CN105947002B - 一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，包括机架，机架上还设置有主动轮和涨紧轮，主动轮和涨紧轮的外圈上安装有环形履带，环形履带的***周圈等间隔分布有若干个真空吸盘，各真空吸盘与环形履带相连的一侧设置有主柄，主柄的一端与真空吸盘相连、另一端设置有主柄拉力施加机构。本发明解决了多吸盘爬壁机器人在爬行过程中的机构复杂、吸盘真空后启封困难、低速、非连续性等问题，它可在任意角度的光滑平面上进行攀爬。

Description

一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置

技术领域

本发明涉及一种履带驱动仿生装置，尤其涉及一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置。

背景技术

移动式机器人已经被广泛应用于高空作业中，例如清理高层建筑的外墙、修建高层建筑物、给大型轮船喷漆、监控核能工厂的储藏柜等，因为此类工作一般都很重要但又极度的危险，因此，移动式机器人中比较特殊的研究领域——爬墙机器人已经在全世界各个地方进行广泛的研究并且有了很好地发展。当前大部分的爬墙机器人可以归纳为两类：牵引式和粘附式。粘附式爬墙机器人具有一个粘附式机构，通过吸力、磁力、范德华力及微刺互锁作用粘附在墙壁上。磁力粘附机构仅在工作墙面由铁磁性表面组成时才会使用。

微刺结构机器人可以很好地粘附在粗糙墙面上，但是却不适用于玻璃、天花板之类的光滑表面。利用范德华力的机器人则是模仿了壁虎的干燥粘合能力，这种粘附机构比较奇特，它不需要能量，但是粘附力的大小受粘附表面的粗糙度影响较大，因此需要更多的研究来确认这种机构的适用性。吸盘式机构则广泛应用于工业机器人中，相比于其它机构，吸盘式机构具有更好的适应性和耐用性。根据移动机构的不同，机器人可以分为三种：步行式、滑行式和履带轮式。步行式爬墙机器人的优点是它能够适应凹凸不平的墙面，但是由于其执行器和步法控制器数目多，步行式爬墙机器人重量大且控制***相对复杂。这就导致了机器人运动速度低且不连续。同时，滑行式机构的实现比步行式相对简单，但是同样的由于运动不连续，运动速度较低而不被广泛应用。

CN96205687.1公开了一种“高层建筑墙面自动清洗装置”，该装置采用了多吸盘的吸附装置，各吸盘之间不是独立的，其中一个吸盘泄露时，就会影响整个吸盘的真空度，真空度降低导致清洗装置不能停留在壁面上。

CN01274743.2公开了一种“单吸盘和履带式多吸盘相结合的爬壁机器人”，虽然其提到了独立的单吸盘，但是需要利用吸水风机持续工作来维持整体的真空度，所以没有在真正意义上实现独立吸盘应起的作用。

由此可见，现有技术有待于进一步的改进和提高。

发明内容

本发明为避免现有技术存在的不足之处，提供了一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，该装置在保留吸盘功能的基础上利用纯机械结构实现真空吸盘的抽真空与启封，结构简单，环境适应能力强。

本发明所采用的技术方案为：

一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，包括机架，机架上还设置有主动轮和涨紧轮，主动轮和涨紧轮的外圈上安装有环形履带，环形履带的***周圈等间隔分布有若干个真空吸盘，各真空吸盘与环形履带相连的一侧设置有主柄，主柄的一端与真空吸盘相连、另一端设置有主柄拉力施加机构。

所述机架上设置有环形导轨，环形导轨从主动轮和涨紧轮上绕过，环形履带位于环形导轨的外侧，主柄拉力施加机构位于主柄与环形导轨之间，主柄拉力施加机构包括滑轮轴，主柄穿过环形履带后与滑轮轴相连，滑轮轴上安装有与上述环形导轨相适配的滑轮，环形履带旋转，带动滑轮沿环形导轨滑动。

所述环形导轨包括首尾相连成环的第一直导轨、第一半弯导轨、第一倾斜导轨、第二直导轨、第二倾斜导轨及第二半弯导轨，第一直导轨和第二直导轨相互平行，第一倾斜导轨从其头部到其尾部与环形履带间的距离逐渐加大，第二倾斜导轨从其头部到其尾部与环形履带间的距离逐渐减小，第一直导轨与环形履带间的距离、第一半弯导轨与环形履带间的距离以及第二半弯轨道与环形履带间的距离均相等，第二直导轨与环形履带间的距离大于第一直导轨与环形履带间的距离。

所述主柄拉力施加机构位于环形履带与待攀附表面接触的一侧的内侧，主柄拉力施加机构包括设置在机架上的多个第一永磁铁，以及设置在各真空吸盘的主柄上的第二永磁体。

各所述真空吸盘均通过启封柄与环形履带相连，启封柄的一端与真空吸盘外边缘相连、另一端与环形履带的外表面相连。

各所述真空吸盘分别通过两个启封柄与环形履带相连。

各所述主柄、启封柄及环形履带均由柔性橡胶制成。

所述真空吸盘、环形履带、主柄及启封柄为一体成型结构。

所述主动轮由电机驱动。

由于采用了上述技术方案，本发明所取得的有益效果为：

1、本发明结构简单，不涉及复杂的管路问题，整个装置仅依靠电机驱动，在真空吸盘边缘处设计了启封柄使真空吸盘在负压状态下开启顺利，且无需使用电控设备进行辅助控制，在保留了吸盘功能的基础上，利用纯机械结构实现了真空吸盘的抽真空与启封，尤其适用于小型的独立机器人***，环境适应能力大大提高。

