CN104943763A - 一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种履带式磁吸附爬壁机器人的运动机构，包括移动模块、吸附模块以及壁面过渡模块，采用柔性的壁面过渡机构来实现在三维复杂壁面的运动。通过行走电机带动连接在电机的齿轮传动，进而带动履带轮转动，从而实现机器人的运动，在移动模块的履带表面贴上橡胶磁条，可以保证机器人吸附在可导磁壁面上；移动模块之间通过扭力弹簧连接，当机器人需要进行壁面转换时，与该移动模块连接的扭力弹簧提供其所需要的力矩，实现移动模块在不同壁面之间的过渡；本发明具有结构简单，负载能力大，壁面适应性强，实现了爬壁机器人在三维空间壁面的自由运动。

Description

一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构

技术领域

本发明涉及一种爬壁机器人的运动机构，特别是涉及一种能够在三维空间壁面进行转换的爬壁机器人的运动机构。

背景技术

爬壁机器人是极限作业机器人的一个分支，因具有在竖直甚至倒立壁面攀爬的能力，极大的扩展了机器人的活动空间，其目的是代替人类，在核工业、石化企业、建筑行业、消防部门、造船业以及反恐领域等危险状态下作业，具有广泛的用途和很高的使用价值。

常见的爬壁机器人的吸附方式有：磁吸附式、仿生吸附式及负压吸附式，磁吸附式吸附力比较大，带负载能力强，但是仅适用于导磁壁面；仿生吸附式是近年发展的新型爬壁机器人，其适用于光滑壁面，但吸附力比较小，带负载能力差，实用性不强；负压吸附式可以用在所有的壁面上，吸附力比较大，但是噪音较大。

近些年来，爬壁机器人技术在国内外得到了不断的发展，其应用范围也在不断的扩大。虽然目前对其壁面适应能力的研究也越来越多，但大多数都还处在单一壁面上。如中国专利CN 203391891 U中提出了一种类双足式的爬壁机器人，采用分体结构，通过舵机的旋转角度实现两个分体的升降，从而实现壁面的切换，但是这需要舵机有很大的力矩，适应性不强并且带负载能力也不强，中国发明专利CN 103191895 A也公开了一种类似以上结构的用于管道内部爬行的电磁履带式爬壁机器人。它们都采用电机为过渡提供力矩，能够提供的力矩有限，同时更多的是实现一种在内壁面的过渡，对于外壁面的过渡没有很好的办法。总的来说，现有的技术很难从根本上解决大负载、复杂三维空间壁面的过渡，还具有很大的局限性。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提出一种具有结构简单、适应性强、能够很好的进行外壁面的过渡，具有实现三维空间壁面过渡能力的履带式磁吸附式爬壁机器人的运动机构，本发明采用的技术方案为如下：

一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构，包括移动模块、吸附模块、壁面过渡模块，其特征在于：所述移动模块包括主动履带轮、主动传动轴、被动齿轮、主动齿轮、行走电机、履带轮连接板A、被动传动轴、被动履带轮、履带轮连接板B，所述移动模块中，所述行走电机安装在所述履带轮连接板A上，所述主动齿轮与所述行走电机的输出轴相连，所述主动齿轮与所述被动齿轮啮合，所述被动齿轮与所述主动轴相连，所述主动轴与所述主动履带轮连接，所述履带轮连接板A通过所述主动传动轴和所述被动传动轴固定，位于有传动齿轮的一侧，所述履带轮连接板B通过所述主动传动轴和所述被动传动轴固定，位于没有传动齿轮的一侧。

所述壁面过渡模块包括小过渡杆A、小过渡杆B、大过渡杆、扭力弹簧A、扭力弹簧B、扭力弹簧C、扭力弹簧D、扭力弹簧E、扭力弹簧F，所述大过渡杆一端与所述小过渡杆A通过所述扭力弹簧E连接，所述大过渡杆的另一端与所述小过渡杆B通过所述扭力弹簧F连接；所述小过渡杆A的一端通过所述扭力弹簧A与所述移动模块A相连，所述小过渡杆A的另一端通过所述扭力弹簧B与所述移动模块B相连，所述小过渡杆B的一端通过所述扭力弹簧C与所述移动模块C相连，所述小过渡杆B的另一端通过所述扭力弹簧D与所述移动模块D相连。

所述吸附模块包括履带、橡胶磁条，所述橡胶磁条贴在所述履带。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明采用一种柔性的壁面过渡机构，无需单独控制壁面过渡的电机。(2)本发明可以适应多种倾斜壁面的过渡，能够实现三维壁面的任意过渡。(3)本发明的结构简单，设计合理，负载能力强，具有良好的使用价值和使用前景，可满足多种使用场合。

附图说明

图1为本发明实施例一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构的整体结构示意图；

图2为本发明实施例一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构的单个独立移动模块的结构示意图；

图3为本发明实施例一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构的吸附连接方式的示意图；

图4为本发明实施例一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构的内壁面过渡过程的示意图：其中，(1)是水平壁面的初始状态示意图，(2)(3)(4)是水平面到竖直壁面过渡过程的示意图；

