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过障功能的爬壁机器人系统及其使用方法专利

专利号:201910507693.6

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专利名称:具有过障功能的爬壁机器人系统及其使用方法

技术领域:爬壁,机器人

IPC主分类号:B62D55/265

申请号:CN201910507693.6

公开日:2020-07-24

说明书

一种具有过障功能的爬壁机器人系统及其使用方法

技术领域

[0001] 本发明涉及运输领域,更具体地讲,涉及一种具有过障功能的爬壁机器人系统。

背景技术

[0002] 爬壁机器人是指能够在墙壁尤其是垂直壁上进行作业的机器人,能在工作表面自行移动,具有视觉和感知系统,通过遥控或自主操作方式,使用机械手或其他工具代替或辅助人去完成作业任务的装置。爬壁机器人属于特种机器人,具有结构简单、负载能力大、可靠性高、对壁面适应能力强等优点,被广泛用于船舶、起重机、石化等行业的设备检查或维护工作中。
[0003] 随着人类活动范围的逐渐扩大以及对智能化要求的不断提高,机器人的应用已经涉足各个领域,而且应用越来越普遍。许多国家已经把机器人技术作为关键的发展战略加以关注,对相关技术的研究已经成为未来的发展方向、成为社会发展的必然趋势。其中智能爬壁机器人同人们生活息息相关,在机器人家族中承担重要角色。
[0004] 智能爬壁机器人在执行工作任务时,其工作环境可能是结构化环境,也可能是不确定、多变的非结构化环境,这就对爬壁机器人的环境适应能力、可操作性、安全提出较高的要求,此外要普及智能爬壁机器人,必须采用全面的技术,综合考虑结构和系统设计,来降低产品成本。为了提高人们的生活质量、降低用工成本,使更加方便高效,为将人们从繁复的爬壁工作中解放出来,设计一款低成本、结构简单、轻巧易用、高效节能的爬壁机器人系统是相关人员迫切的需要。

发明内容

[0005] 因此,针对现有技术上存在的不足,提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题,安全和可靠性大幅度提高,有效的起到保护设备的作用。
[0006] 按照本发明提供的技术方案,该具有过障功能的爬壁机器人系统包括三个爬壁机器人;爬壁机器人包括基底,基底由丙烯酸板和/或PLA、TPU形成的混合板组成,基底的周向上还设有橡胶壳体;基底上设有动力系统,动力系统用于提供爬壁机器人运动的动力,动力系统包括驱动组件,驱动组件具有差动牵引机构并使用履带机构输出动力,差动牵引机构包括正交传动装置,其中,通过钢轴和锥齿轮将驱动电机的力传递给履带机构的驱动轮,钢轴通过轴套与驱动电机的电机轴相连,钢轴由滚珠轴承支承,履带机构能够驱动基底的行进与转向;基底上还设有负压系统,负压系统包括叶轮,叶轮置于叶轮支架上;叶轮支架位于叶轮板上;具有过障功能的爬壁机器人系统还包括过障系统,过障系统能够使得爬壁机器人从一个墙面过渡到另一个墙面,避开墙面上的障碍物,过障系统包括顶板,顶板连接有提升导向杆,提升导向杆上连接有支承板,提升导向杆的底端与爬壁机器人连接,三根横向杆穿过支承板将爬壁机器人互连在一起,支承板始终处于同一高度,过障系统还包括线性致动器,线性致动器用于产生提升运动从而将爬壁机器人脱离墙面;具有过障功能的爬壁机器人系统还包括控制系统,控制系统包括微控制器,并通过蓝牙传输与操作人员建立联系,微控制器用于向驱动电机的控制单元和线性致动器的执行器发出控制信号。
