CN108100060A - 一种多模式爬壁机器人运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多模式爬壁机器人运动机构，以基板为主体，在所述基板左右两侧设置履带行走机构与爪刺轮行走机构，履带行走机构中的各副履带从动带轮与爪刺轮行走机构中的各爪刺轮分别安装在切换机构中相应切换支架的两端，由切换机构的切换电机驱动，带动各切换支架转动，使所述履带行走机构与爪刺轮行走机构分别切换至工作位，实现所述运动机构在黏附行走状态与抓附行走状态之间切换。本发明的多模式爬壁机器人运动机构可在不同环境不同表面下稳定可靠作业，并可实现自适应切换附着。

Description

一种多模式爬壁机器人运动机构

技术领域

本发明涉及机器人学与机器人技术领域，更具体地说是一种多模式爬壁机器人运动机构。

背景技术

壁面作业在现代社会中扮演着十分重要的角色。随着科学技术的发展，机器人已广泛应用于社会的各个领域。爬壁机器人作为替代人类在陡峭壁面上作业、实时获取三维空间层面环境信息的重要装备，有效提高了作业效率，保障了作业安全。附着能力是衡量爬壁机器人性能的一个重要指标，但传统爬壁机器人采用的电磁吸附、气压吸附、混合吸附、轨道附着等壁面附着方式仅适用于特殊的应用场景，例如气压吸附在真空下失效、电磁吸附仅适用于导磁材料，等等。另外，这些高能耗的吸附力发生设备也导致了机器人在设计中难以做到小型化、轻量化，并限制了其在狭小地带作业的能力。为了克服传统爬壁机器人弊端，人们通过模仿壁虎、蜘蛛、蝾螈、昆虫等动物特殊的附着与运动能力，开发出仿生爬壁机器人，并已取得了一定进展。

然而，现有的爬壁机器人大多数只能在单类型的表面上攀爬，仍未能很好地解决不同表面下的稳定性和适应性问题。其主要原因主要在于：目前爬壁机器人行走机构简单、柔性低，不能实现多种附着机理的运动模式；缺乏各运动模式间的转换机制，很大程度上限制了机器人的运动能力和自主性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一。为此，本发明提出一种可在不同环境不同表面下稳定可靠作业、自适应切换附着机理的多模式爬壁机器人运动机构。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多模式爬壁机器人运动机构，其结构特点是：

以基板为主体，在所述基板左右两侧设置履带行走机构与爪刺轮行走机构，所述履带行走机构中的各副履带从动带轮与爪刺轮行走机构中的各爪刺轮分别安装在切换机构中相应切换支架的两端，由切换机构的切换电机驱动，带动各切换支架转动，使所述履带行走机构与爪刺轮行走机构分别切换至工作位，实现所述运动机构在如下两个状态之间切换：

黏附行走状态：各切换支架转动角度a，所述爪刺轮行走机构中的各爪刺轮与攀爬壁面脱离，所述履带行走机构中的主履带与各副履带贴附于攀爬壁面上，通过各副履带带动运动机构作黏附行走；

抓附行走状态：各切换支架在黏附行走状态的基础上分别逆向转动角度a，所述履带行走机构中的主履带与各副履带与攀爬壁面脱离，所述爪刺轮行走机构中的各爪刺轮抓附于攀爬壁面上，通过各爪刺轮的转动带动运动机构作抓附行走。

本发明的结构特点也在于：

所述基板中心位置处设有风机孔，在所述风机孔上安装一风机，通过启动所述风机使运动机构处于吸附行走状态。

四组结构相同的执行单元两两对称布设在所述基板的四角，各组执行单元的带轮轴两端分别由轴承支承在基板及切换支架上，所述带轮轴上自基板侧边向外依次同轴固装驱动电机从动齿轮、主履带带轮、副履带主动带轮与带轮轴齿轮，位于同侧的两组执行单元的主履带带轮之间通过主履带实现同步传动，构成主履带传动机构，副履带主动带轮通过副履带驱动装配在所述切换支架一端的副履带从动带轮转动，构成副履带传动机构，各带轮轴齿轮通过多个齿轮输出带动装配在所述切换支架另一端的爪刺轮转动，构成爪刺轮传动机构；

以四组执行单元中的一对主履带传动机构与四个副履带传动机构构成所述履带行走机构，以四组执行单元中的四个爪刺轮传动机构构成所述爪刺轮行走机构，由设置在基板其中一处对角位置上的两个驱动电机一一对应地驱动相应位置的驱动电机从动齿轮以提供动力；

所述切换机构是按照位于基板前、后部的两组带轮轴对应设置同轴的两根切换轴，并在基板上的另一处对角线位置设置两个切换电机，各切换轴的两端分别穿过两侧带轮轴的中心开孔、与两端的切换支架固连，并可在带轮轴的中心开孔中转动，以处于对角线位置的两个切换电机通过切换齿轮副驱动切换轴正、反转动，带动与切换轴固连的切换支架正向或反向转动角度a；

