CN109969282B - 一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人及其使用方法，包括左前车架、左后车架、右前车架、右后车架和曲面自适应机构，每个车架下面都安装有永磁轮吸附机构，左后和右后车架下方都安装有结构相同的动力传动机构，曲面自适应机构用于车架与车架之间的连接，该爬壁机器人由四个永磁轮稳定吸附在曲面上，其四个车架通过曲面连接机构连接，确保能够在各种曲面上爬行，该爬壁机器人通过控制伺服电机，使得永磁轮转速不同，实现差速转向。

Description

一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人及其使用方法

技术领域

本发明属于机器人的设计技术领域，具体涉及一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人及其使用方法。

背景技术

随着科学技术的发展，国内外对爬壁机器人的研究越来越深入。由于爬壁机器人具有壁面移动能力，使得其在设备维护、检测以及大型建筑外壁清洁等领域具有很大的应用价值。

爬壁机器人主要分为足式、轮式和履带式三大类。足式爬壁机器人易于跨越障碍，但移动速度慢，控制较为复杂。轮式爬壁机器人移动速度快、转向灵活，但要维持一定的吸附力比较困难。履带式爬壁机器人对壁面的适应性强，吸附力强，但外形尺寸较大，重量较大，不易转向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人及其使用方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人，其中：包括左前车架、左后车架、右前车架、右后车架和曲面自适应机构，所述的左前车架和右前车架结构相同，所述的左后车架和右后车架结构相同，每个车架下都安装有结构相同的永磁轮吸附机构，所述的左后车架和右后车架上还安装有结构相同的动力传动机构，所述的曲面自适应机构包括偏转机构和活页铰链，所述的偏转机构包括结构相同的第一偏转机构、第二偏转机构和第三偏转机构，所述的左前车架通过第一偏转机构与左后车架相连接，所述的左后车架通过活页铰链与右后车架连接，所述的右后车架与右前车架通过第二偏转机构连接，所述的右前车架与左前车架通过第三偏转机构连接；

所述的永磁轮吸附机构包括永磁轮，所述的永磁轮中间开设有通孔，所述的通孔内插入长轴，所述的左后车架包裹永磁轮并轴承连接在长轴上，所述的长轴一端开设有平键；

所述的长轴一端连接有动力传动机构，所述的动力传动机构包括从动轮，所述的从动轮套装在长轴上并与长轴键连接，所述的左后车架外侧面安装有主动轮，所述的主动轮中间安装有减速伺服电机，所述的减速伺服电机与主动轮键连接，所述的主动轮与从动轮之间同步带连接并带动从动轮运转，调节减速伺服电机不同的转速，使左后车架和右后车架下方的两个永磁轮转速不同，从而实现差速转向；

所述的活页铰链由第一铰链支架、第二铰链支架和圆柱销组成，所述的第一铰链支架设有凹体，第二铰链支架设有凸体，凸体和凹体侧面均开设有通孔，凸体能插入凹体中，该通孔内插入圆柱销配合连接，所述的第一铰链支架与第二铰链支架能够绕着圆柱销的轴线旋转，所述的第一铰链支架左端螺钉连接在左后车架右侧壁上，所述的第二铰链支架右端螺钉连接在右后车架左侧壁上，连接第二铰链支架和右后车架的螺钉与右后车架之间为间隙配合，使得第二铰链支架能够相对于右后车架与第二铰链支架连接面旋转，连接第一铰链支架和左后车架的螺钉与左后车架之间为间隙配合，使得第一铰链支架能够相对于左后车架与第一铰链支架连接面旋转；

