專利名稱：具有越障功能的雙吸盤負壓吸附單元的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有越障功能的雙吸盤負壓吸附單元，用于高樓壁面清洗機器人，屬于特種機器人領域。
背景技術：
爬壁機器人是能夠吸附于垂直或傾斜壁面，并能執行一定功能的一類特種機器人。吸附單元是爬壁機器人的一個非常重要的組成部分，它為機器人提供吸附力，使爬壁機器人能夠可靠的吸附在壁面上。吸附單元的優劣直接影響到機器人的效率、性能和壁面適應性等。因此，設計合理的吸附單元，是爬壁機器人設計中的一項關鍵技術。
高樓壁面清洗機器人是爬壁機器人的一種，主要工作于高層樓宇的玻璃或瓷磚幕墻上，它對吸附單元又有一些不同的要求。由于工作壁面非導磁，所以不能用磁吸附，常采用負壓吸附方式。又由于玻璃和瓷磚壁面難免會有窗框，所以常常要求吸附單元要具有較高跨越窗框等障礙物的能力。
現有技術中，高樓壁面清洗機器人的吸附單元主要有兩大類，一類是單吸盤負壓吸附單元，另一類是多足多吸盤負壓吸附單元。北京藍星哈工大機器人技術有限公司研制的一種壁面清洗機器人的負壓吸附單元(專利號ZL01202018.4)采用單吸盤負壓吸附單元，吸盤為上面封閉的一蓋體，蓋體的吸盤周邊設置一圈氣囊，氣囊和蓋體中間有一空腔，風機裝在蓋體上，驅動行走裝置設置在吸盤內。此吸附單元結構簡單造價低，能夠實現壁面清洗機器人的快速移動，清洗效率較高，但無法跨越玻璃框等障礙，而且密封圈磨損嚴重。北京航空航天大學研制的一種擦拭機器人(專利號ZL00201085.2)采用多足多吸盤負壓吸附單元，主體為一十字骨架，頭部各有一組小吸盤。X向和Y向分別有一氣缸驅動，每組吸盤各由一氣缸驅動伸出和縮回，吸附單元本身沒有負壓發生裝置。這種吸附單元對窗框等障礙有一定適應性，但移動速度慢效率低，而且結構復雜造價高。
現有技術均沒有有效實現清洗機器人的可靠吸附、快速移動和跨越障礙。使得城市高樓外壁面清洗作業目前仍多依賴于人工，自動化遠遠沒有實現。因此，如何研制一種吸附單元，既能可靠吸附又能快速跨越障礙，是問題的關鍵所在。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，設計一種用于高樓壁面清洗機器人的具有越障功能的雙吸盤負壓吸附單元，使得機器人既能可靠吸附于壁面，又能容易實現快速跨越障礙。
為實現這樣的目的，本發明設計的雙吸盤負壓吸附單元包括負壓發生部分、雙吸盤部分、連通導向部分和測障越障部分。H形負壓發生室四角安裝通氣導向機構，兩個單面開口的長方體吸盤上下對稱布置于負壓發生室的兩端，吸盤四周實現密封，每個吸盤上有四個隨動滾輪，吸盤內的導向筒與H形負壓發生室四個角內的筒套組成滑動副，吸盤與負壓發生室通過導向筒實現氣路連通，吸盤內部各有兩個由氣缸驅動的閘片，以控制吸盤和負壓發生室的通斷，調節風機轉速以改變吸附單元負壓，實現吸附單元在可靠吸附的情況下能夠沿幕墻下滑，垂直于壁面安裝在兩個吸盤兩側的測障傳感器用于檢測障礙，通過氣缸驅動吸盤伸出和縮回以實現跨越障礙。
