CN102351017B - 一种爬壁机器人的运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用复合连杆机构加丝杆驱动来实现爬壁机器人在各种墙面障碍上的尺蠖式仿生移动的机构，本发明的上吸盘和下吸盘之间通过主、从支架相铰接，伸缩推杆安装在主支架上，其输出丝杆与滑套上的螺纹相配合，可以驱动滑套在主支架杆上滑动，拉伸弹簧和推力弹簧并联于上俯仰推杆和下俯仰推杆上用于在机器人上爬时提供助力，上俯仰推杆通过铰支座安装在从支架与上吸盘之间，下俯仰推杆通过铰支座安装在主支架与下吸盘之间。本发明可以模仿尺蠖虫的动作，实现伸缩、俯仰与提升动作，可较灵活的面对墙面上的各种凸起、管线和沟槽，也能方便的在各墙面间实现过渡。由于连杆机构的运动放大作用，机构可以实现快速移动。

Description

一种爬壁机器人的运动机构

技术领域

本发明涉及一种爬壁机器人的运动机构,特别是一种采用复合连杆机构加丝杆驱动来实现爬壁机器人在各种墙面障碍上的尺蠖式仿生移动的机构。

背景技术

目前在墙面上移动的机器人一般有以下几种运动机构和方式：1、轮式。在主吸盘的下方装上轮子，一般采用差动方式进行转向。结构简单，但对于墙面障碍基本无法通过，仅限于平整光滑的墙面移动，属于动态密封，较难保证吸附力的连续稳定；2、履带式。与轮式情况相当，但过障能力有所提高；3、仿生腿、足式。一般在每条腿上都装有吸盘，运动时模仿动物的脚步，能克服大多数墙面上的障碍，但腿多自由度也多，控制比较复杂，成本也很高；4、轨道式。采用爪钩并利用墙面的凸起固定一或二根导轨，机器人沿导轨作上下、左右移动。该结构利用了墙面凸起作受力点，可以承载较大的载荷，在轨道内移动时可获得较高的速度，但受墙面凸筋条及其分布规律的限制，应用范围有限，适应性较差；5、尺蠖式。采用多关节驱动方式模仿尺蠖虫动作实现爬壁运动，能克服绝大多数的墙面障碍，是一种较为先进的移动方式。目前其所用驱动形式多为关节电机（一种安装在关节上的减速电机）直接驱动，要求关节电机的功率和扭矩都很大，传动齿轮受力情况比较恶劣，关节一般不能自锁，要实现关节锁定需通过专门的制动或电机通电来实现，机构复杂而笨重。由于各关节均为大减速比驱动，要提高移动速度较为困难。

发明内容

本发明要解决的是现有爬壁机器人运动机构所存在的上述不足，提供一种结构轻巧简洁，驱动功率小，工作效率高的复合连杆式仿尺蠖动作机构，旨在改善现有尺蠖式爬壁机器人运动机构的工作效率，装配该机构的爬壁机器人可以较低的功耗实现仿尺蠖动作，且能够实现快速移动，使爬壁机器人更加接近实用。

本发明的目的将通过以下技术方案来实现：一种爬壁机器人的运动机构，其特征在于包括主支架、从支架、下吸盘、上吸盘、伸缩推杆、下俯仰推杆、上俯仰推杆、拉伸弹簧、推力弹簧、滑套、连杆；主支架和从支架上端通过铰链联接；套在主支架上的滑套与固定在主支架上的伸缩推杆形成一个具有位置锁定功能的移动副；连杆跨接于滑套和从支架之间并通过铰接头联接；下吸盘安装于主支架下端，上吸盘安装于从支架下端；下俯仰推杆将下吸盘与主支架通过铰支座联接在一起，上俯仰推杆与从支架通过铰支座联接在一起；推力弹簧安置在主支架与下吸盘之间与下俯仰推杆并联，拉伸弹簧安置于从支架和上吸盘之间与上俯仰推杆并联。

采用本发明所述机构的爬壁机器人，其运动机构可以模仿尺蠖虫的动作，实现伸缩、俯仰与提升动作，可较灵活的面对墙面上的各种凸起、管线和沟槽，也能方便的在各墙面间实现过渡。由于连杆机构的运动放大作用，机构可以实现快速移动。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：1、可模仿尺蠖虫运动，因而能够实现在墙面上的跨越式越障和墙面间的过渡；2、由于在驱动部位安置了能起助力作用的储能元件——弹簧，使得驱动功率和能耗大幅下降，驱动部分重量得以减轻；3、采用复合连杆机构，与齿轮机构相比在保持结构钢度的同时进一步降低了机器人的整体重量；4、同重量级下具有更强的载荷能力和更长的工作时间；5、所配吸盘采用静态密封，更容易适应复杂墙面；6、具有更快的移动速度。

