CN110757478A - 吸盘式蛇形幕墙爬行机器人 - Google Patents
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Abstract
吸盘式蛇形幕墙爬行机器人，本发明涉及爬行机器人技术领域，数个真空吸盘均固定在固定框架的周边上；上述运行爬行机构由驱动机构、主动轮、从动轮构成，其中驱动机构包含电机和减速机，电机固定在固定框架上，电机的输出轴与减速机的输入端连接，减速机的输出端与主动轮连接，从动轮利用轮轴旋接在固定框架上。基于真空吸盘组件的幕墙爬行机器人在保证了运动速度的同时，无需依靠人力使用缆绳移动机器人，具有机器人自身吸附在工作表面的能力，旋转越障关节机构更实现了幕墙爬行机器人的越障及转弯功能，同时实现了爬行机器人重量的大幅降低，提高轻便型。
Description
技术领域
本发明涉及爬行机器人技术领域，具体涉及吸盘式蛇形幕墙爬行机器人。
背景技术
目前，全国98%以上的高空外墙作业以人力作业为主。其具有明显的成本增高、作业危险系数高、工作效率低等痛点；整个行业也面临着人力成本趋高、人员流动率高、能源成本提升等问题。因此，用幕墙爬行机器人配备清洁机构或检测机构来代替“蜘蛛人”作业是高空外墙作业行业及社会发展的必然趋势。
蛇形机器人是一种新型的仿生物机器人，它实现了像蛇一样的“无肢运动”，是机器人运动方式的一个重大突破，被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。
目前用机器人代替人力进行高空清洁市场尚处于萌芽阶段，现有高空清洁用已经成型的产品只是出于初步研发或试用阶段，其仍然存在着两大核心问题需要解决与优化：1.产品安全性；2.产品适用性，使得难以实现产品的真正商业化运用。如何做到高安全、高效率、低成本及易使用，成为目前高空清洁机器人行业的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种设计合理的吸盘式蛇形幕墙爬行机器人，基于真空吸盘组件的幕墙爬行机器人在保证了运动速度的同时，无需依靠人力使用缆绳移动机器人，具有机器人自身吸附在工作表面的能力，旋转越障关节机构更实现了幕墙爬行机器人的越障及转弯功能，同时实现了爬行机器人重量的大幅降低，提高轻便型。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：它包含旋转越障关节机构和吸附爬行单元；数个吸附爬行单元两两之间利用旋转越障关节机构相连；
上述吸附爬行单元由真空吸附机构、运行爬行机构和固定框架构成；真空吸附机构和运行爬行机构均设置在固定框架中；其中，真空吸附机构由真空发生单元系统、真空吸盘构成；真空发生单元系统固定在固定框架中，真空发生单元系统的供气口与固定在固定框架中的高压气泵连接，真空发生单元系统的真空口与真空吸盘连接，数个真空吸盘均固定在固定框架的周边上；上述运行爬行机构由驱动机构、主动轮、从动轮构成，其中驱动机构包含电机和减速机，电机固定在固定框架上，电机的输出轴与减速机的输入端连接，减速机的输出端与主动轮连接，从动轮利用轮轴旋接在固定框架上；
上述旋转越障关节机构由旋转舵机、抬升舵机、高强度碳纤维和转换关节构成；旋转舵机的输出端与旋转关节的一端水平旋接，抬升舵机的输出端与旋转关节的另一端垂直旋接；抬升舵机和旋转舵机利用高强度碳纤维固定在相邻的固定框架上；
上述电机、减速机、真空发生单元系统、旋转舵机以及抬升舵机均与固定在固定框架中的主电路板连接。
进一步地，所述的主动轮和从动轮均由轮毂和弹性摩擦体构成，主动轮上的轮毂固定在减速机的输出端上，从动轮上的轮毂固定在轮轴上，弹性摩擦体套设在轮毂上。
