专利名称：一种负压吸附式爬壁机器人的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人技术和自动化领域，特别是一种具有自助实现壁面转换的负压 吸附式爬壁机器人。
背景技术：
随着科技的发展，反恐侦查、高层建筑检测，壁面清洗等领域往往需要能实现爬壁 功能的机器人。这种机器人可携带多种传感器完成任务。现有的爬壁机器人中大部分体积较大，利用磁吸附的较多，该种机器人只能在导 磁面爬行，比较笨重，消耗能源比较多，爬壁的效率较低，一般很难做到无缆化。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。总之，现有的爬壁机器人体积较大、结构复杂、耗能高、爬壁效率低并且很难实现 自助姿态转换功能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、小型高效、能耗低、并具有自助爬壁姿态转 换的爬壁机器人。实现本发明目的的技术解决方案为一种负压吸附式爬壁机器人，包括负压发生 装置、控制装置、支撑及密封装置和移动装置；其中负压发生装置、控制装置、移动装置设置 在机器人支撑底板的后部，机器人质心同后轮之间的距离b与前后行走车轮跨距L的比b/ L的范围为b/L彡1/3。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 电机输出轴直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”字形迷宫式间隙密封，即叶轮的气流入口密封外端面与泵体的 气流入口密封底面之间的轴向间隙密封，同叶轮的气流入口密封外圆柱面与泵体的气流入 口密封内圆柱面之间的径向间隙密封组合成了第一道“L"字形密封；叶轮的叶轮盘密封底 面与泵体的气流出口密封平面之间的轴向间隙密封，同叶轮的气流出口密封外圆柱面与泵 体的气流出口密封凸环的内圆柱面之间的径向间隙密封组合形成了第二道"L"字形密封。 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。机器人的底板上设置若干通气孔。 本发明与现有技术相比，其显著优点是1)、结构简单，利用快速成型技术，使得叶 轮和泵体采用整体结构，从而降低了爬壁机器人的结构的复杂性；2)、小型高效，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小，相对承载能力较大，可连续工作时间长；3)、能耗低，本发 明所涉及的爬壁机器人中采用了功率匹配的优化设计技术、合理的密封结构及压力反馈控 制技术，这些使得所发明的爬壁机器人的能耗相对较低。4)、各装置及元件的合理布局，使 得机器人的质心位于前后行走车轮跨距的三分之一处，从而使机器人具有自助实现地面行 走状态到爬壁状态的姿态转换功能；5)、为流量很小的负压发生器子系统的密封提供一种 有效的方法，容积效率0.9以上；6)、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。
图1为本发明的负压吸附式爬！1机器人立体结构示意图。
图2为本发明的负压吸附式爬！1机器人平面结构示意图。
图3为本发明的负压吸附式爬！1机器人质心位置示意图。
图4为本发明的负压吸附式爬！1机器人上装置布置示意图。
图5为本发明的负压吸附式爬！1机器人负压发生器密封结构示意图。
图6为本发明的负压吸附式爬！1机器人负压发生器中叶轮示意图。
图7为本发明的负压吸附式爬！1机器人负压发生器中泵体示意图。
图8为本发明的负压吸附式爬！1机器人负压发生器中电机支座示意图。
图9为本发明的负压吸附式爬！1机器人底板密封装置示意图。
