CN111204380A - 一种爬壁机器人 - Google Patents

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李晨晨
方宇
张怡
王重羊
朱志玲
赵以恒
张大桂
缪克勤
董浩
薛永平
宁业衍
冷护基
徐向荣
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Abstract

本发明涉及一种爬壁机器人,包括机架和设于机架上的曲柄滑块行走机构、辅助转向机构、真空发生机构,利用曲柄滑块行走机构和两组吸盘单元在实现了机器人的直线移动的功能,还可以实现机器人自由转向的功能,与现有技术相比,本发明在解决直线运动和转向运动的融合的同时,提高了运动的稳定性。

Description

一种爬壁机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域,尤其是涉及一种可以在墙壁上实现前后移动以及转向功能的爬壁机器人。
背景技术
近些年随着机器人技术的飞速发展,机器人在各个领域得到了广泛的运用,高空玻璃清洗、墙面检测等需要人力爬强完成的高危工作急需用机器人来代替人力完成,现有的爬壁机器人多成本较高、结构复杂或机构简单但运动能力单一,难以在实际应用中落地。
中国专利CN109176468A公开了一种滑轨导向吸盘伸缩仿蠕虫爬壁机器人装置,该装置实现了仿蠕虫运动的机器人爬壁功能。该装置能够在垂直避免上吸附和移动,采用多单元结构使得每次动作仅需移动一个单元,不仅与墙面吸附接触面积大,而且攀爬稳定、可靠,质量分散至各个单元,载重能力强,可扩展性好、成本低,容易控制,能耗低,续航时间长,适用于用作墙面作业的机器人中。该装置虽然能实现在墙壁上的移动,但运动能力单一仅能完成在墙壁上的前后直线运动,没有很好的转向能力
中国专利CN108127656A公开了一种磁吸式爬壁机器人,一号滑台包括一号滑块,一号滑块用于安装作业装置,一号滑台上设有行走机构。该装置具有导轨滑块结构,具有较高的稳定性,可以在外载荷下保持直线运动;其不足在于:不足之处在于,仅设有一条导轨,在外载荷下易发生扭转变形,且电磁铁吸附结构适用范围较小,对于不被磁铁吸附的金属材料墙面与非金属材料,这种机器人完全无法应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可以在墙壁上实现前后移动以及转向功能的爬壁机器人,并提高运动的稳定性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种爬壁机器人,包括机架和设于机架上的曲柄滑块行走机构,所述曲柄滑块行走机构包括固定块,以及依次连接的第一驱动电机、曲柄传动模块、滑块,所述机架上设有第一导轨和第二导轨,所述固定块的分别与第一导轨和第二导轨垂直固定连接,所述滑块分别与第一导轨和第二导轨垂直连接形成直线副,所述固定块上设有第一吸盘单元和第三吸盘单元,所述滑块上设有第二吸盘单元和第四吸盘单元,所述机器人还包括辅助转向机构和控制吸盘工作的真空发生机构,所述辅助转向机构包括转向电机、电机安装板、转向机构连接件,所述转向电机固定安装于电机安装板上,且输出轴通过转向机构连接件与机架固定连接,所述电机安装板上设有多个辅助吸盘单元,所述真空发生机构设于机架上并与第一吸盘单元、第二吸盘单元、第三吸盘单元、第四吸盘单元和所有辅助吸盘单元连接;
所述机器人还包括控制器,该控制器分别与第一驱动电机、第二驱动电机和真空发生机构连接,并实现:
