專利名稱：具有越障功能的雙吸盤負(fù)壓吸附單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有越障功能的雙吸盤負(fù)壓吸附單元，用于高樓壁面清洗機(jī)器人，屬于特種機(jī)器人領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
爬壁機(jī)器人是能夠吸附于垂直或傾斜壁面，并能執(zhí)行一定功能的一類特種機(jī)器人。吸附單元是爬壁機(jī)器人的一個非常重要的組成部分，它為機(jī)器人提供吸附力，使爬壁機(jī)器人能夠可靠的吸附在壁面上。吸附單元的優(yōu)劣直接影響到機(jī)器人的效率、性能和壁面適應(yīng)性等。因此，設(shè)計合理的吸附單元，是爬壁機(jī)器人設(shè)計中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
高樓壁面清洗機(jī)器人是爬壁機(jī)器人的一種，主要工作于高層樓宇的玻璃或瓷磚幕墻上，它對吸附單元又有一些不同的要求。由于工作壁面非導(dǎo)磁，所以不能用磁吸附，常采用負(fù)壓吸附方式。又由于玻璃和瓷磚壁面難免會有窗框，所以常常要求吸附單元要具有較高跨越窗框等障礙物的能力。
現(xiàn)有技術(shù)中，高樓壁面清洗機(jī)器人的吸附單元主要有兩大類，一類是單吸盤負(fù)壓吸附單元，另一類是多足多吸盤負(fù)壓吸附單元。北京藍(lán)星哈工大機(jī)器人技術(shù)有限公司研制的一種壁面清洗機(jī)器人的負(fù)壓吸附單元(專利號ZL01202018.4)采用單吸盤負(fù)壓吸附單元，吸盤為上面封閉的一蓋體，蓋體的吸盤周邊設(shè)置一圈氣囊，氣囊和蓋體中間有一空腔，風(fēng)機(jī)裝在蓋體上，驅(qū)動行走裝置設(shè)置在吸盤內(nèi)。此吸附單元結(jié)構(gòu)簡單造價低，能夠?qū)崿F(xiàn)壁面清洗機(jī)器人的快速移動，清洗效率較高，但無法跨越玻璃框等障礙，而且密封圈磨損嚴(yán)重。北京航空航天大學(xué)研制的一種擦拭機(jī)器人(專利號ZL00201085.2)采用多足多吸盤負(fù)壓吸附單元，主體為一十字骨架，頭部各有一組小吸盤。X向和Y向分別有一氣缸驅(qū)動，每組吸盤各由一氣缸驅(qū)動伸出和縮回，吸附單元本身沒有負(fù)壓發(fā)生裝置。這種吸附單元對窗框等障礙有一定適應(yīng)性，但移動速度慢效率低，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價高。
現(xiàn)有技術(shù)均沒有有效實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)器人的可靠吸附、快速移動和跨越障礙。使得城市高樓外壁面清洗作業(yè)目前仍多依賴于人工，自動化遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)。因此，如何研制一種吸附單元，既能可靠吸附又能快速跨越障礙，是問題的關(guān)鍵所在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計一種用于高樓壁面清洗機(jī)器人的具有越障功能的雙吸盤負(fù)壓吸附單元，使得機(jī)器人既能可靠吸附于壁面，又能容易實(shí)現(xiàn)快速跨越障礙。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明設(shè)計的雙吸盤負(fù)壓吸附單元包括負(fù)壓發(fā)生部分、雙吸盤部分、連通導(dǎo)向部分和測障越障部分。H形負(fù)壓發(fā)生室四角安裝通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，兩個單面開口的長方體吸盤上下對稱布置于負(fù)壓發(fā)生室的兩端，吸盤四周實(shí)現(xiàn)密封，每個吸盤上有四個隨動滾輪，吸盤內(nèi)的導(dǎo)向筒與H形負(fù)壓發(fā)生室四個角內(nèi)的筒套組成滑動副，吸盤與負(fù)壓發(fā)生室通過導(dǎo)向筒實(shí)現(xiàn)氣路連通，吸盤內(nèi)部各有兩個由氣缸驅(qū)動的閘片，以控制吸盤和負(fù)壓發(fā)生室的通斷，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以改變吸附單元負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)吸附單元在可靠吸附的情況下能夠沿幕墻下滑，垂直于壁面安裝在兩個吸盤兩側(cè)的測障傳感器用于檢測障礙，通過氣缸驅(qū)動吸盤伸出和縮回以實(shí)現(xiàn)跨越障礙。