CN111805539A - 一种基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台 - Google Patents

Abstract

本发明的一种基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，包括机体，机体的上盖上设置机械手和摄像头；机体的两侧对称设置2组轮腿；还包括轮腿驱动电机驱动轮毂进而带动轮腿转动，驱动作业平台在壁面上行走；轮腿包括至少3个支腿，每个支腿一端集中固定在轮毂上，轮毂固定在轮腿驱动电机的电机轴上，另一端设置真空吸盘，多个支腿排列成放射状，围绕电机轴为中心转动，转动过程中，真空吸盘会一个一个交替吸在壁面上；本发明通过在机体上设置轮腿，轮腿上带有真空吸盘，吸盘与壁面之间的摩擦力使作业平台附着在壁面上。上盖上安装有两个摄像头，形成双目视觉，视觉引导越障，根据障碍物形态，实时规划越障路径，适用性更广，而且灵活方便，稳定性好。

Description

一种基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台

技术领域

本发明涉及壁面作业机器人技术领域，具体涉及一种基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台。

背景技术

随着中国经济的高速发展，摩天大楼、大型烟囱、风力发电机塔筒、大型船只等其他高耸构筑物的壁面作业，需要大量的人力物力，而且作业风险巨大。

现有的壁面作业机器人，有磁吸附式，它的缺点是，限于行走铁磁性的壁面，另外要使机器人的行走机构产生磁性，需要消耗大量的电能。还有固定轨道式，它的局限性是施工成本高而且作业平台行驶路径固定，灵活性差；还有一种真空吸附履带行走式，它的局限性是作业平台必须紧靠壁面，在光滑平整的壁面作业尚可，由于其越障能力差，对非平整壁面或存在障碍物的壁面的应用受限。

发明内容

本发明提出的一种基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，可解决上述技术缺陷。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，包括机体，机体包括腔体和上盖，上盖上设置机械手和摄像头，腔体内设置控制模块，机械手和摄像头分别与控制模块通信连接；

所述机体的其中一组对立的侧面上分别设置轮腿，每个侧面上设置两个轮腿对称设置；

所述轮腿包括至少N个支腿，N为大于或等于3的自然数，每个支腿一端集中固定在轮毂上，轮毂固定在机体上，另一端设置真空吸盘，N个支腿排列成放射状，围绕传动轴为中心转动，转动过程中，真空吸盘会一个一个交替吸在壁面上；

还包括轮腿驱动电机，所述轮腿驱动电机安装在机体上，驱动轮毂进而带动轮腿转动，驱动作业平台在壁面上行走；

轮腿驱动电机与控制模块通信连接。

进一步的，机体内部设置负压风扇电机和负压风扇叶片；

负压风扇电机安装在上盖上，负压风扇叶片的轴孔与负压风扇电机轴小过盈配合，并用顶丝固定；

机体的底部即腹部设置入风口，上盖上设置出风口；

负压风扇电机驱动负压风扇叶片转动，将作业平台靠近腹部处的空气通过入风口吸入，由出风口吹出，这样，作业平台靠近腹部将形成了相对负压，就相当于上盖上作用了一定的空气压力，由于空气的反推作用，壁面增加了其行驶的稳定性。