先控制辅助吸盘单元和第一吸盘单元、第三吸盘单元产生负压吸附墙面,再控制第一驱动电机转动移动滑块至指定位置后,控制第二吸盘单元和第四吸盘单元产生负压吸附墙面,并控制辅助吸盘单元和第一吸盘单元、第三吸盘单元解除负压,之后控制第一驱动电机转动,并在移动滑块至初始位置后,控制辅助吸盘单元和第一吸盘单元、第三吸盘单元产生负压吸附墙面,依次反复实现直线运动,
先控制辅助吸盘单元产生负压吸附墙面,再控制转向电机的输出轴转动以调整机架的方向,并在机架上第一导轨和第二导轨的方向与目标前进方向一致后,控制第一吸盘单元、第二吸盘单元、第三吸盘单元和第四吸盘单元产生负压吸附墙面。
所述第一吸盘单元包括第一吸盘和第一吸盘连接板,所述第二吸盘单元包括第二吸盘和第二吸盘连接板,所述第三吸盘单元包括第三吸盘和第三吸盘连接板,所述第四吸盘单元包括第四吸盘和第四吸盘连接板,所述第一吸盘通过第一吸盘连接板安装于固定块上,所述第二吸盘通过第二吸盘连接板连接于安装于滑块上,所述第三吸盘通过第三吸盘连接板安装于固定块上,所述第四吸盘通过第四吸盘连接板安装于滑块上。
所述曲柄传动模块包括依次连接的第一连杆、第二连杆和第三连杆,所述第一连杆与第一驱动电机连接,所述第三连杆与滑块连接。
所述曲柄传动模块包括真空发生机构包括气瓶、多通接口、第一真空发生器、第二真空发生器、第三电磁阀和第三真空发生器,所述气瓶通过多通接口分别与第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀连接,所述第一电磁阀、第二电磁阀和第三电磁阀分别与第一真空发生器、第二真空发生器和第三真空发生器对应连接,所述第一真空发生器分别与第二吸盘单元和第四吸盘单元连接,所述第二真空发生器分别与第一吸盘单元和第三吸盘单元连接,所述第三真空发生器分别与各辅助吸盘单元连接。
所述辅助吸盘单元共设有4个。
所述机架为可扩展机架,其上设有多个用于安装扩展模块的接口。
所述机架上设有包括摄像头在内的感知用传感器。
所述机架上设有包括机械手在内的执行机构。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
1)通过两组吸盘,可以结合直线运动和转向运动,功能完善、成本低廉适用于高空玻璃清洗、墙面检测等相关领域。
2)设计了两种运动的动作模式,直线运动中辅助吸盘单元同样参与关键动作过程,提高了直线运动中的稳定性。
3)将电机输出轴连接机架,可以减小转向过程中的负载,提高转向电机寿命。
4)机架为可扩展机架,可以在机器人机架上搭载摄像头等相关传感器,也可在机器人机架上搭载机械手等相关执行机构。
附图说明
图1是本发明的总体结构示意图;
图2是本发明的人正视示意图;
图3是本发明的底面机构示意图;
图4是本发明的俯视示意图;
其中:1、机架,2、真空发生机构,3、曲柄滑块行走机构,4、辅助转向机构,5、第一驱动电机,6、第二连杆,7、第二连杆,8、第三连杆,9、第一吸盘,10、第二吸盘,11、第三吸盘,12、第四吸盘,13、第一吸盘连接板,14、第二吸盘连接板,15、第三吸盘连接板,16、第四吸盘连接板,17、固定块,18、滑块, 19、气瓶,20、多通接口,21、气管组,22、第一电磁阀,23、第二电磁阀,24、第一真空发生器,25、第二真空发生器,26、驱动模块,27、控制器,28、第五吸盘,29、第六吸盘,30、第七吸盘,31、第八吸盘,32、第五吸盘连接板,33、第六吸盘连接板,34、第七吸盘连接板,35、第八吸盘连接板,36、转向电机,37、第三真空发生器,38、第三真空发生器,39、第三电磁阀,40、转向机构电机安装板,41、第一导轨,42、第二导轨。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种爬壁机器人,如图1~图4所示,包括机架1和设于机架1上的曲柄滑块行走机构3,曲柄滑块行走机构3包括固定块17,以及依次连接的第一驱动电机5、曲柄传动模块、滑块18,机架1上设有第一导轨41和第二导轨42,固定块17的分别与第一导轨41和第二导轨42垂直固定连接,滑块18分别与第一导轨41和第二导轨42垂直连接形成直线副,固定块17上设有第一吸盘单元和第三吸盘单元,滑块18上设有第二吸盘单元和第四吸盘单元,