图10为本发明的负压吸附式机器人装置的行走受力状况示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述。结合图1和图2，本发明的一种具有自助实现姿态转换功能的负压吸附式爬壁机 器人采用模块化设计方法，它包括四个部分，分别为负压发生装置41 ；驱动装置43 ；支撑 及密封装置40和控制装置42。其中负压发生装置41、控制装置42、电池设置在机器人支 撑底板24的后部，使质心T01到后轮旋转中心的水平距离b为前后轮跨距L的三分之一左 右，从而使机器人具有自助实现地面行走状态到爬壁状态的姿态转换功能。机器人质心T01 同后轮之间的距离b与前后行走车轮跨距L的比b/L的范围为b/L< 1/3。其中b/L越 小，自助实现壁面转换的功能越强。本发明的爬壁机器人移动轮子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。下面具体分析其取值的原理。假定爬壁机器人的前轮已经靠在所要爬的墙壁上，并且对墙壁产生了一定的正压 力和向上的摩擦力(摩擦力与运动趋势相反)，如图10所示。后轮所受的摩擦力为，正 压力为K，前轮所受墙壁的正压力为N2，墙壁的摩擦力为f2，各力的关系如下<formula>formula see original document page 5</formula>
式中y—摩擦系数。 要使系统能够爬上墙壁，需要满足如下不等式 f2L ^ Gb
利用上述关系可得<formula>formula see original document page 5</formula>
式中，L——机器人两个轮子的跨距，b——b为质心到后轮轴线的水平距离。 也就是说，取P = 0. 7，得b彡0. 329L。
负压发生器41包括一个安装在电机支座20上风机电动机，电动机的轴上安装叶 轮16，叶轮16与电机输出轴之间用电机传动顶丝17固定，整个负压发生器41通过泵体22 连接在带有密封系统的支撑板24上。在支撑板上还安装了具有同步带驱动的行走装置。控 制装置42又包括负压发生器的反馈闭环控制和行走遥控系统。本发明的具有自助实现姿态转换功能的负压吸附式爬壁机器人四个部分具有相 对的独立性，相互接口非常简单，完全可以独立设计、制造。结合图2，行走驱动轮轴2通过 顶丝螺钉10与减速器12连接，减速器12与驱动伺服电机13采用采用一体化制造，行走车 轮外端连接有带轮3，带轮3利用顶丝1限制轴向窜动，同时利用带轮/轴承分隔套6进行 轴向定位，带轮3通过平键4实现与行走驱动轴2同轴转动，带轮3两端铆接有挡圈27，以 便限制同步带的跑偏。行走轮轴2采用两端支撑结构，即其外端安装有深沟球轴承8，轴承 8安装在轴承座7内，带轮3通过同步带5驱动从动轮37作同步转动；行走主动车轮2和 从动车轮37的外面粘接有车轮摩擦带9，驱动装置利用遥控器进行控制，实际上行走电机 本身具有内部位置/速度小闭环控制。结合图3、图4，为了能够实现自助是姿态转换的功能，爬壁机器人上负压发生器 装置41、移动装置43中的驱动伺服电机13及控制装置42中的一些非结构性部件，如负压 发生器动力锂电池30、左移动动力锂电池31、左移动驱动板32、右轮移动动力锂电池33、右 移动驱动板34、接收器35、叶轮电机驱动板36、压力反馈控制模拟板38、压力传感器39等 等元件应尽可能固定在支撑板24的后端，以便式机器人的重心约在前后轮跨距1/3处。结合图5、图6、图7、图8，负压发生装置41包括叶轮16、泵体22、泵驱动电机支座 20、电机传动顶丝17、导流环19，泵体22固连在机器人的支撑底板5上，在泵体22上固连 泵驱动电机座20，固连在泵驱动电机座20上的电机15输出轴直深入到叶轮16的特征孔 16-T6内，该输出轴通过安装在螺纹孔16-T5内的电机传动顶丝17紧固，从而带动叶轮16 旋转；具体为电机支座20通过安装平面20-T1安装在泵体安装面22-T1上，泵体22与电 机支座20之间的径向定位通过泵体止口外端面22-T2和电机支座定位止口 20-T2的精密 配合得以实现。叶轮驱动电机15安装在电机支座的安装平面20-T3上，二者之间通过止口 20-T4实现径向定位，同时利用螺钉21实现固定。电机座20上的叶轮驱动伺服电机15输 出轴直深入到叶轮16的特征孔16-T6内，然后利用安装在螺纹孔16-T5内的电机传动顶丝
