CN109732566A - 一种混联双足攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混联双足攀爬机器人，包括两个行走腿和将两个行走腿相连的连接部，所述行走腿包括混联机械臂和设于混联机械臂底部的电磁足部，所述混联机械臂为双联德尔塔机械臂，用于控制电磁足部在行程区域空间内移动，所述电磁足部用于吸附待行走面，所述双联德尔塔机械臂包括上平台、中间平台、下平台、三个驱动臂和三个驱动电机，驱动臂中部通过转动副安装在中间平台上，驱动臂两端分别通过从动臂与上平台和下平台铰接相连，三个驱动臂在中间平台上呈三角形分布，每个驱动臂通过一个对应的驱动电机驱动旋转。本发明既能同面攀爬又能异面攀爬，对地形适应能力强，并且攀爬速度快，越障能力强，承载能力强，适应范围广。

Description

一种混联双足攀爬机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种攀爬机器人，具体涉及一种混联双足攀爬机器人，能进行携带检修，维护装备。

背景技术

目前，机器人的应用范围不断扩大，在军事、制造、航空航天、核能、教育、医疗以及家庭服务等领域里面发挥着越来越重要的作用。在很多行业中，都存在着高空作业的需求，例如风电塔筒的检测、维护与清洁；电力铁塔的检修；通信铁塔的维护；船舶的喷漆、检测和维护；桁架桥梁的检修等等。这些高空作业都具有较高的危险性并且效率低，如果能够使用机器人代替人工进行这些高空作业，将会大大降低风险，提高作业效率，提高经济效益。这就要求机器人具有能够在钢铁材料的表面、钢铁桁架等对象表面攀爬和工作的能力。

申请号为201620465672.4，名称为“风力发电机清洗维护与检测机器人”的专利中，是通过将永磁铁连接到履带上，履带安装在机器人连接架上，然后永磁铁与风力塔筒吸附，机器人通过履带转动而吸附在风电塔筒上面移动。首先机器人上面的永磁铁与风电塔筒之间一直存在着磁力，机器人移动的时候需要不断克服这个磁力，导致功耗增加。同时履带传动需要的更大的功率以及造成更加昂贵的造价。并且该机器人只能沿着风电塔筒竖直向上移动或者在竖直向上方向左右偏离小角度的范围内向上移动，而风电塔筒是圆台状，故作业效率较低。

申请号为201510989345.9，名称“一种铁塔攀爬机器人”的专利中，采用了一种串联结构形式的机器人，具有灵活性高的特点，但是它的运动速度以及负载能力都不高，限制其的应用范围。

申请号为200410016429.6，名称“磁轮吸附式爬壁机器人”的专利中，是通过磁轮形式将机器人吸附在被攀爬物体表面的，具有攀爬速度快的优点，但是采用磁轮形式，使得机器人的越障能力不高，并且磁轮的吸附面积较小，使得磁力利用率不高，导致机器人的负载能力下降。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；一种双足攀爬巡检机器人，能够在风电塔筒、船舶、变电站等钢铁材表面、电力铁塔以及通信铁塔等钢材桁架结构上实现攀爬行走，可以沿着角钢向上攀爬，也可水平移动，并且攀爬速度快，越障能力强，承载能力强，适应范围广，代替人工进行危险的高空作业，减轻了人工劳动力，提高了工作效率以及经济效益。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种混联双足攀爬机器人，其特征在于：包括两个行走腿和将两个行走腿相连的连接部，所述行走腿包括混联机械臂和设于混联机械臂底部的电磁足部，所述混联机械臂为双联德尔塔机械臂，用于控制电磁足部在行程区域空间内移动，所述电磁足部用于吸附待行走面。

作为改进，所述双联德尔塔机械臂包括上平台、中间平台、下平台、三个驱动臂和三个驱动电机，所述驱动臂中部通过转动副安装在中间平台上，驱动臂一端通过一个从动臂与上平台铰接相连，另一端与通过另一个从动臂与下平台铰接相连，三个驱动臂在中间平台上呈三角形分布，上平台上三个从动臂的铰接点以及下平台上三个从动臂的铰接点均为三角形分布，每个驱动臂通过一个对应的驱动电机驱动旋转。

