CN107380292B - 三腿式爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了三腿式爬壁机器人，它包括有电动伸缩杆（1），三根电动伸缩杆（1）首尾相连在运动关节轴（2）上构成三角形结构；每个运动关节轴（2）下端连接一个气缸（3），气缸（3）下方连接的吸盘支架（4），吸盘支架（4）底部连接带弹簧缓冲的吸盘（6）；三根运动关节轴（2）的轴颈（22）套接轴套（7），三个轴套（7）的另一端活动连接在三角形载物平台（5）的三个销钉（51）上。本发明的优点是：能跨越一定高度的障碍，且转向灵活，运动协调，能完成人工清洁墙壁的任务。

Description

三腿式爬壁机器人

技术领域

本发明属于爬壁机器人技术领域，具体涉及一种三腿式爬壁机器人。

背景技术

现有的腿式爬壁机器人为四腿、五腿及六腿式爬壁机器人，主要分为框架式和足脚式爬壁机器人这两类。

中国专利文献CN 202765130 U于2013年3月6日公开了一种吸盘式爬壁机器人，该爬壁机器人由上框架、下框架、中间框架、吸盘、气缸、导轨、滑块和气路控制单元等组成。上框架和下框架的四个角分别有四个升降机构，升降机构的伸出臂上安装吸盘，伸出臂可带动吸盘抬起和放下；上框架和下框架上分别安装有导轨，中间框架的上下两面安装有滑块，分别可在上框架和下框架上滑动；上框架和下框架上装有气缸，气缸的伸出杆端分别和中间框架相连。

当下框架的真空吸盘吸在工作面上时，上框架上的吸盘离开工作面，下框架上的气缸可推动中间框架和上框架横向运动；当上框架上的吸盘吸在工作面上时，下框架上的吸盘离开工作面，上框架上的气缸可推动中间框架和下框架纵向运动。这样上框架和下框架上的吸盘交替吸附，气缸交替运动，就可实现机器人在工作面上的运动。

首先这种爬壁机器人具有结构简单，自重较轻，易于维护等优点，但由于其固定在上下框架四个顶点的升降机构是固定的无法完成转向动作，导致其在壁面上行进时的路径并不是最短的路径，在行进速度方面较慢。其次这种爬壁机器人由于吸盘和升降机构之间缓冲装置，所以在凹凸不平的壁面上行走时，由于吸盘并不能自适应地与壁面平行会导致吸盘吸附不稳定，从可能出现吸盘脱落的现象。因为这种爬壁机器人的上或下框架的四个吸盘必须一起运动，所以在面对一定高度的台阶式障碍时并不能将上或下框架的四个吸盘全部吸附到台阶式的壁面上，从而不具备跨越台阶式障碍的能力。

发明内容

针对现有爬壁机器人存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种三腿式爬壁机器人，它能提高跨越障碍的高度，且转向灵活，运动协调，达到取代人工清洁墙壁的要求。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括有电动伸缩杆、运动关节轴、气缸、吸盘支架、载物平台、带弹簧缓冲的吸盘、轴套和控制单元，电动伸缩杆端头孔活动连接在运动关节轴的销柱卡接片上，三根电动伸缩杆首尾相连在运动关节轴上构成三角形结构；每个运动关节轴下端连接一个气缸，气缸下方连接的吸盘支架，吸盘支架底部连接带弹簧缓冲的吸盘；三根运动关节轴的轴颈套接轴套，三个轴套的另一端活动连接在三角形载物平台的三个销钉上，置于载物平台上的控制单元电连接电动伸缩杆及控制气缸和带弹簧缓冲的吸盘动作的电磁阀。

本发明的技术效果是：

由电动伸缩杆的伸长和收缩实现机器人结构的变形，使三个运动关节轴位置发生相对运动，致使机器人向前和向后行走。由气缸的正向气室和反向气室的充气与放气来实现气缸的伸长和收缩，当气缸正向气室充气、反向气室放气时气缸中的连杆伸出，连杆伸长；当气缸反向气室充气、正向气室放气时连杆缩回，连杆缩短；在气缸连杆缩短时，带弹簧缓冲的吸盘吸附壁面，实现跨越障碍。所以本发明的优点是：能跨越一定高度的障碍，且转向灵活，运动协调，能完成人工清洁墙壁的任务。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明运动关节轴的结构示意图；

