CN115489634A - 一种高灵活性的可变形爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高灵活性的可变形爬壁机器人，包括机架主体，机架主体的前部可摆动地连接有前摆臂，机架主体的后部可摆动地连接有后摆臂，前摆臂和后摆臂上均可转动地连接有扭转件，扭转件上均可转动地连接有铰链座，铰链座上均连接有行走轮组，机架主体的底部也连接有行走轮组。本发明有效提高了机器人的变形能力，使得机器人可以根据不同壁面情况进行相应行走姿态的调整，提高了爬壁机器人的运动灵活性和越障能力。

Description

一种高灵活性的可变形爬壁机器人

技术领域

本发明涉爬壁机器人技术领域，尤其是指一种高灵活性的可变形爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人是一种具有移动和吸附功能，并且可以在垂直壁面上运动的自动化设备，可以在设备制造、设备维护等环境下代替人工进行工作，尤其适用于危险和极限环境作业，以代替人类完成高重复度、高危险性和高强度的劳动。但是现有的爬壁机器人运动灵活性较低、越障能力较差，难以实现对楼梯、墙壁或凸台等障碍物的跨越，对于崎岖不平壁面的适应能力较弱，无法有效保证机器人在不同壁面间的自由转运。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中爬壁机器人运动灵活性较低且越障能力较差的缺陷。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：包括机架主体，所述机架主体的前部可摆动地连接有前摆臂，所述机架主体的后部可摆动地连接有后摆臂，所述前摆臂和后摆臂上均可转动地连接有扭转件，所述扭转件上均可转动地连接有铰链座，所述铰链座上均连接有行走轮组，所述机架主体的底部也连接有行走轮组。

在本发明的一个实施例中，所述机架主体的一侧连接有第一主动齿轮，另一侧连接有第二主动齿轮，所述第一主动齿轮和第一被动齿轮相啮合，所述第一被动齿轮连接在所述前摆臂上，所述第二主动齿轮和第二被动齿轮相啮合，所述第二被动齿轮连接在所述后摆臂上，所述第一主动齿轮由第一驱动源驱动旋转，所述第二主动齿轮由第二驱动源驱动旋转，所述第一被动齿轮通过第一摆转轴和所述机架相连接，所述第二被动齿轮通过第二摆转轴和所述机架相连接。

在本发明的一个实施例中，可变形爬壁机器人还包括搭载平台，所述搭载平台下部设置有立板，所述立板上设置有第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔通过第一滚动轴承和第一搭载转轴相连接，所述第一搭载转轴和所述前摆臂相连接，所述第二安装孔通过第二滚动轴承和第二搭载转轴相连接，所述第二搭载转轴和所述后摆臂相连接。

在本发明的一个实施例中，所述前摆臂和后摆臂均包括臂体，所述臂体上可转动地连接有所述扭转件，所述扭转件上连接有主铰链轴，所述主铰链轴通过角接触球轴承和所述臂体相连接。

在本发明的一个实施例中，所述铰链座上均连接有副铰链轴，所述副铰链轴均通过角接触球轴承和所述扭转件相连接。

在本发明的一个实施例中，所述前摆臂和后摆臂上均连接有第一主铰链限位板，所述扭转件上均连接有第二主铰链限位板，所述前摆臂的扭转件上的第二主铰链限位板和前摆臂上的第一主铰链限位板之间连接有主铰链阻尼弹簧，所述后摆臂的扭转件上的第二主铰链限位板和后摆臂上的第一主铰链限位板之间也连接有主铰链阻尼弹簧。

在本发明的一个实施例中，所述扭转件上连接有第一副铰链限位板，所述铰链座上连接有第二副铰链限位板，所述第一副铰链限位板和第二副铰链限位板之间连接有副铰链阻尼弹簧。

在本发明的一个实施例中，所述扭转件上连接有多个铰链座，所述铰链座上均连接有行走轮组。

在本发明的一个实施例中，所述行走轮组包括轮架，所述轮架上可转动的连接有第一轮体和第二轮体，所述第一轮体和第二轮体之间通过空心轴相连接，所述空心轴外部连接有磁铁组件。

