CN100586779C

CN100586779C - 一种爬壁机器人

Info

Publication number: CN100586779C
Application number: CN 200810232094
Authority: CN
Inventors: 王崴; 韩华亭; 杨云; 李培林; 炊明伟; 赵敏荣; 徐晓东
Original assignee: Air Force Engineering University of PLA
Current assignee: Air Force Engineering University of PLA
Priority date: 2008-11-04
Filing date: 2008-11-04
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2028-11-04
Also published as: CN101391625A

Abstract

本发明公开了一种爬壁机器人，包括前体，后体，腰部翻转机构，以及控制单元，所述前、后体的两侧分别设置有支撑腿和行走腿，并且两侧的支撑腿和行走腿对角设置，其特征在于，所述腰部翻转机构包括：离合器，前支架，固定在后体上的后支架，所述前支架上固定一转轴滑动贯穿前体，所述转轴的另一端固定在所述离合器的一端，离合器的另一端与前体固定，所述前、后支架上固定有相互啮合的前、后齿轮，所述前、后齿轮的轮轴通过连板活动连接，其中前、后支架上分别安装有前体、后体翻转步进电机，前体、后体翻转步进电机的输出轴分别与前、后齿轮的轮轴连接，所述前体、后体翻转步进电机和离合器分别与控制单元连接。

Description

一种爬壁机器人

技术领域

本发明涉及机器人设计领域，特别涉及一种爬壁机器人。

背景技术

随着科学技术的不断发展进步，高性能、高精密度的仪器设备以及大型的机械设备越来越多，但对于这些设备的状态探查以及保养，特别是清洗与除尘等目前还主要依靠传统的人工作业方法来完成，并且作业过程中还需要云梯、桁架等专业辅助设备的支持。在飞机、雷达等大型精密设备的保养过程中，工作人员必须严格按照规定的位置进行站位和操作，因为对飞机的操作舵面以及副翼等关键部位的踏压可能对设备的操控造成损害，从而造成巨大损失。此外这种作业方法还存在效率低下以及对人体有损伤等问题。

另外，高层建筑清洗、消防、核工业、军事侦察、石化行业以及造船业等领域的某些特殊作业环境中，也存在着一系列操作复杂、环境恶劣等严重限制人类作业的因素，因此，迫切需要一种能够取代人来完成这些工作的爬壁机器人。

近年来，国内外多家研究机构都在积极开展此项研究工作，并取得了许多成果。但已有的爬壁机器人由于不能在不同壁面间灵活翻转，必须靠人工帮助其在不同工作壁面间移动，严重影响了其应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种灵活、可翻转、跨越障碍能力强的爬壁机器人。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种爬壁机器人，包括前体，后体，腰部翻转机构，以及协调前体、后体、腰部翻转机构运动的控制单元，所述前、后体的两侧分别设置有支撑腿和行走腿，并且两侧的支撑腿和行走腿对角设置，其特征在于，所述腰部翻转机构包括：离合器，前支架，固定在后体上的后支架；所述前支架上固定一转轴上下滑动贯穿前体，所述转轴的另一端固定在所述离合器的一端，离合器的另一端与前体固定；所述前、后支架上固定有相互啮合的前、后齿轮，所述前、后齿轮的两轮轴通过连板活动连接，其中前、后支架上分别安装有前体、后体翻转步进电机，前体、后体翻转步进电机的输出轴分别与前、后齿轮的轮轴连接；所述前体、后体翻转步进电机和离合器分别与控制单元连接。

本发明的改进在于：

所述离合器为牙嵌离合器。

所述支撑腿、行走腿的底部分别固定有吸盘；所述控制单元包括控制器，与控制器连接的气泵；所述控制器分别与离合器和前体、后体翻转步进电机连接，所述气泵分别通过管路与支撑腿、行走腿上的吸盘连通，所述管路上设置有受控制器控制的气阀。

本发明的进一步改进在于：

所述支撑腿包括两个固定在一起的相互临近的腿部单元，腿部单元底部固定所述吸盘。

所述行走腿包括腿部单元，与所述控制器连接的行走腿驱动电机，依次活动连接的曲柄、连杆和摇杆；所述摇杆的另一端固定连接腿部单元，摇杆中部与一固定在相应前体或后体上的销轴活动连接；所述曲柄的另一端固定在行走腿驱动电机输出轴上，腿部单元底部固定所述吸盘。

