CN106864620A - 一种全向轮组合式墙面攀爬机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明保护一种全向轮组合式墙面攀爬机器人,包括攀爬机构和吸附机构。攀爬机构包括攀爬全向轮、驱动装置I和夹臂I,驱动装置I固定在夹臂I末端,攀爬全向轮安装在驱动装置I上,其中心轮轴轴心线与其夹臂I的两臂形成的平面平行。吸附机构包括吸附全向轮、驱动装置II、夹臂II,驱动装置II固定在夹臂末端,吸附全向轮安装在驱动装置II上,吸附全向轮的中心轮轴轴心线与其夹臂II的两臂形成的平面垂直。攀爬机构和吸附机构以夹臂I和夹臂II同向且上下平行的位置关系通过连接件刚性连接成一整体,构成完整的全向轮组合式攀爬机构。本发明结构简单,控制方便,能够实现在建筑物外墙角、树干的曲面等等非垂面攀爬。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域,具体是涉及移动机器人的行走机构。
背景技术
爬墙机器人是帮助人们完场高处作业的有力助手,比如大厦外墙角的清洗、船舶检测、航天舱外维修等等情况,或者在反恐、救援、首脑保卫、特种侦察等公共和国家安全领域以及狭小空间检测等在特殊环境下,都需要用到爬墙机器人。
对于爬墙机器人,在技术上主要需要解决两个关键问题:吸附和攀爬。目前,爬墙机器人主要有真空吸附、磁吸附和攀援式吸附三种吸附形式,真空吸附方式具有不受壁面材料限制的优点,但当壁面凸凹不平时,容易使吸盘漏气,从而使吸附力和承载能力明显下降。磁吸附法可分为电磁体和永磁体两种,但要求壁面必须是导磁材料,因此严重地限制了爬壁机器人的应用环境。攀援式吸附是通过抓住或勾住壁面的突起实现爬壁,这种方式要求壁面粗糙,对于光滑平面则不合适。
发明内容
本发明针对现有的爬墙机器人主要集中在垂直墙面的吸附功能的研究,磁吸附对墙面有特殊要求,适用范围小,真空吸附需要大功率产生负压,仿生壁虎脚行走效率低等问题,提出一种结构简单,控制方便,能够在建筑物外墙角、树干的曲面等等非垂面攀爬的全向轮组合式墙面攀爬机器人。
本发明是通过如下技术方案予以实现的。
一种全向轮组合式墙面攀爬机器人,包括攀爬机构和吸附机构。
所述攀爬机构包括攀爬全向轮、驱动装置I和夹臂I,驱动装置I固定在夹臂I的末端,攀爬全向轮安装在驱动装置I上,由驱动装置驱动,攀爬全向轮的中心轮轴轴心线与其夹臂I的两臂形成的平面平行。
所述吸附机构包括吸附全向轮、驱动装置II、夹臂II,驱动装置II固定在夹臂的末端,吸附全向轮安装在驱动装置II上,由驱动装置驱动,吸附全向轮的中心轮轴轴心线与其夹臂II的两臂形成的平面垂直。
所述攀爬机构的攀爬全向轮、驱动装置I、夹臂I与所述吸附机构的吸附全向轮、驱动装置II、夹臂II的结构相同。
所述攀爬机构和吸附机构以夹臂I和夹臂II同向且上下平行的位置关系通过连接件刚性连接成一整体,构成完整的全向轮组合式攀爬机构。
所述全向轮组合式攀爬机构通过夹臂的张紧力的分力垂直指向墙内造成对墙面的压力,吸附全向轮与攀爬全向轮对墙面挤压形成竖直向上的摩擦力,竖直向上的摩擦力与重力抵消,当吸附全向轮转动时产生平行墙面的摩擦力抵消夹臂张紧力的另一个分力,迫使机构贴紧墙面,不让夹臂后退,实现吸附。通过调节电机的扭矩和转速,当控制∑(Ffx,Ff,Fmg)≥0时,实现机器人向上攀爬,当控制∑(Ffx,Ff,Fmg)≤0时,可实现机器人悬停,当控制∑(Ffx,Ff,Fmg)≤0时,实现机器人向下移动;所述Ffx是攀爬全向轮转动时与墙面产生竖直方向的摩擦力。Ff是吸附全向轮受到来自张紧力垂直指向墙内造成对墙面的压力时与墙面产生的摩擦力,Fmg是全向轮组合式攀爬机构的重力。
进一步,所述攀爬机构设置两套,分别都过连接件刚性连接在吸附机构的上下。
进一步,所述夹臂I包括弹性件I和两个臂I,弹性件I连接在两个臂I之间,形成一个类似夹子的结构。所述夹臂II包括弹性件II和两个臂II,弹性件II连接在两个臂II之间,形成一个类似夹子的结构。
进一步,所述驱动装置I和II为电机,电机轴连接全向轮的中心轮轴。
进一步,连接攀爬机构和吸附机构的连接件包括侧板和支架,侧板连接在两者夹臂中间的部位,支架连接在两者夹臂的末端部位。
