CN114524027B - 绳索移动机器及多机器移动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绳索移动机器及多机器移动系统，所述绳索移动机器包括机器本体、以及与机器本体连接的绳索机构及表面连接机构；绳索机构包括绳索收放机构和绳索，绳索收放机构与绳索连接，表面连接机构将绳索连接于对象物体，在对象物体上形成一个或多个连接点，连接点通过绳索承担所述机器本体的部分或全部重力，绳索收放机构可改变连接点和机器本体之间的绳索长度。本发明机器及系统通过模仿蜘蛛结丝、拉丝的运动方式，可解决现有技术方案中通常存在的功耗高、噪音大、运动范围受限的技术问题。

Description

绳索移动机器及多机器移动系统

技术领域

本发明属于吸附及移动技术领域，涉及一种绳索移动机器及多机器移动系统。

背景技术

当机器在倾斜面上移动和作业时，机器自身的重力在倾斜面方向上的分力会导致机器掉落。为了克服倾斜面方向上的重力分力，技术人员通常会在机器上安装吸附机构。发明专利申请202111135155.2公开了一种反推力吸附的机器车。该机器车具有轮式移动车体和反推力吸附机构，能够在倾斜或垂直的壁面上移动。反推力吸附机构安装在轮式移动车体上。反推力吸附机构利用高速旋转的叶片来产生反推力，使机器人被吸附在壁面上。轮子和壁面之间产生了接触力，从而产生了摩擦力。摩擦力克服了机器人的重力，并为机器人提供移动的驱动力。该类型的爬壁机器人具有以下缺点：

(1)能耗大

反推力吸附机构必须一直消耗能量来保持吸附力，使机器人吸附在倾斜面上。如果机器车采用携带电池供电的话，反推力吸附机构的高能耗会大幅缩短电池的续航时间，机器车无法在倾斜面上长时间停留和工作。

(2)噪音大

反推力吸附机构的机械运动和气流运动会产生高分贝的机械噪音和空力噪音。吸附力越大，噪音就越大。当机器车在倾斜面上执行一些特殊的工作任务时(例如反恐侦察)，高分贝噪音会暴露机器车的行踪。

为了降低能耗和噪音，技术人员研制了利用绳索吊挂的高空作业机器。例如，在倾斜面的上方固定卷绳机构，卷绳机构能够收、放绳索。绳索的一端连接作业机器。作业机器能够在吊挂方向上移动。为了使作业机器能够在壁面上实现二维移动，发明专利申请202110088053.3进一步提出了多绳索吊挂的方案(图1)。但是，多绳索吊挂的高空作业机器存在以下缺点：

(1)在壁面的上方固定多个卷绳机构，这使得作业流程繁琐、作业难度大；

(2)高空作业机器的移动范围被卷绳机构限制。例如，在图1中，高空作业机器100的横向移动范围只能在两个卷绳机构400之间。并且，高空作业机器只能在一个壁面上移动，无法跨越相邻的直角壁面。例如，在图1中，高空作业机器100只能在壁面A上移动，而无法移动到壁面B。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种绳索移动机器以及一种多机器移动系统，本发明机器及系统模仿蜘蛛粘丝、拉丝的运动方式，可解决现有技术(如：倾斜面移动机器人等)中通常所存在的功耗高、噪音大、运动范围受限的技术问题。

本发明采用如下方式实现上述目的：

一种绳索移动机器，包括能在对象物体上移动的机器本体，还包括与机器本体连接的绳索机构、表面连接机构；绳索机构包括绳索收放机构和绳索，绳索收放机构与绳索连接，表面连接机构将绳索连接到所述对象物体上，在对象物体上形成一个或多个连接点，连接点通过绳索承担所述机器本体的部分或全部重力，绳索收放机构可改变连接点和机器本体之间的绳索长度。