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)為一種用于高樓壁面清洗機(jī)器人的具有越障功能的雙吸盤負(fù)壓吸附單元包括負(fù)壓發(fā)生部分、雙吸盤部分、連通導(dǎo)向部分和測障越障部分。負(fù)壓發(fā)生室做成H形，四個角安裝通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，上面空位安裝兩臺風(fēng)機(jī)，下面空位放置清洗用的水箱。上下兩個吸盤對稱布置于負(fù)壓發(fā)生室的兩端，雙吸盤均為單面開口的長方體，吸盤開口面四周用橡膠材質(zhì)的密封圈實(shí)現(xiàn)密封。每個吸盤的兩側(cè)面各安裝兩個隨動滾輪。連通導(dǎo)向部分主要由通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和閘片機(jī)構(gòu)組成。通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的兩個下通氣導(dǎo)向筒和兩個上通氣導(dǎo)向筒分別對應(yīng)固定在下吸盤和上吸盤內(nèi)，四個通氣導(dǎo)向筒均與各自的筒套組成滑動副，四個筒套安裝在H形負(fù)壓發(fā)生室的四個角內(nèi)。上下吸盤與H形負(fù)壓發(fā)生室通過上下通氣導(dǎo)向筒實(shí)現(xiàn)氣路的連通。閘片機(jī)構(gòu)由下閘片、上閘片及下閘片導(dǎo)軌、上閘片導(dǎo)軌組成，分別對應(yīng)安裝在兩個吸盤內(nèi)，每個閘片分別由一個閘片驅(qū)動氣缸控制打開和關(guān)閉。測障越障部分由兩個下測障傳感器、兩個上測障傳感器及兩個下吸盤驅(qū)動氣缸、兩個上吸盤驅(qū)動氣缸組成。上、下測障傳感器垂直于壁面安裝在對應(yīng)的上下兩個吸盤的兩側(cè)。上、下吸盤驅(qū)動氣缸缸體安裝在H形負(fù)壓發(fā)生室兩側(cè)，氣缸活塞桿固定在兩個吸盤背部，以驅(qū)動兩個吸盤伸出和縮回。兩個吊環(huán)安裝在H形負(fù)壓發(fā)生室兩側(cè)，用于吊裝。兩個吸盤之間空位用于安裝清洗機(jī)構(gòu)。
工作時，風(fēng)機(jī)啟動使負(fù)壓發(fā)生室產(chǎn)生負(fù)壓，負(fù)壓發(fā)生室內(nèi)產(chǎn)生足夠負(fù)壓以后，上下吸盤驅(qū)動氣缸同時動作，使上下吸盤伸出。吸盤伸出后，橡膠材質(zhì)的密封圈接觸壁面。然后，上下閘片驅(qū)動氣缸同時動作，使兩吸盤內(nèi)的上下閘片打開，兩吸盤通過上下通氣導(dǎo)向筒與H形負(fù)壓發(fā)生室連通。吸盤產(chǎn)生吸附力，使機(jī)器人吸附于壁面上。在自身重力作用下，機(jī)器人沿壁面下滑。遇到橫框障礙后，下測障傳感器先檢測到障礙，下閘片驅(qū)動氣缸驅(qū)動下閘片關(guān)閉下通氣導(dǎo)向筒，下吸盤驅(qū)動氣缸驅(qū)動下吸盤縮回以避開障礙，經(jīng)過一段時間，下吸盤完全跨過障礙后。下吸盤驅(qū)動氣缸驅(qū)動下吸盤伸出，下閘片驅(qū)動氣缸驅(qū)動下閘片打開下通氣導(dǎo)向筒，使下吸盤與負(fù)壓發(fā)生室導(dǎo)通，吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，下吸盤產(chǎn)生吸附力，此時下吸盤完成越障動作。機(jī)器人繼續(xù)向下移動，上測障傳感器檢測到障礙后，上吸盤和上閘片執(zhí)行同樣操作，直至上吸盤也完成越障動作，整個越障過程完成。
