CN110481253A - 水陆两用非接触吸盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水陆两用非接触吸盘。本发明包括吸盘外壳、离心叶轮、连接轴、轴承支座、电机支座和防水直流电机，吸盘外壳底部开有装有离心叶轮的空腔，吸盘外壳上端面同轴连接有轴承支座，吸盘外壳上端面通过电机支座固定有防水直流电机，吸盘外壳侧面均匀开有多个与空腔相通的注水口；连接轴下部通过下深沟球轴承嵌套于吸盘外壳中心开孔处，连接轴上部通过上深沟球轴承嵌套于轴承支座中心开孔处，连接轴底端通过螺栓与离心叶轮相连，连接轴顶端通过键连接与防水直流电机的输出轴相连。本发明能够实现非接触吸附，且可以吸附粗糙壁面，吸盘的应用效果较好，吸附能力强。

Description

水陆两用非接触吸盘

技术领域

本发明涉及一种吸盘，具体涉及一种水陆两用非接触吸盘。

背景技术

进入21世纪以来，机器人的进一步发展使得机器人行业成为了高端科技重要保证。机器人技术在各个领域的人类活动中充当着不同的作用，根据各种不同领域的研究和发展特点，各式各样的特种功能机器人被制造出来，它们能应对各自的领域难题，其中集合了各种感知判断和同步技术能力，如潜水机器人，微型机器人，医用机器人，娱乐机器人等。

而爬壁机器人的研究则是伴随着城市现代化的发展而突飞猛进的，爬壁机器人因其能工作于复杂的垂直壁面而迅速发展。随着越来越多的场合需要人员进行高空、高危行业作业。在工程实际中迫切需要能代替人工完成高空作业的爬壁机器人。爬壁机器人作为移动类机器人的一个主要分支，其主要特点是能够克服自身重力的前提下在立体环境表面上行进运动，从而完成特定任务如巡检、清洁等工作。

爬壁类机器人的实质是克服自身重力向上行走的一种机器人，而向上行走的摩擦力如何产生就显得尤为重要，而摩擦力一般由吸附产生的正压力带来。所以根据吸附方式的特点可将爬壁机器人分为负压吸附、真空吸附、磁吸附、仿生吸附等类型。

负压吸附的工作方式特点是通过离心风扇等装备产生低于外部大气压的负压将爬壁机器人吸附于物体表面，但是由于密封结构与物体表面的接触，存在较大的滑动摩擦阻力，同时密封结构表面容易磨损的缺点。磁吸附方式主要利用磁源与导磁体之间的磁力而吸附于物体之上，磁源的类型可分为电磁式和永磁式两种形式，但是电磁吸附只适用于导磁面，能耗较高。真空吸附一般是利用真空泵抽走容器内的空气，容器内形成一定真空来产生吸附力的一种技术，真空吸附爬壁机器人以多吸盘吸附为主，但是真空吸附对壁面要求严格，需要在光滑壁面才能使用，而且运动缓慢，对密封要求高。仿生吸附是主要参照生物的骨骼与运动机理进行设计，但是这种吸附还处于理论研究中，距离实际使用还有很大距离。

综上所述，现在的爬壁机器人的吸附技术虽有多种手段，但都局限较大，不能适应不同壁面的要求，对壁面要求较高，不能很好的满足爬壁机器人的要求。

发明内容

为了设计出满足于不同壁面爬壁机器人都能稳定吸附的吸盘，解决爬壁机器人吸附技术方面的欠缺，为大力研发爬壁机器人奠定良好的基础，本发明提供了一种水陆两用非接触吸盘，采用防水直流电机直接驱动，体积小、质量轻，但能提供极强的吸附力，能够实现非接触吸附，且对吸附壁面的粗糙度没有严格的要求，能够适应不同的壁面。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括吸盘外壳、离心叶轮、连接轴、轴承支座、电机支座和防水直流电机，吸盘外壳底部开有装有离心叶轮的空腔，吸盘外壳上端面同轴连接有轴承支座，吸盘外壳上端面通过电机支座固定有防水直流电机，吸盘外壳侧面均匀开有多个与空腔相通的注水口；连接轴下部通过下深沟球轴承嵌套于吸盘外壳中心开孔处，连接轴上部通过上深沟球轴承嵌套于轴承支座中心开孔处，连接轴底端通过螺栓与离心叶轮相连，连接轴顶端通过键连接与防水直流电机的输出轴相连。