[0007] 进一步的,过障系统还包括限位开关,限位开关与线性致动器的执行器串联连接,当爬壁机器人到达最高点或最低点时,限位开关会生成信号以关闭执行器;过障系统还包括距离传感器,距离传感器用来探测来墙面到爬壁机器人的底部的距离。
[0008] 进一步的,通过爬壁机器人的倾斜角度来控制负压系统,爬壁机器人的倾斜角度越大,负压系统的工作电压越高;其中,当爬壁机器人的倾斜角为0°时,负压系统关闭,当爬壁机器人的倾斜角为15°时,负压系统以12V电压运行,当爬壁机器人的倾斜角为60°时,负压系统以标准电压运行,当爬壁机器人的倾斜角为90°时,负压系统以最大电压运行。
[0009] 进一步的,每个爬壁机器人的驱动组件为两组,分别位于基底的两侧,两组驱动组件能够产生两个相反方向的作用力,驱动组件的联合相互作用为具有过障功能的爬壁机器人系统带来了线性速度,爬壁机器人还设有惯性测量单元,惯性测量单元能够获取爬壁机器人的方向和某个基底相对于其他基底的位置。
[0010] 进一步的,动力系统还包括转向辅助组件,转向辅助组件能够配合基底的转向,转向辅助组件包括三组轴系装置,轴系装置包括一主轴,主轴至上而下依次设有垫圈、推力轴承、圆锥滚子轴承、底盘。
[0011] 进一步的,爬壁机器人还设有感应传感器和接触传感器,感应传感器用于区分墙面的墙体和障碍物,感应传感器数量为4组,均匀的周向分布在基底的四条边上,感应传感器提供二进制信号,当感应传感器感应到墙面的障碍物时,发送值1,接触传感器用于探测障碍物的突出边缘。
[0012] 进一步的,当某个爬壁机器的感应传感器检测到障碍物时,线性致动器提升该爬壁机器人沿导向杆向上运动,随后横向移动从而避开障碍物。
[0013] 进一步的,具有过障功能的爬壁机器人系统与安全弹性绳索连接,安全弹性绳索栓接在吸盘、磁铁或钩上。
[0014] 本发明解决了不能对爬壁机器人有效通过障碍的难题,该爬壁机器人采用了过障系统,能够有效通过壁面上的障碍物。能够安全吸附在墙壁表面并灵活移动,机器人的吸附能力和运动性能很高。本发明的机器人系统具有以下功能:
[0015] (1)稳定吸附能力
[0016] 该爬壁机器人具有基本吸附能力,能够使得一定重量的机器人长时间安全吸附在墙壁表面,而且吸附力的范围需保证不降低机器人的运动性能。
[0017] (2)灵活运动性能
[0018] 机器人在墙壁表面移动,既需要克服自身重力还需要克服和墙壁表面的摩擦,要保证机器人的驱动系统能提供足够的驱动力,以使得机器人按照预定速度运动;和一般的平面移动机器人类似,爬壁机器人系统也具备位姿调整能力,以使得机器人按照预定轨迹运动。
[0019] (3)良好的过障效果
[0020] 爬壁机器人系统属于能够执行任务的爬壁机器人,能够适应大面积墙面的工作环境,对于壁面上的障碍物具有高效的通过效率等。

