一种多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，特别是一种多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人。

背景技术：

爬壁机器人是一种可在垂直壁面上移动及作业的机器人。爬壁机器人可代替人类执行建筑壁面清洁，船只外壳喷漆，储罐内外壁探伤及军事侦查，高空消防等作业工作，降低工作人员的危险。爬壁机器人在建筑、桥梁、造船、军事领域有着广泛的应用前景。

爬壁机器人，特别是负压吸附式爬壁机器人在壁面吸附的稳定性上要求很高，一旦机器人在壁面工作时失去吸附力，轻则导致作业中断，重则造成设备坠落毁伤和威胁周边人员安全。另外，爬壁机器人在壁面上运动时不可避免的会遇到管道，高台，缝隙等无法绕行的障碍，及壁面转换的问题。因此，爬壁机器人的越障能力决定了其运动空间的大小。

现有的轮腿互换爬壁并联机器人、履带吸盘式爬壁机器人、全气动真空吸附式爬壁机器人和负压吸附式爬壁机器人均缺乏跨越壁面障碍的手段；负压吸附式仿生爬壁机器人关节数量多且完全依靠吸附足来移动，运动速度缓慢；仿生式越障爬壁机器人越障机构关节数量多而自由度少，控制复杂且越障方式单一，所用的离心风机有功耗高噪声大的缺点，单负压腔可靠性也较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能在壁面稳定高速运动并且具有跨越障碍能力的多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人，包括多腔负压吸附底盘、轮式运动机构、三段式越障臂和控制模块：

所述多腔负压吸附底盘，包括多个负压吸附腔，每个负压吸附腔包括一个吸盘和一个微型真空泵，用于将机器人吸附于壁面上；

所述轮式运动机构，安装在多腔负压吸附底盘上，用于驱动机器人前进后退和转向；

所述三段式越障臂，为三段三自由度结构，一端固定在多腔负压吸附底盘上，另一端安装吸盘，吸盘用于将机器人吸附于壁面上；

所述控制模块，包括电池、数传模块和驱动板；电池用于为机器人其它部件供电；数传模块提供远程遥控功能；驱动板用于驱动轮式运动机构和三段式越障臂做出动作，并驱动多腔负压吸附底盘和三段式越障臂的吸盘吸附于壁面；

上述爬壁机器人的工作过程如下：

当爬壁机器人正常移动时，多腔负压吸附底盘将机器人吸附于壁面上，轮式运动机构驱动机器人前进后退和转向，三段式越障臂抬起不接触壁面；

当爬壁机器人越障时，三段式越障臂将吸盘落在壁面上，启动三段式越障臂上的真空泵将吸盘吸附于壁面上，再解除多腔负压吸附底盘的吸附工作，用三段式越障臂的吸盘为支撑，三段式越障臂将多腔负压吸附底盘移动至障碍物的另一侧并吸附在壁面上，再关闭三段式越障臂上吸盘的吸附工作，收回三段式越障臂，完成越障。

作为一种具体示例，所述多腔负压吸附底盘包括底座、第一吸盘、第二吸盘、第三吸盘、第四吸盘、第一微型真空泵、第二微型真空泵、第三微型真空泵、第四微型真空泵；

所述第一吸盘、第二吸盘、第三吸盘、第四吸盘分别通过吸盘固定螺丝固定于底座下表面，且各吸盘的中心设置吸盘通气孔；第一微型真空泵、第二微型真空泵、第三微型真空泵、第四微型真空泵设置于底座上表面，四个真空泵的抽气孔分别通过塑胶软管穿过底座与对应的吸盘通气孔相连。

作为一种具体示例，所述轮式运动机构包括第一车轮、第二车轮、第三车轮、第四车轮、第一驱动伺服电机、第二驱动伺服电机、第一同步带、第二同步带、第二电机座、第三电机座、车轮轴承座、小带轮、第一连轴套、第二连轴套；

所述第一车轮、第二车轮、第三车轮、第四车轮分别设置于底座的四角，每一个车轮均通过两个一组的车轮轴承座固定于底座上表面，每组车轮轴承座之间设有1个小带轮；第一车轮、第三车轮设置在行进方向的同一侧，且该两个车轮对应的小带轮通过第一同步带连接在一起，第二车轮、第四车轮设置在行进方向的另一侧，且该两个车轮对应的小带轮通过第二同步带连接在一起，小带轮使得同侧车轮保持同步运转；所述第一驱动伺服电机通过第二电机座固定于底座上表面，第一驱动伺服电机通过第一连轴套与第一车轮的轴相连接，驱动该侧第一车轮、第三车轮运转；所述第二驱动伺服电机通过第三电机座固定于底座上表面，第二驱动伺服电机通过第二连轴套与第四车轮的轴相连接，驱动该侧第二车轮、第四车轮运转。

