CN104494722A - 内外吸附式爬行机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种内外吸附式爬行机器人，属于机械手作业技术领域。该内外吸附式爬行机器人包括分别设于透磁薄板内外两侧面的内机器人和外机器人，内机器人包括内框和振荡弹簧以及固设有导轨的外框；外框上设有可伸缩的第一脚，内框上设有振荡次级和可伸缩的第二脚，外机器人设有第三脚以及振荡初级；当第一脚和第二脚与透磁薄板内侧面形成钢球接触且切向力施加在内框上的激励频率与内框的固有振动频率基本一致时，切向力驱动内框沿导轨共振移动。该内外吸附式爬行机器人由外机器人提供运动所需的动力能源，内机器人自身无需配置动力能源，因此内机器人的行走不会受能源输送线缆长度的限制和线缆缠绕的困扰，可在长距离、空间可达性差的薄板内部自由行走。

Description

内外吸附式爬行机器人
技术领域
本发明涉及一种爬行机器人，属于机械手作业技术领域。
背景技术
随着机器人应用领域的不断拓宽，爬行机器人已经广泛应用于现代工业现场的自动化作业过程。
现有的爬行机器人按其吸附方式主要有吸盘式、磁吸附式，按其行走方式主要有框架式、轮式、履带式和足式，这些机器人的吸附及行走需要外部提供气源和电源。
对于空间可达性较差的作业环境（如远距离输油管道、封闭船舱、大飞机机身等），爬行机器人必须配置的气源和电源输送线缆具有较大的局限性，不仅制约其爬行距离，而且容易在作业过程中容易出现线缆缠绕、运动干涉等问题。例如，在飞机壁板钻铆作业中，壁板内侧需要一种携带钻铆头并可移动的作业设备，现有设备由于爬行机器人的能源输送线缆进入机身内部后可能会线缆缠绕，所以在实际生产作业中应用效果较差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足，提出一种没有线源缠绕且适应性强的能在薄板内部自由行走的内外吸附式爬行机器人。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种内外吸附式爬行机器人，包括分别设于透磁薄板内外两侧面的内机器人和外机器人，所述内机器人包括内框和振荡弹簧以及固设有导轨的外框，所述内框设于导轨上并与导轨形成移动副，所述振荡弹簧的两端分别固定在内框和外框上且可沿导轨方向伸缩；所述外框上设有可伸缩的第一脚，所述内框上设有振荡次级和可伸缩的第二脚，所述第一脚和第二脚上设有永磁铁，所述外机器人设有与第一脚和第二脚匹配的第三脚以及振荡初级，所述第三脚上设有可通电的电磁铁，所述第三脚用于通过电磁铁通电以驱使第一脚和第二脚吸附及松开透磁薄板内侧面；所述振荡初级用于通电时产生行波磁场激发所述振荡次级产生沿所述导轨的切向力，当所述第一脚和第二脚与所述透磁薄板内侧面形成钢球接触且所述切向力施加在所述内框上的激励频率与所述内框的固有振动频率基本一致时，所述切向力驱动所述内框沿导轨共振移动。
上述本发明公开的内外吸附式爬行机器人技术方案的工作机理及有益效果陈述如下：
内机器人上设有第一脚和第二脚，外机器人上设有第三脚，一般第三脚与第一脚和第二脚一一对应，并通过这些脚将内机器人吸附在透磁薄板（透磁）内侧面上，第三脚上安放有电磁铁，通过改变电磁铁电流的大小和方向来改变内机器人的第一脚和第二脚上永磁铁所受电磁力的大小和方向，从而控制内机器人的第一脚和第二脚的吸附、释放和抬起。
