一种具有曲面自适应的微针吸附装置

1.本发明属于水下吸附技术领域的一种微针旋流吸附装置，尤其是涉及了一种具有曲面自适应的微针旋流吸附装置。

背景技术：

2.水下吸附技术是开展水下检测和作业的关键技术之一，被广泛应用于船体检修、水下设备维护、大坝检测维修等多种作业。传统水下吸附技术大多采用的是正负压和旋流负压方式来实现水下吸附的，但由于吸盘的吸附力是垂直于吸附面的，当吸附装置处于复杂的环境下如水流冲击较大或自身作业时振动较大等，很难保证吸附装置在吸附面切向方向的稳定性。
3.随着特种机器人技术的发展，水下爬壁机器人技术面向水下作业需求应运而生，其设计用于在危险、恶劣的水下环境下代替人类进行水下检测与作业，广泛地应用于核燃料池检测、水利大坝水下维护和船舶清洗与检修等行业中，稳定、可靠的水下吸附结构为水下爬壁机器人的作业条件提供了良好的保障。
4.现有的水下吸附结构常采用吸盘加履带式或吸盘加轮式结构来增加吸附结构的限位能力，在机器人作业时这两种结构所提供的摩擦力往往不足，尤其在水流流速较大或者切向受力较大的环境下实用性较差。已有的针刺式水下吸附结构大多也只能用作吸附于平面或者曲度不高的曲面，在曲度较高的情况下难以满足稳定吸附的工作需求。
5.综上所述，现有的水下吸附结构使用场合存在局限性，不能很好地满足水下机器人的作业需求。