本發明的具體結構為一種用于高樓壁面清洗機器人的具有越障功能的雙吸盤負壓吸附單元包括負壓發生部分、雙吸盤部分、連通導向部分和測障越障部分。負壓發生室做成H形，四個角安裝通氣導向機構，上面空位安裝兩臺風機，下面空位放置清洗用的水箱。上下兩個吸盤對稱布置于負壓發生室的兩端，雙吸盤均為單面開口的長方體，吸盤開口面四周用橡膠材質的密封圈實現密封。每個吸盤的兩側面各安裝兩個隨動滾輪。連通導向部分主要由通氣導向機構和閘片機構組成。通氣導向機構的兩個下通氣導向筒和兩個上通氣導向筒分別對應固定在下吸盤和上吸盤內，四個通氣導向筒均與各自的筒套組成滑動副，四個筒套安裝在H形負壓發生室的四個角內。上下吸盤與H形負壓發生室通過上下通氣導向筒實現氣路的連通。閘片機構由下閘片、上閘片及下閘片導軌、上閘片導軌組成，分別對應安裝在兩個吸盤內，每個閘片分別由一個閘片驅動氣缸控制打開和關閉。測障越障部分由兩個下測障傳感器、兩個上測障傳感器及兩個下吸盤驅動氣缸、兩個上吸盤驅動氣缸組成。上、下測障傳感器垂直于壁面安裝在對應的上下兩個吸盤的兩側。上、下吸盤驅動氣缸缸體安裝在H形負壓發生室兩側，氣缸活塞桿固定在兩個吸盤背部，以驅動兩個吸盤伸出和縮回。兩個吊環安裝在H形負壓發生室兩側，用于吊裝。兩個吸盤之間空位用于安裝清洗機構。
工作時，風機啟動使負壓發生室產生負壓，負壓發生室內產生足夠負壓以后，上下吸盤驅動氣缸同時動作，使上下吸盤伸出。吸盤伸出后，橡膠材質的密封圈接觸壁面。然后，上下閘片驅動氣缸同時動作，使兩吸盤內的上下閘片打開，兩吸盤通過上下通氣導向筒與H形負壓發生室連通。吸盤產生吸附力，使機器人吸附于壁面上。在自身重力作用下，機器人沿壁面下滑。遇到橫框障礙后，下測障傳感器先檢測到障礙，下閘片驅動氣缸驅動下閘片關閉下通氣導向筒，下吸盤驅動氣缸驅動下吸盤縮回以避開障礙，經過一段時間，下吸盤完全跨過障礙后。下吸盤驅動氣缸驅動下吸盤伸出，下閘片驅動氣缸驅動下閘片打開下通氣導向筒，使下吸盤與負壓發生室導通，吸盤內產生負壓，下吸盤產生吸附力，此時下吸盤完成越障動作。機器人繼續向下移動，上測障傳感器檢測到障礙后，上吸盤和上閘片執行同樣操作，直至上吸盤也完成越障動作，整個越障過程完成。
本發明既具有單吸盤負壓吸附機構吸附力大、吸附可靠的優點，又有多吸盤負壓吸附機構越障靈活、適應性強的優點，而且制造方便，成本低廉，控制可靠，有效克服了壁面清洗機器人可靠吸附與快速越障之間的矛盾，解決了壁面清洗機器人設計中的一項關鍵技術，為城市高樓壁面清洗作業的自動化提供了有力支持。
圖1為本發明吸附單元的三維結構示意圖(正面)。
圖2為本發明吸附單元的三維結構示意圖(背面)。
在圖1、圖2中1下吸盤，2下密封圈，3下閘片驅動氣缸，4下閘片，5下閘片導軌，6下通氣導向筒，7下吸盤滾輪，8下測障傳感器，9上吸盤，10上密封圈，11上閘片驅動氣缸，12上閘片，13上閘片導軌，14上通氣導向筒，15上測障傳感器，16上吸盤滾輪，17吊環，18H形負壓發生室，19風機，20上吸盤驅動氣缸，21下吸盤驅動氣缸。
圖3為本發明吸附單元的氣路原理圖。
在圖3中22氣源，23閘閥，24空氣過濾器，25減壓閥，26分離器，27消音器，28電磁閥一，29電磁閥二，30電磁閥三，31電磁閥四，32單向節流閥。
具體實施例方式
以下結合附圖進一步說明本發明的具體結構及實施方式。