作为一种具体示例，所述三段式越障臂包括机座、旋转座、第一电机座、第五吸盘、旋转伺服电机、吸盘架、真空泵、第一旋转轴、第二旋转轴；

所述机座一端固定于底座上表面中心位置、另一端通过第一旋转轴安装在旋转座一端的轴承上，第一电机座的一端通过第二旋转轴安装在旋转座另一端的轴承上；旋转座的两端分别固定一个越障臂伺服电机，从而驱动机座和第一电机座相对旋转座转动；第一电机座内设置一个旋转伺服电机，用来驱动第一电机座另一端的吸盘架旋转，从而带动第五吸盘绕第一电机座旋转；第五吸盘通过塑料软管与固定在旋转座上的真空泵连接，当第五吸盘贴近壁面时，启动真空泵将吸盘内部气压降低，第五吸盘在大气压作用下吸附在壁面上。

作为一种具体示例，所述控制模块包括电池、底盘驱动板、数传模块、手臂驱动板、云台驱动板；

所述电池、底盘驱动板和数传模块固定于底板底座上表面，手臂驱动板和云台驱动板设置于旋转座内部；电池为机器人上所有控制板、伺服电机和真空泵供电，数传模块提供远程遥控功能，底盘驱动板控制第一微型真空泵、第二微型真空泵、第三微型真空泵、第四微型真空泵、第一驱动伺服电机、第二驱动伺服电机和真空泵的工作，手臂驱动板控制第一旋转轴的工作，云台驱动板控制第二旋转轴、旋转伺服电机的工作。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)使用负压吸附方式，可以在非导磁性材料表面工作，具有更广泛的壁面适应性；(2)轮式运动机构保证了机器人在平整壁面上的运动速度；(3)使用微型真空泵带动多吸盘的多腔吸附方式既保证了吸附的稳定性和安全性，又降低了功耗和噪声，提高了机器人隐匿性和无线遥控时的续航时间；(4)越障臂让机器人具有跨越壁面障碍的能力，以及在不同壁面间移动的能力，可以在更加复杂的壁面环境中使用。

附图说明

图1为本发明的多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人的立体结构的俯视示意图。

图2为本发明的多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人的立体结构的仰视示意图。

图3为本发明的多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人的负压吸附式底盘俯视图。

图4为本发明的多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人的负压吸附式底盘仰视图。

图5为本发明的多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人的传动系统立体结构示意图。

图6为本发明的多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人的越障臂立体结构示意图。

图中标号说明：1、底座；2-1、第一吸盘；2-2、第二吸盘；2-3、第三吸盘；2-4、第四吸盘；3-1、第一微型真空泵；3-2、第二微型真空泵；3-3、第三微型真空泵；3-4、第四微型真空泵；4、电池；5、底盘驱动板；6、数传模块；7-1、第一车轮；7-2、第二车轮；7-3、第三车轮；7-4、第四车轮；8-1、第一驱动伺服电机；8-2、第二驱动伺服电机；9-1、第一同步带；9-2、第二同步带；10、机座；11、旋转座；12、第一电机座；13、第五吸盘；14、旋转伺服电机；15、吸盘架；16、真空泵；17、第一旋转轴；18、第二旋转轴；19、手臂驱动板；20、云台驱动板；21、吸盘固定螺丝；22、吸盘通气孔；23-1、第二电机座；23-2、第三电机座；24、车轮轴承座；25、小带轮；26-1、第一连轴套；26-2、第二连轴套；27、越障臂伺服电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1～2，本发明多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人，包括多腔负压吸附底盘、轮式运动机构、三段式越障臂和控制模块：

所述多腔负压吸附底盘，包括多个负压吸附腔，每个负压吸附腔包括一个吸盘和一个微型真空泵，用于将机器人吸附于壁面上；

所述轮式运动机构，安装在多腔负压吸附底盘上，用于驱动机器人前进后退和转向；

所述三段式越障臂，为三段三自由度结构，一端固定在多腔负压吸附底盘上，另一端安装吸盘，吸盘用于将机器人吸附于壁面上；

所述控制模块，包括电池、数传模块和驱动板；电池用于为机器人其它部件供电；数传模块提供远程遥控功能；驱动板用于驱动轮式运动机构和三段式越障臂做出动作，并驱动多腔负压吸附底盘和三段式越障臂的吸盘吸附于壁面；