在本发明的一个实施例中，所述第一轮体或第二轮体由第三驱动源驱动旋转，所述第三驱动源位于所述空心轴内部。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的高灵活性的可变形爬壁机器人，有效提高了机器人的变形能力，使得机器人可以根据不同壁面情况进行相应行走姿态的调整，提高了爬壁机器人的运动灵活性和越障能力。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的高灵活性的可变形爬壁机器人的一角度的结构示意图；

图2是图1所示的可变形的爬壁机器人的另一角度的结构示意图；

图3是图1所示的可变形的爬壁机器去除搭载平台后的变形主体的主要结构示意图；

图4是图3中K处的局部放大示意图；

图5是图3所示结构的另一角度的结构示意图；

图6是图3所示结构的侧视图；

图7是图3所示结构的仰视图；

图8是图3所示结构的俯视图；

图9是图8中A-A处的剖视图；

图10是图9中M处的局部放大图；

图11是图8中B-B处的剖视图；

图12是图11中N处的局部放大图；

图13是图1中行走轮组的结构示意图；

图14是图3中结构的第一种变形状态示意图；

图15是图3中结构的第二种变形状态示意图；

图16是图3中结构的第三种变形状态示意图；

图17是图3中结构的第四种变形状态示意图；

图18是图3中结构的第五种变形状态示意图；

说明书附图标记说明：1、机架主体；2、前摆臂；3、后摆臂；31、臂体；32、弯折部；4、扭转件；5、铰链座；6、行走轮组；61、轮架；62、第一轮体；63、第二轮体；64、滑动环；65、磁铁组件；66、压力传感器；7、第一主动齿轮；8、第二主动齿轮；9、第一被动齿轮；10、第二被动齿轮；11、搭载平台；111、立板；112、第一安装孔；113、第二安装孔；12、主铰链轴；13、角接触球轴承；14、副铰链轴；15、第一主铰链限位板；16、第二主铰链限位板；17、主铰链阻尼弹簧；18、第一副铰链限位板；19、第二副铰链限位板；20、副铰链阻尼弹簧；21、第一驱动源；22、第二驱动源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1-图5所示，本实施例公开了一种高灵活性的可变形爬壁机器人，包括机架主体1，机架主体1的前部可摆动地连接有前摆臂2，机架主体1的后部可摆动地连接有后摆臂3，前摆臂2和后摆臂3上均可转动地连接有扭转件4，扭转件4上均可转动地连接有铰链座5，铰链座5上均连接有行走轮组6，机架主体1的底部也连接有行走轮组6。

上述结构，通过前摆臂2的摆动，可以带动前部的行走轮组6整体进行上下摆动，同样的，通过后摆臂3的摆动，可以带动后部的行走轮组6整体进行上下摆动；通过对应扭转件4的转动，可以带动前部的行走轮组6或后部的行走轮组6发生转动；通过铰链座5的转动，可以单独使得铰链座5上的行走轮组6发生转动；通过上述结构设计，可以有效提高机器人的变形能力，使得机器人可以根据不同壁面或障碍物情况进行变形，提升了机器人的运动灵活性较低和越障能力。

在其中一个实施方式中，如图3、图5和图7所示，机架主体1的一侧连接有第一主动齿轮7，另一侧连接有第二主动齿轮8，第一主动齿轮7和第一被动齿轮9相啮合，第一被动齿轮9连接在前摆臂2上，第二主动齿轮8和第二被动齿轮10相啮合，第二被动齿轮10连接在后摆臂3上，第一主动齿轮7由第一驱动源21驱动旋转，第二主动齿轮8由第二驱动源22驱动旋转，第一被动齿轮9通过第一摆转轴和机架相连接，第二被动齿轮10通过第二摆转轴和机架相连接。

可以理解地，第一摆转轴和第二摆转轴均起到转轴作用，第一摆转轴和和机架之间通过滚动轴承连接，第二摆转轴和机架之间也通过滚动轴承连接；第一被动齿轮9转动会带动第一摆转轴转动，第二被动齿轮10转动会带动第二摆转轴转动。