初始状态下，位于前部的两个切换支架同相位安装，位于后部的两个切换支架同相位安装。

所述主履带与副履带上均涂覆有黏附材料。

所述角度a为7°。

所述副履带从动带轮的直径小于副履带主动带轮的直径。

所述驱动电机的输出轴与驱动电机齿轮固连，所述驱动电机从动齿轮与驱动电机齿轮相啮合。

所述切换轴上同轴固装切换电机从动齿轮，固装在切换电机输出轴上的切换电机齿轮与所述切换电机从动齿轮啮合传动，构成所述切换齿轮副。

所述爪刺轮同轴装配在安装于切换支架上的爪刺轮轴齿轮的输出轴上，所述带轮轴齿轮与爪刺轮轴齿轮之间通过安装于切换支架上的惰轮实现啮合传动。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明的多模式爬壁机器人运动机构创新地结合了黏附、抓附于吸附三种爬壁模式，可实现机器人在不同环境不同表面作连续爬壁作业；

2、本发明采用切换机构实现多模式爬壁机器人运动机构可根据攀爬壁面的具体情况切换为黏附行走状态或抓附行走状态，使得机器人具有完全独立的履带移动方式和爪刺轮移动方式，保证顺利完成爬壁作业，弥补了传统爬壁机器人因上述两种移动方式不能独立使用所带来的运动相互干涉的不足；

3、本发明中，副履带从动带轮的直径小于副履带主动带轮的直径，使得在上述两个状态的切换过程，即上下摆动切换支架时所传递的力矩更小，功耗更低，节省能源；

4、本发明中爪刺轮行走机构与履带带轮轴齿轮间采用的是齿轮传动，且可优选设置为增速传动，使得机器人处于抓附行走状态时的移动速度大于处于黏附行走状态时的移动速度，大大提高了机器人在抓附行走状态(默认模式)、大多数爬壁环境下的移动效率。

附图说明

图1是本发明多模式爬壁机器人运动机构的俯视结构示意图；

图2是本发明多模式爬壁机器人运动机构的轴侧结构示意图；

图3是本发明多模式爬壁机器人运动机构另一视角的轴侧结构示意图。

图中，1基板；2驱动电机；3驱动电机齿轮；4驱动电机从动齿轮；5带轮轴；6主履带带轮；7副履带主动带轮；8带轮轴齿轮；9副履带从动带轮；10主履带；11副履带；12惰轮；13爪刺轮轴齿轮；14爪刺轮；15切换电机；16切换电机齿轮；17切换电机从动齿轮；18切换轴；19切换支架；20风机。

具体实施方式

下面就本发明多模式爬壁机器人运动机构的具体实施方式结合附图予以详细说明。

请参照图1至图3，本实施例的多模式爬壁机器人运动机构，其结构具体是：

以基板1为主体，在基板1左右两侧设置履带行走机构与爪刺轮行走机构，履带行走机构中的各副履带从动带轮9与爪刺轮行走机构中的各爪刺轮14分别安装在切换机构中相应切换支架19的两端，由切换机构的切换电机15驱动，带动各切换支架19转动，使履带行走机构与爪刺轮行走机构分别切换至工作位，实现运动机构在如下两个状态之间切换：

黏附行走状态：各切换支架19转动角度a，爪刺轮行走机构中的各爪刺轮14与攀爬壁面脱离，履带行走机构中的主履带10与各副履带11贴附于攀爬壁面上，通过各副履带11带动运动机构作黏附行走；

抓附行走状态：各切换支架19在黏附行走状态的基础上分别逆向转动角度a，履带行走机构中的主履带10与各副履带11与攀爬壁面脱离，爪刺轮行走机构中的各爪刺轮14抓附于攀爬壁面上，通过各爪刺轮14的转动带动运动机构作抓附行走。

具体应用中，相应的结构设置也包括：

基板1中心位置处设有风机孔，在风机孔上安装一风机20，通过启动风机20使运动机构始终处于吸附行走状态。

四组结构相同的执行单元两两对称布设在基板1的四角，各组执行单元的带轮轴5两端分别由轴承支承在基板1及切换支架19上，带轮轴5上自基板1侧边向外依次同轴固装驱动电机从动齿轮4、主履带带轮6、副履带主动带轮7与带轮轴齿轮8，位于同侧的两组执行单元的主履带带轮6之间通过主履带10实现同步传动，构成主履带10传动机构，副履带主动带轮7通过副履带11驱动装配在切换支架19一端的副履带从动带轮9转动，构成副履带11传动机构，各带轮轴齿轮8通过多个齿轮输出带动装配在切换支架19另一端的爪刺轮14转动，构成爪刺轮传动机构；

