履帶式智能游壁平臺(tái)的制作方法
【專利摘要】履帶式智能游壁平臺(tái)是機(jī)電器件和技術(shù)有機(jī)融合的創(chuàng)新成果，體現(xiàn)了機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。平臺(tái)主要包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、履帶行駛系統(tǒng)、履帶調(diào)整系統(tǒng)、真空吸附系統(tǒng)，并融合了機(jī)械設(shè)計(jì)、電子電路、傳感探測(cè)、程序控制、反饋調(diào)節(jié)、圖像處理、無(wú)線傳輸?shù)榷鄬W(xué)科的知識(shí)與技術(shù)。平臺(tái)可在水泥墻面、瓷磚外墻、玻璃幕墻、金屬壁面等粗糙或光滑的垂直表面上穩(wěn)定吸附、平穩(wěn)前行、自由轉(zhuǎn)向，還具有自主避障、循跡追蹤、實(shí)時(shí)監(jiān)控、圖像反饋等功能。平臺(tái)兼具吸附力大、負(fù)載性好、行進(jìn)平穩(wěn)、控制方便等特點(diǎn)，在其上搭載打擊、防御、抓舉等功能裝置后，可推廣應(yīng)用于軍事偵察、消防探測(cè)、油罐檢測(cè)、道路除冰、工業(yè)生產(chǎn)及南極科考等工作。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于特種機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種負(fù)壓吸附式履帶行走壁面機(jī)器 人。 履帶式智能游壁平臺(tái)

【背景技術(shù)】
[0002] 爬壁機(jī)器人作為一種能在垂直壁面上進(jìn)行移動(dòng)作業(yè)的機(jī)動(dòng)平臺(tái)，可搭載多種工 具，執(zhí)行多種任務(wù)，可應(yīng)用于石化、能源、船舶、建筑等多個(gè)行業(yè)，能降低人工作業(yè)的難度、風(fēng) 險(xiǎn)和操作成本，提高工作效率，具有重要的研究意義和實(shí)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外已先后開(kāi)展了爬壁 機(jī)器人的相關(guān)研究，并且國(guó)外已有將其推廣應(yīng)用的先例。1966年日本大阪府立大學(xué)工學(xué)部 的西亮教授成功研制出第一個(gè)垂直壁面移動(dòng)機(jī)器人樣機(jī)，1975年他又采用單吸盤(pán)結(jié)構(gòu)制作 出以實(shí)用化為目標(biāo)的第二代爬壁機(jī)器人樣機(jī)；1997年俄羅斯莫斯科機(jī)械力學(xué)研究所研制 出的用于大型壁面和窗戶清洗作業(yè)的爬壁機(jī)器人也采用單吸盤(pán)結(jié)構(gòu)，機(jī)器人可在壁面全方 位移動(dòng)。美國(guó)西雅圖的Henry R Seemann在波音公司的資助下研制出一種真空吸附履帶式 爬壁機(jī)器人"AutoCrawler"；日本光榮公司研制了一種多吸盤(pán)爬壁機(jī)器人，機(jī)器人本體上自 帶兩個(gè)真空泵、電池、控制系統(tǒng)和無(wú)線通訊系統(tǒng)，用于高大建筑物墻壁的檢測(cè)工作。
[0003] 以往的爬壁機(jī)器人設(shè)計(jì)都試圖利用自身的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)去適應(yīng)復(fù)雜多變的壁面環(huán)境， 移動(dòng)載體機(jī)構(gòu)往往比較復(fù)雜，從而導(dǎo)致機(jī)器人質(zhì)量的增加、控制系統(tǒng)的復(fù)雜化和工作效率 的降低。而質(zhì)量增加意味著危險(xiǎn)性的增大和安全保護(hù)裝置成本的增加。因此，如何解決移 動(dòng)載體復(fù)雜度和壁面工作能力的矛盾一直是阻礙爬壁機(jī)器人實(shí)用化的關(guān)鍵問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 履帶式智能游壁平臺(tái)為一種履帶式行走、負(fù)壓吸附式的壁面機(jī)器人。此游壁平臺(tái) 同時(shí)具有吸附力強(qiáng)、行進(jìn)平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，靠吸氣機(jī)的吸附能力以及履帶的行進(jìn)能力可以快速 的作業(yè)。其在真空腔體周圍的柔性剛毛結(jié)構(gòu)能克服粗糙壁面所造成的漏氣情況，此平臺(tái)可 適用于玻璃、瓷磚、水泥等平整或粗糙的壁面，不受材質(zhì)影響。此平臺(tái)裝有紅外線傳感器及 圖像傳輸系統(tǒng)，具有自動(dòng)識(shí)別功能，可完成自主避障、循跡追蹤、實(shí)時(shí)反饋、遠(yuǎn)程控制等功 能。同時(shí)，平臺(tái)裝有安卓系統(tǒng)，接受無(wú)線信號(hào)的控制，操作簡(jiǎn)單，普適性強(qiáng)。與以往的壁面機(jī) 器人相比，此自主游壁平臺(tái)具有更好的工作平穩(wěn)性和安全性，能在低功耗的情況下，完成預(yù) 期的工作量。
