CN106945739B - 一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人，包括两个单体爬壁机器人和俯仰偏摆机构，两个单体爬壁机器人之间通过中间的俯仰偏摆机构连接，所述单体爬壁机器人包括无刷电机、电机底座、电机支撑架、离心风页、机器人壳体、运动机构、密封垫。无刷电机带动离心风页转动将机器人壳体内部的空气抽出，使机器人壳体内部形成负压，从而使机器人吸附在墙壁上。俯仰偏摆机构可以辅助机器人跨越障碍和转向。本发明双体爬壁机器人能够在墙壁表面灵活的移动，并且可以跨越墙壁上的沟槽和大的凸起障碍、完成在相邻壁面之间的转换，有效提高了爬壁机器人的运动范围。

Description

一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人

技术领域

本发明涉及一种负压吸附爬壁机器人技术领域，具体是一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人把地面移动技术和吸附技术有机结合起来，可以携带专门的工具，代替人类在距地面有一定高度的建筑、工业设施等竖直壁面上工作，可广泛应用于工业、救援、侦查、壁面清洁等领域。目前爬壁机器人主要采用磁吸附、仿生吸附、和负压吸附等壁面吸附技术。磁吸附能够产生很大的吸附力，但是在非磁性的材质壁面将形成不了吸附力，适用范围受到很大的局限性；仿生吸附材对灰尘等污染物较敏感，实用性较差；负压吸附方式适用于各种不同材质的壁面，使用和维护较方便，因此得到了较广泛的应用。爬壁机器人的出现可以使人类避免从事危险的高空陡壁作业，不仅提高了工作效率，节约了成本，而且可以改善了操作人员的工作环境。

申请号为201520825743.2的中国专利公开了一种新型组合式可转角爬壁机器人，包括两个爬壁机器人和一个转角机构，可以实现在不同壁面之间的转换，但是仅靠一个转角机构无法跨越墙壁上的凸起障碍，并且，两机器人前后轮距较大，依靠轮子差动转向非常不便。

申请号为201010217822.7的中国专利公开了一种模块化的仿生爬壁机器人，采用负压真空吸附形式，由关节模块和真空吸附模块组成，具有一定的越障能力，但移动缓慢，真空吸附对壁面光洁度要求较高，当墙壁上有破损或沟槽时，吸附功能将无法使用，无法在不平整及砖墙上使用，使用范围受到限制。

总之，目前存在的多数爬壁机器人只能在单一墙面上作业，对不同材质壁面的适应性差，跨越墙壁上障碍能力较弱，虽然有的爬壁机器人可以完成在不同壁面之间的转换，但是结构复杂，在壁面上转向不方便，并且移动速度较为缓慢。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提出一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人，机器人可在不同壁面之间转换，能够跨越墙壁上的大的凸起和沟槽障碍，并且可在墙壁上灵活移动和转弯，机器人可以稳定吸附在不同材质壁面上，并可单独拆分为单体机器人，以适应不同的工作环境和要求。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下发明构思：

考虑到爬壁机器人能够跨越障碍并在两个相邻的墙壁之间转换，爬壁机器人采用两个单体机器人组合的形式，两个单体爬壁机器人之间通过俯仰偏摆机构连接，俯仰偏摆机构可以实现单体机器人的上下俯仰和左右偏摆动作，两个单体爬壁机器人在墙壁上的吸附和脱开配合俯仰偏摆机构的动作实现爬壁机器人的越障和壁面转换功能。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人，包括两个单体爬壁机器人和俯仰偏摆机构，两个单体爬壁机器人之间通过中间的俯仰偏摆机构连接，所述单体爬壁机器人包括无刷电机、电机底座、电机支撑架、离心风叶、机器人壳体、运动机构、弹性密封垫，所述无刷电机顶端与所述电机底座连接，所述电机支撑架一端通过螺钉与电机底座连接，另一端与机器人壳体连接，所述弹性密封垫胶接于机器人壳体底部，所述离心风叶通过螺钉固定连接于无刷电机上，所述运动机构安装于机器人壳体空腔内。

