專利名稱：子母式附壁機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種適應復雜立面作業的機器人裝置，尤其涉及一種子母式附壁作業機器人。
現有的高空立面作業機器人，如國內某大學設計的“單吸盤附壁機器人”，國內另一大學機器人研究所設計的“安全保險裝置”，專利申請號CN00 2 05833.2；另有相關產品“擦拭機器人”，專利申請號CN 00 2 01085，均是自主行走的附壁機器人.其在較復雜的立面作業時，存在的主要缺點有二一是靜不穩定，二是敏捷、靈活性較差。自主行走的附壁機器人在立面作業時存在缺陷或不足的原因如下1.機器人要部分或全部承擔自身重量，機器人本身在立面是自主行走，自重須由自身的吸附力產生足夠的摩擦力來承擔。為避免對機器人產生“過定位”，該類機器人的保險索一般應處于隨動松弛狀態，機器人在本體失去吸附力如斷電、真空吸盤失效等情況下，由立面摩擦力承擔的自重須轉由松弛的保險索承擔，這一過程導致系統出現靜不穩定；2.機器人上、下行走時，由于重力作用完全相反，所以，運動特性嚴重不對稱，對吸附力要求高，敏捷性較差；3.為克服障礙并利于掛保險索，機體重心要遠離立面，因此會對立面產生很大的彎矩，機器人行走時不靈活；4.機器人很難越過大的障礙，比如障礙起伏度大于吸附腳能抬起的高度。如果機器人本體處于凹陷或凸起較大的地方，因其一旦失穩，自重部分馬上會波及到安全系統，出現失穩將產生大幅振蕩，且難以恢復到吸附態。
專利申請號為CN 99 1 07420.3和CN 99 2 11741.0的大樓清洗機，及專利申請號為CN 99 2 52601.9的外墻自動清洗機，其雖能保證靜穩定性，但整個系統過于龐大，當機體與作業面產生相對運動時，運動學關系復雜，控制難以做到敏捷、精確。復雜的立面作業要求機體在垂直于立面的水平方向能有大幅度的尺寸延長，而處于該種延長狀態時，上述系統運行時的精確性和動態穩定性更難確保。
還有在靠近立面或在立面上形成一個大穩定平臺的，從平臺上伸出長臂，其類似于人站在吊艙中手持長柄工具作業。此類系統亦較龐大，平臺需要牢固地生根于立面，當平臺距離立面較遠時，平臺搖晃會對生根點產生很大的影響。而要將基于平臺對長臂的驅動變為前端相對于立面的位移或力，因其間的減速器、長臂、大轉動慣量、間隙、剛度等機械因素過多，類似在一個杠桿的支點處施力來對其端點加以控制，前端的位移或力的精度和運動靈活性很差。
從安全角度考慮，現有自主行走的附壁機器人均無法完全脫離保險索。附壁機器人前端相對于作業面的敏捷靈活運動是其完成高質量作業的基本要求，對于復雜作業面，則更要求其具備自主行走能力。如果機器人能不受自重影響，敏捷靈活地到達某一區域，且能可靠地附著，就可將立面作業機器人的特殊技術問題轉變為地面普通作業機器人的問題。
本發明的目的在于避免上述現有技術中的不足之處，而提供一種靜穩定、敏捷、靈活的用于復雜立面作業的子母式附壁機器人。
本發明的目的可通過以下措施來達到一種子母式附壁機器人，包括牽引攀爬機構8及操作器11，其特殊之處在于它還包括母平臺、平衡臂2及附壁機器人子機6；所述的母平臺包括臺體10，其還包括支撐平衡臂2的支座7及含控制器及信號收發器的母平臺主控制器9；所述的平衡臂2包括主臂3，該主臂3的一端通過支座5與附壁機器人子機6相聯接；所述的附壁機器人子機6包括固定于子機機體27上的子機控制器23、作業裝置25及吸附生根行走裝置26，所述的子機機體27通過聯接支座24與支座5相聯接；所述的吸附生根行走裝置26為附壁機器人。
上述支座5、7以采用主從二自由度支座為佳，該主從二自由度支座可包括主支座14，所述的主支座14上固定有主支座減速離合器13和副轉盤支座15，主支座驅動電機12通過主支座減速離合器13與副轉盤支座15相連接；所述的副轉盤支座15上固定有副支座減速離合器17和副支座輸出軸16，所述的副支座驅動電機18通過副支座減速離合器17與副支座輸出軸16相連接。
上述支座5以通過主從伸縮節4與主臂3固定連接為佳；所述的主從伸縮節4包括子節19及與之滑動配合的母節22，伸縮驅動電機2 1通過伸縮減速離合器20固定于母節22上，伸縮驅動電機21通過伸縮減速離合器20與子節19相連接。
