CN108407912B - 一种复合式爬壁机器人行走机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合式爬壁机器人行走机构，是在主支架的左右侧对称设置一对履带机构，所述一对履带机构是由对应一侧的主运动机构分别驱动行走，并能够在主支架上的压紧机构的驱动下朝向主支架向内侧或背向主支架向外侧同步翻转，使履带机构中的各履带节或各爪刺座贴附于壁面上，实现爬壁机器人在粘附行走与抓附行走两个状态之间切换，在所述主支架后端还设有一尾部机构，以所述尾部机构形成对爬壁机器人行走过程中的辅助支撑平衡。本发明适用于多种类型壁面的攀爬，稳定性好、可靠性高，能解决现有仿生爬壁机构在光滑与粗糙表面变换过程中容易滑落、不能平稳切换的问题。
Description
技术领域
本发明涉及仿生爬壁机器人技术领域，主要用于执行陡峭壁面、狭小空间等特殊环境清洁、检测、救援任务，更具体地说是一种通过复合式履带空间爪刺机构实现多种复杂壁面爬行的机器人行走机构。
背景技术
爬壁机器人通常利用真空吸盘、磁铁或普通粘附材料实现对壁面的粘附。然而，自然界和人类生活环境中大多数壁面是粗糙、多孔、多裂缝且布满灰尘的，例如石头、水泥、砖块外墙面等，上述三种粘附方式均不适用。近年来，受到壁虎、甲虫等可以在墙面上攀爬的动物的启发，以干粘附、湿粘附及爪刺抓附为代表的仿生粘附方式开始兴起。目前，人造仿生干粘附和湿粘附材料只适用于洁净、光滑的壁面，还不能适应粗糙和多灰尘的壁面。爪刺在昆虫中普遍存在，几乎所有的昆虫在粗糙壁面上攀爬时均有爪刺参与，或是作为主要的粘附方式，或是作为重要的辅助粘附方式，人们通过模仿这些动物特殊的附着与运动能力开发出仿生爬壁运动机构，并已取得了一定进展。
然而，现有的仿生爬壁运动机构在粗糙表面上所表现的稳定性及可靠性尚处在研究初期，虽然国内外的研究机构利用针灸针自制的爪刺轮能在粗糙平面上爬行，但运动形式单一，支持负载较小，同时，在多种复杂壁面攀爬的复合式爬壁机器人的研究也尚处在起步阶段。
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，本发明提出一种复合式爬壁机器人行走机构，能够适应多种类型壁面的攀爬，稳定性好、可靠性高，能解决现有仿生爬壁机构在光滑与粗糙表面变换过程中容易滑落、不能平稳切换的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种复合式爬壁机器人行走机构，其结构特点是：
在主支架的左右侧对称设置一对履带机构，所述一对履带机构是由对应一侧的主运动机构分别驱动行走，并能够在主支架上的压紧机构的驱动下朝向主支架向内侧或背向主支架向外侧同步翻转，使履带机构中的各履带节或各爪刺座贴附于壁面上，实现爬壁机器人在粘附行走与抓附行走两个状态之间切换，在所述主支架后端还设有一尾部机构，以所述尾部机构形成对爬壁机器人行走过程中的辅助支撑平衡。
本发明的结构特点也在于：
所述主运动机构驱动履带机构行走的结构形式是：
各履带节呈L形结构，是以竖直部的末端通过履带销依次连接形成履带，并在水平部的外端面上粘贴聚氨酯材料，各爪刺座的一端分别通过第一转动轴铰接在各履带节水平部的内端面上，并在所述第一转动轴的外周设置第一扭簧，所述各爪刺座的另一端朝向主支架向外露出，设于外露段底端的各爪刺呈交叉布设；
所述主运动机构是由置于舵机支架上的主运动舵机驱动主动轮，所述主动轮通过位于舵机支架外侧的履带驱动从动轮进行转动，所述从动轮由轴承支承在舵机支架的传动轮座上。
所述舵机支架上设有沿前后方向布设的调节沟槽，所述传动轮座通过螺栓安装所述调节沟槽上。
所述压紧机构驱动一对履带机构同步翻转的结构形式是：
