專利名稱：子母式附壁機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種適應復雜立面作業(yè)的機器人裝置，尤其涉及一種子母式附壁作業(yè)機器人。
現(xiàn)有的高空立面作業(yè)機器人，如國內(nèi)某大學設計的“單吸盤附壁機器人”，國內(nèi)另一大學機器人研究所設計的“安全保險裝置”，專利申請?zhí)朇N00205833.2；另有相關產(chǎn)品“擦拭機器人”，專利申請?zhí)朇N00201085，均是自主行走的附壁機器人.其在較復雜的立面作業(yè)時，存在的主要缺點有二一是靜不穩(wěn)定，二是敏捷、靈活性較差。自主行走的附壁機器人在立面作業(yè)時存在缺陷或不足的原因如下1.機器人要部分或全部承擔自身重量，機器人本身在立面是自主行走，自重須由自身的吸附力產(chǎn)生足夠的摩擦力來承擔。為避免對機器人產(chǎn)生“過定位”，該類機器人的保險索一般應處于隨動松弛狀態(tài)，機器人在本體失去吸附力如斷電、真空吸盤失效等情況下，由立面摩擦力承擔的自重須轉由松弛的保險索承擔，這一過程導致系統(tǒng)出現(xiàn)靜不穩(wěn)定；2.機器人上、下行走時，由于重力作用完全相反，所以，運動特性嚴重不對稱，對吸附力要求高，敏捷性較差；3.為克服障礙并利于掛保險索，機體重心要遠離立面，因此會對立面產(chǎn)生很大的彎矩，機器人行走時不靈活；4.機器人很難越過大的障礙，比如障礙起伏度大于吸附腳能抬起的高度。如果機器人本體處于凹陷或凸起較大的地方，因其一旦失穩(wěn)，自重部分馬上會波及到安全系統(tǒng)，出現(xiàn)失穩(wěn)將產(chǎn)生大幅振蕩，且難以恢復到吸附態(tài)。
專利申請?zhí)枮镃N99107420.3和CN99211741.0的大樓清洗機，及專利申請?zhí)枮镃N99252601.9的外墻自動清洗機，其雖能保證靜穩(wěn)定性，但整個系統(tǒng)過于龐大，當機體與作業(yè)面產(chǎn)生相對運動時，運動學關系復雜，控制難以做到敏捷、精確。復雜的立面作業(yè)要求機體在垂直于立面的水平方向能有大幅度的尺寸延長，而處于該種延長狀態(tài)時，上述系統(tǒng)運行時的精確性和動態(tài)穩(wěn)定性更難確保。
還有在靠近立面或在立面上形成一個大穩(wěn)定平臺的，從平臺上伸出長臂，其類似于人站在吊艙中手持長柄工具作業(yè)。此類系統(tǒng)亦較龐大，平臺需要牢固地生根于立面，當平臺距離立面較遠時，平臺搖晃會對生根點產(chǎn)生很大的影響。而要將基于平臺對長臂的驅動變?yōu)榍岸讼鄬τ诹⒚娴奈灰苹蛄Γ蚱溟g的減速器、長臂、大轉動慣量、間隙、剛度等機械因素過多，類似在一個杠桿的支點處施力來對其端點加以控制，前端的位移或力的精度和運動靈活性很差。
從安全角度考慮，現(xiàn)有自主行走的附壁機器人均無法完全脫離保險索。附壁機器人前端相對于作業(yè)面的敏捷靈活運動是其完成高質量作業(yè)的基本要求，對于復雜作業(yè)面，則更要求其具備自主行走能力。如果機器人能不受自重影響，敏捷靈活地到達某一區(qū)域，且能可靠地附著，就可將立面作業(yè)機器人的特殊技術問題轉變?yōu)榈孛嫫胀ㄗ鳂I(yè)機器人的問題。
本實用新型的目的在于避免上述現(xiàn)有技術中的不足之處，而提供一種靜穩(wěn)定、敏捷、靈活的用于復雜立面作業(yè)的子母式附壁機器人。