[0005] 為使履帶式智能游壁平臺(tái)能完成預(yù)定的各項(xiàng)功能，平臺(tái)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、齒 輪傳動(dòng)系統(tǒng)、履帶行駛系統(tǒng)、履帶調(diào)整系統(tǒng)、真空吸附系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，并融合了機(jī)械 設(shè)計(jì)、電子電路、傳感探測(cè)、程序控制、反饋調(diào)節(jié)、圖像處理、無(wú)線傳輸?shù)榷嗉夹g(shù)和多學(xué)科。
[0006] 平臺(tái)的吸附機(jī)構(gòu)采用的是離心式壓縮機(jī)。機(jī)械結(jié)構(gòu)包括動(dòng)葉輪、定葉輪、機(jī)殼、機(jī) 軸、電機(jī)、電機(jī)座、支架等零部件。壓縮機(jī)的工作原理是：氣體在動(dòng)葉輪葉片的作用下，隨動(dòng) 葉輪作高速旋轉(zhuǎn)，氣體受旋轉(zhuǎn)離心力的作用，以及在葉輪里的擴(kuò)壓流動(dòng)，從而獲得了能量， 使它通過(guò)葉輪后的壓力得到提高。在壓差的影響下，葉輪中的氣體排到大氣中，葉輪的中心 部分形成真空區(qū)域，真空腔內(nèi)的氣體進(jìn)入葉輪中，并經(jīng)由葉輪排到大氣中，從而完成負(fù)壓吸 附的功能。動(dòng)葉輪是離心壓縮機(jī)的核心部分，動(dòng)葉輪的形狀和大小決定了工作狀態(tài)下吸氣 的速度、排氣口的氣壓和真空腔內(nèi)的真空度。為使吸附機(jī)構(gòu)提供足夠大的吸附力，通過(guò)查閱 資料和比較各種葉輪的性能特點(diǎn)，我們最后決定采用是P-7型閉式葉輪。此閉式葉輪的效 率較高，制造難度較易，在離心機(jī)中應(yīng)用最多。該葉輪的葉片為平板曲線后向葉片。平板曲 線后向葉片具有良好的空氣動(dòng)力學(xué)特性，能夠很好地滿足為流經(jīng)的氣體增壓的要求。效率 高、強(qiáng)度好、剛度大，制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單。
[0007] 游壁平臺(tái)采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，二級(jí)錐-圓柱齒輪傳動(dòng)，同步帶行走裝置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)為 步進(jìn)式電機(jī)，能夠精確控制轉(zhuǎn)速。雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)可滿足游壁平臺(tái)差速轉(zhuǎn)向的功能，并可任意調(diào) 節(jié)轉(zhuǎn)向半徑，增大游壁平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的可調(diào)性，從而更好滿足循跡追蹤和定位追蹤的功能要求。 二級(jí)錐-圓柱齒輪傳動(dòng)裝置的采用便于游壁平臺(tái)的空間布置，滿足結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，提高游 壁平臺(tái)的穩(wěn)定性。為了保證運(yùn)動(dòng)的同步性及高的摩擦系數(shù)，我們選用了雙面齒同步帶，型號(hào) 為DB300H150,并綜合考慮質(zhì)量輕、柔性大、摩擦系數(shù)高等要求，選取材質(zhì)為橡膠，隨后以同 步帶尺寸為基礎(chǔ)對(duì)游壁平臺(tái)的底盤(pán)及總體布置設(shè)計(jì)相關(guān)尺寸本發(fā)明的內(nèi)容在于設(shè)計(jì)和實(shí) 現(xiàn)履帶式智能游壁平臺(tái)。