进一步的，所述表面连接机构可以使用粘着剂将绳索粘着在所述对象物体上。

进一步的，所述表面连接机构也可以使用机械连接的方式将绳索连接到对象物体上。更进一步的，所述表面连接机构可以通过将绳索钉在对象物体上。所述表面连接机构也可以是包含一个或以上的钩子，钩子被固定在绳索的不同位置上，通过把钩子挂到对象物体上来形成连接点。

进一步的，所述表面连接机构还可包括连接解除机构，所述连接解除机构用于解除绳索和对象物体之间的连接。

进一步的，所述表面连接机构还可包括卡绳机构，所述卡绳机构能够卡紧绳索，使绳索形成张紧的部分和松弛的部分。

进一步的，所述机器本体还包含吸附机构，所述吸附机构用于将机器本体吸附在对象物体上。

进一步的，所述机器本体还包含移动机构，所述移动机构用于驱使机器本体在对象物体上移动。

进一步的，所述表面连接机构包括机械臂、粘着剂喷头、喷头推杆、卡绳机构；卡绳机构用于卡紧绳索使其形成张紧的部分和松弛的部分，机械臂通过转轴连接于机器本体上，粘着剂喷头及喷头推杆设置于机械臂上用于将松弛的绳索粘着在对象物体上。

本发明的一种多机器移动系统，包括两个或两个以上的如上所述的绳索移动机器，且至少有两个不同的绳索移动机器通过机器连接绳索相互连接，所述机器连接绳索的长度可调。

与现有技术相比，本发明的绳索移动机器及多机器移动系统具有以下优势：

本发明的绳索移动机器可以在不需要吸附机构的情况下实现在对象物体的竖直或倾斜的对象表面上移动。本发明的绳索移动机器即使使用吸附机构，也仅需要吸附机构提供很弱的吸附力就能满足工作需求。因此，本发明的绳索移动机器没有大功率的吸附机构，也就没有高速的机械运动和气体流动，从而不会产生机械损耗和流体流动损耗，也就不会产生机械噪音和空力噪音，或远低于现有技术的机器。此外，本发明的绳索移动机器可以将绳索连接在对象物体的多个位置上，形成多个连接点，从而可以翻越不共面的两个对象表面，也可以在零功耗的情况下长时间保持在竖直或倾斜的对象表面上。并且，通过绳索移动机器之间的配合形成多机器移动系统，能够实现在对象物体上的高效移动。

附图说明

图1为现有技术中的一种方案；

图2为本发明的绳索移动机器实施例1的侧视结构示意图；

图3为本发明的绳索移动机器实施例1的正视结构示意图；

图4为本发明的绳索移动机器实施例1中卡绳机构的示意图，是图2俯视局部视角；

图5a～图5e为本发明实施例1的绳索移动机器的工作过程示意图；其中图5a为卡绳机构卡紧绳索后的状态示意图；图5b为机械臂转动示意图；图5c为形成连接点的过程示意图；图5d为在喷头推杆上增设的绳索夹夹住绳索的示意图；图5e为形成连接点后卡绳机构松开后的状态示意图；

图6和图7是使用钉子连接绳索和对象表面的示意图；

图8a～图8c为本发明实施例2的绳索移动机器的工作过程示意图；其中图8a为绳索移动机器在对象表面1上的示意图；图8b为绳索移动机器移动至对象表面2的示意图；图8c为绳索移动机器在对象表面2形成新的连接点后的状态示意图；

图9为本发明实施例3的绳索移动机器的结构示意图；

图10、图11为本发明实施例4的绳索移动机器从对象表面1向对象表面2移动的工作示意图；其中图10为机械臂转动后的状态示意图；图11为机械臂板2转动至所需位置的状态示意图；

