CN110072764B - 一种用于提供垂直移动性的机器人设备 - Google Patents

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Abstract

用于提供垂直移动性的机器人设备具有有效载荷，其布置在中央隔间内并由滑动件支撑。滑动件可以通过闩锁和钩对上下移动，以保持与表面的紧密接触并跨越凸起。该装置使用柔性密封件来形成可靠的真空室。柔性密封件包括织物袋内的泡沫环。多个杆和弹簧条配置成向柔性密封件施加向下的力以符合表面曲率。织物袋填充间隙或接缝以保持真空。空气在歧管内流动并穿过过滤器以避免碎屑损坏真空马达组件。

Description

一种用于提供垂直移动性的机器人设备
相关申请案的交叉引用
本申请主张美国专利申请62/357,607(2016年7月1日提交)的优先权，并且是其的非临时申请，其全部内容通过引用结合于此。
背景技术
本文公开的主题涉及在垂直表面上移动的机器人设备。使用真空吸附和在壁上移动有三个主要挑战。第一个挑战是在牢牢贴在壁上的同时保持移动性。第一个挑战是重要的，因为这些属性是矛盾的。第二个挑战是在壁上移动时保持密封。这是困难的，因为存在许多类型的表面，例如平坦表面或具有曲率以及表面特征的表面，例如接缝或脊，这可能使得难以保持真空密封。第三个挑战是避免可能损坏叶轮或真空马达的碎屑。混凝土结构通常具有可能损坏设备的碎屑。因此需要一种改进的设备。
提供以上讨论仅用作一般的背景信息，并不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
发明内容
描述了一种用于提供垂直移动性的装置。真空室由柔性密封件包围。真空马达和叶轮组件抽空该室并将有效载荷(例如，地面穿透雷达(GPR))压靠在平坦表面(例如，壁或地面)或弯曲表面(例如，风力涡轮机叶片的表面)上。
公开了一种用于提供垂直移动性的机器人设备，其具有有效载荷，设置在中央隔间内并由滑动件支撑。滑动件可以通过闩锁和钩对上下移动，以保持与表面的紧密接触并跨越凸起。该装置使用柔性密封件来形成可靠的真空室。柔性密封件包括织物袋内的泡沫环。多个杆和弹簧条配置成向柔性密封件施加向下的力以符合表面曲率。织物袋填充间隙或接缝以保持真空。空气在歧管内流动并穿过过滤器以避免碎屑损坏真空马达组件。
在第一实施例中，提供了一种用于提供垂直移动性的机器人设备。该机器人设备包括：壳体，其封闭暴露于壳体的下表面上的开口的真空室；柔性密封件，其包围开口；多个杆和弹簧条，其配置成向柔性密封件施加向下的力；有效载荷，其设置在中央隔间内，有效载荷由垂直移动的滑动件支撑；真空马达组件，其可操作地连接到真空室；用于使机器人设备在表面上移动的构件，用于移动的构件是至少一个轮子或至少一个坦克履带；其中，真空马达组件的致动在真空室中产生真空，该真空将壳体抽向表面，使得用于移动的构件压靠在表面上。
在第二实施例中，提供了一种用于提供垂直移动性的机器人设备。所述机器人设备包括：壳体，其封闭暴露于壳体的下表面上的开口的真空室，所述真空室具有中央隔间，所述中央隔间中设置有有效载荷；柔性密封件，其包围开口；真空马达组件，其可操作地连接到真空室；用于使机器人设备在表面上移动的构件，用于移动的构件是至少一个轮子或至少一个坦克履带，其中用于移动的构件直接连接到壳体，使得真空马达组件的致动在真空室中产生真空，并将壳体抽向表面，使得用于移动的构件压靠在表面上；其中，有效载荷由滑动件支撑，使得有效载荷在中央隔间内可垂直移动，但不能横向移动。
在第三实施例中，提供了一种用于提供垂直移动性的机器人设备。该机器人设备包括：壳体，其封闭暴露于壳体的下表面上的开口的真空室；柔性密封件，其包围开口；多个杆和弹簧条，其配置成向柔性密封件施加向下的力；地面穿透雷达单元，其设置在壳体内的中央隔间内，地面穿透雷达单元由垂直移动的滑动件支撑，其中地面穿透雷达单元由滑动件支撑，使得地面穿透雷达单元是在中央隔间内可垂直移动，但不能横向移动；真空马达组件，其可操作地连接到真空室；用于使机器人设备在表面上移动的构件，用于移动的构件是至少一个轮子或至少一个坦克履带；其中，真空马达组件的致动在真空室中产生真空，该真空将壳体抽向表面，使得用于移动的构件压靠在表面上。