本发明的再进一步改进在于：

所述腿部单元包括：通过管路与气泵连通的硬管道，与吸盘固定的球面副，连接球面副的下固定座和上固定座，所述上固定座上部为一圆筒，所述圆筒外滑动密封配合一套筒，圆筒与套筒构成一密闭腔体，所述套筒顶部偏离中心设置有通过管路与气泵连接的通气口，所述硬管道贯穿上固定座和套筒，其一端与上固定座固定，另一端与套筒滑动密封配合，所述球面副中心有一通孔连通所述硬管道和吸盘。

本发明的更进一步改进在于：

所述硬管道上套装有螺旋弹簧，该螺旋弹簧固定于上固定座和套筒之间。

所述吸盘内设置有气压传感器，所述气压传感器与所述控制器连接。

本发明的爬壁机器人机械部分包括前体、后体和腰部翻转机构，由于增加腰部翻转机构，该爬壁机器人可以灵活翻转，跨越障碍能力强；而且本发明的腿部单元能够伸长和收缩，具有球面副，又能很好地在曲面上可靠吸附，提高了爬壁机器人的适应能力。

附图说明

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的整体组装结构示意图；

图2为本发明的前体结构示意图；

图3为本发明的后体结构示意图；

图4为本发明的行走腿运动结构示意图；

图5为本发明的腿部单元结构示意图；

图6为本发明的腰部翻转机构示意图；

图7为本发明的离合器安装结构示意图；

图8为爬壁机器人前行时行走腿向前摆动示意图；

图9为爬壁机器人前行时行走腿摆动中间位置示意图；

图10为爬壁机器人前行时行走腿向后摆动示意图；

图11为爬壁机器人向上翻转示意图；

图中：1、前体；2、后体；3、腰部翻转机构；4、支撑腿；5、行走腿；6、吸盘；7、气泵；8、控制器；9、行走腿驱动电机；10、管路；11、行走腿驱动电机支架；12、底板；13、腿部单元；14、硬管道；15、球面副；16、下固定座；17、上固定座；18、圆筒；19套筒；20、通气口；21、螺旋弹簧；22、螺钉；23、通孔；24、离合器；25、前支架；26、后支架；27、转轴；28、前齿轮；29、后齿轮；30、轮轴；31、连板；32、前体翻转步进电机；33、后体翻转步进电机；34、离合器支架；35、曲柄；36、连杆；37、摇杆38、销轴。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明的结构作进一步详细说明。

参照图1，本发明的爬壁机器人，包括前体1，后体2，腰部翻转机构3，以及协调前体、后体、腰部翻转机构运动的控制单元。前、后体1、2的两侧分别设置有支撑腿4和行走腿5，并且两侧的支撑腿4和行走腿5对角设置，支撑腿4和行走腿5底部分别设置有吸盘6。控制单元包括气泵7和控制器8，控制器8设置在前体1上，前、后体1、2分别设置有气泵7，气泵7分别通过管路10连通支撑腿4和行走腿5底部的吸盘6，管路10上设置有与控制器8连接的气阀。控制器8通过控制气泵7以及管路10上的气阀，可以分别控制支撑腿4、行走腿5底部的吸盘6与地面或壁面的固定与松开。

参照图2、图3，机器人的前体1比后体2多一个控制器8，该控制器8也同时控制后体2，控制原理与方法相同，而其它部分具有相同结构，现以前体1为例对其结构进行说明。前体1主要由两条支撑腿4及相应四个吸盘6，两条行走腿5及相应两个吸盘6，八条管路10，一个气泵7，一个控制器8，两个行走腿驱动电机9，两个行走腿驱动电机支架11，一个底板12组成。气泵7和控制器8固定在底板12中部，两条支撑腿4通过螺栓对角固定在底板12两侧，两个行走腿驱动电机支架11分别对角固定在底板12上，行走腿驱动电机9固定在行走腿驱动电机支架11上，两个行走腿驱动电机9分别用于驱动两条行走腿5。八条管路10分别通过气阀连接到气泵，每条支撑腿4或行走腿5由两条管路10连接，控制器8通过气泵7和管路10上的气阀来控制管路10是充气还是抽气。

