CN108407914A - 一种四足爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于行走机器人领域，具体涉及一种四足爬壁机器人，由运载平台、行走腿和定位腿三部分组成，运载平台由平台、伺服关节电机、控制系统组成，行走腿由第一足臂、伺服关节电机、第二足臂、滑环组成，定位腿由伺服电机、定位腿架，丝杠、球关节及吸附足组成。运载平台上面安装有四条的行走腿，行走腿由二连杆机构构成，运载平台与行走腿构成平面运动机器人，实现平面运动，在行走腿的末端通过滑环安装有定位腿，实现机器人在空间移动位置的确定。定位腿上安装有丝杠，能够伸长、缩短，可以控制吸附腿在爬行面上吸附或脱离，并能调节机器人平台的高度。本发明具有结构简单、负载能力大、吸附力强、运动灵活、越障能力强的优点。

Description

一种四足爬壁机器人

技术领域

本发明属于行走机器人领域，具体涉及一种四足爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人是极限作业机器人的一个分支，它能代替人类在石化企业、核工业、造船业等领域在恶劣环境下完成相应的工作，具有广泛的用途和很高的使用价值。

石化行业、核工业等应用了大量的储罐，这些储罐大多体积庞大，通过焊接拼装而成。储罐内储存的物体大多为易燃易爆有毒的危险品，且多为强腐蚀性液体，容易对罐体内壁造成腐蚀，特别是在焊缝处极易造成腐蚀泄漏，必须定期对储罐进行检测、维护，防止储罐因腐蚀、裂纹等缺陷造成液体泄漏，避免造成经济损失和人员伤亡；还可对这些储罐进行喷砂除锈、喷漆防腐、清洗等作业。目前这些作业均由人工完成，作业过程中还需要搭建脚手架，属于高空作业，工作周期长、效率低且具有很大的危险性。因此爬壁机器人携带工具代替人工作业完成该类工作是一种必然的趋势。

爬壁机器人按照吸附方式不同可分为磁吸附、负压吸附和仿生吸附。按照运动方式不同可分为轮式、履带式和足式，目前磁吸附轮式和履带式爬壁机器人出现较多，并各有优缺点。磁吸附轮式爬壁机器人有着速度快、运动灵活的优点，但由于轮子与壁面接触面积小，磁能利用率低，存在吸附力不足，很难可靠吸附于壁面的缺点。磁吸附履带式爬壁人吸附力大，吸附可靠但存在转向阻力大的缺点。采用足式爬壁机器人，具有结构简单，吸附能力强、负载能力大、运动灵活、易于越障等优点，由于足式爬壁机器人的运动及受力均由关节电机来承受，造成关节电机功率大，机器人结构较大，负载轻等缺点。

申请号为201610653897.7，公布号为CN106184452A，公布日期为2016年12月7日，名称为一种四足电磁吸附爬壁机器人，该机器人采用四足结构，电磁吸附，每条腿上有三个主动关节，通过球铰链接连接电磁吸附装置，球铰为被动关节，该机器人具有空间六个自由度，能灵活地实现转弯、横向移动等动作。但其结构复杂，机器人的运动需要控制每个主动关节的协调运动来实现。

本发明改变了足式机器人各关节电机受力较大的问题，只有四个电机承受爬壁机器人重量及负载的受力，其余关节电机均不承受爬壁机器人的重量及负载，从而使足式爬壁机器人工作更加可靠，重量更轻，体积更小等特点。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种四足爬壁机器人，它能够可靠地攀爬平面、球形、圆柱壁面并能灵活地进行直行和转弯等动作，通过搭载相应的执行装置，能够安全、迅速、灵活地完成钢架、储罐等钢设备的焊接、检测、清洗等作业。它具有结构简单、负载能力大、吸附力强、运动灵活、越障能力强的优点。本发明在不移动时，可以不消耗电源而保持相应姿态在固定位置，可大大延长备用电池的工作时间。

为到达上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种四足爬壁机器人，包括运载平台，运载平台上连接有四条行走腿，所述行走腿是包括二自由度串联机构、伺服电机、被动关节，其末端连接有定位腿。

所述运载平台上安装有机器人的控制系统及四个伺服关节电机，爬壁机器人的控制系统主要实现对机器人的运动进行控制，四个伺服关节电机主要驱动机器人四条腿的第一足臂运动，从而实现机器人直线、转向等运动的控制。