本发明的简要描述仅旨在提供根据一个或多个说明性实施例在此公开的主题的简要概述，并且不用作解释权利要求或限定或限制发明的范围的向导，该范围仅由所附权利要求限定。提供该简要描述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的概念的说明性选择。该简要描述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题不限于解决背景技术中提到的任何或所有缺点的实施方式。
附图说明
为了便于理解本发明的特征的方式，可以通过参考某些实施例来获得本发明的详细描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，应注意，附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应视为限制本发明的范围，因为本发明的范围包括其他同等有效的实施例。附图不一定按比例绘制，重点通常在于说明本发明的某些实施例的特征。在附图中，在各个视图中，相同的数字用于表示相同的部件。因此，为了进一步理解本发明，可以参考以下的详细描述，并结合附图阅读，其中：
图1是用于垂直移动装置的俯视透视图；
图2示出了图1的装置，其中壳体以虚线示出；
图3是图1的装置的俯视分解图；
图4A是用于垂直移动装置的仰视透视图；
图4B是用于垂直移动装置的俯视透视图；
图5A是另一种用于垂直移动的装置的分解图；
图5B示出了图5A的装置的外壳；
图5C是图5A的装置的剖视图，示出了空气流动；
图6A是图5A的装置的仰视透视图，示出了具有中央隔间的真空室；
图6B是图5A的装置的仰视透视图，其中中央隔间被滑动件覆盖；
图7是另一用于垂直移动的装置的分解图；
图8A是图7的装置的俯视透视图，其中盖被移除；
图8B是图7的装置的前视图，其中附接有盖；
图8C是图7的装置的剖视图，示出了空气流动；
图8D是图7的装置的前视图，示出了具有杆和弹簧条多个部分的柔性泡沫密封件；
图8E示出了一个杆和弹簧条；
图9A是图7的装置的仰视透视图，其中中央隔间被滑动件覆盖；以及
图9B是图7的装置的仰视透视图，其中滑动件被移除以示出中央隔间。
具体实施方式
本申请公开了一种为无损检测(NDT)仪器和相机提供垂直移动性的装置。这种装置可用于检查具有大平坦区域的大型结构，例如但不限于建筑物立面、堤坝、隧道和桥梁，或具有曲率的表面，例如风力涡轮机叶片。该装置被设计成可在任何方向上操作，无论其是在地面上、在壁上还是在天花板上，并且被设计成可克服这些表面上的小间隙、壁架和其他特征。该设备可以配置用于其他目的，例如监视和表面清洁。
本公开还提供了一种用于可靠地在垂直壁的粗糙和光滑表面上移动的方法和装置。该方法和装置允许携带可以装配到中央隔间中的有效载荷。有效载荷的示例包括地面穿透雷达(GPR)天线或其他NDT仪器。
本公开中描述了若干配置。这些配置的大小不同，以适应不同型号的NDT仪器。配置共享的一些机械特征是真空马达和叶轮组件、允许空气在壳体单元内流动的过滤器和歧管、柔性密封件、用于移动的构件(例如，传动系)和NDT仪器所在的真空室的中央隔间。
装置100(图1、图2和图3)用于携带用于大坝和隧道检查的深穿透的大型双频模型GPR天线。装置100包括真空马达104；柔性密封件106；用于移动的构件108和壳体110。用耐用塑料(例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS))注塑成型适合于其结构。装置100包括具有开口侧的腔室(未示出)，该腔室搁置在诸如建筑物侧面的垂直表面上。在一个实施例中，柔性密封件106是外部圆形柔性密封件。
利用真空马达104将空气从腔室中抽离，以在腔室内产生真空，这允许装置在没有来自外部的任何支撑的情况下粘附到壁上。空气穿过弯曲管道过滤隔间101内的过滤器(图3中未示出，但参见图5A)并从腔室中抽出。腔室不直接接触壁，但是柔性密封件106被附接和密封，以尽可能减少空气流入腔室。柔性密封件106包括包裹在聚合物或尼龙织物袋内的泡沫环，并且围绕主体附接和密封以形成真空室并尽可能地与接触表面贴合。方形内部柔性裙部密封件103附接到裙部底座105，以确保可靠的真空并尽可能减少空气流入真空室。摩擦和移动性由用于移动的构件108提供，例如在两个相对侧上安装在腔室内侧的(1)坦克履带或(2)轮子，并且其间的空间保持敞开作为中央隔间以容纳专用有效载荷，例如GPR单元107。有效载荷能够直接接触表面以获得最佳性能。上述部件由壳体110保持在一起并由盖109保护。该装置由电池组111供电。