上述主臂3的另一端可設置配重1。
上述配重1為重量或力臂以采用可調式配重為佳。
上述附壁機器人子機6可為單子機、雙子機或多子機。
上述牽引攀爬機構8可為一維或二維的隨動機構，所述的附壁機器人子機6可為一維或二維運動的附壁機器人子機。
上述母平臺主控制器9還可包括攝像機，所述的臺體10可以是含供電、供氣、供回水系統的臺體。
上述作業裝置25可為檢測裝置、清洗裝置或噴涂裝置等；所述的主支座驅動電機12、副支座驅動電機18和伸縮驅動電機21可為步進電機或伺服驅動裝置等。
上述吸附生根行走裝置26可為輪式驅動單吸盤機器人、履帶驅動單吸盤機器人、履帶驅動多吸盤機器人、多吸盤步進式行走機器人或磁性吸附機器人等。
本發明與現有技術相比具有如下優點1.本發明用牽引或攀爬索始終承擔全系統自重，各個子機運行時由于其自重基本被平衡掉，加之可鎖定的支座、前端支座和伸縮節，在復雜立面作業時始終可保持全系統是靜穩定的；2.子機運行時由于其自重基本被平衡掉，所以上、下方向的特性基本一致，不會對立面產生很大的彎距，運動的精度和敏捷性提高，降低了對吸附生根裝置的要求；3.由于平衡臂上的既可主動又可從動的支座、前端支座和伸縮節，可以消除自重影響，非常靈活地將子機調整到不同的姿態，可以多子機協調生根，適應于復雜的凹、凸立面、柱面、球面、斜面等作業面；4.本發明前端敏捷、精確，子機自主運動的難度低，可主動越障，也可通過平衡臂調整越障；5.當母平臺固定時，通過平衡臂的變化可使子機覆蓋較大的作業區域，作業過程中整個系統無需時時移動。
附面說明如下
圖1為本發明的結構示意圖；圖2為本發明的主從二自由度支座的結構示意圖；圖3為本發明主從伸縮節的結構示意圖；圖4為本發明的子機結構示意圖；圖5為本發明雙子機或多子機作業的示意圖；圖6為本發明越障作業的示意圖。
附圖標號說明1-配重，2-平衡臂，3-主臂，4-主從伸縮節，5-主從支座，6-附壁機器人子機，7-主從支座，8-牽引攀爬機構，9-母平臺主控制器，10-臺體，11-操作器，12-主支座驅動電機，13-主支座減速離合器，14-主支座，15-副轉盤支座，16-副支座輸出軸，17-副支座減速離合器，18-副支座驅動電機，19-子節，20-伸縮減速離合器，21-伸縮驅動電機，22-母節，23-子機控制器，24-聯接支座，25-作業裝置，26-吸附生根行走裝置，27-子機機體。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步詳述參見圖1，本發明主要由母平臺；牽引攀爬機構8；平衡臂2；二維運動附壁機器人子機和操作器11五大部分構成。
牽引攀爬機構8可采用一維或二維的隨動機構，如建筑物頂部移動單元或專利號為CN 01 2 46938的一種攀爬定位裝置，或其他高空作業吊籃的運動機構。母平臺的臺體10包含供電、供氣、供回水系統等；母平臺還包括主從二自由度支座7及含控制器、攝像機、無線電收發器的母平臺主控制器9等。牽引攀爬機構8使母平臺可隨動，使其在平行于作業立面的二維平面運行，其承載的水、電、氣源可確保系統運行；主從二自由度支座7用以支撐平衡臂2的運動；母平臺主控制器9用于控制母平臺的運動和協調附壁機器人子機6的運動，母平臺主控制器9的信號收發器接收操作器11的信號、傳送運行狀態，母平臺主控制器9的攝像機監測系統的運行。平衡臂2由配重1、前端主從二自由度支座5、主臂3、主從伸縮節4等部分構成。配重1以采用可改變重量或力臂的可調配重為佳。配重1用以平衡附壁機器人子機6的重量；平衡臂2的前端主從二自由度支座5用以聯接附壁機器人子機6和調整其姿態；主從伸縮節4用以調整平衡臂2，使其適應母平臺與立面之間的間距；平衡臂2安裝在主從二自由度支座7上，可保證其前端的軌跡在球面空間運動。
見圖2，主從二自由度支座7和主從二自由度支座5的功能由主支座驅動電機12、主支座減速離合器13、主支座14、副轉盤支座15、副支座輸出軸16、副支座減速離合器17、副支座驅動電機18等裝置實現。當某一自由度處于主動時，其輸出是由主支座驅動電機12或副支座驅動電機18通過主支座減速離合器13或副支座減速離合器17帶動；處于從動時，離合器分離，輸出由與其相聯的平衡臂2前端的附壁機器人子機6帶動。
