全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人，它主要是解決現(xiàn)有的爬壁機(jī)器人耗能大、墻面過(guò)渡難、噪音大、扭矩較小、抗載荷能力低等技術(shù)問(wèn)題。其技術(shù)方案要點(diǎn)是：它包括四條肢腿、能在一定范圍內(nèi)壓縮的機(jī)身、氣動(dòng)系統(tǒng)和與支腿連接的吸盤(pán)組（16）、設(shè)置在支腿上的真空發(fā)生器（10），所述肢腿采用前后對(duì)稱(chēng)的布局方式安裝在機(jī)身兩側(cè)，機(jī)身前后能在一定范圍內(nèi)壓縮，與機(jī)身連接的肢腿底板一端直接鉸接在機(jī)身上，一端通過(guò)緩沖裝置（2）與機(jī)身連接。它主要可用于高樓墻壁作業(yè)以及復(fù)雜環(huán)境下的反恐偵查、探測(cè)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種爬壁機(jī)器人，特別是一種全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著各式各樣的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展，爬壁機(jī)器人以其能夠替代人工在垂直墻面上極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置，越來(lái)越受到人們的重視。
[0003]目前，國(guó)內(nèi)外已研制出各種各樣的爬壁機(jī)器人，其驅(qū)動(dòng)方式有電機(jī)驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)等，一般采用電能提供能源，通過(guò)電動(dòng)機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為氣體內(nèi)能或機(jī)械能。而電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)存在一定的機(jī)械噪聲和電磁噪聲。除此之外，針對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的爬壁機(jī)器人，電動(dòng)機(jī)不僅質(zhì)量大，增加了機(jī)器人的質(zhì)量，而且相對(duì)扭矩較小，抗載荷能力低，耗能大。
[0004]根據(jù)爬壁機(jī)器人吸附方式和移動(dòng)方式不同，有磁履帶式、真空履帶式、單吸盤(pán)輪式、多吸盤(pán)足式、旋翼輪式、多吸盤(pán)框架式、基于范德華力的仿壁虎式等等。但各類(lèi)爬壁機(jī)器人依然存在著許多問(wèn)題，例如:履帶式爬壁機(jī)器人不具備壁面過(guò)渡和跨越障礙能力；負(fù)壓吸附原理的爬壁機(jī)器人采用負(fù)壓整體滑移式方式，吸附面磨損大，能量消耗大，無(wú)墻面過(guò)渡能力；兩足爬壁機(jī)器人雖越障礙能力強(qiáng)，但負(fù)重能力弱；旋翼式爬壁機(jī)器人不僅方向控制難，而且動(dòng)力消失后馬上失效；基于范德華力的仿壁虎式多足爬壁機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中過(guò)約束問(wèn)題較多，制作材料問(wèn)題目前仍待進(jìn)一步研究解決。
[0005]因此，爬壁機(jī)器人技術(shù)在許多方面仍存在不足之處，尤其是噪音大、運(yùn)動(dòng)扭矩較小、抗載荷能力低、墻面過(guò)渡難、耗能大等技術(shù)問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合現(xiàn)代爬壁機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)和社會(huì)生產(chǎn)生活的需要，本專(zhuān)利發(fā)明了一種新型的全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是提供一種具有直行、轉(zhuǎn)彎、倒退、跨障礙和墻面過(guò)渡功能、并且負(fù)重能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)扭矩大、方向控制方便、無(wú)過(guò)約束、低能耗、低噪聲的全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人。