由置于主支架上的压紧舵机驱动、经曲柄连杆机构传动，带动一对左右布设、相啮合的等齿齿轮转动，所述一对等齿齿轮的轮轴两端由轴承支承在主支架前后端的立架上，以一对轮轴为旋转轴，一对舵机支架的内侧中部分别通过翻转杆与对应侧的旋转轴中部固连，并通过所述翻转杆随旋转轴的正、反向转动实现同步向内或向外翻转。
所述曲柄连杆机构设置为：
所述压紧舵机驱动与其输出轴直连的转轮转动，在所述转轮的外圆周上铰接第一连杆，形成第一铰接点，所述第一连杆的杆端与第二连杆铰接，形成第二铰接点，所述第二连杆的杆端固定连接在临近一侧的翻转杆中部。
所述尾部机构的结构设置为：
尾巴的前端通过第二转动轴铰接在主支架的后端，并在所述第二转动轴的外周设置第二扭簧，通过所述扭簧使尾巴的后端在爬壁机器人行走过程中保持贴近壁面，实现辅助支撑平衡。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明的复合式爬壁机器人行走机构是以主运动机构提供动力，由压紧机构带动两侧的履带机构向内夹紧或向外舒展，实现粘附行走与抓附行走两种状态的任意切换，并设有尾部机构用于在机器人行走过程中辅助支撑平衡，能够实现水平壁面、垂直壁面、天花板壁面、粗糙壁面等多种环境的攀爬作业，机构整体结构设计简单、可靠性高、稳定性好，自动化程度高；
2、本发明的履带机构中，各爪刺座与相应的履带节之间通过第一转动轴相铰接，并在第一转动轴的外周设置第一扭簧，爪刺座与履带节之间采用这种弹性连接方式，使得爬壁机器人在粗糙避免攀爬时，各爪刺座能够实时贴紧壁面，有效地提高了机器人在粗糙壁面上抓附行走时的抓持性能，防止因爪刺在不规则粗糙表面抓附失效而引起机器人滑落；
3、本发明设置了尾部机构，其中的尾巴是通过第二转动轴与主支架的后端相铰接，并在第二转动轴的外周设置第二扭簧，通过第二扭簧的扭力作用可使尾巴与壁面之间保持预紧力，尾巴后端在爬壁机器人行走过程中能够实时贴近壁面，防止因爬壁机器人机体重力作用而产生后倾，起到提高机构整体平衡性、稳定性的作用，尤其是在垂直壁面与水平壁面交界处过渡时，还能起到辅助支撑作用；
4、本发明的主运动机构中，用于支撑从动轮的传动轮座为可调机构，可用于按需调节履带的松紧。
附图说明
图1是本发明复合式爬壁机器人行走机构的整体结构示意图；
图2是本发明复合式爬壁机器人行走机构另一视角的整体结构示意图；
图3是图1中履带机构的结构示意图；
图4是图1中履带机构与主运动机构在舵机支架上的安装结构示意图；
图5是图1中压紧机构的主视结构示意图；
图6是图1中尾部机构的结构示意图。
图中，1履带机构；2主运动机构；3压紧机构；4尾部机构；5主支架；6舵机支架；7履带节；8履带销；9爪刺座；10第一转动轴；11传动轮座；12爪刺；13主运动舵机；14主动轮；15从动轮；16调节沟槽；17压紧舵机；18等齿齿轮；19立架；20旋转轴；21翻转杆；22转轮；23第一连杆；24第一铰接点；25第二连杆；26第二铰接点；27尾巴；28第二转动轴；29第一扭簧；30支撑架。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1至图2，本实施例的复合式爬壁机器人行走机构，其结构设置为：
在主支架5的左右侧对称设置一对履带机构1，一对履带机构1是由对应一侧的主运动机构2分别驱动行走，并能够在主支架5上的压紧机构3的驱动下朝向主支架5向内侧或背向主支架5向外侧同步翻转，使履带机构1中的各履带节7或各爪刺座9贴附于壁面上，实现爬壁机器人在粘附行走与抓附行走两个状态之间切换，在主支架5后端还设有一尾部机构4，以尾部机构4形成对爬壁机器人行走过程中的辅助支撑平衡。
具体实施中，相应的结构设置也包括：
请参照图3及图4，主运动机构2驱动履带机构1行走的结构形式是：