参照图4，行走腿5包括一个腿部单元13，与控制器8连接的行走腿驱动电机9，依次活动连接的曲柄35、连杆36和摇杆37；所述摇杆37的另一端固定连接腿部单元13，摇杆37通过销轴38与前体1(或后体2)上的底板12活动连接；所述曲柄35的另一端固定在行走腿驱动电机9输出轴上，腿部单元13底部固定所述吸盘6。如果行走腿5安装在前体1上，相应的销轴38固定在前体1的底板12上；如果行走腿5安装在后体2上，相应的销轴38固定在后体2的底板12上。行走腿驱动电机9为步进电机，其控制信号由控制器8提供。控制器8控制行走腿驱动电机9旋转，其输出轴带动曲柄35旋转，曲柄35带动连杆36，连杆36带动摇杆37绕固定在底板12上的销轴38转动，从而带动腿部单元13绕销轴38摆动，通过控制旋转角度或时间，可以实现腿部单元13的弧形移动。

参照图5，每个腿部单元13包括：通过管路10与气泵7连通的硬管道14，与吸盘6固定连接的球面副15，连接球面副15的下固定座16和上固定座17，下固定座16和上固定座17通过螺钉22连接，上固定座17上部为一圆筒18，圆筒18外滑动密封配合一套筒19，圆筒18与套筒19构成一密闭腔体，套筒19顶部偏离中心设置有通过管路10与气泵7连接的通气口20，硬管道14贯穿套筒19和上固定座17，其一端与上固定座17固定，另一端与套筒20滑动密封配合，球面副15中心有一通孔23连通所述硬管道14和吸盘6，硬管道14上套装有螺旋弹簧21，该螺旋弹簧21呈受拉状态装于上固定座17和套筒19之间，螺旋弹簧21内连接有限位功能的钢丝绳，限位钢丝绳的主要功能是：当圆筒18与套筒19构成的腔体内压力增大时，圆筒18与套筒19相对滑动，从而拉伸螺旋弹簧21。当相对滑动到极限位置时，限位钢丝绳被完全拉伸，使圆筒18与套筒19形成的腔体无法进一步增大，从而保证腔体内的压力能够增大并达到规定值，使腿部单元能够给身体提供足够的支撑力。硬管道14可以采用金属管道，硬管道14与上固定座17固定的一端可以采用焊接方式，保证硬管道14与圆筒18为相互隔离的密闭腔体，硬管道14另一端贯穿套筒19，二者之间通过密封圈构成滑动密封。圆筒18和套筒19之间的滑动密封也采用密封圈实现。

当气泵7通过通气口20向圆筒18与套筒19组成的密闭腔体内充气时，吸盘6在正压作用下向下移动，然后气泵7通过硬管道14从吸盘6内抽气，吸盘6将吸附于地面或壁面上；当气泵7通过硬管道14向吸盘6内充气时，吸盘6与地面或壁面松开，然后气泵7通过通气口20从密闭腔体内抽气，吸盘6在负压作用下向上运动，使腿部单元抬起，便于其平动行走。

参照图1，可以看出，在本实施例中，支撑腿4包括两个固定在一起的相互临近的腿部单元13，行走腿5包括一个腿部单元13，每个腿部单元13底部固定吸盘6。结合图4、图5，支撑腿4的腿部单元13中的套筒19与底板12固定连接，行走腿4的腿部单元13中的套筒19与摇杆37的一端固定连接。

参照图6、图7，腰部翻转机构3包括：离合器24，前支架25，固定在后体2上的后支架26，前支架25上的转轴27滑动贯穿前体1的底板12，前支架25可以随转轴27绕底板12转动，转轴27的另一端固定在离合器24的一端，离合器24的另一端通过离合器支架34固定在前体1的底板12上。前、后支架25、26上固定有相互啮合的前、后齿轮28、29，前、后齿轮28、29的轮轴30两侧通过两个连板31活动连接，其中前、后支架25、26上分别安装有前体、后体翻转步进电机32、33，前体、后体翻转步进电机32、33的输出轴分别与前、后齿轮28、29的轮轴30连接。离合器24为牙嵌离合器，离合器24和前体、后体翻转步进电机32、33分别与控制器8连接，接受控制器8控制。

