CN106828648B - 一种越障爬壁机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明属于攀爬机器人设备领域，具体涉及一种越障爬壁机器人，该机器人为分体式结构，从左至右依次为左车体、左机械臂、中车体、右机械臂和右车体，车体和机械臂之间铰接，所述左机械臂和右机械臂方向相反且均能够绕铰接轴转动，从而带动所述中车体转动，所述左车体包括依次设置在车体上的左双向轮、电机和负压装置，所述右车体上的结构设置与左车体呈左右对称设置，所述中车体的车体上设置有负压装置。本发明的机器人利用车体上负压腔吸附在墙面上，利用创新设计的双向轮实现双向行走，同时利用三自由度的机械臂实现机器人的换面，即可实现车体在内外垂直面上的换面运动以及翻越如窗框一类的障碍物，从而实现复杂的攀爬功能。
Description
技术领域
本发明属于攀爬机器人设备领域，更具体地，涉及一种越障爬壁机器人，其能够实现墙壁和窗框的越障功能。
背景技术
随着城市的发展，越来越多的高楼林立，攀爬机器人逐渐为人们所需，目前市场上已经存在的攀爬机器人大多只能实现普通平坦墙面的行走，市场上并没有可以实现内垂直和外垂直面越障功能的机器人。
由于存在上述缺陷和不足，本领域亟需做出进一步的完善和改进，设计一种可以爬壁和窗框的越障爬壁机器人，使其能够多方向行走且能翻越内外九十度的墙面，以便各个攀爬领域的使用需要。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种越障爬壁机器人，该越障攀爬机器人在现有的爬墙基础上，利用车体上负压腔吸附在墙面上，利用创新设计的双向轮实现双向行走，同时利用三自由度的机械臂实现机器人的换面，即可实现车体在内外垂直面上的换面运动以及翻越如窗框一类的障碍物，从而实现复杂的攀爬功能。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种越障爬壁机器人，其特征在于，该装置为分体式结构，其包括左车体、中车体和右车体，
其中，所述左车体与中车体之间设置有左机械臂，所述右车体与中车体之间设置有右机械臂，车体和机械臂之间铰接，所述左机械臂和右机械臂方向相反且均能够绕铰接轴转动，从而带动车体翻转，
所述左车体包括依次设置在车体上的左双向轮、电机和负压装置，所述右车体上的结构设置与左车体呈左右对称设置，所述右车体包括依次设置在车体上的右双向轮、电机和负压装置，所述电机驱动所述左右双向轮实现机器人的多方向运动，所述中车体的车体上设置有负压装置。
进一步优选地，所述左机械臂和右机械臂为结构相同的机械臂，上述机械臂包括左右安装架，所述左右安装架之间依次同轴安装有驱动齿轮、两块同步带轮机械臂的一端和带动臂的一端，所述两块同步带轮机械臂之间还设置有同步带轮，该同步带轮由被动齿轮同轴驱动，所述被动齿轮与安装在左安装架上的驱动齿轮啮合，所述同步带轮机械臂和带动臂呈对称结构，其远离左右安装架的一端可绕安装轴转动。较多的比较试验表明，该机械臂的结构设置，使其具有三个自由度，能够实现机械臂在前进过程中的摆动转面，从而带动整个车体的转面，可以越过内外九十度的障碍物。
优选地，所述机械臂的转动角度范围为0～180°，且该机械臂采用尼龙板材质。采用大角度的转动范围，能够适应不同障碍物的角度，实现车体的顺利转面。而机械臂采用尼龙板材质，降低无润滑状况下的关节摩擦力。
优选地，所述负压装置包括底板、设置在底板上的风机和用于固定风机的风机支撑架，所述底板中间有一孔洞，该底板下方设置有密封条，该密封条设置在孔洞周围，从而密封条与底板之间形成负压腔。较多的比较试验表明，采用风机来形成负压腔，利用负压腔实现机器在竖直墙面上稳定的吸附。
优选地，所述固定风机采用220V三相双极风机，所述密封条为光滑的塑料硬膜、或为塑料硬膜与多毛密封条的组合。较多的比较试验表明，采用220V三相双极风机作为负压强的抽气装置，能够提高负压腔的真空度，防止车体侧翻。而采用光滑的塑料硬膜，或塑料硬膜与多毛密封条的组合作为负压腔的密封结构，能够减少泄漏气流，提高真空度，增强机器在墙面上行走的稳定性。
