CN109455242B - 一种模块化的柔性爬墙机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化的柔性爬墙机器人。本发明包括四个脚模块、四个伸缩模块和四个连接模块，每个连接模块由三块两两相邻且两两垂直的安装板固定连接构成，连接模块底面固定连接一脚模块，每相邻两个连接模块之间通过伸缩模块连接，使得四个伸缩模块和四个连接模块沿环形轴向交替连接构成方形结构；伸缩模块由顺时针扭转执行器和逆时针扭转执行器对接组成，扭转执行器的侧边曲面密封包围连接在上底面和下底面周围之间，使得整个扭转执行器形成密封气室；脚模块主要由增设了吸盘与吸盘硅胶管的扭转执行器组成。本发明可以分别采用行走步态、蠕动步态、旋转步态多种运动模式，在柔顺性、灵活性、承受冲击能力方面比传统机器人有了较大改进。
Description
技术领域
本发明属于柔性机器人领域，具体涉及一种模块化的柔性爬墙机器人。
背景技术
传统的刚体爬墙机器人，在工作中可能会在玻璃墙面上留下划痕，工作中掉落下来容易损坏，而软体机器人由于自身固有的柔性，能承受较大的冲击，可以弥补现有刚体爬墙机器人的不足。针对以上情况，有必要研究一种新型的柔性爬墙机器人来解决这些问题。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种模块化的柔性爬墙机器人，用于清理玻璃墙面或在玻璃墙面上运送物体。
本发明采用的技术方案如下：
本发明包括四个脚模块、四个伸缩模块和四个连接模块，每个连接模块主要由三块两两相邻且两两垂直的安装板固定连接构成；每个连接模块中，其中一块安装板水平布置，另外两块安装板竖直布置；每个连接模块中水平布置的安装板底面固定连接一脚模块，每相邻两个连接模块的一块竖直布置的安装板之间通过伸缩模块连接，从而使得四个伸缩模块和四个连接模块沿环形轴向交替连接构成方形结构。
所述伸缩模块主要由顺时针扭转执行器和逆时针扭转执行器通过各自的下底面对接组成，顺时针扭转执行器的下底面和逆时针扭转执行器的下底面均安装有大连接片，顺时针扭转执行器的上底面和逆时针扭转执行器的上底面均安装有小连接片。
所述扭转执行器包括上底面、侧边曲面和下底面，上底面尺寸小于下底面尺寸，侧边曲面密封包围连接在上底面和下底面周围之间，使得整个扭转执行器形成密封气室，上底面中间设有一个孔，气室硅胶管插装连接于孔。
所述脚模块主要由增设了吸盘与吸盘硅胶管的扭转执行器组成，扭转执行器上底面中间增设了另一个孔，吸盘硅胶管插装连接于另一个孔，扭转执行器下底面中间增设有一个孔，吸盘安装于下底面开孔位置处。
所述气室硅胶管连接到外部气源，气室硅胶管与气源连接后，对气室抽真空，扭转执行器的侧边曲面正向扭转同时带动上底面和下底面之间的距离变近，即使得扭转执行器边旋转边降低高度，气源对气室充气后，侧边曲面反向扭转同时带动上底面和下底面之间的距离变远，即使得扭转执行器边旋转边增加高度；所述顺时针扭转执行器的侧边曲面沿顺时针方向扭转，逆时针扭转执行器的侧边曲面沿逆时针方向扭转。
所述吸盘硅胶管连接到外部气源，吸盘硅胶管与气源连接后，对吸盘和接触面之间抽真空，吸盘对接触面的抓取力增大，气源对吸盘充气后，吸盘和接触面之间气压恢复大气压，吸盘对接触面的抓取力减小。
