一种自适应壁面曲率的真空吸盘装置

1.本发明涉及一种自适应壁面曲率的真空吸盘装置，属于攀爬机器人吸附结构领域。


背景技术：

2.近年来，攀爬机器人在大型工业设施中如飞机机翼、风能发电扇叶、船舶表面除锈、核工业壁面的检测等行业广泛的应用。然而在已有的爬壁机器人中，对于壁面具有一定的曲率，不是平整壁面的墙体。攀爬机器人在这样的工况中，现有的吸附结构很难攀附壁面，极容易出现吸附不稳定的情况。常见的真空吸附组件大多应用在平整的壁面结构，使得攀爬机器人适应性差、攀附能力弱。而为了适应壁面曲率，壁面移动结构设计复杂且负载能力低下。所暴露的主要问题是已有的壁面吸附结构不能适应具有一定曲率的壁面，且吸附时不稳定容易漏气等问题。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种自适应壁面曲率的真空吸盘装置，通过三层分形体构件与真空吸盘组件的配合，实现刚性吸盘组件的适应壁面。
4.本发明的技术方案是：一种自适应壁面曲率的真空吸盘装置，包括分形体构件、吸盘组件；分形体构件采用三层树状结构，作为树状结构叶子节点的三级分形体构件9上安装吸盘组件。
5.所述三层树状结构包括一级分形体构件1、二级分形体构件5、三级分形体构件9；一级分形体构件1与二级分形体构件5、二级分形体构件5与三级分形体构件9之间通过滑动配合带动吸盘组件滑动。
6.所述一级分形体构件1包括两个分体结构ⅰ，两个分体结构ⅰ连接，分体结构ⅰ的底部开有多个弧形槽2，弧形槽2内侧处预留弧形t型槽3与二级分形体构件5上的弧形t型滑轨6进行滑动配合，二级分形体构件5上的弹性杆件7两端通过固定于弧形t型槽3左右端面的t型挡板4固定。
7.所述二级分形体构件5包括两个分体结构ⅱ，两个分体结构ⅱ连接，分体结构ⅱ的底部开有多个弧形槽2，弧形槽2内侧处预留t型槽3与三级分形体构件9上的弧形t型滑轨6进行滑动配合，三级分形体构件9上的弹性杆件7两端通过固定于弧形t型槽3左右端面的t型挡板4固定；分体结构ⅱ的顶部设有弧形t型滑轨6与一级分形体构件1上的弧形槽2进行滑动配合，弹性杆件7穿过弧形t型滑轨6，弹性杆件7伸出弧形t型滑轨6的两端安装弹簧8并通过一级分形体构件1上的t型挡板4固定。
8.所述三级分形体构件9的顶部设有弧形t型滑轨6与二级分形体构件5上的弧形槽2进行滑动配合，弹性杆件7穿过弧形t型滑轨6，弹性杆件7伸出弧形t型滑轨6的两端安装弹簧8并通过二级分形体构件5上的t型挡板4固定；三级分形体构件9的底部开凹槽10，吸盘组件中的弹性阻尼装置11一端伸入凹槽10并固定安装在三级分形体构件9下端。
9.所述吸盘组件包括弹簧阻尼器11、刚性吸盘12、柔性吸附材料13、气管快速接头14；其中，弹簧阻尼器11一端与分形体构件连接，弹簧阻尼器11另一端安装于刚性吸盘12上端面，刚性吸盘12内部及下端面设有柔性吸附材料13，气管快速接头14一端与刚性吸盘12顶部固定，气管快速接头14另一端用于连接软管。
10.所述吸盘组件为多组，将不同二级分形体构件5节点下的吸盘组件通过软管连通。
11.本发明的有益效果是：本发明通过分形体构件间的滑动，让吸盘组件适应贴合曲形壁面；同时吸盘组件上的弹性阻尼装置，在刚性吸盘接触壁面时和脱离壁面吸附的情况下，有良好消除震动效果；既保证了攀爬机器人吸附时的稳定性，又可以适应复杂曲面；相比较于通过设计复杂移动结构去适应壁面曲率的攀爬机器人，本发明作为模块化装置可直接应用于攀爬机器人，结构简单可靠。
附图说明
12.图1是本发明正视角示意图；
13.图2是本发明立体局部图；
14.图3是本发明一级分形体构件示意图；