各履带节7呈L形结构，是以竖直部的末端通过履带销8依次连接形成履带，并在水平部的外端面上粘贴聚氨酯材料，借助聚氨酯材料的粘附性能可以确保爬壁机器人在光滑壁面上的攀爬，各爪刺座9的一端分别通过第一转动轴10铰接在各履带节7水平部的内端面上，并在第一转动轴10的外周设置第一扭簧29，通过第一扭簧29将爪刺座9与履带节7涨紧，使得爬壁机器人在粗糙避免攀爬时，各爪刺座9实时贴紧壁面，能够有效地提高抓持性能，防止因爪刺12在不规则粗糙表面抓附失效而引起机器人滑落，各爪刺座9的另一端朝向主支架5向外露出，在外露段的底端两侧的爪刺孔中安装直径0.5mm的爪刺12，本实施例中，两侧爪刺呈90°交叉分布，以各爪刺座上的爪刺确保爬壁机器人在天花板壁面爬行时受力均匀；
主运动机构2是由置于舵机支架6上的主运动舵机13驱动主动轮14，主动轮14通过位于舵机支架6外侧的履带驱动从动轮15进行转动，从动轮15由轴承支承在舵机支架6的传动轮座11上。主动轮14与从动轮15之间通过与履带的啮合作用，带动爬壁机器人完成所需的前进、后退、旋转等所需的各种运动。
作为一个可选的方案，本实施例中，履带节7与爪刺座9为树脂材料制成，并是通过3D打印技术一体成型。
上述舵机支架6上设有沿前后方向布设的调节沟槽16，传动轮座11通过螺栓安装调节沟槽16上，通过调节传动轮座11在调节沟槽16上的安装位置，可以实现对履带松紧程度的调节。
请参照图1、图2及图5，压紧机构3驱动一对履带机构1同步翻转的结构形式是：
由置于主支架5上的压紧舵机17驱动、经曲柄连杆机构传动，带动一对左右布设、相啮合的等齿齿轮18转动，一对等齿齿轮18的轮轴两端由轴承支承在主支架5前后端的立架19上，以一对轮轴为旋转轴20，一对舵机支架6的内侧中部分别通过翻转杆21与对应侧的旋转轴20中部固连，并通过翻转杆21随旋转轴20的正、反向转动实现一对履带机构1同步向内或向外翻转。以图1为例，当一对等齿齿轮18相向转动时，两侧的一对履带机构1向外翻转，反之亦然。
曲柄连杆机构设置为：
压紧舵机17驱动与其输出轴直连的转轮22转动，在转轮22的外圆周上铰接第一连杆23，形成第一铰接点24，第一连杆23的杆端与第二连杆25铰接，形成第二铰接点26，第二连杆25的杆端固定连接在临近一侧的翻转杆21中部。
请参照图6，尾部机构4的结构设置为：
尾巴27呈细长状、后端尖锐的三角形结构，其前端通过第二转动轴28铰接在主支架5后端部的支撑架30上，可上下摆动，并在第二转动轴28的外周设置第二扭簧，通过第二扭簧的扭力作用使尾巴27与壁面之间保持预紧力，尾巴27后端在爬壁机器人行走过程中能够实时贴近壁面，防止因爬壁机器人机体重力作用而产生后倾，起到提高机构整体平衡性、稳定性的作用，尤其是在垂直壁面与水平壁面交界处过渡时，还能起到辅助支撑作用。
此外，考虑到机器人在爬壁过程中对整机重量以及结构强度有严格的要求，因此本行走机构各支架承载机器人的所有零部件采用航空铝材料以及镂空工艺制作而成。
具有上述结构的复合式爬壁机器人行走机构，其工作原理如下：
初始状态下，一对履带机构1呈向外张开的姿态，当爬壁机器人在粗糙壁面攀爬时，压紧机构3通过压紧舵机17驱动、经曲柄连杆机构传动，带动一对等齿齿轮18转动，经一对翻转杆21作用于两侧的舵机支架6，使一对履带机构1同步向内翻转、向壁面靠近，直至各爪刺座9与壁面有效接触，完成向抓附行走状态的切换，此时各履带节7水平部的外端面与壁面留有一定的间隙；
当爬壁机器人由粗糙壁面向光滑壁面过渡时，压紧机构3带动一对履带机构1继续翻转、向壁面靠近，直至各履带节7水平部粘贴有聚氨酯材料的外端面与光滑壁面接触在一起，完成向粘附行走状态的切换，此时各爪刺座9与壁面脱离。虽然各爪刺座9在此过程中与壁面实时接触，但与光滑壁面之间的摩擦系数较小，对其造成的磨损可忽略不计；
当爬壁机器人由光滑壁面再次向粗糙避免过渡时，压紧机构3作用于一对舵机支架6，使一对履带机构1向外翻转撑开，再次切换至抓附行走状态。