每块所述的安装板中间均开有一个大孔，脚模块的气室硅胶管和吸盘硅胶管均从水平布置的安装板的大孔穿出连接到外部气源，伸缩模块的气室硅胶管从竖直布置的安装板的大孔穿出；安装板四个角均开有一个小孔用于螺栓穿过，四只脚模块和四个伸缩模块通过螺栓固定于安装板上。
所述小连接片与大连接片均为四个角开有螺纹孔的正方形环状结构，四个角分别开有一个小孔，螺栓从小孔穿过，小连接片通过螺栓与连接模块相连，顺时针扭转执行器和逆时针扭转执行器通过穿过大连接片小孔的螺栓相连。
柔性爬墙机器人可以采用行走步态、蠕动步态在墙面上向前、向后、向左、向右运动；爬墙机器人可以采用旋转步态在墙面上顺时针旋转、逆时针旋转。
本发明的有益效果是：
本发明以扭转执行器作为基本运动模块，将多个扭转执行器组装成一个柔性爬墙机器人，设计了行走步态、蠕动步态、旋转步态多种新的运动方式。
本发明提供的柔性爬墙机器人可以在光滑的墙面上工作，且能承受从高处掉落的冲击；在柔顺性、灵活性、承受冲击能力方面比传统的刚性爬墙机器人有了较大改进，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图；
图2是连接模块的结构示意图；
图3是伸缩模块的变形示意图；
图4是逆时针和顺时针扭转执行器的变形示意图；
图5是脚模块的结构示意图；
图6是小连接片和大连接片的结构示意图；
图7是柔性爬墙机器人采用行走步态向前运动示意图；
图8是柔性爬墙机器人采用行走步态向后运动示意图；
图9是柔性爬墙机器人采用行走步态向左运动示意图；
图10是柔性爬墙机器人采用行走步态向右运动示意图；
图11是柔性爬墙机器人采用蠕动步态向前运动示意图；
图12是柔性爬墙机器人采用蠕动步态向后运动示意图；
图13是柔性爬墙机器人采用蠕动步态向左运动示意图；
图14是柔性爬墙机器人采用蠕动步态向右运动示意图；
图15是柔性爬墙机器人采用旋转步态顺时针旋转的运动示意图；
图16是柔性爬墙机器人采用旋转步态逆时针旋转的运动示意图。
1、A脚模块，2、B脚模块，3、C脚模块，4、D脚模块，5、A伸缩模块，6、B伸缩模块，7、C伸缩模块，8、D伸缩模块，9、连接模块，10、小连接片，11、逆时针执行器，12、大连接片，13、顺时针执行器，14、气室硅胶管，15、上底面，16、侧边曲面，17、下底面，18、吸盘硅胶管，19、吸盘。
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所示，本发明机器人具体实施包括四个脚模块、四个伸缩模块和四个连接模块9，每个连接模块9主要由三块两两相邻且两两垂直的安装板固定连接构成；每个连接模块9中，其中一块安装板水平布置，另外两块安装板竖直布置；每个连接模块9中水平布置的安装板底面固定连接一脚模块，每相邻两个连接模块9的一块竖直布置的安装板之间通过伸缩模块连接，从而使得四个伸缩模块和四个连接模块9沿环形轴向交替连接构成方形结构。
如图2所示，每块所述的安装板中间均开有一个大孔，脚模块的气室硅胶管14和吸盘硅胶管18均从水平布置的安装板的大孔穿出连接到外部气源，伸缩模块的气室硅胶管14从竖直布置的安装板的大孔穿出；安装板四个角均开有一个小孔用于螺栓穿过，四只脚模块和四个伸缩模块通过螺栓固定于安装板上。
具体实施中，对于某个连接模块9，其中一块竖直布置的安装板的外侧面与一伸缩模块的一端固定连接，一伸缩模块的另一端和另一个连接模块9的一块竖直布置的安装板固定连接。
