一种间隙式负压吸附爬壁机器人的制作方法

本发明属于爬壁机器人领域，特别是一种间隙式负压吸附爬壁机器人

背景技术：

爬壁机器人的研究和应用有着极其重要的工程应用背景和非常广阔的应用前景。目前，爬壁机器人吸附方式有磁吸附、真空吸附、负压吸附等。

其中，磁吸附仅适用于铁磁材料的壁面，对壁面材料有很高的要求。如公开号为cn108749943a的一种磁吸附爬壁机器人，通过电磁铁构成吸附装置，仅适用于铁磁材料的壁面，对于普通墙面不适用，有很大的局限性。一种能够适用于各种墙面的新型机器人有待发明。

真空吸盘式爬壁机器人利用吸盘产生真空吸力，机器人在处于吸附状态时不能相对于壁面移动，仅适用于断续移动方式。如公开号为cn106275122b的一种吸盘式爬壁机器人通过电控装置控制气泵装置吸气，将吸盘内的气体排出，使吸盘与墙壁之间形成真空，吸气排气这一过程极大的增加了功耗，机器人吸附过程中的吸附力同时成为行走过程中的阻力，仅适用于断续移动方式。

负压吸附中，有密封负压吸附爬壁机器人密封装置与壁面相接触，吸附力增大的同时行走阻力增大。如公开号为cn106828649a的一种爬壁机器人，采用密封的负压腔，机器人运动时阻力大，且采用轮式结构，维持一定吸附力较困难，负载性较差。且车轮的直径会使机器人相对于壁面的扭矩增大，使机器人运行的稳定性和安全性相对降低。无密封负压吸附的负压装置行走阻力小，但是产生的负压也小，要提供足够的吸附力必须要求大功率大流量的风机，这导致了风机叶轮直径大，而驱动风机的电机质量也大，直接造成了机器人重量的增加。机器人吸附力与行走阻力之间的矛盾亟待解决。

目前磁吸附、真空吸附、负压吸附等传统吸附方式仍存在壁面适用性差，无法连续移动，机器人行走阻力大等问题。针对现有技术问题，本发明提出了一种新型的实施方案。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种间隙式负压吸附爬壁机器人，该机器人能适用于普通壁面，同时解决负压吸附的过程吸附力与阻力之间的矛盾，提供一种能够灵活在壁面移动的机器人的实施方案。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种间隙式负压吸附爬壁机器人，包括底板、负压发生装置、密封装置、行进装置以及对所述负压发生装置和行进装置进行供电和实时控制的电控装置，所述负压发生装置包括高速电机和离心风扇，其特征在于，

所述行进装置为双履带式结构，包括左右履带；

所述底板包括上底板和下底板，所述上底板罩于下底板之上，下底板通过支柱悬挂于上底板下方，下底板中心开有进风孔，下底板四周边缘与上底板四周不连接留有间隙，上下底板间形成导流空腔，下底板上以进风孔为中心左右对称设置两个用于嵌入行进装置的左右履带的履带行走槽，并在上底板相应的侧面上设置履带安装过渡凹槽；

所述密封装置包括导流机构和阻流机构，所述导流机构倾斜安装于上下底板四周的间隙内，阻流机构安装于下底板底面，阻流机构下表面均匀分布若干数量的密封凸起。

所述左右履带的表面为橡胶材质，所述左右履带与阻流机构下端面平齐。

导流机构与上底板侧面的夹角为45°。

所述阻流机构为具有凸起颗粒的橡胶或鬃毛密封环。

左右两履带上分别安装一个驱动电机，两个驱动电机等速，驱动电机输出轴连接履带，履带上一端设置主动轮，一端设置从动轮，相邻端的两个履带上为一主动轮和一从动轮。

电控装置能根据壁面的粗糙程度调节高速电机的转速。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种间隙式负压吸附爬壁机器人，包括底板、负压发生装置、密封装置、行进装置、电控装置五个部分，克服了传统爬壁机器人吸附力与行走阻力之间的矛盾，在保证机器人负压吸附安全性的同时减轻机器人行走时的摩擦力并且机器人能够连续、灵活、稳定、快速、高效的在墙面上行走。选择履带式能更好的进行密封，将履带嵌在底板内，在充当行走机构的同时起到密封的效果，能显著减少其体积，同时又能保证良好密封。

