负压吸附式爬壁机器人及其系统的制作方法

本发明属于机器人技术和自动化领域，涉及一种爬壁机器人的设计方法，通过基于模块化的自由组合设计，实现爬壁机器人体积、形状、搭载能力的快速变化，以适应不同环境和需求。

背景技术：

近十几年来，机器人技术迅猛发展。作为战场侦察、反恐监控和危险环境搜救尖兵的地面移动机器人，近期频繁出现在世界舞台上，成为引入瞩目的焦点。随着现代科技的发展，在多种领域，如反恐侦查、高层建筑检测，壁面清洗等都需要能实现爬壁功能的机器人，因此爬壁机器人技术的研究也处在飞速发展的关键阶段。这种爬壁机器人可以自由在各种角度的墙壁上行进，同时携带多种传感器或相应的负载装置完成任务，它能应用于多种复杂环境，为操作人员提供前方实时信息，它在空间搜索、危险环境探查和取样、战场侦察、城市救援、排爆和反恐防化等领域具有广泛的应用需求。

而目前，常见的爬壁机器人往往是根据某一特定攀爬要求设计，在体积、动力、负载、控制、通行能力方面均有较大差异，其体积较大的整体机器人，特别是此类机器人的吸附面往往是一个整体，形变能力有限，从而导致其越障能力受到较大限制，进一步降低了其的使用范围。故此，现有爬壁机器人主要存在如下缺陷：

一是使用范围和使用环境限制多。这些爬壁机器人因体积、形状、负载能力各不相同，当用户的使用环境和需求有较多变化时难以通过局部的改动来很快的适应，对各自的使用范围和使用环境也有较多限制；

二是通用性差，维护难。在环境或需求发生变化时难以使用，用户必须使用多种爬壁机器人来完成不同的任务。而且现有的爬壁机器人自成一个系统，此类机器人的部件发生故障时需要专业人员进行维修，无法进行快速修复来恢复功能；

三是功能扩展和技术升级难度高。此类机器人的扩展能力和后续升级能力难以实现，也无法由用户自己根据实际需要进行改装，无法进行二次开发和改型，即使能改进，也只是整机改进，基本是方案推倒重来，所以改进的代价高昂。

现有此类机器人，比较典型的主要有：申请号为200610151073.6的中国专利公开了一种基于负压吸附原理的小型爬壁机器人；该机器人采用密封裙密封方式，难于实现自助姿态转换功能。申请号为01138618.5的中国专利公布了一种履带式多吸盘爬壁机器人的实现方法，该机器人体积较大，结构复杂；CN97121896公开了一种“爬壁机器人”，所述的机器人利用螺旋桨或涵道风扇在动力驱动下产生指向壁面的推力，使机器人贴于壁面；这种爬壁方式的效率较低，因而应用大受限制。CN200910024927.8的爬壁机器人功能较好，但负压调节机制复杂，难以快速适应不同环境，限制了其的使用。

总之，现有的爬壁机器人体积较大，结构复杂，体积、形状、负载能力各不相同，对各自的使用范围和使用环境也有较多限制，在环境或需求发生变化时难以使用，形变能力有限，从越障能力受到限制；缺乏二次改造的能力、难以进行扩展和后续升级；缺乏根据环境不同自组织的能力和缺乏零部件快速维修更换的能力，维护成本高。这些能力的缺失将严重阻碍爬壁机器人的应用推广。

所以，有很大需求来设计一种负压吸附式爬壁机器人，能够根据用户需求快速改变自身性能来完成不同任务。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种通用性、易用性和可维护性好，维护成本低、适用性强的负压吸附式爬壁机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种动力负压吸附式爬壁机器人包括组件连接装置（11）、负压发生装置（12）、控制装置（13）、支撑及密封装置（14）和动力移动装置（15），所述支撑及密封装置内设有负压发生装置、控制装置和动力移动装置，支撑及密封装置外侧连接组件连接装置。