如图3所示，伸缩模块主要由顺时针扭转执行器13和逆时针扭转执行器11通过各自的下底面17对接组成，顺时针扭转执行器13的下底面17和逆时针扭转执行器11的下底面17均安装有大连接片12，顺时针扭转执行器13的上底面15和逆时针扭转执行器11的上底面15均安装有小连接片10。
如图4所示，扭转执行器包括上底面15、侧边曲面16和下底面17，上底面15尺寸小于下底面17尺寸，侧边曲面16密封包围连接在上底面15和下底面17周围之间，使得整个扭转执行器形成密封气室，上底面15中间设有一个孔，气室硅胶管14插装连接于孔；气室硅胶管14连接到外部气源，气室硅胶管14与气源连接后，对气室抽真空，扭转执行器的侧边曲面16正向扭转同时带动上底面15和下底面17之间的距离变近，即使得扭转执行器边旋转边降低高度，气源对气室充气后，侧边曲面16反向扭转同时带动上底面15和下底面17之间的距离变远，即使得扭转执行器边旋转边增加高度；所述顺时针扭转执行器13的侧边曲面16沿顺时针方向扭转，逆时针扭转执行器11的侧边曲面16沿逆时针方向扭转。
如图5所示，脚模块主要由增设了吸盘19与吸盘硅胶管18的扭转执行器组成，扭转执行器上底面15中间增设了另一个孔，吸盘硅胶管18插装连接于另一个孔，扭转执行器下底面17中间增设有一个孔，吸盘19安装于下底面17开孔位置处；吸盘硅胶管18连接到外部气源，吸盘硅胶管18与气源连接后，对吸盘和接触面之间抽真空，吸盘对接触面的抓取力增大，使得吸盘与接触面的摩擦力增大，气源对吸盘充气后，吸盘和接触面之间气压恢复大气压，吸盘对接触面的抓取力减小，使得吸盘与接触面的摩擦力减小。
如图6所示，小连接片10与大连接片12均为四个角开有螺纹孔的正方形环状结构，四个角分别开有一个小孔，螺栓从小孔穿过，小连接片10通过螺栓与连接模块9相连，顺时针扭转执行器11和逆时针扭转执行器13通过穿过大连接片12小孔的螺栓相连。
具体实施中，A脚模块模块1、C脚模块模块3、D脚模块模块4与B脚模块模块2沿环形轴向交替连接形成正方形，A脚模块模块1的连接模块9与C脚模块模块3的连接模块9之间连接有A伸缩模块5，C脚模块模块3的连接模块9与D脚模块模块4的连接模块9之间连接有D伸缩模块8，D脚模块模块4的连接模块9与B脚模块模块2的连接模块9之间连接有B伸缩模块6，B脚模块模块2的连接模块9与A脚模块模块1的连接模块9之间连接有C伸缩模块7。
本发明的柔性爬墙机器人置于玻璃墙面上，按照以下方式进行运动：
实施过程1
柔性爬墙机器人采用行走步态向前爬行，工作过程如图7所示。
状态0：所有扭转执行器接大气压，A脚模块模块1、B脚模块模块2、C脚模块模块3、D脚模块模块4的吸盘19接负压，爬墙机器人吸在墙面上；
状态1：A脚模块1的吸盘19接大气压，A脚模块1与墙面的摩擦力减小；
状态2：A脚模块1的气室接负压，A脚模块1收缩抬起从而脱离墙面；
状态3：A伸缩模块5的两个扭转执行器的气室接负压，A伸缩模块7的两个扭转执行器共同收缩从而带动A脚模块1向前运动；
状态4：A脚模块1的气室接大气压，A脚模块1与墙面接触；
状态5：A脚模块1的吸盘19接负压，A脚模块1吸在墙面上，B脚模块2的吸盘19接大气压，B脚模块2与墙面的摩擦力减小；
状态6：B脚模块2的气室接负压，B脚模块2收缩抬起从而脱离墙面；