[0007]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:它包括四條肢腿、能在一定范圍內(nèi)壓縮的機(jī)身、氣動(dòng)系統(tǒng)和與支腿連接的吸盤(pán)組16、設(shè)置在支腿上的真空發(fā)生器10，其特征是:所述肢腿采用前后對(duì)稱(chēng)的布局方式安裝在機(jī)身兩側(cè)，機(jī)身前后能在一定范圍內(nèi)壓縮，與機(jī)身連接的肢腿底板一端直接鉸接在機(jī)身上，一端通過(guò)緩沖裝置2與機(jī)身連接。
[0008]所述機(jī)身包括通過(guò)彈性連接裝置4連接的機(jī)身前骨架3和機(jī)身后骨架5 ;所述機(jī)身前骨架3包括機(jī)身前骨架底板31，機(jī)身前骨架底板31上設(shè)置有兩左右對(duì)稱(chēng)的前導(dǎo)向零件32,所述機(jī)身后骨架5包括后骨架底板51,后骨架底板51上設(shè)置有兩左右對(duì)稱(chēng)的后導(dǎo)向零件52，所述彈性連接裝置4由兩根平行導(dǎo)桿42以及套在導(dǎo)桿42上的彈簧B41和定位套筒43組成，導(dǎo)桿42兩端分別插入對(duì)應(yīng)的前導(dǎo)向零件32和后導(dǎo)向零件52中，通過(guò)改變定位套筒43的位置來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)身的長(zhǎng)度。
[0009]所述肢腿包括采用鉸接方式依次連接的小臂11、大臂12、肩部13和肢腿底座14，每個(gè)肢腿具有三個(gè)自由度，連接處設(shè)置有氣缸，小臂11的尖端與吸盤(pán)組16相連，小臂11上設(shè)置有真空發(fā)生器10和與真空發(fā)生器10連接的電磁單向閥98，肢腿底座14上設(shè)置有圓弧卡槽15。
[0010]所述氣動(dòng)系統(tǒng)包括安裝在小臂11與大臂12之間的氣缸A 91、安裝在大臂12和肩部13之間的氣缸B 92、安裝在肩部13和底座14之間的氣缸C 93，由通過(guò)固定裝置固定在彈性連接裝置4上的高壓儲(chǔ)氣罐94提供氣源，高壓儲(chǔ)氣罐94與調(diào)壓過(guò)濾器95連接，調(diào)壓過(guò)濾器95另一端連接調(diào)速閥96，調(diào)速閥96另一端通過(guò)多通接頭與電磁換向閥97連通，調(diào)速閥96和電磁換向閥97固定在后機(jī)身底板51上。
[0011]所述緩沖裝置2包括彈簧座21、彈簧A22，彈簧座21固定在機(jī)身骨架下表面，固定彈簧A22的一端，彈簧另一端與圓弧卡槽15相連。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:提供了一種采用四足爬行方式的全氣壓驅(qū)動(dòng)、真空吸附式，能實(shí)現(xiàn)直行、轉(zhuǎn)彎、倒退、跨障礙和墻面過(guò)渡等復(fù)雜動(dòng)作，并且運(yùn)動(dòng)過(guò)程中無(wú)過(guò)約束、吸附性能可靠、負(fù)重能力強(qiáng)、運(yùn)動(dòng)扭矩大、方向控制簡(jiǎn)單、低能耗、低噪聲的全氣動(dòng)吸附式爬壁機(jī)器人。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1是本發(fā)明的三維視圖。
[0014]圖2是本發(fā)明的機(jī)械裝置仰視圖。
[0015]圖3是本發(fā)明的機(jī)械裝置主視圖。
[0016]圖4是本發(fā)明的手臂裝配圖。
[0017]圖5是本發(fā)明的機(jī)身裝配圖。
[0018]圖6是本發(fā)明的手臂底座卡槽裝配圖。
[0019]圖7是本發(fā)明的氣動(dòng)系統(tǒng)安裝布置圖。
[0020]圖8是本發(fā)明的吸盤(pán)中心可覆蓋的平面區(qū)域示意圖。
[0021]圖9是本發(fā)明的吸盤(pán)中心可覆蓋的垂直面區(qū)域示意圖。
[0022]圖10是本發(fā)明的前行示意圖。
[0023]圖11是本發(fā)明的轉(zhuǎn)向示意圖。
[0024]圖12是本發(fā)明的墻面過(guò)渡示意圖。