所述四条行走腿均由二自由度串联机构、关节电机、被支关节构成，二自由度串联机构包括连接在运载平台伺服关节电机上的第一足臂，第一足臂末端连接有伺服关节电机、第二足臂，第一足臂上的伺服关节电机可驱动第二足臂的运动，第二足臂末端连接有定位腿，第二足臂与定位腿的连接通过转动滑环或关节轴承连接，定位腿能够在第二足臂未端被动运动。

定位腿由伺服电机、丝杠、球铰关节、吸附足组成，伺服电机驱动丝杠转动实现机器人吸附足的回缩或伸出，可控制机器人吸附足的运动，机器人的四个定位腿上的伺服电机同时工作时，可调节运载平台的高度，球铰关节是在足部与爬行面接触时自动调节足与爬行面接触角度，吸附足可以是磁吸附、真空吸咐、仿生足等结构。

所述定位腿的升降与所述机器人平台的四条行走腿的运动相互独立，机器人运动时，先控制运动方向前方一个行走腿上的定位腿脱离吸附面后，并控制该行走腿运动到所需位置，并通过定位腿吸附在爬行面上；再控制运动方向前方另一个行走腿上的定位腿脱离吸附面后，控制该行走腿运动到所需位置后，并通过定位腿吸附在爬行面上。在前进方向上的两个行走腿完成移动和定位后，机器人四个定位腿的伺服电机、第一足臂上的伺服关节电机均失电，让电机处于自由状态，然后运载平台上的四个伺服关节电机同时驱动运载平台运动，在运载平台运动到位后，再控制运动方向后方一个行走腿上的定位腿脱离吸附面后，并控制该行走腿运动到所需位置，并通过定位腿吸附在爬行面上；再控制运动方向后方另一个行走腿上的定位腿脱离吸附面后，控制该行走腿运动到所需位置后，并通过定位腿吸附在爬行面上。便实现所述机器人前进一步的运动。

采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明的四足爬壁机器人，由运载平台、行走腿和定位腿三部分组成，机器人结构简单。机器人能够根据作业需要搭载相应的执行装置，能够安全、迅速、灵活地完成对储罐壁面的焊接、检测、清洗等作业。

2.本发明的四足爬壁机器人，采用运载平台和四条行走腿并联的结构方式，机器人的负载能力强，能跨越一定宽度和高度的障碍物，具有很好的越障能力。

3.本发明的四足爬壁机器人，运载平台移动时，平台上的四个伺服关节电机同时承受运载平台的负载，其余伺服电机均为自由状态，减小了每个伺服关节电机所需功率。第一足臂末端的伺服关节电机仅提供第二足臂与定位腿运动所需要的扭矩，减小了关节电机的尺寸和重量，第二足臂末端通过转动副与定位腿连接，保障了运载平台运动时，第二足臂能在定位腿上转动，定位腿通过球关节与吸附足相联，保障了吸附足与爬行面的接合。

4.本发明的四足爬壁机器人，采用平面并联二连杆机构加独立的升降机构相结合，能实现直行、转弯、升降动作，机器人结构简单，运动灵活。

5.本发明的四足爬壁机器人，可以采用各种吸附方式，使用不同的吸附装置，能够可靠的吸附于各种材料的壁面。

附图说明

图1为本发明的整体结构的示意图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明处于悬停时的示意图；

其中，1运载平台，2行走腿，3定位腿

11平台，12伺服关节电机，13控制系统，21第一足臂，22伺服关节电机，23第二足臂，24滑环，31伺服电机，32定位腿架，33丝杠，34球关节，35吸附足，

1# 1号腿，2# 2号腿，3# 3号腿，4# 4号腿。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

参见图1，一种四足爬壁机器人，由运载平台1、行走腿2和定位腿3三部分组成；其中，运载平台1由平台11、伺服关节电机12、控制系统13组成，行走腿2由第一足臂21、伺服关节电机22、第二足臂23、滑环24组成，定位腿3由伺服电机31、定位腿架32，丝杠33、球关节34及吸附足35组成。

本发明中运载平台1与行走腿2构成平面四足机器人，既由平台11,伺服关节电机12，第一足臂21,伺服关节电机22，第二足臂23,滑环24组成，只能在平面上运动。定位腿3用于在爬行面上的定位，在机器人静止时，定位腿3吸附在爬行面上，成为固定柱，支撑机器人在空间的姿态。定位腿3具有伸缩功能，当机器人平台11高度固定时，定位腿3通过伺服电机31带动丝杠33缩回，使丝杠33上连接的吸附足35脱离爬行面，然后由行走腿2带动定位腿3运动，实现迈腿，当到达给定位置后，定位腿3通过伺服电机31带动丝杠33伸出，连接在丝杠33上的吸附足35与爬行面接触并吸附在爬行面上时，伺服电机31停止转动，丝杠33停止伸出，实现定位腿3定位，球关节34是保障吸附足35与爬行面可靠吸附的被动关节。