状态7：B伸缩模块6的两个扭转执行器的气室接负压，B伸缩模块6的两个扭转执行器共同收缩从而带动B脚模块2向前运动；
状态8：B脚模块2的气室接大气压，B脚模块2与墙面接触；
状态9：B脚模块2的吸盘19接负压，B脚模块2吸在墙面上，C脚模块3的吸盘19接大气压，C脚模块3与墙面的摩擦力减小；
状态10：C脚模块3的气室接负压，C脚模块3收缩抬起从而脱离墙面；
状态11：A伸缩模块5的两个扭转执行器的气室接大气压，A伸缩模块5的两个扭转执行器恢复原形从而带动C脚模块3向前运动；
状态12：C脚模块3的气室接大气压，C脚模块3与墙面接触；
状态13：C脚模块3的吸盘19接负压，C脚模块3吸在墙面上，D脚模块4的吸盘19接大气压，D脚模块4与墙面的摩擦力减小；
状态14：D脚模块4的气室接负压，D脚模块4收缩抬起从而脱离墙面；
状态15：B伸缩模块6的两个扭转执行器的气室接大气压，B伸缩模块6的两个扭转执行器恢复原形从而带动D脚模块4向前运动；
状态16：D脚模块4的气室接大气压，D脚模块4与墙面接触。
重复状态0-16，柔性爬墙机器人就可以采用行走步态在墙面上向前爬。
如图8所示，将A脚模块1和D脚模块4的运动互换、B脚模块2和C脚模块3的运动互换、A伸缩模块和B伸缩模块的运动互换，柔性爬墙机器人就可以在墙面上采用行走步态向后爬。
如图9所示，将B脚模块2改为A脚模块1的运动、D脚模块4改为B脚模块2的运动、A脚模块1改为C脚模块3的运动、C脚模块3改为D脚模块4的运动、C伸缩模块7改为A伸缩模块5的运动、D伸缩模块8改为B伸缩模块6的运动，柔性爬墙机器人就可以在墙面上采用行走步态向左爬。
如图10所示，将C脚模块3改为A脚模块1的运动、A脚模块1改为B脚模块2的运动、D脚模块4改为C脚模块3的运动、B脚模块2改为D脚模块4的运动、D伸缩模块8改为A伸缩模块5的运动、C伸缩模块7改为B伸缩模块6的运动，柔性爬墙机器人就可以在墙面上采用行走步态向右爬。
实施过程2
柔性爬墙机器人在墙面采用蠕动步态向前爬行，工作过程如图11所示。
状态0：所有扭转执行器接大气压，A脚模块1、B脚模块2、C脚模块3、D脚模块4的吸盘19接负压，爬墙机器人吸在墙面上；
状态1：A脚模块1和B脚模块2的吸盘19接大气压，A脚模块1和B脚模块2与墙面的摩擦力减小；
状态2：A脚模块1和B脚模块2的气室同时接负压，A脚模块1和B脚模块2同时收缩抬起从而脱离墙面；
状态3：A伸缩模块5和B伸缩模块6的扭转执行器气室接负压，A伸缩模块5和B伸缩模块6的扭转执行器同时收缩，从而带动A脚模块1和B脚模块2向前运动；
状态4：A脚模块1和B脚模块2的气室接大气压，A脚模块1和B脚模块2与墙面接触；
状态5：A脚模块1和B脚模块2的吸盘19接负压，A脚模块1和B脚模块2吸在墙面上；
状态6：C脚模块3和D脚模块4的吸盘19接大气压，C脚模块3和D脚模块4与墙面的摩擦力减小；
状态7：C脚模块3和D脚模块4的气室接负压，C脚模块3和D脚模块4同时收缩抬起从而脱离墙面；
状态8：A伸缩模块5和B伸缩模块6的扭转执行器气室接大气压，A伸缩模块5和B伸缩模块6的扭转执行器恢复原形，从而推动C脚模块3和D脚模块4向前运动；
状态9：C脚模块3和D脚模块4的气室接大气压，C脚模块3和D脚模块4与墙面接触；
重复状态0-9，柔性爬墙机器人就可以采用蠕动步态在墙面上向前爬。