真空马达104包括叶轮，该叶轮设计成将空气驱出腔室并保持显著的真空压力，同时保持相对大的气流，因为与壁的密封不需要是完美的气密。提供真空马达104中的真空马达，其匹配使用叶轮所需的扭矩和每分钟转数(RPM)。压力传感器(未示出)可安装在腔室内，其提供反馈以快速调节真空马达速度，以便在真空室内保持低压，以在操作期间始终保持对壁的粘附。
围绕周边的柔性密封件106被设计成提供粘附力的最大面积，符合壁的表面纹理、特征和几何形状，同时将其自身的力限制在表面上。这可以通过使柔性密封件106略大于腔室的周边并使得与腔室的物理连接非常灵活来实现。一种柔性密封设计是在尼龙织物袋内包裹低密度泡沫。低密度泡沫符合表面几何形状，尼龙织物填充间隙，同时使柔性密封件相对气密。尼龙具有耐磨性，并且具有低摩擦系数，可用于在混凝土等粗糙表面上滑动。柔性密封件106通过用塑料环将袋边缘紧固/拧入主体的边缘而连接到腔室。这样，大部分粘附力直接进入腔室，从而作用于用于移动的构件108，并且只有一小部分向下力施加到柔性密封件106上，从而允许装置100以最小的摩擦在表面上移动。
装置100的圆形形状包围方形中心室，在侧面、前部和后部留下新月形腔。侧面由用于移动的构件108(例如，传动系)填充，包括驱动马达、轮子和齿轮箱。由于其相对窄的形状和高扭矩重量比，所以在设计中使用了蜗杆驱动马达。前部、后部和顶部由真空马达和电子设备填充。
用于移动的构件108尽可能地窄，以便允许GPR仪器尽可能地靠近壁的边缘。驱动马达的尺寸和功率取决于车辆的总重量。轮子处的扭矩输出必须能够克服装置及其有效载荷的重量，因为它将直接对抗重力，因为它通常在垂直表面上操作。转向装置是用于装置100、装置400、装置500和装置700的差动驱动器，允许枢轴转动。
为了获得最佳测量结果，通常需要有效载荷直接接触壁表面，因此，在腔室内形成具有四个壁的腔以围绕有效载荷，使得它可以上下移动，但不能横向移动。公差允许适度的倾斜。有效载荷仪器通过弯曲的弹簧条弹簧加载到表面上，以将传感器压靠向壁表面。有效载荷从腔体挤出受到闩锁的限制。参见图7、图9A和图9B。
壳体110用于多种目的，因为它可以用于降噪，并且具有光滑的表面，以便在其移动时对通过中心孔连接到设备的电力/信号电缆和安全电缆的刮伤最小化。
装置400(图4A、图4B)被设计成承载不同型号的GPR，其整体尺寸大约为6英寸。装置400比装置100小得多，因为它旨在携带更小和更轻的GPR仪器，但基本上两个设备都是相似的。
使用方形装置400以使GPR尽可能靠近壁的边缘。由于周边没有太多空间，因此该型号的电子设备和真空马达放置在腔室上方。在该设计中使用坦克履带，因为它具有多种用途：动力传递和摩擦表面，从而在侧面节省空间。
图5A描绘了另一实施例，其中示出了装置500。装置500包括盖502和壳体504。真空马达组件506包括真空马达506a、围绕真空马达506a的散热器506b、以及叶轮506c。真空马达组件506从接触表面和壳体单元的底部之间的间隙抽吸空气，并在中央腔室(600，见图6A)周围产生真空，该中央腔室内装有NDT仪器(例如，GPR传感器单元)。由真空马达组件506吸入的进气和/或排气穿过过滤隔间(530，图5B)内的空气过滤器514，以避免碎屑对叶轮506c的损坏。如图5C所示，空气沿着由隔间的内表面形成的歧管在驱动轮隔间(532，图5B)和过滤隔间530内流动。电子控制板540和开关542也在图5B中示出。
在一个实施例中，用于移动的构件508包括通过同步带538连接的驱动马达534和驱动轮536。驱动马达534可操作地连接在壳体504中并且通过同步带538和轴承驱动驱动轮536。驱动轮536封闭在驱动轮隔间532内。万向轮512便于装置500的移动，包括枢轴转动。万向轮512在没有致动器的情况下是自由移动和被动的。两个驱动轮536和一个万向轮512与壁表面接触，以将壳体504保持在平坦表面上。有效载荷516(例如，GPR单元或其他NDT传感器)通过真空室600内的滑动件518保持在中央隔间604内。滑动件518通过钩对602附接到壳体504(参见图6A)。中央隔间底部的四个弯曲弹簧条802(见图6A)将有效载荷推向滑动件。钩对使得滑动件(并因此使有效载荷516)在真空室内垂直移动具有空间，但不能横向移动。这样的配置有助于将有效载荷516保持在靠近表面的同时仍然允许有效载荷516在凸起上移动。