所述的偏转机构包括结构相同的第一偏转机构、第二偏转机构和第三偏转机构，所述的第一偏转机构包括两个套筒、鱼眼杆端关节轴承和几字架，所述的几字架螺钉连接在左后车架前侧壁上，所述的几字架两脚对称位置开设有通孔，螺纹杆穿入几字架的通孔内，在几字架两脚之间的螺纹杆上依次连接有套筒、鱼眼杆端关节轴承和套筒，所述的螺栓尾端连接有拧紧螺母，所述的鱼眼杆端关节轴承的螺纹杆一端通过螺母与左前车架后侧壁螺纹连接；所述的第二偏转机构的几字架螺钉连接在右后车架前侧壁上，所述的鱼眼杆端关节轴承的螺纹杆一端通过螺母与右前车架后侧壁螺纹连接，所述的第三偏转机构的几字架螺钉连接在左前车架右侧壁上，所述的鱼眼杆端关节轴承的螺纹杆一端通过螺母与右前车架左侧壁螺纹连接，所述的偏转机构连接的车架可以绕着螺纹杆进行转动。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的永磁轮吸附机构还包括张紧套。

上述的张紧套包括内衬套和外衬套，所述的外衬套的外壁套装在永磁轮的通孔上，所述的张紧套的内衬套的内孔与长轴相连接。

上述的外衬套和内衬套接触面为斜面，所述的内衬套和外衬套沿长轴方向通过螺钉连接，所述的外衬套通过旋转螺钉向内衬套移动，使内衬套与外衬套相互挤压，从而使永磁轮、两个张紧套和长轴连接在一起。

上述的长轴上永磁轮的两侧还卡装有套杯，所述的套杯与长轴接触部位分别卡装有一对第一深沟球轴承，所述的套杯螺纹连接于车架的外侧壁上。

上述的长轴两端分别安装有卡簧，所述的两个卡簧分别卡装在两对第一深沟球轴承的外侧面。

上述的爬行机器人还包两个结构相同的张紧机构，其分别安装在左后车架和右后车架上，所述的张紧机构包括轴、支撑架、轴端挡圈和第二深沟球轴承，所述的支撑架螺栓固定在车架上，所述的左后车架和右后车架上开设有与轴相匹配的滑槽，所述的轴水平放置，其一端安装在滑槽内，另一端套装有第二深沟球轴承，所述的第二深沟球轴承的外圈压在同步带上，所述的第二深沟球轴承外侧还套装有轴端挡圈。

上述的轴上表面开设有平面，所述的支撑架上开设有通孔，该通孔内插入螺钉，螺钉下端与轴上表面的平面相接触，螺钉上端与支撑架螺纹连接，调整螺钉的松紧使轴在滑槽内上下滑动，并带动第二深沟球轴承的外圈向下压紧或向上远离同步带。

本发明还公布了一种采用上述具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人的工作方法，包括以下步骤：

直线行驶时：

步骤A：调节张紧机构上的螺钉上下移动，带动轴在左后车架和右后车架的滑槽内上下滑动，轴带动第二深沟球轴承压紧或远离同步带，从而调节主从动轮之间的同步带的张紧度。

步骤B：启动减速伺服电机，其驱动主动轮转动，主动轮通过同步带连接带动从动轮运转，从动轮驱动长轴运转，长轴连接带动永磁轮在曲面上运转爬行，第一铰链支架与第二铰链支架能够绕着圆柱销的轴线旋转，鱼眼杆端关节轴承可相对螺纹杆旋转，使爬行机器人四个车架之间可以发生相对位移偏转，从而适应不同曲率的金属表面。

转向时：

步骤A：调节左后和右后驱动装置的减速伺服电机，使左后和右后驱动装置下方的永磁轮转速不同，从而实现差速转向。

本发明一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人的有益效果：

(1)该爬壁机器人由四个永磁轮吸附在曲面上，吸附稳定。

(2)该爬壁机器人四个车架通过两种不同的曲面连接机构连接，确保能够在各种曲面上爬行，曲面适应能力强。

(3)该爬壁机器人通过控制伺服电机，使得永磁轮转速不同，从而实现差速转向，转向灵活。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是驱动装置的结构示意图；