外机器人上设有类似于直线电机初级的振荡初级，内机器人上设有有类似于直线电机次级的振荡次级，振荡初级通电流后可以在内机器人振荡次级上产生向前运动的电磁力。
外部机器人的振荡初级通电后会产生一个行波磁场，行波磁场在内机器人的振荡次级上产生一个垂直于薄板的法向力和沿行波磁场行进方向的切向力。根据直线电机磁场理论，切向力为法向力的1/10左右，振荡初级上的电流过大可能使法向力过大而破坏薄板。故外机器人振荡初级对内机器人振荡次级的切向力不足以直接提供内机器人向前运动的动力。
外机器人振荡初级通电后将产生向前移动的行波磁场，行波磁场对内机器人上的振荡次级会产生一个切向力，当振荡初级对振荡次级的施力频率和内框的固有频率一致时，内框便沿外框的导轨做共振运动，每次经过振动原点时都会受到振荡初级对其的切向力，内框的振幅逐渐增大，内框向振荡弹簧转移的能量逐渐增加，当振幅达到需要的值S时，控制第三脚上的电磁铁使第一脚和第二脚的吸附、释放和抬起，从而使得内框处于固定状态而外框处于可动状态，外框在振荡弹簧的作用下向前运动，振荡弹簧势能就转化为外框的动能，外框振荡停止时向前就运动了距离S，然后内机器人恢复初始状态。
当内机器人因工作需要固定时，控制外机器人使内机器人的第一脚和第二脚全部固定。
可见，通过内机器人和外机器人配合，外机器人不受复杂工况的限制，其结构容易实现，外机器人可以方便的直接配备需要的气源或电源以提供动力，内机器人无需提供气源或电源，由内、外机器人之间相互产生的磁力实现动力供给，因此内机器人无需能源输送线缆，无需考虑内机器人的运动距离和线缆缠绕问题，可在长距离、空间可达性差的薄板内部自由行走。
此外，工作时内机器人在薄板内部，外机器人在薄板外部，内机器人通过外机器人的控制来改变其各部件的运动状态，采用随动的方式实现内机器人的越障爬行，与传统的爬行机器人相比，具有不可比拟的优势。
上述技术方案的变化是：所述第一脚和第二脚还均包括第一外壳、压缩弹簧、钢球和钢球座，所述第一外壳位于透磁薄板内侧面处制有第一开口，所述永磁铁制有内腔且其位于透磁薄板内侧面处制有第二开口，所述永磁铁设于第一外壳内，所述钢球座通过压缩弹簧与永磁铁相连并置于永磁铁内腔中，所述钢球置于钢球座中。
由于第一脚和第二脚上的压缩弹簧始终处于压缩状态，当外机器人的第三脚上的电磁铁对内机器人的第一脚和第二脚上的永磁铁的电磁力小于永磁铁所受的弹簧力时，钢球与薄板接触，第一脚和第二脚的摩擦力很小，处于可滑动状态；当外机器人的第三脚上的电磁铁对内机器人的第一脚和第二脚上的永磁铁的电磁力大于永磁铁所受的弹簧力时，永磁铁便和外壳一起与薄板接触，钢球抬起，第一脚和第二脚处于固定状态，通过这种电磁铁——永磁铁系统的配合实现内机器人的第一脚和第二脚的高摩擦和低摩擦状态的切换，同时在任一状态下内外机器人都可以可靠的吸附。
上述技术方案的变化是：所述第一脚和第二脚还均包括第二外壳、腿支架、抬脚弹簧、上转动啮合杆和下转动啮合杆，所述抬脚弹簧一端与腿支架连接且其另一端与上转动啮合杆连接，所述下转动啮合杆的下部固定有第一外壳，所述第二外壳内部设有一圈卡槽，所述上转动啮合杆下端设有第一棘齿，所述下转动啮合杆上端设有与第一棘齿匹配的第二棘齿，所述卡槽、第一棘齿和第二棘齿用于提升、落下和自锁下转动啮合杆。