本實用新型的目的可通過以下措施來達到一種子母式附壁機器人，包括牽引攀爬機構8及操作器11，其特殊之處在于它還包括母平臺、平衡臂2及附壁機器人子機6；所述的母平臺包括臺體10，其還包括支撐平衡臂2的支座7及含控制器及信號收發(fā)器的母平臺主控制器9；所述的平衡臂2包括主臂3，該主臂3的一端通過支座5與附壁機器人子機6相聯(lián)接；所述的附壁機器人子機6包括固定于子機機體27上的子機控制器23、作業(yè)裝置25及吸附生根行走裝置26，所述的子機機體27通過聯(lián)接支座24與支座5相聯(lián)接；所述的吸附生根行走裝置26為附壁機器人。
上述支座5、7以采用主從二自由度支座為佳，該主從二自由度支座可包括主支座14，所述的主支座14上固定有主支座減速離合器13和副轉盤支座15，主支座驅動電機12通過主支座減速離合器13與副轉盤支座15相連接；所述的副轉盤支座15上固定有副支座減速離合器17和副支座輸出軸16，所述的副支座驅動電機18通過副支座減速離合器17與副支座輸出軸16相連接。
上述支座5以通過主從伸縮節(jié)4與主臂3固定連接為佳；所述的主從伸縮節(jié)4包括子節(jié)19及與之滑動配合的母節(jié)22，伸縮驅動電機21通過伸縮減速離合器20固定于母節(jié)22上，伸縮驅動電機21通過伸縮減速離合器20與子節(jié)19相連接。
上述主臂3的另一端可設置配重1。
上述配重1為重量或力臂以采用可調(diào)式配重為佳。
上述附壁機器人子機6可為單子機、雙子機或多子機。
上述牽引攀爬機構8可為一維或二維的隨動機構，所述的附壁機器人子機6可為一維或二維運動的附壁機器人子機。
上述母平臺主控制器9還可包括攝像機，所述的臺體10可以是含供電、供氣、供回水系統(tǒng)的臺體。
上述作業(yè)裝置25可為檢測裝置、清洗裝置或噴涂裝置等；所述的主支座驅動電機12、副支座驅動電機18和伸縮驅動電機21可為步進電機或伺服驅動裝置等。
上述吸附生根行走裝置26可為輪式驅動單吸盤機器人、履帶驅動單吸盤機器人、履帶驅動多吸盤機器人、多吸盤步進式行走機器人或磁性吸附機器人等。
本實用新型與現(xiàn)有技術相比具有如下優(yōu)點1.本實用新型用牽引或攀爬索始終承擔全系統(tǒng)自重，各個子機運行時由于其自重基本被平衡掉，加之可鎖定的支座、前端支座和伸縮節(jié)，在復雜立面作業(yè)時始終可保持全系統(tǒng)是靜穩(wěn)定的；2.子機運行時由于其自重基本被平衡掉，所以上、下方向的特性基本一致，不會對立面產(chǎn)生很大的彎距，運動的精度和敏捷性提高，降低了對吸附生根裝置的要求；3.由于平衡臂上的既可主動又可從動的支座、前端支座和伸縮節(jié)，可以消除自重影響，非常靈活地將子機調(diào)整到不同的姿態(tài)，可以多子機協(xié)調(diào)生根，適應于復雜的凹、凸立面、柱面、球面、斜面等作業(yè)面；4.本實用新型前端敏捷、精確，子機自主運動的難度低，可主動越障，也可通過平衡臂調(diào)整越障；5.當母平臺固定時，通過平衡臂的變化可使子機覆蓋較大的作業(yè)區(qū)域，作業(yè)過程中整個系統(tǒng)無需時時移動。
附圖圖面說明如下


圖1為本實用新型的結構示意圖；圖2為本實用新型的主從二自由度支座的結構示意圖；圖3為本實用新型主從伸縮節(jié)的結構示意圖；圖4為本實用新型的子機結構示意圖；圖5為本實用新型雙子機或多子機作業(yè)的示意圖；圖6為本實用新型越障作業(yè)的示意圖。
附圖標號說明1-配重，2-平衡臂，3-主臂，4-主從伸縮節(jié)，5-主從支座，6-附壁機器人子機，7-主從支座，8-牽引攀爬機構，9-母平臺主控制器，10-臺體，11-操作器，12-主支座驅動電機，13-主支座減速離合器，14-主支座，15-副轉盤支座，16-副支座輸出軸，17-副支座減速離合器，18-副支座驅動電機，19-子節(jié)，20-伸縮減速離合器，21-伸縮驅動電機，22-母節(jié)，23-子機控制器，24-聯(lián)接支座，25-作業(yè)裝置，26-吸附生根行走裝置，27-子機機體。
