本發(fā)明涉及機器人技術領域，特別是一種多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人。

背景技術：

爬壁機器人是一種可在垂直壁面上移動及作業(yè)的機器人。爬壁機器人可代替人類執(zhí)行建筑壁面清潔，船只外殼噴漆，儲罐內外壁探傷及軍事偵查，高空消防等作業(yè)工作，降低工作人員的危險。爬壁機器人在建筑、橋梁、造船、軍事領域有著廣泛的應用前景。

爬壁機器人，特別是負壓吸附式爬壁機器人在壁面吸附的穩(wěn)定性上要求很高，一旦機器人在壁面工作時失去吸附力，輕則導致作業(yè)中斷，重則造成設備墜落毀傷和威脅周邊人員安全。另外，爬壁機器人在壁面上運動時不可避免的會遇到管道，高臺，縫隙等無法繞行的障礙，及壁面轉換的問題。因此，爬壁機器人的越障能力決定了其運動空間的大小。

現有的輪腿互換爬壁并聯(lián)機器人、履帶吸盤式爬壁機器人、全氣動真空吸附式爬壁機器人和負壓吸附式爬壁機器人均缺乏跨越壁面障礙的手段；負壓吸附式仿生爬壁機器人關節(jié)數量多且完全依靠吸附足來移動，運動速度緩慢；仿生式越障爬壁機器人越障機構關節(jié)數量多而自由度少，控制復雜且越障方式單一，所用的離心風機有功耗高噪聲大的缺點，單負壓腔可靠性也較差。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能在壁面穩(wěn)定高速運動并且具有跨越障礙能力的多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人。

實現本發(fā)明目的的技術解決方案為：一種多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人，包括多腔負壓吸附底盤、輪式運動機構、三段式越障臂和控制模塊：

所述多腔負壓吸附底盤，包括多個負壓吸附腔，每個負壓吸附腔包括一個吸盤和一個微型真空泵，用于將機器人吸附于壁面上；

所述輪式運動機構，安裝在多腔負壓吸附底盤上，用于驅動機器人前進后退和轉向；

所述三段式越障臂，為三段三自由度結構，一端固定在多腔負壓吸附底盤上，另一端安裝吸盤，吸盤用于將機器人吸附于壁面上；

所述控制模塊，包括電池、數傳模塊和驅動板；電池用于為機器人其它部件供電；數傳模塊提供遠程遙控功能；驅動板用于驅動輪式運動機構和三段式越障臂做出動作，并驅動多腔負壓吸附底盤和三段式越障臂的吸盤吸附于壁面；

上述爬壁機器人的工作過程如下：

當爬壁機器人正常移動時，多腔負壓吸附底盤將機器人吸附于壁面上，輪式運動機構驅動機器人前進后退和轉向，三段式越障臂抬起不接觸壁面；

當爬壁機器人越障時，三段式越障臂將吸盤落在壁面上，啟動三段式越障臂上的真空泵將吸盤吸附于壁面上，再解除多腔負壓吸附底盤的吸附工作，用三段式越障臂的吸盤為支撐，三段式越障臂將多腔負壓吸附底盤移動至障礙物的另一側并吸附在壁面上，再關閉三段式越障臂上吸盤的吸附工作，收回三段式越障臂，完成越障。

作為一種具體示例，所述多腔負壓吸附底盤包括底座、第一吸盤、第二吸盤、第三吸盤、第四吸盤、第一微型真空泵、第二微型真空泵、第三微型真空泵、第四微型真空泵；

所述第一吸盤、第二吸盤、第三吸盤、第四吸盤分別通過吸盤固定螺絲固定于底座下表面，且各吸盤的中心設置吸盤通氣孔；第一微型真空泵、第二微型真空泵、第三微型真空泵、第四微型真空泵設置于底座上表面，四個真空泵的抽氣孔分別通過塑膠軟管穿過底座與對應的吸盤通氣孔相連。

