CN204056031U - 一种用于爬壁机器人的真空吸附系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于爬壁机器人的真空吸附系统，包括：吸盘系统、真空泵和气动回路，所述吸盘系统包括若干吸盘和配气盘装置，所述配气盘装置包括配气盘、密封毡和配气接口，所述密封毡紧密贴合于所述配气盘的内表面，所述配气接口设置于所述配气盘的下侧，所述气动回路连接所述真空泵与所述配气接口，并包括控制装置、真空发生器、真空供给阀和真空破坏阀。通过上述方式，本实用新型用于爬壁机器人的真空吸附系统具有结构科学、设计新颖、配置合理、功能先进、自动控制、安全可靠、经济实用等优点，在用于爬壁机器人的真空吸附系统的普及上有着广泛的市场前景。

Description

一种用于爬壁机器人的真空吸附系统

技术领域

本实用新型涉及机械自动化领域，特别是涉及一种用于爬壁机器人的真空吸附系统。

背景技术

随着科技的进步，工业机器人在各个领域得到了广泛地运用，其中，爬壁机器人以其在核工业、建筑、消防等行业的突出优点越来越受到人们的关注。

爬壁机器人在清洁高层建筑壁面上的应用，可以看出随着控制和机电技术的发展，这种可以替代手工劳作的壁面清洗机器人的出现将人从繁重、危险的高楼清洗工作中解放出来，降低高层建筑的清洗成本，提高生产效率，同时也推动清洗业的发展，带来相当的社会效益、经济效益。但这仅仅是爬壁机器人的一个应用领域，近几年来，随着各式各样的机器人在各个领域中的广泛应用和发展，爬壁机器人作为能够在垂直陡壁上进行作业的机器人，以其能够成为高空极限作业的一种自动机械装置的优良特性，越来越受到人们的重视。概括起来，爬壁机器人主要可以应用于以下                                               ：

(1) 在建筑行业可应用于喷涂巨型墙面、安装瓷砖、壁面探伤、壁面修复整容、壁面清洗、擦拭玻璃壁面等；

(2) 在消防部门可应用于携带消防器械、传递救援物资、进行高空救援工作；

(3) 在核工业可用于对核废液储罐进行视觉检查、测厚及焊缝探伤等危险的工作；

(4) 在石化企业可用于对立式金属罐或球形罐的内外壁面进行检查或喷砂除锈、喷漆防腐；

(5) 在造船业可用于喷涂船体的内外壁、对船体的内外壁进行检查、船体内外壁清洁等；

(6) 在抢险救灾上可应用于向高空被困人员运送逃生器械、传递食物水给养等；

(7) 在航空航天上，可用于太空探索、空间卫星维修等。

由此可见，爬壁机器人的应用领域广泛涉及民生、核工业、造船工业等，并在这些领域中担任着十分重要的工作，能够促进生产力的提高、改善人民的生活与工作条件。爬壁机器人结构原理的研究与开发能够为壁面机器人的生产制造和升级进步起到指导与促进的作用；另外，爬壁机器人相关技术的研究科研成果可以直接应用于或带动相关链条产业的进步，从整体上促进生产力的发展，提高人民的生活质量。

总之，积极研究与发展爬壁机器人技术，努力开发与设计制造可以转化为实际生产力的爬壁机器人是生产力发展的需要，是人民生活质量和工作条件改善与提高的需要，也是我国科技兴国、技术进步的需要。该项技术的科研与创新必将会产生巨大的经济价值和社会价值。

爬壁机器人实现对壁面的吸附有三种方式，即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附较为常用的是吸盘吸附法，利用大气压力使机器人吸附在壁面上，这种方法多用于爬行于玻璃壁面的机器人上，真空吸附法又分为单吸盘和多吸盘两种结构形式。当壁面比较粗糙时，真空吸附方式的机器人容易产生漏气的现象，因此多改为使用磁吸附的方式，磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种，磁吸附方式对壁面的凸凹适应性强，但磁吸附式机器人仅适用于导磁材料壁面。推力吸附的方式即利用机器人自身产生的推力使其吸附于壁面上，这种方式结构较为复杂且工作可靠性较低。