如图12所示，将A脚模块1和D脚模块4的运动互换、B脚模块2和C脚模块3的运动互换，柔性爬墙机器人就可以在墙面上采用蠕动步态向后爬。
如图13所示，将B脚模块2改为A脚模块1的运动、D脚模块4改为B脚模块2的运动、A脚模块1改为C脚模块3的运动、C脚模块3改为D脚模块4的运动、C伸缩模块7改为A伸缩模块5的运动、D伸缩模块8改为B伸缩模块6的运动，柔性爬墙机器人就可以在墙面上采用蠕动步态向左爬。
如图14所示，将C脚模块3改为A脚模块1的运动、A脚模块1改为B脚模块2的运动、D脚模块4改为C脚模块3的运动、B脚模块2改为D脚模块4的运动、D伸缩模块8改为A伸缩模块5的运动、C伸缩模块7改为B伸缩模块6的运动，柔性爬墙机器人就可以在墙面上采用蠕动步态向右爬。
实施过程3
柔性爬墙机器人在墙面采用旋转步态顺时针旋转，工作过程如图15所示。
状态0：所有扭转执行器接大气压，A脚模块1、B脚模块2、C脚模块3、D脚模块4的吸盘19接负压，爬墙机器人吸在墙面上；
状态1：A脚模块1和D脚模块4的吸盘19接大气压，A脚模块1和D脚模块4与墙面的摩擦力减小；
状态2：A脚模块1和D脚模块4的气室接负压，A脚模块1和D脚模块4收缩抬起从而脱离墙面；
状态3：C伸缩模块7的执行器气室接负压，带动A脚模块1向右移动，D伸缩模块8的执行器气室接负压的，带动D脚模块4向左移动；
状态4：C伸缩模块7和D伸缩模块8的执行器气室接大气压，同时A伸缩模块5和B伸缩模块6的执行器气室接负压，从而带动A脚模块1和D脚模块4沿顺时针方向运动；
状态5：A伸缩模块5和B伸缩模块6的执行器气室接大气压，A脚模块1和D脚模块4的气室接大气压，A脚模块1和D脚模块4与墙面接触；
状态6：A脚模块1和D脚模块4的吸盘19接负压，A脚模块1和D脚模块4吸在墙面上；
状态7：B脚模块2和C脚模块3的吸盘19接大气压，B脚模块2和C脚模块3与墙面的摩擦力减小；
状态8：B脚模块2和C脚模块3的气室接负压，B脚模块2和C脚模块3收缩抬起从而脱离墙面；
状态9：A伸缩模块5和B伸缩模块6的执行器气室接大气压，同时C伸缩模块7和D伸缩模块8的执行器气室接负压，从而带动B脚模块2和C脚模块3沿顺时针方向运动；
状态10：B脚模块2和C脚模块3的气室接大气压，B脚模块2和C脚模块3与墙面接触；
状态11：B脚模块2和C脚模块3的吸盘19接负压，B脚模块2和C脚模块3吸在墙面上；
状态12：A脚模块1和D脚模块4的吸盘19接大气压，A脚模块1和D脚模块4与墙面的摩擦力减小；A脚模块1和D脚模块4的气室接负压，A脚模块1和D脚模块4收缩抬起从而脱离墙面。
重复状态4-12，柔性爬墙机器人就可以采用旋转步态在墙面上顺时针旋转。
如图16所示，将C伸缩模块7和A伸缩模块5的运动互换、D伸缩模块8和B伸缩模块6的运动互换，柔性爬墙机器人就可以采用旋转步态在墙面上逆时针旋转。
Claims (6)
1.一种模块化的柔性爬墙机器人，其特征在于，包括四个脚模块、四个伸缩模块和四个连接模块(9)，每个连接模块(9)主要由三块两两相邻且两两垂直的安装板固定连接构成；每个连接模块(9)中，其中一块安装板水平布置，另外两块安装板竖直布置；每个连接模块(9)中水平布置的安装板底面固定连接一脚模块，每相邻两个连接模块(9)的一块竖直布置的安装板之间通过伸缩模块连接，从而使得四个伸缩模块和四个连接模块(9)沿环形轴向交替连接构成方形结构；