作為一種具體示例，所述輪式運動機構包括第一車輪、第二車輪、第三車輪、第四車輪、第一驅動伺服電機、第二驅動伺服電機、第一同步帶、第二同步帶、第二電機座、第三電機座、車輪軸承座、小帶輪、第一連軸套、第二連軸套；

所述第一車輪、第二車輪、第三車輪、第四車輪分別設置于底座的四角，每一個車輪均通過兩個一組的車輪軸承座固定于底座上表面，每組車輪軸承座之間設有1個小帶輪；第一車輪、第三車輪設置在行進方向的同一側，且該兩個車輪對應的小帶輪通過第一同步帶連接在一起，第二車輪、第四車輪設置在行進方向的另一側，且該兩個車輪對應的小帶輪通過第二同步帶連接在一起，小帶輪使得同側車輪保持同步運轉；所述第一驅動伺服電機通過第二電機座固定于底座上表面，第一驅動伺服電機通過第一連軸套與第一車輪的軸相連接，驅動該側第一車輪、第三車輪運轉；所述第二驅動伺服電機通過第三電機座固定于底座上表面，第二驅動伺服電機通過第二連軸套與第四車輪的軸相連接，驅動該側第二車輪、第四車輪運轉。

作為一種具體示例，所述三段式越障臂包括機座、旋轉座、第一電機座、第五吸盤、旋轉伺服電機、吸盤架、真空泵、第一旋轉軸、第二旋轉軸；

所述機座一端固定于底座上表面中心位置、另一端通過第一旋轉軸安裝在旋轉座一端的軸承上，第一電機座的一端通過第二旋轉軸安裝在旋轉座另一端的軸承上；旋轉座的兩端分別固定一個越障臂伺服電機，從而驅動機座和第一電機座相對旋轉座轉動；第一電機座內設置一個旋轉伺服電機，用來驅動第一電機座另一端的吸盤架旋轉，從而帶動第五吸盤繞第一電機座旋轉；第五吸盤通過塑料軟管與固定在旋轉座上的真空泵連接，當第五吸盤貼近壁面時，啟動真空泵將吸盤內部氣壓降低，第五吸盤在大氣壓作用下吸附在壁面上。

作為一種具體示例，所述控制模塊包括電池、底盤驅動板、數傳模塊、手臂驅動板、云臺驅動板；

所述電池、底盤驅動板和數傳模塊固定于底板底座上表面，手臂驅動板和云臺驅動板設置于旋轉座內部；電池為機器人上所有控制板、伺服電機和真空泵供電，數傳模塊提供遠程遙控功能，底盤驅動板控制第一微型真空泵、第二微型真空泵、第三微型真空泵、第四微型真空泵、第一驅動伺服電機、第二驅動伺服電機和真空泵的工作，手臂驅動板控制第一旋轉軸的工作，云臺驅動板控制第二旋轉軸、旋轉伺服電機的工作。

本發(fā)明與現有技術相比，其顯著優(yōu)點為：(1)使用負壓吸附方式，可以在非導磁性材料表面工作，具有更廣泛的壁面適應性；(2)輪式運動機構保證了機器人在平整壁面上的運動速度；(3)使用微型真空泵帶動多吸盤的多腔吸附方式既保證了吸附的穩(wěn)定性和安全性，又降低了功耗和噪聲，提高了機器人隱匿性和無線遙控時的續(xù)航時間；(4)越障臂讓機器人具有跨越壁面障礙的能力，以及在不同壁面間移動的能力，可以在更加復雜的壁面環(huán)境中使用。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人的立體結構的俯視示意圖。

圖2為本發(fā)明的多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人的立體結構的仰視示意圖。

圖3為本發(fā)明的多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人的負壓吸附式底盤俯視圖。

圖4為本發(fā)明的多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人的負壓吸附式底盤仰視圖。

圖5為本發(fā)明的多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人的傳動系統(tǒng)立體結構示意圖。