[0008] 為使游壁平臺(tái)更好地與現(xiàn)代化科技接軌，便于其推廣應(yīng)用，我們將采用基于 arduino開(kāi)源平臺(tái)的單片機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)。平臺(tái)內(nèi)可選硬件種類豐富，可根據(jù)需要選擇基 于AVR、ARM Cortex-M3的處理內(nèi)核。由此，游壁平臺(tái)的功能適應(yīng)性和外載系統(tǒng)的負(fù)載性得到 增強(qiáng)，更能適用于多領(lǐng)域、多功能的工作要求。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，游壁平臺(tái)將采用無(wú)線信 號(hào)傳輸。我們?yōu)橛伪谄脚_(tái)安裝了藍(lán)牙無(wú)線控制系統(tǒng)，使用藍(lán)牙模塊和擴(kuò)展板，連接arduino， 可實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙傳輸。
[0009] 履帶式智能游壁平臺(tái)融合了負(fù)壓式吸附方式和履帶式行走方式的優(yōu)點(diǎn)，在行進(jìn)速 度和工作效率方面具有顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)，使平臺(tái)在核工業(yè)、消防、軍事、生產(chǎn)、船舶等領(lǐng)域中 的應(yīng)用具有以往的爬壁機(jī)器人不具有的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于平臺(tái)的推廣應(yīng)用有很積極的作用。
[0010] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0011] (1)選取雙面同步帶可增大摩擦系數(shù)，防止打滑的情況出現(xiàn)，并提高履帶耐磨性， 延長(zhǎng)履帶壽命，解決了爬壁機(jī)器人維護(hù)困難，需要及時(shí)更換履帶的問(wèn)題；
[0012] (2)將流體力學(xué)運(yùn)用到爬壁機(jī)器人中，吸附力強(qiáng)，同時(shí)避免了吸盤(pán)式負(fù)壓對(duì)壁面 光滑程度的苛刻要求加之抽氣機(jī)外罩的柔性剛毛結(jié)構(gòu)可隨壁面縫隙變形，從而填充壁面縫 隙，使平臺(tái)在粗糙壁面仍能正常工作；
[0013] (3)吸氣機(jī)的多層柔性外罩?jǐn)U大了真空空間，并提高了密封性，為平臺(tái)吸附壁面提 供了足夠大的吸附力；
[0014] (4)將負(fù)壓式吸附與履帶式行進(jìn)相結(jié)合，使平臺(tái)同時(shí)具有吸附力強(qiáng)、行進(jìn)平穩(wěn)的特 占.
[0015] (5)紅外感應(yīng)系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)障，結(jié)合無(wú)線遙控模塊，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)工作和人機(jī)合一兩種 模式，機(jī)電一體化控制使環(huán)節(jié)緊密銜接、及時(shí)有效，增強(qiáng)了平臺(tái)的可控性；

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016] 附圖1為履帶式智能游壁平臺(tái)整體示意圖；
[0017] 附圖2為履帶式智能游壁平臺(tái)俯視圖；
[0018] 附圖3為履帶式智能游壁平臺(tái)左視圖；
[0019] 附圖4為履帶式智能游壁平臺(tái)主視圖；
[0020] 附圖5為履帶式智能游壁平臺(tái)爆炸示圖；
[0021] 附圖6為履帶式智能游壁平臺(tái)吸附系統(tǒng)爆炸示圖；
[0022] 附圖7為履帶式智能游壁平臺(tái)吸附系統(tǒng)爆炸示圖主視圖；
[0023] 附圖8為履帶式智能游壁平臺(tái)吸附系統(tǒng)示意圖。
[0024] 附圖中：I-被動(dòng)圓柱齒輪，2_主動(dòng)圓柱齒輪，3_被動(dòng)圓維齒輪，4_主動(dòng)圓維齒輪， 5 -步進(jìn)電機(jī)，6-軸承座，7-張緊輪，8-支架，9-固定螺釘，10-擋片，11-同步輪，12-壓帶 板，13-彈簧，14- z?臺(tái)攝像頭，15-同步帶，16-軸承端蓋，17-驅(qū)動(dòng)軸，18-傳動(dòng)軸，19-固定 板，20-軸承透蓋，21-從動(dòng)軸，22-底架圈，23-卡盤(pán)，24-螺柱，25-卡簧，26-軸套，27-軸 承，28-底盤(pán)，29-定葉輪，30-吸氣電機(jī)，31-螺母，32-電機(jī)座，33-電機(jī)座支架，34-螺釘， 35-動(dòng)葉輪，36-外罩，37-鎖緊墊片，38-鎖緊螺釘，39-聯(lián)軸器，40-套架、41-步進(jìn)電機(jī)座。

【具體實(shí)施方式】
[0025] A.行走系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組裝：