[0025]圖中:1-左前肢腿，2-緩沖裝置，3-機(jī)身前骨架，4-彈性連接裝置，5-機(jī)身后骨架，6-左后肢腿，7-右后肢腿，8-右前支腿，10-真空發(fā)生器，11-小臂，12-大臂，13-肩部，14-肢腿底座，15-圓弧卡槽，16-吸盤(pán)組，21-彈簧座，22-彈簧A，31-前骨架底板，32-前導(dǎo)向零件，41-彈簧B，42-導(dǎo)桿，43-定位套筒，51-后骨架底板，52-后導(dǎo)向零件，91-氣缸A，92-氣缸B，93-氣缸C，94-儲(chǔ)氣罐，95-調(diào)壓過(guò)濾器，96-調(diào)速閥，97-電磁換向閥，98-電磁單向閥。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0027]實(shí)施例1，本發(fā)明包括四條肢腿、能在一定范圍內(nèi)壓縮的機(jī)身、氣動(dòng)系統(tǒng)和與支腿連接的吸盤(pán)組16、設(shè)置在支腿上的真空發(fā)生器10，其特征是:所述肢腿采用前后對(duì)稱(chēng)的布局方式安裝在機(jī)身兩側(cè)，機(jī)身前后能在一定范圍內(nèi)壓縮，與機(jī)身連接的肢腿底板一端直接鉸接在機(jī)身上，使肢腿底座可繞鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)；一端通過(guò)緩沖裝置2與機(jī)身連接。其目的在于解決爬行過(guò)程中多足聯(lián)動(dòng)時(shí)的過(guò)約束的問(wèn)題，避免因過(guò)約束產(chǎn)生的內(nèi)力對(duì)附著吸盤(pán)造成影響，從而增強(qiáng)整機(jī)的吸附穩(wěn)定性。參閱圖1至圖12。
[0028]實(shí)施例2，本發(fā)明所述機(jī)身包括通過(guò)彈性連接裝置4連接的機(jī)身前骨架3和機(jī)身后骨架5 ;所述機(jī)身前骨架3包括機(jī)身前骨架底板31，機(jī)身前骨架底板31上設(shè)置有兩左右對(duì)稱(chēng)的前導(dǎo)向零件32，所述機(jī)身后骨架5包括后骨架底板51，后骨架底板51上設(shè)置有兩左右對(duì)稱(chēng)的后導(dǎo)向零件52，所述彈性連接裝置4由兩根平行導(dǎo)桿42以及套在導(dǎo)桿42上的彈簧B41和定位套筒43組成，導(dǎo)桿42兩端分別插入對(duì)應(yīng)的前導(dǎo)向零件32和后導(dǎo)向零件52中，通過(guò)改變定位套筒43的位置來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)身的長(zhǎng)度，前后機(jī)身間的距離可通過(guò)調(diào)節(jié)定位套筒43的位置來(lái)確定，同時(shí)也可通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)桿上彈簧彈力的大小來(lái)確定。參閱圖1至圖12，其余同實(shí)施例1。
[0029]實(shí)施例3，所述肢腿包括采用鉸接方式依次連接的小臂11、大臂12、肩部13和肢腿底座14，每個(gè)肢腿具有三個(gè)自由度，連接處設(shè)置有氣缸，通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)和氣缸鉸接點(diǎn)的合理布局，肢腿可實(shí)現(xiàn)伸縮、擺動(dòng)和大角度的上抬下壓動(dòng)作，對(duì)爬壁機(jī)器人直行、轉(zhuǎn)彎、倒退、跨障礙和墻面過(guò)渡的執(zhí)行有重要作用；小臂11的尖端與吸盤(pán)組16相連，小臂11上設(shè)置有真空發(fā)生器10和與真空發(fā)生器10連接的電磁單向閥98，氣流通過(guò)氣動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速閥96后，通過(guò)多通接頭引入電磁單向閥98，通過(guò)電磁單向閥98和真空發(fā)生器10在真空吸盤(pán)組16中制造真空，肢腿底座14上設(shè)置有圓弧卡槽15，可構(gòu)成槽型卡住機(jī)身骨架。參閱圖1至圖12，其余同上述實(shí)施例。
[0030]實(shí)施例4，本發(fā)明所述氣動(dòng)系統(tǒng)包括安裝在小臂11與大臂12之間的氣缸A 91，驅(qū)動(dòng)小臂左右擺動(dòng)、安裝在大臂12和肩部13之間的氣缸B 92，驅(qū)動(dòng)大臂前后擺動(dòng)、安裝在肩部13和底座14之間的氣缸C 93，用于手臂實(shí)現(xiàn)上臺(tái)和下壓動(dòng)作，由通過(guò)固定裝置固定在彈性連接裝置4上的高壓儲(chǔ)氣罐94提供氣源，高壓儲(chǔ)氣罐94與調(diào)壓過(guò)濾器95連接，調(diào)壓過(guò)濾器95另一端連接調(diào)速閥96，調(diào)速閥96另一端通過(guò)多通接頭與電磁換向閥97、電磁單向閥98連通，調(diào)速閥96和電磁換向閥97固定在后機(jī)身底板51上，氣流通過(guò)電磁換向閥97后通往各氣缸，從而控制氣缸動(dòng)作。參閱圖1至圖12，其余同上述實(shí)施例。