图12为本发明实施例5的绳索移动机器的一种横向移动方法示意图；

图13为本发明实施例6的多机器移动系统的结构示意图；

图14为本发明实施例6的多机器移动系统的工作过程示意图；

图中，100：绳索移动机器，100-1：第一绳索移动机器，100-2：第二绳索移动机器，110：机器本体，111：车体，112：车轮，113：吸附机构，120：表面连接机构，121：机械臂，121-1：穿绳孔，121-2：机械臂转轴，121-3：第一机械臂板，121-4：第二机械臂板，121-5：关节转轴电机，122：热熔胶喷头，122-1：钉子发射器，122-2：钉子，123：喷头推杆，123-1：绳索夹，124：卡绳机构，124-1：卡绳钳，124-2：钳片，130：绳索机构，131：绳索，132：绳索收放机构，132-1：卷绳机，140：连接解除机构，200：连接点，210：第一粘着点，220：第二粘着点，230：粘着点，240：第一粘着点，250：第二粘着点，300：对象物体的表面，310：第一对象表面，320：第二对象表面，330：第三对象表面，400：机器连接绳索，410：卷绳机。

具体实施方式

为了使得本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。

实施例1

本发明的绳索移动机器100包含机器本体110、表面连接机构120和绳索机构130。绳索机构130包含绳索131和绳索收放机构132。表面连接机构120安装在机器本体110上，表面连接机构120能够将绳索连接到对象物体300的表面(下称对象表面)的一个或多个位置上，从而在对象表面上形成一个或多个连接点200。绳索机构130连接机器本体110和对象表面上的连接点200，绳索收放机构132能改变机器本体110和连接点200之间的绳索131的长度。连接点200通过绳索131承担机器本体110的部分或全部重力。

在本实施例中(图2和图3)，机器本体110是安装有四个主动车轮112的车体111。绳索收放机构132是一个卷绳机132-1，安装在车体111上。卷绳机内部有卷绳轮，绳索的一端连接在卷绳轮上，通过控制卷绳轮的正转、反转实现收绳和放绳。在本实施例中，表面连接机构120使用粘着剂将绳索粘着在对象表面上，粘着剂是热熔胶。热熔胶被加热后呈液态的熔胶，可喷涂；熔胶冷却后成固体，能够产生粘着力，连接绳索131和对象表面。表面连接机构120由一个机械臂121、热熔胶喷头122、喷头推杆123、卡绳机构124组成。机械臂121是一块长条形的板子。机械臂121的一端设置有喷头推杆123，喷头推杆123的前端设置有热熔胶喷头122。热熔胶喷头122具有加热和喷出熔胶的功能。绳索穿过机械臂121上的穿绳孔121-1。机械臂121的另一端通过机械臂转轴121-2与车体111连接。机械臂转轴121-2能够带动机械臂121转动。表面连接机构120还包括一个卡绳机构124，卡绳机构124能够卡紧绳索，使绳索131形成张紧的部分和松弛的部分。本实施例的卡绳机构124是一个卡绳钳124-1。如图4所示，卡绳钳124-1由两个会转动的钳片124-2组成，两个钳片124-2能转动。当两个钳片124-2打开时，卡绳钳124-1不夹紧绳索131。当两个钳片124-2闭合时，绳索131被卡绳钳124-1夹紧。

本实施例的绳索移动机器使用热熔胶把绳索粘着在对象表面上。假设机器被绳索吊挂在一个倾斜的对象表面上，在重力的作用下，绳索处于绷紧的状态。图5展示了把绳索粘着在对象表面上的过程。

(1)如图5a所示，卡绳钳124-1夹紧绳索131。然后，卷绳机132-1放出绳索131。于是，卡绳钳124-1和卷绳机132-1之间的绳索处于松弛状态，而卡绳钳124-1的上部的绳索仍然处于绷紧状态。

(2)如图5b所示，机械臂121摆动到指定位置。因为绳索穿过机械臂121上的穿绳孔121-1，所以机械臂121能够拉动绳索一起转动。又因为卡绳钳124-1和卷绳机132-1之间的绳索处于松弛状态，所以松弛状态的绳索不会妨碍机械臂121的转动。