本发明的技术要点如下:
1.吸附全向轮在夹臂的作用下对墙面造成压力,能够使得机构与墙面产生向上的摩擦力来为维持和重力的平衡,解决机构的悬停问题。
2.吸附全向轮转动时产生的摩擦阻力fe与弹簧张紧力平行与墙面的分力平衡时候,则可解决夹臂弹出墙面的问题。
3.攀爬全向轮在夹臂压力的作用下对墙面造成压力,不仅能够使得机构与墙面产生向上的摩擦力来为维持和重力的平衡,还能提供向上的摩擦力,使得机构向上攀爬。
4.机构的悬停和下落和上升是通过调控电机的扭矩和转速实现的,攀爬全向轮和吸附全向轮的转动方向始终不变。
与现有的技术相比,本发明结构简单轻巧,控制方便,并且可以在非竖直平面上运动,能够利用大部分建筑物都有外墙角的特性实现向上攀爬。并且机构完成吸附平衡后,攀爬速度也较快。本发明不仅可靠性也高于大部分传统吸附技术而且适用范围广。对大部分外墙角或者非壁面墙面都可适用,能够完成特殊情形任务,如搭载不同的传感器后可实现各种高空作业。
附图说明
图1是本发明的攀爬结构示意图;
图2是本发明的吸附结构示意图;
图3是本发明的一个具体实例整体结构示意图;
图4是吸附结构受力分析图;
图5是简化后的攀爬结构受力分析图;
图6本发明的另一个具体实例整体结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加的清楚明白,以下结合附图和实施例本发明的基本原理、结构及行走方法做详细说明,应当理解,此处所描述的具体实例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明要求保护的范围。
全向轮组合式墙面攀爬机器人主要由如图1所示的攀爬机构和如图2所示的吸附机构刚性连接而成。
如图1所示,攀爬机构(1)主要包括攀爬全向轮(11)、驱动装置I(12)、弹性件I(13)、臂I(14)。弹性件I(13)是一个拉簧结构,连接在两个臂I(14)之间,固定后形成一个类似夹子的结构。驱动装置I(12)固定在夹臂的末端,攀爬全向轮(11)连接在驱动装置I(12)上,驱动攀爬全向轮。攀爬全向轮(11)的轮轴轴心线与其夹臂I的两臂形成的平面平行。
如图2所示,吸附机构主要包括吸附全向轮(2)、驱动装置II(22)、弹性件II(23)、臂II(24),它们的结构和连接关系与攀爬机构(1)一样,不同之处是吸附全向轮(21)的安装位置不同,吸附全向轮(21)的中心轮轴轴心线与其夹臂I的两臂形成的平面垂直。
将攀爬机构(1)和吸附机构(2)以夹臂I和夹臂II同向且上下平行的位置关系通过连接件连接为一体,连接件包括侧板(3)和支架(4),侧板连接在两者的夹臂末端之间,支架连接在两者的夹臂铰接端之间,就形成如图3所示的全向轮组合式攀爬机构,为了便于说明,图中仅给出与本发明相关的部分。
将机构可以看成一个整体,夹臂的张紧力可以看成水平面的两个分力Fk1和Fk2。Fk1为张紧力垂直指向墙内造成对墙面的压力,Fk2为张紧力平行于墙面指向墙角外的分力。全向轮与行动轮对墙面挤压形成竖直向上的摩擦力,竖直向上的摩擦力与重力抵消,当全向轮转动时又会产生平行墙面的摩擦力抵消夹臂张紧力的另一个分力,迫使机构贴紧墙面,不让夹臂后退。当机构整体竖直方向上的摩擦力和重力平衡时候,则可以通过调节控制行动轮电机的扭矩和转速来使得机构上升,下降和悬停。
具体地,全向轮组合式墙面攀爬机器人的攀爬方法可以拆分为两个方面:吸附和攀爬。吸附主要依赖于图2的吸附机构完成。受力分析如图4,当夹臂分开后,夹臂受弹簧拉力作用会产生张紧力Fk指向墙内。夹臂的张紧力可以看成水平面的两个分力Fk1和Fk2。Fk1为张紧力垂直指向墙内造成对墙面的压力,Fk2为张紧力平行于墙面指向墙角外的分力。此时吸附全向轮受到来自Fk1的压力会与墙面产生摩擦力Ff。而Ff=μ×Fk1,(μ为吸附全向轮与墙面的摩擦力系数)。当整个机构重力Fmg≥Ff时,会使得机构不往下滑。当吸附全向轮转动时又会产生摩擦力fe,当fe≥Fk2,则使得夹臂不会弹离墙面。综上,重力与由夹臂夹张力分力Fk1产生的摩擦力Ff抵消,由夹臂夹张力产生的分力Fk2又小于吸附全向轮转动产生的摩擦力fe使得夹臂不会外弹。