[0031]實(shí)施例5，所述緩沖裝置2包括彈簧座21、彈簧A22，彈簧座21固定在機(jī)身骨架下表面，固定彈簧A22的一端，彈簧另一端與圓弧卡槽15相連，四肢腿與機(jī)身均采用以上鏈接方式。參閱圖1至圖12，其余同上述實(shí)施例。參閱圖1至圖12，其余同上述實(shí)施例。
[0032]實(shí)施例6，本發(fā)明直行:如圖10所示，壁機(jī)器人位于初始位置，四肢腿吸附在墻面上，第一步:解除右前支腿和左后肢腿的真空吸附，控制以上兩肢腿的氣缸C93收縮小段行程，兩肢腿抬起一定角度；第二步:控制右前肢腿的氣缸A91和氣缸B92伸長(zhǎng)，左后肢腿氣缸A91和氣缸B92收縮，兩只腿都往前移動(dòng)一段距離；第三步:控制兩肢腿的氣缸C93伸出，兩肢腿下壓，使吸盤(pán)貼緊墻面，同時(shí)使用真空發(fā)生裝置制造真空，使以上兩肢腿吸附在墻面上；第四步:氣缸C93微縮，使機(jī)身貼近墻面，此操作目的在于使下個(gè)動(dòng)作下壓時(shí)具有更大的壓力。第一步:換為左前支腿和右后肢腿抬起；第二步:控制右前肢腿的氣缸A91和氣缸B92收縮，左后肢腿氣缸A91和氣缸B92伸長(zhǎng)，機(jī)身前移一段距離；第三、四、五步:換為左前支腿和右后肢腿；之后的直線(xiàn)爬行動(dòng)作均可采用交叉換腿方式。參閱圖1至圖12，其余同上述實(shí)施例。
[0033]實(shí)施例7，本發(fā)明轉(zhuǎn)彎:圖11為右轉(zhuǎn)彎示意圖，壁機(jī)器人位于初始位置，四肢腿吸附在墻面上，第一步:右前支腿和左后肢腿抬起一定角度，具體實(shí)施同直行中的抬起動(dòng)作；第二步:控制右前肢腿的氣缸A91伸長(zhǎng)，左后肢腿氣缸B92收縮，使右前肢腿小臂右擺，左后肢腿大臂左擺；第三步:兩肢腿下壓，吸附在墻面上，具體實(shí)施同直行中的下壓動(dòng)作；第四步:氣缸C93微縮，使機(jī)身貼近墻面。第一步:換為左前支腿和右后肢腿抬起，具體實(shí)施同以上抬起動(dòng)作；第二步:控制右前肢腿的氣缸B92伸長(zhǎng)，左后肢腿氣缸B92伸長(zhǎng)，機(jī)身原地向右轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，另外兩肢腿跟隨機(jī)身旋轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，左轉(zhuǎn)動(dòng)作的實(shí)施則相反。參閱圖1至圖12，其余同上述實(shí)施例。
[0034]實(shí)施例8，本發(fā)明墻面過(guò)渡:如圖12所示，在整個(gè)過(guò)程中每次只移動(dòng)一條肢腿，另外三肢腿用來(lái)吸附和支撐。當(dāng)四條肢腿都運(yùn)動(dòng)到位并吸附穩(wěn)定后，再移動(dòng)機(jī)身。重復(fù)此動(dòng)作幾次就可完成墻面過(guò)渡步態(tài)。具體實(shí)施如下:起始狀態(tài)為機(jī)器人停在需過(guò)渡墻面角落，機(jī)器人三腿固定，左前肢腿氣缸C93收縮，使肢腿大角度抬高，然后肢腿往前伸出，再控制氣缸C93伸出，將吸盤(pán)按在另一墻面上，并吸附穩(wěn)定，其中抬起、前伸動(dòng)作具體實(shí)施同實(shí)施例1中對(duì)應(yīng)動(dòng)作。機(jī)器人兩后肢腿分別抬起、回縮、下壓吸附。具體實(shí)施同實(shí)施例1中對(duì)應(yīng)動(dòng)作。右前肢腿運(yùn)動(dòng)到另一墻面，具體實(shí)施同左前肢腿墻面過(guò)渡；此時(shí)四組吸盤(pán)都已運(yùn)動(dòng)到位，接下來(lái)移動(dòng)機(jī)身，此時(shí)后肢腿伸長(zhǎng)并上抬，前支腿回縮并下壓；再重復(fù)幾次可完成90度角的墻面過(guò)渡。參閱圖1至圖12，其余同上述實(shí)施例。
[0035]實(shí)施例9，本發(fā)明在轉(zhuǎn)彎和墻面過(guò)渡時(shí)存在機(jī)身長(zhǎng)度被壓縮一定長(zhǎng)度的情況，若要繼續(xù)旋轉(zhuǎn)或墻面過(guò)渡，需先單獨(dú)控制前面兩手臂分別往前伸出一段距離，恢復(fù)機(jī)身長(zhǎng)度，為在墻面過(guò)渡中保護(hù)機(jī)身不與墻面碰撞，在機(jī)身前骨架3和機(jī)身后骨架底板51上分別添加了柔性薄板，并做成頭和尾巴的形狀。參閱圖1至圖12，其余同上述實(shí)施例。