本發(fā)明既具有單吸盤負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)吸附力大、吸附可靠的優(yōu)點(diǎn)，又有多吸盤負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)越障靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而且制造方便，成本低廉，控制可靠，有效克服了壁面清洗機(jī)器人可靠吸附與快速越障之間的矛盾，解決了壁面清洗機(jī)器人設(shè)計中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為城市高樓壁面清洗作業(yè)的自動化提供了有力支持。


圖1為本發(fā)明吸附單元的三維結(jié)構(gòu)示意圖(正面)。
圖2為本發(fā)明吸附單元的三維結(jié)構(gòu)示意圖(背面)。
在圖1、圖2中1下吸盤，2下密封圈，3下閘片驅(qū)動氣缸，4下閘片，5下閘片導(dǎo)軌，6下通氣導(dǎo)向筒，7下吸盤滾輪，8下測障傳感器，9上吸盤，10上密封圈，11上閘片驅(qū)動氣缸，12上閘片，13上閘片導(dǎo)軌，14上通氣導(dǎo)向筒，15上測障傳感器，16上吸盤滾輪，17吊環(huán)，18H形負(fù)壓發(fā)生室，19風(fēng)機(jī)，20上吸盤驅(qū)動氣缸，21下吸盤驅(qū)動氣缸。
圖3為本發(fā)明吸附單元的氣路原理圖。
在圖3中22氣源，23閘閥，24空氣過濾器，25減壓閥，26分離器，27消音器，28電磁閥一，29電磁閥二，30電磁閥三，31電磁閥四，32單向節(jié)流閥。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)及實(shí)施方式。
本發(fā)明設(shè)計的具有越障功能的雙吸盤負(fù)壓吸附單元結(jié)構(gòu)如附圖1和附圖2所示，主要包括負(fù)壓發(fā)生部分、雙吸盤部分、連通導(dǎo)向部分和測障越障部分。負(fù)壓發(fā)生部分由H形負(fù)壓發(fā)生室18和兩臺風(fēng)機(jī)19組成。負(fù)壓發(fā)生室18做成H形，四個角安裝通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，上面空位安裝兩臺風(fēng)機(jī)19，下面空位放置清洗用的水箱。上吸盤9及下吸盤1對稱布置于負(fù)壓發(fā)生室18的兩端，兩個吸盤均為尺寸800×200×100毫米單面開口的長方體，上、下吸盤開口面的四周分別用橡膠材質(zhì)的密封圈10、2實(shí)現(xiàn)密封。每個吸盤的兩個側(cè)面各安裝兩個隨動滾輪7、16。連通導(dǎo)向部分主要由通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和閘片機(jī)構(gòu)組成。通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的兩個下通氣導(dǎo)向筒6和兩個上通氣導(dǎo)向筒14分別對應(yīng)固定在下吸盤1和上吸盤9內(nèi)，四個通氣導(dǎo)向筒均與各自的筒套組成滑動副，四個筒套安裝在H形負(fù)壓發(fā)生室四個角內(nèi)。同時上下吸盤與H形負(fù)壓發(fā)生室18通過上下通氣導(dǎo)向筒實(shí)現(xiàn)氣路的連通。閘片機(jī)構(gòu)由下閘片4、上閘片12及下閘片導(dǎo)軌5、上閘片導(dǎo)軌13組成，分別對應(yīng)安裝在兩個吸盤內(nèi)，下閘片4、上閘片12分別由下閘片驅(qū)動氣缸3、上閘片驅(qū)動氣缸11控制打開或關(guān)閉。測障越障部分由兩個下測障傳感器8、兩個上測障傳感器15及兩個下吸盤驅(qū)動氣缸21、兩個上吸盤驅(qū)動氣缸20組成。上、下測障傳感器垂直于壁面安裝在對應(yīng)的上下兩個吸盤的兩側(cè)。上、下吸盤驅(qū)動氣缸缸體安裝在H形負(fù)壓發(fā)生室18兩側(cè)，氣缸活塞桿固定在兩個吸盤背部，以驅(qū)動兩個吸盤伸出和縮回。兩個吊環(huán)17安裝在H形負(fù)壓發(fā)生室兩側(cè)，用于吊裝。兩個吸盤之間空位用于安裝清洗機(jī)構(gòu)。