圖6為本發(fā)明的多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人的越障臂立體結構示意圖。

圖中標號說明：1、底座；2-1、第一吸盤；2-2、第二吸盤；2-3、第三吸盤；2-4、第四吸盤；3-1、第一微型真空泵；3-2、第二微型真空泵；3-3、第三微型真空泵；3-4、第四微型真空泵；4、電池；5、底盤驅動板；6、數傳模塊；7-1、第一車輪；7-2、第二車輪；7-3、第三車輪；7-4、第四車輪；8-1、第一驅動伺服電機；8-2、第二驅動伺服電機；9-1、第一同步帶；9-2、第二同步帶；10、機座；11、旋轉座；12、第一電機座；13、第五吸盤；14、旋轉伺服電機；15、吸盤架；16、真空泵；17、第一旋轉軸；18、第二旋轉軸；19、手臂驅動板；20、云臺驅動板；21、吸盤固定螺絲；22、吸盤通氣孔；23-1、第二電機座；23-2、第三電機座；24、車輪軸承座；25、小帶輪；26-1、第一連軸套；26-2、第二連軸套；27、越障臂伺服電機。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。

結合圖1～2，本發(fā)明多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人，包括多腔負壓吸附底盤、輪式運動機構、三段式越障臂和控制模塊：

所述多腔負壓吸附底盤，包括多個負壓吸附腔，每個負壓吸附腔包括一個吸盤和一個微型真空泵，用于將機器人吸附于壁面上；

所述輪式運動機構，安裝在多腔負壓吸附底盤上，用于驅動機器人前進后退和轉向；

所述三段式越障臂，為三段三自由度結構，一端固定在多腔負壓吸附底盤上，另一端安裝吸盤，吸盤用于將機器人吸附于壁面上；

所述控制模塊，包括電池、數傳模塊和驅動板；電池用于為機器人其它部件供電；數傳模塊提供遠程遙控功能；驅動板用于驅動輪式運動機構和三段式越障臂做出動作，并驅動多腔負壓吸附底盤和三段式越障臂的吸盤吸附于壁面；

上述爬壁機器人的工作過程如下：

當爬壁機器人正常移動時，多腔負壓吸附底盤將機器人吸附于壁面上，輪式運動機構驅動機器人前進后退和轉向，三段式越障臂抬起不接觸壁面；

當爬壁機器人越障時，三段式越障臂將吸盤落在壁面上，啟動三段式越障臂上的真空泵將吸盤吸附于壁面上，再解除多腔負壓吸附底盤的吸附工作，用三段式越障臂的吸盤為支撐，三段式越障臂將多腔負壓吸附底盤移動至障礙物的另一側并吸附在壁面上，再關閉三段式越障臂上吸盤的吸附工作，收回三段式越障臂，完成越障。

結合圖3～4，所述多腔負壓吸附底盤包括底座1、第一吸盤2-1、第二吸盤2-2、第三吸盤2-3、第四吸盤2-4、第一微型真空泵3-1、第二微型真空泵3-2、第三微型真空泵3-3、第四微型真空泵3-4；

所述第一吸盤2-1、第二吸盤2-2、第三吸盤2-3、第四吸盤2-4分別通過吸盤固定螺絲21固定于底座1下表面，且各吸盤的中心設置吸盤通氣孔22；第一微型真空泵3-1、第二微型真空泵3-2、第三微型真空泵3-3、第四微型真空泵3-4設置于底座1上表面，四個真空泵的抽氣孔分別通過塑膠軟管穿過底座1與對應的吸盤通氣孔22相連。

結合圖5，所述輪式運動機構包括第一車輪7-1、第二車輪7-2、第三車輪7-3、第四車輪7-4、第一驅動伺服電機8-1、第二驅動伺服電機8-2、第一同步帶9-1、第二同步帶9-2、第二電機座23-1、第三電機座23-2、車輪軸承座24、小帶輪25、第一連軸套26-1、第二連軸套26-2；

