CN106184452A - 一种四足式电磁吸附爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种四足式电磁吸附爬壁机器人，由底盘、行走腿部和足部吸附装置三部分组成。行走腿部包括连接在底盘上的多关节串联机构以及安装在各关节处的驱动机构，多关节串联机构的自由端连接有足部吸附装置；足部吸附装置包括多个通过被动球铰与多关节串联机构连接的磁盘安装板和电磁吸盘；机器人爬壁过程中，行走腿部各关节的旋转动作与足部电磁阀开关的开合状态协调实现机器人灵活攀爬平面、柱面以及任意曲率的球面，并能灵活实现转弯、横向移动等动作。本发明解决了常规爬壁机器人爬壁过程中的不足之处，很好地解决了壁面吸附和移动作业之间的矛盾，提高了爬壁机器人在实际工程应用中的柔性和适应性，有助于机器人技术的推广与普及。

Description

一种四足式电磁吸附爬壁机器人

技术领域

本发明属于行走机器人领域，具体涉及一种四足式电磁吸附爬壁机器人。

背景技术

当前，机器人技术在工程中的应用越来越广泛，普及程度也越来越高，但在某些领域机器人技术仍然处于初级阶段，应用程度不高。例如在大型压力容器设计制造与应用领域，压力球罐半径通常很大，但在应用中又需要经常进行初期制造时的焊接、焊缝质量检测、后期清洁和维护等工作。这些工作的完成目前仍采用传统的人工方式完成，而不能通过机器人技术完成，人工方法存在诸多不足，效率低下，劳动强度高且安全性差等。随着“中国制造2025”规划的提出，机器人技术受到越来越多的科研部门以及生产企业的关注，关于爬壁机器人的研究开发也成为一个热点课题。目前有关爬壁机器人的研发成果中，主要集中在对轮式以及履带式爬壁机器人的研究，吸附方式多采用真空吸附或磁吸附，以磁吸附方式为例，磁体可以是电磁体，也可以是永磁体，并且这些爬壁机器人应用一般集中于平面或半径较大的圆柱面，柔性较低，一般难以实现半径较小的球面等场合。

发明内容

本发明的目的在于提供一种四足式电磁吸附爬壁机器人，以克服现有技术中的问题，本发明很好地解决了壁面吸附和移动作业之间的矛盾，提高了爬壁机器人在实际工程应用中的柔性和适应性，有助于爬壁机器人技术的推广与普及。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种四足式电磁吸附爬壁机器人，包括底盘，底盘上连接有若干行走腿部，所述行走腿部包括连接在底盘上的多关节串联机构以及安装在各关节处的驱动机构，多关节串联机构的自由端连接有足部吸附装置。

进一步地，底盘包括上连接板和下连接板，且上连接板和下连接板通过侧板焊接而成，行走腿部连接在上连接板和下连接板之间。

进一步地，上连接板上固定有附加工装，附加工装上设有用于连接辅助设备的T型槽，且T型槽呈十字形布置。

进一步地，多关节串联机构包括连接在底盘上的第一主动关节，第一主动关节上连接有由其控制的第一连接臂，第一连接臂的自由端连接有第二主动关节，第二主动关节上连接有由其控制的第二连接臂，第二连接臂的自由端连接有第三主动关节，第三主动关节上连接有由其控制的第三连接臂，第三连接臂的自由端连接有足部吸附装置。

进一步地，第一主动关节通过第一驱动机构与底盘连接，第一驱动机构包括用于驱动第一主动关节的步进电机，步进电机的输出端通过一对轴承连接至关节轴，所述关节轴与第一连接臂通过键连接，所述步进电机通过端盖及连接法兰与底盘连接。

进一步地，端盖与底盘之间设有密封圈，且端盖及连接法兰通过紧定螺钉与底盘固定。

进一步地，第二主动关节通过第二驱动机构与第一连接臂和第二连接臂连接；第三主动关节通过第三驱动机构与第二连接臂和第三连接臂连接；第二驱动机构和第三驱动机构均为直驱电机。