进一步的，所述支腿包括第一气缸缸体，第一气缸缸体内设置第一气缸活塞杆，所述第一气缸缸体一端与轮毂密封连通，另一端与真空吸盘连通；

轮毂和第一气缸缸体内部的腔体构成的密封空间即气囊，轮毂上设置气囊单向阀；

还包括设置在支腿外部的第二气缸缸体，第二气缸缸体内部设置第二气缸活塞杆兼导管，第二气缸活塞杆兼导管与真空吸盘连通；

还包括真空泵和吸盘真空度控制阀，第二气缸缸体经吸盘真空度控制阀、管路与真空泵密封连通，真空泵设置在机体内；

将压缩气体由气囊单向阀压入到气囊中，压力气体推动第一气缸活塞杆向外运动；

轮腿在行走过程中，真空吸盘与壁面接触的过程中，真空吸盘的受力不断变化，真空吸盘的受力传递给第一气缸活塞杆，进而传递给压缩气体，对支腿的长度做适应性调整。

进一步的，所述吸盘真空度控制阀包括从上往下依次设置的定铁、回位弹簧、阀芯、阀座的开关阀组件，还包括电磁线圈；所述阀芯即为动铁；

第二气缸缸体固定在轮毂上，将开关阀组件和电磁线圈压接到轮毂上；

电磁线圈通电，线圈周围产生磁场，阀芯与定铁相互吸引，阀芯向上运动，开关阀阀口打开，真空吸盘内的真空度提高，真空吸盘内的吸附力增加；

线圈断电时，磁场消失，阀芯在回位弹簧的推动下，开关阀阀口关闭，由于真空吸盘与壁面之间总是有一定的间隙，真空吸盘内的真空度下降，吸附力减小，有利吸盘与壁面分离，减小轮腿驱动电机的负载。

进一步的，所述气囊单向阀包括第二阀座，第二阀座固定在轮毂上；

第二阀座上设置进气口，对着进气口依次设置推动钢球压缩第二回位弹簧；第二回位弹簧的底端也固定在轮毂上；进气口与轮毂的内部气囊连通；

压缩气体由进气口进入时，推动钢球压缩第二回位弹簧向内运动，充气结束后，第二回位弹簧推动钢球紧贴在第二阀座。

进一步的，轮毂与机体之间安装有第一密封圈；

第一气缸缸体与第一气缸活塞杆之间安装有第二密封圈；

第二气缸缸体与第二气缸活塞杆兼导管之间安装有第三密封圈；

轮毂与第一气缸缸体之间安装有第四密封圈；

轮毂与吸盘真空度控制阀之间安装有第五密封圈。

进一步的，真空吸盘通过销轴固定在第一气缸活塞杆上。

进一步的，轮腿驱动电机由内六角螺钉固定在机体上，轮毂由内六角螺钉固定在轮腿驱动电机轴上，同时将轮毂推向机体。

进一步的，所述气囊为空气弹簧。

由上述技术方案可知，本发明的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，通过在机体上设置轮腿，轮腿为左右对称设置各两个，轮腿上带有真空吸盘，吸盘由真空泵提供相对真空，吸盘背面承受空气压力，吸盘与壁面之间的摩擦力使作业平台附着在壁面上。上盖上安装有两个摄像头，形成双目视觉，视觉引导越障，根据障碍物形态，实时规划越障路径，适用性更广，而且灵活方便，稳定性好。

具体的说，本发明具有以下有益效果：

1.机构上，采用空气弹簧式柔性支腿，减小了对壁面的冲击和自身的振动，增强了行走的稳定性；

2.采用真空吸附和负压吸附相结合的吸附方式，增强了作业平台的抗倾覆性能；

3.采用机器视觉引导越障，根据障碍物形态，实时规划越障路径。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的纵向剖视图；

图3是本发明的爬壁图；

图4是本发明的横向剖视图；

图5是本发明的吸盘真空度控制阀结构示意图；

图6是本发明的气囊单向阀结构示意图；

图7是本发明的履带行驶爬壁图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1到图7所示，本实施例所述的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，包括机体8，机体8包括腔体和上盖2，上盖2上设置机械手1和摄像头3，腔体内设置控制模块，机械手1和摄像头3分别与控制模块通信连接；

所述机体8的其中一组对立的侧面上分别设置轮腿4，每个侧面上设置两个轮腿4对称设置；

还包括轮腿驱动电机9，所述轮腿驱动电机9安装在机体8上，驱动轮毂401进而带动轮腿4转动，驱动作业平台在壁面上行走；

所述轮腿4包括至少N个支腿，N为大于或等于3的自然数，本实施例为3个，每个支腿一端集中固定在轮毂401上，轮毂401固定在机体8上，另一端设置真空吸盘407，N个支腿排列成放射状，围绕电机传动轴为中心转动，转动过程中，真空吸盘407会一个一个交替吸在壁面上；

