爬壁機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計(jì)

黃 維，黃誠(chéng)駒

（武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的新型仿生機(jī)器人陸續(xù)得到發(fā)明創(chuàng)造，爬行式機(jī)器人漸漸走入了人們的視野中。機(jī)器人研究的熱點(diǎn)依舊是那些有特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性，其中爬行機(jī)器人在很多方面得到了應(yīng)用，可以替代人類完成很多危險(xiǎn)性較高的工作，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，是一個(gè)很好的研究對(duì)象。

高樓玻璃幕墻的清掃工作，無(wú)論是從工作場(chǎng)景還是從工作性能要求上，都是普通人力難以勝任的工作。設(shè)計(jì)一款爬壁機(jī)器人，其履帶外加電磁及真空吸附盤，支持行進(jìn)在鋼構(gòu)與玻璃幕墻之間，并且各方面性能好，續(xù)航能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，還具有一定的自我恢復(fù)和保護(hù)功能，設(shè)計(jì)中就必須進(jìn)行機(jī)電融合、跨界創(chuàng)新。

1 創(chuàng)新設(shè)計(jì)背景

近幾年來(lái)，隨著各式各樣的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，爬壁機(jī)器人作為能夠在垂直陡壁上進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人，以其能夠成為高空極限作業(yè)的一種自動(dòng)機(jī)械裝置的優(yōu)良特性，越來(lái)越受到人們的重視。概括起來(lái)，爬壁機(jī)器人主要可以應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

（1）在建筑行業(yè)可應(yīng)用于噴涂巨型墻面、安裝瓷磚、壁面探傷、壁面修復(fù)整容、壁面清洗、擦拭玻璃壁面等。

（2）在消防部門可應(yīng)用于攜帶消防器械、傳遞救援物資、進(jìn)行高空救援工作。

（3）在核工業(yè)可用于對(duì)核廢液儲(chǔ)罐進(jìn)行視覺檢查、測(cè)厚及焊縫探傷等危險(xiǎn)的工作。

（4）在石化企業(yè)可用于對(duì)立式金屬罐或球形罐的內(nèi)外壁面進(jìn)行檢查或噴砂除銹、噴漆防腐。

（5）在造船業(yè)可用于噴涂船體的內(nèi)外壁、對(duì)船體的內(nèi)外壁進(jìn)行檢查、船體內(nèi)外壁清潔。

（6）在搶險(xiǎn)救災(zāi)上可應(yīng)用于向高空被困人員運(yùn)送逃生器械、傳遞食物水給養(yǎng)等。

（7）在航空航天上，可用于太空探索、空間衛(wèi)星維修等。

由此可見，爬壁機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛涉及民生、核工業(yè)、造船工業(yè)等，并在這些領(lǐng)域中擔(dān)任著十分重要的工作，能夠促進(jìn)生產(chǎn)力的提高、改善人民的生活與工作條件。

現(xiàn)有技術(shù)中爬壁機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)壁面的吸附有三種方式，即真空吸附、磁吸附和推力吸附。真空吸附方式的爬壁機(jī)器人通常采用吸盤吸附法，而其行駛機(jī)構(gòu)一般是履帶加多個(gè)吸附盤，為了實(shí)現(xiàn)行走及吸附需要對(duì)多個(gè)吸附盤進(jìn)行氣路控制，利用大氣壓力使機(jī)器人吸附在壁面上，現(xiàn)有的氣路控制是每個(gè)吸盤與氣泵之間均有單獨(dú)的一套吸氣與放氣回路，這種方式使得爬壁機(jī)器人的氣路結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，控制與維修均較麻煩。

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案

2.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)框架

吸附式履帶爬壁清潔機(jī)器人產(chǎn)品設(shè)計(jì)的框架包括：機(jī)架、行駛機(jī)構(gòu)、氣路控制機(jī)構(gòu)。

其中行駛機(jī)構(gòu)包括輪轂、行走帶，行走帶上設(shè)有吸盤。氣路控制機(jī)構(gòu)包括主氣管、彈性氣管、環(huán)形氣管、支氣管、支撐氣管，吸盤通過(guò)支撐氣管設(shè)置于行走帶上，支氣管布設(shè)于行走帶上，環(huán)形氣管套設(shè)于行走帶上。

支撐氣管包括吸氣口、放氣口，支撐氣管通過(guò)電磁換向閥切換吸氣口與放氣口，支撐氣管的吸氣口與支氣管、環(huán)形氣管、彈性氣管、主氣管依次相連，主氣管與氣泵相連，支撐氣管的放氣口與大氣相連。該爬壁機(jī)器人的氣路控制機(jī)構(gòu)中的吸氣回路與放氣回路分開，且吸盤共用一個(gè)吸氣回路，簡(jiǎn)化了氣路結(jié)構(gòu)，使得控制與維修均較方便。