实用新型内容

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种用于爬壁机器人的真空吸附系统，通过采用多吸盘式的真空吸附系统来作为爬壁机器人的吸附系统，克服了现有磁吸附式机器人仅适用于导磁材料壁面的缺点，并提供了足够的吸附力，以保证工作安全可靠，节省了人力物力、智能优化、效率提高、安全实用，在用于爬壁机器人的真空吸附系统的普及上有着广泛的市场前景。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于爬壁机器人的真空吸附系统，包括：吸盘系统、真空泵和气动回路，所述吸盘系统包括若干吸盘和配气盘装置，所述配气盘装置包括配气盘、密封毡和配气接口，所述密封毡紧密贴合于所述配气盘的内表面，所述配气接口设置于所述配气盘的下侧，所述气动回路连接所述真空泵与所述配气接口，并包括控制装置、真空发生器、真空供给阀和真空破坏阀，所述真空发生器与所述真空供给阀串行连接，所述真空发生器串行连接有真空过滤器，所述真空破坏阀串行连接有真空开关，所述真空供给阀与所述真空破坏阀并行连接。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述若干吸盘均包括钢球和手动调速阀。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述钢球的两端分别通过弹簧固定连接。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述钢球的外侧设置有橡皮圈，所述橡皮圈的横向截面的直径由内向外依次增大。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述手动调速阀连接有导气管。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述若干吸盘的数量为16个。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述配气盘连接有配气盘固定杆，所述配气盘固定杆的顶端设置有螺纹。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述配气盘的顶端设置有配气孔。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述控制装置为PLC电路。

本实用新型的有益效果是：本实用新型用于爬壁机器人的真空吸附系统具有结构科学、设计新颖、配置合理、功能先进、自动控制、安全可靠、经济实用等优点，在用于爬壁机器人的真空吸附系统的普及上有着广泛的市场前景。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本实用新型的用于爬壁机器人的真空吸附系统一较佳实施例的结构示意图；

图2是本实用新型的用于爬壁机器人的真空吸附系统一较佳实施例的配气盘装置的结构示意图；

图3是本实用新型的用于爬壁机器人的真空吸附系统一较佳实施例的气动回路的结构示意图；

图4是本实用新型的用于爬壁机器人的真空吸附系统一较佳实施例的若干吸盘的结构示意图；

附图中各部件的标记如下：1、吸盘系统，11、钢球，12、手动调速阀，13、橡皮圈，14、第一弹簧，15、第二弹簧，16、导气管，2、真空泵，20、配气盘，21、密封毡，22、配气孔，3、气动回路，31、真空发生器，32、真空供给阀，33、真空破坏阀，34、节流阀，35、真空开关，36、真空过滤器。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例包括：

一种用于爬壁机器人的真空吸附系统，包括：吸盘系统1、真空泵2和气动回路3。

所述吸盘系统1包括若干吸盘和配气盘装置，所述配气盘装置包括配气盘20、密封毡21和配气接口，所述密封毡21紧密贴合于所述配气盘20的内表面，所述配气接口设置于所述配气盘20的下侧，所述气动回路3连接所述真空泵2与所述配气接口，并包括控制装置、真空发生器31、真空供给阀32和真空破坏阀33，所述真空发生器31与所述真空供给阀32串行连接，所述真空发生器31串行连接有真空过滤器36，所述真空破坏阀36串行连接有真空开关35，所述真空供给阀32与所述真空破坏阀33并行连接。

若干吸盘是由钢球11、手动调速阀12、橡皮圈13、第一弹簧14、第二弹簧15、导气管16组成。在忽略气体摩擦和位置时，由伯努利方程得：

   即   

式中：V 为气体的速度，K 为气压压缩系数，P 为压力，为密度，C 为常数。机器人工作前，可根据工作壁面的性质和载重量通过手动调节阀设定气流通过导气管的速度；在机器人工作时，当导气管中的气压减小，同时有几个吸盘（正常工作时有4组吸盘）已经处于有效吸附的情况下，吸盘在大气压力的作用下吸附于壁面。而在缝隙上的吸盘将与大气相通，因此V值将增大，气体进入吸盘，吸盘即脱离壁面。

