一种具有攀爬、越障的全方位运动小车系统的制作方法

1.本发明涉及机器人技术领域，特别是一种结构紧凑、运动模式多样化、运动方向灵活切换、越障与吸附功能齐全的具有攀爬、越障的全方位运动小车系统。


背景技术：

2.随着经济的发展，越来越多的人迁入城市，导致城市人口的剧烈增长，而为了节约土地资源，人们开始建造各种各样的摩天大楼。在建造这些摩天大楼时，多使用玻璃幕墙结构，而其他不能用玻璃覆盖的地方则也使用瓷砖来使建筑物更加具有美感，这种建筑风格也使得外墙的清洗变得异常困难。如果使用传统的升降台或者由工作人员采用绳索来进行“蜘蛛侠”式吊悬工作，则不仅清洗工作周期长，消耗费用高，而且由于工作人员长期位于高空环境下，对于工作人员的危险性过大；如果采用外墙建设轨道的方法，虽然清洗较方便，但是会导致建筑外观不美观，并且资金投资过大，使得在刚开始设计建筑时设计师们便要考虑到外墙建设轨道的因素，加大了建筑设计难度。
3.而伴随着科学技术的发展和人们对于机器人研发的进步，同时人们对于保护环境和维护环境意识的增强，人们意识到可以利用机器人在危险的高空进行作业，这样就能够减轻人类的繁重劳动和这种劳动的危险性，从而使得机器人代替人工进行高空清理。这种高空清洁小车的发明不仅大大的减轻了高楼的清洗工作，使得工作在高层建筑清洗中的人们得到了彻底的解放，同时也减少了这些工人的劳动力问题。这些研发改变了人类的工作环境，同时进一步提高了工作的效率。而这种高空清洁小车，其底层结构原本是一种基本移动机器人，但是由于这种机器人在墙面拐弯时的路径覆盖不到墙面的直角位置，造成清洗不干净的结果。
4.需要一种结构紧凑、运动模式多样化、运动方向灵活切换、越障与吸附功能齐全的具有攀爬、越障的全方位运动小车系统。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种结构紧凑、运动模式多样化、运动方向灵活切换、越障与吸附功能齐全的具有攀爬、越障的全方位运动小车系统。
6.一种具有攀爬、越障的全方位运动小车系统，包括：
7.中间吸附系统，所述中间吸附系统通过舵机手臂一连接小车一、通过舵机手臂二连接小车二、通过舵机手臂三连接小车三、通过舵机手臂四连接小车四，所述舵机手臂一、舵机手臂二、舵机手臂三、舵机手臂四的结构相同，并分别设置在中间吸附系统的四周；
8.所述小车一、小车二、小车三、小车四的结构相同，所述舵机手臂一依次为舵机一、舵机二、舵机三、舵机四、舵机五、连接杆一，所述连接杆一固定连接中间吸附系统，所述舵机一固定连接小车一；
9.所述中间吸附系统的中间吸附系统框架和电机一的壳体固定连接，所述电机一的转动轴和叶片固定连接，所述中间吸附系统框架和外罩固定连接，所述外罩套在叶片的外
部；
10.所述小车一的上部为小车角度调整系统，所述小车角度调整系统的支撑架和舵机一固定连接，所述支撑架和电机二的壳体固定连接，所述电机二的转动轴和蜗杆固定连接，所述蜗杆和蜗轮啮合，所述蜗轮和连接轴固定连接，所述连接轴和支撑架可转动连接，所述连接轴和小车框架固定连接；
11.所述小车框架分别连接全向轮系统一、全向轮系统二、全向轮系统三、全向轮系统四，所述全向轮系统一、全向轮系统二、全向轮系统三、全向轮系统四分别位于小车框架的四周，且结构相同，所述全向轮系统一的电机三壳体固定在小车框架上，所述电机三的转动轴和全向轮固定连接，所述小车吸附系统和中间吸附系统的电机一、外罩、叶片结构相同。
12.所述中间吸附系统框架外框为正方形，中部为十字形支撑，所述舵机手臂一和舵机手臂三、舵机手臂二和舵机手臂四对称设置在十字形支撑上。
13.所述支撑架为u型，开口水平设置，所述蜗杆、蜗轮、电机二分别设置在支撑架内部，所述连接轴穿过支撑架的下部。