进一步地，足部吸附装置包括通过被动球铰多关节串联机构的自由端连接的磁盘安装板，磁盘安装板底部通过紧固螺钉均匀安装有若干电磁吸盘。

进一步地，磁盘安装板底部均匀安装有三个电磁吸盘。

进一步地，底盘上均匀连接有四个行走腿部。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明集底盘、行走腿部、足部吸附装置于一体，使机器人可实现沿柱面或不同曲率曲面灵活攀爬行走。机器人的底盘支撑整个机器人装置及其负载，连接行走腿部并且放置控制器等电气设备，行走腿部的多关节串联机构的每个关节处安装驱动机构，控制腿部的不同位姿，使机器人能可靠吸附在壁面上并能实现灵活前进以及转弯等动作；本发明实现机器人灵活可靠地攀爬柱面或球面金属壁面，进而完成在金属壁面的检测、清洁等作业，根据工作要求，通过合理的轨迹规划与控制方法就可实现机器人整个爬壁过程，并能攀爬任意曲率的曲面壁面，克服了常规爬壁机器人只能比较单一地攀爬平面或半径较大柱面的缺点，很好地解决了壁面吸附和移动作业之间的矛盾，提高了爬壁机器人在实际工程应用中的柔性和适应性，有助于爬壁机器人技术的推广与普及。

进一步地，底盘上附加工装可安装其他机器人结构，拓展该爬壁机器人的功能。

进一步地，多关节串联机构三个主动关节，爬壁过程中调节多自由度串联机构的关节运动时可保持机器人底盘平稳，并能在爬壁过程中承担一定负载。

进一步地，每个足部吸附装置部位安装多个电磁吸盘，增强吸附能力和吸附可靠性，吸附装置与腿部通过球铰连接，可实现机器人动作灵活可靠。

进一步地，机器人在爬壁过程中是四个多关节行走腿部协调动作的，机器人共十二个关节，但在每一步动作中只需控制一个行走腿部的三个关节的复合运动，即控制数量少的关节就可实现该机器人多个关节的配合动作，降低了控制难度并提高了机器人的柔性。

附图说明

图1是本发明四足式电磁吸附爬壁机器人整体结构的立体示意图；

图2是本发明中机器人多关节腿部结构示意图；

图3是图2多关节腿部中第一主动关节处的立体结构分解图；

图4是本发明中足部吸附装置的立体结构示意图。

其中，1为底盘，2为附加工装，3为行走腿部，4为足部吸附装置，5为安装螺纹孔，6为T型槽，7为第一主动关节，8为第二主动关节，9为直驱电机，10为第三主动关节，11为步进电机，12为轴承，13为关节轴，14为紧定螺钉，15为密封圈，16为连接法兰，17为端盖，18为磁盘安装板，19为紧固螺钉，20为被动球铰，21为电磁吸盘。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1至图4，一种四足式电磁吸附爬壁机器人，包括底盘1、行走腿部3、附加工装2和足部吸附装置4；机器人底盘1由上连接板、下连接板和附加工装2组成，底盘采用轻质金属合金材料，减轻了机器人自重，在底盘上设计附加工装2，用于拓展该爬壁机器人的功能；行走腿部3包括与底盘1连接的多关节串联机构和安装在各关节处的若干驱动机构；足部吸附装置4包括通过被动球铰20与多关节串联机构连接的磁盘安装板18和电磁吸盘21，实现脚部行走时动作，多个电磁吸盘21呈几何形状布局，增大了爬壁机器人与墙壁的吸附力和可靠性，足部吸附装置4通过球铰与行走腿部3连接，可实现足部灵活转动，以调节足部与壁面的合适接触角度，电磁吸盘21的吸合与多关节腿部的协调动作实现机器人的爬壁行走功能，所述机器人底盘1与多自由度串联机构形式的行走腿部3以及足部吸附装置4组合成为一个四足式爬壁运动平台，爬壁过程中调节多自由度串联机构的关节运动时可保持机器人底盘平稳，并能在爬壁过程中承担一定负载。

