CN110142794A - 一种具有蜂巢网格结构的吸附腔及其吸附方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有蜂巢网格结构的吸附腔及其吸附方法，属于机器人技术领域，吸附腔包括风机、软管、气缸、负压吸附侧壁和连接板；通过连接板和负压吸附侧壁构成内部为空腔的负压吸附腔体，通过气缸下压连接板，使负压吸附侧壁的下表面紧贴被吸附表面，通过风机连续抽空气，利用负压吸附侧壁的下表面与被吸附表面的文丘里效应，形成负压吸附区域，使负压吸附腔体稳定可靠吸附在被吸附表面上。并提供了相应的吸附方法。本发明能够主动顺应复杂曲面，保证吸附腔与自由曲面的贴合，能适应各种材质的变曲率表面，保证爬壁机器人在移动状态下仍保持对变曲率表面的稳定可靠吸附，且保证移动时的低阻力。

Description

一种具有蜂巢网格结构的吸附腔及其吸附方法
技术领域
本发明属于机器人技术领域，更具体地，涉及一种具有蜂巢网格结构的吸附腔及其吸附方法。
背景技术
在移动机器人研究领域中，爬壁机器人是其中的一个重要分支，它很好的结合了吸附技术、移动技术和控制技术，能吸附在曲面上进行局部特种加工作业，可以对大型结构件进行磨抛等加工。吸附是爬壁机器人的特有的功能，也是其与普通移动机器人的一个显著区别。目前，主要有以下几种吸附方式：负压吸附、磁力吸附、推力吸附和仿生吸附(基于分子间范德华力)。相较而言，真空吸附对于吸附表面的材质没有严格要求，可以适应所有的大型构件；且可以提供较大吸附力，保证爬壁机器人有足够大的负载。
独立的真空吸附结构可根据需求设计成不同尺寸，适应各种机型机器人。学者桂仲成等提出了一种多体柔性吸附系统，吸附系统安装在轮式移动机构的底盘上(桂仲成，陈强，孙振国等.多体柔性永磁吸附爬壁机器人[J].机械工程学报,2008)。但这种吸附系统，由于是磁吸附，因此只能吸附在磁性材料的工件上，极大限制了吸附表面，而且由于通过连接机构与轮式移动机构连接，安装在轮式移动机构的底盘上，也限制了机器人运动方式。Cromsci设计了一种配有7个腔室和一个适应壁面的充气橡胶密封裙的复杂吸附系统，来维持足够大的吸附力，自重约50Kg，可携带最大负载为10Kg(D.Schmidt,C.Hillenb Robots,CLAWAR,Paris,France,2011)。但此吸附结构过于复杂，且负载—自重比较小，应用范围受限制。
目前还没有一种吸附结构，既能适应各种材质的变曲率表面，又能提供爬壁机器人加工作业过程中所需的吸附力，不至于脱落。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有蜂巢网格结构的吸附腔及其吸附方法，其目的在于，通过连接板和蜂巢网格结构的负压吸附侧壁构成内部为空腔的负压吸附腔体，利用负压吸附侧壁的下表面与被吸附表面的文丘里效应，形成负压吸附区域，使负压吸附腔体稳定可靠吸附在被吸附表面上，由此解决现有吸附结构复杂，不能适应能适应各种材质的变曲率表面，以及易于脱落的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种具有蜂巢网格结构的吸附腔，其特征在于，包括风机、软管、气缸、负压吸附侧壁和连接板，其中，
所述风机用于固连在机器人主体上，通过所述软管为负压吸附腔体内提供负压；
所述软管能够上下伸缩，其上端与所述风机的出气端固连且连接处内部连通；其下端固连在所述连接板的上面，且连接处的圆周密封，连接处的圆周内部的连接板上设有通孔；