实现前摆臂2的摆动时：启动第一驱动源21，由第一驱动源21驱动第一主动齿轮7和第一被动齿轮9所构成的齿轮传动机构运动，从而带动前摆臂2摆动；

实现后摆臂3的摆动时：启动第二驱动源22，由第二驱动源22驱动第二主动齿轮8和第二被动齿轮10所构成的齿轮传动机构运动，从而带动后摆臂3摆动。

其中，第一驱动源21和第二驱动源22均采用伺服电机，上述伺服电机可以是一体式执行器，一体式执行器是集成了伺服电机、谐波减速器和伺服驱动器的伺服一体机装置。

上述结构通过齿轮传动机构带动前摆臂2或后摆臂3摆转，可以保证摆臂摆转的稳定性，同时也便于摆转角度的控制。

在其中一个实施方式中，如图1所示，爬壁机器人还包括搭载平台11，搭载平台11下部设置有立板111，立板111上设置有第一安装孔112和第二安装孔113，第一安装孔112内部通过第一滚动轴承和第一搭载转轴相连接，第一搭载转轴和前摆臂2相连接，第二安装孔113内部通过第二滚动轴承和第二搭载转轴相连接，第二搭载转轴和后摆臂3相连接。

其中，搭载平台11主要用于安装不同的功能器件。

第二搭载转轴和第二搭载转轴均起到转轴作用，前摆臂2摆转会带动第一搭载转轴和第一滚动轴承的内圈转动，而第一滚动轴承的外圈则不会转动，从而使得搭载平台11维持不动；同样的，后摆臂3摆转会带动第二搭载转轴和第二滚动轴承的内圈转动，而第二滚动轴承的外圈则不会转动，从而使得搭载平台11维持不动。

通过上述结构可以保证机器人发生变形过程中，搭载平台11不会发生转动，使得搭载平台11始终保持与机架主体1的上表面平行，这样可以尽量降低机器人移动变形过程中搭载平台11上承载的功能器件的姿态稳定性。

在其中一个实施方式中，如图3、图9和图10所示，前摆臂2和后摆臂3均包括臂体31，臂体31上可转动地连接有扭转件4，如图扭转件4上连接有主铰链轴12，主铰链轴12通过角接触球轴承13和臂体31相连接，形成主铰链旋转副。

扭转件4转动带动主铰链轴12一起转动，而通过角接触球轴承13的设置，则可以保证在主铰链轴12旋转时，臂体31保持不动。

通过上述主铰链旋转副，可以使得前部(或后部)的整体行走轮组6的转动，可以保证机器人对于大崎岖壁面的地貌的适应性。

在其中一个实施方式中，如图11-图12所示，铰链座5上均连接有副铰链轴14，副铰链轴14均通过角接触球轴承13和扭转件4相连接，形成副铰链旋转副。

铰链座5转动带动副铰链轴14一起转动，而通过角接触球轴承13的设置，则可以保证在副铰链轴14旋转时，扭转件4保持不动。

通过上述主副铰链旋转副，可以使得前部(或后部)的单个行走轮组6的转动，可以满足机器人对壁面局部地貌的适应性。

通过主、副铰链旋转副的调整可大大提高机器人对不同壁面的适应能力，提高其工作稳定性。

在其中一个实施方式中，前摆臂2处和后摆臂3处的主铰链轴的高度不同，也即前后两侧的主铰链轴存在高度差而非同轴线布置，这种设计可以尽量避免机器人在倾斜壁面水平行走时由于负载产生的倾覆力矩而导致机器人脱离爬行壁面的现象产生，从而有效保证爬壁稳定性。

另外，副铰链轴14的旋转驱动可以有两种方式，一种是主动驱动方式，可以由液压缸通过连杆结构驱动副铰链轴14转动，从而使得相应的行走轮组的角度发生调整，一种是被动驱动方式，当遇到不平整的壁面时，行走轮组会随壁面变化自适应地发生摆转，从而带动副铰链轴14一起发生转动。

在其中一个实施方式中，如图3和图7所示，前摆臂2和后摆臂3均包括臂体31，臂体31两端均形成弯折部32，臂体31两端的弯折部32分别位于机架主体1的两侧，前摆臂2的臂体31一端的弯折部32与位于机架主体1一侧的第一被动齿轮9相连接，另一端的弯折部32则通过另一个第一摆转轴和机架主体1另一侧相连接；同样的，后摆臂3的臂体31一端的弯折部32与位于机架主体1一侧的第二被动齿轮10相连接，另一端的弯折部32则通过另一个第二摆转轴和机架主体1另一侧相连接；上述机构可以更好的保证前摆臂2或后摆臂3摆动的稳定性。

