CN104908835A - 一种攀爬机器人的攀爬机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种攀爬机器人的攀爬机构，包括中间水平地穿插固定设置有转向轴的转动圆盘，所述转动圆盘上端和下端均设置有用于攀爬的抓附模块，位于转动圆盘左、右侧的转向轴上对称的设置有两个电磁换向机构，每个电磁换向机构包括包裹于最外层的保护壳、垂直穿插固定设置在所述转向轴上的永磁体、对称地设置于转向轴的轴线两侧的两个电磁活动装置，每个电磁活动装置包括固定在保护壳内的电磁铁、能够被电磁铁吸附的导磁性移动块，两个导磁性移动块之间连接设置有拉伸弹簧。本发明通过电磁换向机构实现机械手和吸盘的转换，控制简单，耗能更低，使攀爬机器人实现机械手与吸盘的交替攀爬，实现了多种攀爬机构的转换。

Description

一种攀爬机器人的攀爬机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种攀爬机器人的攀爬机构。

背景技术

在机器自动化技术如此发达的今天，通过机器人来完成一些人工较难完成的任务的情况越来越普遍。机器人已经被广泛地应用到军用及民用工业生产，建筑制造，探测维修，抢险救灾等各个领域。

攀爬机器人在许多领域都扮演着重要的角色。而传统攀爬机器人由于攀爬机构单一，仅能应用机械手实现杆件攀爬，或是应用吸盘实现墙面攀爬，不能够实现杆件攀爬与墙面攀爬之间的转化。单一的攀爬机构已经很难适应各种各样的地形要求，而本创新攀爬机构，可以灵活地转换攀爬机器人的机械手和吸盘，使攀爬机器人可以搭载多种攀爬装置，产生更为灵活的攀爬方式，适应更为复杂的环境。

发明内容

为了解决攀爬机构单一，攀爬机器人不能够实现杆件攀爬与墙面攀爬之间的转化的问题，本发明提供了一种攀爬机器人的攀爬机构，该机构中吸盘和机械手的灵活转换不仅能够使机器人实现地面行走，墙壁攀爬，杆件攀爬等基本功能，还可使其实现杆件攀爬与墙面攀爬之间的转化，从而使机器人在各种险峻的地形，如杆件与墙面连接处，墙面与绳索连接处自如攀爬。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种攀爬机器人的攀爬机构，包括中间水平地穿插固定设置有转向轴的转动圆盘，所述转动圆盘上端和下端均设置有用于攀爬的抓附模块，位于转动圆盘左、右侧的转向轴上对称的设置有两个电磁换向机构，每个电磁换向机构包括包裹于最外层的保护壳、垂直穿插固定设置在所述转向轴上的永磁体、对称地设置于转向轴的轴线两侧的两个电磁活动装置，每个电磁活动装置包括固定在保护壳内的电磁铁、能够被电磁铁吸附的导磁性移动块，所述保护壳内设置有供导磁性移动块沿垂直转向轴方向往复移动的限位部，所述导磁性移动块朝向转向轴的一端均竖直设置有两个相互平行的定位栓，所述转向轴在位于永磁体安装部的两侧设置有两个与定位栓间隙配合的定位孔，两个导磁性移动块之间连接设置有拉伸弹簧。

进一步地，所述定位栓采用隔磁材料，防止磁力干扰，保证定位栓的位移精度。

进一步地，所述的抓附模块包括吸盘、可抓握的机械手，可实现杆件攀爬和/或墙面攀爬。

进一步地，所述导磁性移动块外还缠绕设置有多闸线圈，对多闸线圈在转向前正向通电强化磁场，提高转向效率和精度。

相比现有技术，本发明的突出效果是：

1.能通过电磁换向机构来控制机械手与吸盘的转换，相比于通过电机来实现换向而言，控制简单，耗能更低。该转换机构使攀爬机器人实现机械手与吸盘的交替攀爬，在原有攀爬机器人单一攀爬形式的基础上实现了多种攀爬机构的转换，实现了杆件攀爬与墙面攀爬之间的转化，从而使机器人在各种险峻的地形，如杆件与墙面连接处，墙面与绳索连接处自如攀爬。

2.对于相同的地形而言，传统的单一结构往往由于路径方案的单一使得机器人工作形式受限，效率较低，而由于本发明具有运动模式多样性的特点，可通过其不同运动方式的排列组合确定出一种最方便快捷的路径方案，从而达到提高效率的目的。