(3)如图5c所示，喷头推杆123伸出，带动热熔胶喷头122向前移动。同时，热熔胶喷头122喷出一点高温熔胶，高温熔胶把穿绳孔121-1前端的绳索粘着在热熔胶喷头122的前端。接着，喷头推杆123继续伸出，使热熔胶喷头122顶到对象表面上。然后，热熔胶喷头122开始喷出大量的高温熔胶。高温溶胶把绳索和对象表面粘连在一起。在喷出足够的熔胶之后，热熔胶喷头122停止喷出熔胶。接着，喷头推杆123和热熔胶喷头122开始向后缩回。高温溶胶逐渐冷却，形成具有足够粘附力的粘着点(即连接点200)。粘着点把绳索牢固地粘着在对象表面上。为了更可靠地把绳索粘着到对象表面上，我们可以在喷头推杆123的前端增设一个绳索夹123-1，如图5d所示。绳索夹123-1安装在喷头推杆123上，包括两个夹片，两个夹片可以转动。两个夹片向下转动时，穿绳孔121-1前端的绳索被夹紧，于是，喷头推杆123就能很可靠地把绳索推到对象表面上，这有助于接下来的粘着过程的顺利进行。

(4)如图5e所示，机械臂121摆回中间位置。然后，卡绳钳124-1松开。绳索移动机器则吊挂在粘着点的下方。

在本实施例中，绳索收放机构132是安装在车体上的卷绳机132-1，绳索收放机构132也可以是其他任一种可实现收绳、放绳的结构。

本实施例以热熔胶为例描述了连接绳索和对象表面的过程。通过粘着剂的粘着方式来把绳索连接在对象表面上，这一创新设计是模仿蜘蛛粘着蛛丝的仿生设计。粘着剂不限于热熔胶。本发明的粘着剂通过固化和/或化学反应和/或其他的粘着原理能与绳索和对象表面建立力学连接。粘着剂可以是各种胶水、电焊条、胶带、水泥浆等，在实施一些必要步骤后(例如，本实施例的热熔胶的必要步骤是：加热、喷涂、冷却凝固)，粘着剂能够在对象表面上形成粘着点(即连接点200)，粘着点通过绳索承担机器本体110的全部或部分的重力。

本发明在实际应用过程中，可以视对象物体300表面情况选择适当的方式将绳索连接到对象表面上，形成连接点200。例如，可以采用机械连接的方式。如图6所示，如果对象表面是木制表面或松软的表面，我们可以用钉子发射器122-1取代了热熔胶喷头122和喷头推杆123。钉子发射器122-1能够射出高速的钉子122-2。钉子122-2击中穿绳孔121-1前端的绳索，并带着绳索击中对象表面。于是，绳索就被钉子122-2固定在对象表面上，形成了连接点200，如图7所示。再例如，如果对象表面是铁丝网结构，表面连接机构120包含多个钩子，钩子被固定在绳索上的不同位置，通过把绳索上的钩子挂到铁丝网上来形成连接点200。

实施例2

如图8a所示，把实施例1的绳索移动机器放置在一个建筑物的顶面(图8a中的对象表面310)。绳索移动机器在第一对象表面310上制作第一粘着点210，把绳索粘着在第一对象表面310上。然后，绳索移动机器向左移动，移出第一对象表面310，吊挂在第二对象表面320上，如图8b所示。卷绳机通过收、放绳索，绳索移动机器能够在竖直方向上快速地上下移动。如图8c(该图是对象表面320的正视图)所示，绳索移动机器制作第二粘着点220，并悬挂在第二粘着点220的下方。于是，绳索移动机器就完成了在横向上的移动，移动距离是第一粘着点210和第二粘着点220之间的横向距离。

绳索移动机器通过在第二对象表面320上制作新的粘着点来进行横向移动，同时，通过卷绳机收、放绳索来进行上下移动。

实施例3

图8c所示，绳索移动机器通过卷绳机收绳可以实现向上移动。但是，因为粘着点220把绳索粘着在对象表面上，所以机器无法向上移动到粘着点220的上方。这限制了绳索移动机器的上下移动的范围。为了解决这个问题，在表面连接机构120里增加连接解除机构140。本实施例中，连接解除机构140是一个热风机，如图9所示。热风机安装在机械臂121上。热风机吹出热风，使固化的熔胶达到高温并溶化，绳索脱离对象表面。于是，绳索移动机器能够突破粘着点的限制，继续向上移动。