轮腿驱动电机9与控制模块通信连接。

上述可以理解为通过在轮腿4上设置真空吸盘，吸盘由真空泵提供相对真空，吸盘背面承受空气压力，吸盘与壁面之间的摩擦力使作业平台附着在壁面上。上盖上安装有两个摄像头，形成双目视觉，视觉引导越障，根据障碍物形态，实时规划越障路径。

以下具体说明：

轮腿驱动电机9通过内六角螺母安装在机体8上，9驱动轮腿转动，作业平台在壁面上行走。为了增加行走的稳定性，减小倾覆的可能性，在上盖上安装了负压风扇电机5，内六角螺母固定连接，负压风扇叶片12轴孔与负压风扇电机5轴小过盈配合，并用顶丝固定。5驱动12转动，将作业平台靠近腹部(也就是其腹部与壁面之间的空间)处的空气通过入风口11吸入，由出风口21吹出，这样，作业平台靠近腹部将形成了相对负压，就相当于2上作用了一定的空气压力，由于空气的反推作用，壁面增加了其行驶的稳定性。

另外，如果作业平台只在有没有障碍物的壁面作业时，可将轮腿卸除，仅依靠履带13行驶，可减轻装备的重量，运动轻便，作业效率提高。

所述支腿包括第一气缸缸体403，第一气缸缸体403内设置第一气缸活塞杆405，所述第一气缸缸体403一端与轮毂401密封连通，另一端与真空吸盘407连通；

轮毂401和第一气缸缸体403内部的腔体构成的密封空间即气囊，轮毂401上设置气囊单向阀402；

还包括设置在支腿外部的第二气缸缸体409，第二气缸缸体409内部设置第二气缸活塞杆兼导管411，第二气缸活塞杆兼导管411与真空吸盘407连通；

还包括真空泵16和吸盘真空度控制阀408，第二气缸缸体409经吸盘真空度控制阀408、管路15与真空泵16密封连通，真空泵16设置在机体8内；

将压缩气体由气囊单向阀402压入到气囊中，压力气体推动第一气缸活塞杆405向外运动；

轮毂401与机体8之间安装有第一密封圈17；

即轮毂401内部空间与第一气缸缸体403和有第二密封圈404三者之前形成一个密封空间即气囊，在本实施例中气囊即是压缩弹簧，轮毂401与第一气缸缸体403之间安装有第四密封圈412，由内六角螺钉固定；第一气缸缸体403与第一气缸活塞杆405之间安装有第二密封圈404；将压缩气体由402压入到气囊中，压力气体推动第一气缸活塞杆405向外运动，真空吸盘407通过销轴406与405连接。轮腿在行走过程中，真空吸盘407与壁面接触的过程中，吸盘的受力不断变化，吸盘的受力通过销轴传递给第一气缸活塞杆405,第一气缸活塞杆405传递给压缩气体，由于气体的可压缩性，可对支腿的长度做适应性调整，同时压缩气体能够吸收由于受力不均带来的振动和噪声，可以增加作业平台行驶的稳定性。

吸盘真空度控制阀408、第二气缸缸体409、第二气缸活塞杆兼导管411、轮毂401、堵头14、管路15之间形成气路，真空泵16通过气路使真空吸盘407处形成相对真空。第二气缸缸体409与第二气缸活塞杆兼导管411之间安装有第三密封圈410，第三密封圈401与吸盘真空度控制阀408之间安装有第五密封圈4082。

其中，堵头14属于工艺孔，即是对应孔是一个内部孔，因为只能从外部开钻孔，这样就把不需要钻孔的位置也钻穿了，需要堵上，就用堵头堵上了。

所述吸盘真空度控制阀408包括从上往下依次设置的定铁4081、回位弹簧4083、阀芯4084、阀座4085，还包括电磁线圈4086；所述阀芯4084即为动铁；

定铁4081、回位弹簧4083、阀芯(兼动铁)4084与阀座4085组成开关阀组件，第二气缸缸体409通过与轮毂401之间的螺纹连接，将开关阀组件和电磁线圈4086压接到轮毂401上。电磁线圈通电，线圈周围产生磁场，阀芯(兼动铁)4084与定铁4081相互吸引，阀芯(兼动铁)4084向上运动，开关阀阀口打开，吸盘内的真空度提高，吸盘的吸附力增加。线圈断电时，磁场消失，阀芯在回位弹簧的推动下，开关阀阀口关闭，由于吸盘与壁面之间难免有一定的间隙，吸盘内的真空度下降，吸附力减小，有利吸盘与壁面分离，减小轮腿驱动电机9的负载。