附图说明

[0021] 图1为本发明的爬壁机器人系统示意图。
[0022] 图2为本发明的驱动组件示意图。
[0023] 图3为本发明的机器人示意图。
[0024] 图4为本发明的轴系装置示意图。
[0025] 图5为本发明的基底旋转示意图。
[0026] 图6为本发明的系统工作状态示意图。
[0027] 图7为本发明的过障系统示意图。
[0028] 图8为本发明的控制系统示意图。
[0029] 图9为本发明的运行路线示意图。
[0030] 图10为本发明的传感原理示意图。
[0031] 图11为本发明的过障形式示意图。

具体实施方式

[0032] 下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
[0033] 以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明,本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
[0034] 爬壁机器人系统的主要任务是在壁面上能够完成自由移动的动作,并且能够在相关机构的配合下完成壁面的相关工作,以此来代替人工作业,降低人工作业的风险。爬壁机器人需要具备以下几个条件:机动性能要高、环境适应能力要强、机器本体的体积和重量要适宜、系统化程度要高、控制操作方面要便捷、能够通过障碍物等。
[0035] 爬壁机器人系统通过悬吊装置的配合,悬吊装置为安全弹性绳索,保证机器人在竖直和水平方向运动,安全弹性绳索栓接在吸盘、磁铁或钩上进行固定,绳索的张紧通过悬吊装置的调节座和 304 不锈钢花篮进行调节,通过爬行的方式实现机器人在壁面的运动和工作。
[0036] 对于本发明的爬壁机器人系统所采用的驱动结构,可以主要有以下几种形式:轮式驱动、履带式驱动和框架式驱动。轮式驱动结构通过直流减速电机和联轴器连接橡胶轮,借助橡胶轮和墙壁表面间的摩擦产生驱动力;履带式结构又分链传动履带式和同步带传动履带式,链传动履带式使用链条传动,并在链板上安装橡胶片,借助橡胶片和墙壁面间的摩擦提供驱动力,实际属于特种专用链传动机构;同步带传动履带式使用同步带传动,同时借助橡胶同步带外背层和墙壁表面间的摩擦产生驱动;框架式结构与轮、履式的区别在于,驱动框架只能提供直线运动,机器人本体安装横/纵向可移动框架,跟随框架底部的吸附装置轮换吸附和框架的相对运动,使得机器人在墙壁表面移动。
[0037] 优选地,为了在一定吸附力下使机器人在垂直墙壁壁面获得足够的驱动力,并且尽可能降低机器人功耗,采用同步带传动履带式结构作为驱动机构。同步带传动履带式,通过同步带传动将主动前轮扭矩传递到被动后轮,使得机器人与墙壁表面的接触从两轮接触变成四轮接触,应用两个动力源便得到四个驱动力,相较于两轮驱动结构能提供更大的驱动力,又比四轮结构更节省空间,大幅减小机器人体积和重量。同时为提高机器人驱动力,选用和墙壁之间摩擦系数大、耐磨损、强度较高的天然橡胶作为履带材料。
[0038] 具体的,动力系统包括驱动组件,驱动组件具有差动牵引机构并使用履带机构输出动力,差动牵引机构包括正交传动装置,其中,通过钢轴和锥齿轮将驱动电机的力传递给履带机构的驱动轮,钢轴通过轴套与驱动电机的电机轴相连,该轴套能够承受较高的压力,适用机器人所需的高扭矩,钢轴由滚珠轴承支承,这可以防止轴由于锥齿轮之间的角度而弯曲,履带机构能够驱动基底的行进与转向。
[0039] 需要特别指明的是,驱动电机是爬壁机器人实现运动的动力源,同步带传动实现从主动轮到从动轮的动力传递,爬壁机器人在墙壁表面运动,只需要对主动轮进行正反转控制和速度控制,同时主动轮和从动轮都要产生使机器人运动的驱动力,根据机器人应用环境和工作状态,因此采用自带减速箱的小型直流减速电机作为动力源,体积小巧并能实现正反转和速度控制。整个驱动机构采用对称布置设计,驱动履带安装在负压腔体侧适当范围,以保证更为紧凑的机器人体型。
[0040] 该动力系统还设有辅助转向组件,辅助转向组件能够配合基底的转向旋转,辅助转向组件包括三组轴系装置,轴系装置包括一主轴,主轴至上而下依次设有垫圈、推力轴承、圆锥滚子轴承、底盘;该辅助转向组件并不会干扰到过障系统。
[0041] 具体的,每个爬壁机器人的驱动组件为两组,分别位于基底的两侧,两组驱动组件还能够产生两个相反方向的作用力,驱动组件的联合相互作用为爬壁机器人系统带来了线性速度,爬壁机器人还设有惯性测量单元,惯性测量单元能够获取爬壁机器人的方向和某个基底相对于其他基底的位置。
[0042] 爬壁机器人使用负压系统作为负压产生源,将机器人与墙壁表面接触空间内的气体连续抽吸,该接触空间即产生局部真空,最终借助局部真空压和大气压的压力差使机器人贴附在墙壁表面;负压系统包括叶轮,叶轮轮盖、叶片和叶轮轮盘组成了叶轮核心部件,叶轮置于叶轮支架上,叶轮支架位于叶轮板上;负压系统采用通风机作为负压产生源,负压系统与机器人本体结构匹配,其中负压系统安装在基底上。
[0043] 控制机器人在窗户表面产生的真空是机器人运动的关键因素之一,因为它使机器人保持附着在墙壁上并防止机器人掉落,易于操作和节能是负压系统的重要考虑因素。
[0044] 通过爬壁机器人的倾斜角度来控制负压系统,爬壁机器人的倾斜角度越大,负压系统的工作电压越高;其中,当爬壁机器人的倾斜角为0°时,负压系统关闭,当爬壁机器人的倾斜角为15°时,负压系统以12V电压运行,当爬壁机器人的倾斜角为60°时,负压系统以标准电压运行,当爬壁机器人的倾斜角为90°时,负压系统以最大电压运行。