壳体504还包括位于壳体504外侧的保险杠520(图5A)。保险杠520与壳体504可操作地连接，通过壳体504的左侧和右侧上的两组开关528来检测障碍物(图5B)。每组开关528具有两个开关，以检测两个方向(前进/后退和侧向)的保险杠运动。装置500还具有距离传感器522，其沿向下方向扫描以检测壁表面的边缘。装置500包括手柄524，手柄524为抓取器提供抓握位置，以将装置输送到垂直壁表面。装置500包括用于检测壁表面上的裂缝的视觉感知传感器526(例如，立体相机)，以及使立体相机526向上和向下倾斜±45度的伺服电机510。
柔性密封件544封闭壳体504，壳体504形成真空室以粘附到壁表面。如图5C和图6A所示，柔性密封件544包围壳体504的周边，并且由壳体边缘554保护。
如图6A所示，装置500的底部具有柔性密封件554，其包围真空室600和中央隔间604的开口(参见图6A)。图6B示出了滑动件518、万向轮512和驱动轮508。
图7描绘了具有壳体704和盖702的另一装置700。真空马达组件706从接触表面和壳体单元的底部之间的间隙抽吸空气并在中央隔间900周围产生真空(见图9B)。由真空马达组件706抽吸的进气和/或排气穿过过滤隔间内的空气过滤器714(图8C)，以避免碎屑对叶轮的损坏。过滤隔间由过滤隔间盖728保护。空气在驱动轮隔间和过滤隔间内沿着由隔间的内表面形成的歧管流动，如图8C所示。还提供了柔性密封件712。电子控制板720包括微处理器，其通过电源和信号连接器722控制驱动马达控制器710和真空马达组件706的操作，所述的真空马达组件706通过真空马达控制器726控制。
在图7的实施例中，用于移动的构件708是坦克履带，其由驱动马达708a、同步带708b、通过履带708d连接的两个轮子708c和紧固件708e组成。驱动马达800(见图8A)通过紧固件708e可操作地连接到壳体704，并由驱动马达控制器710控制。驱动轮708c和履带708d封闭在驱动轮隔间内。同步带708b连接到驱动马达800和驱动轮708c。
图8B提供了装置700的前视图，其中柔性密封件712包围并悬垂壳体704。
如图8D所示，柔性密封件712包围壳体704并形成真空室以粘附到壁表面。围绕周边的柔性密封件712被设计成提供粘附力的最大面积，符合壁的表面纹理、特征和几何形状，同时将其自身的力限制在表面上。这可以通过使壳体的物理连接非常灵活来实现。一种柔性密封设计是在尼龙织物袋内包裹低密度泡沫。杆和弹簧条组件802的多个部分(见图8E)插入袋内并包围壳体单元的周边。每个杆和弹簧条组件802包括杆804和弹簧条806。每个部分可以通过弯曲的弹簧条向下推动泡沫以符合表面曲率。低密度泡沫符合表面几何形状，尼龙织物填充间隙，同时使柔性密封件相对气密。尼龙具有耐磨性，并且具有低摩擦系数，可用于在混凝土等粗糙表面上滑动。柔性密封件712通过用塑料环将袋边缘紧固/拧入壳体边缘而连接到腔室。这样，大部分粘附力直接作用于真空室，从而作用于移动的构件(例如，传动系)708，并且仅有一小部分向下的力施加到柔性密封件712上，从而允许装置700以最小的摩擦力在表面上移动。
中央隔间900是具有四个壁的腔以围绕有效载荷716(例如，GPR传感器或其他NDT仪器)，使得它可以上下移动，但不能横向移动。有效载荷716通过滑动件718保持在中央隔间900内。滑动件718具有四个闩锁724(参见图7和图9A)，其附接到壳体704上的四个钩对902(参见图9B)。钩对和闩锁对使得滑动件能够在真空室内垂直移动，但不能横向移动。位于中央隔间底部的四个杆和弹簧条组件802将有效载荷推向滑动件。滑动件的垂直运动使得滑动件的高度调节从而能够跨越壁表面上的凸起。
尽管已经参考某些实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替换其元件以适应特定情况。因此，目的是权利要求不限于所公开的特定实施例，而权利要求将包括落入所附权利要求的范围和精神内的所有实施例。