517紧固。电机15的输出扭矩通过电机传动顶丝17传递给叶轮16从而带动叶轮16作同 轴旋转。泵体22通过螺钉18固连在机器人的支撑底板24上，泵体22与底板之间铺有气 体过滤网14，在叶轮16与电机支座之间安装具有整流作用的导流环19，经导流环整流后的 气流从电机支座20的端面环状孔20-T5排到大气中；叶轮和泵体之间采用迷宫式间隙密封 结构，分别在入口和出口处设置两道“L，，字形间隙密封，即首先在叶片出口处，利用叶轮16 轮盘径向外圆柱面和轮盘下表面实施第一道“L”字形密封；然后在叶轮入口处，利用叶轮 入口外圆柱面及端面实施第二道“L”字形密封。具体为叶轮16和泵体22之间采用两道组 合式“L"字形密封，即叶轮16的气流入口密封外端面16-T1与泵体22的气流入口密封底 面22-T3之间的轴向间隙密封，同叶轮16的气流入口密封外圆柱面16-T2与泵体22的气 流入口密封内圆柱面22-T4之间的径向间隙密封组合成了第一道“L_’，字形密封；叶轮16的 叶轮盘密封底面16-T3与泵体22的气流出口密封平面22-T5之间的轴向间隙密封，同叶轮 16的气流出口密封外圆柱面16-T4与泵体22的气流出口密封凸环的内圆柱面22-T6之间 的径向间隙密封组合形成了第二道“L，，字形密封。两道间隙密封构成了迷宫式间隙密封。叶轮16选用ABS(ABS 是丙烯腈、丁二烯、苯乙烯的合成塑料)作为叶轮成型材 料，利用FDM(FUSED deposition Modeling熔融沉淀成型技术)快速成型技术制作叶轮原 型。快速成型的叶轮原型与实际模型的差别是前者在叶轮气流出口外圆柱面16-T4和气流 入口密封外圆柱面16-T2径处留有一定的精加工余量。叶轮原型经过二次精加工后成为实 际工作叶轮。二次精加工过程主要包含两道工序首先，利用精密车床或镗床，加工电机轴 安装孔；然后，利用心轴定位方法加工及叶轮气流入口密封外圆柱面16-T2、气流出口密封 外圆柱面16-T4，气流入口密封端面16-T1和叶轮盘密封底面16-T4。泵体22不但是负压发生器子系统与支撑系统之间的连接元件，同时还为叶轮提 供集气器和密封作用。泵体的制作过程如下首先，选用ABS作为泵体的制作材料，利用FDM 快速成型技术制作泵体毛坯原型；然后，利用精密车床对泵体原型进行二次精加工。二次精 加工方法如下首先根据入口内圆尺寸制作一个装夹心轴，以心轴作为定位基准，在一次装 夹中加工泵体安装止口 22-T2、气流入口密封内圆柱面22-T4、气流出口密封凸环内圆柱面 22-T6、泵体安装平面22-T1、入口密封端面22-T3、出口密封底面22-T5。泵体径向安装尺寸 及径向密封尺寸采用与叶轮相关径向尺寸配做的方法进行加工。负压发生器系统采用吸附腔压力偏差负反馈控制策略，算法采用简单的比例控 制，通过模拟控制板实现，具体结构为密封腔的实际压力由压力传感器39测得，然后与反 馈模拟控制板38的设定压力进行比较，所得到的偏差信号经过模拟板38处理后，反馈控制 电机15的转速。整个控制系统位于支撑底板24、封装侧板28和封装盖板29所形成的箱体 中。结合图9，密封结构主要包括支撑底板24、密封带26、填充海绵23、密封带压板，密 封带压板25和一些连接螺钉等，剖面线覆盖部分是密封环路部分。软质密封带26利用压 板25和螺钉固定在支撑底板24下面，其内部具有填充海绵23，密封的高度可由海绵的高度 进行调整。另外还需要在底板上开有若干通气孔24-T1，通气孔24-T1的作用是引入环境高 压气体，增加密封带与壁面的正压力，提高密封效果。底板环状密封的优点是在机器人行走时，可以避免密封带缠卷现象，为实现地面 到壁面姿态自助式转换提供必要条件。密封带的作用是把密封吸附腔与外部环境分隔开来，密封带呈无缝整体结构，由防雨绸加工而成。