轮腿驱动电机9由内六角螺钉固定在机体8上，轮毂401由内六角螺钉固定在轮腿驱动电机9轴上，同时将轮毂401推向机体8，轮毂401与机体8之间安装有第一密封圈17。

所述气囊单向阀402包括第二阀座4021，第二阀座4021固定在轮毂401上；

第二阀座4021上设置进气口，对着进气口依次设置推动钢球4022压缩第二回位弹簧4023；第二回位弹簧4023的底端也固定在轮毂401上；进气口与轮毂401的内部气囊连通；压缩气体由A口进入时，推动钢球4022压缩第二回位弹簧4023向右运动，充气结束后，第二回位弹簧4023推动钢球4022紧贴在第二阀座4021。

综上所述，本发明的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台可以从平底开始启动，运动到墙壁时，自动上爬，吸盘接触墙壁时，真空泵开始工作，吸盘内产生真空，吸盘吸附在墙壁上，这样，作业平台就可以继续上爬，吸盘交替工作，平台达到指定位置后，机械手可以开始工作，替代人工进行高空作业。

本发明的主要特点如下：

(1)可竖直壁面行走；

(2)类似启动滑环的设计，轮毂在转动过程中，同样能进行密封；轮毂和机体之间没有直接进行连接，轮毂是通过电机轴的连接，间接与机体连接(电机与机体通过内六角螺钉固定的)，通常电机轴与电机壳体之间有微小的间隙的，为了保证真空管路的密封性，在机体与轮毂之间设置了密封圈17，机体与轮毂之间密封为动密封，因此可以保证轮毂在转动的同时，真空管路是密封，从而可以确保吸盘的真空度是可控的。

(3)连接吸盘的管路结构可伸缩；

(4)单个吸盘的真空度可控，即设置了吸盘真空度控制阀，可节省能源。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，包括机体(8)，机体(8)包括腔体和上盖(2)，其特征在于：

上盖(2)上设置机械手(1)和摄像头(3)，腔体内设置控制模块，机械手(1)和摄像头(3)分别与控制模块通信连接；

所述机体(8)的其中一组对立的侧面上分别设置轮腿(4)，每个侧面上设置两个轮腿(4)对称设置；

还包括轮腿驱动电机(9)，所述轮腿驱动电机(9)安装在机体(8)上，驱动轮毂(401)进而带动轮腿(4)转动，驱动作业平台在壁面上行走；

所述轮腿(4)包括至少N个支腿，N为大于或等于3的自然数，每个支腿一端集中固定在轮毂(401)上，轮毂(401)固定在轮腿驱动电机(9)的传动轴上，另一端设置真空吸盘(407)，N个支腿排列成放射状，围绕传动轴为中心转动，转动过程中，真空吸盘(407)会一个一个交替吸在壁面上；

轮腿驱动电机(9)与控制模块通信连接。

2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，其特征在于：

机体(8)内部设置负压风扇电机(5)和负压风扇叶片(12)；

负压风扇电机(5)安装在上盖(2)上，负压风扇叶片(12)的轴孔与负压风扇电机(5)轴小过盈配合，并用顶丝固定；

机体(8)的底部即腹部设置入风口(11)，上盖(2)上设置出风口(21)；

负压风扇电机(5)驱动负压风扇叶片(12)转动，将作业平台靠近腹部处的空气通过入风口(11)吸入，由出风口(21)吹出，这样，作业平台靠近腹部将形成了相对负压，就相当于上盖(2)上作用了一定的空气压力，由于空气的反推作用，壁面增加了其行驶的稳定性。