下面將結合附圖及實施例對本實用新型作進一步詳述參見
圖1，本實用新型主要由母平臺；牽引攀爬機構8；平衡臂2；二維運動附壁機器人子機和操作器11五大部分構成。
牽引攀爬機構8可采用一維或二維的隨動機構，如建筑物頂部移動單元或專利號為CN01246938的一種攀爬定位裝置，或其他高空作業(yè)吊籃的運動機構。母平臺的臺體10包含供電、供氣、供回水系統(tǒng)等；母平臺還包括主從二自由度支座7及含控制器、攝像機、無線電收發(fā)器的母平臺主控制器9等。牽引攀爬機構8使母平臺可隨動，使其在平行于作業(yè)立面的二維平面運行，其承載的水、電、氣源可確保系統(tǒng)運行；主從二自由度支座7用以支撐平衡臂2的運動；母平臺主控制器9用于控制母平臺的運動和協(xié)調(diào)附壁機器人子機6的運動，母平臺主控制器9的信號收發(fā)器接收操作器11的信號、傳送運行狀態(tài)，母平臺主控制器9的攝像機監(jiān)測系統(tǒng)的運行。平衡臂2由配重1、前端主從二自由度支座5、主臂3、主從伸縮節(jié)4等部分構成。配重1以采用可改變重量或力臂的可調(diào)配重為佳。配重1用以平衡附壁機器人子機6的重量；平衡臂2的前端主從二自由度支座5用以聯(lián)接附壁機器人子機6和調(diào)整其姿態(tài)；主從伸縮節(jié)4用以調(diào)整平衡臂2，使其適應母平臺與立面之間的間距；平衡臂2安裝在主從二自由度支座7上，可保證其前端的軌跡在球面空間運動。
見圖2，主從二自由度支座7和主從二自由度支座5的功能由主支座驅動電機12、主支座減速離合器13、主支座14、副轉盤支座15、副支座輸出軸16、副支座減速離合器17、副支座驅動電機18等裝置實現(xiàn)。當某一自由度處于主動時，其輸出是由主支座驅動電機12或副支座驅動電機18通過主支座減速離合器13或副支座減速離合器17帶動；處于從動時，離合器分離，輸出由與其相聯(lián)的平衡臂2前端的附壁機器人子機6帶動。
見圖3，主從伸縮節(jié)4的功能由子節(jié)19、伸縮減速離合器20、伸縮驅動電機21、母節(jié)22等裝置實現(xiàn)。處于主動時，其子節(jié)19的伸縮是由伸縮驅動電機21通過伸縮減速離合器20帶動；處于從動時，伸縮減速離合器20分離，子節(jié)19的伸縮是由平衡臂2前端的附壁機器人子機6帶動。主從二自由度支座7、主從二自由度支座5和主從伸縮節(jié)4的驅動電機既可以用步進電機，也可以用其它伺服驅動裝置。
見圖4，附壁機器人子機6由子機控制器23、聯(lián)接支座24、作業(yè)裝置25、吸附生根行走裝置26、子機機體27等部分構成。附壁機器人子機6通過聯(lián)接支座24與平衡臂2的前端主從二自由度支座5相聯(lián)；吸附生根行走裝置26的吸附生根裝置只產(chǎn)生用于作業(yè)的附壁力而非支撐重力，其行走裝置驅動附壁機器人子機6在立面上運動；作業(yè)裝置25可以完成檢測、清洗、噴涂等任務；子機控制器23完成子機的控制并與母平臺主控制器9聯(lián)絡。附壁機器人子機6也可采用現(xiàn)有的輪式驅動單吸盤機器人、履帶驅動單吸盤機器人、履帶驅動多吸盤機器人、多吸盤步進式行走機器人、磁性吸附機器人等附壁機器人。