3.电磁换向机构上不仅能装载机械手和吸盘，还能搭配其他抓附模块构成另一种攀爬机构，从而使得攀爬的方式变得更加丰富多元，实用性强，有很大的发展潜力。

  附图说明

图1 本发明实施例一转向时的结构示意图。

图2 本发明实施例一初始通电状态下的机构运动趋势图。

图3 本发明实施例一转向完成时的结构示意图。

图4 发明实施例二的电磁换向机构工作原理简化示意图。

图5 应用本发明的一种实例攀爬机器人墙杆地形过渡攀爬示意图。

图6 应用本发明的一种实例攀爬机器人墙壁翻转攀爬示意图。

图7 应用本发明的一种实例攀爬机器人攀爬内管壁示意图。

图8 应用本发明的一种实例攀爬机器人拐角攀爬模式示意图。

图中所示为：1-电磁铁；2-导磁性移动块；3-定位栓；4-永磁体；5-转向轴；6-转动圆盘；7-吸盘；8-机械手；9-保护壳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的目的作进一步详细地描述，实施例不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。除非特别说明，本发明采用的材料和加工方法为本技术领域常规材料和加工方法。

实施例一

如图1所示，一种攀爬机器人的攀爬机构，包括中间水平地穿插固定设置有转向轴5的转动圆盘6，所述转动圆盘6上端设置吸盘7，下端设置有机械手8，位于转动圆盘6左、右侧的转向轴5上对称的设置有两个电磁换向机构，每个电磁换向机构包括包裹于最外层的保护壳9、垂直穿插固定设置在所述转向轴5上的永磁体4、对称地设置于转向轴5的轴线两侧的两个电磁活动装置，每个电磁活动装置包括固定在保护壳9内的电磁铁1，能够被电磁铁1吸附的导磁性移动块2，所述保护壳9内设置有供导磁性移动块2沿垂直转向轴5方向往复移动的限位部，所述导磁性移动块2朝向转向轴5的一端均竖直设置有两个相互平行的定位栓3，所述定位栓3采用隔磁材料。所述转向轴5在位于永磁体4安装部的两侧设置有两个与定位栓3间隙配合的定位孔，两个导磁性移动块2之间连接设置有拉伸弹簧。

初始状态时，电磁铁1通以一定方向的电流，电磁铁1在通电后会产生一个和永磁体4外部磁场方向相反的电磁场(即此时两个电磁铁1的磁极与永磁体4的磁极相排斥)。在磁场作用下，电磁铁1吸附住导磁性移动块2，由于导磁性移动块2和定位栓3为刚性连接，所述定位栓3会从转向轴的定位孔内抽出，此时转向轴5处于浮动状态。由于机构整体的重力作用使得永磁体1具有一定的转动趋势，如图2所示，从而让永磁体4与电磁场1之间形成一个较小的角度，由于两者磁场方向存在一定角度，磁力对永磁体产生力矩促使其转动。在电磁场的作用下，与转向轴5刚性连接的永磁铁4会转动180°，再通过转向轴的传动使得机器爪8和吸盘7实现180°的角度转向。当机械手8和吸盘7实现转向工作后，中断电磁铁1上的电流，使得电磁场消失，此时在拉伸弹簧的作用下，同侧的两个导磁性移动块2会快速地向中间靠拢，而连接在导磁性移动块2上的定位栓3会重新插回到转向轴5的定位孔之中，转向轴再次处于固定状态，转向工作完成后的状态如图3所示。整个转向过程在电磁铁1部分应用到了电生磁的原理，整个机构的运转运用到了机械传动的原理，而控制电磁铁1上电流的有无则是通过电控技术实现的，同时能够使得机构在工作时电磁铁1上的电流周期和转动轴5的转动周期相一致，从而确保定位栓3再次插入定位孔时不会发生错位的现象。保护壳9的作用是维持电磁换向机构内稳定的工作环境，阻隔外界的干扰，起到电磁屏蔽的作用。

实施例二

如图3所示，本实施例与实施例一的区别至于：所述导磁性移动块2外还缠绕设置有多闸线圈，所述的多闸线圈在电磁换向机构转向前，通入与电磁铁1同向的电流，所述多闸线圈所产生的磁力方向与电磁铁1一致，从而强化对导磁性移动块2的吸力，提高转向效率和精度。