在其中一个实施方式中，如图4和图6所示，前摆臂2和后摆臂3上均连接有第一主铰链限位板15，扭转件4上均连接有第二主铰链限位板16，前摆臂2的扭转件4上的第二主铰链限位板16和前摆臂2上的第一主铰链限位板15之间连接有主铰链阻尼弹簧17，后摆臂3的扭转件4上的第二主铰链限位板16和后摆臂3上的第一主铰链限位板15之间也连接有主铰链阻尼弹簧17。

通过主铰链阻尼弹簧17，可以限制扭转件4的摆动角度，降低主铰链旋转副的运动灵活度。

在其中一个实施方式中，扭转件4上连接有第一副铰链限位板18，铰链座5上连接有第二副铰链限位板19，第一副铰链限位板18和第二副铰链限位板19之间连接有副铰链阻尼弹簧20。

通过副铰链阻尼弹簧20，可以限制铰链座5的摆动角度，降低副铰链旋转副的运动灵活度。

由于上述机器人是全壁面运行(可以是水平面或斜面等)，所以主、副铰链旋转副的旋转角度过大会导致机器人的稳定性和可靠性降低，有可能会产生机械干涉-例如机构碰壁，因此，设置阻尼弹簧的来降低主、副铰链旋转副的摆动角度和运度灵活性；另外，降低铰链旋转副的运动灵活性，也更便于机器人的搬运。

在其中一个实施方式中，扭转件4上连接有多个铰链座5，铰链座5上均连接有行走轮组6。

例如，每个扭转件4上可以连接两个铰链座5，从而使得机器人前部和后部各有两个行走轮组6，可以更好地适应复杂形状的爬行壁面。

在其中一个实施方式中，行走轮组6包括轮架61，轮架61上可转动的连接有第一轮体62和第二轮体63，第一轮体62和第二轮体63之间通过空心轴相连接，空心轴外部连接有磁铁组件65。

其中，磁体铁组件用于产生磁吸力，而在爬行的过程中保持对爬行壁面的吸附作用。双轮体设计可以更好地保证壁面行走的稳定性。

在其中一个实施方式中，空心轴外壁通过滑动轴承和滑动环64相连接，滑动环64由驱动装置驱动旋转。滑动环64的外壁上连接有磁铁组件65。

进一步地，滑动环64的外壁通过压力传感器66和磁铁组件65相连接。

其中，磁铁组件65和爬行壁面之间存在磁吸附力，磁铁组件65和爬行壁面之间间距的不同会影响磁吸附力的大小。压力传感器66用于检测磁铁组件65受到的压力-磁吸附力的反作用力，以此可以判断磁铁组件65和爬行壁面之间间距的变化。根据压力传感器66检测到的磁铁组件65受到的压力数据，控制滑动环64转动，滑动环64的转动会带动压力传感器66和磁铁组件65一起转动，从而改变磁铁组件65的角度，实现磁铁组件65姿态的调整。

进一步地，压力传感器66与主控制器相连接，压力传感器66用于将检测到的磁铁组件65受到的压力数据传输至主控制器，主控制根据压力数据控制驱动装置动作，从而驱动滑动环64转动。

在其中一个实施方式中，磁铁组件65采用永磁吸盘。

在其中一个实施方式中，第一轮体62或第二轮体63由第三驱动源驱动旋转，第三驱动源位于空心轴内部。

第一轮体62和第二轮体63中的一个为主动轮，另一个为被动轮，主动轮由第三驱动源驱动旋转，由于第一轮体62和第二轮体63之间是通过空心轴连接在一起的，当主动轮旋转时，会带动被动轮旋转。