图3是永磁轮吸附机构的结构示意图；

图4是第一偏转机构的结构示意图；

图5是活页铰链的结构示意图；

图6是张紧机构的结构示意图；

图7是本结构在曲面上的正视图；

图8是本结构在曲面上的左视图。

附图标记为：左前车架1、左后车架2、右前车架3、右后车架4、曲面自适应机构5、驱动装置6、偏转机构7、第一偏转机构71、第二偏转机构72、第三偏转机构73、活页铰链8、第一铰链支架81、第二铰链支架82、圆柱销83、永磁轮吸附机构9、永磁轮91、长轴92、平键93、套杯94、内衬套96、外衬套95、第一深沟球轴承97、卡簧98、动力传动机构10、从动轮101、主动轮102、减速伺服电机103、同步带104、套筒11、鱼眼杆端关节轴承12、几字架13、张紧机构14、轴15、支撑架16、轴端挡圈17、第二深沟球轴承18、滑槽19。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

如图1-图8所示，本发明为，其中：包括左前车架1、左后车架2、右前车架3、右后车架4和曲面自适应机构5，所述的左前车架1和右前车架3结构相同，所述的左后车架2和右后车架4结构相同，每个车架下都安装有结构相同的永磁轮吸附机构9，所述的左后车架2和右后车架4上还安装有结构相同的动力传动机构10，所述的曲面自适应机构5包括偏转机构7和活页铰链8，所述的偏转机构包括结构相同的第一偏转机构71、第二偏转机构72和第三偏转机构73，所述的左前车架1通过第一偏转机构71与左后车架2相连接，所述的左后车架2通过活页铰链8与右后车架4连接，所述的右后车架4与右前车架3通过第二偏转机构72连接，所述的右前车架3与左前车架1通过第三偏转机构73连接；

所述的驱动装置6包括永磁轮吸附机构9和动力传动机构10，所述的永磁轮吸附机构9包括永磁轮91，所述的永磁轮91中间开设有通孔，所述的通孔内插入长轴92，所述的左后车架2裹永磁轮91并轴承连接在长轴92上，所述的长轴92一端开设有平键93；

所述的长轴92一端连接有动力传动机构10，所述的动力传动机构10包括从动轮101，所述的从动轮101套装在长轴92上并与长轴92键连接，所述的左后车架1外侧面安装有主动轮102，所述的主动轮102中间安装有减速伺服电机103，所述的减速伺服电机103与主动轮102键连接，所述的主动轮102与从动轮101之间同步带104连接并带动从动轮101运转，调节减速伺服电机103不同的转速，使左后车架2和右后车架4下方的两个永磁轮91转速不同，从而实现差速转向；

所述的活页铰链8由第一铰链支架81、第二铰链支架82和圆柱销83组成，所述的第一铰链支架81设有凹体，第二铰链支架82设有凸体，凸体和凹体侧面均开设有通孔，凸体能插入凹体中，该通孔内插入圆柱销83配合连接，所述的第一铰链支架81与第二铰链支架82能够绕着圆柱销83的轴线旋转，所述的第一铰链支架81左端螺钉连接在左后车架2右侧壁上，所述的第二铰链支架82右端螺钉连接在右后车架4左侧壁上，连接第二铰链支架82和右后车架4的螺钉与右后车架4之间为间隙配合，使得第二铰链支架82能够相对于右后车架4与第二铰链支架82连接面旋转，连接第一铰链支架(81)和左后车架(2)的螺钉与左后车架(2)之间为间隙配合，使得第一铰链支架(81)能够相对于左后车架(2)与第一铰链支架(81)连接面旋转；