[0026] 如附圖3和附圖5所示，行走系統(tǒng)由同步帶（15)、同步輪（11)、擋片（10)、固定螺 釘（9)、張緊輪（7)、壓帶板（12)、彈簧（13)、支架（8)等組成。同步帶與同步輪嚙合，并通過(guò) 張緊輪和壓帶板來(lái)調(diào)節(jié)同步帶，使其處于最佳工作狀態(tài)。
[0027] B.吸附系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組裝：
[0028] 如附圖6、附圖7和附圖8所示。吸附系統(tǒng)主要由吸氣電機(jī)（30 )、套架（40 )、電機(jī)座 (32)、電機(jī)座支架（33)、聯(lián)軸器（39)、定葉輪（29)、動(dòng)葉輪（35)、外罩（36)、鎖緊螺母（38)、 鎖緊墊片（37)等組成。定葉輪與車體固連，電機(jī)由套架支撐在定葉輪上，并通過(guò)電機(jī)座、電 機(jī)座支架等安裝在車體上。動(dòng)葉輪通過(guò)鎖緊螺母、鎖緊墊片和聯(lián)軸器與電機(jī)相連，由電機(jī)帶 動(dòng)動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而完成吸氣過(guò)程。
[0029] C.機(jī)器人整體組裝：
[0030] 如附圖5所示，將安裝好的行走系統(tǒng)，通過(guò)固定螺釘（9)分別與驅(qū)動(dòng)軸（17)和從動(dòng) 軸（21)相連，壓帶板（12)通過(guò)支架（8)與車體（28)相連，張緊輪（7)通過(guò)固定板（19)與 車體相連。驅(qū)動(dòng)軸裝有被動(dòng)圓柱齒輪（1)，傳動(dòng)軸（18)裝有主動(dòng)圓柱齒輪（2)和被動(dòng)錐齒 輪（3)，主、被動(dòng)圓柱齒輪嚙合。驅(qū)動(dòng)軸、從動(dòng)軸、傳動(dòng)軸通過(guò)軸承座（6)與車體相連。步進(jìn) 電機(jī)（5)裝有主動(dòng)圓錐齒輪（4)，并通過(guò)步進(jìn)電機(jī)座（41)與車體相連。主、被動(dòng)圓錐齒輪嚙 合。底架圈（22)直接與車體相連，卡盤(pán)（23)通過(guò)螺柱（24)與車體和底架圈相連。安裝好 的吸附系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)座支架（33)與車體相連，并由卡盤(pán)支撐和固定。最后在車體上安裝超 聲探測(cè)與反饋裝置以及電路控制結(jié)構(gòu)。
【權(quán)利要求】
1. 一種履帶式行進(jìn)、負(fù)壓式吸附壁面機(jī)器人，具備：在壁面上穩(wěn)定吸附、平穩(wěn)前行、自 由轉(zhuǎn)向的功能，且平臺(tái)吸附系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其能適用于水泥墻面、瓷磚外墻、玻璃幕墻、金屬 壁面等粗糙或光滑的垂直表面，不受壁面材質(zhì)影響。本平臺(tái)可以并同時(shí)具有自主避障、循跡 追蹤、實(shí)時(shí)監(jiān)控、圖像反饋等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在其上搭載打擊、防御、 抓舉等功能裝置后，可推廣應(yīng)用于軍事偵察、消防探測(cè)、油罐檢測(cè)、道路除冰、工業(yè)生產(chǎn)及南 極科考等工作。
2. -種履帶式行進(jìn)、負(fù)壓式吸附壁面機(jī)器人，其特征在于：行走系統(tǒng)由同步帶（15)、同 步輪（11)、擋片（10)、固定螺釘（9)、張緊輪（7)、壓帶板（12)、彈簧（13)、支架（8)等組成， 張緊輪和壓帶板可使其處于最佳工作狀態(tài)。吸附系統(tǒng)主要由吸氣電機(jī)（30)、套架（40)、電 機(jī)座（32)、電機(jī)座支架（33)、聯(lián)軸器（39)、定葉輪（29)、動(dòng)葉輪（35)、外罩（36)、鎖緊螺母 (38)、鎖緊墊片（37)等組成，具有強(qiáng)大的吸力，且能適用于水泥等粗糙壁面。平臺(tái)由步進(jìn)電 機(jī)（5)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)錐-圓柱二級(jí)齒輪傳動(dòng)，驅(qū)動(dòng)同步輪（11)，使平臺(tái)在壁面上前進(jìn)。
【文檔編號(hào)】B62D55/065GK104108431SQ201310131665
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2013年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年4月16日
【發(fā)明者】韓寶玲, 羅慶生, 付苗苗, 趙欣, 翟永杰, 官同凡, 范少璞 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)