CN2598711Y - 子母式附壁机器人 - Google Patents

Abstract

一种子母式附壁机器人，包括牵引攀爬机构、操作器、支撑平衡臂的支座及含控制器及信号收发器的母平台主控制器，其母平台包括台体，平衡臂包括主臂，主臂的一端通过支座与附壁机器人子机相联接，附壁机器人子机包括固定于子机机体上的子机控制器、作业装置及吸附生根行走装置，子机机体通过支座与支座相联接，吸附生根行走装置为附壁机器人。本实用新型敏捷、灵活，在复杂立面作业时可始终保持全系统静稳定。

Description

子母式附壁机器人

本实用新型涉及一种适应复杂立面作业的机器人装置，尤其涉及一种子母式附壁作业机器人。

现有的高空立面作业机器人，如国内某大学设计的“单吸盘附壁机器人”，国内另一大学机器人研究所设计的“安全保险装置”，专利申请号：CN00205833.2；另有相关产品“擦拭机器人”，专利申请号：CN00201085，均是自主行走的附壁机器人.其在较复杂的立面作业时，存在的主要缺点有二：一是静不稳定，二是敏捷、灵活性较差。自主行走的附壁机器人在立面作业时存在缺陷或不足的原因如下：

1.机器人要部分或全部承担自身重量，机器人本身在立面是自主行走，自重须由自身的吸附力产生足够的摩擦力来承担。为避免对机器人产生“过定位”，该类机器人的保险索一般应处于随动松弛状态，机器人在本体失去吸附力如断电、真空吸盘失效等情况下，由立面摩擦力承担的自重须转由松弛的保险索承担，这一过程导致系统出现静不稳定；

2.机器人上、下行走时，由于重力作用完全相反，所以，运动特性严重不对称，对吸附力要求高，敏捷性较差；

3.为克服障碍并利于挂保险索，机体重心要远离立面，因此会对立面产生很大的弯矩，机器人行走时不灵活；

4.机器人很难越过大的障碍，比如障碍起伏度大于吸附脚能抬起的高度。如果机器人本体处于凹陷或凸起较大的地方，因其一旦失稳，自重部分马上会波及到安全系统，出现失稳将产生大幅振荡，且难以恢复到吸附态。

专利申请号为CN99107420.3和CN99211741.0的大楼清洗机，及专利申请号为CN99252601.9的外墙自动清洗机，其虽能保证静稳定性，但整个系统过于庞大，当机体与作业面产生相对运动时，运动学关系复杂，控制难以做到敏捷、精确。复杂的立面作业要求机体在垂直于立面的水平方向能有大幅度的尺寸延长，而处于该种延长状态时，上述系统运行时的精确性和动态稳定性更难确保。

还有在靠近立面或在立面上形成一个大稳定平台的，从平台上伸出长臂，其类似于人站在吊舱中手持长柄工具作业。此类系统亦较庞大，平台需要牢固地生根于立面，当平台距离立面较远时，平台摇晃会对生根点产生很大的影响。而要将基于平台对长臂的驱动变为前端相对于立面的位移或力，因其间的减速器、长臂、大转动惯量、间隙、刚度等机械因素过多，类似在一个杠杆的支点处施力来对其端点加以控制，前端的位移或力的精度和运动灵活性很差。

从安全角度考虑，现有自主行走的附壁机器人均无法完全脱离保险索。附壁机器人前端相对于作业面的敏捷灵活运动是其完成高质量作业的基本要求，对于复杂作业面，则更要求其具备自主行走能力。如果机器人能不受自重影响，敏捷灵活地到达某一区域，且能可靠地附着，就可将立面作业机器人的特殊技术问题转变为地面普通作业机器人的问题。

本实用新型的目的在于避免上述现有技术中的不足之处，而提供一种静稳定、敏捷、灵活的用于复杂立面作业的子母式附壁机器人。

本实用新型的目的可通过以下措施来达到：

一种子母式附壁机器人，包括牵引攀爬机构8及操作器11，其特殊之处在于：它还包括母平台、平衡臂2及附壁机器人子机6；所述的母平台包括台体10，其还包括支撑平衡臂2的支座7及含控制器及信号收发器的母平台主控制器9；所述的平衡臂2包括主臂3，该主臂3的一端通过支座5与附壁机器人子机6相联接；所述的附壁机器人子机6包括固定于子机机体27上的子机控制器23、作业装置25及吸附生根行走装置26，所述的子机机体27通过联接支座24与支座5相联接；所述的吸附生根行走装置26为附壁机器人。