所述的偏转机构7包括结构相同的第一偏转机构71、第二偏转机构72和第三偏转机构73，所述的第一偏转机构71包括两个套筒11、鱼眼杆端关节轴承12和几字架13，所述的几字架13螺钉连接在左后车架2前侧壁上，所述的几字架13两脚对称位置开设有通孔，螺纹杆穿入几字架13的通孔内，在几字架13两脚之间的螺纹杆上依次连接有套筒11、鱼眼杆端关节轴承12和套筒11，所述的螺栓尾端连接有拧紧螺母，所述的鱼眼杆端关节轴承12的螺纹杆一端通过螺母与左前车架1后侧壁螺纹连接，所述的第二偏转机构72的几字架13螺钉连接在右后车架4前侧壁上，所述的鱼眼杆端关节轴承12的螺纹杆一端通过螺母与右前车架3后侧壁螺纹连接，所述的第三偏转机构73的几字架13螺钉连接在左前车架1右侧壁上，所述的鱼眼杆端关节轴承12的螺纹杆一端通过螺母与右前车架3左侧壁螺纹连接，所述的偏转机构7连接的车架可以绕着螺纹杆进行转动。

本实施例中，永磁轮吸附机构9还包括张紧套。

本实施例中，张紧套包括内衬套96和外衬套95，所述的外衬套95的外壁套装在永磁轮91的通孔上，所述的张紧套的内衬套96的内孔与长轴92相连接。

本实施例中，外衬套95和内衬套96接触面为斜面，所述的内衬套96和外衬套95沿长轴92方向通过螺钉连接，所述的外衬套95通过旋转螺钉向内衬套96移动，使内衬套96与外衬套95相互挤压，从而使永磁轮91、两个张紧套和长轴92连接在一起。

本实施例中，长轴92上永磁轮91的两侧还卡装有套杯94，所述的套杯94与长轴92接触部位卡装有一对第一深沟球轴承97，所述的套杯94螺纹连接于车架的外侧壁上。

本实施例中，长轴92两端分别安装有卡簧98，所述的两个卡簧98分别卡装在两对第一深沟球轴承97的外侧面。

本实施例中，爬行机器人还包括两个结构相同的张紧机构14，其分别安装在左后车架2和右后车架4上，所述的张紧机构14包括轴15、支撑架16、轴端挡圈17和第二深沟球轴承18，所述的支撑架16螺栓固定在车架上，所述的左后车架2和右后车架4上开设有与轴相匹配的滑槽19，所述的轴15水平放置，其一端安装在滑槽19内，另一端套装有第二深沟球轴承18，所述的第二深沟球轴承18的外圈压在同步带104上，所述的第二深沟球轴承18外侧还套装有轴端挡圈17。

本实施例中，轴15上表面开设有平面，所述的支撑架16上开设有通孔，该通孔内插入螺钉，螺钉下端与轴15上表面的平面相接触，螺钉上端与支撑架16螺纹连接，调整螺钉的松紧使轴15在滑槽19内上下滑动，并带动第二深沟球轴承18的外圈向下压紧或向上远离同步带104。

本发明的工作时，以图1-图8所示，包括如下步骤：

直线行驶时：

步骤A：调节张紧机构14上的螺钉上下移动，带动轴15在左后车架2和右后车架4上的滑槽19内上下滑动，轴15带动第二深沟球轴承18压紧或远离同步带104，从而调节主从动轮之间的同步带104的张紧度。

步骤B：启动减速伺服电机103，其驱动主动轮102转动，主动轮102通过同步带104连接带动从动轮101运转，从动轮101驱动长轴92运转，长轴92连接带动永磁轮91在曲面上运转爬行，第一铰链支架81与第二铰链支架82能够绕着圆柱销83的轴线旋转，鱼眼杆端关节轴承12可相对螺纹杆旋转，使爬行机器人四个车架之间可以发生相对位移偏转，从而适应不同曲率的金属表面。