图5为本发明实施例一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构的外壁面过渡过程的示意图：其中，(1)是竖直壁面的初始状态示意图，(2)(3)(4)是竖直壁面到水平壁面过渡过程的示意图；

图中，1：移动模块；2：移动模块A；3：移动模块B；4：移动模块C；5：移动模块D；6：壁面过渡模块；7：吸附模块；

在移动模块中有具体包括：101：主动履带轮；102：主动传动轴；103：被动齿轮；104：主动齿轮；105：行走电机；106：履带轮连接板A；107：被动传动轴；108：被动履带轮；109：履带轮连接板B；

在壁面过渡模块中具体包括：601：扭力弹簧A；602：小过渡杆A；603：扭力弹簧E；604：扭力弹簧B；605：大过渡杆；606：扭力弹簧C；607：扭力弹簧F；608：小过渡杆B；609：扭力弹簧F；

在吸附模块中具体包括：701：履带；702：橡胶磁条。

具体实施方式

以下结合附图实例对本发明作进一步详细描述。

本发明的基本思路是多个可移动的独立吸附模块利用扭力弹簧形成柔性的连接，在壁面过渡的过程中，通过柔性关节的自我调整适应，而不需要外部动力源的直接驱动来实现不同壁面的过渡。

本发明实施实例提供了一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构。所述可壁面过渡爬壁机器人包括：移动模块，吸附模块以及壁面过渡机构。

结合图1，一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构的整体结构示意图，包括移动模块A 2、移动模块B 3、移动模块C 4、移动模块D 5、壁面过渡模块6，所述的四个移动模块A 2、B 3、C 4、D 5都是具有相同结构的移动模块1，只是安装位置的位置不一样，相邻的两个移动模块带有齿轮的一侧分别置于相对于机器人整体的的两侧，这样可以保证机器人整体结构的平衡性，提高其运动的适应性。

所述壁面过渡模块6包括小过渡杆A 602、小过渡杆B 608、大过渡杆605、扭力弹簧A 601、扭力弹簧B 604、扭力弹簧C 606、扭力弹簧D 609、扭力弹簧E 603、扭力弹簧F 607，所述大过渡杆605一端与所述小过渡杆A 602通过所述扭力弹簧E 603连接，所述大过渡杆605另一端与所述小过渡杆B 608通过所述扭力弹簧F 607连接；所述小过渡杆A 602的一端通过所述扭力弹簧A 601与所述移动模块A 2相连，所述小过渡杆A 602的另一端通过所述扭力弹簧B 604与所述移动模块B 3相连，所述小过渡杆B 608的一端通过所述扭力弹簧C 606与所述移动模块C 4相连，所述小过渡杆B 608的另一端通过所述扭力弹簧D 609与所述移动模块D 5相连。所述的扭力弹簧是实现本发明柔性过渡的关键部件，在不同的运动或者过渡状态下，扭力弹簧就具有了不同的扭转状态。

结合图2，一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构的移动模块1的示意图，包括主动履带轮101、主动传动轴102、被动齿轮103、主动齿轮104、行走电机105、履带轮连接板A 106、被动传动轴107、被动履带轮108、履带轮连接板B 109，在所述移动模块1中，所述行走电机105固定安装在所述履带轮连接板A 106上，所述主动齿轮104固定安装在所述行走电机105的输出轴，所述主动齿轮104与所述被动齿轮103啮合，所述被动齿轮103安装在所述主动轴102上，所述行走电机105转动，带动电机轴上的所述主动齿轮104旋转，所述主动齿轮104带动与它配合的所述被动齿轮103转动，带动安装在所述主动传动轴102的所述主动履带轮101转动，进而带动履带转动，整个移动模块行走。所述履带轮连接板A通过所述主动传动轴102和所述被动传动轴107固定，位于有传动齿轮的一侧，所述履带轮连接板B通过所述主动传动轴和所述被动传动轴固定，位于没有传动齿轮的一侧，所述履带轮连接板A 106和所述履带轮连接板B 109用于固定两个履带轮的相对位置和壁面过渡机构与移动模块的连接。

结合图3，爬壁机器人的吸附模块7，包括履带701、橡胶磁条702，所述橡胶磁条702贴在所述履带701上。爬壁机器人通过具有所述具有磁性的橡胶磁条702可以吸附在导磁壁面上，采用橡胶磁条产生吸附力，又由橡胶磁条的另一面具有粘性，可以粘在履带表面，所以它比一般永磁体更加方便安装，减轻了机器人的整体重量，提高了负载能力，同时又具有电磁铁所不具有的安全性高的特点。