机器人还包括辅助转向机构4和控制吸盘工作的真空发生机构2,辅助转向机构4包括转向电机36、电机安装板40、转向机构连接件37,转向电机36固定安装于电机安装板40上,且输出轴通过转向机构连接件37与机架1固定连接,电机安装板40上设有多个辅助吸盘单元,真空发生机构2设于机架1上并与第一吸盘单元、第二吸盘单元、第三吸盘单元、第四吸盘单元和所有辅助吸盘单元连接;
机器人还包括控制器27,该控制器27分别与第一驱动电机5、第二驱动电机和真空发生机构2连接,并实现:
先控制辅助吸盘单元和第一吸盘单元、第三吸盘单元产生负压吸附墙面,再控制第一驱动电机5转动移动滑块18至指定位置后,控制第二吸盘单元和第四吸盘单元产生负压吸附墙面,并控制辅助吸盘单元和第一吸盘单元、第三吸盘单元解除负压,之后控制第一驱动电机5转动,并在移动滑块18至初始位置后,控制辅助吸盘单元和第一吸盘单元、第三吸盘单元产生负压吸附墙面,依次反复实现直线运动,
先控制辅助吸盘单元产生负压吸附墙面,再控制转向电机36的输出轴转动以调整机架1的方向,并在机架1上第一导轨41和第二导轨42的方向与目标前进方向一致后,控制第一吸盘单元、第二吸盘单元、第三吸盘单元和第四吸盘单元产生负压吸附墙面。
第一吸盘单元包括第一吸盘9和第一吸盘连接板13,第二吸盘单元包括第二吸盘10和第二吸盘连接板14,第三吸盘单元包括第三吸盘11和第三吸盘连接板 15,第四吸盘单元包括第四吸盘12和第四吸盘连接板16,第一吸盘9通过第一吸盘连接板13安装于固定块17上,第二吸盘10通过第二吸盘连接板14连接于安装于滑块18上,第三吸盘11通过第三吸盘连接板15安装于固定块17上,第四吸盘 12通过第四吸盘连接板16安装于滑块18上。
曲柄传动模块包括依次连接的第一连杆6、第二连杆7和第三连杆8,第一连杆6与第一驱动电机5连接,第三连杆8与滑块18连接。具体的,第一驱动电机 5安装在机架1上,与机架固连,第一连杆6一端与第一驱动电机5的电机轴固接,另一端与第二连杆7铰接,第二连杆7另一端与第三连杆7铰接,第三连杆7另一端与滑块18固接,;
曲柄传动模块包括真空发生机构2包括气瓶19、多通接口20、第一真空发生器24、第二真空发生器25、第三电磁阀39和第三真空发生器38,气瓶19通过多通接口20分别与第一电磁阀22、第二电磁阀23和第三电磁阀39连接,第一电磁阀22、第二电磁阀23和第三电磁阀39分别与第一真空发生器24、第二真空发生器25和第三真空发生器38对应连接,第一真空发生器24分别与第二吸盘单元和第四吸盘单元连接,第二真空发生器25分别与第一吸盘单元和第三吸盘单元连接,第三真空发生器38分别与各辅助吸盘单元连接。
辅助吸盘单元共设有4个,分别是第五吸盘单元、第六吸盘单元,第七吸盘单元和第八吸盘单元,其中,第五吸盘单元包括第五吸盘28和第五吸盘连接板32,第五吸盘28通过第五吸盘连接板32连接电机安装板40,第六吸盘单元包括第六吸盘29和第六吸盘连接板33,第六吸盘29通过第六吸盘连接板33连接电机安装板40,第七吸盘单元包括第七吸盘30和第七吸盘连接板34,第七吸盘30通过第七吸盘连接板34连接电机安装板40,第八吸盘单元包括第八吸盘31和第八吸盘连接板35,第八吸盘31通过第八吸盘连接板35连接电机安装板40。