所述伸缩模块主要由顺时针扭转执行器(13)和逆时针扭转执行器(11)通过各自的下底面(17)对接组成，顺时针扭转执行器(13)的下底面(17)和逆时针扭转执行器(11)的下底面(17)均安装有大连接片(12)，顺时针扭转执行器(13)的上底面(15)和逆时针扭转执行器(11)的上底面(15)均安装有小连接片(10)；
所述顺时针扭转执行器/逆时针扭转执行器(13/11)包括上底面(15)、侧边曲面(16)和下底面(17)，上底面(15)尺寸小于下底面(17)尺寸，侧边曲面(16)密封包围连接在上底面(15)和下底面(17)周围之间，使得整个顺时针扭转执行器/逆时针扭转执行器(13/11)形成密封气室，上底面(15)中间设有一个孔，气室硅胶管(14)插装连接于孔；
所述脚模块主要由增设了吸盘(19)与吸盘硅胶管(18)的顺时针扭转执行器/逆时针扭转执行器(13/11)组成，顺时针扭转执行器/逆时针扭转执行器(13/11)上底面(15)中间增设了另一个孔，吸盘硅胶管(18)插装连接于另一个孔，顺时针扭转执行器/逆时针扭转执行器(13/11)下底面(17)中间增设有一个孔，吸盘(19)安装于下底面(17)开孔位置处。
2.根据权利要求1所述的模块化的柔性爬墙机器人，其特征在于，所述气室硅胶管(14)连接到外部气源，气室硅胶管(14)与气源连接后，对气室抽真空，顺时针扭转执行器/逆时针扭转执行器(13/11)的侧边曲面(16)正向扭转同时带动上底面(15)和下底面(17)之间的距离变近，即使得顺时针扭转执行器/逆时针扭转执行器(13/11)边旋转边降低高度，气源对气室充气后，侧边曲面(16)反向扭转同时带动上底面(15)和下底面(17)之间的距离变远，即使得顺时针扭转执行器/逆时针扭转执行器(13/11)边旋转边增加高度；所述顺时针扭转执行器(13)的侧边曲面(16)沿顺时针方向扭转，逆时针扭转执行器(11)的侧边曲面(16)沿逆时针方向扭转。
3.根据权利要求1所述的模块化的柔性爬墙机器人，其特征在于，所述吸盘硅胶管(18)连接到外部气源，吸盘硅胶管(18)与气源连接后，对吸盘和接触面之间抽真空，吸盘对接触面的抓取力增大，气源对吸盘充气后，吸盘和接触面之间气压恢复大气压，吸盘对接触面的抓取力减小。
4.根据权利要求1所述的一种模块化的柔性爬墙机器人，其特征在于，每块所述的安装板中间均开有一个大孔，脚模块的气室硅胶管(14)和吸盘硅胶管(18)均从水平布置的安装板的大孔穿出连接到外部气源，伸缩模块的气室硅胶管(14)从竖直布置的安装板的大孔穿出；安装板四个角均开有一个小孔用于螺栓穿过，四只脚模块和四个伸缩模块通过螺栓固定于安装板上。
5.根据权利要求1所述的一种模块化的柔性爬墙机器人，其特征在于，小连接片(10)与大连接片(12)均为四个角开有螺纹孔的正方形环状结构，四个角分别开有一个小孔，螺栓从小孔穿过，小连接片(10)通过螺栓与连接模块(9)相连，顺时针扭转执行器(11)和逆时针扭转执行器(13)通过穿过大连接片(12)小孔的螺栓相连。
6.根据权利要求1所述的一种模块化的柔性爬墙机器人，其特征在于，柔性爬墙机器人采用行走步态、蠕动步态在墙面上向前、向后、向左、向右运动；爬墙机器人可以采用旋转步态在墙面上顺时针旋转、逆时针旋转。
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