所述气缸的伸缩杆一端固连在所述连接板的上面，用于向所述连接板提供压力或拉力；所述气缸的另一端用于固连在机器人主体上；
所述负压吸附侧壁为密封连接于所述连接板下面周边的蜂巢网格结构状的侧壁；所述蜂巢网格结构由多个内部为空腔的网格单元拼接而成，相邻的网格单元之间连通；所述负压吸附侧壁采用非刚性材料；
所述连接板和所述负压吸附侧壁构成内部为空腔的负压吸附腔体。
工作时，所述蜂巢网格结构的网格单元内部具有设定的气压；通过气缸下压连接板，使负压吸附侧壁的下表面紧贴被吸附表面，通过风机连续抽空气，利用负压吸附侧壁的下表面与被吸附表面的文丘里效应，形成负压吸附区域，使负压吸附腔体稳定可靠吸附在被吸附表面上。
优选地，所述气缸为两个，分别布置在所述软管的两侧。
优选地，所述负压吸附侧壁上设有打气孔，用于向所述蜂巢网格结构的网格单元内部空腔充气，不充气时该打气孔密封。
优选地，通过调整所述蜂巢网格结构的网格单元的大小和网格单元的壁厚，能够使吸附腔吸附不同曲率变化范围的表面。
优选地，所述负压吸附侧壁的材料采用聚氨酯。
优选地，所述负压吸附侧壁采用铸造方式一体成型。
按照本发明的另一个方面，提供了一种基于上述吸附腔的吸附方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)向负压吸附侧壁的蜂巢网格结构内部充气，使其各网格单元内部具有设定的气压；
(S2)开启气缸和风机，通过气缸下压连接板，使负压吸附侧壁下表面紧贴被吸附表面，风机连续抽气，利用负压吸附侧壁的下表面与被吸附表面的文丘里效应，形成负压吸附区域，使负压吸附腔体稳定可靠吸附在被吸附表面上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明提供的吸附腔，通过连接板和负压吸附侧壁构成内部为空腔的负压吸附腔体，通过气缸下压连接板，使负压吸附侧壁的下表面紧贴被吸附表面，通过风机连续抽空气，利用负压吸附侧壁的下表面与被吸附表面的文丘里效应，形成负压吸附区域，使负压吸附腔体稳定可靠吸附在被吸附表面上；负压吸附腔体内部真空度越高，负压越大，吸附力越大；吸附腔可在吸附力的作用下自调节相对于壁面的位姿；结构简单，能够主动顺应复杂曲面，保证吸附腔与自由曲面的贴合，同时能提供足够吸附力保证其牢固可靠的吸附；能适应各种材质的变曲率表面，又能提供爬壁机器人加工作业过程中所需的吸附力，不至于脱落，保证爬壁机器人在移动状态下仍保持对变曲率表面的稳定可靠吸附，且保证移动时的低阻力。
2、负压吸附侧壁为多个内部为空腔的网格单元拼接而成的蜂巢网格结构，工作时网格单元内部具有设定的气压；该结构保证在吸附曲面法矢量方向具有顺应能力的同时可承受真空压力，当吸附过程中出现吸附腔主体内部气压小于大气压时，蜂巢网格状结构提供侧向支撑力防止负压吸附腔体变形。
3、负压吸附侧壁采用聚氨酯等非刚性材料，使得负压吸附侧壁整体以及每个网格单元都具有一定弹性，气缸下压连接板时，每个网格单元的弹性变形使得负压吸附侧壁下表面更加紧贴不同曲率的被吸附表面，风机连续抽气时，每个网格单元的弹性变形更利于负压吸附侧壁的下表面与被吸附表面的文丘里效应，形成负压吸附区域，使负压吸附腔体稳定可靠吸附在被吸附表面上，并使吸附腔可在吸附力的作用下自调节相对于壁面的位姿。
4、采用两个气缸布置在连接板上面软管的两侧，使得气缸向连接板下压时均匀施力，利于负压吸附侧壁下表面与被吸附表面更紧密贴合，进而形成相对外部大气密封的负压吸附腔体，保证文丘里效应的发生。