在本实施例中，连接解除机构采用热风机实现。在本发明中，连接解除机构也可以采用其他方式实现，具体的解除连接的方法是与形成连接点200的方式相对应的，例如，若通过粘着剂形成连接点200，则可以采用解胶溶液或加热等方式来解除粘着连接。若使用钉子来形成的连接点200，可以通过拔出钉子来解除连接。若是通过钩子挂在铁丝网上来形成的连接，可以通过取下钩子来解除连接。

实施例4

如图10、图11所示，在本实施例中，第一对象表面310和第二对象表面320是不共面的两个对象表面(本实施例中，两个对象表面的夹角是90度)。绳索移动机器吊挂在第一对象表面310上。本实施例的绳索移动机器的机械臂121由第一机械臂板121-3和第二机械臂板121-4组成。两块臂板通过关节转轴连接。关节转轴电机121-5可带动第二机械臂板转动。喷头推杆123、热熔胶喷头122、穿绳孔121-1安装在第二机械臂板的前端。

关节转轴电机121-5带动第二机械臂板转动90度。第二机械臂板带着喷头推杆123、热熔胶喷头122转至第二对象表面320。于是，绳索移动机器能够在第二对象表面320上制作粘着点，然后吊挂在第二对象表面320上。也就是说，绳索移动机器能够跨越直角的两个对象表面。因此，本发明的绳索移动机器可以在不共面的两个对象表面上移动。

实施例5

在上述实施例中，绳索移动机器在对象表面上制作粘着点来实现横向移动。因为制作粘着点需要多个动作，每个动作都要花一些时间，并且，机械臂121的长度有限，每一个粘着点只能使绳索移动机器最多横向移动一个机械臂121的距离，所以这样的横向移动方式是比较低效的。

本实施例提出一种更高效的横移方法。如图12所示，绳索移动机器吊挂在第二粘着点220的下方。第二粘着点220和绳索移动机器之间的绳索与对象表面形成一定的角度(见图2)。因此，绳索会施加一个指向对象表面的分力(见图2中的绳索拉力标注)给绳索移动机器。在这个绳索的分力的作用下，车体的车轮和对象表面之间产生接触力，于是就能产生摩擦力。本实施例利用这个摩擦力来驱动绳索机器横向移动。每个车轮都是主动轮，并且，车轮的朝向能在0-90°的范围内改变。首先，把车轮112的朝向转至水平方向，然后，驱动轮子旋转。在轮子和对象表面之间的摩擦力的驱动下，绳索移动机器能够在横向上移动。如果第二粘着点220和绳索移动机器之间的绳索长度保持一定的话，移动的轨迹是一条圆弧线(图12的虚线轨迹)。如果在移动过程中改变绳索长度，移动的轨迹则会相应地变成其他形状的轨迹，此处不做详细说明。随着绳索移动机器的移动，绳索会产生横向上的分力，阻碍机器的横移。当绳索的横向分力与车轮的摩擦力的横向分力相互平衡时，绳索移动机器的横向移动距离达到最大。

显然，车轮与对象表面之间的摩擦力越大，横向移动的距离就越大。为了提高车轮与对象表面之间的摩擦力，本实施例在机器本体110上增设吸附机构113。吸附机构113施加吸附力在对象表面上，从而能够增加车轮和对象表面之间的接触力，也就能够增加摩擦力，增大横向移动的距离，提高横向移动效率。此外，吸附机构将绳索移动机器吸附在对象表面上，这也有助于绳索移动机器在吊挂状态时的稳定性，不会因高空横风等外在干扰因素而产生晃动。