作为改进，所述中间平台上设有供驱动臂转动的避让槽，三个驱动臂所在的转动平面相交于一条线，该交线与中间平台垂直。

作为改进，所述从动臂为平行四边形机构，平行四边形机构相对的两个短边杆对应从动臂的两端，所述驱动臂、上平台和下平台与平行四边形机构的短边杆铰接相连。

作为改进，所述电磁足部包括电磁铁和电磁铁固定板，所述电磁铁固定板通过缓冲装置安装在下平台底部，电磁铁固定在电磁铁固定板。

作为改进，所述缓冲装置包括合页和扭簧，所述电磁铁固定板一端通过合页与下平台相连，另一端通过扭簧与下平台相连。

作为改进，连接两个所述行走腿的连接部为髋关节装置，所述髋关节装置包括两个髋部臂和髋部转动关节，两个髋部臂一端通过转动副在一起，另一端分别通过固定件与两个行走腿的上平台固定相连，所述髋部转动关节安装在两个髋部臂之间，用于驱动两个髋部臂开合运动，从而驱动行走腿的电磁足部的底面处于平行的平面内或者呈夹角的平面内。

作为改进，所述髋关节转动关包括舵机、驱动摆杆和驱动连杆，所述舵机固定安装在一个髋部臂上，所述驱动连杆端部通过转动副安装在另一个髋部臂上，驱动连杆另一端与驱动摆杆一端通过转动副相连，驱动摆杆另一端固定安装在舵机是输出轴上，驱动连杆、驱动摆杆和两个髋部臂一起组成平行四边形机构。

作为改进，所述所述驱动连杆两端分别通过鱼眼轴承与髋部臂和驱动摆杆相连。

因此，本发明具有的优点和积极效果是：

机器人双足采用混联机械臂，结构紧凑，刚度高，承载能力大，累积误差小，精度较高。

驱动电机固定在中间平台上，使得下平台重量较轻，运动惯量小，运动速度高，动态响应好。同时使作用在足部的倾覆力矩小。

混联机械臂作为行走腿使得机构的运动空间大，行走速度快，效率高。

机器人能够自动在作业对象上行走，行走范围广，行走速度快，承载能力强，代替人工，减轻了人工劳动力，提高了工作效率以及经济效益。

本发明能够在风电塔筒、船舶、变电站等钢铁材表面、电力铁塔以及通信铁塔等钢材桁架结构上实现攀爬行走，可以沿着角钢向上攀爬，也可水平移动，并且攀爬速度快，越障能力强，承载能力强，适应范围。

附图说明

图1为本发明混联双足攀爬机器人整体结构示意图；

图2为图1的混联机械臂的结构图；

图3为髋关节装置结构图；

图4为本发明电磁足部结构图；

图5为本发明髋部转动关节轴承座连接剖视图；

图6为本发明驱动臂和平行四边形从动臂组成的支链示意图；

图7为本发明驱动臂在中间平台上分布示意图；

图8.1至图8.3为本发明混联双足攀爬机器人在角钢上行走示意图，其中图8.1为初始状态，两个行走足部的电磁足部吸附在角钢的两个相互垂直的面上，图8.2为一个行走足部的电磁足部失电，行走足部抬起并向目标移动示意图，图8.3为移动的行走足部再次落下，通过电磁足部吸附在角钢上示意图。

图9.1至图9.3为本发明混联双足攀爬机器人在钢板上行走示意图，其中图9.1为初始状态，两个行走足部的电磁足部一前一后吸附在钢板上示意图，图9.2为一个行走足部的电磁足部失电，行走足部抬起并向目标移动示意图，图9.3为移动的行走足部再次落下，通过电磁足部吸附在钢板上示意图。

附图中：1-混联机械臂，2-电磁足部，3-45°固定件，4-髋部臂，5-髋部转动关节，1001-上平台，1002-轴承座，1003-驱动电机，1004-平行四边形从动臂，1005-电机座，1006-驱动臂，1007-驱动轴承座，1008-中间平台，1009-下平台，1010-联轴器，1011-避让槽，1012-长边杆，1013-短边杆，2001-双扭簧，2002-电磁铁，2003-合页，2004-电磁铁固定板，5001-舵机，5002-双头螺杆，5003-鱼眼轴承，5004-髋关节中间轴承座，5005-髋关节轴，5006-髋关节两侧轴承座，5007-驱动摆杆，5008-舵机固定架，5009-挡边轴承，5010-推力球轴承，6-角钢，7-行走腿，8-钢板。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，本发明以两个行走腿7为例进行说明，需要指出的是实际上本发明不限于两个行走腿7，可以是三个或者更多。