5、通过调整蜂巢网格结构的网格单元的大小和网格单元的壁厚，能够使吸附腔吸附不同曲率变化范围的表面，进而使机器人适用于不同曲率变化范围的工件表面，极大地扩展了吸附腔的应用范围。
6、本发明提供的吸附腔，不需要安装在特定的轮式移动机构的底盘上或其他平台上，使得使用本发明的吸附机器人运动方式灵活自由，机器人位姿不受限，可达工件上现有机器人不可达的极端位置。
7、本发明提供的吸附腔，相对于现有吸附结构，结构简单，负载-自重比大，应用范围广。
附图说明
图1是本发明较佳实施例中具有蜂巢网格结构的吸附腔示意图；
图2是本发明较佳实施例中图1中A部位的局部放大示意图；
图3是本发明较佳实施例中具有蜂巢网格结构的吸附腔底视图(从底部向上看)。
在所有的附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1、风机；2、软管；3、气缸；4、负压吸附侧壁；5、连接板；6、气缸；7、网格单元。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供一种具有蜂巢网格结构的吸附腔，包括风机1、软管2和气缸、负压吸附侧壁4和连接板5。
风机1用于固连在机器人主体上，通过软管2为负压吸附腔体内部提供负压。
软管2能够上下伸缩，其上端与风机1的出气端固连且连接处内部连通；其下端固连在连接板5的上面，且连接处的圆周密封，连接处的圆周内部的连接板5上设有通孔。软管2可伸缩，保证在气缸调节负压吸附腔体位姿时，软管仍能密封连接负压吸附腔体与风机。
气缸的伸缩杆一端固连在连接板5的上面，用于向连接板5提供压力和拉力；气缸的另一端用于固连在机器人主体上；本实施例中采用两个气缸(3,6)，分别布置在软管2的两侧，实际使用时气缸位置和数量可做适当调整，以实现均匀下压负压吸附腔体，使负压吸附侧壁4的下表面紧密贴合被吸附表面。气缸在风机启动时工作，下压负压吸附腔体，保证风机启动时负压吸附腔下表面与被吸附表面的贴合以提供相对密封环境，以保证文丘里效应的发生。
如图2所示，负压吸附侧壁4为密封连接于连接板5下面周边的蜂巢网格结构状的侧壁；蜂巢网格结构由多个内部为空腔的网格单元拼接而成，相邻的网格单元之间连通；负压吸附侧壁4采用非刚性材料，譬如聚氨酯及类似材料。负压吸附侧壁4在工作前需先内充气，使蜂巢网格结构各网格单元格内部具有一定气压。该结构保证在吸附曲面法矢量方向具有顺应能力的同时可承受真空压力，当吸附过程中出现吸附腔主体内部气压小于大气压时，蜂巢网格状结构提供侧向支撑力防止吸附腔变形。
如图3所示，连接板5和负压吸附侧壁4构成内部为空腔的负压吸附腔体。图中间的圆孔为软管2和负压吸附腔体内部的通气孔。连接板5为刚性材料。
本实施例中，负压吸附侧壁4采用聚氨酯通过铸造技术一体化成型。成型后的负压吸附侧壁4没有填充适用的气压，因此在吸附腔工作前，需要先对负压吸附侧壁内充气，使其各网格单元内部具有一定气压。负压吸附侧壁4上设有打气孔，通过该打气孔向蜂巢网格结构的网格单元内部空腔充气，充气后该打气孔密封。
通过调整蜂巢网格结构的网格单元的大小和网格单元的壁厚，能够使吸附腔吸附不同曲率变化范围的表面。
工作前，先对蜂巢网格结构的网格单元充气，使蜂巢网格状结构各单元格内部达到目标气压。工作时，开启风机和气缸，通过气缸(3,6)下压连接板5，使负压吸附侧壁4的下表面与被吸附表面紧密接触，通过风机连续抽空气，利用负压吸附侧壁4的下表面与被吸附表面的文丘里效应，形成负压吸附区域(即负压吸附腔体覆盖到的区域)，使负压吸附腔体稳定可靠吸附在被吸附表面上，从而使机器人加工时稳定可靠吸附在工件表面上。