进一步地，所述的真空吸盘的下端连接有PTFE胶带。
进一步地，位于首端的吸附爬行单元上连接清洁机构或检测设备。
本发明的工作原理：
真空发生单元系统内部结构包括供气阀、破坏阀、带省能功能的真空用压力开关、真空过滤器及通孔消声器，真空发生单元系统的供气口与高压气泵通过气管相连，真空发生单元系统的真空口与若干真空吸盘通过气管相连形成闭环真空，系统若干真空吸盘与幕墙工作表面接触形成真空压力，同时，为最大限度的减小吸盘与工作表面的滑动摩擦力，保证运行爬行机构的正常工作；
电机及减速机驱动主动轮，从而利用来自两组电机的动力分别带动两个主动轮的运动；真空发生单元系统工作同时，真空吸盘与幕墙工作表面接触从而真空吸盘腔体内形成真空压力，进而主动轮及从动轮与幕墙的工作表面间形成正压力，主动轮的弹性摩擦体与幕墙之间存在滚动摩擦，该弹性摩擦体具有高摩擦系数，在真空吸盘的表面粘贴有厚度约为0.4mm的聚四氟乙烯（PTFE）胶带，其摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成为了易清洁水管内层的理想涂料，从而保证高空玻璃幕墙爬行机器人在幕墙上的前进或后退动作的高效。
前后相邻的两个吸附爬行单元之间通过旋转越障关节机构连接，高强度碳纤维将两个电动舵机与固定框架进行连接固定，构成前后相邻的两个吸附爬行单元之间的连接方式，实现蛇形关节两个自由度的运动；在爬行机器人前行至幕墙边缘或完成单层工作时，爬行机器人需要运动到下一层进行工作，旋转越障关节机构中的旋转舵机需要进行平行于工作表面的左或右摆动，多个旋转越障关节机构通过电子控制协同配合进行蛇形关节动作可以将整个设备掉转180°，完成旋转动作运动到下层工作表面后，将爬行机器人后退至工作表面边缘，从而继续开始在下一层幕墙工作表面进行工作；
由于玻璃幕墙表面形状多样性，当爬行机器人进行当层工作时遇到凸起或凹陷障碍时，第一个吸附爬行单元的真空发生单元系统进行真空破坏动作，使真空吸盘与幕墙吸附表面间的真空压力破坏，同时旋转越障关节机构中的抬升舵机需要进行垂直于工作表面的向上摆动，当第一个吸附爬行单元行进至障碍物前时，同理进行相同动作；当每个吸附爬行单元依次跨过障碍行至平整工作表面时，真空发生单元系统依次进行真空供给，恢复真空吸盘与幕墙吸附表面间的真空压力，实现各个单元与工作表面的再次吸附，多个旋转越障关节机构与真空发生单元系统通过电子控制协同配合进行蛇形关节动作从而实现蛇形越障动作，在越障动作发生时至少有两个吸附爬行单元吸附在幕墙工作表面，保证足够高的真空压力使得爬行机器人吸附在幕墙工作表面，从而保证工作安全性。
采用上述结构后，本发明的有益效果是：
1、在清理一些较高层玻璃幕墙建筑时，避免工作人员到外墙清洁幕墙带来的潜在危险及发生安全事故后需要的巨额赔偿；
2、基于真空吸附组件的幕墙爬行机器人提高了清洁工作效率，爬行机构在保证了运动速度的同时，无需依靠人力使用缆绳移动机器人，真空吸附机构提供了机器人自身吸附在工作表面的能力，实现自动化，保证其运行安全性；
3、真空吸附结构在提供足够强大吸附力保证了幕墙清洁机器人安全性的同时，实现了成本的大幅下降；
4、结构简单，安装方便，材料的轻量化和结构的简化实现了现有爬行机器人重量的大幅降低，提高轻便型；
5、采用多爬行单元式结构，再结合电动舵机的可活动连接，使得整个设备具备了蛇形特征，采用模块化设计，易于连接，可搭配清洁机构或检测设备实现不同工作场景的工作目的，同时可灵活设计其单元数。
附图说明：
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的主视图。
图3是图2的俯视图。