图3为本发明载物平台的结构示意图；

图4为本发明吸盘支架和带弹簧缓冲的吸盘组合的结构示意图；

图5为本发明三角形变形运动的原理图；

图6为本发明的控制系统结构图。

图中：1.电动伸缩杆；2.运动关节轴；21.螺纹杆；23.轴颈；23.支撑杆；24. 销柱卡接片；25.支撑座；3.气缸；4.吸盘支架；5.载物平台；51. 销钉；6. 带弹簧缓冲的吸盘；7.轴套。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括有电动伸缩杆1、运动关节轴2、气缸3、吸盘支架4、带弹簧缓冲的吸盘6、载物平台5、轴套7和控制单元，电动伸缩杆1端头孔活动连接在运动关节轴2的销柱卡接片24上，三根电动伸缩杆1首尾相连在运动关节轴2上构成三角形结构；每个运动关节轴2下端连接一个气缸3，气缸3下方连接的吸盘支架4，吸盘支架4底部连接带弹簧缓冲的吸盘6；三根运动关节轴2的轴颈22套接轴套7，三个轴套7的另一端活动连接在三角形载物平台5的三个销钉51上，控制单元（图中未画出）电连接电动伸缩杆1及控制气缸和带弹簧缓冲的吸盘动作的电磁阀。控制单元能准确地控制电磁阀的通断使吸盘产生真空负压和气缸伸出。

在销柱卡接片24上，与电动伸缩杆1连接处采用滑动轴承。具体结构为：滑动轴承嵌入销柱卡接片24上的销柱上，滑动轴承的外层套有轴承套，轴承套通过螺钉连接电动伸缩杆1，这样电动伸缩杆1动作的时候在运动关节轴2处不会出现因不能适配三角形边长变化而出现的拉压力，继而使关节轴出现卡顿拉扯的现象。

电动伸缩杆1由电机驱动的丝杆构成，通过电机控制，实现丝杆的伸长与收缩。气缸3有正、反两个气室，两个气室独立充气和放气实现气缸连杆的伸出与缩回。

带弹簧缓冲的吸盘6，其上端通过螺栓连接到吸盘支架4上，下端吸附壁面。在壁面平坦时可以保持吸盘下表面与墙面平行，当墙面与吸盘下表面有一定倾角时，通过活动的弹簧可以使吸盘偏转适当的角度（各个方向最大偏转角15°）以及上下20mm左右的缓冲行程，使吸盘的下表面与壁面平行从而使吸盘能更稳定的吸附在壁面上。

如图2所示，运动关节轴2包括有从上至下的螺纹杆21、轴颈22和支撑杆23三段，在支撑杆23中部固定有与电动伸缩杆1端头孔配合连接的销柱卡接片24，支撑杆23底部设有与气缸3连接的支撑座25。

如图3所示，载物平台5上对称布设有三个销钉51。

如图4所示，每一个吸盘支架4装有三个带弹簧缓冲的吸盘6，以增加吸附力。

本发明的工作过程是：

由伺服电机驱动电动伸缩杆1的伸长和收缩实现机器人结构的变形，使三个运动关节轴位置2发生相对运动，致使机器人向前和向后行走。由气缸3的正向气室和反向气室充气和放气来实现气缸的伸长和收缩，当气缸3正向气室充气、反向气室放气时气缸中的连杆伸出，连杆伸长；当气缸3反向气室充气、正向气室放气时连杆缩回，连杆缩短。吸盘支架4下部的带弹簧缓冲的吸盘6外连真空发生器和空气压缩机，产生或解除负压从而吸附或脱离墙面。

如图5所示，（0）为初始状态，气缸3均处于伸长状态，每个气缸下连接的带弹簧缓冲的吸盘6均处于负压吸附状态；

前进时，（1）：点A、C点固定，B点处的吸盘解除吸附，B点所在气缸收回，b 杆长度不变，a、c杆在伺服电机的驱动下伸长，即B点向前运动，当B点到达指定位置时，B点气缸伸出，带弹簧缓冲的吸盘产生真空吸附；

（2）：在（1）的基础上，A、B点固定，C点处的吸盘解除吸附，C点所在气缸缩回，b、c杆长度不变，a杆收回到静止时原长，即C点向前运动，C点气缸伸出，带弹簧缓冲的吸盘产生真空吸附；