填充海绵的作用是使密封带与墙壁之间具 有软接触性质，以提高密封对壁面不平整度的适应性，从而减小泄漏流量。密封的高度由填 充海绵调整，如果密封高出轮子太多，则会影响爬壁机器人的地面行走，但如果过低又会降 低密封效果，本装置自然密封高度高出轮子2mm，当爬壁机器人位于地平面时，机器人靠自 重使轮子接触到地面，其正压力必须足以保证轮子与地面的摩擦力可以驱动机器人自由行 走。安装压条的作用是把密封环按要求固定在支撑底板上。当然，如果填充海绵的高度无 需调整，可以利用胶粘的方法代替压条连接方法。 爬壁机器人工作过程为首先利用遥控器40发送指令给机器人内部的遥控信息 接收器35，接收器通过CAN总线把控制信息传送到移动驱动伺服电机驱动板34、叶轮电机 驱动板36，从而实现机器人的行走功能，等到完成爬壁姿态转换后，在通过遥控器、接收器 及CAN总线把命令传送给叶轮伺服电机驱动板，从而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，此时再合理控制行走 运动，则最终可实现爬壁机器人在墙壁的行走功能。爬壁机器人转弯是通过左右行走电机 的差速控制实现的。
权利要求
一种负压吸附式爬壁机器人，包括负压发生装置[41]、控制装置[42]、支撑及密封装置[40]和移动装置[43]；其特征在于，负压发生装置[41]、控制装置[42]、移动装置[43]设置在机器人支撑底板[24]的后部，机器人质心[T01]同后轮之间的距离b与前后行走车轮跨距L的比b/L的范围为b/L≤1/3。
2.根据权利要求1所述的负压吸附式爬壁机器人，其特征在于，负压发生装置[41]中 的叶轮[16]和泵体[22]之间采用两道“L”字形迷宫式间隙密封，即叶轮[16]的气流入口 密封外端面[16-T1]与泵体[22]的气流入口密封底面[22-T3]之间的轴向间隙密封，同叶 轮[16]的气流入口密封外圆柱面[16-T2]与泵体[22]的气流入口密封内圆柱面[22-T4] 之间的径向间隙密封组合成了第一道“L”字形密封；叶轮[16]的叶轮盘密封底面[16-T3] 与泵体[22]的气流出口密封平面[22-T5]之间的轴向间隙密封，同叶轮[16]的气流出口 密封外圆柱面[16-T4]与泵体[22]的气流出口密封凸环的内圆柱面[22-T6]之间的径向 间隙密封组合形成了第二道“ L ”字形密封。
3.根据权利要求1或2所述的负压吸附式爬壁机器人，其特征在于，机器人的底板边缘 的密封带[26]固连在底板[24]上，密封带内部填充海绵[23]。
4.根据权利要求3述的负压吸附式爬壁机器人，其特征在于，机器人的底板外边缘的 密封带[26]通过安装压条[25]固定在底板[24]上。
5.根据权利要求3述的负压吸附式爬壁机器人，其特征在于，机器人的底板边缘的密 封带[26]胶粘在底板[24]上。
6.根据权利要求4或5所述的负压吸附式爬壁机器人，其特征在于，密封带[26]呈无 缝整体结构，材料为防雨绸。
7.根据权利要求1或2所述的负压吸附式爬壁机器人，其特征在于，机器人的底板上设 置若干通气孔[24-T1]。
全文摘要
本发明公开了一种负压吸附式爬壁机器人，包括负压发生装置、控制装置、支撑及密封装置和移动装置；机器人质心同后轮之间的距离与前后行走车轮跨距的比值范围为小于等于三分之一。机器人的负压发生装置中的叶轮和泵体之间采用两道字形迷宫式间隙密封。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。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，机器人的底板上设置若干通气孔。本发明的机器人结构简单、小型高效、具有自助实现地面行走状态到爬壁状态的姿态转换功能。
文档编号B25J5/00GK101823256SQ20091002492
公开日2010年9月8日 申请日期2009年3月3日 优先权日2009年3月3日
发明者刘传才, 杨靖宇, 董宏林, 赵春霞 申请人:南京理工大学