14.所述小车框架的外框架和内框架分别为正方形，小车框架的内框架上设置内框十字支撑架，所述内框十字支撑架固定u型支撑，所述u型支撑固定连接连接轴，所述全向轮系统一、全向轮系统二、全向轮系统三、全向轮系统四分别位于小车框架的外框架和内框架之间的四角，且均匀设置。
15.所述全向轮为三排。
16.所述叶片的叶片数为4片。
17.所述小车一、小车二、小车三、小车四均处于墙顶正常工作，为了保证整个系统不掉落，需要保证吸盘的吸附力大于系统自身的重力，即：
18.f1 f2 f3 f4 f＞g1 g2 g3 g4 g
19.其中:f1、f2、f3、f4、f分别为小车一、小车二、小车三、小车四、中间吸附系统对墙的吸附力；g1、g2、g3、g4、g为小车一与舵机手臂一、小车二与舵机手臂二、小车三与舵机手臂三、小车四与舵机手臂四、中间吸附系统的重力；
20.在舵机手臂一的作用下，当小车一切换到吸附在竖直墙面时，为了保证整个系统不掉落，需要满足
[0021][0022]
其中:f1、μ1分别为小车一与竖直墙面的摩擦力和摩擦系数。
[0023]
所述小车一吸附在竖直墙面，小车四吸附在墙顶时，则
[0024][0025]
当仅由小车四吸附在墙顶，小车一、小车二、小车三、中间吸附系统均吸附在竖直墙面时，考虑到中间吸附系统与竖直墙面不会由于吸附力的存在而产生摩擦力，因此将其均分到小车一、小车二、小车三上，则
[0026][0027]
其中:f2、f3为小车二、小车三与竖直墙面之间的摩擦力，μ2、μ3为小车二、小车三与竖直墙面的摩擦系数。
[0028]
所述小车一、小车二、小车三、小车四全部在竖直墙面运动时，则
[0029][0030]
其中:f4、μ4分别为小车四与竖直墙面的摩擦力和摩擦系数。
[0031]
本发明中间吸附系统通过舵机手臂一连接小车一、通过舵机手臂二连接小车二、通过舵机手臂三连接小车三、通过舵机手臂四连接小车四，舵机手臂一、舵机手臂二、舵机手臂三、舵机手臂四的结构相同，并分别设置在中间吸附系统的四周；小车一、小车二、小车三、小车四的结构相同，舵机手臂一依次为舵机一、舵机二、舵机三、舵机四、舵机五、连接杆一，连接杆一固定连接中间吸附系统，舵机一固定连接小车一；中间吸附系统的中间吸附系统框架和电机一的壳体固定连接，电机一的转动轴和叶片固定连接，中间吸附系统框架和外罩固定连接，外罩套在叶片的外部；小车一的上部为小车角度调整系统，小车角度调整系统的支撑架和舵机一固定连接，支撑架和电机二的壳体固定连接，电机二的转动轴和蜗杆固定连接，蜗杆和蜗轮啮合，蜗轮和连接轴固定连接，连接轴和支撑架可转动连接，连接轴和小车框架固定连接；小车框架分别连接全向轮系统一、全向轮系统二、全向轮系统三、全向轮系统四，全向轮系统一、全向轮系统二、全向轮系统三、全向轮系统四分别位于小车框架的四周，且结构相同，全向轮系统一的电机三壳体固定在小车框架上，电机三的转动轴和全向轮固定连接，小车吸附系统和中间吸附系统的电机一、外罩、叶片结构相同。本发明结构紧凑、运动模式多样化、运动方向灵活切换、越障与吸附功能齐全。
[0032]
以电机、多自由度小车与中间吸盘系统组合运动，具有越障、攀爬、吸附、运动方向切换的功能。所述的一种具有攀爬、越障的全方位运动小车主要由全向轮的小车、蜗轮蜗杆、舵机、中央吸盘以及连接件组成。其中的小车主要由x、y方向交叉的全向轮驱动，可以使小车实现多个方向的运动；中间吸盘系统采用电机来带动叶片转动，使其具有吸附功能，舵机串联带动直角运动小车改变运动姿态；小车角度调整系统保证小车具有沿着x轴、y轴运动，与x轴、y轴以一定夹角运动以及沿着和一定夹角同时保持切换的运动；从而使得整个机器人系统具有攀爬、吸附、越障等特点。本发明专利以电机和舵机驱动，具有结构紧凑，运动模式灵活切换、自由度多的特点，可用于高空墙面和不平整障碍面工作。