转向时：

步骤A：调节左后和右后驱动装置6的减速伺服电机103，使左后和右后驱动装置6下方的永磁轮91转速不同，从而实现差速转向。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人，其特征在于：包括左前车架（1）、左后车架（2）、右前车架（3）、右后车架（4）、曲面自适应机构（5）和两个结构相同的张紧机构（14）；所述的左前车架（1）和右前车架（3）结构相同，所述的左后车架（2）和右后车架（4）结构相同，每个车架下都安装有结构相同的永磁轮吸附机构（9），所述的左后车架（2）和右后车架（4）上还安装有结构相同的动力传动机构（10），所述的曲面自适应机构（5）包括偏转机构（7）和活页铰链（8），所述的偏转机构包括结构相同的第一偏转机构（71）、第二偏转机构（72）和第三偏转机构（73），所述的左前车架（1）通过第一偏转机构（71）与左后车架（2）相连接，所述的左后车架（2）通过活页铰链（8）与右后车架（4）连接，所述的右后车架（4）与右前车架（3）通过第二偏转机构（72）连接，所述的右前车架（3）与左前车架（1）通过第三偏转机构（73）连接；

所述的永磁轮吸附机构（9）包括永磁轮（91），所述的永磁轮（91）中间开设有通孔，所述的通孔内插入长轴（92），所述的左后车架（2）包裹永磁轮（91）并轴承连接在长轴（92）上，所述的长轴（92）一端开设有平键（93）；

所述的长轴（92）一端连接有动力传动机构（10），所述的动力传动机构（10）包括从动轮（101），所述的从动轮（101）套装在长轴（92）上并与长轴（92）键连接，所述的左后车架（2）外侧面安装有主动轮（102），所述的主动轮（102）中间安装有减速伺服电机（103），所述的减速伺服电机（103）与主动轮（102）键连接，所述的主动轮（102）与从动轮（101）之间同步带（104）连接并带动从动轮（101）运转，调节减速伺服电机（103）不同的转速，使左后车架（2）和右后车架（4）下方的两个永磁轮（91）转速不同，从而实现差速转向；

所述的活页铰链（8）由第一铰链支架（81）、第二铰链支架（82）和圆柱销（83）组成，所述的第一铰链支架（81）设有凹体，第二铰链支架（82）设有凸体，凸体和凹体侧面均开设有通孔，凸体能插入凹体中，该通孔内插入圆柱销（83）配合连接，所述的第一铰链支架（81）与第二铰链支架（82）能够绕着圆柱销（83）的轴线旋转，所述的第一铰链支架（81）左端螺钉连接在左后车架（2）右侧壁上，所述的第二铰链支架（82）右端螺钉连接在右后车架（4）左侧壁上，连接第二铰链支架（82）和右后车架（4）的螺钉与右后车架（4）之间为间隙配合，使得第二铰链支架（82）能够相对于右后车架（4）与第二铰链支架（82）连接面旋转，连接第一铰链支架（81）和左后车架（2）的螺钉与左后车架（2）之间为间隙配合，使得第一铰链支架（81）能够相对于左后车架（2）与第一铰链支架（81）连接面旋转；

所述的偏转机构（7）包括结构相同的第一偏转机构（71）、第二偏转机构（72）和第三偏转机构（73），所述的第一偏转机构（71）包括两个套筒（11）、鱼眼杆端关节轴承（12）和几字架（13），所述的几字架（13）螺钉连接在左后车架（2）前侧壁上，所述的几字架（13）两脚对称位置开设有通孔，螺纹杆穿入几字架（13）的通孔内，在几字架（13）两脚之间的螺纹杆上依次连接有套筒（11）、鱼眼杆端关节轴承（12）和套筒（11），所述的螺纹杆尾端连接有拧紧螺母，所述的鱼眼杆端关节轴承（12）的螺纹杆一端通过螺母与左前车架（1）后侧壁螺纹连接；所述的第二偏转机构（72）的几字架（13）螺钉连接在右后车架（4）前侧壁上，所述的鱼眼杆端关节轴承（12）的螺纹杆一端通过螺母与右前车架（3）后侧壁螺纹连接；所述的第三偏转机构（73）的几字架（13）螺钉连接在左前车架（1）右侧壁上，所述的鱼眼杆端关节轴承（12）的螺纹杆一端通过螺母与右前车架（3）左侧壁螺纹连接，所述的偏转机构（7）连接的车架可以绕着螺纹杆进行转动；