見圖3，主從伸縮節4的功能由子節19、伸縮減速離合器20、伸縮驅動電機21、母節22等裝置實現。處于主動時，其子節19的伸縮是由伸縮驅動電機21通過伸縮減速離合器20帶動；處于從動時，伸縮減速離合器20分離，子節19的伸縮是由平衡臂2前端的附壁機器人子機6帶動。主從二自由度支座7、主從二自由度支座5和主從伸縮節4的驅動電機既可以用步進電機，也可以用其它伺服驅動裝置。
見圖4，附壁機器人子機6由子機控制器23、聯接支座24、作業裝置25、吸附生根行走裝置26、子機機體27等部分構成。附壁機器人子機6通過聯接支座24與平衡臂2的前端主從二自由度支座5相聯；吸附生根行走裝置26的吸附生根裝置只產生用于作業的附壁力而非支撐重力，其行走裝置驅動附壁機器人子機6在立面上運動；作業裝置25可以完成檢測、清洗、噴涂等任務；子機控制器23完成子機的控制并與母平臺主控制器9聯絡。附壁機器人子機6也可采用現有的輪式驅動單吸盤機器人、履帶驅動單吸盤機器人、履帶驅動多吸盤機器人、多吸盤步進式行走機器人、磁性吸附機器人等附壁機器人。
參見圖5，系統運行開始后，由母平臺大致運行到作業區，然后調整母平臺上的主從二自由度支座7、平衡臂2上的主從二自由度支座5和主從伸縮節4，以主動運動方式將各個附壁機器人子機6以利于吸附生根的姿態一個一個地送到立面上，當子機的吸附生根行走裝置26的吸附生根裝置有效工作后，母平臺的主從二自由度支座7、平衡臂2的前端主從二自由度支座5和主從伸縮節4都變為從動狀態，附壁機器人子機6變為主動運行，主從狀態的轉換由各個離合器完成。系統的母平臺和各個附壁機器人子機6均可分別地自主運動，當附壁機器人子機6末附壁時，母平臺屬于主動運動，當附壁機器人子機6附壁運動后，母平臺的運動指令將根據多個子機的運動位置來確定，其原則是即要將子機處于動態的平衡中又要不影響子機運動。子機與母平臺之間即可是“剛性聯接”形式，又可是“柔性聯接”形式。當主從二自由度支座7、主從二自由度支座5和主從伸縮節4為主動態并鎖定時是剛性聯接，與專利申請號為99 2 52601.9的外墻自動清洗機方案等同，其前端相對立面的運動將是遲鈍的和不精確的；當主從二自由度支座7、主從二自由度支座5和主從伸縮節4為從動態時是“柔性聯結”，子機的精度和敏捷性高。所以系統在作業時子機與母平臺應呈現“柔性聯結”，為了防止系統在平行于立面的平面出現不穩定，可采用雙子機或多子機。調整平衡臂2可使系統產生指向立面的重分力，在重分力和子機冗余吸附的情況下保持系統靜穩定性。主從二自由度支座7、二自由度支座5和主從伸縮節4多個環節的主從運動方式與附壁機器人子機6的運動相結合，可構成越障或脫離障礙區運動的余度保證。比如當附壁機器人子機6不運動或失效時，其運動軌跡可由主從二自由度支座7、主從二自由度支座5和主從伸縮節4的復合運動來完成；同樣，主從二自由度支座7的某一自由度不運動或失效時，其運動可由附壁機器人子機6、主從二自由度支座5和主從伸縮節4的復合運動來完成。如果用母平臺對某一前端附壁機器人子機6進行驅動，力控制和生根難以解決，可以鎖定其他平衡臂2。如果對雙自由度的支座7或支座5有選擇地鎖定一個自由度或僅采用單自由度的支座7或支座5，使平衡臂2相對于母平臺、子機相對于平衡臂2都只有一個轉動自由度，就可以有效地提高子機的運行軌跡精度。當各子機運動時，母平臺的控制器對這些子機運動信號進行綜合處理、判斷子機的移動方向、速度，從各子機間的相互干涉，作業面重疊，防系統顛覆、防系統結構振蕩等方面考慮，以做出對子機的限定動作或自身隨動。
圖6示出系統越障作業的情況。當某一子機要越障時，母平臺可先鎖定其余子機和平衡臂2，以利于越障子機的平衡臂2進行調整；此系統的子機在無動力時的自由態是接近平衡的，頭部有微小的正對于立面的壓力作用，子機動作時，只要較小的吸附力，移動時的力精確作用于立面而不是母平臺，自重對子機的運動產生的影響不大，適應于平整面較小的復雜壁面。
