盘杆Ⅱ端部中空处开孔连接气管，并与橡胶吸盘Ⅱ连接。

3.根据权利要求2所述的一种直角坐标系爬壁机器人，其特征在于：

所述纵向足步爬壁机构的微型电动气泵Ⅰ（3）和横向足步爬壁机构的微型电动气泵Ⅱ（8）通过气泵垫圈配合安装。

4.根据权利要求3所述的一种直角坐标系爬壁机器人，其特征在于：所述移动机架（1）、固连基座Ⅰ（5）和固连基座Ⅱ（6）采用轻质的铝合金材料制成。