                                                  

                    

式中：为气体密度，Q 为流量， 为气体流速的改变量，g为重力加速度，k为弹簧屈强系数，为压缩位移。则：

                        

配气盘结构的作用是在爬壁机器人工作时完成吸盘的抽气与进气，配气盘结构主要有配气盘20、密封毡21、配气接口组成，配气盘20通过配气盘固定杆固定于下车体上，密封毡21紧贴于配气盘20的内表面；配气接口安装于配气盘20的下侧，用于完成对即将进入工作或退出工作状态的吸盘完成抽气、进气工作。

气动回路3是指由真空泵2到配气盘配气接口之间的气动系统，包括真空过滤器36、真空供给阀32、真空破坏阀33、真空开关35等。上述一套真空发生器31组件只能与一个配气接口相连接，为了给两个配气接口完成配气需要两套这样的设备。但是，在实际爬壁机器人工作时一个配器接口的吸盘需要产生真空，而另外一个则恰好需要破坏真空，因此为了简化结构和节约成本可以在气动回路中串联一个两位四通的电磁换向阀，该电磁换向阀与真空供给阀32、真空破坏阀33均由PLC控制工作，协同完成对两个配器接口的配气。当需要产生真空时，电磁阀通电；当需要破坏真空放开壁面时，电磁阀断电、电磁阀通电。这些真空控制元件可以组成一体，形成一个真空发生器组件。

优选地，所述若干吸盘均包括钢球11和手动调速阀12。

优选地，所述钢球11的两端分别通过弹簧固定连接，弹簧包括第一弹簧14和第二弹簧15。

优选地，所述钢球11的外侧设置有橡皮圈13，所述橡皮圈13的横向截面的直径由内向外依次增大。

优选地，所述手动调速阀12连接有导气管16。

优选地，所述若干吸盘的数量为16个。

优选地，所述配气盘20连接有配气盘固定杆，所述配气盘固定杆的顶端设置有螺纹，配气盘固定杆可以伸过履带轮的中间固定于下车体上。

优选地，所述配气盘20的顶端设置有配气孔22，当相应的吸盘进入或退出工作状态时，由配气孔22完成它们的抽气、进气工作；配气盘22还设置有配气接头，配气接头安装于配气盘20下侧的配气孔22内，配气接头上连接来源于气动回路的通气管，即能完成吸盘抽气、进气功能。

优选地，所述控制装置为PLC电路。

为了确定吸盘式爬壁机器人的负载能力和安全性能，必须对机器人所受的力进行分析。

机器人在工作时，当其在玻璃壁面上移动时有两种危险的情况可能发生：一种情况是它从墙面上滑落；另一种情况是由于最上方接触的吸盘由于受倾翻力矩太大脱离墙面，引起机器人的倾翻。设计中，机器人的吸附机构受力应避免滑落和倾翻两种情况发生，为了简化分析计算，这里只考虑了静态吸附情况。

(1)避免机器人从墙面上滑落。根据摩擦力的特性，同样工况下，最大静摩擦力要大于滑动摩擦力，所以有：

G < min(，) = = Nμ                 

式中：μ———最小摩擦因数；

N ———两接触表面间的正压力。

(2)避免机器人从玻璃幕墙上倾翻下来。在颠覆力矩的作用下，应该满足：

> 0  ( i = 1，…，4)                     

假设作用在支撑轮上的力不加考虑，认为墙壁对机器人的反作用力只作用在与墙壁接触的吸盘上，由此静态下，机器人在x 、y 方向受力分别满足：

                         

                        

所受的平衡力矩为(以O 点为参照点) ：

                                          