Claims (16)

1.一种用于提供垂直移动性的机器人设备，所述机器人设备包括：
壳体，其封闭真空室，真空室暴露于所述壳体的下表面上的开口；
柔性密封件，其包围所述开口；
多个杆和弹簧条，其配置成向所述柔性密封件施加向下的力；
有效载荷，其设置在中央隔间内，所述有效载荷由垂直移动的滑动件支撑；
真空马达组件，其可操作地连接到所述真空室；
构件，其用于使所述机器人设备在表面上移动，用于移动的所述构件是至少一个轮子或至少一个坦克履带；
其中，所述真空马达组件的致动在所述真空室中产生真空，所述真空将所述壳体抽向所述表面，使得用于移动的所述构件压靠在所述表面上。
2.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述中央隔间是方形的。
3.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述中央隔间是方形的并且包括地面穿透雷达单元。
4.根据权利要求3所述的机器人设备，其中，所述地面穿透雷达单元通过所述开口暴露于所述表面。
5.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述柔性密封件大于所述真空室的周边。
6.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述柔性密封件限定密封周边，并且用于移动的所述构件设置在所述密封周边内。
7.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述柔性密封件包裹在柔性织物袋内。
8.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述柔性密封件包裹在柔性尼龙织物袋内。
9.根据权利要求1所述的机器人设备，其中，所述真空马达组件包括叶轮，所述机器人设备还包括具有至少一个过滤器的过滤隔间，所述真空马达组件配置成在空气穿过所述真空马达组件的所述叶轮之前将所述空气抽过所述真空室并通过至少一个所述过滤器，从而保护所述真空马达组件免受碎屑的影响。
10.一种用于提供垂直移动性的机器人设备，所述机器人设备包括：
壳体，其封闭真空室，真空室暴露于所述壳体的下表面上的开口，所述真空室具有中央隔间，所述中央隔间具有设置在其中的有效载荷；
柔性密封件，其包围所述开口；
真空马达组件，其可操作地连接到所述真空室；
用于使所述机器人设备在表面上移动的构件，用于移动的所述构件是至少一个轮子或至少一个坦克履带，其中，用于移动的所述构件直接连接到所述壳体，使得所述真空马达组件的致动在所述真空室中产生真空，并且将所述壳体抽向所述表面，使得用于移动的所述构件压靠在所述表面上；
其中，所述有效载荷由滑动件支撑，使得所述有效载荷在所述中央隔间内可垂直移动，但不能横向移动。
11.根据权利要求10所述的机器人设备，其中，所述有效载荷是无损检测仪器。
12.根据权利要求10所述的机器人设备，其中，所述有效载荷是地面穿透雷达单元。
13.一种用于提供垂直移动性的机器人设备，所述机器人设备包括：
壳体，其封闭真空室，真空室暴露于所述壳体的下表面上的开口；
柔性密封件，其包围所述开口；
多个杆和弹簧条，其配置成向所述柔性密封件施加向下的力；
地面穿透雷达单元，其设置在所述壳体内的中央隔间内，所述地面穿透雷达单元由垂直移动的滑动件支撑，
其中，所述地面穿透雷达单元由滑动件支撑，使得所述地面穿透雷达单元在所述中央隔间内垂直可移动，但不能横向移动；
真空马达组件，其可操作地连接到所述真空室；
用于使所述机器人设备在表面上移动的构件，用于移动的所述构件是至少一个轮子或至少一个坦克履带；
其中，所述真空马达组件的致动在所述真空室中产生真空，所述真空将所述壳体抽向所述表面，使得用于移动的所述构件压靠在所述表面上。
14.根据权利要求13所述的机器人设备，其中，所述柔性密封件限定密封周边，并且用于移动的所述构件设置在所述密封周边内。
15.根据权利要求13所述的机器人设备，其中，所述柔性密封件包裹在柔性织物袋内。
16.根据权利要求13所述的机器人设备，其中，所述柔性密封件包裹在柔性尼龙织物袋内。
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