技术实现要素：

6.为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于设计一种具有曲面自适应的微针旋流吸附装置，该装置能很好地满足水下机器人的作业需求。
7.本发明技术方案如下：
8.主要由支撑平台、限位组件、导轮单元和防水电机组成；防水电机同轴固定在支撑平台的上表面，若干组导轮单元沿着支撑平台的周向间隔布置，支撑平台的外周开设有沿自身周向间隔设置的多个通槽，每个通槽的两侧壁之间固定连接有一个限位组件，线绳一端系在防水电机的输出轴上，绕经导轮单元后另一端系在限位组件上；
9.支撑平台的下表面固定连接有用于吸附曲面的吸盘。
10.所述的限位组件包括转轴、扭簧、电磁制动器、一端封闭一端开口的u形支架和微针限位器；转轴的两侧分别与两个电磁制动器同轴可旋转地活动连接，u形支架的封闭端同轴固定连接在转轴的中部，两个扭簧分别缠绕在转轴的两端，每个扭簧的两端分别与电磁制动器和u形支架的封闭端固定连接，电磁制动器外接控制器，u形支架开口端的两内侧壁之间固定连接有微针限位器，微针限位器上安装有微针；
11.所述支撑平台中的每个通槽的两侧壁分别与两个电磁制动器固定连接。
12.所述的微针限位器包括顶端封闭底端半开口的外壳、防水步进电机、压缩弹簧、上齿柱和微针平台和锁紧压盘，防水步进电机、上齿柱和微针平台和锁紧压盘均位于外壳的内部；
13.防水步进电机固定安装在外壳内侧壁的顶部，连接杆位于防水步进电机的下方，防水步进电机的输出轴和连接杆的一端之间通过法兰固定连接，连接杆的另一端穿设过圆平板的中部且与圆平板可上下移动地活动连接，压缩弹簧缠绕在连接杆外，压缩弹簧的两端分别与法兰的下表面和圆平板的上表面固定连接，上齿柱和轴承分别安装在圆平板下表面的内周和外周，轴承的内圈和外圈分别与上齿柱和锁紧压盘固定连接，上齿柱和锁紧压盘之间不接触，微针平台位于上齿柱的下方且放置在外壳的底面上，上齿柱和微针平台可上下移动地啮合；u形支架开口端的两内侧壁分别与外壳外侧壁的两侧固定连接。
14.所述的微针平台包括下齿柱、凸起件和圆台，圆台的下表面固定安装有若干根微针，若干个下齿柱固定安装在圆台上表面的外周，所述的下齿柱与上齿柱之间不完全啮合，若干个凸起件沿着圆台的周向间隔排布地连接在圆台的外侧壁上；
15.所述外壳底面的中部开设有一个位于圆台下方的圆形槽，外壳的下部开设有沿自身周向间隔设置的多个条形槽，条形槽沿着外壳的轴向布置，每个凸起件的一端与圆台固定连接，另一端伸入到条形槽中且可上下移动地放置在外壳的底面上。
16.所述的锁紧压盘包括若干个条形压片和圆环连接板，若干个条形压片沿着圆环连接板的周向间隔排布地固定连接在圆环连接板的下表面，每个条形压片沿着圆环连接板的轴向布设；圆环连接板的内侧壁与轴承外圈固定连接。
17.所述的每一组导轮单元包括两个过线导轮，每组导轮单元中的一个过线导轮放置在支撑平台上表面的内周，另一个过线导轮固定连接在防水电机的外侧壁上；线绳一端系在防水电机的输出轴上，依次以s形路线绕经导轮单元中与防水电机连接的一个过线导轮、与支撑平台连接的另一个过线导轮后另一端系在圆环连接板的外侧壁上，过线导轮用于控制线绳的位置。
18.所述上齿柱的下部和下齿柱均为不平整的齿状结构，上齿柱下表面的形状和下齿柱上表面的形状相吻合。
19.所述的每一组导轮单元和一个限位组件相对应，导轮单元的对称轴与一个自身对应的限位组件的对称轴平行。
20.本发明的有益效果为：
21.1、本发明仅需在支撑平台上安装一个电机，电机通过线绳驱动锁紧压盘，实现对微针平台的限位，结构简单，易于制造，具有大规模投入生产应用的潜力。
22.2、本发明利用微针平台中的微针对被吸附曲面进行微钻，并利用微针将被吸附曲面与微针限位器固定连接，提供了曲面切向的吸附力，弥补了被吸附曲面法向吸附力的不足，使得曲面的吸附更加安全可靠。
附图说明
23.图1为本发明装置的示意图；
24.图2为支撑平台上角度调整的示意图；
25.图3为支撑平台上锁紧压盘驱动结构的示意图；
26.图4为微针限位器中振动结构的示意图；
27.图5为微针限位器的示意图。
28.图6为上齿柱连接的示意图。
29.图7为微针平台的示意图。
30.图8为锁紧压盘的示意图。