其中，第三驱动源采用采用伺服电机，上述伺服电机可以是一体式执行器，一体式执行器是集成了伺服电机、谐波减速器和伺服驱动器的伺服一体机装置。

下面举例说明上述爬壁机器人的变形状态：

如图14所示，在平面运行时，爬壁机器人呈现如图14所示状态；

如图15所示，驱动前摆臂2上摆，从而带动前部的所有行走轮组6呈现上摆状态；

如图16所示，扭转件4转动，从而带动前部的所有行走轮组6转动；

如图17所示，前部一个铰接座转动，从而带动该铰接座上的单个行走轮组6转动。

如图18所示，驱动前摆臂2和后摆臂3同时下摆，而使得中间的行走轮组6上抬，以便于跨越障碍或曲面运行。

通过调整不同的行走轮组姿态，还可以组合形成多种其他变形状态，此处不再一一列举。

上述实施例的可变形爬壁机器人，有效提高了机器人的变形能力，使得机器人可以更加灵活的运动，使得机器人可以根据不同壁面情况进行相应行走姿态的调整，从而使得机器人可以进行平面运动、曲面运动、有障碍物壁面运动和在不同的过渡壁面间转运等，可以满足对崎岖不平壁面的适应性，可以保证机器人对壁面障碍物的灵活避让，提升越障能力，可以完成机器人在不同壁面间的自由转运；采用模块化设计，整体结构简单且尺寸紧凑，便于自由组装-通过不同的模块组合变异出众多的机器人结构，例如，可以采用类火车挂箱的方式变异出三轮结构、四轮结构、六轮结构等多轮结构；另外也也便于搭载不同的功能器件以实现众多壁面自动工艺过程，例如自动检测、自动打磨、自动焊接和自动维保等。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：包括机架主体，所述机架主体的前部可摆动地连接有前摆臂，所述机架主体的后部可摆动地连接有后摆臂，所述前摆臂和后摆臂上均可转动地连接有扭转件，所述扭转件上均可转动地连接有铰链座，所述铰链座上均连接有行走轮组，所述机架主体的底部也连接有行走轮组。

2.根据权利要求1所述的高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：所述机架主体的一侧连接有第一主动齿轮，另一侧连接有第二主动齿轮，所述第一主动齿轮和第一被动齿轮相啮合，所述第一被动齿轮连接在所述前摆臂上，所述第二主动齿轮和第二被动齿轮相啮合，所述第二被动齿轮连接在所述后摆臂上，所述第一主动齿轮由第一驱动源驱动旋转，所述第二主动齿轮由第二驱动源驱动旋转，所述第一被动齿轮通过第一摆转轴和所述机架相连接，所述第二被动齿轮通过第二摆转轴和所述机架相连接。

3.根据权利要求1所述的高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：还包括搭载平台，所述搭载平台下部设置有立板，所述立板上设置有第一安装孔和第二安装孔，所述第一安装孔通过第一滚动轴承和第一搭载转轴相连接，所述第一搭载转轴和所述前摆臂相连接，所述第二安装孔通过第二滚动轴承和第二搭载转轴相连接，所述第二搭载转轴和所述后摆臂相连接。

4.根据权利要求1所述的高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：所述前摆臂和后摆臂均包括臂体，所述臂体上可转动地连接有所述扭转件，所述扭转件上连接有主铰链轴，所述主铰链轴通过角接触球轴承和所述臂体相连接。

5.根据权利要求1所述的高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：所述铰链座上均连接有副铰链轴，所述副铰链轴均通过角接触球轴承和所述扭转件相连接。

6.根据权利要求1所述的高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：所述前摆臂和后摆臂上均连接有第一主铰链限位板，所述扭转件上均连接有第二主铰链限位板，所述前摆臂的扭转件上的第二主铰链限位板和前摆臂上的第一主铰链限位板之间连接有主铰链阻尼弹簧，所述后摆臂的扭转件上的第二主铰链限位板和后摆臂上的第一主铰链限位板之间也连接有主铰链阻尼弹簧。

7.根据权利要求1所述的高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：所述扭转件上连接有第一副铰链限位板，所述铰链座上连接有第二副铰链限位板，所述第一副铰链限位板和第二副铰链限位板之间连接有副铰链阻尼弹簧。

8.根据权利要求1所述的高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：所述扭转件上连接有多个铰链座，所述铰链座上均连接有行走轮组。

9.根据权利要求1所述的高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：所述行走轮组包括轮架，所述轮架上可转动的连接有第一轮体和第二轮体，所述第一轮体和第二轮体之间通过空心轴相连接，所述空心轴外部连接有磁铁组件。

10.根据权利要求9所述的高灵活性的可变形爬壁机器人，其特征在于：所述第一轮体或第二轮体由第三驱动源驱动旋转，所述第三驱动源位于所述空心轴内部。

Images