吸盘外壳底部空腔与外界相通，吸盘外壳底部边缘朝吸盘外壳中心径向凸出形成一圈内凸缘，离心叶轮下端面高于内凸缘下表面且低于内凸缘上表面，内凸缘与离心叶轮之间保留有间隙。

为了保持离心叶轮覆盖旋流腔，内凸缘上表面略高于离心叶轮下端面，用于减小水的流失。

所述空腔包括中空腔和旋流腔，离心叶轮外周面、空腔内表面和内凸缘所围区域组成旋流腔，空腔中旋流腔以外区域作为中空腔，通过内凸缘与离心叶轮之间的间隙保持中空腔和旋流腔相通。

吸盘外壳的注水口沿吸盘外壳外周面的切线方向延伸形成与外界相通的注水通道，每个注水口的注水通道均沿吸盘外壳外周面的顺时针切线方向或逆时针切线方向。

在非水环境中，从注水通道注水，在吸盘外壳的旋流腔内形成旋流，在中空腔内形成负压，从而产生吸附力；同时防水直流电机通过连接轴带动离心叶轮旋转，离心叶轮旋转方向和旋流腔内水流旋转方向不一致，带动中空腔内水流旋转产生负压，从而加大吸附力。

在水环境中，防水直流电机通过连接轴带动离心叶轮旋转，产生负压，从而产生吸附力；同时水流在吸附力作用下从吸盘外壳一侧注水口和底部流入中空腔，从吸盘外壳另一侧注水口和底部流出，加大负压。

吸盘外壳上端面同轴依次铣有外凸台和内凸台，外凸台直径大于内凸台直径；外凸台通过定位异形孔同轴固定有电机支座，内凸台通过定位异形孔同轴固定有轴承支座，轴承支座安装于电机支座内。

防水直流电机穿过电机支座顶端的开孔与连接轴同轴相连。

所述连接轴的底端伸入吸盘外壳空腔与离心叶轮相连，保持离心叶轮不与空腔上表面接触。

离心叶轮外径根据吸盘外壳的中空腔调整，深度根据吸盘外壳的旋流腔调整。

本发明的有益效果：

(1)本发明采用离心叶轮和注水产生高速旋流，利用高速旋流的离心作用产生吸附力，将水流导出旋腔。

(2)本发明利用旋流进行吸附，可实现非接触吸附，且对吸附壁面的粗糙度没有要求，也对吸附壁面的材质没有要求；吸盘的应用效果较好，吸附能力强。

(3)本发明的吸附力简单可控，可通过调节电机转速和注水流量来调节吸附力，也可通过调整离心叶轮的设计参数来调节吸附力。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明的吸盘外壳的结构示意图。

图3是本发明的另一种吸盘外壳的结构示意图

图4是本发明的离心叶轮的底端结构示意图。

图5是本发明在无水环境下的工作原理图。

图6是本发明在有水环境下的工作原理图。

图中：离心叶轮1，吸盘外壳2，下深沟球轴承3，连接轴4，轴承支座5，电机支座6，防水直流电机7，上深沟球轴承8，注水口9，旋流腔10，中空腔11，外凸台12，内凸台13，阶梯孔14，内凸缘15。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明。