本發明設計的具有越障功能的雙吸盤負壓吸附單元結構如附圖1和附圖2所示，主要包括負壓發生部分、雙吸盤部分、連通導向部分和測障越障部分。負壓發生部分由H形負壓發生室18和兩臺風機19組成。負壓發生室18做成H形，四個角安裝通氣導向機構，上面空位安裝兩臺風機19，下面空位放置清洗用的水箱。上吸盤9及下吸盤1對稱布置于負壓發生室18的兩端，兩個吸盤均為尺寸800×200×100毫米單面開口的長方體，上、下吸盤開口面的四周分別用橡膠材質的密封圈10、2實現密封。每個吸盤的兩個側面各安裝兩個隨動滾輪7、16。連通導向部分主要由通氣導向機構和閘片機構組成。通氣導向機構的兩個下通氣導向筒6和兩個上通氣導向筒14分別對應固定在下吸盤1和上吸盤9內，四個通氣導向筒均與各自的筒套組成滑動副，四個筒套安裝在H形負壓發生室四個角內。同時上下吸盤與H形負壓發生室18通過上下通氣導向筒實現氣路的連通。閘片機構由下閘片4、上閘片12及下閘片導軌5、上閘片導軌13組成，分別對應安裝在兩個吸盤內，下閘片4、上閘片12分別由下閘片驅動氣缸3、上閘片驅動氣缸11控制打開或關閉。測障越障部分由兩個下測障傳感器8、兩個上測障傳感器15及兩個下吸盤驅動氣缸21、兩個上吸盤驅動氣缸20組成。上、下測障傳感器垂直于壁面安裝在對應的上下兩個吸盤的兩側。上、下吸盤驅動氣缸缸體安裝在H形負壓發生室18兩側，氣缸活塞桿固定在兩個吸盤背部，以驅動兩個吸盤伸出和縮回。兩個吊環17安裝在H形負壓發生室兩側，用于吊裝。兩個吸盤之間空位用于安裝清洗機構。
圖3為本發明吸附單元的氣路原理圖。各氣動元件均由φ6的氣管連接，閘閥23的進氣口連氣源，出氣口連空氣過濾器24，空氣過濾器24連接油霧分離器26，油霧分離器26出氣口并行連接四個電磁閥28、29、30、31，每個電磁閥各經兩個單向節流閥32與驅動氣缸連接。電磁閥一28經單向節流閥與下吸盤驅動氣缸21連接，電磁閥二29經單向節流閥與上吸盤驅動氣缸20連接，電磁閥三30經單向節流閥與下閘片驅動氣缸3連接，電磁閥四31經單向節流閥與上閘片驅動氣缸11連接。壓縮空氣從閘閥23出來，經空氣過濾器24、減壓閥25和油霧分離器26進行氣源處理以后，分別進入四個電磁閥，然后經各自單向節流閥流入相應驅動氣缸。電磁閥一28控制下吸盤驅動氣缸21以實現下吸盤的伸出和縮回。電磁閥二29控制上吸盤驅動氣缸20以實現上吸盤的伸出和縮回。電磁閥三30控制下閘片驅動氣缸3以實現下閘片的開啟和關閉。電磁閥四31控制上閘片驅動氣缸11以實現上閘片的開啟和關閉。
本發明的測障傳感器可采用反射型圓柱光電傳感器，有效檢測距離為200毫米。
本發明吸附單元的工作過程如下整個機構由卷揚系統牽引，使吸附裝置平行于垂直壁面，初始狀態兩個吸盤處于縮回位置，閘片關閉通氣導向筒。開始工作時，風機19啟動，負壓發生室內開始產生負壓。經過一段時間(約10s左右)，負壓發生室內產生足夠負壓以后，下吸盤驅動氣缸21和上吸盤驅動氣缸20同時動作，使下吸盤1和上吸盤9伸出。氣缸行程為75mm，吸盤伸出后，橡膠材質的密封邊接觸壁面。然后，下閘片驅動氣缸3和上閘片驅動氣缸11同時動作，使兩吸盤內的下閘片4和上閘片12打開，兩吸盤通過下通氣導向筒6和上通氣導向筒14與H形負壓發生室18連通。由于負壓發生室容積比吸盤容積大得多，所以吸盤與負壓發生室連通后，瞬時系統負壓不會降低很多，吸盤立即產生吸附力，使機器人吸附于壁面上。