15.图4是本发明中单个分体结构ⅱ示意图；
16.图5是二级分形体构件示意图；
17.图6是本发明二级分形体构件、三级分形体构件、吸盘组件连接结构侧视示意图；
18.图7是本发明二级分形体构件、三级分形体构件、吸盘组件连接结构正视示意图；
19.图8是本发明三级分形体构件、吸盘组件连接结构正视示意图；
20.图9是本发明三级分形体构件剖面示意图；
21.图10是本发明吸盘组件结构图；
22.图11是本发明气体软管与吸盘组件气管连接结构示意图；
23.图12是本发明在曲形壁面吸附的示意图；
24.图中各标号为：1-一级分形体构件，2-弧形槽，3-弧形t型槽，4-t型挡板，5-二级分形体构件，6-弧形t型滑轨，7-弹簧杆件，8-弹簧，9-三级分形体构件，10-凹槽，11-弹性阻尼装置，12-刚性吸盘，13-柔性吸附材料，14-气管快速接头，14-1-快速接头ⅰ、14-2-快速接头ⅱ，14-3-快速接头
ⅴ
，14-4-快速接头ⅵ，14-5-快速接头ⅲ，14-6快速接头ⅳ，14-7-快速接头ⅶ，14-8-快速接头
ⅷ
，15-气体软管ⅰ，16-气体软管ⅱ。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例，对发明做进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
26.实施例1：如图1-12所示，一种自适应壁面曲率的真空吸盘装置，包括分形体构件、吸盘组件；分形体构件采用三层树状结构，作为树状结构叶子节点的三级分形体构件9上安装吸盘组件。如图中展示的所述三层树状结构为满二叉树结构，包括一级分形体构件1、二级分形体构件5、三级分形体构件9，从第一层至第三层，各层分形体构件的数量依次为1、2、4。
27.进一步地，可以设置所述三层树状结构包括一级分形体构件1、二级分形体构件5、
三级分形体构件9；一级分形体构件1与二级分形体构件5、二级分形体构件5与三级分形体构件9之间通过滑动配合带动吸盘组件滑动。
28.进一步地，可以设置所述一级分形体构件1包括两个分体结构ⅰ，两个分体结构ⅰ通过螺栓固定，分体结构ⅰ的底部开有多个弧形槽2，弧形槽2内侧处预留弧形t型槽3与二级分形体构件5上的弧形t型滑轨6进行滑动配合，二级分形体构件5上的弹性杆件7两端通过固定粘接于弧形t型槽3左右端面的t型挡板4固定。
29.进一步地，可以设置所述二级分形体构件5包括两个分体结构ⅱ，两个分体结构ⅱ通过螺栓固定，分体结构ⅱ的底部开有多个弧形槽2，弧形槽2内侧处预留t型槽3与三级分形体构件9上的弧形t型滑轨6进行滑动配合，三级分形体构件9上的弹性杆件7两端通过固定粘接于弧形t型槽3左右端面的t型挡板4固定；分体结构ⅱ的顶部设有弧形t型滑轨6与一级分形体构件1上的弧形槽2进行滑动配合，弹性杆件7穿过弧形t型滑轨6，弹性杆件7伸出弧形t型滑轨6的两端安装弹簧8并通过一级分形体构件1上的t型挡板4固定。
30.进一步地，可以设置所述三级分形体构件9的顶部设有弧形t型滑轨6与二级分形体构件5上的弧形槽2进行滑动配合，弹性杆件7穿过弧形t型滑轨6，弹性杆件7伸出弧形t型滑轨6的两端安装弹簧8并通过二级分形体构件5上的t型挡板4固定(t型挡板4上开孔，便于安装弹性杆件7)；三级分形体构件9的底部开矩形凹槽10，吸盘组件中的弹性阻尼装置11一端伸入矩形凹槽10并通过螺栓连接固定安装在三级分形体构件9下端。