图2的结构能够使得机构吸附在墙面上,攀爬主要依赖于图1的攀爬机构完成。机构上下夹臂通过侧板刚性连接,所以机构的吸附全向轮主要解决了吸附平衡问题后,攀爬全向轮的受力分析就类似平地行驶车轮受到运动方向的摩擦力,因此整个机构的攀爬全向轮轮受力分析可以简化为如图5。当∑(Ffx,Ff,Fmg)≥0时可实现整个机构向上攀爬,当∑(Ffx,Ff,Fmg)=0时可实现机构悬停,当Σ(Ffx,Ff,Fmg)≤0时可实现整个机构向下移动。通过调节电机的扭矩和转速则可实现对Σ(Ffx,Ff,Fmg)大小的控制。
图6给出了本发明提供的另一种全向轮组合式攀爬机构,为了便于说明,图中也仅给出与本发明相关的部分。这种机构在图3的基础上又加了一组吸附机构,即中间是一组攀爬机构,上下各连接一组吸附机构。其攀爬方法与图3所示的机构一样。
本发明采用的全向轮包括轮毂和从动轮,该轮毂的外圆周处均匀开设有3个或3个以上的轮毂齿,每两个轮毂齿之间装设有一从动轮,该从动轮的径向方向与轮毂外圆周的切线方向垂直。全向轮在平地转动时,不仅能实现前进后退方向上的转动,还能朝着左右方向移动。
本发明实施例提供的攀爬非壁面的方法,结构简单,体积小、重量轻,控制简单并且容易实现,主要巧妙利用机构结构使得全向轮和行动轮与墙面的摩擦力有利于机构吸附在非壁面,适用于绝大多数非壁面爬行。
Claims (5)
1.一种全向轮组合式墙面攀爬机器人,包括攀爬机构和吸附机构;其特征在于,
攀爬机构(1)包括攀爬全向轮(11)、驱动装置I(12)和夹臂I,驱动装置I(12)固定在夹臂I的末端,攀爬全向轮(11)安装在驱动装置I(12)上,由驱动装置驱动,攀爬全向轮(11)的中心轮轴轴心线与其夹臂I的两臂形成的平面平行;
所述吸附机构(2)包括吸附全向轮(21)、驱动装置II(22)、夹臂II,驱动装置II(22)固定在夹臂的末端,吸附全向轮(21)安装在驱动装置II(22)上,由驱动装置驱动,吸附全向轮(21)的中心轮轴轴心线与其夹臂II的两臂形成的平面垂直;
所述攀爬机构(1)的攀爬全向轮(11)、驱动装置I(12)、夹臂I与所述吸附机构(2)的吸附全向轮(21)、驱动装置II(22)、夹臂II的结构相同;
所述攀爬机构(1)和吸附机构(2)以夹臂I和夹臂II同向且上下平行的位置关系通过连接件刚性连接成一整体,构成完整的全向轮组合式攀爬机构;
所述全向轮组合式攀爬机构通过夹臂的张紧力的分力垂直指向墙内造成对墙面的压力,吸附全向轮与攀爬全向轮对墙面挤压形成竖直向上的摩擦力,竖直向上的摩擦力与重力抵消,当吸附全向轮转动时产生平行墙面的摩擦力抵消夹臂张紧力的另一个分力,迫使机构贴紧墙面,不让夹臂后退,通过调节电机的扭矩和转速,当控制∑(Ffx,Ff,Fmg)≥0时,实现机构向上攀爬,当控制∑(Ffx,Ff,Fmg)≤0时,可实现机构悬停,当控制∑(Ffx,Ff,Fmg)≤0时,实现机构向下移动;所述Ffx是攀爬全向轮转动时与墙面产生竖直方向的摩擦力,Ff是吸附全向轮受到来自张紧力垂直指向墙内造成对墙面的压力时与墙面产生的摩擦力,Fmg是全向轮组合式攀爬机构的重力。
2.根据权利要求1所述的全向轮组合式墙面攀爬机器人,其特征在于,所述攀爬机构(1)设置两套,分别都过连接件刚性连接在吸附机构(2)的上下。
3.根据权利要求1或2所述的全向轮组合式墙面攀爬机器人,其特征在于,所述夹臂I包括弹性件I(13)和两个臂I(14),弹性件I(13)连接在两个臂I(14)之间,形成一个类似夹子的结构;
所述夹臂II包括弹性件II(23)和两个臂II(24),弹性件II(23)连接在两个臂II(24)之间,形成一个类似夹子的结构。
4.根据权利要求1或2所述的全向轮组合式墙面攀爬机器人,其特征在于,所述驱动装置I和II为电机,电机轴连接全向轮的轮轴。
5.根据权利要求1所述的全向轮组合式墙面攀爬机器人,其特征在于,连接攀爬机构和吸附机构的连接件包括侧板(3)和支架(4),侧板连接在两者夹臂的中间部位,支架连接在两者夹臂的末端部位。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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