吸盤吸附于壁面以后，卷揚系統開始以恒定速度下放機器人，在自身重力作用下，機器人靠安裝在吸盤上的八個隨動輪實現在壁面上的豎直向下的勻速運動。遇到橫框障礙后，下測障傳感器8先檢測到障礙，主控制器執行越障程序下閘片驅動氣缸3驅動下閘片4關閉下通氣導向筒6，下吸盤驅動氣缸21驅動下吸盤1縮回以避開障礙，經過一段時間，下吸盤1完全跨過障礙后。下吸盤驅動氣缸21驅動下吸盤1伸出，下閘片驅動氣缸3驅動下閘片4打開下通氣導向筒6，使下吸盤1與負壓發生室18導通，吸盤內產生負壓，下吸盤1產生吸附力。機器人繼續向下移動，上測障傳感器15檢測到障礙，上閘片驅動氣缸11驅動上閘片12關閉上通氣導向筒14，上吸盤驅動氣缸20驅動上吸盤9縮回以避開障礙，經過一段時間，上吸盤9完全跨過障礙后。上吸盤驅動氣缸20驅動上吸盤9伸出，上閘片驅動氣缸11驅動上閘片12打開上通氣導向筒14，使上吸盤9與負壓發生室18導通，吸盤內產生負壓，上吸盤9產生吸附力。至此，整個越障過程完成。
經理論分析與實際試驗，本發明的吸附單元可以跨越高50毫米、寬50～70毫米的橫框障礙。
權利要求
1.一種具有越障功能的雙吸盤負壓吸附單元，包括負壓發生部分、雙吸盤部分、連通導向部分和測障越障部分，其特征在于負壓發生部分由H形負壓發生室(18)和兩臺風機(19)組成，H形負壓發生室(18)的四個角安裝通氣導向機構，上面空位安裝兩臺風機(19)，下面空位放置清洗用的水箱；上吸盤(9)及下吸盤(1)對稱布置于負壓發生室(18)的兩端，雙吸盤均為單面開口的長方體，吸盤開口面四周分別用橡膠材質的密封圈實現密封，每個吸盤的兩側面各安裝兩個隨動滾輪；連通導向部分由通氣導向機構和閘片機構組成，通氣導向機構的兩個下通氣導向筒(6)和兩個上通氣導向筒(14)分別對應固定在下吸盤(1)和上吸盤(9)內，四個通氣導向筒均與各自的筒套組成滑動副，四個筒套安裝在H形負壓發生室(18)的四個角內，上下吸盤與H形負壓發生室(18)通過上下通氣導向筒實現氣路的連通；閘片機構由下閘片(4)、上閘片(12)及下閘片導軌(5)、上閘片導軌(13)組成，分別對應安裝在兩個吸盤內，下閘片(4)、上閘片(12)分別由下閘片驅動氣缸(3)、上閘片驅動氣缸(11)控制打開或關閉；測障越障部分由兩個下測障傳感器(8)、兩個上測障傳感器(15)及兩個下吸盤驅動氣缸(21)、兩個上吸盤驅動氣缸(20)組成，上、下測障傳感器垂直于壁面安裝在對應的上下吸盤兩側，上、下吸盤驅動氣缸缸體安裝在H形負壓發生室(18)兩側，氣缸活塞桿固定在兩個吸盤背部，以驅動兩個吸盤伸出和縮回。
2.如權利要求1的具有越障功能的雙吸盤負壓吸附單元，其特征在于所述的測障傳感器采用反射型圓柱光電傳感器，有效檢測距離為200毫米。
全文摘要
本發明涉及一種具有越障功能的雙吸盤負壓吸附單元，用于壁面清洗機器人，H形負壓發生室四角安裝通氣導向機構，兩個單面開口的長方體吸盤上下對稱布置于負壓發生室的兩端，吸盤四周實現密封，每個吸盤上有四個隨動滾輪，吸盤內的導向筒與H形負壓發生室四個角內的筒套組成滑動副，吸盤與負壓發生室通過導向筒實現氣路連通，吸盤內部各有兩個由氣缸驅動的閘片，以控制吸盤和負壓發生室的通斷，調節風機轉速以改變吸附單元負壓，實現吸附單元在可靠吸附的情況下能夠沿幕墻下滑，垂直于壁面安裝在兩個吸盤兩側的測障傳感器用于檢測障礙，通過氣缸驅動吸盤伸出和縮回以實現跨越障礙。本發明既能可靠吸附又能快速跨越障礙，而且制造方便、成本低。
文檔編號B62D57/024GK1594006SQ200410025218
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月17日 優先權日2004年6月17日
發明者張澎濤, 趙言正, 錢志源, 付莊, 曹其新, 楊金汕 申請人:上海交通大學