机架1为可扩展机架,其上设有多个用于安装扩展模块的接口,机架1上设有包括摄像头在内的感知用传感器,机架1上设有包括机械手在内的执行机构。
具体的,本实施例中,控制器27通过驱动模块26为电机、转向电机、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀提供动力,驱动模块26的动力来源可以为电源、气压、液压,电机、转向电机可以根据动力来源方式来选择对应的驱动原件。
本实施例的工作原理,结合附图叙述如下:
1)直线运动模式:
当机器人处于直线运动模式时,其运动主要由曲柄滑块行走机构3配合第一吸盘9、第二吸盘10、第三吸盘11、第四吸盘12、第五吸盘28、第六吸盘29、第七吸盘30和第八吸盘31来实现,在直线运动模式初始状态,控制器27控制电磁阀和真空发生器使第五、第六、第七、第八吸盘产生负压,即机器人此时主要靠第五、第六、第七、第八吸盘吸附在墙面上,此时驱动模块继续控制电机转动,带动第一连杆6转动,在第二连杆7第三连杆8的相互作用下使得滑块18朝行驶方向移动,待滑块达到指定位置时,控制模块控制第二、第四吸盘产生负压,靠第五、第六、第七、第八吸盘停止吸附墙面,电机继续转动,此时因为吸盘的作用滑块相对墙面不移动,在电机即连杆的作用下将带动整个机架沿着导轨方向超前移动,待机架整体到达指定位置时,控制模块控制靠第五、第六、第七、第八吸盘产生负压,第二、第四吸盘停止产生负压,接下来重复上述操作步骤即可完成机器人的直线运动。
2)转向运动模式:
当机器人处于转向运动模式时,其运动主要由辅助转向机构4配合第一吸盘9、第二吸盘10、第三吸盘11、第四吸盘12、第五吸盘28、第六吸盘29、第七吸盘 30和第八吸盘31来实现,在转向运动初始状态下第五、第六、第七、第八吸盘处于负压状态,吸附墙面,第一、第二、第三、第四吸盘处于常态,辅助转向机构4 电机安装板40与墙面相对静止,电机安装板40的八个面与机架八个面相互平行,此时控制器27控制转向电机转动,其电机轴将带动机架相对时电机安装板与墙面已达到转向目的。待机架转动至指定方向后,控制器27控制第五、第六、第七、第八吸盘处于常态,第一、第二、第三、第四吸盘处于负压状态吸附墙面,此时机架相对墙面静止,控制器27继续控制转向电机转动,电机将带动电机安装板和第五、第六、第七、第八吸盘相对墙面发生转动,当电机安装板相对机架的状态回至转弯运动初始状态即电机安装板的八个面与机架八个面相互平行时,电机停止转动,转向运动模式结束。
在实际运行时,通过转向运动与直线运动的结合,实现机器人可以在墙面上任意移动的功能。

Claims (8)

1.一种爬壁机器人,包括机架(1)和设于机架(1)上的曲柄滑块行走机构(3),其特征在于,所述曲柄滑块行走机构(3)包括固定块(17),以及依次连接的第一驱动电机(5)、曲柄传动模块、滑块(18),所述机架(1)上设有第一导轨(41)和第二导轨(42),所述固定块(17)的分别与第一导轨(41)和第二导轨(42)垂直固定连接,所述滑块(18)分别与第一导轨(41)和第二导轨(42)垂直连接形成直线副,所述固定块(17)上设有第一吸盘单元和第三吸盘单元,所述滑块(18)上设有第二吸盘单元和第四吸盘单元,
所述机器人还包括辅助转向机构(4)和控制吸盘工作的真空发生机构(2),所述辅助转向机构(4)包括转向电机(36)、电机安装板(40)、转向机构连接件(37),所述转向电机(36)固定安装于电机安装板(40)上,且输出轴通过转向机构连接件(37)与机架(1)固定连接,所述电机安装板(40)上设有多个辅助吸盘单元,所述真空发生机构(2)设于机架(1)上并与第一吸盘单元、第二吸盘单元、第三吸盘单元、第四吸盘单元和所有辅助吸盘单元连接;