通过对传统负压吸附机器人的改进，在高速电机提供相同负压的情况下，机器人的吸附力得到了很大提升，阻流机构的设计使得机器人的负重从1.5kg增加到2.5kg,大大提升了机器人的负重能力

同时极大的减小了行进过程中机器人的行走阻力，为机器人壁面作业提供了一种可实施方案。

附图说明：

图1为本发明提供的一种间隙式负压吸附爬壁机器人的立体结构示意图；

图2为本发明提供的一种底板组件结构示意图；图2(a)为上下底板组合在一起的结构示意图，图2(b)为下底板的立体结构示意图；图2(c)为上底板的立体结构示意图；

图3为本发明提供的一种负压发生装置的结构示意图；

图4为本发明提供的一种密封装置的结构示意图；

图5为本发明提供的一种行进装置的结构示意图；

图6为本发明提供的一种运动时的示意图。

图7为负压吸附原理图；

图中标记说明如下：

1-底板、11-上底板、111-履带安装过渡凹槽、12-下底板、121-下底板的进风孔、122-履带行走槽、13-导流空腔、

2-负压发生装置、21-高速电机、22-离心风扇、221-离心风扇进风口、222-离心式风扇出风口、

3-密封装置、31-导流机构、32-阻流机构、

4-行进装置、41-固定机构、42-驱动电机、421-左驱动电机、422-右驱动电机、43-履带、441-主动轮、442-从动轮。

具体实施方式：

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明间隙式负压吸附爬壁机器人，包括底板、负压发生装置、密封装置、行进装置以及对所述负压发生装置和行进装置进行供电和实时控制的电控装置，所述负压发生装置包括高速电机和离心风扇，

所述行进装置为双履带式结构，包括左右履带43及其固定机构41和驱动电机42；

所述底板包括上底板和下底板，所述上底板罩于下底板之上，下底板通过支柱悬挂于上底板下方，下底板中心开有进风孔，下底板四周边缘与上底板四周不连接留有间隙，上下底板间形成导流空腔，下底板上以进风孔为中心左右对称设置两个用于嵌入行进装置的左右履带的凹形结构的履带行走槽122，并在上底板相应的侧面上设置履带安装过渡凹槽111；

所述密封装置包括导流机构和阻流机构，所述导流机构倾斜安装于上下底板四周的间隙内，阻流机构安装于下底板底面，阻流机构下表面均匀分布若干数量的密封凸起；

所述行进装置的固定机构和驱动电机与上底板固定，左右履带嵌入下底板的凹形结构内即履带行走槽内，行进装置支撑爬壁机器人使其下底板底面与壁面保持一定间隙，所述左右履带同样具有阻碍气流的作用，所述履带表面为橡胶材质；

所述电控装置，采用锂电池作为电源，为控制装置和负压发生装置中高速电机和所述行进装置的驱动电机供电，电控装置由内置有存储器的可编程自动控制器或中央处理器及相关电路组成。电控装置可以根据负压调节电机转速，即可以根据壁面的粗糙程度调节高速电机的转速。

所述负压发生装置中高速电机与离心风扇抱轴相连，高速电机通过螺丝固定于上底板，离心风扇进风口与下底板的进风孔相对应，当高速电机带动离心风扇高速旋转时，气流从进风口进入，径上下底板间的导流空腔，从上下底板间隙处流出。负压吸附过程中，主要利用高速电机带动离心风扇旋转，将机器人底部的气体排出，从而实现负压，高速电机的转速越快，能够提供的负压越大，从而也就能产生越大的吸附力，但是高速电机转速增大也带来了诸如重量增大，噪声增大能耗增大等问题，因此也不是越大越好，需要根据机器人的重量选择合适的高速电机，本发明实验过程中机器人重量约为2.5kg,高速电机转速为20000r/min，在相对小的转速下，能耗低，噪声低。

图1例示了一种间隙式负压吸附爬壁机器人的立体结构，包括底板1，所述底板1包括上底板11和下底板12；负压发生装置2，所述负压发生装置2包括高速电机21和离心风扇22，其中离心风扇包括离心风扇进风口221和离心风扇出风口222；密封装置3，所述密封装置3包括导流机构31和阻流机构32；行进装置4，所述行进装置4为双履带式结构，包括左右履带43及其固定机构41和驱动电机42，以及对所述负压发生装置2、行进装置4进行供电和实时控制的电控装置。