31.图9为上齿柱和微针平台啮合的示意图。
32.图中：1、支撑平台；2、转轴；3、扭簧；4、电磁制动器；5、u形支架；6、过线导轮；7、防水电机；8、防水步进电机；9、法兰；10、压缩弹簧；11、上齿柱；12、微针平台；12.1、下齿柱；12.2、凸起件；12.3、圆台；13、锁紧压盘；13.1、条形压片；13.2、圆环连接板。
具体实施方式
33.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
34.为了更清楚的说明本发明实施的技术方案，下面将对实施例的附图作简单的介绍。
35.如图1-图3所示，装置主要由支撑平台1、可调节角度的限位组件、导轮单元和防水电机7组成；防水电机7同轴固定在支撑平台1的上表面，若干组导轮单元沿着支撑平台1的周向间隔布置，支撑平台1的外周开设有沿自身周向间隔设置的多个通槽，每个通槽的两侧壁之间固定连接有一个限位组件，线绳一端系在防水电机7的输出轴上，绕经导轮单元后另一端系在限位组件上，导轮单元用于控制线绳的走向；
36.呈圆盘形状的支撑平台1的下表面固定连接有用于吸附曲面的吸盘，吸盘用于提供被吸附曲面法向的吸附力，实现吸附功能，限位组件用于限制被吸附曲面沿切向移动。
37.如图1和图2所示，限位组件包括转轴2、扭簧3、电磁制动器4、一端封闭一端开口的u形支架5和微针限位器；转轴13的两侧分别与两个电磁制动器4同轴可旋转地活动连接，u形支架5的封闭端同轴固定连接在转轴2的中部，两个扭簧3分别缠绕在转轴2的两端，使得扭簧3能带动转轴2转动，每个扭簧3的两端分别与电磁制动器4和u形支架5的封闭端固定连接，电磁制动器4外接控制器，u形支架5开口端的两内侧壁之间固定连接有微针限位器，微针限位器上安装有微针；
38.所述支撑平台1中的每个通槽的两侧壁分别与两个电磁制动器4固定连接。
39.电磁制动器4用于控制转轴2的旋转：当电磁制动器4工作时，转轴2被锁定不可旋转；当电磁制动器4不工作时，转轴2可任意旋转，当吸盘吸附到任意曲面上时，转轴2上的扭簧3发生扭转，当u形支架5旋转到合适角度后，电磁制动器4工作锁定转轴2进而将u形支架5固定，从而保证安装与u形支架5连接的微针限位器能贴合被吸附的曲面，进而将微针穿入曲面在，防止曲面在自身切向上产生滑移。
40.如图4-图6所示，微针限位器包括顶端封闭底端半开口的外壳、防水步进电机8、压缩弹簧10、上齿柱11和微针平台12和锁紧压盘13，防水步进电机8、上齿柱11和微针平台12和锁紧压盘13均位于外壳的内部，装置未吸附曲面时，锁紧压盘13的下表面贴附在外壳的下表面；
41.防水步进电机8固定安装在外壳内侧壁的顶部，连接杆位于防水步进电机8的下方，防水步进电机8的输出轴和连接杆的一端之间通过法兰9固定连接，连接杆的另一端穿
设过圆平板的中部且与圆平板可上下移动地活动连接，压缩弹簧10缠绕在连接杆外，压缩弹簧10的两端分别与法兰9的下表面和圆平板的上表面固定连接，上齿柱11和轴承分别安装在圆平板下表面的内周和外周，轴承的内圈和外圈分别与上齿柱11和锁紧压盘13固定连接，上齿柱11和锁紧压盘13之间不接触，轴承用以保证上齿柱11和锁紧压盘13的旋转不发生干涉，微针平台12位于上齿柱11的下方且放置在外壳的底面上，上齿柱11和微针平台12可上下移动地啮合，如图9所示。
42.u形支架5开口端的两内侧壁分别与外壳外侧壁的两侧固定连接。
43.通过u形支架5的转动，与u形支架5固定连接的整个微针限位器可以根据不同吸附曲面的曲度来调整自身角度，实现微针限位器的曲面自适应，保证微针平台12可以充分压在被吸附曲面上。
44.如图7所示，微针平台12包括下齿柱12.1、凸起件12.2和圆台12.3，圆台12.3的下表面固定安装有若干根微针，微针用于对曲面进行打孔，若干个下齿柱12.1固定安装在圆台12.3上表面的外周，若干个凸起件12.2沿着圆台12.2的周向间隔排布地连接在圆台12.3的外侧壁上，具体地，下齿柱12.1、凸起件12.2和圆台12.2连接成一体式结构；
45.所述的下齿柱12.1与上齿柱11之间不完全啮合，通过控制上齿柱11的旋转位置从而控制上齿柱11与下齿柱12.1的啮合程度；