2.2 產(chǎn)品技術(shù)方案

吸附式履帶爬壁清潔機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)包括：機(jī)架，行駛機(jī)構(gòu)，氣路控制機(jī)構(gòu)。行駛機(jī)構(gòu)包括：輪轂、行走帶。輪轂包括通過(guò)連桿相連的輪轂一、輪轂二，連桿的兩端均設(shè)有方向傳感器，支撐氣管上設(shè)有角位移傳感器。輪轂一、輪轂二均呈齒輪狀，行走帶的內(nèi)表面呈鋸齒狀，呈齒輪狀的輪轂一、輪轂二與行走帶的呈鋸齒狀的內(nèi)表面相嚙合。行走帶上還設(shè)有電磁鐵，行駛機(jī)構(gòu)可升降地設(shè)置于機(jī)架上。吸盤、電磁鐵均以環(huán)形陣列地方式設(shè)置于行走帶上，吸盤在行走帶的寬度方向上設(shè)有兩個(gè)環(huán)形陣列及以上，電磁鐵在行走帶的寬度方向上設(shè)置于相鄰的環(huán)形陣列的吸盤中間、在行走帶的圓周方向上與吸盤交錯(cuò)設(shè)置。

3 實(shí)例設(shè)計(jì)及工作原理

下面詳細(xì)描述該產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的過(guò)程，并附圖進(jìn)行詳解，其中以相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。這里設(shè)計(jì)的對(duì)象是：吸附式履帶爬壁清潔機(jī)器人，其用于清洗玻璃幕墻。

3.1 吸附式履帶爬壁清潔機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）機(jī)架，機(jī)架上設(shè)有清洗刷。

（2）行駛機(jī)構(gòu)，包括輪轂、行走帶。輪轂包括通過(guò)連桿相連的輪轂一、輪轂二，行走帶繞設(shè)于輪轂一、輪轂二上，輪轂一、輪轂二可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置于機(jī)架上，行走帶上設(shè)有吸盤，吸盤設(shè)置于行走帶上且沿行走帶環(huán)形陣列分布。

（3）氣路控制機(jī)構(gòu)，包括主氣管、彈性氣管、環(huán)形氣管、支氣管、支撐氣管，吸盤通過(guò)支撐氣管設(shè)置于行走帶上，支撐氣管包括吸氣口、放氣口，支撐氣管通過(guò)電磁換向閥以切換吸氣口與放氣口，放氣口與大氣連通，吸氣口與支氣管的進(jìn)氣口相連通，支氣管布設(shè)于行走履帶上，環(huán)形氣管套設(shè)于行走履帶上，支氣管的出氣口與環(huán)形氣管的進(jìn)氣口相連通，環(huán)形氣管的出氣口與彈性氣管的進(jìn)氣口相連通，彈性氣管的出氣口通過(guò)萬(wàn)向連接管與主氣管的進(jìn)氣口相連，主氣管的出氣口與氣泵相連，萬(wàn)向連接管設(shè)置于連桿上。

圖1 爬壁機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the overall structure of wall climbing robot

3.2 可進(jìn)行自清洗的清潔刷的工作原理

當(dāng)需要清潔玻璃幕墻時(shí)，將該吸附式履帶爬壁清潔機(jī)器人放入玻璃幕墻上，在玻璃幕墻上行走主要依靠吸盤的吸氣與放氣來(lái)實(shí)現(xiàn)，吸氣時(shí)，電磁換向閥使得支撐氣管的吸氣口與支氣管相連通，此時(shí)需要吸附到玻璃幕墻上的吸盤中的空氣經(jīng)吸氣口從支撐氣管依次通過(guò)支氣管、環(huán)形氣管、彈性氣管、萬(wàn)向連接管進(jìn)入主氣管，并被氣泵吸走，從而使得待吸附的吸盤形成真空達(dá)到吸附到玻璃幕墻上的目的；放氣時(shí)，電磁換向閥使得支撐氣管的放氣口與大氣相連通從而實(shí)現(xiàn)待脫離的吸盤放氣達(dá)到脫離玻璃幕墻的目的。該爬壁機(jī)器人需要前進(jìn)時(shí)，前面吸附的吸盤陸續(xù)放氣脫離玻璃幕墻，與此同時(shí)，后面又陸續(xù)有新的吸盤通過(guò)吸氣吸附到玻璃幕墻，隨著輪轂不斷旋轉(zhuǎn)，行走帶從而帶著其上不同的吸盤時(shí)而吸附時(shí)而脫離，從而完成該爬壁機(jī)器人的行走。當(dāng)?shù)竭_(dá)玻璃幕墻需要清潔的區(qū)域時(shí)，行駛機(jī)構(gòu)停止行進(jìn)，此時(shí)通過(guò)清潔刷對(duì)等清潔區(qū)域進(jìn)行清潔清。