上述爬壁机器人的工作过程如下：

当爬壁机器人正常移动时，多腔负压吸附底盘将机器人吸附于壁面上，轮式运动机构驱动机器人前进后退和转向，三段式越障臂抬起不接触壁面；

当爬壁机器人越障时，三段式越障臂将吸盘落在壁面上，启动三段式越障臂上的真空泵将吸盘吸附于壁面上，再解除多腔负压吸附底盘的吸附工作，用三段式越障臂的吸盘为支撑，三段式越障臂将多腔负压吸附底盘移动至障碍物的另一侧并吸附在壁面上，再关闭三段式越障臂上吸盘的吸附工作，收回三段式越障臂，完成越障。

结合图3～4，所述多腔负压吸附底盘包括底座1、第一吸盘2-1、第二吸盘2-2、第三吸盘2-3、第四吸盘2-4、第一微型真空泵3-1、第二微型真空泵3-2、第三微型真空泵3-3、第四微型真空泵3-4；

所述第一吸盘2-1、第二吸盘2-2、第三吸盘2-3、第四吸盘2-4分别通过吸盘固定螺丝21固定于底座1下表面，且各吸盘的中心设置吸盘通气孔22；第一微型真空泵3-1、第二微型真空泵3-2、第三微型真空泵3-3、第四微型真空泵3-4设置于底座1上表面，四个真空泵的抽气孔分别通过塑胶软管穿过底座1与对应的吸盘通气孔22相连。

结合图5，所述轮式运动机构包括第一车轮7-1、第二车轮7-2、第三车轮7-3、第四车轮7-4、第一驱动伺服电机8-1、第二驱动伺服电机8-2、第一同步带9-1、第二同步带9-2、第二电机座23-1、第三电机座23-2、车轮轴承座24、小带轮25、第一连轴套26-1、第二连轴套26-2；

所述第一车轮7-1、第二车轮7-2、第三车轮7-3、第四车轮7-4分别设置于底座1的四角，每一个车轮均通过两个一组的车轮轴承座24固定于底座1上表面，每组车轮轴承座24之间设有1个小带轮25；第一车轮7-1、第三车轮7-3设置在行进方向的同一侧，且该两个车轮对应的小带轮25通过第一同步带9-1连接在一起，第二车轮7-2、第四车轮7-4设置在行进方向的另一侧，且该两个车轮对应的小带轮25通过第二同步带9-2连接在一起，小带轮25使得同侧车轮保持同步运转；所述第一驱动伺服电机8-1通过第二电机座23-1固定于底座1上表面，第一驱动伺服电机8-1通过第一连轴套26-1与第一车轮7-1的轴相连接，驱动该侧第一车轮7-1、第三车轮7-3运转；所述第二驱动伺服电机8-2通过第三电机座23-2固定于底座1上表面，第二驱动伺服电机8-2通过第二连轴套26-2与第四车轮7-4的轴相连接，驱动该侧第二车轮7-2、第四车轮7-4运转。

结合图6，所述三段式越障臂包括机座10、旋转座11、第一电机座12、第五吸盘13、旋转伺服电机14、吸盘架15、真空泵16、第一旋转轴17、第二旋转轴18；

所述机座10一端固定于底座1上表面中心位置、另一端通过第一旋转轴17安装在旋转座11一端的轴承上，第一电机座12的一端通过第二旋转轴18安装在旋转座11另一端的轴承上；旋转座11的两端分别固定一个越障臂伺服电机27，从而驱动机座10和第一电机座12相对旋转座11转动；第一电机座12内设置一个旋转伺服电机14，用来驱动第一电机座12另一端的吸盘架15旋转，从而带动第五吸盘13绕第一电机座12旋转；第五吸盘13通过塑料软管与固定在旋转座11上的真空泵16连接，当第五吸盘13贴近壁面时，启动真空泵16将吸盘内部气压降低，第五吸盘13在大气压作用下吸附在壁面上。

结合图1，所述控制模块包括电池4、底盘驱动板5、数传模块6、手臂驱动板19、云台驱动板20；

所述电池4、底盘驱动板5和数传模块6固定于底板底座1上表面，手臂驱动板19和云台驱动板20设置于旋转座11内部；电池4为机器人上所有控制板、伺服电机和真空泵供电，数传模块6提供远程遥控功能，底盘驱动板5控制第一微型真空泵3-1、第二微型真空泵3-2、第三微型真空泵3-3、第四微型真空泵3-4、第一驱动伺服电机8-1、第二驱动伺服电机8-2和真空泵16的工作，手臂驱动板19控制第一旋转轴17的工作，云台驱动板20控制第二旋转轴18、旋转伺服电机14的工作。