如图1所示，本发明包括吸盘外壳2、离心叶轮1、连接轴4、轴承支座5、电机支座6和防水直流电机7，吸盘外壳2底部开有装有离心叶轮1的空腔，吸盘外壳2上端面同轴连接有轴承支座5，吸盘外壳2上端面通过电机支座6固定有防水直流电机7，吸盘外壳2侧面均匀开有多个与空腔相通的注水口9；连接轴4下部通过下深沟球轴承3嵌套于吸盘外壳2中心开孔处，连接轴4上部通过上深沟球轴承8嵌套于轴承支座5中心开孔处，连接轴4底端通过螺栓与离心叶轮1相连，连接轴4顶端通过键连接与防水直流电机7的输出轴相连。

吸盘外壳2底部空腔与外界相通，吸盘外壳2底部边缘朝吸盘外壳2中心径向凸出形成一圈内凸缘15，离心叶轮1下端面高于内凸缘15下表面且低于内凸缘15上表面，内凸缘15与离心叶轮1之间保留有间隙。

如图2所示，吸盘外壳2上端面同轴依次铣有外凸台12和内凸台13，外凸台12直径大于内凸台13直径；外凸台12通过定位异形孔同轴固定有电机支座6，内凸台13通过定位异形孔同轴固定有轴承支座5，轴承支座5安装于电机支座6内。在内凸台13中心处加工有阶梯孔14，用于安装下深沟球轴承3。

所述空腔包括中空腔11和旋流腔10，离心叶轮1外周面、空腔内表面和内凸缘15所围区域组成旋流腔10，空腔中旋流腔10以外区域作为中空腔11，通过内凸缘15与离心叶轮1之间的间隙保持中空腔11和旋流腔10相通。

如图3所示，本发明提供另一种吸盘外壳的注水形式，注水口9不是加工孔的模式，而是注水口9沿吸盘外壳2外周面的切线方向延伸形成与外界相通的注水通道，每个注水口9的注水通道均沿吸盘外壳2外周面的顺时针切线方向或逆时针切线方向。注水通道会更方便注水，但是加工难度更大。

如图4所示，离心叶轮1中的叶片采用倾斜式结构，并且叶片为平板型叶片，即叶片垂直于离心叶轮1的底面，叶片交于离心叶轮1中间的圆柱形凸台。

具体实施例：

本发明吸盘外壳2底部开有中空腔11和旋流腔10，吸盘外壳2侧面开有注水口9，吸盘外壳2顶部有阶梯孔14用于安装轴承，且顶部还安装有电机支座6和轴承支座5，防水直流电机7通过电机支座6固定确保和吸盘外壳2保持同轴度，防水直流电机7输出轴通过轴承支座5和连接轴4连接，轴承支座5通过轴承和连接轴4的连接保证防水电机7输出轴和吸盘外壳2的同轴度。

本实施例的吸盘外壳侧边有4个均匀分布的注水口9，注水口9和旋流腔10连通，吸盘外壳旋流腔10和吸盘叶轮1形成一个半封闭的空间，确保在吸盘外壳中空腔11中充满水。

本实施例的吸盘外壳2的外径为200mm，吸盘外壳2的中空腔直径为170mm，深度为15mm，旋流腔10腔体截面为边长10mm的正方形，离吸盘外壳底面为5mm。吸盘叶轮的外径为165mm，高度为11mm，吸盘叶轮顶面比中空腔顶面低1mm，防水直流电机转速为3000r/min。

如图5所示，在非水环境中，从注水通道注水，在吸盘外壳2的旋流腔10内形成旋流，在中空腔11内形成负压，从而产生吸附力；同时防水直流电机7通过连接轴4带动离心叶轮1旋转，离心叶轮1旋转方向和旋流腔10内水流旋转方向相反，带动中空腔11内水流旋转产生负压，从而加大吸附力。空腔内水流从吸盘外壳2底部流出。

如图6所示，在水环境中，防水直流电机7通过连接轴4带动离心叶轮1旋转，产生负压，从而产生吸附力；同时水流在吸附力作用下从吸盘外壳2一侧注水口9和底部流入中空腔11，旋流腔10内水流旋转方向和离心叶轮1旋转方向一致，水流从吸盘外壳2另一侧注水口9和底部流出，加大负压。