圖3為本發(fā)明吸附單元的氣路原理圖。各氣動元件均由φ6的氣管連接，閘閥23的進(jìn)氣口連氣源，出氣口連空氣過濾器24，空氣過濾器24連接油霧分離器26，油霧分離器26出氣口并行連接四個電磁閥28、29、30、31，每個電磁閥各經(jīng)兩個單向節(jié)流閥32與驅(qū)動氣缸連接。電磁閥一28經(jīng)單向節(jié)流閥與下吸盤驅(qū)動氣缸21連接，電磁閥二29經(jīng)單向節(jié)流閥與上吸盤驅(qū)動氣缸20連接，電磁閥三30經(jīng)單向節(jié)流閥與下閘片驅(qū)動氣缸3連接，電磁閥四31經(jīng)單向節(jié)流閥與上閘片驅(qū)動氣缸11連接。壓縮空氣從閘閥23出來，經(jīng)空氣過濾器24、減壓閥25和油霧分離器26進(jìn)行氣源處理以后，分別進(jìn)入四個電磁閥，然后經(jīng)各自單向節(jié)流閥流入相應(yīng)驅(qū)動氣缸。電磁閥一28控制下吸盤驅(qū)動氣缸21以實(shí)現(xiàn)下吸盤的伸出和縮回。電磁閥二29控制上吸盤驅(qū)動氣缸20以實(shí)現(xiàn)上吸盤的伸出和縮回。電磁閥三30控制下閘片驅(qū)動氣缸3以實(shí)現(xiàn)下閘片的開啟和關(guān)閉。電磁閥四31控制上閘片驅(qū)動氣缸11以實(shí)現(xiàn)上閘片的開啟和關(guān)閉。
本發(fā)明的測障傳感器可采用反射型圓柱光電傳感器，有效檢測距離為200毫米。
本發(fā)明吸附單元的工作過程如下整個機(jī)構(gòu)由卷揚(yáng)系統(tǒng)牽引，使吸附裝置平行于垂直壁面，初始狀態(tài)兩個吸盤處于縮回位置，閘片關(guān)閉通氣導(dǎo)向筒。開始工作時，風(fēng)機(jī)19啟動，負(fù)壓發(fā)生室內(nèi)開始產(chǎn)生負(fù)壓。經(jīng)過一段時間(約10s左右)，負(fù)壓發(fā)生室內(nèi)產(chǎn)生足夠負(fù)壓以后，下吸盤驅(qū)動氣缸21和上吸盤驅(qū)動氣缸20同時動作，使下吸盤1和上吸盤9伸出。氣缸行程為75mm，吸盤伸出后，橡膠材質(zhì)的密封邊接觸壁面。然后，下閘片驅(qū)動氣缸3和上閘片驅(qū)動氣缸11同時動作，使兩吸盤內(nèi)的下閘片4和上閘片12打開，兩吸盤通過下通氣導(dǎo)向筒6和上通氣導(dǎo)向筒14與H形負(fù)壓發(fā)生室18連通。由于負(fù)壓發(fā)生室容積比吸盤容積大得多，所以吸盤與負(fù)壓發(fā)生室連通后，瞬時系統(tǒng)負(fù)壓不會降低很多，吸盤立即產(chǎn)生吸附力，使機(jī)器人吸附于壁面上。
吸盤吸附于壁面以后，卷揚(yáng)系統(tǒng)開始以恒定速度下放機(jī)器人，在自身重力作用下，機(jī)器人靠安裝在吸盤上的八個隨動輪實(shí)現(xiàn)在壁面上的豎直向下的勻速運(yùn)動。遇到橫框障礙后，下測障傳感器8先檢測到障礙，主控制器執(zhí)行越障程序下閘片驅(qū)動氣缸3驅(qū)動下閘片4關(guān)閉下通氣導(dǎo)向筒6，下吸盤驅(qū)動氣缸21驅(qū)動下吸盤1縮回以避開障礙，經(jīng)過一段時間，下吸盤1完全跨過障礙后。下吸盤驅(qū)動氣缸21驅(qū)動下吸盤1伸出，下閘片驅(qū)動氣缸3驅(qū)動下閘片4打開下通氣導(dǎo)向筒6，使下吸盤1與負(fù)壓發(fā)生室18導(dǎo)通，吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，下吸盤1產(chǎn)生吸附力。機(jī)器人繼續(xù)向下移動，上測障傳感器15檢測到障礙，上閘片驅(qū)動氣缸11驅(qū)動上閘片12關(guān)閉上通氣導(dǎo)向筒14，上吸盤驅(qū)動氣缸20驅(qū)動上吸盤9縮回以避開障礙，經(jīng)過一段時間，上吸盤9完全跨過障礙后。上吸盤驅(qū)動氣缸20驅(qū)動上吸盤9伸出，上閘片驅(qū)動氣缸11驅(qū)動上閘片12打開上通氣導(dǎo)向筒14，使上吸盤9與負(fù)壓發(fā)生室18導(dǎo)通，吸盤內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓，上吸盤9產(chǎn)生吸附力。至此，整個越障過程完成。