所述的长轴（92）上永磁轮（91）的两侧还卡装有套杯（94），所述的套杯（94）与长轴（92）接触部位分别卡装有一对第一深沟球轴承（97），所述的套杯（94）螺纹连接于车架的外侧壁上；

两个结构相同的张紧机构（14）分别安装左后车架（2）和右后车架（4）上，所述的张紧机构（14）包括轴（15）、支撑架（16）、轴端挡圈（17）和第二深沟球轴承（18），所述的支撑架（16）螺栓固定在车架上，所述的左后车架（2）和右后车架（4）上开设有与轴相匹配的滑槽（19），所述的轴（15）水平放置，其一端安装在滑槽（19）内，另一端套装有第二深沟球轴承（18），所述的第二深沟球轴承（18）的外圈压在同步带（104）上，所述的第二深沟球轴承（18）外侧还套装有轴端挡圈（17）。

2.根据权利要求1所述的一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人，其特征在于：所述的永磁轮吸附机构（9）还包括张紧套。

3.根据权利要求2所述的一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人，其特征在于：所述的张紧套包括内衬套（96）和外衬套（95），所述的外衬套（95）的外壁套装在永磁轮（91）的通孔上，所述的张紧套的内衬套（96）的内孔与长轴（92）相连接。

4.根据权利要求3所述的一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人，其特征在于：所述的外衬套（95）和内衬套（96）接触面为斜面，所述的内衬套（96）和外衬套（95）沿长轴（92）方向通过螺钉连接，所述的外衬套（95）通过旋转螺钉向内衬套（96）移动，使内衬套（96）与外衬套（95）相互挤压，从而使永磁轮（91）、两个张紧套和长轴（92）连接在一起。

5.根据权利要求1所述的一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人，其特征在于：所述的长轴（92）两端分别安装有卡簧（98），所述的两个卡簧（98）分别卡装在两对第一深沟球轴承（97）的外侧面。

6.根据权利要求1所述的一种具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人，其特征在于：所述的轴（15）上表面开设有平面，所述的支撑架（16）上开设有通孔，该通孔内插入螺钉，螺钉下端与轴（15）上表面的平面相接触，螺钉上端与支撑架（16）螺纹连接，调整螺钉的松紧使轴（15）在滑槽（19）内上下滑动，并带动第二深沟球轴承（18）的外圈向下压紧或向上远离同步带（104）。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的具备曲面吸附功能的四轮爬壁机器人的使用方法：包括以下步骤：

直线行驶时：

步骤A：调节张紧机构（14）上的螺钉上下移动，带动轴（15）在左后车架2和右后车架4上的滑槽（19）内上下滑动，轴（15）带动第二深沟球轴承（18）压紧或远离同步带（104），从而调节主从动轮之间的同步带（104）的张紧度；

步骤B：启动减速伺服电机（103），其驱动主动轮（102）转动，主动轮（102）通过同步带（104）连接带动从动轮（101）运转，从动轮（101）驱动长轴（92）运转，长轴（92）连接带动永磁轮（91）在曲面上运转爬行，第一铰链支架（81）与第二铰链支架（82）能够绕着圆柱销（83）的轴线旋转，鱼眼杆端关节轴承（12）可相对螺纹杆旋转，使爬行机器人四个车架之间可以发生相对位移偏转，从而适应不同曲率的金属表面；

转向时：

步骤A：调节左后和右后驱动装置（6）的减速伺服电机（103），使左后和右后驱动装置（6）下方的永磁轮（91）转速不同，从而实现差速转向。