31.上述中一级分形体构件1、二级分形体构件5均采用分体结构，三级分形体构件9采用一体结构；通过一级分形体构件1、二级分形体构件5的分体结构设计，同时配合t型挡板，便于各层分形体构件的拆卸安装；三层式的设计可以避免层次过多造成结构复杂的不足，同时也可以避免层次过少无法有效解决曲面适应的问题；同时形成的多个叶子节点可以便于安装多组吸盘组件，进而实现多组吸盘组件之间采用交替式方式连接，更好地确保吸盘组件与壁面的有效吸附，避免无效吸附的发生。整个结构简单、巧妙。
32.进一步地，可以设置所述吸盘组件包括弹簧阻尼器11、刚性吸盘12、柔性吸附材料13、气管快速接头14；其中，弹簧阻尼器11一端与分形体构件连接，弹簧阻尼器11另一端安装于刚性吸盘12上端面，刚性吸盘12内部及下端面粘贴设有柔性吸附材料13，气管快速接头14一端通过刚性吸盘12顶部预留的螺纹孔固定，气管快速接头14另一端用于连接软管。
33.进一步地，可以设置所述吸盘组件为多组，将不同二级分形体构件5节点下的吸盘组件通过软管连通。即位于同一个二级分形体构件5节点下的多组吸盘组件不连通，位于同一个二级分形体构件5节点下的多组吸盘组件分别与其它二级分形体构件5节点下的吸盘组件通过同一根软管连通，具体可以为：任意两个或者多个二级分形体构件5下的一组吸盘组件通过同一根软管连通，一组吸盘组件可以多个吸盘，如图中一组吸盘组件下有两个对称设置的吸盘；如图11所示结构，通过气体软管ⅰ15连接第一个二级分形体构件5节点下吸盘组件的快速接头ⅰ14-1、快速接头ⅱ14-2、第二个二级分形体构件5节点下吸盘组件的快速接头ⅲ14-5、快速接头ⅳ14-6，气体软管ⅱ16连接第一个二级分形体构件5节点下吸盘组件的快速接头
ⅴ
14-3、快速接头ⅵ14-4、第二个二级分形体构件5节点下吸盘组件的快速接头ⅶ14-7、快速接头
ⅷ
14-8，通过交错布置最大程度至少保证两组吸盘组件与壁面稳定贴合；如果存在三个二级分形体构件5，可以将第1个二级分形体构件5中的第1组吸盘组件同时与第2、3个二级分形体构件5中的第1组吸盘组件通过同一根软管连接，将第1个二级分形
体构件5中的第2组吸盘组件同时与第2、3个二级分形体构件5中的第2组吸盘组件通过同一根软管连接，以此类推，满足不同二级分形体构件5节点下的吸盘组件通过软管连通；也可采用其它方式实现不同二级分形体构件5节点下的吸盘组件通过软管连通。
34.本发明的工作过程是：以攀爬机器人攀附曲形壁面为例，初始状态时负压气源与气体软管进行连接，二级分形体构件5、三级分形体构件9在弹性恢复杆弹力作用力下处于原始状态。
35.外部机械臂带动一级分形体构件1使吸盘组件靠近壁面，在接触到曲面时，刚性吸盘12上的柔性吸附材料13先接触壁面发生变形，柔性吸附材料13受力压缩；为了适应曲面的圆心角，三级分形体构件9顶部弧形t型滑轨6在二级分形体构件5的弧形t型槽3中滑动，同时二级分形体构件5的弧形t型滑轨在第一层的分形体构件1的弧形t形槽中滑动，在弹性杆件7上的弹簧8受力方向压缩，两层滑动共同配合，使得吸盘组件与曲形壁面自适应贴合。当柔性吸附材料13紧密贴合壁面时，刚性吸盘12内部为封闭状态，此时负压源将刚性吸盘内变成真空状态，实现吸附。当完成吸附动作后关闭负压气源，此时外部机构臂抬起各层分形体构件，第二、三层分形体构件中的弹簧在的弹力的作用下恢复初始形状方便进行下一次的壁面吸附。其中，吸盘组件上设置了弹簧阻尼器，可以有效地减少多个刚性吸盘在接触曲形壁面时由于各个刚性吸盘受力不均匀带来的振动冲击力，使吸附过程稳定进行，避免过大的接触力造成的攀爬机器人本体的失稳。
36.对于平行壁面本结构同样适用，所不同的是在完成吸附时各分形结构并未产生滑动，保持初始状态。
37.上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

技术特征：