經(jīng)理論分析與實(shí)際試驗(yàn)，本發(fā)明的吸附單元可以跨越高50毫米、寬50～70毫米的橫框障礙。
權(quán)利要求
1.一種具有越障功能的雙吸盤負(fù)壓吸附單元，包括負(fù)壓發(fā)生部分、雙吸盤部分、連通導(dǎo)向部分和測障越障部分，其特征在于負(fù)壓發(fā)生部分由H形負(fù)壓發(fā)生室(18)和兩臺風(fēng)機(jī)(19)組成，H形負(fù)壓發(fā)生室(18)的四個角安裝通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，上面空位安裝兩臺風(fēng)機(jī)(19)，下面空位放置清洗用的水箱；上吸盤(9)及下吸盤(1)對稱布置于負(fù)壓發(fā)生室(18)的兩端，雙吸盤均為單面開口的長方體，吸盤開口面四周分別用橡膠材質(zhì)的密封圈實(shí)現(xiàn)密封，每個吸盤的兩側(cè)面各安裝兩個隨動滾輪；連通導(dǎo)向部分由通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和閘片機(jī)構(gòu)組成，通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的兩個下通氣導(dǎo)向筒(6)和兩個上通氣導(dǎo)向筒(14)分別對應(yīng)固定在下吸盤(1)和上吸盤(9)內(nèi)，四個通氣導(dǎo)向筒均與各自的筒套組成滑動副，四個筒套安裝在H形負(fù)壓發(fā)生室(18)的四個角內(nèi)，上下吸盤與H形負(fù)壓發(fā)生室(18)通過上下通氣導(dǎo)向筒實(shí)現(xiàn)氣路的連通；閘片機(jī)構(gòu)由下閘片(4)、上閘片(12)及下閘片導(dǎo)軌(5)、上閘片導(dǎo)軌(13)組成，分別對應(yīng)安裝在兩個吸盤內(nèi)，下閘片(4)、上閘片(12)分別由下閘片驅(qū)動氣缸(3)、上閘片驅(qū)動氣缸(11)控制打開或關(guān)閉；測障越障部分由兩個下測障傳感器(8)、兩個上測障傳感器(15)及兩個下吸盤驅(qū)動氣缸(21)、兩個上吸盤驅(qū)動氣缸(20)組成，上、下測障傳感器垂直于壁面安裝在對應(yīng)的上下吸盤兩側(cè)，上、下吸盤驅(qū)動氣缸缸體安裝在H形負(fù)壓發(fā)生室(18)兩側(cè)，氣缸活塞桿固定在兩個吸盤背部，以驅(qū)動兩個吸盤伸出和縮回。
2.如權(quán)利要求1的具有越障功能的雙吸盤負(fù)壓吸附單元，其特征在于所述的測障傳感器采用反射型圓柱光電傳感器，有效檢測距離為200毫米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有越障功能的雙吸盤負(fù)壓吸附單元，用于壁面清洗機(jī)器人，H形負(fù)壓發(fā)生室四角安裝通氣導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，兩個單面開口的長方體吸盤上下對稱布置于負(fù)壓發(fā)生室的兩端，吸盤四周實(shí)現(xiàn)密封，每個吸盤上有四個隨動滾輪，吸盤內(nèi)的導(dǎo)向筒與H形負(fù)壓發(fā)生室四個角內(nèi)的筒套組成滑動副，吸盤與負(fù)壓發(fā)生室通過導(dǎo)向筒實(shí)現(xiàn)氣路連通，吸盤內(nèi)部各有兩個由氣缸驅(qū)動的閘片，以控制吸盤和負(fù)壓發(fā)生室的通斷，調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以改變吸附單元負(fù)壓，實(shí)現(xiàn)吸附單元在可靠吸附的情況下能夠沿幕墻下滑，垂直于壁面安裝在兩個吸盤兩側(cè)的測障傳感器用于檢測障礙，通過氣缸驅(qū)動吸盤伸出和縮回以實(shí)現(xiàn)跨越障礙。本發(fā)明既能可靠吸附又能快速跨越障礙，而且制造方便、成本低。
文檔編號B62D57/024GK1594006SQ200410025218
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
發(fā)明者張澎濤, 趙言正, 錢志源, 付莊, 曹其新, 楊金汕 申請人:上海交通大學(xué)