本发明的组件连接装置（11）包括连接头、弹簧、扣具，弹簧一端连接机器人，另一端连接连接头，连接头端部设有扣具。

本发明的连接头包括凸形连接头（111）和凹形连接头（112），凸形连接头（111）和凹形连接头（112）相匹配。

本发明的负压发生装置（12）包括叶轮、泵体、泵驱动电机座、电机传动顶丝、导流环、压力调节阀，泵体固连在机器人的支撑底板上，在泵体上固连泵驱动电机座，泵驱动电机座上的电机输出轴深入到叶轮的特征孔内，安装在螺纹孔内的电机传动顶丝紧固，从而带动叶轮旋转；在叶轮与电机支座之间设置起整流作用的导流环；负压发生装置中的叶轮和泵体之间采用两道“L”形迷宫式间隙密封，这样就形成了负压腔，负压腔内设置有压力调节阀。

本发明的动力移动装置（15）包括驱动电机、运动轮，驱动电机一端连接运动轮，另一端连接控制装置。

本发明的一种无动力负压吸附式爬壁机器人包括组件连接装置、负压发生装置、控制装置、支撑及密封装置和无动力自由转向移动装置（25），所述支撑及密封装置内设有负压发生装置、控制装置和无动力自由转向移动装置，支撑及密封装置外连接组件连接装置。

本发明的无动力自由转向移动装置（25）包括万向环、运动轮，万向环一端连接运动轮，另一端连接支撑及密封装置。

本发明的一种负压吸附式爬壁机器人的系统包括动力负压吸附式爬壁机器人（1）、无动力负压吸附式爬壁机器人（2）、系统控制装置，所述动力负压吸附式爬壁机器人（1）和无动力负压吸附式爬壁机器人（2）通过组件连接装置相互配合连接，系统控制装置分别连接动力负压吸附式爬壁机器人（1）和无动力负压吸附式爬壁机器人（2）上的控制装置。

本发明的动力负压吸附式爬壁机器人（1）上的凸形连接头（111）和凹形连接头（112）分别与无动力负压吸附式爬壁机器人（2）上的凸形连接头（111）和凹形连接头（112）相连接。

本发明的系统控制装置可通过无线或有线的方式进行接收或传输信号。

本发明是基于这样一个总体思路：通过将2个以上同样设计的机器人采用连接部件相互连接成一个整体，并通过总体控制装置实现整体行为；而且每一个机器人均有完整的动力装置、负压吸附力装置和行动控制装置，均分别具有一定的搭载能力。

可以根据不同需要将数个机器人组合起来，实现体积、形状、吸附力、搭载重量的变化。连接的模块机器人之间有一定差动能力和弹性连接，可以提升越障能力。

通过替换损坏模块，实现快速维护。

本发明通过设计可以自由组合的模块化机器人，可以根据不同需求更改机器人的体积，形状，搭载能力，提升了爬壁机器人的越障能力，能够快速替换损坏部分，具有很好的通用性，扩展性，使用方便。

实现本发明目的的技术解决方案为:一种模块化的负压吸附式爬壁机器人，包括模块化的小型机器人和模块连接后的总体控制装置组成。小型机器人分为两类：有自行动力的机器人和无自行动力的机器人。有自行动力的机器人包括组件连接装置、负压发生装置、控制装置、支撑及密封装置和动力移动装置组成；无自行动力的机器人包括组件连接装置、负压发生装置、控制装置、支撑及密封装置和无动力自由转向移动装置组成。所有的模块机器人通过连接装置组成一个整体，由总体控制装置对其进行控制。