上述支座5、7以采用主从二自由度支座为佳，该主从二自由度支座可包括主支座14，所述的主支座14上固定有主支座减速离合器13和副转盘支座15，主支座驱动电机12通过主支座减速离合器13与副转盘支座15相连接；所述的副转盘支座15上固定有副支座减速离合器17和副支座输出轴16，所述的副支座驱动电机18通过副支座减速离合器17与副支座输出轴16相连接。

上述支座5以通过主从伸缩节4与主臂3固定连接为佳；所述的主从伸缩节4包括子节19及与之滑动配合的母节22，伸缩驱动电机21通过伸缩减速离合器20固定于母节22上，伸缩驱动电机21通过伸缩减速离合器20与子节19相连接。

上述主臂3的另一端可设置配重1。

上述配重1为重量或力臂以采用可调式配重为佳。

上述附壁机器人子机6可为单子机、双子机或多子机。

上述牵引攀爬机构8可为一维或二维的随动机构，所述的附壁机器人子机6可为一维或二维运动的附壁机器人子机。

上述母平台主控制器9还可包括摄像机，所述的台体10可以是含供电、供气、供回水系统的台体。

上述作业装置25可为检测装置、清洗装置或喷涂装置等；所述的主支座驱动电机12、副支座驱动电机18和伸缩驱动电机21可为步进电机或伺服驱动装置等。

上述吸附生根行走装置26可为轮式驱动单吸盘机器人、履带驱动单吸盘机器人、履带驱动多吸盘机器人、多吸盘步进式行走机器人或磁性吸附机器人等。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1.本实用新型用牵引或攀爬索始终承担全系统自重，各个子机运行时由于其自重基本被平衡掉，加之可锁定的支座、前端支座和伸缩节，在复杂立面作业时始终可保持全系统是静稳定的；

2.子机运行时由于其自重基本被平衡掉，所以上、下方向的特性基本一致，不会对立面产生很大的弯距，运动的精度和敏捷性提高，降低了对吸附生根装置的要求；

3.由于平衡臂上的既可主动又可从动的支座、前端支座和伸缩节，可以消除自重影响，非常灵活地将子机调整到不同的姿态，可以多子机协调生根，适应于复杂的凹、凸立面、柱面、球面、斜面等作业面；

4.本实用新型前端敏捷、精确，子机自主运动的难度低，可主动越障，也可通过平衡臂调整越障；

5.当母平台固定时，通过平衡臂的变化可使子机覆盖较大的作业区域，作业过程中整个系统无需时时移动。

附图图面说明如下：

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的主从二自由度支座的结构示意图；

图3为本实用新型主从伸缩节的结构示意图；

图4为本实用新型的子机结构示意图；

图5为本实用新型双子机或多子机作业的示意图；

图6为本实用新型越障作业的示意图。

附图标号说明：1-配重，2-平衡臂，3-主臂，4-主从伸缩节，5-主从支座，6-附壁机器人子机，7-主从支座，8-牵引攀爬机构，9-母平台主控制器，10-台体，11-操作器，12-主支座驱动电机，13-主支座减速离合器，14-主支座，15-副转盘支座，16-副支座输出轴，17-副支座减速离合器，18-副支座驱动电机，19-子节，20-伸缩减速离合器，21-伸缩驱动电机，22-母节，23-子机控制器，24-联接支座，25-作业装置，26-吸附生根行走装置，27-子机机体。