当前体1固定，并且前体翻转步进电机32抱死时，前齿轮28不动，后齿轮29在后体翻转步进电机33的驱动下，可以实现后体2翻转；当前体1固定，并且后体翻转步进电机33抱死时，后齿轮29不动，前齿轮28在前体翻转步进电机32的驱动下，同样也可以实现后体2翻转。反之，当后体2固定时，也有两种方式实现前体1翻转。

下面结合附图图8、图9、图10、图11对本发明的具体工作过程做详细说明。

当爬壁机器人处于平整壁面时，离合器24分离，腰部翻转机构3和后体2以转轴27为轴绕前体1的底板12左右摆动。前、后体1、2的支撑腿4通过吸盘6在气泵7作用下，吸附在壁面上，行走腿5在由曲柄35带动的连杆36和摇杆37作用下，向前摆动，行走腿5摆到一定角度后，气泵7通过管路向通气口20内充气，使行走腿5伸长，同时通过管路10、硬管道14从吸盘6内向外抽气，使行走腿5紧紧吸附在壁面上，然后支撑腿4上的吸盘6在气泵7作用下放压(即充气)，支撑腿4在腿部单元13中螺旋弹簧21作用下收缩，支撑腿4收缩，爬壁机器人在行走腿驱动电机9、曲柄35、连杆36、摇杆37作用下，前、后体向前摆动。上述支撑腿4的收缩功能，还可以通过气泵7从由圆筒18与套筒19构成的密闭腔体中抽气来实现。前、后体1、2摆动到一定位置后，气泵7通过管路10向支撑腿4的腿部单元13上的通气口20内充气，使支撑腿4伸长，当吸盘6与壁面接触时，通过管路8、硬管道14从吸盘6内向外抽气，使支撑腿4紧紧吸附在壁面上，然后行走腿5上的吸盘6在气泵7作用下放压，行走腿5在其腿部单元13的螺旋弹簧21作用下收缩，然后向前摆动，如此反复向前移动。

当爬壁机器人在壁面上需要改变方向时，将目标方向一侧的行走腿5摆动一个小角度，另一侧的行走腿5摆动一个大角度，从而调整爬壁机器人的移动方向，直至转到所要求的目标方向。当壁面不是完全平整，而是具有一定曲率的曲面时，爬壁机器人可以通过腿部单元13的球面副15自动调整各条腿上吸盘6的方向，以适应这种曲面，使吸盘6能牢牢吸附在壁面上。

在遇到壁面拐角或其它障碍时，控制器8先减小爬壁机器人的步长，缓慢向前移动，使它到壁面拐角或其它障碍边缘时前体1与后体2保持平行，控制离合器24使前体1与腰部翻转机构3卡死，使腰部翻转机构3与后体2不能绕前支架25上的转轴27左右摆动，使前体1所有的吸盘6放压，在螺旋弹簧21作用下使前体1上的所有腿收缩，同时控制后体固定，后体翻转步进电机33抱死，后齿轮29不动，前体翻转步进电机32带动前齿轮28转动，前齿轮28带动前体1转到壁面或障碍的另一个方向。前体1翻转到预定方向后，控制前体翻转步进电机32抱死，前体的支撑腿4在气泵作用下伸长，同时使吸盘6产生负压吸附在壁面，然后控制后体2所有吸盘6放压，后体2所有腿收缩，在后体翻转步进电机33作用下，后体2翻转到与前体1平行的位置并固定，随后前体1带动后体2向前移动。当通过壁面拐角或障碍后，控制离合器24分离，腰部翻转机构3可以绕前体1左右摆动，然后按照平整壁面上的移动方法继续向前移动。