并假定各个吸盘的真空度是均衡的，则作用在吸盘上的吸力为：

V = = sv                           

式中： s ———每组吸盘总的吸附面积；

v ———工作吸盘内的真空度。

为了方便计算 ，假设几个约定条件，设作用于吸盘上的支撑力 ( i = 1…，5) 形成一对力偶，并且从到比例增加，以上假设可用下式表示为：

-  = -  ( i = 1，2)               

联立解式得到 ( i = 1，…，4) 表示式：

                                          

理论上，只要满足 > 0 ,则条件(2) 满足条件，求得：

                          

机器人牢靠吸附在工作面上(不从玻璃壁面上滑落或倾翻下来) 的条件应该满足:

G < min(，)                     

理论上：

 = 5μV                      

f c2 =                      

在进行爬壁机开发和设计时，可以根据具体的尺寸p，d确定，的大小，并确定是否满足爬壁机不滑落不倾翻的条件。（在计算时基于安全考虑，玻璃与吸盘间的典型摩擦因数按最小计μ = 0. 11 。）

根据计算分析出最可能发生危险的情形是（1）或（2）。在保证次危险安全的情况下，保证最危险的情况不会发生，由此才能保证爬壁机器人安全地工作。考虑到机器人在越障时第一组吸盘可能发生泄漏以及壁面的凹凸不平引起的泄露，应当另外增加安全系数，在设计时,考虑只有下面4 组吸盘组工作时机器人仍能够安全吸附。因此，保证机器人的安全，要确保：

                              

或表示为：

                              

式中：G ———机器人和负载总的质量；

     ———作用在机器人吸盘上吸力的总和，= 4V ；

   λ = 1/ μ；

    n ———安全系数。

本实用新型用于爬壁机器人的真空吸附系统的有益效果是：

一、通过采用吸盘吸附法的真空吸附系统作为吸附装置，利用大气压力使机器人吸附在壁面上，使用于爬行于玻璃壁面的机器人上，从而提高了抓壁的稳定性和行走的快速性，智能优化、方便实用；

二、通过采用真空泵通过供气回路和配气盘来完成对吸盘的吸附、脱离的控制，自动控制、安全稳定；

三、相对于一般的用于爬壁机器人的真空吸附系统，这里的用于爬壁机器人的多吸盘分组工作，使得分组吸盘分工明确，分别依次实现吸盘抓壁、吸盘放松的交替工作方式，行走稳定、安全可靠。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于爬壁机器人的真空吸附系统，其特征在于，包括：吸盘系统、真空泵和气动回路，所述吸盘系统包括若干吸盘和配气盘装置，所述配气盘装置包括配气盘、密封毡和配气接口，所述密封毡紧密贴合于所述配气盘的内表面，所述配气接口设置于所述配气盘的下侧，所述气动回路连接所述真空泵与所述配气接口，并包括控制装置、真空发生器、真空供给阀和真空破坏阀，所述真空发生器与所述真空供给阀串行连接，所述真空发生器串行连接有真空过滤器，所述真空破坏阀串行连接有真空开关，所述真空供给阀与所述真空破坏阀并行连接。

2.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的真空吸附系统，其特征在于，所述若干吸盘均包括钢球和手动调速阀。

3.根据权利要求2所述的用于爬壁机器人的真空吸附系统，其特征在于，所述钢球的两端分别通过弹簧固定连接。

4.根据权利要求2所述的用于爬壁机器人的真空吸附系统，其特征在于，所述钢球的外侧设置有橡皮圈，所述橡皮圈的横向截面的直径由内向外依次增大。

5.根据权利要求2所述的用于爬壁机器人的真空吸附系统，其特征在于，所述手动调速阀连接有导气管。

6.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的真空吸附系统，其特征在于，所述若干吸盘的数量大约为16个。

7.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的真空吸附系统，其特征在于，所述配气盘连接有配气盘固定杆，所述配气盘固定杆的顶端设置有螺纹。

8.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的真空吸附系统，其特征在于，所述配气盘的顶端设置有配气孔。

9.根据权利要求1所述的用于爬壁机器人的真空吸附系统，其特征在于，所述控制装置为PLC电路。