优选地，所述左右双向轮结构相同，均包括侧轮毂、胶轮对、安装架和中间齿轮传动机构，所述侧轮毂的周向上均匀设置有多个安装架，在每个安装架上均可转动地安装有一胶轮对，所述胶轮对相对设置在安装架的两侧，相邻安装架上的胶轮对错开设置，且每组胶轮对的底部均与安装架中的中间齿轮传动机构连接，通过中间齿轮传动机构带动胶轮对运动。采用该结构的双向轮可以尽可能少地使用电机驱动控制，实现只用两台电机驱动双向轮实现双向运动,具有良好的行走效果，能灵活自由地向径向或轴向移动。
优选地，中间齿轮传动机构包括第一斜齿轮、第二斜齿轮和主斜齿，所述第一斜齿轮与第二斜齿轮均安装在安装架上且相互啮合,所述第一斜齿轮带动胶轮对转动，所述第二斜齿轮与主斜齿啮合。利用创新设计的双向轮实现机器的任意方向的运动。
优选地，所述胶轮对为PU聚氨酯材质，第一斜齿轮、第二斜齿轮和主斜齿均选用7075铝材质，车体采用碳纤维材质。车体采用碳纤维材质，减轻车体重量，增加车体强度。齿轮选用7075铝材质，减小磨损，增加耐用度。双向轮轮胎为PU聚氨酯材质，增强在湿滑玻璃表面的摩擦，减小打滑的几率。
优选地，该机器人还包括供电模块、直流减速电机模块、电机转速反馈模块、MCU处理模块、通信模块、图像采集模块和上位机，来实现对机器人的控制。采用STM32最小系统板，实现最小成本的电气控制自动化。采用NRF2L401作为无线通信模块，小成本地实现通讯距离远，传输速率快。采用USB-NRF24L01，方便上位机获取图像及车辆运行参数，并实现车的实时控制。
该机器人还包括基础车架来承载左车体、中车体和右车体，以实现越障爬壁机器人的平稳运行。
具体地，本发明的越障爬壁机器人的工作原理和过程为：先确保各通道连接正常，合上主电源开关。将车体放在内九十度墙体的一面。打开三个负压腔的开关，使机器稳定的吸附在竖直墙面上，同时通过左双向轮和右双向轮在墙面上行走，当中车体前方的感应模块感应到前方的墙面时，左车体上的电机驱动所述驱动齿轮转动，进而带动驱动齿轮转动，再通过同步带轮传动，使得同步带轮机械臂和带动臂成一定的角度，进而使左车体与中车体的地面成九十度，右车体上的右双向轮成为整个车体运动的主驱动轮，车体向前行驶，是的左车体上的负压腔稳定吸附于与其行走平面垂直且呈90度角的墙面上，类似地，将右车体也吸附于竖直墙面上。最后通过左右机械臂使中车体经过翻转后稳定吸附于墙面上。至此，车体转面工作即已完成。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明的越障爬壁机器人在现有的爬墙基础上，利用车体上负压腔吸附在墙面上，利用创新设计的双向轮实现双向行走，同时利用三自由度的机械臂实现机器人的换面，即可实现车体在内外垂直面上的换面运动以及翻越如窗框一类的障碍物，从而实现复杂的攀爬功能。
(2)本发明的机器人通过采用负压装置，通过采用风机和密封条解决了机器人在越障过程中吸附力较低的问题，利用负压腔实现机器在竖直墙面上稳定的吸附。
(3)本发明的机器人设置可以转动的左右机械臂，通过机械臂的转动带动车体翻面，从而解决了一般机器人在内外九十度墙面难以转换的问题；
(4)本发明的机器人采用的左右双向轮通过设置在安装架上的数对胶轮对，通过两个轮子即可实现机器人多方向的行走，进而带动车体运动，尽可能少地使用电机驱动控制，实现只用两台电机驱动双向轮实现双向运动,解决了传统的两轮多方向行走问题，具有良好的行走效果，且简化了机器人的结构和重量，降低了制造成本。
(5)本发明的越障爬壁机器人可以使机器通过上位机实时反馈工作状况，实现对机器的实时控制；还可以搭载多种任务模块，实现一机多用。该机器人还具有体积小巧、越障功能强大、成本低廉、易加工制造等优点，适合大规模推广使用。
附图说明
图1是本发明的越障爬壁机器人的整体结构示意图；
图2是本发明的越障爬壁机器人的负压装置的结构示意图；
图3是本发明的越障爬壁机器人的双向轮的结构示意图；
图4是双向轮中的中间齿轮传动机构的结构示意图；