所述俯仰偏摆机构包括俯仰舵机、偏摆舵机、支撑架、第一直角连接架、第二直角连接架、第一轴承、第二轴承、第三轴承、第四轴承、第一连接支撑架、第二连接支撑架、俯仰轴连接键、偏摆轴连接键、第一透盖、第二透盖、第一闷盖、第二闷盖、俯仰台阶轴、偏摆台阶轴、俯仰连杆、偏摆连杆，所述第一直角连接架一端与前单体爬壁机器人壳体连接，另一端与第一连接支撑架连接，第一连接支撑架与俯仰连杆通过螺纹连接，俯仰连杆与俯仰台阶轴通过俯仰轴连接键连接，第一轴承和第二轴承过盈连接于俯仰台阶轴的两端，所述俯仰台阶轴为空心轴结构，开有内齿轮，俯仰舵机与支撑架通过螺栓连接，俯仰舵机输出轴与俯仰台阶轴同轴，与俯仰台阶轴通过内啮合齿轮连接，俯仰舵机驱动俯仰台阶轴转动；所述第一透盖和第一闷盖通过螺栓与支撑架相连；所述第二直角连接架一端与后单体爬壁机器人壳体连接，另一端与第二连接支撑架连接，第二连接支撑架与偏摆连杆通过螺纹连接，偏摆连杆与偏摆台阶轴通过偏摆轴连接键连接，第三轴承和第四轴承过盈连接于偏摆台阶轴的两端，所述偏摆台阶轴为空心轴结构，开有内齿轮，偏摆舵机与支撑架通过螺栓连接，偏摆舵机输出轴与偏摆台阶轴同轴，与偏摆台阶轴通过内啮合齿轮连接，偏摆舵机驱动偏摆台阶轴转动；所述第二透盖和第二闷盖通过螺栓与支撑架相连。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)爬壁机器人通过俯仰偏摆机构实现机器人的上下俯仰和左右偏摆的动作，转弯灵活，可以跨越墙壁上的较大的凸起和障碍，完成任意角度相接的两不同壁面之间的转换，扩大了机器人在墙壁上的活动范围；(2)机器人采用带有防滑橡胶层的履带作为运动机构，对粗糙和不平整的墙壁表面适应能力强，运行平稳，运动速度较快；(3)采用负压吸附的方式，密封机构为具有一定弹性和柔性的密封垫，可有效减少墙壁上的凹槽和凸起对密封性能的影响，壁面适应性强，可以应用在多种不同材质和类型的壁面上；(4)机器人采用模块化的设计，由两个单体爬壁机器人和俯仰偏摆机构组成，在必要情况下，可以拆分为两个独立的单体爬壁机器人各自执行任务，工作效率和灵活性将大大提高；(5)机器人本体材料采用质量较轻的碳纤维和塑料制作，整体重量较轻，良好的密封机构和运动机构使爬壁机器人具有较大的负载自重比，可搭载摄像头、救援设备和检测设备等进行作业，在侦查、搜救、和壁面检测等领域有着广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人整体结构图。

图2为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人的俯仰偏摆机构爆炸图。

图3为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人接近墙壁上障碍的示意图。

图4为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人前部单体机器人抬起示意图。

图5为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人前部单体机器人越过墙壁上障碍的示意图。

图6为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人后部单体机器人抬起示意图。

图7为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人后部单体机器人越过墙壁上障碍的示意图。

图8为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人在墙壁上向上前进示意图。

图9为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人在墙壁上90°右转弯示意图。

图10为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人在墙壁上向右前进示意图

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～2，本发明实施例中，一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人，包括两个单体爬壁机器人和俯仰偏摆机构4，两个单体爬壁机器人之间通过中间的俯仰偏摆机构4连接，所述单体爬壁机器人包括无刷电机6、电机底座5、电机支撑架8、离心风叶7、机器人壳体2、运动机构1、弹性密封垫3，所述无刷电机6顶端与所述电机底座5连接，所述电机支撑架8一端通过螺钉与电机底座5连接，另一端与机器人壳体2连接，所述弹性密封垫3胶接于机器人壳体2底部，所述离心风叶7通过螺钉固定连接于无刷电机6上，与无刷电机6一起转动，离心风叶7的转动可将机器人壳体2内部的空气抽出，使机器人壳体2内部形成负压，从而使机器人吸附在墙壁上。