[0033]
本发明的有益效果是：
[0034]
1.利用x、y方向交叉的全向轮驱动的小车，结合小车角度调整系统，可以实现小车多个方向的运动切换。
[0035]
2.利用舵机串联带动小车调整姿态，采用电机带动叶片具有吸附功能。
[0036]
3.中间吸盘系统与四个全向轮驱动小车组合，可以实现整个机器人系统的吸附、越障、攀爬、运动方向切换，可用于高空作业。
附图说明
[0037]
图1是具有攀爬、越障的全方位运动小车的整体机械结构图；
[0038]
图2是具有攀爬、越障的全方位运动小车的中间吸附系统与单个小车连接的机械结构图；
[0039]
图3是具有攀爬、越障的全方位运动小车的中间吸附系统上斜视机械结构图；
[0040]
图4是具有攀爬、越障的全方位运动小车的中间吸附系统下斜视机械结构图；
[0041]
图5是具有攀爬、越障的全方位运动小车的中间吸盘系统下视机械结构图；
[0042]
图6是具有攀爬、越障的全方位运动小车的小车角度调整系统机械结构图；
[0043]
图7是具有攀爬、越障的全方位运动小车的单个小车整体机械结构图；
[0044]
图8是具有攀爬、越障的全方位运动小车的全部小车和中间吸附系统全部吸附在墙顶的示意图；
[0045]
图9是具有攀爬、越障的全方位运动小车的一个小车吸附在竖直墙壁的示意图；
[0046]
图10是具有攀爬、越障的全方位运动小车的一个小车吸附在墙顶、一个小车吸附在竖直墙壁的示意图；
[0047]
图11是具有攀爬、越障的全方位运动小车的一个小车吸附在墙顶的示意图
[0048]
图12是具有攀爬、越障的全方位运动小车的全部小车和中间吸附系统全部吸附在竖直墙壁的示意图；
[0049]
图13是具有攀爬、越障的全方位运动小车平面坐标系内全部小车直角运动示意图；
[0050]
图14是具有攀爬、越障的全方位运动小车平面坐标系内全部小车斜角运动示意图；
[0051]
图中：小车一1、舵机手臂一2、舵机手臂二3、小车二4、中间吸附系统5、舵机手臂三6、小车三7、舵机手臂四8、小车四9、舵机一10、舵机二11、舵机三12、舵机四13、舵机五14、连接杆一15、中间吸附系统框架16、电机一17、外罩18、叶片19、小车角度调整系统20、支撑架
21、蜗杆22、蜗轮23、电机二24、连接轴25、全向轮系统一26、全向轮27、电机三28、小车框架29、全向轮系统二30、全向轮系统三31、全向轮系统四32、小车吸附系统33。
具体实施方式
[0052]
以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。
[0053]
一种具有攀爬、越障的全方位运动小车系统，包括：中间吸附系统5，中间吸附系统5通过舵机手臂一2连接小车一1、通过舵机手臂二3连接小车二4、通过舵机手臂三6连接小车三7、通过舵机手臂四8连接小车四9，舵机手臂一2、舵机手臂二3、舵机手臂三6、舵机手臂四8的结构相同，并分别设置在中间吸附系统5的四周；小车一1、小车二4、小车三7、小车四9的结构相同，舵机手臂一2依次为舵机一10、舵机二11、舵机三12、舵机四13、舵机五14、连接杆一15，连接杆一15固定连接中间吸附系统5，舵机一10固定连接小车一1；中间吸附系统5的中间吸附系统框架16和电机一17的壳体固定连接，电机一17的转动轴和叶片19固定连接，中间吸附系统框架16和外罩18固定连接，外罩18套在叶片19的外部；小车一1的上部为小车角度调整系统20，小车角度调整系统20的支撑架21和舵机一10固定连接，支撑架21和电机二24的壳体固定连接，电机二24的转动轴和蜗杆22固定连接，蜗杆22和蜗轮23啮合，蜗轮23和连接轴25固定连接，连接轴25和支撑架21可转动连接，连接轴25和小车框架29固定连接；小车框架29分别连接全向轮系统一26、全向轮系统二30、全向轮系统三31、全向轮系统四32，全向轮系统一26、全向轮系统二30、全向轮系统三31、全向轮系统四32分别位于小车框架29的四周，且结构相同，全向轮系统一26的电机三28壳体固定在小车框架29上，电机三28的转动轴和全向轮27固定连接，小车吸附系统33和中间吸附系统5的电机一17、外罩18、叶片19结构相同。