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1

结合图1和图2，本发明多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人包括以下四个模块：固定于底座1上的第一吸盘2-1等及第一微型真空泵3-1等组成的负压吸附模块，车轮、驱动伺服电机及同步带等组成的轮式运动模块，机座10、旋转座11、电机座、吸盘、真空泵16等组成的越障臂模块，电池4、数传模块6、底盘驱动板5、手臂驱动板19、云台驱动板20等组成的无线控制模块。

负压吸附模块中，如图4吸盘2-4通过21等4个螺丝固定于底板下部，吸盘中心留有通气孔22贯穿底板。吸盘为橡胶材质软吸盘，有一定的形变空间。如图5中所示微型真空泵3-4等安置于底板上部，真空泵抽气孔通过塑胶软管穿过底板于吸盘通气孔22等相连。当吸盘与壁面相贴时，真空泵启动降低吸盘内气压，使底板吸附在壁面上。四个吸盘和微型真空泵均独立工作，互为冗余。

轮式运动模块中，如图5所示车轮7-3等安置于底座两侧，车轮轴通过两个一组的轴承座固定于底座上部。两个轴承之间为1个小带轮25。同侧的两个车轮的小带轮通过同步带连接在一起，让同侧车轮保持同步运转。驱动车轮的驱动伺服电机通过电机座固定于底座上侧，通过连轴套与车轮的轴相连接驱动车轮运转。当负压吸附模块启动时，底座接近壁面，四个车轮紧压壁面，再由驱动电机带动车轮转动。两侧车轮可独立控制，通过两侧车轮的同向反向运动来进行前进后退和转向的动作。

越障臂模块中，如图6所示，机座10一端固定于底座上部正中，另一端为旋转轴安装在旋转座的轴承上。电机座的旋转轴则安装在旋转座另一端的轴承上。旋转座两端各固定一个越障臂伺服电机，驱动机座和电机座相对旋转座转动。电机座内固定有一个旋转伺服电机，驱动电机座另一端的吸盘架15旋转带动第五吸盘13绕电机座旋转。第五吸盘13通过塑料软管与固定在旋转座上的真空泵16连接。当第五吸盘13贴近壁面时，启动真空泵16将吸盘内部气压降低，第五吸盘13在大气压作用下吸附在壁面上。

无线控制模块中，电池4、底盘驱动板5和数传模块6固定于底座1上，手臂驱动板和云台驱动板安置于旋转座内部。电池4为机器人上所有控制板、伺服电机和真空泵供电。数传模块6提供远程遥控功能，底盘驱动板控制底板上4个微型真空泵等的工作，2个车轮驱动伺服电机等的工作和真空泵的工作。手臂驱动板19负责第一旋转轴17的控制，云台驱动板20负责第二旋转轴18和吸盘架15旋转的控制。

机器人爬壁时越障臂的旋转座11抬起将第五吸盘13抬高，微型真空泵等抽气将吸盘等内部气压降低，吸盘吸附于壁面，带动底座1压向地面，车轮等紧贴壁面。驱动伺服电机带动第一车轮7-1旋转，同侧第三车轮7-3在第一同步带9-1作用下于第一车轮7-1同步旋转。两侧车轮均前进时，带动整个机器人在壁面上前进。当两侧车轮以差速或相反方向旋转时，机器人即可在壁面上转向。

当机器人在壁面上遇到障碍时，越障臂将旋转座11落下，让第五吸盘13落在障碍边缘的壁面上。启动真空泵16将第五吸盘13内部抽成负压吸附于壁面上然后关闭底座1上的微型真空泵等，使机器人底座脱离壁面。越障臂通过第二旋转轴18将旋转座11相对第一电机座12抬起，待机器人底盘到达可以跨越障碍的高度后，第一电机座12内的旋转伺服电机14转动，带动机器人绕着第一电机座12为轴旋转。机器人底盘旋转至障碍另一端时，停止旋转伺服电机14工作，越障臂再绕第二旋转轴18落下将机器人底盘放置于障碍另一侧的壁面上。底盘贴近壁面以后开启微型真空泵等，使机器人底盘吸附至墙面上。机器人底盘吸附到壁面上后关闭真空泵16，待第五吸盘13失去吸附以后越障臂将旋转座11抬起让吸盘高于障碍后，机器人即可驶离障碍继续壁面前进。

综上所述，本发明多腔吸附的轮腿结合式爬壁机器人有着吸附稳定，运动速度快，可跨越障碍和控制简单的优点，扩展了爬壁机器人的应用领域。