如图2所示，所述俯仰偏摆机构4包括俯仰舵机17、偏摆舵机27、支撑架29、第一直角连接架21、第二直角连接架9、第一轴承22、第二轴承24、第三轴承12、第四轴承14、第一连接支撑架20、第二连接支撑架10、俯仰轴连接键26、偏摆轴连接键16、第一透盖18、第二透盖28、第一闷盖25、第二闷盖15、俯仰台阶轴23、偏摆台阶轴13、俯仰连杆19、偏摆连杆11，所述第一直角连接架21一端与前单体爬壁机器人壳体2连接，另一端与第一连接支撑架20连接，第一连接支撑架20与俯仰连杆19通过螺纹连接，俯仰连杆19与俯仰台阶轴23通过俯仰轴连接键26连接，第一轴承22和第二轴承24过盈连接于俯仰台阶轴23的两端，所述俯仰台阶轴23为空心轴结构，开有内齿轮，俯仰舵机17与支撑架29通过螺栓连接，俯仰舵机输出轴与俯仰台阶轴23同轴，与俯仰台阶轴23通过内啮合齿轮连接，俯仰舵机17驱动俯仰台阶轴23转动；所述第一透盖18和第一闷盖25通过螺栓与支撑架29相连；所述第二直角连接架9一端与后单体爬壁机器人壳体2连接，另一端与第二连接支撑架10连接，第二连接支撑架10与偏摆连杆11通过螺纹连接，偏摆连杆11与偏摆台阶轴13通过偏摆轴连接键16连接，第三轴承12和第四轴承14过盈连接于偏摆台阶轴13的两端，所述偏摆台阶轴13为空心轴结构，开有内齿轮，偏摆舵机27与支撑架29通过螺栓连接，偏摆舵机输出轴与偏摆台阶轴13同轴，与偏摆台阶轴13通过内啮合齿轮连接，偏摆舵机27驱动偏摆台阶轴13转动；所述第二透盖28和第二闷盖15通过螺栓与支撑架29相连。

俯仰舵机17驱动俯仰台阶轴23转动，通过俯仰连接键26带动俯仰连杆19转动，从而实现单体的爬壁机器人绕俯仰台阶轴23的轴心转动，完成爬壁机器人的跨越障碍和在不同壁面间的转换功能。偏摆舵机27驱动偏摆台阶轴13转动，通过偏摆连接键16带动偏摆连杆11转动，从而实现单体的爬壁机器人绕偏摆台阶轴13的轴心转动，完成爬壁机器人在壁面上的转弯动作。

爬壁机器人运动机构1为履带式驱动机构，履带外装有防滑橡胶层，履带安装在爬壁机器人壳体内部。

如图3～7所示，为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人翻越墙壁上障碍的过程示意图，当机器人接近障碍时，首先使后部单体爬壁机器人吸附在墙壁上，前部单体爬壁机器人从墙壁上吸附脱开，俯仰舵机17带动前部单体爬壁机器人转动一定角度使前部单体爬壁机器人高于障碍物的高度，后部单体爬壁机器人向前移动使前部单体爬壁机器人越过障碍；然后，俯仰舵机17反向转动复位，前部单体爬壁机器人与壁面接触并吸附在墙壁上，后部单体爬壁机器人与墙壁吸附脱开，俯仰舵机17带动后部单体爬壁机器人转动一定角度使后部单体爬壁机器人高于障碍物的高度，前部单体爬壁机器人向前移动使后部单体爬壁机器人越过障碍；最后，俯仰舵机17再次反向转动复位，后部单体爬壁机器人与壁面接触并吸附在墙壁上，翻越墙壁上障碍的过程完成，前后两个爬壁机器人同时吸附在壁面上继续正常行走。