机器人行走腿部设计为多关节机械臂组合形式，四个腿部与机器人底盘1组合成为并联机器人。通过控制串联机构的动作而实现四足式电磁吸附爬壁机器人串并联机构的复合运动，即实现控制简单的关节运动而实现串并联爬壁机器人的复杂运动，关节分别为第一主动关节7、第二主动关节8、第三主动关节10，实现机器人行走动作，采用步进电机11或直驱电机9驱动每个关节的运动，进行合理的轨迹规划，腿部的每个关节与电磁吸盘21的吸合协调动作，可实现机器人灵活攀爬柱面或者任意曲率的球面型金属壁面，机器人在爬壁过程中是四个多关节行走腿部协调动作的，机器人共十二个关节，但在每一步动作中只需控制一个行走腿部的三个关节的复合运动，即控制数量少的关节就可实现该机器人多个关节的配合动作，完成机器人前进动作，多关节与球铰结构形式易于调节腿部和足部的姿态，以适应机器人在不同壁面吸附，降低了控制难度并提高了机器人的柔性。

下面对本发明的操作过程做详细描述：

本发明由底盘1、行走腿部3和足部吸附装置4三部分组成，底盘1由通过侧板焊接而成的上连接板和下连接板组成，在底盘1上设计有一套附加工装2，可以安装机械手等其他装置，拓展爬壁机器人的功能；行走腿部3包括：第一主动关节7、第二主动关节8、第三主动关节10，直驱电机9以及由各关节连接的机械臂等；其中，第一主动关节7处结构依次为步进电机11、轴承12、关节轴13、轴承12、密封圈15、端盖17、紧定螺钉14、连接法兰16；足部吸附装置4包括电磁吸盘21、磁盘安装板18、紧固螺钉19、被动球铰20。行走腿部3呈四边形排列，分布在机器人底盘1的四角，作为机器人前进的四条腿，结构设计为多关节机械臂型式，行走腿部3与机器人底盘1通过第一主动关节7连接，通过各关节处的步进电机11或直驱电机9提供驱动动力，各关节的旋转运动，带动腿部实现各部分的摆动、旋转等动作，四个腿部配合动作完成机器人行走、转弯等动作；第一主动关节7处步进电机11通过连接关节轴13、轴承12、密封圈15、端盖17、连接法兰16等部件，可实现关节灵活转动，且位置可控；足部吸附装置4安装在每个行走腿部3的底部，每个足部由多个电磁吸盘21呈几何形状布局形成，安装在磁盘连接板18上，使用多个电磁吸盘21增加了与壁面的吸附力，增大爬壁机器人的负载能力；磁盘安装板18与行走腿部3通过一个被动球铰20连接，保证足部可以灵活转动，以调节足部与壁面的合适接触角度；爬壁过程中，控制各个电机的转动，配合电磁吸盘21的吸合状态，实现机器人在金属壁面上的附着、前进、转弯等动作，进而完成各项检测、清洁等工作任务。

如图1所示，底盘1上方设计一套附加工装2，便于安装其他机械手等结构，使机器人在爬壁过程中完成既定的工作任务；在底盘1的四个角安装机器人行走腿部3，行走腿部3连接足部吸附装置4构成机器人整体架构。

如图2所示，行走腿部3的第一主动关节7与机器人底盘1连接，第一主动关节7的旋转动作可实现整个行走腿部3和足部整体圆周转动，在机器人爬壁过程中，第一主动关节7是主要的调节部位，第二主动关节8和第三主动关节10分别带动各自连接臂的旋转、抬升等动作，协调机器人按照既定轨迹爬行。

如图3所示，第一主动关节7处的组成分别为步进电机11、轴承12、关节轴13、轴承12、密封圈15、端盖17、紧定螺钉14、连接法兰16。其中关节轴13与行走腿部3通过键连接，连接法兰16一端设计螺纹轴，与关节轴13的螺纹孔配合。

如图4所示，足部吸附装置4包括电磁吸盘21、磁盘安装板18、被动球铰20，电磁吸盘21与磁盘安装板18由紧固螺钉19紧固连接，磁盘安装板18与行走腿部3通过被动球铰20连接。