图2为本发明提供的一种底板组件结构示意图，上底板11罩于下底板12之上，下底板12通过支柱悬挂于上底板11下方，下底板12中心开有进风孔121，下底板12四周边缘与上底板11四周不连接留有间隙，上下底板间形成导流空腔13，下底板12两侧各有一个凹形的履带行走槽122用于嵌入所述行进装置4的履带43。

图3为本发明提供的一种负压发生装置的结构示意图，负压发生装置2中高速电机21与离心风扇22抱轴相连，高速电机21通过螺丝固定于上底板11，离心风扇进风口221与下底板进风孔121相对应，当高速电机21带动离心风扇22高速旋转时，气流从离心风扇进风口221进入，通过离心风扇出风口222甩出，流经上下底板间的导流空腔13，从上下底板间隙处流出。

图4为本发明提供的一种密封装置的结构示意图；密封装置3中的导流机构31(导流机构即为粘附于下底板的一斜面，为了将离心风扇甩出的气体导流到密封装置侧边，阻碍气体进一步泄漏，导流机构安装于上下底板的间隙内，与下底板12平面呈一定角度，使气流以一定角度流出，这里角度的选择与机器人导流空腔的体积、密封装置与壁面之间的高度、密封装置与壁面间的缝隙、以及电机的转速带来风速的变化等因素有关，需要根据仿真结果得到最优解，本发明实施例采用导流机构的角度约为45°。

阻流机构32安装于下底板12底面，以阻碍气流流向离心风扇进风口221，所述阻流机构32可使用具有凸起颗粒的橡胶或鬃毛密封环；阻流机构的面积与下底板的面积相同，同样是为了阻碍气体泄漏进机器人底部的负压区，阻流机构的形状只要满足为突起的颗粒且交错排列即可，实验中采用的是突起的橡胶。

图5为本发明提供的一种行进装置的结构示意图；行进装置4的固定机构41、左驱动电机421、右驱动电机422与上底板11固定，左右履带43嵌入下底板12的凹形的履带行走槽122内，由驱动电机带动主动轮441旋转，进而带动从动轮442旋转实现前进。行进装置4支撑爬壁机器人使其下底板12底面与壁面保持一定间隙，所述左右履带43与阻流机构下端面平齐，同样具有阻碍气流的作用，所述履带表面为橡胶材质。左右两履带上分别安装一个驱动电机，在机器人转向时，两个驱动电机旋转方向相反，驱动电机输出轴连接履带，履带上一端设置主动轮，一端设置从动轮，相邻端的两个履带上为一主动轮和一从动轮。

电控装置为负压发生装置2中高速电机21和行进装置4的驱动电机42供电。

图6为本发明提供的一种运动时的示意图。本发明中的爬壁机器人的运动原理为：整个爬壁机器人首先处于初始状态，接着负压发生装置2工作，使机器人吸附在工作壁面上。左驱动电机421以及右驱动电机422，带动主动轮441旋转，进而带动从动轮442旋转从而使履带43运动。运动过程中，负压发生装置2不间断工作，提供负压，履带在提供其摩擦力的同时，通过差速控制，能够实现爬壁机器人的前进或后退和转向的功能。

所谓间隙式，简而言之就是机器人密封装置底部不与壁面相接触，就可以起到很好的密封效果，从而避免了密封材料与壁面相接触产生的滑动摩擦力，从而减小了行走阻力。

间隙式负压吸附的主要工作原理如下：

图7中r为离心风扇进风口到上底板一端的距离，a为导流角度，h为密封装置与壁面之间的距离，b为导流机构下端点到上底板邻近边缘的距离。

高速电机带动离心风扇旋转，气体从离心风扇进风口流入，在旋转作用下通过离心风扇的出风口甩出，通过导流机构与入口处(机器人底部与密封装置之间的间隙)的气体形成对流，阻碍外界气体进一步流入机器人底部负压区，维持负压的稳定。且使得机器人底部不与壁面相接触，从而能够实现在相同的电机转速情况下，形成更大的吸附力，同时在行走过程中，行走阻力较小。

机器人下底板黏附有阻流机构，阻流机构进一步阻挡气体流入底部负压区。

另外机器人底板开设履带行走槽，机器人履带嵌入履带行走槽，同时起到阻碍气流流入机器人底部负压区的作用。

本申请通过导流机构、阻流机构实现间隙式密封，并配合履带安装位置，进一步保证密封效果，这三个方面有效平衡了吸附力与阻力之间的矛盾，效果较好。

本发明未述及之处适用于现有技术。