图4是本发明中吸附爬行单元的结构示意图。
图5是本发明中减速机、电机以及主动轮的结构示意图。
图6是本发明中真空吸盘与PTFE胶带的结构示意图。
图7是本发明中旋转越障关节机构结构示意图。
图8是本发明中真空发生单元系统的工作原理图。
附图标记说明：
真空吸附机构1、运行爬行机构2、旋转越障关节机构3、吸附爬行单元4、真空发生单元系统5、真空吸盘6、固定框架7、驱动机构8、主动轮9、从动轮10、电机11、减速机12、轮毂13、弹性摩擦体14、PTFE胶带15、旋转舵机16、抬升舵机17、高强度碳纤维18、转换关节19。
具体实施方式：
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。
如图1-图8所示，本具体实施方式采用如下技术方案：它包含旋转越障关节机构3和吸附爬行单元4；四个吸附爬行单元4两两之间利用旋转越障关节机构3相连；
上述吸附爬行单元4由真空吸附机构1、运行爬行机构2和固定框架7构成；真空吸附机构1和运行爬行机构2均设置在固定框架7中；其中，真空吸附机构1由真空发生单元系统5、真空吸盘6构成；真空发生单元系统5固定在固定框架7中，真空发生单元系统5的供气口与固定在固定框架7中的高压气泵连接，真空发生单元系统5的真空口与四个真空吸盘6贯通连接，四个真空吸盘6均固定在固定框架7的周边上（两个对称固定在固定框架7的左右两边上，另外两个并列固定在固定框架7的侧边框上），且真空吸盘6的下端连接有厚度为0.4mm的PTFE胶带15；上述运行爬行机构2由驱动机构8、主动轮9、从动轮10构成，其中驱动机构8包含电机11和减速机12，电机11固定在固定框架7上，电机11的输出轴与减速机12的输入端连接，减速机12的输出端与主动轮9连接，从动轮10利用轮轴旋接在固定框架7上，主动轮9和从动轮10均由轮毂13和弹性摩擦体14构成，主动轮9上的轮毂13固定在减速机12的输出端上，从动轮10上的轮毂13固定在轮轴上，弹性摩擦体14套设在轮毂13上；
上述旋转越障关节机构3由旋转舵机16、抬升舵机17、高强度碳纤维18和转换关节19构成；旋转舵机16的输出端与旋转关节19的一端水平旋接，抬升舵机17的输出端与旋转关节19的另一端垂直旋接；抬升舵机17和旋转舵机16利用高强度碳纤维18固定在相邻的固定框架7上；
上述电机11、减速机12、真空发生单元系统5、旋转舵机16以及抬升舵机17均与固定在固定框架7中的主电路板连接。
本具体实施方式的工作原理：
位于首端的吸附爬行单元4上连接清洁机构或检测设备，用于对幕墙进行清洁工作，或者用来检测爬行机器人前方的状态，真空发生单元系统5内部结构包括供气阀、破坏阀、带省能功能的真空用压力开关、真空过滤器及通孔消声器，真空发生单元系统5的供气口与高压气泵通过气管相连，真空发生单元系统5的真空口与若干真空吸盘6通过气管相连形成闭环真空，系统若干真空吸盘6与幕墙工作表面接触形成真空压力，同时，为最大限度的减小吸盘与工作表面的滑动摩擦力，保证运行爬行机构2的正常工作；
电机11及减速机12驱动主动轮9，从而利用来自两组电机11的动力分别带动两个主动轮9的运动；真空发生单元系统5工作同时，真空吸盘6与幕墙工作表面接触从而真空吸盘腔体内形成真空压力，进而主动轮9及从动轮10与幕墙的工作表面间形成正压力，主动轮9的弹性摩擦体14与幕墙之间存在滚动摩擦，该弹性摩擦体14具有高摩擦系数，在真空吸盘6的表面粘贴有厚度约为0.4mm的PTFE胶带15，其摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成为了易清洁水管内层的理想涂料，从而保证高空玻璃幕墙爬行机器人在幕墙上的前进或后退动作的高效。