机器人爬壁前进过程中，每个行走腿部3和足部吸附装置4的动作过程为：一、机器人各关节腿部回到初始动作状态，由系统控制闭合每个电磁阀开关，每个电磁吸盘21产生磁性，将机器人整体放置在壁面上，由电磁吸盘21的吸力将机器人整体吸附在壁面上；二、系统控制左前足部电磁阀开关断开，电磁吸盘21磁性消失，控制驱动第三主动关节10处直驱电机9，使该关节旋转一定角度，该关节以下腿部和足部吸附装置4抬起一定高度；三、控制第一主动关节7和第二主动关节8处步进电机11和直驱电机9，使两关节各旋转一定角度，行走腿部3伸长一定距离，整个行走腿部3和足部顺时针转动一定角度；四、驱动第三主动关节10处直驱电机9，恢复足部到初始状态，闭合电磁阀，足部吸附在壁面上，足部被动球铰20关节结构调节足部寻求合适的附着面，这样行走腿部一个前进动作结束；五、整个机器人的前进过程是由四个行走腿部3及每个足部吸附装置4中电磁吸盘21协调动作完成，按照既定的轨迹规划前进，完成爬壁过程中前进、转弯动作。

机器人爬壁前进过程中的转弯、横向移动等动作实现原理与上述工作原理相似，区别在于每个关节动作的先后顺序和电磁阀开关的开合的控制顺序，工作原理不在此详述。

Claims (10)

1.一种四足式电磁吸附爬壁机器人，其特征在于，包括底盘(1)，底盘(1)上连接有若干行走腿部(3)，所述行走腿部(3)包括连接在底盘(1)上的多关节串联机构以及安装在各关节处的驱动机构，多关节串联机构的自由端连接有足部吸附装置(4)。

2.根据权利要求1所述的一种四足式电磁吸附爬壁机器人，其特征在于，底盘(1)包括上连接板和下连接板，且上连接板和下连接板通过侧板焊接而成，行走腿部(3)连接在上连接板和下连接板之间。

3.根据权利要求2所述的一种四足式电磁吸附爬壁机器人，其特征在于，上连接板上固定有附加工装(2)，附加工装(2)上设有用于连接辅助设备的T型槽(6)，且T型槽(6)呈十字形布置。

4.根据权利要求1所述的一种四足式电磁吸附爬壁机器人，其特征在于，多关节串联机构包括连接在底盘(1)上的第一主动关节(7)，第一主动关节(7)上连接有由其控制的第一连接臂，第一连接臂的自由端连接有第二主动关节(8)，第二主动关节(8)上连接有由其控制的第二连接臂，第二连接臂的自由端连接有第三主动关节(10)，第三主动关节(10)上连接有由其控制的第三连接臂，第三连接臂的自由端连接有足部吸附装置(4)。

5.根据权利要求4所述的一种四足式电磁吸附爬壁机器人，其特征在于，第一主动关节(7)通过第一驱动机构与底盘(1)连接，第一驱动机构包括用于驱动第一主动关节(7)的步进电机(11)，步进电机(11)的输出端通过一对轴承(12)连接至关节轴(13)，所述关节轴(13)与第一连接臂通过键连接，所述步进电机(11)通过端盖(17)及连接法兰(16)与底盘(1)连接。

6.根据权利要求5所述的一种四足式电磁吸附爬壁机器人，其特征在于，端盖(17)与底盘(1)之间设有密封圈(15)，且端盖(17)及连接法兰(16)通过紧定螺钉(14)与底盘(1)固定。

7.根据权利要求4所述的一种四足式电磁吸附爬壁机器人，其特征在于，第二主动关节(8)通过第二驱动机构与第一连接臂和第二连接臂连接；第三主动关节(10)通过第三驱动机构与第二连接臂和第三连接臂连接；第二驱动机构和第三驱动机构均为直驱电机(9)。

8.根据权利要求1所述的一种四足式电磁吸附爬壁机器人，其特征在于，足部吸附装置(4)包括通过被动球铰(20)多关节串联机构的自由端连接的磁盘安装板(18)，磁盘安装板(18)底部通过紧固螺钉(19)均匀安装有若干电磁吸盘(21)。

9.根据权利要求8所述的一种四足式电磁吸附爬壁机器人，其特征在于，磁盘安装板(18)底部均匀安装有三个电磁吸盘(21)。

10.根据权利要求1所述的一种四足式电磁吸附爬壁机器人，其特征在于，底盘(1)上均匀连接有四个行走腿部(3)。