[0054]
中间吸附系统框架16外框为正方形，中部为十字形支撑，舵机手臂一2和舵机手臂三6、舵机手臂二3和舵机手臂四8对称设置在十字形支撑上。支撑架21为u型，开口水平设置，蜗杆22、蜗轮23、电机二24分别设置在支撑架21内部，连接轴25穿过支撑架21的下部。小车框架29的外框架和内框架分别为正方形，小车框架29的内框架上设置内框十字支撑架，内框十字支撑架固定u型支撑，u型支撑固定连接连接轴25，全向轮系统一26、全向轮系统二30、全向轮系统三31、全向轮系统四32分别位于小车框架29的外框架和内框架之间的四角，且均匀设置。全向轮27为三排。叶片19的叶片数为4片。
[0055]
小车一1、小车二3、小车三7、小车四9均处于墙顶正常工作，为了保证整个系统不掉落，需要保证吸盘的吸附力大于系统自身的重力，即：
[0056]
f1 f2 f3 f4 f＞g1 g2 g3 g4 g
[0057]
其中:f1、f2、f3、f4、f分别为小车一1、小车二3、小车三7、小车四9、中间吸附系统5对墙的吸附力；g1、g2、g3、g4、g为小车一1与舵机手臂一2、小车二4与舵机手臂二3、小车三7与舵机手臂三6、小车四9与舵机手臂四8、中间吸附系统8的重力；
[0058]
在舵机手臂一2的作用下，当小车一1切换到吸附在竖直墙面时，为了保证整个系统不掉落，需要满足
[0059]
[0060]
其中:f1、μ1分别为小车一1与竖直墙面的摩擦力和摩擦系数。
[0061]
小车一1吸附在竖直墙面，小车四9吸附在墙顶时，则
[0062][0063]
当仅由小车四9吸附在墙顶，小车一1、小车二3、小车三7、中间吸附系统5均吸附在竖直墙面时，考虑到中间吸附系统5与竖直墙面不会由于吸附力的存在而产生摩擦力，因此将其均分到小车一1、小车二3、小车三7上，则
[0064][0065]
其中:f2、f3为小车二3、小车三7与竖直墙面之间的摩擦力，μ2、μ3为小车二3、小车三7与竖直墙面的摩擦系数。
[0066]
小车一1、小车二3、小车三7、小车四9全部在竖直墙面运动时，则
[0067][0068]
其中:f4、μ4分别为小车四9与竖直墙面的摩擦力和摩擦系数。
[0069]
中间吸附系统5通过舵机手臂一2、舵机手臂二3、舵机手臂三6、舵机手臂四8分别与小车一1、小车二3、小车三7、小车四9连接；舵机手臂一2、舵机手臂二3、舵机手臂三6、舵机手臂四8的结构完全一样。
[0070]
以中间吸附系统5通过舵机手臂一2与小车一1连接为例说明舵机手臂一2的组成。舵机一10与小车一1固定连接，舵机一10依次通过舵机二11、舵机三12、舵机四13、舵机五14与连接杆一15固定连接，舵机二11、舵机三12、舵机四13、舵机五14之间固定连接，连接杆一
15与中间吸附系统5固定连接。
[0071]
中间吸附系统包括中间吸附系统框架16、电机一17、外罩18、叶片19。电机一17的壳体与中间吸附系统框架16固定连接，电机一17的转动轴与叶片19固定连接，外罩18与与中间吸附系统框架16固定连接，并且套在叶片19的外部。
[0072]