前后相邻的两个吸附爬行单元4之间通过旋转越障关节机构3连接，高强度碳纤维18将两个电动舵机与固定框架7进行连接固定，构成前后相邻的两个吸附爬行单元4之间的连接方式，实现蛇形关节两个自由度的运动；在爬行机器人前行至幕墙边缘或完成单层工作时，爬行机器人需要运动到下一层进行工作，旋转越障关节机构3中的旋转舵机16需要进行平行于工作表面的左或右摆动，多个旋转越障关节机构3通过电子控制协同配合进行蛇形关节动作可以将整个设备掉转180°，完成旋转动作运动到下层工作表面后，将爬行机器人后退至工作表面边缘，从而继续开始在下一层幕墙工作表面进行工作；
由于玻璃幕墙表面形状多样性，当爬行机器人进行当层工作时遇到凸起或凹陷障碍时，第一个吸附爬行单元4的真空发生单元系统5进行真空破坏动作，使真空吸盘6与幕墙吸附表面间的真空压力破坏，同时旋转越障关节机构3中的抬升舵机17需要进行垂直于工作表面的向上摆动，当第一个吸附爬行单元4行进至障碍物前时，同理进行相同动作；当每个吸附爬行单元4依次跨过障碍行至平整工作表面时，真空发生单元系统5依次进行真空供给，恢复真空吸盘6与幕墙吸附表面间的真空压力，实现各个单元与工作表面的再次吸附，多个旋转越障关节机构3与真空发生单元系统5通过电子控制协同配合进行蛇形关节动作从而实现蛇形越障动作，在越障动作发生时至少有两个吸附爬行单元4吸附在幕墙工作表面，保证足够高的真空压力使得爬行机器人吸附在幕墙工作表面，从而保证工作安全性。
采用上述结构后，本具体实施方式的有益效果是：
1、在清理一些较高层玻璃幕墙建筑时，避免工作人员到外墙清洁幕墙带来的潜在危险及发生安全事故后需要的巨额赔偿；
2、基于真空吸附组件的幕墙爬行机器人提高了清洁工作效率，爬行机构在保证了运动速度的同时，无需依靠人力使用缆绳移动机器人，真空吸附机构提供了机器人自身吸附在工作表面的能力，实现自动化，保证其运行安全性；
3、真空吸附结构在提供足够强大吸附力保证了幕墙清洁机器人安全性的同时，实现了成本的大幅下降；
4、结构简单，安装方便，材料的轻量化和结构的简化实现了现有爬行机器人重量的大幅降低，提高轻便型；
5、采用多爬行单元式结构，再结合电动舵机的可活动连接，使得整个设备具备了蛇形特征，采用模块化设计，易于连接，可搭配清洁机构或检测设备实现不同工作场景的工作目的，同时可灵活设计其单元数。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.吸盘式蛇形幕墙爬行机器人，其特征在于：它包含旋转越障关节机构（3）和吸附爬行单元（4）；数个吸附爬行单元（4）两两之间利用旋转越障关节机构（3）相连；
上述吸附爬行单元（4）由真空吸附机构（1）、运行爬行机构（2）和固定框架（7）构成；真空吸附机构（1）和运行爬行机构（2）均设置在固定框架（7）中；其中，真空吸附机构（1）由真空发生单元系统（5）、真空吸盘（6）构成；真空发生单元系统（5）固定在固定框架（7）中，真空发生单元系统（5）的供气口与固定在固定框架（7）中的高压气泵连接，真空发生单元系统（5）的真空口与真空吸盘（6）连接，数个真空吸盘（6）均固定在固定框架（7）的周边上；上述运行爬行机构（2）由驱动机构（8）、主动轮（9）、从动轮（10）构成，其中驱动机构（8）包含电机（11）和减速机（12），电机（11）固定在固定框架（7）上，电机（11）的输出轴与减速机（12）的输入端连接，减速机（12）的输出端与主动轮（9）连接，从动轮（10）利用轮轴旋接在固定框架（7）上；