所述机器人还包括控制器,该控制器分别与第一驱动电机(5)、第二驱动电机和真空发生机构(2)连接,并实现:
先控制辅助吸盘单元和第一吸盘单元、第三吸盘单元产生负压吸附墙面,再控制第一驱动电机(5)转动移动滑块(18)至指定位置后,控制第二吸盘单元和第四吸盘单元产生负压吸附墙面,并控制辅助吸盘单元和第一吸盘单元、第三吸盘单元解除负压,之后控制第一驱动电机(5)转动,并在移动滑块(18)至初始位置后,控制辅助吸盘单元和第一吸盘单元、第三吸盘单元产生负压吸附墙面,依次反复实现直线运动,
先控制辅助吸盘单元产生负压吸附墙面,再控制转向电机(36)的输出轴转动以调整机架(1)的方向,并在机架(1)上第一导轨(41)和第二导轨(42)的方向与目标前进方向一致后,控制第一吸盘单元、第二吸盘单元、第三吸盘单元和第四吸盘单元产生负压吸附墙面。
2.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人,其特征在于,所述第一吸盘单元包括第一吸盘(9)和第一吸盘连接板(13),所述第二吸盘单元包括第二吸盘(10)和第二吸盘连接板(14),所述第三吸盘单元包括第三吸盘(11)和第三吸盘连接板(15),所述第四吸盘单元包括第四吸盘(12)和第四吸盘连接板(16),所述第一吸盘(9)通过第一吸盘连接板(13)安装于固定块(17)上,所述第二吸盘(10)通过第二吸盘连接板(14)连接于安装于滑块(18)上,所述第三吸盘(11)通过第三吸盘连接板(15)安装于固定块(17)上,所述第四吸盘(12)通过第四吸盘连接板(16)安装于滑块(18)上。
3.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人,其特征在于,所述曲柄传动模块包括依次连接的第一连杆(6)、第二连杆(7)和第三连杆(8),所述第一连杆(6)与第一驱动电机(5)连接,所述第三连杆(8)与滑块(18)连接。
4.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人,其特征在于,所述曲柄传动模块包括真空发生机构(2)包括气瓶(19)、多通接口(20)、第一真空发生器(24)、第二真空发生器(25)、第三电磁阀(39)和第三真空发生器(38),所述气瓶(19)通过多通接口(20)分别与第一电磁阀(22)、第二电磁阀(23)和第三电磁阀(39)连接,所述第一电磁阀(22)、第二电磁阀(23)和第三电磁阀(39)分别与第一真空发生器(24)、第二真空发生器(25)和第三真空发生器(38)对应连接,所述第一真空发生器(24)分别与第二吸盘单元和第四吸盘单元连接,所述第二真空发生器(25)分别与第一吸盘单元和第三吸盘单元连接,所述第三真空发生器(38)分别与各辅助吸盘单元连接。
5.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人,其特征在于,所述辅助吸盘单元共设有4个。
6.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人,其特征在于,所述机架(1)为可扩展机架,其上设有多个用于安装扩展模块的接口。
7.根据权利要求6所述的一种爬壁机器人,其特征在于,所述机架(1)上设有包括摄像头在内的感知用传感器。
8.根据权利要求6所述的一种爬壁机器人,其特征在于,所述机架(1)上设有包括机械手在内的执行机构。
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