本发明中机器人的四个吸附足35全部吸附在爬行面上时，伺服电机31带动丝杠33缩回时，将使机器人平台11与爬行面间距离减小；机器人的四个吸附足35全部吸附在爬行面上时，伺服电机31带动丝杠33伸出时，将使机器人平台与爬行面间距离增大，从而实现机器人平台的升降。

本发明中当机器人四个定位腿3的吸附足35吸附在爬行面上，四个定位腿3的丝杠33伸出的长度不相同时，既四个吸附足35不在同一平面上，便可实现机器人的越障功能。

下面就机器人的不同运动方式详细说明。

机器人向前爬行移动时，图3所示1号腿的定位腿3通过伺服电机31使丝杠33转动，丝杠33带动吸附足35缩回，使吸附足35脱离爬行面，然后由平台11上控制系统13控制伺服关节电机12，伺服关节电机22的运动，此时伺服电机12驱动第一足臂21运动，第一足臂21末端伺服电机22驱动第二足臂23运动，并带动定位腿3在平面上运动，达到1号腿的定位点后，通过伺服电机31使丝杠33转动，丝杠33带动吸附足35伸出并在吸附于爬行面时停止伸出，此时便完成1号腿的移动。2号腿与1号腿的工作方式相同，完成2号腿的移动和定位。在1,2号腿移动和定位完成后，控制系统13控制四个伺服关节电机12分别转过相应角度，使平台11向1,2号腿的前进方向运动。平台11运动到位后，同1号腿移动定位方式一样，分别控制3号腿和4号腿分别回缩到给定的位置并吸附爬行面后，从而完成机器人前进一步的运动。控制四条腿的位置，可实现机器人以一定角度运动，实现直线、转弯或斜向运动。

机器人运载平台1升降的实现，在机器人吸附足35吸附在爬行面上时，机器人的四个定位腿3同时控制丝杠33伸出，定位腿架32向上运动，同时带动机器人运载平台1及行走腿2升高；机器人的四个定位腿3同时控制丝杠33缩回，定位腿架32向下运动，同时带动机器人运载平台1及行走腿2降低。

机器人越障，机器人在迈步时，当吸附足35吸附在爬行面上时，丝杠33停止伸长，若爬行面为平面时，机器人的四个定位腿3上的丝杠33伸出的长度均相同，以此伸出长度为基准，在伸出长度比基准长度短地方，便是凸起障碍物，伸出长度比基准长度长的地方，便是凹的障碍物，遇到凹凸障碍物时，运载平台1与爬行面的距离没有变化，只是各定位腿3的丝杠33伸出长度不相同，以便机器人越过障碍物。

机器人悬停时无需要消耗能源，机器人在爬壁悬停时，如图3所示，将1号腿和2号腿分别在垂直方向上伸直并通过定位腿3的吸附足35吸附定位后，再将3号腿和4号腿分别向垂直方向上缩回并通过定位腿3的吸附足35吸附定位，此时机器人上方的两个定位腿3将对机器人起悬挂作用，机器人下方两个定位腿3抵住机器人运载平台1边沿，四个定位腿3将承受机器人的全部重量及载荷，此时将所有控制电机电源断掉，机器人便保持当前状态不变，实现无功耗悬停。

Claims (5)

1.在1.一种四足爬壁机器人，其特征在于：由运载平台1、行走腿2和定位腿3三部分组成；其中，运载平台1由平台11、伺服关节电机12、控制系统13组成，行走腿2由第一足臂21、伺服关节电机22、第二足臂23、滑环24组成，定位腿3由伺服电机31、定位腿架32，丝杠33、球关节34及吸附足35组成。

2.根据权利要求1所述的一种四足爬壁机器人，其特征在于运载平台1与行走腿2构成平面运动机器人，行走腿2在平面移动，定位腿3是行走腿2在平面运动时的空间定位机构，为独立自由度。

3.根据权利要求1所述的一种四足爬壁机器人，其特征在于，机器人运载平台1的升高和降低由定位腿3调节。

4.根据权利要求1所述的一种四足爬壁机器人，其特征在于，机器人运载平台1运动时，平台11上的四个伺服关节电机12带动第一足臂21完成移动及位置调整，其余电机均断电为自由状态。

5.根据权利要求1所述的一种四足爬壁机器人，其特征在于，行走腿2上的伺服关节电机22只控制第二足臂23，定位腿3进行移动和定位，机器人运载平台1移动时，伺服关节电机22不工作。