图5是本发明的越障爬壁机器人的机械臂的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
11-风机；12-风机支撑架；13-负压腔；14-密封条；15-底板；21-胶轮对；22-安装架；23-侧轮毂；3-中间齿轮传动机构；31-第一斜齿轮；32-第二斜齿轮；33-主斜齿；41-左安装架；42-驱动齿轮；43-被动齿轮；44-同步带轮机械臂；45-带动臂；46-右安装架；47-同步带轮；51-左车体；52-中车体；53-右车体；54-左双向轮；55-右双向轮；56-左机械臂；57-右机械臂；58-电机；59-负压装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是本发明的越障爬壁机器人的整体结构示意图，如图1所示，该机器人为分体式结构，其包括左车体51、中车体52和右车体53，
其中，所述左车体51与中车体52之间设置有左机械臂56，所述右车体53与中车体52之间设置有右机械臂57，车体和机械臂之间铰接，所述左机械臂56和右机械臂57方向相反且均能够绕铰接轴转动，从而带动车体翻转，
所述左车体51包括依次设置在车体上的左双向轮54、电机58和负压装置59，所述右车体53上的结构设置与左车体51呈左右对称设置，所述右车体53包括依次设置在车体上的右双向轮55、电机58和负压装置59，所述电机58驱动所述左右双向轮实现机器人的多方向运动，所述中车体52的车体上设置有负压装置。
在本发明的一个优选实施例中，如图3所示，所述左机械臂56和右机械臂57为结构相同的机械臂，上述机械臂包括左右安装架，所述左右安装架之间依次同轴安装有驱动齿轮、两块同步带轮机械臂44的一端和带动臂45的一端，所述两块同步带轮机械臂44之间还设置有同步带轮47，该同步带轮47由被动齿轮43同轴驱动，所述被动齿轮43与安装在左安装架41上的驱动齿轮42啮合，所述同步带轮机械臂44和带动臂45呈对称结构，其远离左右安装架的一端可绕安装轴转动。在其他实施例中，所述机械臂的转动角度范围为0～180°，且该机械臂采用尼龙板材质。
在本发明的另一个优选实施例中，如图2所示，所述负压装置包括底板15、设置在底板上的风机11和用于固定风机11的风机支撑架12，所述底板15中间有一孔洞，该底板15下方设置有密封条14，该密封条14设置在孔洞周围，从而密封条与底板15之间形成负压腔。所述密封条14可以为光滑的塑料硬膜、或为塑料硬膜与多毛密封条的组合。
在本发明的一个优选实施例中，如图4所示，所述左右双向轮结构相同，均包括侧轮毂23、胶轮对21、安装架22和中间齿轮传动机构3，所述侧轮毂23的周向上均匀设置有多个安装架22，在每个安装架22上均可转动地安装有一胶轮对21，所述胶轮对21相对设置在安装架22的两侧，相邻安装架22上的胶轮对21错开设置，且每组胶轮对21的底部均与安装架中的中间齿轮传动机构3连接，通过中间齿轮传动机构3带动胶轮对21运动。
在本发明的另一个优选实施例中，如图5所示，中间齿轮传动机构3包括第一斜齿轮31、第二斜齿轮32和主斜齿33，所述第一斜齿轮31与第二斜齿轮32均安装在安装架22上且相互啮合,所述第一斜齿轮32带动胶轮对21转动，所述第二斜齿轮32与主斜齿33啮合。
在本发明的另一个优选实施例中，所述胶轮对21为PU聚氨酯材质，第一斜齿轮32、第二斜齿轮32和主斜齿33均选用7075铝材质，车体采用碳纤维材质。
在本发明的另一个优选实施例中，该机器人还包括供电模块、直流减速电机模块、电机转速反馈模块、MCU处理模块、通信模块、图像采集模块和上位机，来实现对机器人的控制。可以理解，在具体的实施例中，系统板可以采用STM32最小系统板，无线通信模块可采用NRF2L401作为无线通信模块，图像采集模块可采用USB-NRF24L01。
该机器人还包括基础车架来承载左车体51、中车体52和右车体53，以实现越障爬壁机器人的平稳运行。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种越障爬壁机器人，其特征在于，该机器人为分体式结构，其包括左车体(51)、中车体(52)和右车体(53)，