以小车四9为例说明小车一1、小车二3、小车三7、小车四9如何直角，以及走有一定斜度的直角。中间吸附系统5通过舵机手臂四8与支撑架21固定连接。小车四9的小车角度调整系统20包括支撑架21、蜗杆22、蜗轮23、电机二24、连接轴25。电机二24的壳体与支撑架21固定连接，电机二24的转动轴与蜗杆22固定连接，蜗杆22与蜗轮23相啮合，蜗轮23和连接轴25固定连接，连接轴25和支撑架21可转动连接，连接轴25和小车框架29固定连接。
[0073]
电机二24通过蜗杆22、蜗轮23、连接轴25可以带动小车框架29调整与x轴、y轴以一定夹角存在。可以有选择的调整小车一1、小车二3、小车三7、小车四9中的某个、部分或者全部。全向轮系统一26、全向轮系统二30、全向轮系统三31、全向轮系统四32与小车框架29连接；全向轮系统一26与全向轮系统三31、全向轮系统二30与全向轮系统四32组成两组全向轮系统。以全向轮系统一26为例说明其组成，全向轮系统一26包括全向轮27、电机三28。电机三28的壳体与小车框架29固定连接，电机三28的转动轴与全向轮27固定连接。在初始状态下，小车一1、小车二3、小车三7、小车四9沿x轴、y轴方向运动；当全部小车由自身的小车角度调整系统调整角度后，小车一1、小车二3、小车三7、小车四9全部以x轴、y轴一定夹角的方向运动；如果小车一1、小车二3、小车三7、小车四9中的某两个处于初始状态，另外两个处于调整后状态，则既可以沿x轴、y轴方向运动，又可以以x轴、y轴一定夹角的方向运动。
[0074]
为具有攀爬、越障的全方位运动小车由墙顶切换到竖直墙面工作状态的受力分析过程。
[0075]
当所有小车均处于墙顶正常工作，为了保证整个系统不掉落，需要保证吸盘的吸附力大于系统自身的重力，即：
[0076]
f1 f2 f3 f4 f＞g1 g2 g3 g4 g
[0077]
其中:f1、f2、f3、f4、f分别为小车一1、小车二3、小车三7、小车四9、中间吸附系统5对墙的吸附力；g1、g2、g3、g4、g为小车一1与舵机手臂一2、小车二3与舵机手臂二3、小车三7与舵机手臂三6、小车四9与舵机手臂四8、中间吸附系统5的重力。
[0078]
在舵机手臂一2的作用下，当小车一1切换到吸附在竖直墙面时，为了保证整个系统不掉落，需要满足
[0079][0080]
其中:f1、μ1分别为小车一1与竖直墙面的摩擦力和摩擦系数。
[0081]
当仅由小车一1吸附在竖直墙面，小车四9吸附在墙顶时，则
[0082][0083]
当仅由小车四9吸附在墙顶，小车一1、小车二3、小车三7、中间吸附系统5均吸附在竖直墙面时，考虑到中间吸附系统5与竖直墙面不会由于吸附力的存在而产生摩擦力，因此
将其均分到小车一1、小车二3、小车三7上，则
[0084][0085]
其中:f2、f3为小车二3、小车三7与竖直墙面之间的摩擦力，μ2、μ3为小车二3、小车三7与竖直墙面的摩擦系数。
[0086]
当小车一1、小车二3、小车三7、小车四9全部在竖直墙面运动时，则
[0087][0088]
其中:f4、μ4分别为小车四9与竖直墙面的摩擦力和摩擦系数。
[0089]
为减轻系统重量，小车框架29采用碳纤维板。小车一1、小车二4、中间吸附系统5、小车三7、小车四9可以携带工作的机械手或者其他装置，在进行受力分析时，需要考虑机械手或者其他装置的重量。全向轮27不限于三排，可以根据实际需要进行调整。叶片19的叶片数不限于4片，叶片19的形状可以是平面造型，也可以是曲面造型。为了保证耐磨性，蜗杆22采用的材料强度需要强于蜗轮23。
[0090]
通过控制各电机和舵机，实现一种具有攀爬、越障的全方位运动小车位姿的控制，可以实现复杂地形的攀爬和越障，并且可以实现精确的轨迹控制，本发明拥有其他具有攀爬、越障的全方位运动小车无法比拟的优势。
[0091]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。