上、下转动啮合杆可以在第二外壳内部的滑槽中上下滑动，卡槽、第一棘齿和第二棘齿用于提升、落下和自锁下转动啮合杆，形成一个类似圆珠笔上的棘轮结构；通过外机器人的第三脚通反向电流（相对于内机器人吸附释放时第三脚通的正向电流）时，会对内机器人的第一脚和第二脚产生一个反向力，在此力作用下，实现提升第一脚和第二脚，在抬升第一脚和第二脚状态下，可以保持第一脚和第二脚的抬升高度， 以实现跨越障碍，当外机器人的第三脚通另一反向电流，实现放下第一脚和第二脚。
上述技术方案的变化是：所述外机器人还设有用于驱使第三脚快速移动到第一脚的设定位移处和/或第二脚的设定位移处的驱动机构。
上述技术方案的变化是：所述驱动机构是电动丝杆，所述第三脚固定在电动丝杆的推杆上。
上述技术方案的变化是：所述内框沿导轨方向的前后两端分别与相邻外框之间相连有一个振荡弹簧，所述内框上设有沿导轨方向的前后两排第二脚，每排第二脚均设有两个第二脚，所述外框的前部两角处设有两个前部第一脚，所述外框的后部两角处设有两个后部第一脚，所述第三脚是对应所述第一脚和第二脚设置的八个第三脚。
上述技术方案的变化是：所述外机器人上设有内机器人和透磁薄板内侧面内部障碍物识别装置。
外机器人上设有内机器人和透磁薄板内侧面内部障碍物识别装置，能够实时识别内机器人和薄板内部障碍物的位置，从而保证内外机器人位置的一致和检测障碍物。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施例内外吸附式爬行机器人的结构示意图。
图2是图1的内机器人的结构示意图。
图3是图1的第一脚和第二脚的部分结构示意图一。
图4是图1的第一脚和第二脚的部分结构示意图二。
图5是图1的滑动工作示意图一。
图6是图1的滑动工作示意图二。
图7是图1的滑动工作示意图三。
图8是图1的跨越障碍工作示意图一。
图9是图1的跨越障碍工作示意图二。
图10是图1的跨越障碍工作示意图三。
图11是图1的跨越障碍工作示意图四。
图12是图1的跨越障碍工作结束示意图。
具体实施方式
实施例
本实施例的内外吸附式爬行机器人，如图1和图2所示，包括分别设于透磁薄板30内外两侧面的内机器人10和外机器人20。内机器人10包括内框1和振荡弹簧40以及固设有导轨2的外框3，内框1设于导轨2上并与导轨形成移动副，振荡弹簧40的两端分别固定在内框1和外框3上且可沿导轨方向伸缩。
外框3上设有可伸缩的第一脚7，内框1上设有振荡次级6和可伸缩的第二脚4。第一脚7和第二脚4上设有永磁铁5。
外机器人20设有与第一脚7和第二脚4匹配的第三脚21以及振荡初级22，第三脚21上设有可通电的电磁铁23。第三脚21用于通过电磁铁23通电以驱使第一脚7和第二脚4吸附及松开透磁薄板30内侧面。
振荡初级22用于通电时产生行波磁场激发振荡次级6产生沿导轨2的切向力，当第一脚7和第二脚4与透磁薄板30内侧面形成钢球接触且切向力施加在内框1上的激励频率与内框1的固有振动频率基本一致时，切向力驱动内框1沿导轨共振移动。
如图3所示，本实施例的第一脚7和第二脚4还均包括第一外壳8、压缩弹簧9、钢球11和钢球座12。第一外壳8位于透磁薄板30内侧面处制有第一开口，永磁铁5制有内腔且其位于透磁薄板内侧面处制有第二开口。永磁铁5设于第一外壳8内，钢球座12通过压缩弹簧9与永磁铁5相连并置于永磁铁内腔中。钢球11置于钢球座12中。
如图4所示，本实施例的第一脚7和第二脚4还均包括第二外壳、腿支架13、抬脚弹簧14、上转动啮合杆15和下转动啮合杆16。抬脚弹簧14一端与腿支架13连接且其另一端与上转动啮合杆15连接，下转动啮合杆16的下部固定有第一外壳8。第二外壳内部设有一圈卡槽，上转动啮合杆15下端设有第一棘齿，下转动啮合杆16上端设有与第一棘齿匹配的第二棘齿。卡槽、第一棘齿和第二棘齿用于提升、落下和自锁下转动啮合杆16。