（3）：在（2）的基础上，B、C点固定, A点处的吸盘解除吸附，A点所在气缸缩回，a、b杆长度不变，c杆收回到静止时原长，即A点向前运动，A点气缸伸出，带弹簧缓冲的吸盘产生真空吸附；这样实现爬壁机器人整体前行一步。

转向时，以右转为例，（4）：A、C两点固定，B点处的吸盘解除吸附，B点所在气缸缩回，b、c杆不动，a杆在伺服电机的驱动下伸长，即B点顺时针偏转，B点到达指定位置时，气缸伸出，带弹簧缓冲的吸盘产生真空吸附；

（5）：在（4）的基础上，A、B点固定，C点处的吸盘解除吸附，C点所在气缸缩回，b、c杆长度不变，a杆收回到静止时原长，即C点顺时针偏转，C点气缸伸出，带弹簧缓冲的吸盘产生真空吸附；这样实现爬壁机器人绕A点右转。

如图6所示的爬壁机器人控制系统结构，操作者通过控制按钮输入控制要求，控制单元接收控制信息后，一方面控制电磁阀通断，实施真空吸附或真空解除、气缸的反向气室充气或正向气室充气；另一方面向电动伸缩杆1发出控制信号实施电动伸缩杆1伸缩，引起三角形变形，完成机器人移动。电磁阀与电动伸缩杆1协调动作，实现爬壁机器人的多种形式运动。

如图1所示，三个运动关节轴的轴颈22上对应装入三个轴套7，在三个轴套7的另一端通过销钉与三角形载物平台5对称连接，在轴套7承载范围内，三角形载物平台5仅按三角形变形运动随A、B、C三点进行平面运动，保证了三角形载物平台的稳定，这样三角形载物平台5可以用来放置控制单元、电源和一些爬壁机器人工作需要的物件或其他功能设备，进而使得机器人具有良好的后期功能开发能力。

带弹簧缓冲的吸盘6能适应各种凹凸不平的壁面，同时由于气缸在缩回一定长度时，其下方的带弹簧缓冲的吸盘也能吸附壁面，即适当缩短机器人向前的支撑腿，使其吸附于更高的壁面上，逐步移动机器人的三只支撑腿，使其移动并吸附于更高的壁面上，从而实现机器人对一定高度障碍的跨越，也实现了机器人的避障能力。另外，本发明的机器人转向时可以实现机器人运动的前端原地任意角度的转向，从而提高了转向的灵活性，使机器人在壁面上运动更灵活。

Claims (4)

1.三腿式爬壁机器人，其特征是：包括有电动伸缩杆（1）、运动关节轴（2）、气缸（3）、吸盘支架（4）、载物平台（5）、带弹簧缓冲的吸盘（6）、轴套（7）和控制单元，电动伸缩杆（1）端头孔活动连接在运动关节轴（2）的销柱卡接片（24）上，三根电动伸缩杆（1）首尾相连在运动关节轴（2）上构成三角形结构；每个运动关节轴（2）下端连接一个气缸（3），气缸（3）下方连接的吸盘支架（4），吸盘支架（4）底部连接带弹簧缓冲的吸盘（6）；三根运动关节轴（2）的轴颈（22）套接轴套（7），三个轴套（7）的另一端活动连接在三角形载物平台（5）的三个销钉（51）上，置于载物平台（5）上的控制单元电连接电动伸缩杆（1）及控制气缸和带弹簧缓冲的吸盘动作的电磁阀。

2.根据权利要求1所述的三腿式爬壁机器人，其特征是：所述的运动关节轴（2）包括有从上至下的螺纹杆（21）、轴颈（22）和支撑杆（23）三段，在支撑杆（23）中部固定有与电动伸缩杆（1）端头孔配合连接的销柱卡接片（24），支撑杆（23）底部设有与气缸（3）连接的支撑座（25）。

3.根据权利要求2所述的三腿式爬壁机器人，其特征是：所述的载物平台（5）上对称布设有三个销钉（51）。

4.根据权利要求3所述的三腿式爬壁机器人，其特征是：所述的吸盘支架（4）装有三个带弹簧缓冲的吸盘（6）。