在爬壁机器人的整个运动过程中，由主运动机构2为履带机构1提供动力，实现爬壁机器人的前后运动以及旋转运动，由尾部机构4对整个行走机构起到辅助平衡支撑作用，避免因倾覆力矩较大而引起爬壁机器人侧翻。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种复合式爬壁机器人行走机构，其特征是：
在主支架(5)的左右侧对称设置一对履带机构(1)，所述一对履带机构(1)是由对应一侧的主运动机构(2)分别驱动行走，并能够在主支架(5)上的压紧机构(3)的驱动下朝向主支架(5)向内侧或背向主支架(5)向外侧同步翻转，使履带机构(1)中的各履带节(7)或各爪刺座(9)贴附于壁面上，实现爬壁机器人在粘附行走与抓附行走两个状态之间切换，在所述主支架(5)后端还设有一尾部机构(4)，以所述尾部机构(4)形成对爬壁机器人行走过程中的辅助支撑平衡；
所述主运动机构(2)驱动履带机构(1)行走的结构形式是，各履带节(7)呈L形结构，是以竖直部的末端通过履带销(8)依次连接形成履带，并在水平部的外端面上粘贴聚氨酯材料，各爪刺座(9)的一端分别通过第一转动轴(10)铰接在各履带节(7)水平部的内端面上，并在所述第一转动轴(10)的外周设置第一扭簧(29)，所述各爪刺座(9)的另一端朝向主支架(5)向外露出，设于外露段底端的各爪刺(12)呈交叉布设；所述主运动机构(2)是由置于舵机支架(6)上的主运动舵机(13)驱动主动轮(14)，所述主动轮(14)通过位于舵机支架(6)外侧的履带驱动从动轮(15)进行转动，所述从动轮(15)由轴承支承在舵机支架(6)的传动轮座(11)上；
所述舵机支架(6)上设有沿前后方向布设的调节沟槽(16)，所述传动轮座(11)通过螺栓安装所述调节沟槽(16)上；
所述压紧机构(3)驱动一对履带机构(1)同步翻转的结构形式是，由置于主支架(5)上的压紧舵机(17)驱动、经曲柄连杆机构传动，带动一对左右布设、相啮合的等齿齿轮(18)转动，所述一对等齿齿轮(18)的轮轴两端由轴承支承在主支架(5)前后端的立架(19)上，以一对轮轴为旋转轴(20)，一对舵机支架(6)的内侧中部分别通过翻转杆(21)与对应侧的旋转轴(20)中部固连，并通过所述翻转杆(21)随旋转轴(20)的正、反向转动实现同步向内或向外翻转。
2.根据权利要求1所述的复合式爬壁机器人行走机构，其特征是所述曲柄连杆机构设置为：
所述压紧舵机(17)驱动与其输出轴直连的转轮(22)转动，在所述转轮(22)的外圆周上铰接第一连杆(23)，形成第一铰接点(24)，所述第一连杆(23)的杆端与第二连杆(25)铰接，形成第二铰接点(26)，所述第二连杆(25)的杆端固定连接在临近一侧的翻转杆(21)中部。
3.根据权利要求1所述的复合式爬壁机器人行走机构，其特征是所述尾部机构(4)的结构设置为：
尾巴(27)的前端通过第二转动轴(28)铰接在主支架(5)后端，并在所述第二转动轴(28)的外周设置第二扭簧，通过所述扭簧使尾巴(27)的后端在爬壁机器人行走过程中保持贴近壁面，实现辅助支撑平衡。
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- 2018-04-20 CN CN201810359705.0A patent/CN108407912B/zh active Active
Patent Citations (6)
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|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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