上述实施例在具体使用时，可连接在机器人的支脚连接臂上，机械手8适合爬杆状物，吸盘7适合爬墙面。当需要使用机械手8时，通过控制电磁换向机构内的电流使机械手8伸出，吸盘7收回。当需要使用吸盘7攀爬墙面时，同理使电磁换向机构内产生与原先方向相反的电流，机械手8收回，吸盘7伸出。所述吸盘7为真空吸盘，与气动管路连接，利用伯努利原理，吸盘7与物体接触后会形成一个临时性的密闭空间。我们通过气动管路，抽走或者稀薄密闭空间里面的空气，吸盘可稳固地吸住墙面。

图5是使用上述实施例的攀爬机器人由墙面攀爬向杆件攀爬转换的示意图。当机器人在攀爬过程中需要实现从墙面到杆状物的转换时，如从墙面到绳子、水管或支架等杆状物，本攀爬机构将进行一端机械手8和吸盘7的换向，一端机械手8首先夹住杆状物，该端夹持稳固后，原本通过吸盘7稳固吸住墙面的一端松开吸盘7，通过电磁换向机构实现该端机械手8和吸盘7的换向，同时通过控制相关关节运动使机器人在连接臂处弯曲，最后，机器人在另一个调整关节处弯曲，使另一端的机械手8靠近杆状物，当机械手8与杆的相对位置正确后，实现夹持，此时两个机械手8均夹住杆状物。当需要继续向前爬时，只需前进方向端机械手8保持夹住，另一端的机械手8松开，不断翻转，重复这几个步骤即可让机器人在杆件上不断前进。

如图6所示，当前两个吸盘7均处于吸附状态，当需要向上移动时，下端吸盘7松开，上端连接臂提升整个机器人下半部分，接着机器人上臂和下臂之间的关节实现小角度转动，带动下端吸盘7进行翻转，直到下端吸盘7吸住墙面，以此过程不断反复循环能够使得机器人在墙面上平稳地爬行。而且只要控制好转动角度，就能够比较准确地使机器人移动。

图7为攀爬内管道壁示意图，除了在墙面和杆状物攀爬外，本发明还可以帮助机器人在一定直径的内管道攀爬。如图8所示，机器人自身的关节可灵活转动，并且与本发明的吸盘7相互协调，两个吸盘可以随着管径大小调整方位，垂直吸附在内管壁上。吸盘通过连续地松开，前进，吸紧，再松开，再前进的过程，即便是在狭小的内管壁通道内也能够实现攀爬。

图8为拐角攀爬模式示意图，凭借机器人多关节的灵活性，当机器人攀爬时遇到墙面或杆件转角时，可以快速越过拐角进入相邻墙面。攀爬过程中主要用到攀爬机构中的吸盘7，吸盘7稳固地吸附住墙面后，通过机器人关节处的旋转，使得机器人实现拐角处的灵活攀爬。

本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种攀爬机器人的攀爬机构，包括中间水平地穿插固定设置有转向轴(5)的转动圆盘(6)，所述转动圆盘(6)上端和下端均设置有用于攀爬的抓附模块，其特征在于：

位于转动圆盘(6)左、右侧的转向轴(5)上对称的设置有两个电磁换向机构，每个电磁换向机构包括包裹于最外层的保护壳(9)、垂直穿插固定设置在所述转向轴(5)上的永磁体(4)、对称地设置于转向轴(5)的轴线两侧的两个电磁活动装置，每个电磁活动装置包括固定在保护壳(9)内的电磁铁(1)，能够被电磁铁(1)吸附的导磁性移动块(2)，所述保护壳(9)内设置有供导磁性移动块(2)沿垂直转向轴(5)方向往复移动的限位部，所述导磁性移动块(2)朝向转向轴(5)的一端均竖直设置有两个相互平行的定位栓(3)，所述转向轴(5)在位于永磁体(4)安装部的两侧设置有两个与定位栓(3)间隙配合的定位孔，两个导磁性移动块(2)之间连接设置有拉伸弹簧。

2.根据权利要求1所述的攀爬机器人的攀爬机构，其特征在于：所述定位栓(3)采用隔磁材料。

3.根据权利要求1所述的攀爬机器人的攀爬机构，其特征在于：所述的抓附模块包括吸盘(7)、可抓握的机械手(8)。

4.根据权利要求1至3任一项所述的攀爬机器人的攀爬机构，其特征在于：所述导磁性移动块(2)外还缠绕设置有多闸线圈。