2、本发明解决了多吸盘爬壁机器人在爬行过程中的机构复杂、吸盘真空后启封困难、低俗、非连续性等问题，它可在任意角度的光滑平面上进行攀爬。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中环形履带与环形导轨的相对位置关系示意图。

其中，

1、环形履带 2、机架 3、环形导轨 31、第一直导轨 32、第一半弯导轨 33、第一倾斜导轨 34、第二直导轨 35、第二倾斜导轨 36、第二半弯导轨 4、主动轮 5、涨紧轮 6、启封柄 7、主柄 8、真空吸盘

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施例。

实施例一：

如图1和图2所示，一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，包括机架2，机架2上设置有环形导轨3，机架2上还设置有主动轮4和涨紧轮5，主动轮4由电机驱动，所述环形导轨3从主动轮4和涨紧轮5上绕过，主动轮4和涨紧轮5的外圈上安装有环形履带1，环形履带1位于环形导轨3的外侧，环形履带1的***周圈等间隔分布有若干个真空吸盘8，各真空吸盘8与环形履带1相连的一侧设置有主柄7，主柄7的一端与真空吸盘8相连，另一端与环形导轨3之间设置有主柄拉力施加机构，所述主柄拉力施加机构包括滑轮轴，主柄7穿过环形履带1后与滑轮轴相连，滑轮轴上安装有与上述环形导轨3相适配的滑轮，环形履带1旋转，带动滑轮沿环形导轨3滑动。

所述环形导轨3包括首尾相连成环的第一直导轨31、第一半弯导轨32、第一倾斜导轨33、第二直导轨34、第二倾斜导轨35及第二半弯导轨36，第一直导轨31和第二直导轨34相互平行，第一倾斜导轨33从其头部到其尾部与环形履带1间的距离逐渐加大，第二倾斜导轨35从其头部到其尾部与环形履带1间的距离逐渐减小，第一直导轨31与环形履带1间的距离、第一半弯导轨32与环形履带1间的距离以及第二半弯轨道36与环形履带1间的距离均相等，第二直导轨34与环形履带1间的距离在各导轨距环形履带1间的距离之中最大。

各所述真空吸盘8均通过两个启封柄6与环形履带1相连，各启封柄6的一端与真空吸盘8的外边缘相连、另一端与环形履带1的外表面相连；各所述真空吸盘8、主柄7、启封柄6及环形履带1均由柔性橡胶PVC制成，且所述真空吸盘8、环形履带1、主柄7及启封柄6为一体成型结构，相互之间无相对运动，由于三者均由具有弹性的PVC支撑，可以进行弹性伸缩变形。

本发明将真空吸盘8与环形履带1制作成一体结构，通过滑轮与环形履带1之间的间隙变化来带动滑轮与环形履带1之间距离的变化，进而在真空吸盘8中产生负压，沿着真空吸盘8外边缘处设置的启封柄6，仿生树蛙、壁虎等生物的爬行动作与肌肉、骨骼结构的相互作用，使得负压状态下的真空吸盘8能够与被吸附平面顺利脱离。

具体地说，当本发明中的仿生装置工作时，首先将装置按压在光滑平面上，此时与平面相接触的部分真空吸盘8借助外力产生负压，开启电机，电机产生的扭矩接入主动轮4的轮轴，通过与轮轴刚性连接的轮毂带动环形履带1一同运转，此时，与环形履带1一体成型的真空吸盘8随环形履带1一同运转，真空吸盘8的主柄7带动滑轮轴，进而带动滑轮在轨道中滑动，未与光滑表面接触的真空吸盘8由于受到主柄7与启封柄6的共同作用，使其即将与光滑表面相接触的盘体外表面近似于平面，随着环形履带1一起运动，此平面与待攀附的光滑表面重合，随着环形履带1继续运动，环形导轨3与环形履带1之间的间距不断变大，此时真空吸盘8的主柄产生拉力，此拉力传递到真空吸盘8的盘体进而产生负压使整个装置能够吸附在光滑表面上。仿生装置接触光滑平面的末端由于主动轮4、涨紧轮5的轮毂的圆周结构的影响，使环形履带1向上弯曲，进而在同一个真空吸盘8的两个启封柄6上产生大小与方向均不相同的拉力，且靠近装置末端的启封柄6的拉力较大，由于启封柄6连接至真空吸盘8的盘体外延，所以较为小的拉力即可将真空吸盘8启封，完成了真空吸盘8的脱附，与此同时，环形导轨3与环形履带1间的间距也平滑减小，从而减小了真空吸盘8的主柄7的拉力，进而减小了负压强度，辅助完成脱附。