[0036]實(shí)施例10，本發(fā)明因具有可壓縮機(jī)身和緩沖裝置，允許任意多個(gè)肢腿同時(shí)動(dòng)作，確保了爬壁機(jī)器人可執(zhí)行更多復(fù)雜動(dòng)作，而且不會(huì)產(chǎn)生約束，在墻面條件不夠好或特殊控制要求的情況下也可采用每次一條肢腿單獨(dú)動(dòng)作，另三肢腿吸附的方式前進(jìn)。參閱圖1至圖12，其余同上述實(shí)施例。
【權(quán)利要求】
1.一種全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人，其特征是:它包括四條肢腿、能在一定范圍內(nèi)壓縮的機(jī)身、氣動(dòng)系統(tǒng)和與支腿連接的吸盤(pán)組(16)、設(shè)置在支腿上的真空發(fā)生器(10)，所述肢腿采用前后對(duì)稱(chēng)的布局方式安裝在機(jī)身兩側(cè)，機(jī)身前后可伸縮，與機(jī)身連接的肢腿底板一端直接鉸接在機(jī)身上，一端通過(guò)緩沖裝置(2)與機(jī)身連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人，其特征是:所述機(jī)身包括通過(guò)彈性連接裝置(4)連接的機(jī)身前骨架(3)和機(jī)身后骨架(5);所述機(jī)身前骨架(3)包括機(jī)身前骨架底板(31)，機(jī)身前骨架底板(31)上設(shè)置有兩左右對(duì)稱(chēng)的前導(dǎo)向零件(32)，所述機(jī)身后骨架(5)包括后骨架底板(51),后骨架底板(51)上設(shè)置有兩左右對(duì)稱(chēng)的后導(dǎo)向零件(52)，所述彈性連接裝置(4)由兩根平行導(dǎo)桿(42)以及套在導(dǎo)桿(42)上的彈簧B (41)和定位套筒(43)組成，導(dǎo)桿(42)兩端分別插入對(duì)應(yīng)的前導(dǎo)向零件(32)和后導(dǎo)向零件(52)中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人，其特征是:所述肢腿包括采用鉸接方式依次連接的小臂(11)、大臂(12)、肩部(13)和肢腿底座(14)，每個(gè)肢腿具有三個(gè)自由度，連接處設(shè)置有氣缸，小臂(11)的尖端與吸盤(pán)組(16)相連，小臂(11)上設(shè)置有真空發(fā)生器(10)和與真空發(fā)生器(10)連接的電磁單向閥(98)，肢腿底座(14)上設(shè)置有圓弧卡槽(15)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人，其特征是:所述氣動(dòng)系統(tǒng)包括安裝在小臂(11)與大臂(12)之間的氣缸A (91)、安裝在大臂(12)和肩部(13)之間的氣缸B (92)、安裝在肩部(13)和底座(14)之間的氣缸C (93)，由通過(guò)固定裝置固定在彈性連接裝置(4)上的高壓儲(chǔ)氣罐(94)提供氣源，高壓儲(chǔ)氣罐(94)與調(diào)壓過(guò)濾器(95)連接，調(diào)壓過(guò)濾器(95)另一端連接調(diào)速閥(96)，調(diào)速閥(96)另一端通過(guò)多通接頭與電磁換向閥(97 )連通，調(diào)速閥(96 )和電磁換向閥(97 )固定在后機(jī)身底板(51)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的全氣動(dòng)真空吸附式爬壁機(jī)器人，其特征是:所述緩沖裝置(2)包括彈簧座(21)、彈簧A (22)，彈簧座(21)固定在機(jī)身骨架下表面，固定彈簧A (22)的一端，彈簧另一端與圓弧卡槽(15)相連。
【文檔編號(hào)】B62D57/024GK103991487SQ201410170833
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年4月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月27日
【發(fā)明者】周友行, 姜尚, 楊文佳, 鄒鳳 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)