本发明中，吸附机构可以采用真空吸附、磁力吸附(对象表面是磁性材质)、旋翼反推力、粘性附着等多种方式。在本发明中，机器自身的大部分重力被绳索的拉力平衡，因此，只需要很小的吸附力就能满足横向移动的摩擦力需要。因此，吸附机构只需要工作在较小的功率状态下就可以了。

实施例6

本实施例提出一种利用多机器移动系统来提高移动效率的方案。多机器移动系统包含两个或以上的绳索移动机器。绳索移动机器之间有机器连接绳索。并且，相互连接的绳索移动机器之间的机器连接绳索的长度可变。

图13是包含两个绳索移动机器的多机器移动系统。第一绳索移动机器100-1吊挂在第一粘着点240下方，第二绳索移动机器100-2吊挂在第二粘着点250下方。机器连接绳索400连接着两个绳索移动机器。本实施例的机器连接绳索400是通过卷绳机410实现收绳和放绳。卷绳机410安装在第一绳索移动机器100-1上。绳索的一端与卷绳机连接，另一端连接在第二绳索移动机器100-2上。其中机器连接绳索也可以是其他任一种可实现调节绳索长度的结构。

卷绳机410收紧绳索，使机器连接绳索缩短并张紧。随着机器连接绳索的缩短，第一绳索移动机器100-1被拉向右上方，从而实现了快速的、长距离的横向移动，并实现了向上移动到第一粘着点240的上方。

以上的实施例详细说明了本发明的绳索移动机器的构成和工作原理，本发明具有以下优点：

(1)在实施例1-4和6中，本发明的绳索移动机器不需要吸附机构，不会因吸附机构而产生噪音和能耗。本发明的绳索移动机器可以在零功耗、零噪音的状态下长时间保持在对象表面上。在实施例5中，虽然使用了吸附机构来增加横向移动的距离，但是，机器自身的大部分重力被绳索的拉力平衡，吸附机构只需要产生很小的吸附力就能满足横向移动的摩擦力需要，因此，吸附机构的噪音和能耗都能保持着一个很低的状态。

(2)本发明的绳索移动机器通过把绳索连接在对象表面的多个位置上，形成多个连接点，实现在对象表面上的移动，并能够在不共面的对象表面之间移动。

(3)本发明通过粘着剂把绳索连接在对象表面上形成连接点。这一方法是蜘蛛粘着蛛丝的仿生设计。同时，这一方法不受对象表面的材质、形貌、硬度等情况的限制，具有非常强的适用性。

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 (5)

1.一种绳索移动机器，包括能在对象物体上移动的机器本体，其特征在于，还包括与机器本体连接的绳索机构及表面连接机构；绳索机构包括绳索收放机构和绳索，绳索收放机构与绳索连接，表面连接机构使用粘着剂将绳索粘着在所述对象物体上，在对象物体上形成一个或多个连接点，连接点通过绳索承担所述机器本体的部分或全部重力，绳索收放机构可改变连接点和机器本体之间的绳索长度；所述表面连接机构包括机械臂、粘着剂喷头、喷头推杆、卡绳机构；卡绳机构用于卡紧绳索使其形成张紧的部分和松弛的部分，机械臂通过转轴连接于机器本体上，粘着剂喷头及喷头推杆设置于机械臂上将松弛的绳索粘着在对象物体上。

2. 根据权利要求1所述的绳索移动机器，其特征在于， 所述表面连接机构包括连接解除机构，所述连接解除机构用于解除绳索和对象物体之间的连接。

3.根据权利要求1所述的绳索移动机器，其特征在于，所述机器本体包含吸附机构，所述吸附机构将机器本体吸附在对象物体上。

4.根据权利要求1所述的绳索移动机器，其特征在于，所述机器本体包含移动机构，所述移动机构驱使机器本体在对象物体上移动。

5.一种多机器移动系统，其特征在于，包括两个或两个以上的如权利要求1-4任一项所述的绳索移动机器，且至少有两个不同的绳索移动机器通过机器连接绳索相互连接，所述机器连接绳索的长度可调。

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