所述第一車輪7-1、第二車輪7-2、第三車輪7-3、第四車輪7-4分別設置于底座1的四角，每一個車輪均通過兩個一組的車輪軸承座24固定于底座1上表面，每組車輪軸承座24之間設有1個小帶輪25；第一車輪7-1、第三車輪7-3設置在行進方向的同一側，且該兩個車輪對應的小帶輪25通過第一同步帶9-1連接在一起，第二車輪7-2、第四車輪7-4設置在行進方向的另一側，且該兩個車輪對應的小帶輪25通過第二同步帶9-2連接在一起，小帶輪25使得同側車輪保持同步運轉；所述第一驅動伺服電機8-1通過第二電機座23-1固定于底座1上表面，第一驅動伺服電機8-1通過第一連軸套26-1與第一車輪7-1的軸相連接，驅動該側第一車輪7-1、第三車輪7-3運轉；所述第二驅動伺服電機8-2通過第三電機座23-2固定于底座1上表面，第二驅動伺服電機8-2通過第二連軸套26-2與第四車輪7-4的軸相連接，驅動該側第二車輪7-2、第四車輪7-4運轉。

結合圖6，所述三段式越障臂包括機座10、旋轉座11、第一電機座12、第五吸盤13、旋轉伺服電機14、吸盤架15、真空泵16、第一旋轉軸17、第二旋轉軸18；

所述機座10一端固定于底座1上表面中心位置、另一端通過第一旋轉軸17安裝在旋轉座11一端的軸承上，第一電機座12的一端通過第二旋轉軸18安裝在旋轉座11另一端的軸承上；旋轉座11的兩端分別固定一個越障臂伺服電機27，從而驅動機座10和第一電機座12相對旋轉座11轉動；第一電機座12內設置一個旋轉伺服電機14，用來驅動第一電機座12另一端的吸盤架15旋轉，從而帶動第五吸盤13繞第一電機座12旋轉；第五吸盤13通過塑料軟管與固定在旋轉座11上的真空泵16連接，當第五吸盤13貼近壁面時，啟動真空泵16將吸盤內部氣壓降低，第五吸盤13在大氣壓作用下吸附在壁面上。

結合圖1，所述控制模塊包括電池4、底盤驅動板5、數傳模塊6、手臂驅動板19、云臺驅動板20；

所述電池4、底盤驅動板5和數傳模塊6固定于底板底座1上表面，手臂驅動板19和云臺驅動板20設置于旋轉座11內部；電池4為機器人上所有控制板、伺服電機和真空泵供電，數傳模塊6提供遠程遙控功能，底盤驅動板5控制第一微型真空泵3-1、第二微型真空泵3-2、第三微型真空泵3-3、第四微型真空泵3-4、第一驅動伺服電機8-1、第二驅動伺服電機8-2和真空泵16的工作，手臂驅動板19控制第一旋轉軸17的工作，云臺驅動板20控制第二旋轉軸18、旋轉伺服電機14的工作。

下面結合附圖及具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。

實施例1

結合圖1和圖2，本發(fā)明多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人包括以下四個模塊：固定于底座1上的第一吸盤2-1等及第一微型真空泵3-1等組成的負壓吸附模塊，車輪、驅動伺服電機及同步帶等組成的輪式運動模塊，機座10、旋轉座11、電機座、吸盤、真空泵16等組成的越障臂模塊，電池4、數傳模塊6、底盤驅動板5、手臂驅動板19、云臺驅動板20等組成的無線控制模塊。

負壓吸附模塊中，如圖4吸盤2-4通過21等4個螺絲固定于底板下部，吸盤中心留有通氣孔22貫穿底板。吸盤為橡膠材質軟吸盤，有一定的形變空間。如圖5中所示微型真空泵3-4等安置于底板上部，真空泵抽氣孔通過塑膠軟管穿過底板于吸盤通氣孔22等相連。當吸盤與壁面相貼時，真空泵啟動降低吸盤內氣壓，使底板吸附在壁面上。四個吸盤和微型真空泵均獨立工作，互為冗余。