附图说明

图1是本发明的机构简图。

图2是本发明的机构运动状态简图。

图3是本发明的一个实施例示意图。

具体实施方式

以下结合附图，详细说明本发明的实施方式。

1、参照图1，本发明一种爬壁机器人的运动机构包括主支架7、从支架9和分别安装于它们下端的下吸盘1和上吸盘2，所述主、从支架7、9上端通过铰链联接。所述上吸盘2和下吸盘1及其联接件上俯仰推杆11和下俯仰推杆4为两个重复单元，所不同的是并接于上俯仰推杆11上的弹簧为拉伸弹簧8，而并接于下俯仰推杆4上的弹簧为推力弹簧3。套在主支架7上的滑套5与固定在主支架7上的伸缩推杆10形成一个丝杆副，用于推动滑套5作沿主支架7导杆的直线移动；连杆6跨接于滑套5和从支架9之间并通过铰接头联接，用于传导滑套5的动作，使从支架9作相对于主支架7的伸张和收合动作。下俯仰推杆4将下吸盘1与主支架7通过铰支座联接在一起，上俯仰推杆11将上吸盘2与从支架9通过铰支座联接在一起，调整俯仰推杆的长度可以改变吸盘相对于支架的角度；所述上俯仰推杆11和下俯仰推杆4由减速电机和丝杆组成，电机带动丝杆在丝套中转动能改变丝套的相对位置进而实现长度变化。推力弹簧3安置在主支架7与下吸盘1之间并与下俯仰推杆4并联，用于减轻下俯仰推杆4的受力；拉伸弹簧8安置于从支架9和上吸盘2之间且与上俯仰推杆11并联，用于减轻上俯仰推杆11的受力。

所述拉伸弹簧8和推力弹簧3是实现本发明低能耗的关键零件，其刚度特性需根据载荷做精确调整后才能达到预期效果。值得提醒的是，作为弹性元件，其形式并不局限于螺旋弹簧一种，它也可以用气弹簧、卷簧等来代替。

所述伸缩推杆10、上俯仰推杆11和下俯仰推杆4的作用是输出和控制直线移动，在本实施例中采用了电动推杆，但这并不表示其它形式如液压、气动的直线移动控制方式在本发明中无效。

图2是本发明一种爬壁机器人的运动机构在各种壁面状态下的工作情况示意图。

收拢状态（a），设此时为初始状态，伸缩推杆10拉动滑套5在最下端，上俯仰推杆11和下俯仰推杆4呈中度收缩位，与下俯仰推杆4并联的推力弹簧3处于半压缩状态，而与上俯仰推杆11并联的拉伸弹簧8则处于半拉伸状态。

展开状态（b），设下吸盘1为固定端，上吸盘2作为活动脚向上移动，此时伸缩推杆10推动滑套5上移，上俯仰推杆11和下俯仰推杆4展开，推力弹簧3伸展并释放能量辅助下俯仰推杆4上推上吸盘2；拉伸弹簧8此时也被拉伸储能，但由于此时上吸盘2处于悬空状态，上俯仰推杆11克服的主要是拉伸弹簧8的拉力和少量上吸盘2的重量。

上爬状态（e）、（g），当上吸盘2稳定的吸附在墙面上后，下吸盘1释放成为活动脚。此时上俯仰推杆11和下俯仰推杆4、伸缩推杆10均开始收缩。并装于上俯仰推杆11的拉伸弹簧8释放能量辅助上俯仰推杆4收缩拉动下吸盘1上移，而推力弹簧3则在下俯仰推杆4的作用下开始压缩储能，同样由于此时下吸盘1处于悬空状态，下俯仰推杆4所克服的主要是推力弹簧3的弹力和少量下吸盘1的重力。

当上爬状态完成后就又进入了收拢状态，如此交替即实现了机器人的仿尺蠖上爬动作。

其余越障和墙面过渡动作可参见图2的分解图示（c）、（d）、（f）、（h），所有动作都是通过上俯仰推杆11、下俯仰推杆4和伸缩推杆10三个推杆的收放来实现的，所不同的只是三个推杆之间行程的比例和时间差。

图3所示实施例是基于图1的具体应用。

应该明确的是：上述实施例只是对本发明的说明，而不是对本发明的限制，任何不超出本发明实质精神范围内的发明创造，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种爬壁机器人的运动机构，其特征在于包括主支架（7）、从支架（9）、下吸盘（1）、上吸盘（2）、伸缩推杆（10）、下俯仰推杆（4）、上俯仰推杆（11）、拉伸弹簧（8）、推力弹簧（3）、滑套（5）、连杆（6）；主支架（7）和从支架（9）上端通过铰链联接；套在主支架（7）上的滑套（5）与固定在主支架（7）上的伸缩推杆（10）形成一个具有位置锁定功能的移动副；连杆（6）跨接于滑套（5）和从支架（9）之间并通过铰接头联接；下吸盘（1）安装于主支架（7）下端，上吸盘（2）安装于从支架（9）下端；下俯仰推杆（4）将下吸盘（1）与主支架（7）通过铰支座联接在一起，上俯仰推杆（11）与从支架（9）通过铰支座联接在一起；推力弹簧（3）安置在主支架（7）与下吸盘（1）之间与下俯仰推杆（4）并联，拉伸弹簧（8）安置于从支架（9）和上吸盘（2）之间与上俯仰推杆（11）并联。

2.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人的运动机构，其特征在于伸缩推杆（10）、上俯仰推杆（11）和下俯仰推杆（4）可采用电动丝杆，也可以采用液压或气动机构来代替。

3.根据权利要求1所述的一种爬壁机器人的运动机构，其特征在于所用推力弹簧（3）和拉伸弹簧（8）用螺旋弹簧、气弹簧或蜗卷弹簧实现。

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