以四组执行单元中的一对主履带10传动机构与四个副履带11传动机构构成上述履带行走机构，以四组执行单元中的四个爪刺轮传动机构构成上述爪刺轮行走机构，由设置在基板1其中一处对角位置上的两个驱动电机2一一对应地驱动相应位置的驱动电机从动齿轮4，为履带行走机构与爪刺轮行走机构提供动力；

切换机构是按照位于基板1前、后部的两组带轮轴5对应设置同轴的两根切换轴18，并在基板1上的另一处对角线位置设置两个切换电机15，各切换轴18的两端分别穿过两侧带轮轴5的中心开孔、与两端的切换支架19固连，并可在带轮轴5的中心开孔中转动，以处于对角线位置的两个切换电机15通过切换齿轮副驱动切换轴18正、反转动，带动与切换轴18固连的切换支架19正向或反向转动角度a；

初始状态下，位于前部的两个切换支架19同相位安装，位于后部的两个切换支架19同相位安装。

其中，主履带10与副履带11上均涂覆有黏附材料，可采用美国Smooth-On公司生产的Vytaflex20聚氨酯。

爪刺轮14是依据壁虎等动物爬墙的刚毛特征，利用仿生学知识制作出类似的柔性爪刺，并安装在轮子上，形成爪刺轮14，以实现在凹凸不平的表面上进行攀爬作业，其结构与中国发明专利《一种具有仿生吸振结构的微刺式爬壁机器人》(专利号：CN201310351578.7)中的转轮结构相同，本实施例中不再赘述。

优选的：

副履带从动带轮9的直径小于副履带主动带轮7的直径，使得在上述两个状态的切换过程，即上下摆动切换支架19时所传递的力矩更小，功耗更低，节省能源；

上述切换电机15为带抱闸功能的电机。

可选的：

带轮轴5、主履带带轮6、副履带主动带轮7、驱动电机从动齿轮4和带轮轴齿轮8在生产制造时可以采用制作为一个整体，具体可使用3D打印快速成型方式加工；

驱动电机2的输出轴与驱动电机齿轮3固连，驱动电机从动齿轮4与驱动电机齿轮3相啮合；

切换轴18上同轴固装切换电机从动齿轮17，固装在切换电机15输出轴上的切换电机齿轮16与切换电机从动齿轮17啮合传动，构成切换齿轮副；

爪刺轮14同轴装配在安装于切换支架19上的爪刺轮轴齿轮13的输出轴上，带轮轴齿轮8与爪刺轮轴齿轮13之间通过安装于切换支架19上的惰轮12实现啮合传动。

上述安装于切换支架19上的爪刺轮轴齿轮13、副履带从动带轮9及惰轮12分别由轴承支承。

下面结合附图1至图3，详细说明具有上述结构的多模式爬壁机器人运动机构的工作原理，其是：

当处于对角位置的两个驱动电机2同时同向转动时，驱动电机2通过驱动电机齿轮3与驱动电机从动齿轮4之间的啮合传动，将转动传递给带轮轴5，带轮轴5转动时，与之固定装配的主履带带轮6、副履带主动带轮7及带轮轴齿轮8也随之转动，通过主履带10带动位于基板1同侧的另一个主履带带轮6转动，通过副履带11带动副履带从动带轮9转动，带轮轴齿轮8通过惰轮12、爪刺轮轴齿轮13依次啮合传动，将传动传递给爪刺轮14。从而使得驱动电机2启动后，四个主履带带轮6、四个副履带主动带轮7、四个副履带从动带轮9和四个爪刺轮14也会转动。

默认模式下，机器人采用抓附行走状态进行爬壁工作。当遇到无法抓附的壁面环境时，机器人无法运动，驱动电机2则会发生空转打滑现象，此时切换电机15启动，切换电机15启动后使切换电机15输出轴转动一定的角度并抱闸，通过切换电机齿轮16、切换电机从动齿轮17之间的啮合传动，使切换轴18带动固连在其两端的切换支架19转动角度a，实现抬起爪刺轮14、放下副履带从动带轮9，使各副履带11贴附于攀爬壁面，从而完成由抓附行走状态切换为黏附行走状态。

在遇到凹凸不平的表面时，采用相同的原理转动切换轴18，使各切换支架19反向转动角度a，抬起副履带从动带轮9，使各副履带11脱离攀爬壁面，放下爪刺轮14，利用爪刺轮14进行爬壁作业。

作为本实施例中的优化方案，当机器人处于黏附行走状态或抓附行走状态时，可同时开启风机20，始终保持吸附作用，提高本实施例多模式爬壁机器人运动机构的爬壁能力。

需要指出，本发明的实施不局限于上述实施例，若有其他相同或相似形式也属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多模式爬壁机器人运动机构，其特征是：