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步详述：

参见图1，本实用新型主要由母平台；牵引攀爬机构8；平衡臂2；二维运动附壁机器人子机和操作器11五大部分构成。

牵引攀爬机构8可采用一维或二维的随动机构，如：建筑物顶部移动单元或专利号为CN01246938的一种攀爬定位装置，或其他高空作业吊篮的运动机构。母平台的台体10包含供电、供气、供回水系统等；母平台还包括主从二自由度支座7及含控制器、摄像机、无线电收发器的母平台主控制器9等。牵引攀爬机构8使母平台可随动，使其在平行于作业立面的二维平面运行，其承载的水、电、气源可确保系统运行；主从二自由度支座7用以支撑平衡臂2的运动；母平台主控制器9用于控制母平台的运动和协调附壁机器人子机6的运动，母平台主控制器9的信号收发器接收操作器11的信号、传送运行状态，母平台主控制器9的摄像机监测系统的运行。平衡臂2由配重1、前端主从二自由度支座5、主臂3、主从伸缩节4等部分构成。配重1以采用可改变重量或力臂的可调配重为佳。配重1用以平衡附壁机器人子机6的重量；平衡臂2的前端主从二自由度支座5用以联接附壁机器人子机6和调整其姿态；主从伸缩节4用以调整平衡臂2，使其适应母平台与立面之间的间距；平衡臂2安装在主从二自由度支座7上，可保证其前端的轨迹在球面空间运动。

见图2，主从二自由度支座7和主从二自由度支座5的功能由主支座驱动电机12、主支座减速离合器13、主支座14、副转盘支座15、副支座输出轴16、副支座减速离合器17、副支座驱动电机18等装置实现。当某一自由度处于主动时，其输出是由主支座驱动电机12或副支座驱动电机18通过主支座减速离合器13或副支座减速离合器17带动；处于从动时，离合器分离，输出由与其相联的平衡臂2前端的附壁机器人子机6带动。

见图3，主从伸缩节4的功能由子节19、伸缩减速离合器20、伸缩驱动电机21、母节22等装置实现。处于主动时，其子节19的伸缩是由伸缩驱动电机21通过伸缩减速离合器20带动；处于从动时，伸缩减速离合器20分离，子节19的伸缩是由平衡臂2前端的附壁机器人子机6带动。主从二自由度支座7、主从二自由度支座5和主从伸缩节4的驱动电机既可以用步进电机，也可以用其它伺服驱动装置。

见图4，附壁机器人子机6由子机控制器23、联接支座24、作业装置25、吸附生根行走装置26、子机机体27等部分构成。附壁机器人子机6通过联接支座24与平衡臂2的前端主从二自由度支座5相联；吸附生根行走装置26的吸附生根装置只产生用于作业的附壁力而非支撑重力，其行走装置驱动附壁机器人子机6在立面上运动；作业装置25可以完成检测、清洗、喷涂等任务；子机控制器23完成子机的控制并与母平台主控制器9联络。附壁机器人子机6也可采用现有的轮式驱动单吸盘机器人、履带驱动单吸盘机器人、履带驱动多吸盘机器人、多吸盘步进式行走机器人、磁性吸附机器人等附壁机器人。

参见图5，系统运行开始后，由母平台大致运行到作业区，然后调整母平台上的主从二自由度支座7、平衡臂2上的主从二自由度支座5和主从伸缩节4，以主动运动方式将各个附壁机器人子机6以利于吸附生根的姿态一个一个地送到立面上，当子机的吸附生根行走装置26的吸附生根装置有效工作后，母平台的主从二自由度支座7、平衡臂2的前端主从二自由度支座5和主从伸缩节4都变为从动状态，附壁机器人子机6变为主动运行，主从状态的转换由各个离合器完成。系统的母平台和各个附壁机器人子机6均可分别地自主运动，当附壁机器人子机6末附壁时，母平台属于主动运动，当附壁机器人子机6附壁运动后，母平台的运动指令将根据多个子机的运动位置来确定，其原则是：即要将子机处于动态的平衡中又要不影响子机运动。子机与母平台之间即可是“刚性联接”形式，又可是“柔性联接”形式。当主从二自由度支座7、主从二自由度支座5和主从伸缩节4为主动态并锁定时是刚性联接，与专利申请号为99252601.9的外墙自动清洗机方案等同，其前端相对立面的运动将是迟钝的和不精确的；当主从二自由度支座7、主从二自由度支座5和主从伸缩节4为从动态时是“柔性联结”，子机的精度和敏捷性高。所以系统在作业时子机与母平台应呈现“柔性联结”，为了防止系统在平行于立面的平面出现不稳定，可采用双子机或多子机。调整平衡臂2可使系统产生指向立面的重分力，在重分力和子机冗余吸附的情况下保持系统静稳定性。主从二自由度支座7、二自由度支座5和主从伸缩节4多个环节的主从运动方式与附壁机器人子机6的运动相结合，可构成越障或脱离障碍区运动的余度保证。比如当附壁机器人子机6不运动或失效时，其运动轨迹可由主从二自由度支座7、主从二自由度支座5和主从伸缩节4的复合运动来完成；同样，主从二自由度支座7的某一自由度不运动或失效时，其运动可由附壁机器人子机6、主从二自由度支座5和主从伸缩节4的复合运动来完成。如果用母平台对某一前端附壁机器人子机6进行驱动，力控制和生根难以解决，可以锁定其他平衡臂2。如果对双自由度的支座7或支座5有选择地锁定一个自由度或仅采用单自由度的支座7或支座5，使平衡臂2相对于母平台、子机相对于平衡臂2都只有一个转动自由度，就可以有效地提高子机的运行轨迹精度。当各子机运动时，母平台的控制器对这些子机运动信号进行综合处理、判断子机的移动方向、速度，从各子机间的相互干涉，作业面重叠，防系统颠覆、防系统结构振荡等方面考虑，以做出对子机的限定动作或自身随动。