机器人的连接装置由连接头、滚珠、弹簧、扣具构成。连接头分为“凸”、“凹”两种连接头，通过弹簧连接在模块机器人的外壳上。机器人外形大致为长方体，在水平方向的四个面上各有两个“凸”、凹型接头。“凸”、凹型接头通过扣具进行连接，“凹”型连接头的内部附有滚珠。“凸”“凹”接头连接后通过滚珠和弹簧具有一定的垂直方向偏移能力，当连接头的一边由于越障等因素产生抬升时，与它相连的一边基本保持不变。该机器人的负压发生装置包括叶轮、泵体、泵驱动电机座、电机传动顶丝、导流环;泵体固连在机器人的支撑底板上，在泵体上固连泵驱动电机座，固连在泵驱动电机座上的电机输出轴深入到叶轮的特征孔内，然后利用安装在螺纹孔内的电机传动顶丝紧固，从而带动叶轮旋转;在叶轮与电机支座之间设置起整流作用的导流环;负压发生装置中的叶轮和泵体之间采用两道“L”形迷宫式间隙密封。机器人的底板边缘的密封带固连在底板上，密封带内部填充海绵；该密封带通过安装压条固定在底板上或者胶粘在底板上；密封带呈无缝整体结构，材料为防雨绸。

本发明与现有技术相比，其显著优点是:1)、通过连接装置实现自由组装，机器人采取模块化设计，可以通过连接装置与其它机器人组合，这样使机器人可以组装成不同形状，对不同地形有良好的通过能力，各个机器人的连接部分有一定的偏移能力，可以使机器人在越障时保持整体基本不变，仅少量小机器人发生位移，通过连接机器人数量的变化，提供不同的负载能力，满足各种特殊环境的任务需求;2)、小型高效，机器人负压发生装置的叶轮驱动采用小扭矩高转速伺服电机、叶轮和泵体采用低密度的材料制作及机器人零部件多处采用筋板设计结构使得机器人自重很小，相对承载能力较大，数个机器人连接后可提供更大的负载能力，同时稳定性好，可连续工作时间长;3)、结构简单，利用快速成型技术，使得模块化机器人内部的负压、控制、驱动等单元采用整体结构，连接紧密，从而降低了爬壁机器人的结构的复杂性，提升了整体的可靠性;4)、能耗低，本发明中使用的模块机器人均具有负压发生单元，组装成型后在整体不同位置就具有数个负压力点，使负压均匀分布，同时在越障等环境改变的情况下，只会有少部分机器人位置偏移，其余机器人均能长期处于同一稳定环境下工作，可以使动力单元在经济功率下运作，这些使得所发明的爬壁机器人的能耗相对较低，具有较长的使用时间;5)、爬壁机器人采用底板下等宽矩形环状密封，可彻底解决裙式密封的缠卷问题;6)、有良好的维护性、可扩展性和升级能力，通过模块化设计，当少部分小机器人在发生损坏时，可以保证机器人整体仍具有一定行动能力，通过替换损坏小机器人，可以快速恢复机器人的功能，便于野外等环境的使用，本发明目前有两种不同模块，但可以根据用户需求设计出有特殊功能的模块，如带有摄像头，测距仪等，同时由于技术升级，已有模块的动力、负压等单元也可能进行升级，这些改进能方便的加入已有机器人中，具有很好的可扩展性和升级能力。

本发明使用一种模块化爬壁机器人，能够自由组合来实现自身体积、形状、搭载能力的快速变化，满足不同任务的需求。

作为一可以自由组合的模块化爬壁机器人，可以自由变更机器人的体积、形状、搭载能力，具有良好的通用性，易用性和可维护性，适用于爬壁机器人的所有应用领域，市场前景广阔，具有良好的经济收益。

本发明目的是要提供一种负压吸附式爬壁机器人，能有效地提高爬壁机器人的通用性、易用性和可维护性，用户可以针对不同环境来自由改变爬壁机器人的形状和体积，以满足不同的空间要求。用户可根据自身需要，自由组合爬壁机器人的各个功能模块，方便的进行二次开发，在机器人发生故障的情况下，用户只需要更换某个模块，降低维护成本、提供系统可维护性。，能够自由组合来实现自身体积、形状、搭载能力的快速变化，满足不同任务的需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是无动力模块内部俯视图；