如图8～10所示，为本发明一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人在墙壁上90°右转弯的过程示意图，首先，后部单体爬壁机器人吸附在墙壁上，前部的单体爬壁机器人无刷电机停止工作使前部单体爬壁机器人从墙壁上吸附脱开，偏摆舵机27带动前部单体爬壁机器人顺时针转动90°；然后，前部单体爬壁机器人吸附在壁面上，后部单体爬壁机器人从墙壁上吸附脱开，偏摆舵机27带动后部单体爬壁机器人顺时针转动相同的角度使前后单体爬壁机器人在同一条直线上；最后，后部单体爬壁机器人吸附在壁面上，机器人完成在墙壁上的90°右转弯动作，前后两个爬壁机器人同时吸附在墙壁上并向右前进。

Claims (1)

1.一种具有壁面转换功能的越障爬壁机器人，其特征在于，包括两个单体爬壁机器人和俯仰偏摆机构（4），两个单体爬壁机器人之间通过中间的俯仰偏摆机构（4）连接，所述单体爬壁机器人包括无刷电机（6）、电机底座（5）、电机支撑架（8）、离心风叶（7）、机器人壳体（2）、运动机构（1）、弹性密封垫（3），所述无刷电机（6）顶端与所述电机底座（5）连接，所述电机支撑架（8）一端通过螺钉与电机底座（5）连接，另一端与机器人壳体（2）连接，所述弹性密封垫（3）胶接于机器人壳体（2）底部，所述离心风叶（7）通过螺钉固定连接于无刷电机（6）上，所述运动机构（1）安装于机器人壳体（2）空腔内；所述俯仰偏摆机构（4）包括俯仰舵机（17）、偏摆舵机（27）、支撑架（29）、第一直角连接架（21）、第二直角连接架（9）、第一轴承（22）、第二轴承（24）、第三轴承（12）、第四轴承（14）、第一连接支撑架（20）、第二连接支撑架（10）、俯仰轴连接键（26）、偏摆轴连接键（16）、第一透盖（18）、第二透盖（28）、第一闷盖（25）、第二闷盖（15）、俯仰台阶轴（23）、偏摆台阶轴（13）、俯仰连杆（19）、偏摆连杆（11），所述第一直角连接架（21）一端与前单体爬壁机器人壳体（2）连接，另一端与第一连接支撑架（20）连接，第一连接支撑架（20）与俯仰连杆（19）通过螺纹连接，俯仰连杆（19）与俯仰台阶轴（23）通过俯仰轴连接键（26）连接，第一轴承（22）和第二轴承（24）过盈连接于俯仰台阶轴（23）的两端，所述俯仰台阶轴（23）为空心轴结构，开有内齿轮，俯仰舵机（17）与支撑架（29）通过螺栓连接，俯仰舵机输出轴与俯仰台阶轴（23）同轴，与俯仰台阶轴（23）通过内啮合齿轮连接，俯仰舵机（17）驱动俯仰台阶轴（23）转动；所述第一透盖（18）和第一闷盖（25）通过螺栓与支撑架（29）相连；所述第二直角连接架（9）一端与后单体爬壁机器人壳体（2）连接，另一端与第二连接支撑架（10）连接，第二连接支撑架（10）与偏摆连杆（11）通过螺纹连接，偏摆连杆（11）与偏摆台阶轴（13）通过偏摆轴连接键（16）连接，第三轴承（12）和第四轴承（14）过盈连接于偏摆台阶轴（13）的两端，所述偏摆台阶轴（13）为空心轴结构，开有内齿轮，偏摆舵机（27）与支撑架（29）通过螺栓连接，偏摆舵机输出轴与偏摆台阶轴（13）同轴，与偏摆台阶轴（13）通过内啮合齿轮连接，偏摆舵机（27）驱动偏摆台阶轴（13）转动；所述第二透盖（28）和第二闷盖（15）通过螺栓与支撑架（29）相连。