进一步地，本发明实施例还提供了提供了一种基于上述吸附腔的吸附方法，包括如下步骤：
(S1)向负压吸附侧壁的蜂巢网格结构内部充气，使其各网格单元内部具有设定的气压(达到目标气压)；
(S2)开启气缸和风机，通过气缸下压连接板，使负压吸附侧壁下表面紧贴被吸附表面，风机连续抽气，利用负压吸附侧壁的下表面与被吸附表面的文丘里效应，形成负压吸附区域，使负压吸附腔体稳定可靠吸附在被吸附表面上。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有蜂巢网格结构的吸附腔，其特征在于，包括风机(1)、软管(2)、气缸、负压吸附侧壁(4)和连接板(5)，其中，
所述风机(1)用于固连在机器人主体上，通过所述软管(2)为负压吸附腔体内部提供负压；
所述软管(2)能够上下伸缩，其上端与所述风机(1)的出气端固连且连接处内部连通；其下端固连在所述连接板(5)的上面，且连接处的圆周密封，连接处的圆周内部的连接板(5)上设有通孔；
所述气缸的伸缩杆一端固连在所述连接板(5)的上面，用于向所述连接板(5)提供压力或拉力；所述气缸的另一端用于固连在机器人主体上；
所述负压吸附侧壁(4)为密封连接于所述连接板(5)下面周边的蜂巢网格结构状的侧壁；所述蜂巢网格结构由多个内部为空腔的网格单元拼接而成，相邻的网格单元之间连通；所述负压吸附侧壁(4)采用非刚性材料；
所述连接板(5)和所述负压吸附侧壁(4)构成内部为空腔的负压吸附腔体。
2.根据权利要求1所述的一种具有蜂巢网格结构的吸附腔，其特征在于，工作时，所述蜂巢网格结构的网格单元内部具有设定的气压；通过气缸下压连接板(5)，使负压吸附侧壁(4)的下表面紧贴被吸附表面，通过风机连续抽空气，利用负压吸附侧壁(4)的下表面与被吸附表面的文丘里效应，形成负压吸附区域，使负压吸附腔体稳定可靠吸附在被吸附表面上。
3.根据权利要求1或2所述的一种具有蜂巢网格结构的吸附腔，其特征在于，所述气缸为两个，分别布置在所述软管(2)的两侧。
4.根据权利要求1或2所述的一种具有蜂巢网格结构的吸附腔，其特征在于，所述负压吸附侧壁(4)上设有打气孔，用于向所述蜂巢网格结构的网格单元内部空腔充气，不充气时该打气孔密封。
5.根据权利要求1或2所述的一种具有蜂巢网格结构的吸附腔，其特征在于，通过调整所述蜂巢网格结构的网格单元的大小和网格单元的壁厚，能够使吸附腔吸附不同曲率变化范围的表面。
6.根据权利要求1或2所述的一种具有蜂巢网格结构的吸附腔，其特征在于，所述负压吸附侧壁(4)的材料采用聚氨酯。
7.根据权利要求1或2所述的一种具有蜂巢网格结构的吸附腔，其特征在于，所述负压吸附侧壁(4)采用铸造方式一体成型。
8.基于权利要求1-7任一所述吸附腔的吸附方法，其特征在于，包括如下步骤：
(S1)向负压吸附侧壁(4)的蜂巢网格结构内部充气，使其各网格单元内部具有设定的气压；
(S2)开启气缸和风机(1)，通过气缸下压连接板(5)，使负压吸附侧壁(4)下表面紧贴被吸附表面，风机(1)连续抽气，利用负压吸附侧壁(4)的下表面与被吸附表面的文丘里效应，形成负压吸附区域，使负压吸附腔体稳定可靠吸附在被吸附表面上。
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