本实施例的外机器人20还设有用于驱使第三脚21快速移动到第一脚7的设定位移处和/或第二脚4的设定位移处的驱动机构24。
本实施例的驱动机构24是电动丝杆，第三脚21固定在电动丝杆的推杆上。
本实施例的外机器人20上设有内机器人10和透磁薄板30内侧面内部障碍物识别装置。
实际工作时，如图5至图7所示，第一脚7和第二脚4上的压缩弹簧9始终处于压缩状态。当外机器人20的第三脚21上的电磁铁23对内机器人10的第一脚7和第二脚4上的永磁铁5的电磁力小于永磁铁所受的弹簧力时，钢球11与薄板接触，第一脚7和第二脚4的摩擦力很小，处于可滑动状态。
当外机器人20的第三脚21上的电磁铁23对内机器人10的第一脚7和第二脚4上的永磁铁5的电磁力大于永磁铁所受的弹簧力时，永磁铁5便和外壳一起与薄板接触，钢球11抬起，第一脚7和第二脚4处于固定状态，通过这种电磁铁——永磁铁系统的配合实现内机器人10的第一脚7和第二脚4的高摩擦和低摩擦状态的切换，同时在任一状态下内外机器人都可以可靠的吸附。
本实施例的内框1沿导轨2方向的前后两端分别与相邻外框3之间相连一个振荡弹簧40。内框1上设有沿导轨方向的前排第二脚和后排第二脚，前排第二脚和后排第二脚均设有两个第二脚，外框3前部两角处设有两个前部第一脚7-1，外框3后部两角处设有两个后部第一脚7-2，第三脚21是对应第一脚7和第二脚4设置的八个第三脚。当内机器人10的第一脚7和/或第二脚4需要跨越障碍时，以外框3前部两角处设有两个第一脚7-1跨越障碍为例：
1. 如图8所示，初始时，前部第一脚7-1和后部第一脚7-2均吸附在透磁薄板30内侧面上（即均处于吸附状态），外机器人20的第三脚21上的电磁铁23对内机器人10的第二脚4上的永磁铁5施加的电磁力小于永磁铁所受的弹簧力，钢球11与薄板接触，第二脚4处于可滑动状态；
2. 如图9所示，将振荡初级22通电产生行波磁场激发振荡次级6产生沿导轨2的切向力，当切向力施加在内框1上的激励频率与内框1的固有振动频率基本一致时，切向力驱动内框1沿导轨共振移动，将第二脚4前后震荡到设定位置；
3. 如图10所示，当第二脚4随内框1沿导轨共振移动预定位置时，将外机器人20的第三脚21上的电磁铁23对内机器人10的第二脚4上的永磁铁5施加的电磁力大于永磁铁所受的弹簧力，第二脚4吸附透磁薄板30内侧面后，通过外机器人20的第三脚21通反向电流（相对于内机器人吸附释放时第三脚通的正向电流）时，会对内机器人10的所要跨越障碍的前部第一脚7-1产生一个反向力，在此力作用下，实现提升前部第一脚7-1；此时，后部第一脚7-2依然吸附在透磁薄板30内侧面上；
4. 如图11所示，先由外机器人20的第三脚21上的电磁铁23对内机器人10的后部第一脚7-2上的永磁铁5施加的电磁力小于永磁铁所受的弹簧力，钢球11与薄板接触，后部第一脚7-2处于可滑动状态；
然后，在内框1前端的振荡弹簧40的伸展下，前部第一脚7-1越过障碍，在内框1后端的振荡弹簧40的收缩下，后部第一脚7-2对应滑动，使得外框3整体向前移动；