其中，所述左车体(51)与中车体(52)之间设置有左机械臂(56)，所述右车体(53)与中车体(52)之间设置有右机械臂(57)，车体和机械臂之间铰接，所述左机械臂(56)和右机械臂(57)方向相反且均能够绕铰接轴转动，从而带动车体翻转，
所述左车体(51)包括依次设置在车体上的左双向轮(54)、电机(58)和负压装置(59)，所述右车体(53)上的结构设置与左车体(51)呈左右对称设置，所述右车体(53)包括依次设置在车体上的右双向轮(55)、电机(58)和负压装置(59)，所述电机(58)驱动所述左双向轮(54)和右双向轮(55)实现机器人的多方向运动，所述中车体(52)的车体上设置有负压装置。
2.如权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述左机械臂(56)和右机械臂(57)为结构相同的机械臂，上述机械臂包括左安装架(41)和右安装架(46)，所述左安装架和右安装架之间依次同轴安装有驱动齿轮、两块同步带轮机械臂(44)的一端和带动臂(45)的一端，所述两块同步带轮机械臂(44)之间还设置有同步带轮(47)，该同步带轮(47)由被动齿轮(43)同轴驱动，所述被动齿轮(43)与安装在左安装架(41)上的驱动齿轮(42)啮合，所述同步带轮机械臂(44)和带动臂(45)呈对称结构，其远离左右安装架(41,46)的一端可绕安装轴转动。
3.如权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述机械臂的转动角度范围为0～180°，且该机械臂采用尼龙板材质。
4.如权利要求3所述的机器人，其特征在于，所述负压装置包括底板(15)、设置在底板上的风机(11)和用于固定风机(11)的风机支撑架(12)，所述底板(15)中间有一孔洞，该底板(15)下方设置有密封条(14)，该密封条(14)设置在孔洞周围，从而密封条与底板(15)之间形成负压腔。
5.如权利要求4所述的机器人，其特征在于，所述密封条(14)为光滑的塑料硬膜、或为塑料硬膜与多毛密封条的组合。
6.如权利要求5所述的机器人，其特征在于，所述左双向轮和右双向轮结构相同，均包括侧轮毂(23)、胶轮对(21)、安装架(22)和中间齿轮传动机构(3)，所述侧轮毂(23)的周向上均匀设置有多个安装架(22)，在每个安装架(22)上均可转动地安装有一胶轮对(21)，所述胶轮对(21)相对设置在安装架(22)的两侧，相邻安装架(22)上的胶轮对(21)错开设置，且每组胶轮对(21)的底部均与安装架中的中间齿轮传动机构(3)连接，通过中间齿轮传动机构(3)带动胶轮对(21)运动。
7.如权利要求6所述的机器人，其特征在于，中间齿轮传动机构(3)包括第一斜齿轮(31)、第二斜齿轮(32)和主斜齿(33)，所述第一斜齿轮(31)与第二斜齿轮(32)均安装在安装架(22)上且相互啮合,所述第一斜齿轮(31)带动胶轮对(21)转动，所述第二斜齿轮(32)与主斜齿(33)啮合。
8.如权利要求7所述的机器人，其特征在于，所述胶轮对(21)为PU聚氨酯材质，第一斜齿轮(31)、第二斜齿轮(32)和主斜齿(33)均选用7075铝材质，车体采用碳纤维材质。
9.如权利要求8所述的机器人，其特征在于，该机器人还包括供电模块、直流减速电机模块、电机转速反馈模块、MCU处理模块、通信模块、图像采集模块和上位机，来实现机器人的控制。
10.如权利要求9所述的机器人，其特征在于，所述MCU处理模块采用STM32最小系统板，所述通信模块采用NRF2L401作为无线通信模块，所述图像采集模块采用USB-NRF24L01。
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Legal Events
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20181130 Termination date: 20200116 |