1.一种自适应壁面曲率的真空吸盘装置，其特征在于：包括分形体构件、吸盘组件；分形体构件采用三层树状结构，作为树状结构叶子节点的三级分形体构件(9)上安装吸盘组件。2.根据权利要求1所述的自适应壁面曲率的真空吸盘装置，其特征在于：所述三层树状结构包括一级分形体构件(1)、二级分形体构件(5)、三级分形体构件(9)；一级分形体构件(1)与二级分形体构件(5)、二级分形体构件(5)与三级分形体构件(9)之间通过滑动配合带动吸盘组件滑动。3.根据权利要求2所述的自适应壁面曲率的真空吸盘装置，其特征在于：所述一级分形体构件(1)包括两个分体结构ⅰ，两个分体结构ⅰ连接，分体结构ⅰ的底部开有多个弧形槽(2)，弧形槽(2)内侧处预留弧形t型槽(3)与二级分形体构件(5)上的弧形t型滑轨(6)进行滑动配合，二级分形体构件(5)上的弹性杆件(7)两端通过固定于弧形t型槽(3)左右端面的t型挡板(4)固定。4.根据权利要求2所述的自适应壁面曲率的真空吸盘装置，其特征在于：所述二级分形体构件(5)包括两个分体结构ⅱ，两个分体结构ⅱ连接，分体结构ⅱ的底部开有多个弧形槽(2)，弧形槽(2)内侧处预留t型槽(3)与三级分形体构件(9)上的弧形t型滑轨(6)进行滑动配合，三级分形体构件(9)上的弹性杆件(7)两端通过固定于弧形t型槽(3)左右端面的t型挡板(4)固定；分体结构ⅱ的顶部设有弧形t型滑轨(6)与一级分形体构件(1)上的弧形槽(2)进行滑动配合，弹性杆件(7)穿过弧形t型滑轨(6)，弹性杆件(7)伸出弧形t型滑轨(6)的两端安装弹簧(8)并通过一级分形体构件(1)上的t型挡板(4)固定。5.根据权利要求2所述的自适应壁面曲率的真空吸盘装置，其特征在于：所述三级分形体构件(9)的顶部设有弧形t型滑轨(6)与二级分形体构件(5)上的弧形槽(2)进行滑动配合，弹性杆件(7)穿过弧形t型滑轨(6)，弹性杆件(7)伸出弧形t型滑轨(6)的两端安装弹簧(8)并通过二级分形体构件(5)上的t型挡板(4)固定；三级分形体构件(9)的底部开凹槽(10)，吸盘组件中的弹性阻尼装置(11)一端伸入凹槽(10)并固定安装在三级分形体构件(9)下端。6.根据权利要求1所述的自适应壁面曲率的真空吸盘装置，其特征在于：所述吸盘组件包括弹簧阻尼器(11)、刚性吸盘(12)、柔性吸附材料(13)、气管快速接头(14)；其中，弹簧阻尼器(11)一端与分形体构件连接，弹簧阻尼器(11)另一端安装于刚性吸盘(12)上端面，刚性吸盘(12)内部及下端面设有柔性吸附材料(13)，气管快速接头(14)一端与刚性吸盘(12)顶部固定，气管快速接头(14)另一端用于连接软管。7.根据权利要求6所述的自适应壁面曲率的真空吸盘装置，其特征在于：所述吸盘组件为多组，将不同二级分形体构件(5)节点下的吸盘组件通过软管连通。

技术总结
本发明公开了一种自适应壁面曲率的真空吸盘装置，包括分形体构件、吸盘组件；分形体构件采用三层树状结构，作为树状结构叶子节点的三级分形体构件上安装吸盘组件。本发明通过分形体构件间的滑动，让吸盘组件适应贴合曲形壁面；同时吸盘组件上的弹性阻尼装置，在刚性吸盘接触壁面时和脱离壁面吸附的情况下，有良好消除震动效果；既保证了攀爬机器人吸附时的稳定性，又可以适应复杂曲面；相比较于通过设计复杂移动结构去适应壁面曲率的攀爬机器人，本发明作为模块化装置可直接应用于攀爬机器人，结构简单可靠。结构简单可靠。结构简单可靠。


技术研发人员：王学军 黄帅锋
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2022.03.31
技术公布日：2022/5/25