本发明的原理是主要依托环形导轨3与环形履带1间的间隙变化来实现对主柄7拉力的施加，但是带来了一个问题，主柄7受到拉力后，相应的在到环形导轨3中的摩擦力会增大，使滑轮在环形导轨3中运行不畅，因此为了避免摩擦的发生，可以将滑轮轴、滑轮及环形导轨3取消，采用下述实施例：

实施例二：

实施例二与实施例一的结构和原理基本相同，唯一不同的地方在于：在原环形导轨3与环形履带1之间的间隙变大之处，也就是环形履带1与待攀附表面接触的一侧的内侧，设置多个第一永磁体使之形成近似匀强磁场，在主柄7上设置第二永磁体，这样巧妙地避免了接触与摩擦，同样给主柄7施加了拉力，使真空吸盘8产生负压。

本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明的精神所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (12)

1.一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，包括机架，机架上还设置有主动轮和涨紧轮，主动轮和涨紧轮的外圈上安装有环形履带，环形履带的***周圈等间隔分布有若干个真空吸盘，各真空吸盘与环形履带相连的一侧设置有主柄，各所述主柄及环形履带均由柔性橡胶制成，主柄的一端与真空吸盘相连、另一端设置有主柄拉力施加机构；所述真空吸盘、环形履带及主柄为一体成型结构；所述机架上设置有环形导轨，环形导轨从主动轮和涨紧轮上绕过，环形履带位于环形导轨的外侧，主柄拉力施加机构位于主柄与环形导轨之间，主柄拉力施加机构包括滑轮轴，主柄穿过环形履带后与滑轮轴相连，滑轮轴上安装有与上述环形导轨相适配的滑轮，环形履带旋转，带动滑轮沿环形导轨滑动；所述环形导轨包括首尾相连成环的第一直导轨、第一半弯导轨、第一倾斜导轨、第二直导轨、第二倾斜导轨及第二半弯导轨，第一直导轨和第二直导轨相互平行，第一倾斜导轨从其头部到其尾部与环形履带间的距离逐渐加大，第二倾斜导轨从其头部到其尾部与环形履带间的距离逐渐减小，第一直导轨与环形履带间的距离、第一半弯导轨与环形履带间的距离以及第二半弯轨道与环形履带间的距离均相等，第二直导轨与环形履带间的距离大于第一直导轨与环形履带间的距离。

2.根据权利要求1所述的一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，各所述真空吸盘均通过启封柄与环形履带相连，启封柄的一端与真空吸盘外边缘相连、另一端与环形履带的外表面相连。

3.根据权利要求2所述的一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，各所述真空吸盘分别通过两个启封柄与环形履带相连。

4.根据权利要求2所述的一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，各所述启封柄均由柔性橡胶制成。

5.根据权利要求2所述的一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，所述真空吸盘、环形履带、主柄及启封柄为一体成型结构。

6.根据权利要求1所述的一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，所述主动轮由电机驱动。

7.一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，包括机架，机架上还设置有主动轮和涨紧轮，主动轮和涨紧轮的外圈上安装有环形履带，环形履带的***周圈等间隔分布有若干个真空吸盘，各真空吸盘与环形履带相连的一侧设置有主柄，各所述主柄及环形履带均由柔性橡胶制成，主柄的一端与真空吸盘相连、另一端设置有主柄拉力施加机构；所述真空吸盘、环形履带及主柄为一体成型结构；所述机架上设置有环形导轨，环形导轨从主动轮和涨紧轮上绕过，环形履带位于环形导轨的外侧，主柄拉力施加机构位于主柄与环形导轨之间，所述环形导轨包括首尾相连成环的第一直导轨、第一半弯导轨、第一倾斜导轨、第二直导轨、第二倾斜导轨及第二半弯导轨，第一直导轨和第二直导轨相互平行，第一倾斜导轨从其头部到其尾部与环形履带间的距离逐渐加大，第二倾斜导轨从其头部到其尾部与环形履带间的距离逐渐减小，第一直导轨与环形履带间的距离、第一半弯导轨与环形履带间的距离以及第二半弯轨道与环形履带间的距离均相等，第二直导轨与环形履带间的距离大于第一直导轨与环形履带间的距离；所述主柄拉力施加机构位于环形履带与待攀附表面接触的一侧的内侧，主柄拉力施加机构包括设置在第一倾斜导轨上的多个第一永磁体，以及设置在各真空吸盘的主柄上的第二永磁体。

8.根据权利要求7所述的一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，各所述真空吸盘均通过启封柄与环形履带相连，启封柄的一端与真空吸盘外边缘相连、另一端与环形履带的外表面相连。

9.根据权利要求8所述的一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，各所述真空吸盘分别通过两个启封柄与环形履带相连。

10.根据权利要求8所述的一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，各所述启封柄均由柔性橡胶制成。

11.根据权利要求8所述的一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，所述真空吸盘、环形履带、主柄及启封柄为一体成型结构。

12.根据权利要求7所述的一种用于攀附光滑表面的吸盘履带驱动仿生装置，其特征在于，所述主动轮由电机驱动。