本发明离心叶轮式水下吸盘能够实现壁面吸附与抓取，尤其能够实现非接触吸附以及适应不同粗糙度的壁面，吸力稳定可控，结构简单，在爬壁机器人领域具有广泛的应用前景。

Claims (8)

1.一种水陆两用非接触吸盘，其特征在于，包括吸盘外壳(2)、离心叶轮(1)、连接轴(4)、轴承支座(5)、电机支座(6)和防水直流电机(7)，吸盘外壳(2)底部开有装有离心叶轮(1)的空腔，吸盘外壳(2)上端面同轴连接有轴承支座(5)，吸盘外壳(2)上端面通过电机支座(6)固定有防水直流电机(7)，吸盘外壳(2)侧面均匀开有多个与空腔相通的注水口(9)；连接轴(4)下部通过下深沟球轴承(3)嵌套于吸盘外壳(2)中心开孔处，连接轴(4)上部通过上深沟球轴承(8)嵌套于轴承支座(5)中心开孔处，连接轴(4)底端通过螺栓与离心叶轮(1)相连，连接轴(4)顶端通过键连接与防水直流电机(7)的输出轴相连。

2.根据权利要求1所述的一种水陆两用非接触吸盘，其特征在于，吸盘外壳(2)底部空腔与外界相通，吸盘外壳(2)底部边缘朝吸盘外壳(2)中心径向凸出形成一圈内凸缘(15)，离心叶轮(1)下端面高于内凸缘(15)下表面且低于内凸缘(15)上表面，内凸缘(15)与离心叶轮(1)之间保留有间隙；

所述空腔包括中空腔(11)和旋流腔(10)，离心叶轮(1)外周面、空腔内表面和内凸缘(15)所围区域组成旋流腔(10)，空腔中旋流腔(10)以外区域作为中空腔(11)，通过内凸缘(15)与离心叶轮(1)之间的间隙保持中空腔(11)和旋流腔(10)相通。

3.根据权利要求2所述的一种水陆两用非接触吸盘，其特征在于，吸盘外壳(2)的注水口(9)沿吸盘外壳(2)外周面的切线方向延伸形成与外界相通的注水通道，每个注水口(9)的注水通道均沿吸盘外壳(2)外周面的顺时针切线方向或逆时针切线方向。

4.根据权利要求1所述的一种水陆两用非接触吸盘，其特征在于，在非水环境中，从注水通道注水，在吸盘外壳(2)的旋流腔(10)内形成旋流，在中空腔(11)内形成负压，从而产生吸附力；同时防水直流电机(7)通过连接轴(4)带动离心叶轮(1)旋转，离心叶轮(1)旋转方向和旋流腔(10)内水流旋转方向相反，带动中空腔(11)内水流旋转产生负压，从而加大吸附力。

5.根据权利要求1所述的一种水陆两用非接触吸盘，其特征在于，在水环境中，防水直流电机(7)通过连接轴(4)带动离心叶轮(1)旋转，产生负压，从而产生吸附力；同时水流在吸附力作用下从吸盘外壳(2)一侧注水口(9)和底部流入中空腔(11)，从吸盘外壳(2)另一侧注水口(9)和底部流出，加大负压。

6.根据权利要求1所述的一种水陆两用非接触吸盘，其特征在于，吸盘外壳(2)上端面同轴依次铣有外凸台(12)和内凸台(13)，外凸台(12)直径大于内凸台(13)直径；外凸台(12)通过定位异形孔同轴固定有电机支座(6)，内凸台(13)通过定位异形孔同轴固定有轴承支座(5)，轴承支座(5)安装于电机支座(6)内。

7.根据权利要求1所述的一种水陆两用非接触吸盘，其特征在于，防水直流电机(7)穿过电机支座(6)顶端的开孔与连接轴(4)同轴相连。

8.根据权利要求1所述的一种水陆两用非接触吸盘，其特征在于，所述连接轴(4)的底端伸入吸盘外壳(2)空腔与离心叶轮(1)相连，保持离心叶轮(1)不与空腔上表面接触。