參見圖5，系統(tǒng)運行開始后，由母平臺大致運行到作業(yè)區(qū)，然后調(diào)整母平臺上的主從二自由度支座7、平衡臂2上的主從二自由度支座5和主從伸縮節(jié)4，以主動運動方式將各個附壁機器人子機6以利于吸附生根的姿態(tài)一個一個地送到立面上，當子機的吸附生根行走裝置26的吸附生根裝置有效工作后，母平臺的主從二自由度支座7、平衡臂2的前端主從二自由度支座5和主從伸縮節(jié)4都變?yōu)閺膭訝顟B(tài)，附壁機器人子機6變?yōu)橹鲃舆\行，主從狀態(tài)的轉換由各個離合器完成。系統(tǒng)的母平臺和各個附壁機器人子機6均可分別地自主運動，當附壁機器人子機6末附壁時，母平臺屬于主動運動，當附壁機器人子機6附壁運動后，母平臺的運動指令將根據(jù)多個子機的運動位置來確定，其原則是即要將子機處于動態(tài)的平衡中又要不影響子機運動。子機與母平臺之間即可是“剛性聯(lián)接”形式，又可是“柔性聯(lián)接”形式。當主從二自由度支座7、主從二自由度支座5和主從伸縮節(jié)4為主動態(tài)并鎖定時是剛性聯(lián)接，與專利申請?zhí)枮?9252601.9的外墻自動清洗機方案等同，其前端相對立面的運動將是遲鈍的和不精確的；當主從二自由度支座7、主從二自由度支座5和主從伸縮節(jié)4為從動態(tài)時是“柔性聯(lián)結”，子機的精度和敏捷性高。所以系統(tǒng)在作業(yè)時子機與母平臺應呈現(xiàn)“柔性聯(lián)結”，為了防止系統(tǒng)在平行于立面的平面出現(xiàn)不穩(wěn)定，可采用雙子機或多子機。調(diào)整平衡臂2可使系統(tǒng)產(chǎn)生指向立面的重分力，在重分力和子機冗余吸附的情況下保持系統(tǒng)靜穩(wěn)定性。主從二自由度支座7、二自由度支座5和主從伸縮節(jié)4多個環(huán)節(jié)的主從運動方式與附壁機器人子機6的運動相結合，可構成越障或脫離障礙區(qū)運動的余度保證。比如當附壁機器人子機6不運動或失效時，其運動軌跡可由主從二自由度支座7、主從二自由度支座5和主從伸縮節(jié)4的復合運動來完成；同樣，主從二自由度支座7的某一自由度不運動或失效時，其運動可由附壁機器人子機6、主從二自由度支座5和主從伸縮節(jié)4的復合運動來完成。如果用母平臺對某一前端附壁機器人子機6進行驅動，力控制和生根難以解決，可以鎖定其他平衡臂2。如果對雙自由度的支座7或支座5有選擇地鎖定一個自由度或僅采用單自由度的支座7或支座5，使平衡臂2相對于母平臺、子機相對于平衡臂2都只有一個轉動自由度，就可以有效地提高子機的運行軌跡精度。當各子機運動時，母平臺的控制器對這些子機運動信號進行綜合處理、判斷子機的移動方向、速度，從各子機間的相互干涉，作業(yè)面重疊，防系統(tǒng)顛覆、防系統(tǒng)結構振蕩等方面考慮，以做出對子機的限定動作或自身隨動。
圖6示出系統(tǒng)越障作業(yè)的情況。當某一子機要越障時，母平臺可先鎖定其余子機和平衡臂2，以利于越障子機的平衡臂2進行調(diào)整；此系統(tǒng)的子機在無動力時的自由態(tài)是接近平衡的，頭部有微小的正對于立面的壓力作用，子機動作時，只要較小的吸附力，移動時的力精確作用于立面而不是母平臺，自重對子機的運動產(chǎn)生的影響不大，適應于平整面較小的復雜壁面。
權利要求1.一種子母式附壁機器人，包括牽引攀爬機構(8)及操作器(11)，其特征在于它還包括母平臺、平衡臂(2)及附壁機器人子機(6)；所述的母平臺包括臺體(10)，其還包括支撐平衡臂(2)的支座(7)及含控制器及信號收發(fā)器的母平臺主控制器(9)；所述的平衡臂(2)包括主臂(3)，該主臂(3)的一端通過支座(5)與附壁機器人子機(6)相聯(lián)接；所述的附壁機器人子機(6)包括固定于子機機體(27)上的子機控制器(23)、作業(yè)裝置(25)及吸附生根行走裝置(26)，所述的子機機體(27)通過聯(lián)接支座(24)與支座(5)相聯(lián)接；所述的吸附生根行走裝置(26)為附壁機器人。