图6示出系统越障作业的情况。当某一子机要越障时，母平台可先锁定其余子机和平衡臂2，以利于越障子机的平衡臂2进行调整；此系统的子机在无动力时的自由态是接近平衡的，头部有微小的正对于立面的压力作用，子机动作时，只要较小的吸附力，移动时的力精确作用于立面而不是母平台，自重对子机的运动产生的影响不大，适应于平整面较小的复杂壁面。

Claims (10)

1.一种子母式附壁机器人，包括牵引攀爬机构(8)及操作器(11)，其特征在于：它还包括母平台、平衡臂(2)及附壁机器人子机(6)；所述的母平台包括台体(10)，其还包括支撑平衡臂(2)的支座(7)及含控制器及信号收发器的母平台主控制器(9)；所述的平衡臂(2)包括主臂(3)，该主臂(3)的一端通过支座(5)与附壁机器人子机(6)相联接；所述的附壁机器人子机(6)包括固定于子机机体(27)上的子机控制器(23)、作业装置(25)及吸附生根行走装置(26)，所述的子机机体(27)通过联接支座(24)与支座(5)相联接；所述的吸附生根行走装置(26)为附壁机器人。

2.如权利要求1所述的子母式附壁机器人，其特征在于：所述的支座(5)、(7)均为主从二自由度支座，该主从二自由度支座包括主支座(14)，所述的主支座(14)上固定有主支座减速离合器(13)和副转盘支座(15)，主支座驱动电机(12)通过主支座减速离合器(13)与副转盘支座(15)相连接；所述的副转盘支座(15)上固定有副支座减速离合器(17)和副支座输出轴(16)，所述的副支座驱动电机(18)通过副支座减速离合器(17)与副支座输出轴(16)相连接。

3.如权利要求1或2所述的子母式附壁机器人，其特征在于：所述的支座(5)通过主从伸缩节(4)与主臂(3)固定连接；所述的主从伸缩节(4)包括子节(19)及与之滑动配合的母节(22)，伸缩驱动电机(21)通过伸缩减速离合器(20)固定于母节(22)上，伸缩驱动电机(21)通过伸缩减速离合器(20)与子节(19)相连接。

4.如权利要求3所述的子母式附壁机器人，其特征在于：所述主臂(3)的另一端设置有配重(1)。

5.如权利要求4所述的子母式附壁机器人，其特征在于：所述的配重(1)为重量或力臂可调的可调式配重。

6.如权利要求4所述的子母式附壁机器人，其特征在于：所述的附壁机器人子机(6)为双子机或多子机。

7.如权利要求6所述的子母式附壁机器人，其特征在于：所述的牵引攀爬机构(8)为一维或二维的随动机构，所述的附壁机器人子机(6)为一维或二维运动的附壁机器人子机。

8.如权利要求7所述的子母式附壁机器人，其特征在于：所述的母平台主控制器(9)包括摄像机，所述的台体(10)是含供电、供气、供回水系统的台体。

9.如权利要求8所述的子母式附壁机器人，其特征在于：所述的作业装置(25)为检测装置、清洗装置或喷涂装置；所述的主支座驱动电机(12)、副支座驱动电机(18)和伸缩驱动电机(21)为步进电机或伺服驱动装置。

10.如权利要求9所述的子母式附壁机器人，其特征在于：所述的吸附生根行走装置(26)为轮式驱动单吸盘机器人、履带驱动单吸盘机器人、履带驱动多吸盘机器人、多吸盘步进式行走机器人或磁性吸附机器人。

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