结合图4，爬壁机器人的内壁面过渡过程的工作示意图。初始状态(1)，以移动模块A 2为头部前行，此时爬壁机器人处于水平的壁面上运动。

内壁面过渡状态一(2)，给出了内壁面过渡的第一个移动模块完成后的示意图，机器人处于水平运动状态运动到具有内直角的壁面，此时移动模块A2首先与所示的竖直壁面接触，此时后面的移动模块B、C、D都还在继续运动，移动模块A2将要向竖直壁面运动；同时，在过渡时候扭力弹簧A601也会给移动模块A2一作用力，可以防止在内壁面过渡的是发生倾覆。

内壁面过渡状态二(3)，给出了内壁面过渡的第二个移动模块完成后的示意图此时移动模块，A 2以及吸附在竖直壁面运动，移动模块C 4，移动模块D 5处于水平面上，移动模块B 3是要完成过渡的移动模块，由于各个模块的独立运动，在移动模块B 3接触竖直壁面的时候，将会产生向上运动的能力；同时，由于前一个状态改变了扭力弹簧B 604和扭力弹簧E 603的状态，也会给移动模块B 3一作用力矩，保证移动模块B 3在内壁面的顺利过渡。

内壁面过渡状态三(4)，给出了内壁面过渡的第三个移动模块完成后的示意图，此过程类似前面模块的过渡。

结合图5，爬壁机器人的外壁面过渡过程的工作示意图。初始状态(1)，以移动模块A 2为头部前行，此时爬壁机器人处于竖直的壁面上运动。

外壁面过渡状态一(2)，给出了外壁面过渡的第一个移动模块完成后的示意图，机器人处于由竖直壁面运动状态运动到具有外直角的水平壁面，此时移动模块A 2首先与所示的水平壁面接触，此时后面的移动模块B、C、D都还在继续运动，此时的扭力弹簧A 601给移动模块A 2一作用力矩，使移动模块A 2与水平壁面完全接触，完成外壁面过渡的第一个过程。

内壁面过渡状态二(3)，给出了外壁面过渡的第二个移动模块完成后的示意图，此时移动模块，A 2以及吸附在水平壁面运动，移动模块C 4，移动模块D 5处于竖直的壁面上，移动模块B 3是要完成过渡的移动模块，由于各个模块的独立运动，在移动模块B 3过渡时，由于前一个状态改变了扭力弹簧B 604和扭力弹簧E 603的状态，也会给移动模块B 3一作用力矩，使移动模块B 3与水平面完全接触，完成第二个移动模块的过渡。

外壁面过渡状态三(4)，给出了外壁面过渡的第三个移动模块完成后的示意图，此过程类似前面模块的过渡。

图4，图5中分别给了内壁面过渡时由水平到竖直壁面的过渡和外壁面过渡时由竖直壁面到水平壁面的过渡，在应用时，要满足内壁面的有竖直壁面到水平壁面或者外壁面有水平壁面到竖直壁面的过渡，由于本结构具有良好的对称性，只要调整移动模块的运动方向，就可实现由内外壁面之间的相互转换运动，从而达到三维空间壁面运动的目的。

Claims (1)

1.一种可实现三维壁面过渡的爬壁机器人运动机构，包括移动模块(1)、壁面过渡模块(6)、吸附模块(7)，其特征在于：所述移动模块(1)包括主动履带轮(101)、主动传动轴(102)、被动齿轮(103)、主动齿轮(104)、行走电机(105)、履带轮连接板A(106)、被动传动轴(107)、被动履带轮(108)、履带轮连接板B(109)，所述移动模块(1)中，所述行走电机(105)安装在所述履带轮连接板A(106)上，所述主动齿轮(104)与所述行走电机(105)的输出轴相连，所述主动齿轮(104)与所述被动齿轮(103)啮合，所述被动齿轮(103)与所述主动传动轴(102)相连，所述主动传动轴(102)与所述主动履带轮(101)连接，所述履带轮连接板A(106)通过所述主动传动轴(102)和所述被动传动轴(107)固定，位于有传动齿轮的一侧，所述履带轮连接板B(109)通过所述主动传动轴(102)和所述被动传动轴(107)固定，位于没有传动齿轮的一侧；

所述壁面过渡模块(6)包括小过渡杆A(602)、小过渡杆B(608)、大过渡杆(605)、扭力弹簧A(601)、扭力弹簧B(604)、扭力弹簧C(606)、扭力弹簧D(609)、扭力弹簧E(603)、扭力弹簧F(607)，所述大过渡杆(605)一端与所述小过渡杆A(602)通过所述扭力弹簧E(603)连接，所述大过渡杆(605)另一端与所述小过渡杆B(608)通过所述扭力弹簧F(607)连接；所述小过渡杆A(602)的一端通过所述扭力弹簧A(601)与所述移动模块A(2)相连，所述小过渡杆A(602)的另一端通过所述扭力弹簧B(604)与所述移动模块B(3)相连，所述小过渡杆B(608)的一端通过所述扭力弹簧C(606)与所述移动模块C(4)相连，所述小过渡杆B(608)的另一端通过所述扭力弹簧D(609)与所述移动模块D(5)相连；

所述吸附模块(7)包括履带(701)、橡胶磁条(702)，所述橡胶磁条(702)贴在所述履带(701)上。