2.如權利要求1所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的支座(5)、(7)均為主從二自由度支座，該主從二自由度支座包括主支座(14)，所述的主支座(14)上固定有主支座減速離合器(13)和副轉盤支座(15)，主支座驅動電機(12)通過主支座減速離合器(13)與副轉盤支座(15)相連接；所述的副轉盤支座(15)上固定有副支座減速離合器(17)和副支座輸出軸(16)，所述的副支座驅動電機(18)通過副支座減速離合器(17)與副支座輸出軸(16)相連接。
3.如權利要求1或2所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的支座(5)通過主從伸縮節(jié)(4)與主臂(3)固定連接；所述的主從伸縮節(jié)(4)包括子節(jié)(19)及與之滑動配合的母節(jié)(22)，伸縮驅動電機(21)通過伸縮減速離合器(20)固定于母節(jié)(22)上，伸縮驅動電機(21)通過伸縮減速離合器(20)與子節(jié)(19)相連接。
4.如權利要求3所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述主臂(3)的另一端設置有配重(1)。
5.如權利要求4所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的配重(1)為重量或力臂可調(diào)的可調(diào)式配重。
6.如權利要求4所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的附壁機器人子機(6)為雙子機或多子機。
7.如權利要求6所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的牽引攀爬機構(8)為一維或二維的隨動機構，所述的附壁機器人子機(6)為一維或二維運動的附壁機器人子機。
8.如權利要求7所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的母平臺主控制器(9)包括攝像機，所述的臺體(10)是含供電、供氣、供回水系統(tǒng)的臺體。
9.如權利要求8所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的作業(yè)裝置(25)為檢測裝置、清洗裝置或噴涂裝置；所述的主支座驅動電機(12)、副支座驅動電機(18)和伸縮驅動電機(21)為步進電機或伺服驅動裝置。
10.如權利要求9所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的吸附生根行走裝置(26)為輪式驅動單吸盤機器人、履帶驅動單吸盤機器人、履帶驅動多吸盤機器人、多吸盤步進式行走機器人或磁性吸附機器人。
專利摘要一種子母式附壁機器人，包括牽引攀爬機構、操作器、支撐平衡臂的支座及含控制器及信號收發(fā)器的母平臺主控制器，其母平臺包括臺體，平衡臂包括主臂，主臂的一端通過支座與附壁機器人子機相聯(lián)接，附壁機器人子機包括固定于子機機體上的子機控制器、作業(yè)裝置及吸附生根行走裝置，子機機體通過支座與支座相聯(lián)接，吸附生根行走裝置為附壁機器人。本實用新型敏捷、靈活，在復雜立面作業(yè)時可始終保持全系統(tǒng)靜穩(wěn)定。
文檔編號B25J11/00GK2598711SQ03218440
公開日2004年1月14日 申請日期2003年1月21日 優(yōu)先權日2003年1月21日
發(fā)明者程俊, 俊 程 申請人:西安恒生科技股份有限公司