權利要求
1.一種子母式附壁機器人，包括牽引攀爬機構(8)及操作器(11)，其特征在于它還包括母平臺、平衡臂(2)及附壁機器人子機(6)；所述的母平臺包括臺體(10)，其還包括支撐平衡臂(2)的支座(7)及含控制器及信號收發器的母平臺主控制器(9)；所述的平衡臂(2)包括主臂(3)，該主臂(3)的一端通過支座(5)與附壁機器人子機(6)相聯接；所述的附壁機器人子機(6)包括固定于子機機體(27)上的子機控制器(23)、作業裝置(25)及吸附生根行走裝置(26)，所述的子機機體(27)通過聯接支座(24)與支座(5)相聯接；所述的吸附生根行走裝置(26)為附壁機器人。
2.如權利要求1所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的支座(5)、(7)均為主從二自由度支座，該主從二自由度支座包括主支座(14)，所述的主支座(14)上固定有主支座減速離合器(13)和副轉盤支座(15)，主支座驅動電機(12)通過主支座減速離合器(13)與副轉盤支座(15)相連接；所述的副轉盤支座(15)上固定有副支座減速離合器(17)和副支座輸出軸(16)，所述的副支座驅動電機(18)通過副支座減速離合器(17)與副支座輸出軸(16)相連接。
3.如權利要求1或2所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的支座(5)通過主從伸縮節(4)與主臂(3)固定連接；所述的主從伸縮節(4)包括子節(19)及與之滑動配合的母節(22)，伸縮驅動電機(21)通過伸縮減速離合器(20)固定于母節(22)上，伸縮驅動電機(21)通過伸縮減速離合器(20)與子節(19)相連接。
4.如權利要求3所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述主臂(3)的另一端設置有配重(1)。
5.如權利要求4所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的配重(1)為重量或力臂可調的可調式配重。
6.如權利要求4所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的附壁機器人子機(6)為雙子機或多子機。
7.如權利要求6所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的牽引攀爬機構(8)為一維或二維的隨動機構，所述的附壁機器人子機(6)為一維或二維運動的附壁機器人子機。
8.如權利要求7所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的母平臺主控制器(9)包括攝像機，所述的臺體(10)是含供電、供氣、供回水系統的臺體。
9.如權利要求8所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的作業裝置(25)為檢測裝置、清洗裝置或噴涂裝置；所述的主支座驅動電機(12)、副支座驅動電機(18)和伸縮驅動電機(21)為步進電機或伺服驅動裝置。
10.如權利要求9所述的子母式附壁機器人，其特征在于所述的吸附生根行走裝置(26)為輪式驅動單吸盤機器人、履帶驅動單吸盤機器人、履帶驅動多吸盤機器人、多吸盤步進式行走機器人或磁性吸附機器人。
全文摘要
一種子母式附壁機器人，包括牽引攀爬機構、操作器、支撐平衡臂的支座及含控制器及信號收發器的母平臺主控制器，其母平臺包括臺體，平衡臂包括主臂，主臂的一端通過支座與附壁機器人子機相聯接，附壁機器人子機包括固定于子機機體上的子機控制器、作業裝置及吸附生根行走裝置，子機機體通過支座與支座相聯接，吸附生根行走裝置為附壁機器人。本發明敏捷、靈活，在復雜立面作業時可始終保持全系統靜穩定。
文檔編號B25J11/00GK1519087SQ0311444
公開日2004年8月11日 申請日期2003年1月21日 優先權日2003年1月21日
發明者程俊, 程 俊 申請人:西安恒生科技股份有限公司