以基板(1)为主体，在所述基板(1)左右两侧设置履带行走机构与爪刺轮行走机构，所述履带行走机构中的各副履带从动带轮(9)与爪刺轮行走机构中的各爪刺轮(14)分别安装在切换机构中相应切换支架(19)的两端，由切换机构的切换电机(15)驱动，带动各切换支架(19)转动，使所述履带行走机构与爪刺轮行走机构分别切换至工作位，实现所述运动机构在如下两个状态之间切换：

黏附行走状态：各切换支架(19)转动角度a，所述爪刺轮行走机构中的各爪刺轮(14)与攀爬壁面脱离，所述履带行走机构中的主履带(10)与各副履带(11)贴附于攀爬壁面上，通过主履带(10)与各副履带(11)带动运动机构作黏附行走；

抓附行走状态：各切换支架(19)在黏附行走状态的基础上分别逆向转动角度a，所述履带行走机构中的主履带(10)与各副履带(11)与攀爬壁面脱离，所述爪刺轮行走机构中的各爪刺轮(14)抓附于攀爬壁面上，通过各爪刺轮(14)的转动带动运动机构作抓附行走。

2.根据权利要求1所述的多模式爬壁机器人运动机构，其特征是：所述基板(1)中心位置处设有风机孔，在所述风机孔上安装一风机(20)，通过启动所述风机(20)使运动机构处于吸附行走状态。

3.根据权利要求1所述的多模式爬壁机器人运动机构，其特征是：

四组结构相同的执行单元两两对称布设在所述基板(1)的四角，各组执行单元的带轮轴(5)两端分别由轴承支承在基板(1)及切换支架(19)上，所述带轮轴(5)上自基板(1)侧边向外依次同轴固装驱动电机从动齿轮(4)、主履带带轮(6)、副履带主动带轮(7)与带轮轴齿轮(8)，位于同侧的两组执行单元的主履带带轮(6)之间通过主履带(10)实现同步传动，构成主履带传动机构，副履带主动带轮(7)通过副履带(11)驱动装配在所述切换支架(19)一端的副履带从动带轮(9)转动，构成副履带传动机构，各带轮轴齿轮(8)通过多个齿轮输出带动装配在所述切换支架(19)另一端的爪刺轮(14)转动，构成爪刺轮传动机构；

以四组执行单元中的一对主履带传动机构与四个副履带传动机构构成所述履带行走机构，以四组执行单元中的四个爪刺轮传动机构构成所述爪刺轮行走机构，由设置在基板(1)其中一处对角位置上的两个驱动电机(2)一一对应地驱动相应位置的驱动电机从动齿轮(4)以提供动力；

所述切换机构是按照位于基板(1)前、后部的两组带轮轴(5)对应设置同轴的两根切换轴(18)，并在基板(1)上的另一处对角线位置设置两个切换电机(15)，各切换轴(18)的两端分别穿过两侧带轮轴(5)的中心开孔、与两端的切换支架(19)固连，并可在带轮轴(5)的中心开孔中转动，以处于对角线位置的两个切换电机(15)通过切换齿轮副驱动切换轴(18)正、反转动，带动与切换轴(18)固连的切换支架(19)正向或反向转动角度a；

初始状态下，位于前部的两个切换支架(19)同相位安装，位于后部的两个切换支架(19)同相位安装。

4.根据权利要求1或3所述的多模式爬壁机器人运动机构，其特征是：所述主履带(10)与副履带(11)上均涂覆有黏附材料。

5.根据权利要求1或3所述的多模式爬壁机器人运动机构，其特征是：所述角度a为7°。

6.根据权利要求3所述的多模式爬壁机器人运动机构，其特征是：所述副履带从动带轮(9)的直径小于副履带主动带轮(7)的直径。

7.根据权利要求3所述的多模式爬壁机器人运动机构，其特征是：所述驱动电机(2)的输出轴与驱动电机齿轮(3)固连，所述驱动电机从动齿轮(4)与驱动电机齿轮(3)相啮合。

8.根据权利要求3所述的多模式爬壁机器人运动机构，其特征是：所述切换轴(18)上同轴固装切换电机从动齿轮(17)，固装在切换电机(15)输出轴上的切换电机齿轮(16)与所述切换电机从动齿轮(17)啮合传动，构成所述切换齿轮副。

9.根据权利要求3所述的多模式爬壁机器人运动机构，其特征是：所述爪刺轮(14)同轴装配在安装于切换支架(19)上的爪刺轮轴齿轮(13)的输出轴上，所述带轮轴齿轮(8)与爪刺轮轴齿轮(13)之间通过安装于切换支架(19)上的惰轮(12)实现啮合传动。