一、首先介绍一下本发明的具体结构。

本发明整体结构如图1所示，一种混联双足攀爬机器人，其结构基本左右对称，包括两个行走腿7和将两个行走腿7相连的髋关节装置，所述行走腿7包括混联机械臂1和设于混联机械臂1底部的电磁足部2，总共包括一对髋部臂4，一对混联机械臂1，一个髋部转动关节5，一对电磁足部2，所述混联机械臂1为双联德尔塔(Delta)机械臂，用于控制电磁足部2在行程区域空间内移动，所述电磁足部2用于吸附待行走面，所述髋关节装置用于调整两个电磁足部2的底部面平行或呈一定夹角(本实施例为90度夹角，用于在角钢6的两个相互垂直面上行走)。

如图2所示，混联机械臂1由上平台1001、轴承座1002、驱动电机1003、从动臂、电机座1005、驱动臂1006、驱动轴承座1007、中间平台1008、下平台1009和联轴器1010组成，所述驱动轴承座1007固定安装在中间平台1008上，所述驱动臂1006中部通过转轴安装在驱动轴承座1007内，驱动臂1006一端通过一个从动臂与上平台1001铰接相连，另一端与通过另一个从动臂与下平台1009铰接相连，三个驱动臂1006在中间平台1008上呈三角形分布，上平台1001上三个从动臂的铰接点以及下平台1009上三个从动臂的铰接点均为三角形分布，所述驱动电机1003通过电机座1005固定安装在中间平台1008上，每个驱动电机1003的输出轴通过联轴器1010与相应驱动臂1006中部的转轴相连，驱动电机1003通过联轴器1010驱动相应的驱动臂1006旋转，本实施例中，安装三个驱动臂1006的驱动轴承座1007呈等边三角形分布在中间平台1008上，所述中间平台1008上设有供驱动臂1006转动的避让槽1011，三个驱动臂1006所在的转动平面相交于一条线，该交线与中间平台1008垂直，每个驱动臂1006和其两端的从动臂组成一条支链，上平台1001、中间平台1008和下平台1009之间通三条支链相连组成双联德尔塔机械臂。

更进一步的，如图6所示，所述从动臂为平行四边形从动臂1004，所述平行四边形从动臂1004由两个长边杆1012和两个短边杆1013依次铰接相连组成的平行四边形机构，平行四边形机构相对的两个短边杆1013对应从动臂的两端，平行四边形机构的短边杆1013通过轴承座1002与驱动臂1006、上平台1001或下平台1009相连。

如图3所示，所述髋关节装置包括两个髋部臂4和髋部转动关节5，两个髋部臂4一端通过髋关节两侧轴承座5006和髋关节轴5005安装在一起，在连接点处形成转动副，另一端分别通过45°固定件3与两个行走腿7的上平台1001固定相连，所述髋部转动关节5安装在两个髋部臂4之间，用于驱动两个髋部臂4开合运动，当两个髋部臂4夹角为90度时，两个混联机械臂1的上平台1001平行，也即是两个电磁足部2的底面平行，当两个髋部臂4夹角为180度时，两个混联机械臂1的上平台1001垂直，也即是两个电磁足部2的底面垂直，此时两个行走腿7即可在类似角钢6的两个垂直面上行走。

如图5所示，髋关节中间轴承座5004和髋关节两侧轴承座5006分别固定在一个髋部臂4，在髋关节中间轴承座5004两端分别放一个推力球轴承5010，在髋关节两侧轴承座5006两侧分别放一个挡边轴承5009，最后通过髋关节轴5005将髋关节中间轴承座5004和髋关节两侧轴承座5006连接在一起。

如图3所示，所述髋部转动关节5由舵机5001、双头螺杆5002、鱼眼轴承5003、髋关节中间轴承座5004、髋关节轴5005、髋关节两侧轴承座5006、驱动摆杆5007、舵机固定架5008、挡边轴承5009和推力球轴承5010组成，所述舵机5001固定安装在一个髋部臂4上，所述双头螺杆5002(驱动连杆)一端通过鱼眼轴承5003安装在一个髋部臂4上，另一端通过鱼眼轴承5003安与驱动摆杆5007一端相连，驱动摆杆5007另一端固定在舵机5001的舵盘上，舵机5001通过舵机固定架5008安装在另一个髋部臂4上，所述双头螺杆5002、驱动摆杆5007和两个髋部臂4一起组成平行四边形机构。