46.所述外壳底面的中部开设有一个位于圆台12.3下方的圆形槽，圆形槽使得圆台12.3与被吸附曲面直接接触，圆台12.3上的微针穿设到曲面中，外壳的下部开设有沿自身周向间隔设置的多个条形槽，条形槽沿着外壳的轴向布置，每个凸起件的一端与圆台12.3固定连接，另一端伸入到条形槽中且可上下移动地放置在外壳的底面上，凸起件12.2不与外壳固定连接，使得凸起件12.2可上下移动。
47.如图8所示，锁紧压盘13包括若干个条形压片13.1和圆环连接板13.2，若干个条形压片13.1沿着圆环连接板13.2的周向间隔排布地固定连接在圆环连接板13.2的下表面，每个条形压片13.1沿着圆环连接板13.2的轴向布设，条形压片13.1和圆环连接板13.2组成一体式结构；
48.圆环连接板13.2的内侧壁与轴承外圈固定连接。
49.每一组导轮单元包括两个过线导轮6，每组导轮单元中的一个过线导轮6放置在支撑平台1上表面的内周，另一个过线导轮6固定连接在防水电机7的外侧壁上，每组导轮单元中的两个过线导轮6位于支撑平台1的同一直径上；
50.线绳一端系在防水电机7的输出轴上，依次以s形路线绕经导轮单元中与防水电机7连接的一个过线导轮6、与支撑平台1连接的另一个过线导轮6后另一端系在圆环连接板13.2的外侧壁上，通过防水电机7控制锁紧压盘13的旋转，过线导轮6用于控制线绳的位置。
51.上齿柱11的下部和下齿柱12.1均为不平整的齿状结构，上齿柱11下表面的形状和下齿柱12.1上表面的形状相吻合，使得上齿柱11和下齿柱12.1可以互相不完全啮合。
52.更具体地，所述的上齿柱11下端面的外缘设有沿自身周向布置的不完全齿状结构，下齿柱12.1的形状与上齿柱11中的不完全齿状结构相同，不完全齿状结构的形状为普通齿的形状的一半，上齿柱11中的不完全齿状结构与下齿柱12.1啮合形成啮合体系，该啮合体系为不完全啮合，形成的啮合体系类似于弹簧笔内部的不完全啮合构造。
53.每一组导轮单元和一个限位组件在水平位置上相对应，导轮单元的对称轴与一个
自身对应的限位组件的对称轴平行。
54.当连接在支撑平台1下表面的吸盘吸附曲面后，吸盘提供被吸附曲面法向的吸附力，利用扭簧3调节限位组件中u形支架5的角度，使得与u形支架5固定连接的微针限位器中的微针平台12能贴合被吸附的曲面，微针平台12上的微针接触到被吸附曲面后，微针平台12因被吸附曲面的反作用力而向上抬起，导致与下齿柱12.1啮合的上齿柱11同时向上抬起，然后，利用防水步进电机8驱动上齿柱11旋转，使得上齿柱11与下齿柱12.1之间不再啮合，上齿柱11与下齿柱12.1之间的缝隙尺寸增大，由于下齿柱12.1被曲面顶住无法向下运动，因此下齿柱12.1推动上齿柱11向上运动，使得压缩弹簧10缩短并产生弹性势能，随着上齿柱11的旋转，上齿柱11与下齿柱12.1之间的缝隙尺寸减小，压缩弹簧10的弹性势能推动上齿柱11向下运动，上齿柱11给下齿柱12.1一个冲击力，冲击力带动微针平台12上微针的一部分钉入曲面中，同时微针平台12又因曲面的反作用力向上抬起。
55.当吸盘吸附在曲面上且微针平台12贴合被吸附曲面后，防水步进电机8持续工作，上齿柱11不断地旋转导致下齿柱不断上下移动，进而控制微针平台12间歇性上下移动，利用冲击力带动微针逐步钉入曲面中，进而实现微针平台12对被吸附曲面的微钻。微针钻入曲面后，曲面通过微针与装置连接，微针沿着曲面的法向钻入以限制曲面在切向上的滑移，弥补了吸盘提供的曲面法向吸附力的不足，使得曲面的吸附更加安全可靠。
56.当微针完全钻入曲面后，即微针平台12对曲面的微钻完成后，水下防水电机8停止工作，然后防水电机7开始工作，通过防水电机7输出轴的转动卷绕线绳，线绳经过过线导轮6导向，控制微针限位器中锁紧压盘13的转动，当锁紧压盘13旋转时，锁紧压盘13中的条形压板13.1会触碰到微针平台12外周的凸起件12.1，锁紧压盘13与微针平台12相互作用，由于微针平台12被曲面顶住无法向下移动，因此锁紧压盘13因微针平台12提供的反作用向上抬起，锁紧压盘13带动压缩弹簧10向上压缩，当压缩弹簧10被压到极限位移不能再压缩时，锁紧压盘13的位置同时被锁定，被锁定后的锁紧压盘13对微针平台12起到限位作用。当水下防水电机8工作时，锁紧压盘13中的压板与微针平台12始终不接触。