輪式運動模塊中，如圖5所示車輪7-3等安置于底座兩側，車輪軸通過兩個一組的軸承座固定于底座上部。兩個軸承之間為1個小帶輪25。同側的兩個車輪的小帶輪通過同步帶連接在一起，讓同側車輪保持同步運轉。驅動車輪的驅動伺服電機通過電機座固定于底座上側，通過連軸套與車輪的軸相連接驅動車輪運轉。當負壓吸附模塊啟動時，底座接近壁面，四個車輪緊壓壁面，再由驅動電機帶動車輪轉動。兩側車輪可獨立控制，通過兩側車輪的同向反向運動來進行前進后退和轉向的動作。

越障臂模塊中，如圖6所示，機座10一端固定于底座上部正中，另一端為旋轉軸安裝在旋轉座的軸承上。電機座的旋轉軸則安裝在旋轉座另一端的軸承上。旋轉座兩端各固定一個越障臂伺服電機，驅動機座和電機座相對旋轉座轉動。電機座內固定有一個旋轉伺服電機，驅動電機座另一端的吸盤架15旋轉帶動第五吸盤13繞電機座旋轉。第五吸盤13通過塑料軟管與固定在旋轉座上的真空泵16連接。當第五吸盤13貼近壁面時，啟動真空泵16將吸盤內部氣壓降低，第五吸盤13在大氣壓作用下吸附在壁面上。

無線控制模塊中，電池4、底盤驅動板5和數傳模塊6固定于底座1上，手臂驅動板和云臺驅動板安置于旋轉座內部。電池4為機器人上所有控制板、伺服電機和真空泵供電。數傳模塊6提供遠程遙控功能，底盤驅動板控制底板上4個微型真空泵等的工作，2個車輪驅動伺服電機等的工作和真空泵的工作。手臂驅動板19負責第一旋轉軸17的控制，云臺驅動板20負責第二旋轉軸18和吸盤架15旋轉的控制。

機器人爬壁時越障臂的旋轉座11抬起將第五吸盤13抬高，微型真空泵等抽氣將吸盤等內部氣壓降低，吸盤吸附于壁面，帶動底座1壓向地面，車輪等緊貼壁面。驅動伺服電機帶動第一車輪7-1旋轉，同側第三車輪7-3在第一同步帶9-1作用下于第一車輪7-1同步旋轉。兩側車輪均前進時，帶動整個機器人在壁面上前進。當兩側車輪以差速或相反方向旋轉時，機器人即可在壁面上轉向。

當機器人在壁面上遇到障礙時，越障臂將旋轉座11落下，讓第五吸盤13落在障礙邊緣的壁面上。啟動真空泵16將第五吸盤13內部抽成負壓吸附于壁面上然后關閉底座1上的微型真空泵等，使機器人底座脫離壁面。越障臂通過第二旋轉軸18將旋轉座11相對第一電機座12抬起，待機器人底盤到達可以跨越障礙的高度后，第一電機座12內的旋轉伺服電機14轉動，帶動機器人繞著第一電機座12為軸旋轉。機器人底盤旋轉至障礙另一端時，停止旋轉伺服電機14工作，越障臂再繞第二旋轉軸18落下將機器人底盤放置于障礙另一側的壁面上。底盤貼近壁面以后開啟微型真空泵等，使機器人底盤吸附至墻面上。機器人底盤吸附到壁面上后關閉真空泵16，待第五吸盤13失去吸附以后越障臂將旋轉座11抬起讓吸盤高于障礙后，機器人即可駛離障礙繼續(xù)壁面前進。

綜上所述，本發(fā)明多腔吸附的輪腿結合式爬壁機器人有著吸附穩(wěn)定，運動速度快，可跨越障礙和控制簡單的優(yōu)點，擴展了爬壁機器人的應用領域。