上述旋转越障关节机构（3）由旋转舵机（16）、抬升舵机（17）、高强度碳纤维（18）和转换关节（19）构成；旋转舵机（16）的输出端与旋转关节（19）的一端水平旋接，抬升舵机（17）的输出端与旋转关节（19）的另一端垂直旋接；抬升舵机（17）和旋转舵机（16）利用高强度碳纤维（18）固定在相邻的固定框架（7）上；
上述电机（11）、减速机（12）、真空发生单元系统（5）、旋转舵机（16）以及抬升舵机（17）均与固定在固定框架（7）中的主电路板连接。
2.根据权利要求1所述的吸盘式蛇形幕墙爬行机器人，其特征在于：所述的主动轮（9）和从动轮（10）均由轮毂（13）和弹性摩擦体（14）构成，主动轮（9）上的轮毂（13）固定在减速机（12）的输出端上，从动轮（10）上的轮毂（13）固定在轮轴上，弹性摩擦体（14）套设在轮毂（13）上。
3.根据权利要求1所述的吸盘式蛇形幕墙爬行机器人，其特征在于：所述的真空吸盘（6）的下端连接有PTFE胶带（15）。
4.根据权利要求1所述的吸盘式蛇形幕墙爬行机器人，其特征在于：位于首端的吸附爬行单元（4）上连接清洁机构或检测设备。
5.根据权利要求1所述的吸盘式蛇形幕墙爬行机器人，其特征在于：它的工作原理：
真空发生单元系统（5）内部结构包括供气阀、破坏阀、带省能功能的真空用压力开关、真空过滤器及通孔消声器，真空发生单元系统（5）的供气口与高压气泵通过气管相连，真空发生单元系统（5）的真空口与若干真空吸盘（6）通过气管相连形成闭环真空，系统若干真空吸盘（6）与幕墙工作表面接触形成真空压力，同时，为最大限度的减小吸盘与工作表面的滑动摩擦力，保证有运行爬行机构（2）的正常工作；
电机（11）及减速机（12）驱动主动轮（9），从而利用来自两组电机（11）的动力分别带动两个主动轮（9）的运动；真空发生单元系统（5）工作同时，真空吸盘（6）与幕墙工作表面接触从而真空吸盘腔体内形成真空压力，进而主动轮（9）及从动轮（10）与幕墙的工作表面间形成正压力，主动轮（9）的弹性摩擦体（14）与幕墙之间存在滚动摩擦，该弹性摩擦体（14）具有高摩擦系数，从而保证高空玻璃幕墙爬行机器人在幕墙上的前进或后退动作的高效。
6.前后相邻的两个吸附爬行单元（4）之间通过旋转越障关节机构（3）连接，高强度碳纤维（18）将两个电动舵机与固定框架（7）进行连接固定，构成前后相邻的两个吸附爬行单元（4）之间的连接方式，实现蛇形关节两个自由度的运动；在爬行机器人前行至幕墙边缘或完成单层工作时，爬行机器人需要运动到下一层进行工作，旋转越障关节机构（3）中的旋转舵机（16）需要进行平行于工作表面的左或右摆动，多个旋转越障关节机构（3）通过电子控制协同配合进行蛇形关节动作可以将整个设备掉转180°，完成旋转动作运动到下层工作表面后，将爬行机器人后退至工作表面边缘，从而继续开始在下一层幕墙工作表面进行工作；
由于玻璃幕墙表面形状多样性，当爬行机器人进行当层工作时遇到凸起或凹陷障碍时，第一个吸附爬行单元（4）的真空发生单元系统（5）进行真空破坏动作，使真空吸盘（6）与幕墙吸附表面间的真空压力破坏，同时旋转越障关节机构（3）中的抬升舵机（17）需要进行垂直于工作表面的向上摆动，当第一个吸附爬行单元（4）行进至障碍物前时，同理进行相同动作；当每个吸附爬行单元（4）依次跨过障碍行至平整工作表面时，真空发生单元系统（5）依次进行真空供给，恢复真空吸盘（6）与幕墙吸附表面间的真空压力，实现各个单元与工作表面的再次吸附，多个旋转越障关节机构（3）与真空发生单元系统（5）通过电子控制协同配合进行蛇形关节动作从而实现蛇形越障动作，在越障动作发生时至少有两个吸附爬行单元（4）吸附在幕墙工作表面，保证足够高的真空压力使得爬行机器人吸附在幕墙工作表面，从而保证工作安全性。
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