5. 如图12所示，前部第一脚7-1越过障碍后，将前部第一脚7-1和后部第一脚7-2均吸附在透磁薄板30内侧面上（即均处于吸附状态），外机器人20的第三脚21上的电磁铁23对内机器人10的第二脚4上的永磁铁5施加的电磁力小于永磁铁所受的弹簧力，钢球11与薄板接触，第二脚4处于可滑动状态，即返回初始状态。
本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种内外吸附式爬行机器人，其特征在于：包括分别设于透磁薄板内外两侧面的内机器人和外机器人，所述内机器人包括内框和振荡弹簧以及固设有导轨的外框，所述内框设于导轨上并与导轨形成移动副，所述振荡弹簧的两端分别固定在内框和外框上且可沿导轨方向伸缩；所述外框上设有可伸缩的第一脚，所述内框上设有振荡次级和可伸缩的第二脚，所述第一脚和第二脚上设有永磁铁，所述外机器人设有与第一脚和第二脚匹配的第三脚以及振荡初级，所述第三脚上设有可通电的电磁铁，所述第三脚用于通过电磁铁通电以驱使第一脚和第二脚吸附及松开透磁薄板内侧面；所述振荡初级用于通电时产生行波磁场激发所述振荡次级产生沿所述导轨的切向力，当所述第一脚和第二脚与所述透磁薄板内侧面形成钢球接触且所述切向力施加在所述内框上的激励频率与所述内框的固有振动频率基本一致时，所述切向力驱动所述内框沿导轨共振移动。
2.如权利要求1所述的内外吸附式爬行机器人，其特征在于：所述第一脚和第二脚还均包括第一外壳、压缩弹簧、钢球和钢球座，所述第一外壳位于透磁薄板内侧面处制有第一开口，所述永磁铁制有内腔且其位于透磁薄板内侧面处制有第二开口，所述永磁铁设于第一外壳内，所述钢球座通过压缩弹簧与永磁铁相连并置于永磁铁内腔中，所述钢球置于钢球座中。
3.如权利要求1或2所述的内外吸附式爬行机器人，其特征在于：所述第一脚和第二脚还均包括第二外壳、腿支架、抬脚弹簧、上转动啮合杆和下转动啮合杆，所述抬脚弹簧一端与腿支架连接且其另一端与上转动啮合杆连接，所述下转动啮合杆的下部固定有第一外壳，所述第二外壳内部设有一圈卡槽，所述上转动啮合杆下端设有第一棘齿，所述下转动啮合杆上端设有与第一棘齿匹配的第二棘齿，所述卡槽、第一棘齿和第二棘齿用于提升、落下和自锁下转动啮合杆。
4.如权利要求3所述的内外吸附式爬行机器人，其特征在于：所述外机器人还设有用于驱使第三脚快速移动到第一脚的设定位移处和/或第二脚的设定位移处的驱动机构。
5.如权利要求4所述的内外吸附式爬行机器人，其特征在于：所述驱动机构是电动丝杆，所述第三脚固定在电动丝杆的推杆上。
6.如权利要求4所述的内外吸附式爬行机器人，其特征在于：所述内框沿导轨方向的前后两端分别与相邻外框之间相连有一个振荡弹簧，所述内框上设有沿导轨方向的前后两排第二脚，每排第二脚均设有两个第二脚，所述外框的前部两角处设有两个前部第一脚，所述外框的后部两角处设有两个后部第一脚，所述第三脚是对应所述第一脚和第二脚设置的八个第三脚。
7.如权利要求4所述的内外吸附式爬行机器人，其特征在于：所述外机器人上设有内机器人和透磁薄板内侧面内部障碍物识别装置。
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Inventor after: Wang Min

Inventor after: Qi Zhenchao

Inventor after: Tao Kemei

Inventor after: Chen Wenliang

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