如图4所示，所述电磁足部2包括电磁铁2002和电磁铁固定板2004，所述电磁铁固定板2004通过缓冲装置安装在下平台1009底部，电磁铁2002固定在电磁铁固定板2004，所述缓冲装置包括合页2003和双扭簧2001，所述电磁铁固定板2004一端通过合页2003与下平台1009相连，另一端通过双扭簧2001与下平台1009相连。

两个髋部臂4由髋部转动关节5连接并驱动其相互转动，髋部臂4和电磁足部2由混联机械臂1连接并驱动其相互运动；髋部转动关节5由舵机5001通过四连杆机构来驱动，舵机5001通过舵机固定架5008固定在一个髋部臂4的表面，舵机5001通过舵盘与驱动摆杆5007相连，在双头螺杆5002的两端分别连接一个鱼眼轴承5003构成四杆机构的另一个连杆，双头螺杆5002一端连接到另一个髋部臂4，另一端连接到驱动摆杆5007。髋关节中间轴承座5004和髋关节两侧轴承座5006分别固定在一个髋部臂4，在髋关节中间轴承座5004两端分别放一个推力球轴承5010，在髋关节两侧轴承座5006两侧分别放一个挡边轴承5009，最后通过髋关节轴5005将这两个轴承座连接在一起。每条支链的驱动电机1003都通过电机座1005与中间平台1008相连接，同时通过联轴器1010与驱动臂1006相连。驱动臂1006的两端同时分别连接一个平行四边形从动臂1004，平行四边形从动臂1004分别与上平台1001和下平台1009通过轴承座1002相连。单个混联机械臂1中上平台1001数量为1个，中间平台1008数量为1个，下平台1009数量为1个，驱动电机1003数量为3个，电机座1005数量为3个，联轴器1010数量为3个，驱动臂1006为3根，平行四边形从动臂1004为6个，驱动轴承座1007为3个。在电磁足部2，合页2003的一边与混联机械臂1的下平台1009固定，另一边与电磁铁固定板2004相连。在电磁固定板与下平台1009中间，放置一个双扭簧2001，构成缓冲装置，电磁铁2002通过螺钉固定在电磁固定板，通过缓冲装置可以有效缓冲电磁铁2002吸附行走面带来的冲击力，有利于保护各个连杆机构。

二、本发明中混联双足攀爬机器人可实现的动作和功能有：

(1)髋部转动关节5的舵机5001可驱动四连杆机构运动，使得两个混联机械臂1的上平台1001平行或者呈夹角；

(2)混联机械臂1可以实现电磁足部2相对上平台1001(髋部臂4)在三维空间内进行德尔塔机构平动；

(3)当电磁足部2电磁铁2002通电流时产生磁力吸附行走面，或者不通电时不产生磁力，释放行走面。

上述动作(1)(2)(3)能够实现机器人双足行走，并且具备极强的越障能力。机器人在作业对象上进行同面攀爬时候拥有两种攀爬方式。一种是机器人两个行走腿7在同一高度，随后两行走腿7交替运动，使机器人以交叉式步态地攀爬，另一种是，一种是机器人两个行走腿7一前一后布置，前行走腿7和后行走腿7交替运动，使机器人以蠕虫式步态攀爬；还可以通过髋部转动关节5转动，使得两个混联机械臂1的上平台1001呈夹角，使得两个行走腿7的电磁足部2可以分别吸附在两个行走面上，并在两个呈夹角的面上行走。在机器人遇到障碍物的时候，机器人可以任意切换攀爬的步态方式，可以轻松越过障碍物。

下面结合附图对机器人的两种攀爬步态做进一步介绍。同面攀爬具体步骤如下：

(1)如图9.1所示，通过髋部转动关节5转动，使得两个混联机械臂1的上平台1001平行，即两个行走腿7的电磁足部2的底面平行，两个行走腿7的电磁足部2得电，一前一后吸附在钢板8上，将混联双足攀爬机器人的任意一行走腿7的电磁足部2断电，电磁吸附力消失，同时通过双联德尔塔机械臂运动将该电磁足部2抬起。