該吸附式履帶爬壁清潔機(jī)器人通過(guò)氣路控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吸盤的吸氣與放氣，從而達(dá)到行駛機(jī)構(gòu)前進(jìn)的目的，該氣路控制機(jī)構(gòu)將吸盤的吸氣回路與放氣回路分開，多個(gè)吸盤各自通過(guò)支撐氣管與大氣相連來(lái)實(shí)現(xiàn)放氣，多個(gè)吸盤通過(guò)同一個(gè)環(huán)形氣管、彈性氣管、萬(wàn)向連接管、主氣管與氣泵相連實(shí)現(xiàn)吸氣，該氣路控制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化了氣路連接、且控制方便。

在圖2行駛機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖中，連桿的兩端均設(shè)有方向傳感器，支撐氣管上設(shè)有角位移傳感器。當(dāng)方向傳感器檢測(cè)到與角位移傳感器形成吸氣夾角時(shí)，此時(shí)與該角位移傳感器相對(duì)應(yīng)的吸盤進(jìn)入吸氣模式，即其準(zhǔn)備吸附到幕墻；當(dāng)方向傳感器檢測(cè)到與角位移傳感器形成放氣夾角時(shí)，此時(shí)與該角位移傳感器相對(duì)應(yīng)的吸盤進(jìn)入放氣模式，即其準(zhǔn)備脫離幕墻。方向傳感器與角位移傳感器的共同作用使得行駛機(jī)構(gòu)行走得更靈敏。

圖2 行駛機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the structure of driving mechanism

輪轂一、輪轂二均呈齒輪狀，行走帶的內(nèi)表面呈鋸齒狀，呈齒輪狀的輪轂一、輪轂二與行走帶的呈鋸齒狀的內(nèi)表面相嚙合。該結(jié)構(gòu)使得輪轂與行走帶嚙合得更緊，從而增強(qiáng)行使機(jī)構(gòu)的安全性與可靠性。

行走帶上還設(shè)有電磁鐵，行駛機(jī)構(gòu)可升降地設(shè)置于機(jī)架上。行走帶上同時(shí)設(shè)有吸盤與電磁鐵，使得該爬壁機(jī)器人不僅能在玻璃幕墻上行走，其也可以在金屬材質(zhì)的幕墻上行走；行駛機(jī)構(gòu)可升降地設(shè)置于機(jī)架上，不僅能方便地實(shí)現(xiàn)該吸附式履帶爬壁清潔機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，而且在遇到不平整的幕墻時(shí)行駛機(jī)構(gòu)可進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整以保證整機(jī)的平穩(wěn)。

吸盤、電磁鐵均以環(huán)形陣列地方式設(shè)置于行走帶上，吸盤在行走帶的寬度方向上設(shè)有兩個(gè)環(huán)形陣列，電磁鐵在行走帶的寬度方向上設(shè)置于相鄰的環(huán)形陣列的吸盤中間、在行走帶的圓周方向上與吸盤交錯(cuò)設(shè)置。該結(jié)構(gòu)使得單獨(dú)使用吸盤吸附或電磁鐵吸附時(shí)二者互不干擾，提高了吸附的安全性。

本實(shí)例中的吸附式履帶爬壁清潔機(jī)器人的行走帶上同時(shí)包括吸盤與電磁鐵，從設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，行走帶上也可以只有吸盤。

4 結(jié)束語(yǔ)

在人工智能的時(shí)代背景下，機(jī)器人是一項(xiàng)熱點(diǎn)，人們?cè)絹?lái)越多的采用機(jī)器人來(lái)替代人類的工作，尤其是在工作強(qiáng)度大、重復(fù)性強(qiáng)、危險(xiǎn)性高相關(guān)的領(lǐng)域里，機(jī)器人得到越來(lái)越多的應(yīng)用，我們可以以此為切入點(diǎn)，結(jié)合機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

（本文所屬的系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)已獲得的國(guó)家專利有：專利號(hào)201610284763.2，一種發(fā)明專利，發(fā)明名稱為“一種吸附式履帶爬壁清潔機(jī)器人”；專利號(hào)201620388036.6，一種實(shí)用新型專利，發(fā)明名稱為“一種可進(jìn)行自清洗的清洗刷”；專利號(hào)201620388594.2，一種實(shí)用新型專利，發(fā)明名稱為“一種爬壁機(jī)器人”；專利號(hào)201620388610.8，一種實(shí)用新型專利，發(fā)明名稱為“一種可自由轉(zhuǎn)向的爬壁機(jī)器人”）

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