在各个腿部单元的吸盘6内设置有气压传感器，气压传感器与所述控制器连接。当吸盘6内压力不足时，气泵7及时补充吸盘6内的压力，保证吸盘6有足够的吸附力吸附在壁面上，防止因吸盘6漏气而导致爬壁机器人从壁面坠落。当爬壁机器人执行清洗、除尘、检测、侦察等不同任务时，可以通过在它身体上加装不同的作业功能模块来完成。

Claims

1、一种爬壁机器人，包括前体(1)，后体(2)，腰部翻转机构(3)，以及协调前体(1)、后体(2)、腰部翻转机构(3)运动的控制单元，所述前、后体(1、2)的两侧分别设置有支撑腿(4)和行走腿(5)，并且两侧的支撑腿(4)和行走腿(5)对角设置，其特征在于，所述腰部翻转机构(3)包括：离合器(24)，前支架(25)，固定在后体(2)上的后支架(26)；所述前支架(25)上固定一转轴(27)上下滑动贯穿前体(1)，所述转轴(27)的另一端固定在所述离合器(24)的一端，离合器(24)的另一端与前体(1)固定；所述前、后支架(25、26)上固定有相互啮合的前、后齿轮(28、29)，所述前、后齿轮(28、29)的两轮轴(30)通过连板(31)活动连接，其中前、后支架(25、26)上分别安装有前体、后体翻转步进电机(32、33)，前体、后体翻转步进电机(32、33)的输出轴分别与前、后齿轮(25、26)的轮轴(30)连接；所述前体、后体翻转步进电机(32、33)和离合器(24)分别与控制单元连接。

2、根据权利要求1所述的一种爬壁机器人，其特征在于，所述离合器(24)为牙嵌离合器。

3、根据权利要求1所述的一种爬壁机器人，其特征在于，所述支撑腿(4)、行走腿(5)的底部分别固定有吸盘(6)；所述控制单元包括控制器(8)，与控制器(8)连接的气泵(7)；所述控制器(8)分别与离合器(24)和前体、后体翻转步进电机(32、33)连接，所述气泵(7)分别通过管路(10)与支撑腿(4)、行走腿(5)上的吸盘(6)连通，所述管路(10)上设置有受控制器(8)控制的气阀。

4、根据权利要求3所述的一种爬壁机器人，其特征在于，所述支撑腿(4)包括两个固定在一起的相互临近的腿部单元(13)，腿部单元(13)底部固定所述吸盘(6)。

5、根据权利要求3所述的一种爬壁机器人，其特征在于，所述行走腿(5)包括腿部单元(13)，与所述控制器(8)连接的行走腿驱动电机(9)，依次活动连接的曲柄(35)、连杆(36)和摇杆(37)；所述摇杆(37)的另一端固定连接腿部单元(13)，摇杆(37)中部与一固定在相应前体(1)或后体(2)上的销轴(38)活动连接；所述曲柄(35)的另一端固定在行走腿驱动电机(9)输出轴上，腿部单元(13)底部固定所述吸盘(6)。

6、根据权利要求4或5所述的一种爬壁机器人，其特征在于，所述腿部单元(13)包括：通过管路(10)与气泵(7)连通的硬管道(14)，与吸盘(6)固定的球面副(15)，连接球面副(15)的下固定座(16)和上固定座(17)，所述上固定座(17)上部为一圆筒(18)，所述圆筒(18)外滑动密封配合一套筒(19)，圆筒(18)与套筒(19)构成一密闭腔体，所述套筒(19)顶部偏离中心设置有通过管路(10)与气泵(7)连接的通气口(20)，所述硬管道(14)贯穿上固定座(17)和套筒(18)，其一端与上固定座(17)固定，另一端与套筒(19)滑动密封配合，所述球面副(15)中心有一通孔(23)连通所述硬管道(14)和吸盘(6)。

7、根据权利要求6所述的一种爬壁机器人，其特征在于，所述硬管道(14)上套装有螺旋弹簧(21)，该螺旋弹簧(21)固定于上固定座(17)和套筒(19)之间。

8、根据权利要求6所述的一种爬壁机器人，其特征在于，所述吸盘(6)内设置有气压传感器，所述气压传感器与所述控制器连接。