技术特征：

1.一种具有曲面自适应的微针吸附装置，其特征在于：主要由支撑平台(1)、限位组件、导轮单元和防水电机(7)组成；防水电机(7)同轴固定在支撑平台(1)的上表面，若干组导轮单元沿着支撑平台(1)的周向间隔布置，支撑平台(1)的外周开设有沿自身周向间隔设置的多个通槽，每个通槽的两侧壁之间固定连接有一个限位组件，线绳一端系在防水电机(7)的输出轴上，绕经导轮单元后另一端系在限位组件上；支撑平台(1)的下表面固定连接有用于吸附曲面的吸盘。2.根据权利要求1所述的一种具有曲面自适应的微针吸附装置，其特征在于：所述的限位组件包括转轴(2)、扭簧(3)、电磁制动器(4)、一端封闭一端开口的u形支架(5)和微针限位器；转轴(13)的两侧分别与两个电磁制动器(4)同轴可旋转地活动连接，u形支架(5)的封闭端同轴固定连接在转轴(2)的中部，两个扭簧(3)分别缠绕在转轴(2)的两端，每个扭簧(3)的两端分别与电磁制动器(4)和u形支架(5)的封闭端固定连接，电磁制动器(4)外接控制器，u形支架(5)开口端的两内侧壁之间固定连接有微针限位器，微针限位器上安装有微针；所述支撑平台(1)中的每个通槽的两侧壁分别与两个电磁制动器(4)固定连接。3.根据权利要求2所述的一种具有曲面自适应的微针吸附装置，其特征在于：所述的微针限位器包括顶端封闭底端半开口的外壳、防水步进电机(8)、压缩弹簧(10)、上齿柱(11)和微针平台(12)和锁紧压盘(13)，防水步进电机(8)、上齿柱(11)和微针平台(12)和锁紧压盘(13)均位于外壳的内部；防水步进电机(8)固定安装在外壳内侧壁的顶部，连接杆位于防水步进电机(8)的下方，防水步进电机(8)的输出轴和连接杆的一端之间通过法兰(9)固定连接，连接杆的另一端穿设过圆平板的中部且与圆平板可上下移动地活动连接，压缩弹簧(10)缠绕在连接杆外，压缩弹簧(10)的两端分别与法兰(9)的下表面和圆平板的上表面固定连接，上齿柱(11)和轴承分别安装在圆平板下表面的内周和外周，轴承的内圈和外圈分别与上齿柱(11)和锁紧压盘(13)固定连接，上齿柱(11)和锁紧压盘(13)之间不接触，微针平台(12)位于上齿柱(11)的下方且放置在外壳的底面上，上齿柱(11)和微针平台(12)可上下移动地啮合；u形支架(5)开口端的两内侧壁分别与外壳外侧壁的两侧固定连接。4.根据权利要求3所述的一种具有曲面自适应的微针吸附装置，其特征在于：所述的微针平台(12)包括下齿柱(12.1)、凸起件(12.2)和圆台(12.3)，圆台(12.3)的下表面固定安装有若干根微针，若干个下齿柱(12.1)固定安装在圆台(12.3)上表面的外周，所述的下齿柱(12.1)与上齿柱(11)之间不完全啮合，若干个凸起件(12.2)沿着圆台(12.2)的周向间隔排布地连接在圆台(12.3)的外侧壁上；所述外壳底面的中部开设有一个位于圆台(12.3)下方的圆形槽，外壳的下部开设有沿自身周向间隔设置的多个条形槽，条形槽沿着外壳的轴向布置，每个凸起件的一端与圆台(12.3)固定连接，另一端伸入到条形槽中且可上下移动地放置在外壳的底面上。5.根据权利要求3所述的一种具有曲面自适应的微针吸附装置，其特征在于：所述的锁紧压盘(13)包括若干个条形压片(13.1)和圆环连接板(13.2)，若干个条形压片(13.1)沿着圆环连接板(13.2)的周向间隔排布地固定连接在圆环连接板(13.2)的下表面，每个条形压片(13.1)沿着圆环连接板(13.2)的轴向布设；圆环连接板(13.2)的内侧壁与轴承外圈固定连接。
6.根据权利要求5所述的一种具有曲面自适应的微针吸附装置，其特征在于：所述的每一组导轮单元包括两个过线导轮(6)，每组导轮单元中的一个过线导轮(6)放置在支撑平台(1)上表面的内周，另一个过线导轮(6)固定连接在防水电机(7)的外侧壁上；线绳一端系在防水电机(7)的输出轴上，依次以s形路线绕经导轮单元中与防水电机(7)连接的一个过线导轮(6)、与支撑平台(1)连接的另一个过线导轮(6)后另一端系在圆环连接板(13.2)的外侧壁上，过线导轮(6)用于控制线绳的位置。7.根据权利要求4所述的一种具有曲面自适应的微针吸附装置，其特征在于：所述上齿柱(11)的下部和下齿柱(12.1)均为不平整的齿状结构，上齿柱(11)下表面的形状和下齿柱(12.1)上表面的形状相吻合。8.根据权利要求4所述的一种具有曲面自适应的微针吸附装置，其特征在于：所述的每一组导轮单元和一个限位组件相对应，导轮单元的对称轴与一个自身对应的限位组件的对称轴平行。

技术总结

本发明公开了一种具有曲面自适应的微针吸附装置。防水电机固定在支撑平台上，导轮单元和限位组件均沿着支撑平台的周向间隔布置，防水电机和微针限位器通过线绳连接，U形支架固定连接在转轴上，与U形支架开口端连接的微针限位器上安装有微针，防水步进电机安装在外壳顶部，防水步进电机和连接杆的一端固定连接，连接杆的另一端与圆平板活动连接，上齿柱和轴承分别安装在圆平板的内周和外周，轴承的内圈和外圈分别与上齿柱和锁紧压盘固定连接，微针平台放置在外壳的底面上，上齿柱和微针平台的下齿柱可上下移动地啮合。本发明利用微针对被吸附曲面进行微钻和固定，提供了曲面切向的吸附力，使得曲面的吸附更加安全可靠，结构简单，易于制造。易于制造。易于制造。