[0045] 标准电压为24V,最大电压为36V,在最大电压下叶轮可以连续工作而不会损坏。因此,机器人在垂直位置时将始终以最大功率工作,即使墙壁有较多的灰尘或湿度,也会明显降低掉落的可能性。
[0046] 负压系统需要具有良好的密封性,基底的周向上还设有橡胶壳体,而且基底由丙烯酸板和/或PLA、TPU形成的混合板组成。
[0047] 装配爬壁机器人系统时,使用三根横向杆穿过三个爬壁机器人的支承板从而将爬壁机器人互连在一起,支承板始终处于同一高度,在工作之前,可以调整三个爬壁机器人之间的距离,使得每个爬壁机器人之间的间隔距离等于墙壁的障碍物的宽度。
[0048] 爬壁机器人在墙壁上运动,需要感知周边环境,根据应用环境特点,众所周知的,在墙壁上会有着大量的障碍物,这些障碍物主要为亮化灯带、玻璃窗框等,对于爬壁系统来讲,在墙壁上行走没有任何困难,因此整个系统主要感知对象为墙壁的障碍物。爬壁机器人系统还包括过障系统,过障系统能够使得爬壁机器人从一个墙壁过渡到另一个墙壁,避开墙壁的障碍物。
[0049] 因此,具有过障功能的爬壁机器人系统还包括过障系统,过障系统能够使得爬壁机器人从一个墙面过渡到另一个墙面,避开墙面上的障碍物,过障系统包括顶板,顶板连接有提升导向杆,提升导向杆上连接有支承板,提升导向杆的底端与爬壁机器人连接,过障系统还包括线性致动器,线性致动器用于产生提升运动从而将爬壁机器人脱离墙面。
[0050] 过障系统还包括限位开关,限位开关与线性致动器的执行器串联连接,当爬壁机器人到达最高点或最低点时,限位开关会生成信号以关闭执行器;过障系统还包括距离传感器,距离传感器用来探测来墙壁到爬壁机器人的底部的距离。
[0051] 爬壁机器人还设有感应传感器和接触传感器,感应传感器用于区分墙壁的障碍物和墙壁,感应传感器数量为4组,均匀的周向分布在基底的四条边上,感应传感器提供二进制信号,当感应传感器感应到墙壁的障碍物时,发送值1,接触传感器用于探测障碍物的突出边缘。当某个爬壁机器人的感应传感器检测到障碍物时,线性致动器提升该爬壁机器人沿导向杆向上运动,随后横向移动从而避开障碍物。
[0052] 如附图10、11所示,在爬壁机器人系统工作时,启动将爬壁机器人系统,将爬壁机器人系统置放于要进行爬壁的墙壁上,操控爬壁机器人系统按照预先设定的路径从左至右进行爬壁操作,当爬壁机器人a的位于底侧边上的感应传感器SaB的信号和爬壁机器人c的位于底侧边上的感应传感器ScB的信号同时不为0时,爬壁机器人系统到达墙壁的最底部;
[0053] 当爬壁机器人a的位于底侧边上的感应传感器SaB的信号、爬壁机器人c的位于底侧边上的感应传感器ScB的信号和爬壁机器人c的位于右侧边上的感应传感器ScR的信号同时不为0时,爬壁机器人系统到达墙壁的底角位置,爬壁机器人c上的线性致动器开始提升爬壁机器人c向上运动,向右进行过障操作;当爬壁机器人b的位于右侧边上的感应传感器SbR的信号和爬壁机器人c的位于左侧边上的感应传感器ScL的信号同时不为0时,停止向右运动,爬壁机器人c上的线性致动器开始操作爬壁机器人c向下运动到达墙壁的墙壁表面;当爬壁机器人b的位于右侧边上的感应传感器SbR的信号、爬壁机器人c的位于左侧边上的感应传感器ScL的信号同时不为0且爬壁机器人c完全与墙壁贴合时,爬壁机器人上的线性致动器开始提升爬壁机器人b向上运动,向右进行过障操作;当爬壁机器人b的位于左侧边上的感应传感器SbL的信号和爬壁机器人a的位于右侧边上的感应传感器SaR的信号同时不为0时,停止向右运动,爬壁机器人b上的线性致动器开始操作爬壁机器人b向下运动到达墙壁的墙壁表面;然后爬壁机器人a上的线性致动器开始提升爬壁机器人a向上运动,向右进行过障操作;当爬壁机器人a的位于左侧边上的感应传感器SaL的信号不为0时,爬壁机器人a上的线性致动器开始操作爬壁机器人a向下运动直至到达墙壁的墙壁表面。
[0054] 本发明的机器人结构、功能要求、工作环境和控制方式等共同决定爬壁系统的控制系统,控制系统作为机器人的“大脑”,其任务就是从机器人功能角度出发,结合工作环境、本体结构和运动方式,使机器人完成既定工作目标。
[0055] 控制系统包括微控制器,该微控制器位16位模式,并通过蓝牙传输与操作人员建立串行无线通信联系;微控制器用于向驱动电机的控制单元和线性致动器的执行器发出控制信号,即在控制单元和执行器之间建立了一个全双工串行通信通道,该通道配置有单独的ID值。
[0056] 本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0057] 此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实施例中的技术方案也可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

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专利转让费用

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1:专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2:按规定缴纳著录项目变更手续费。

3:同时提交相关证明文件原件。

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Q:专利著录项目变更费用如何缴交

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