3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，其特征在于：

所述支腿包括第一气缸缸体(403)，第一气缸缸体(403)内设置第一气缸活塞杆(405)，所述第一气缸缸体(403)一端与轮毂(401)密封连通，另一端与真空吸盘(407)连通；

轮毂(401)和第一气缸缸体(403)内部的腔体构成的密封空间即气囊，轮毂(401)上设置气囊单向阀(402)；

还包括设置在支腿外部的第二气缸缸体(409)，第二气缸缸体(409)内部设置第二气缸活塞杆兼导管(411)，第二气缸活塞杆兼导管(411)与真空吸盘(407)连通；

还包括真空泵(16)和吸盘真空度控制阀(408)，第二气缸缸体(409)经吸盘真空度控制阀(408)、管路(15)与真空泵(16)密封连通，真空泵(16)设置在机体(8)内；

将压缩气体由气囊单向阀(402)压入到气囊中，压力气体推动第一气缸活塞杆(405)向外运动；

轮腿在行走过程中，真空吸盘(407)与壁面接触的过程中，真空吸盘(407)的受力不断变化，真空吸盘(407)的受力传递给第一气缸活塞杆(405)，进而传递给压缩气体，对支腿的长度做适应性调整。

4.根据权利要求3所述的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，其特征在于：

所述吸盘真空度控制阀(408)包括从上往下依次设置的定铁(4081)、回位弹簧(4083)、阀芯(4084)、阀座(4085)的开关阀组件，还包括电磁线圈(4086)；所述阀芯(4084)即为动铁；

第二气缸缸体(409)固定在轮毂(401)上，将开关阀组件和电磁线圈(4086)压接到轮毂(401)上；

电磁线圈通电，线圈周围产生磁场，阀芯(4084)与定铁(4081)相互吸引，阀芯(4084)向上运动，开关阀阀口打开，真空吸盘(407)内的真空度提高，真空吸盘(407)内的吸附力增加；

线圈断电时，磁场消失，阀芯(4084)在回位弹簧的推动下，开关阀阀口关闭，由于真空吸盘(407)与壁面之间总是有一定的间隙，真空吸盘(407)内的真空度下降，吸附力减小，有利吸盘与壁面分离，减小轮腿驱动电机(9)的负载。

5.根据权利要求3所述的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，其特征在于：

所述气囊单向阀(402)包括第二阀座(4021)，第二阀座(4021)固定在轮毂(401)上；

第二阀座(4021)上设置进气口，对着进气口依次设置推动钢球(4022)压缩第二回位弹簧(4023)；第二回位弹簧(4023)的底端也固定在轮毂(401)上；进气口与轮毂(401)的内部气囊连通；

压缩气体由进气口进入时，推动钢球(4022)压缩第二回位弹簧(4023)向内运动，充气结束后，第二回位弹簧(4023)推动钢球(4022)紧贴在第二阀座(4021)。

6.根据权利要求3所述的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，其特征在于：

轮毂(401)与机体(8)之间安装有第一密封圈(17)；

第一气缸缸体(403)与第一气缸活塞杆(405)之间安装有第二密封圈(404)；

第二气缸缸体(409)与第二气缸活塞杆兼导管(411)之间安装有第三密封圈(410)；

轮毂(401)与第一气缸缸体(403)之间安装有第四密封圈(412)；

轮毂(401)与吸盘真空度控制阀(408)之间安装有第五密封圈(4082)。

7.根据权利要求3所述的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，其特征在于：

真空吸盘(407)通过销轴(406)固定在第一气缸活塞杆(405)上。

8.根据权利要求1所述的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，其特征在于：

轮腿驱动电机(9)由内六角螺钉固定在机体(8)上，轮毂(401)由内六角螺钉固定在轮腿驱动电机(9)轴上，同时将轮毂(401)推向机体(8)。

9.根据权利要求1所述的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，其特征在于：

还包括履带(13)，用于替换轮腿(4)。

10.根据权利要求3所述的基于机器视觉的柔性支腿壁面作业平台，其特征在于：所述气囊为空气弹簧。

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