图3是动力模块内部俯视图；

图4是模块连接示意图；

图5是模块组合示例图。

图中：1-动力负压吸附式爬壁机器人、2-无动力负压吸附式爬壁机器人、11-组件连接装置、12-负压发生装置、13-控制装置、14-支撑及密封装置、15-动力移动装置、25-无动力自由转向移动装置、111-凸形连接头、112-凹形连接头。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1，本发明所设计的模块化机器人包括以下几个基本部分：支撑及密封装置14、凸形连接头111、凹形连接头112、负压发生装置12、控制装置13、动力移动装置15；同时，本发明的模块机器人分为动力负压吸附式和无动力负压吸附式两型，动力负压吸附式机器人还具有驱动电机，无自行动力机器人还具有万向环，参阅图1至图5。

实施例2，本发明的爬壁机器人移动轮外面胶粘具有防滑作用的橡胶摩擦带，针对涂料、砖石或水泥等材料构成的墙壁，其具有自助实现爬壁姿态转换的功能，参阅图1至图5，其余同上述实施例。

实施例3，本发明的控制装置13包含电台、信息控制板、电池等部件，能够通过电台接受遥控装置发出的指令。负压发生装置12包括叶轮、泵体、泵驱动电机座、电机传动顶丝、导流环、压力调节阀。泵体固连在机器人的支撑底板上，在泵体上固连泵驱动电机座，固连在泵驱动电机座上的电机输出轴深入到叶轮的特征孔内，然后利用安装在螺纹孔内的电机传动顶丝紧固，从而带动叶轮旋转;在叶轮与电机支座之间设置起整流作用的导流环;负压发生装置中的叶轮和泵体之间采用两道“L”形迷宫式间隙密封，这样就形成了负压腔，提供吸附力将爬壁机器人压在墙壁上。压力调节阀在负压腔的气压低于一定值使会顶开阀门，连通外界空气来升高压力，在高于一定气压后阀门关闭，这样就保证了负压腔内的气压处于一个稳定的范围。动力模块具有的驱动电机包含驱动板和左右控制电机，能够分别控制左右两轮的速度和转动方向，便于运动控制，参阅图1至图5，其余同上述实施例。

实施例4，本发明负压发生装置12的负压腔底部通过密封带固连在底板上，密封带内部填充海绵。该密封带通过安装压条固定在底板上或者胶粘在底板上。密封带呈无缝整体结构，材料为防雨绸。保证负压腔的密封性。无动力模块在底部具有万向环，可以任意转动运动轮方向，便于在机器人运动时辅助转动，参阅图1至图5，其余同上述实施例。

实施例5，本发明的模块机器人在水平方向有四个接口：在前侧和左侧为凸形连接头111；在后侧和右侧为凹形连接头112，凹形连接头的内部具有滚珠。所有的接头通过弹簧与外壳相连；凸形连接头111和凹形连接头112连接在一起，用扣具固定；通过这样的连接方式，当机器人越过障碍时，当一个模块机器人因障碍发生抬升或悬空时，与它连接的模块机器人基本保持不变，防止了机器人因抬升或悬空导致负压腔的压力骤减而产生危险，参阅图1至图5，其余同上述实施例。

实施例6，本发明模块机器人的一种组装状态。在图中，有网状阴影的矩形是动力负压吸附式爬壁机器人1，空白矩形为无动力负压吸附式爬壁机器人2，模块连接通过连接头完成。每一个模块均提供吸附力，运动控制通过四个动力模块的速度差值和转动方向差异来实现；这样可以使本发明能任意组装各个模块，形成有不同连接方式和任意动力模块的组装方案，可以满足不同任务的需求，参阅图1至图5，其余同上述实施例。

实施例7，本发明的模块爬壁机器人工作过程为:首先根据任务需求和使用环境组合各个模块并安装负载。利用遥控器发送指令给各个模块的电台-信息控制板，信息控制板发送指令来完成负压发生装置的启动并将速度控制信息发至驱动装置，负压发生装置的驱动气动叶轮高速旋转，把密封腔室内部的气体排除，进而形成负压，使爬壁机器人被吸附在所爬墙壁上，通过合理改变各个动力模块的速度和转动方向实现爬壁机器人在墙壁的行走和转弯功能，参阅图1至图5，其余同上述实施例。