(2)如图9.2所示，通过双联德尔塔机械臂的运动将该行走腿7的电磁足部2向机器人攀爬方向移动一定距离。

(3)如图9.3所示，将已经移动过的行走腿7的电磁足部2通电，电磁吸附力恢复，使该行走腿7的的电磁足部2与钢板8表面吸附固定。

(4)按照上述步骤(1)至(4)移动另外一个行走腿7。

(5)交替移动两个行走腿7，即可完成混联双足攀爬机器人的行走。

异面攀爬的具体步骤如下：

(1)如图8.1所示，通过髋部转动关节5转动，使得两个混联机械臂1的上平台1001呈夹角，即两个行走腿7的电磁足部2的底面分别与两个攀爬面平行，比如本实施例攀爬行走面为角钢6的两个垂直面，那么通过髋部转动关节5转动，使得两个行走腿7的电磁足部2的底面相互垂直，两个行走腿7的电磁足部2分别吸附在角钢6的两个相互垂直的面上。将混联双足攀爬机器人的任意一行走腿7的电磁足部2断电，电磁吸附力消失，同时通过双联德尔塔机械臂运动将该电磁足部2抬起。

(2)如图8.2所示，通过双联德尔塔机械臂的运动将该行走腿7的电磁足部2向机器人攀爬方向移动一定距离。

(3)如图8.3所示，将已经移动过的行走腿7的电磁足部2通电，电磁吸附力恢复，使该行走腿7的的电磁足部2与角钢6表面吸附固定。

(4)按照上述步骤(1)至(4)移动另外一个行走腿7。

(5)交替移动两个行走腿7，即可完成混联双足攀爬机器人的行走。

需要指出的是，本发明实施例还可以添加控制装置，比如PLC控制器或者MCU，通过PLC控制器或者MCU控制各个驱动电机动作，实现行走腿7的的行走功能，控制电磁足部的通断电与行走腿7的的行走配合，实现机器人整体自动行走。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种混联双足攀爬机器人，其特征在于：包括两个行走腿和将两个行走腿相连的连接部，所述行走腿包括混联机械臂和设于混联机械臂底部的电磁足部，所述混联机械臂为双联德尔塔机械臂，用于控制电磁足部在行程区域空间内移动，所述电磁足部用于吸附待行走面。

2.如权利要求1所述的混联双足攀爬机器人，其特征在于：所述双联德尔塔机械臂包括上平台、中间平台、下平台、三个驱动臂和三个驱动电机，所述驱动臂中部通过转动副安装在中间平台上，驱动臂一端通过一个从动臂与上平台铰接相连，另一端与通过另一个从动臂与下平台铰接相连，三个驱动臂在中间平台上呈三角形分布，上平台上三个从动臂的铰接点以及下平台上三个从动臂的铰接点均为三角形分布，每个驱动臂通过一个对应的驱动电机驱动旋转。

3.如权利要求2所述的混联双足攀爬机器人，其特征在于：所述中间平台上设有供驱动臂转动的避让槽，三个驱动臂所在的转动平面相交于一条线，该交线与中间平台垂直。

4.如权利要求3所述的混联双足攀爬机器人，其特征在于：所述从动臂为平行四边形机构，平行四边形机构相对的两个短边杆对应从动臂的两端，所述驱动臂、上平台和下平台与平行四边形机构的短边杆铰接相连。

5.如权利要求1至4任意一项所述的混联双足攀爬机器人，其特征在于：所述电磁足部包括电磁铁和电磁铁固定板，所述电磁铁固定板通过缓冲装置安装在下平台底部，电磁铁固定在电磁铁固定板。

6.如权利要求5所述的混联双足攀爬机器人，其特征在于：所述缓冲装置包括合页和扭簧，所述电磁铁固定板一端通过合页与下平台相连，另一端通过扭簧与下平台相连。

7.如权利要求5所述的混联双足攀爬机器人，其特征在于：连接两个所述行走腿的连接部为髋关节装置，所述髋关节装置包括两个髋部臂和髋部转动关节，两个髋部臂一端通过转动副在一起，另一端分别通过固定件与两个行走腿的上平台固定相连，所述髋部转动关节安装在两个髋部臂之间，用于驱动两个髋部臂开合运动，从而驱动行走腿的电磁足部的底面处于平行的平面内或者呈夹角的平面内。

8.如权利要求7所述的混联双足攀爬机器人，其特征在于：所述髋关节转动关包括舵机、驱动摆杆和驱动连杆，所述舵机固定安装在一个髋部臂上，所述驱动连杆端部通过转动副安装在另一个髋部臂上，驱动连杆另一端与驱动摆杆一端通过转动副相连，驱动摆杆另一端固定安装在舵机是输出轴上，驱动连杆、驱动摆杆和两个髋部臂一起组成平行四边形机构。

9.如权利要求8所述的混联双足攀爬机器人，其特征在于：所述所述驱动连杆两端分别通过鱼眼轴承与髋部臂和驱动摆杆相连。