CN110155201B - 一种柔性仿生的气动爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性仿生的气动爬壁机器人，涉及机器人技术领域。该爬壁机器人包括位于头部的转向柔性机构、位于尾部的直行仿生机构以及吸附机构。爬壁机器人在行进运动时，可分为直线行进模式和转弯行进模式。通过对柔性关节的控制可以实现爬壁机器人的转弯动作，使得爬壁机器人在转弯行进模式下具有良好的柔顺性和灵活性；基于仿生学原理设计了气缸驱动仿生关节，使得爬壁机器人的直线行进运动与尺蠖爬行前进的运动原理相似，因此爬壁机器人在直线行进模式下具有很强的仿生性，对爬壁环境的适应能力更强。

Description

一种柔性仿生的气动爬壁机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种柔性仿生的气动爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人是一种能够在倾斜或垂直壁面进行移动作业的特种机器人，通常应用于高空风叶检测、船体喷涂与检测、高层建筑玻璃清洗、工业大型储罐检测、外太空作业以及反恐救援等极限环境，从而避免了人工作业的危险性。

目前的爬壁机器人根据移动方式的不同可分为轮式、履带式、足式以及混合形式，依据吸附方式的不同又可分为负压吸附、磁吸附、真空吸附以及其它吸附形式。单一的轮式或履带式运动机构移动速度快但适应曲面能力有限，单一的足式爬壁机器人的综合攀爬能力和灵活性强但移动速度慢。负压吸附爬壁机器人适应能力较强，对壁面的平整度要求不高，但吸附力有限；磁吸附爬壁机器人能够产生可观的吸附力，但只适用于导磁壁面；真空吸附爬壁机器人适用于较为平整的壁面，应用相对较广，技术最为成熟。

随着爬壁机器人技术的不断发展，人们对爬壁机器人的功能性、灵活性等提出了更高的要求。仿生机器人具有灵活性强、柔顺性好等优点，将生物仿生学应用于爬壁机器人的结构优化，是提高爬壁机器人运动性能的一个重要研究方向。

发明内容

本发明为解决当前爬壁机器人因结构特点而存在的或适应能力有限、或移动速度有限、且缺乏仿生机器人所具有的灵活性和柔顺性等不足，而提供的一种柔性仿生的气动爬壁机器人。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种柔性仿生的气动爬壁机器人，其特征在于：包括位于头部的转向柔性机构、位于尾部的直行仿生机构以及吸附机构；

转向柔性机构，包括前后平行设置的前横梁和后横梁，于前、后横梁之间设有柔性关节；所述柔性关节具有间隔且呈镜像设置的两组，所述柔性关节的前端与前横梁活动连接，后端与后横梁固定，每一柔性关节由一气动系统单独控制，通过每一柔性关节变形后直线长度的改变，分别用于驱动前横梁向左转向和向右转向；

直行仿生机构，包括导行杆、连接轴、支撑臂和直行气缸；所述导行杆与转向柔性机构位于同一爬行面内，其前端固定于后横梁的中部，其后端沿其长度开设有第二调节长孔；所述连接轴包括平行设置的前轴体和后轴体，所述前轴体与导行杆的前端固定，所述后轴体位于第二调节长孔内，且后轴体的中部截面呈与第二调节长孔相匹配的矩形，所述前轴体和后轴体的两端均等长延伸至导行杆的两侧；所述支撑臂包括呈夹角设置的前支臂和后支臂，所述前支臂与后支臂的上端铰接，且于二者之间固定有用于驱动二者夹角复位缩小的第二弹簧体，所述前支臂和后支臂的下端分别与前轴体和后轴体可转动连接；所述直行气缸连接有气动系统，用于驱动两支撑臂夹角改变；

吸附机构，与爬行面垂直设置，包括至少固定于前横梁两端的第一吸盘、固定于前轴体或后横梁两端的第二吸盘、以及固定于后轴体两端的第三吸盘，每一组吸盘连接有一独立控制的真空吸附系统。

进一步的技术方案在于：每一所述柔性关节包括前连接件、后连接件、板弹簧和转向气缸；所述前连接件呈钝角结构，其开口朝内设置，于前连接件的前端开设有第一调节长孔，所述第一调节长孔与前横梁通过竖直设置的第一轴体活动连接；所述后连接件与后横梁固定；所述板弹簧的两端分别与前连接件和后连接件固定；所述转向气缸连接有气动系统，其两端借助L形的支座固定于板弹簧的外侧，所述转向气缸与支座铰接，且转向气缸与板弹簧之间具有空间。

进一步的技术方案在于：所述第一调节长孔内固定有能够被第一轴体压缩的第一弹簧体。

进一步的技术方案在于：所述板弹簧为变截面式。

进一步的技术方案在于：所述直行气缸为带有磁石的微型气缸，并配合有磁性开关协同工作。

进一步的技术方案在于：所述转向气缸和直行气缸为带有磁石的微型气缸，并配合有磁性开关协同工作。

进一步的技术方案在于：所述支撑臂具有对称设于导行杆两侧的两组。

进一步的技术方案在于：于两前支臂之间固定有一转杆，所述直行气缸的一端与转杆的中部可转动连接，另一端通过U形连接件与后轴体可转动连接。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

该爬壁机器人具有仿生性的直线行进模式和具有柔顺性的转弯行进模式。

直线行进模式通过直行仿生机构实现，基于仿生学原理设计了气缸驱动仿生关节，使得爬壁机器人的直线行进运动与尺蠖爬行前进的运动原理相似，通过改变支撑臂的夹角，模仿尺蠖的屈、伸，从而使爬壁机器人在直线行进模式下具有很强的仿生性。并且可通过控制支撑臂夹角改变的大小，可对爬壁机器人的行进速度进行调节，可避开不平整的墙面，提高爬壁的稳定性，对爬壁环境的适应能力更好。

转弯行进模式通过转向柔性机构实现，通过驱动单侧的柔性关节变形，可实现爬壁机器人转弯，并可通过控制柔性关节的变形量，实现不同角度的转弯，灵活性更高，使侦察、喷涂、清洁等作业效果更好。

另外，该爬壁机器人的直行及转弯驱动均采用气动控制，其操作、结构简单，无需大量精确传感器，制造成本低。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明中爬壁机器人的结构示意图；

图2是本发明中爬壁机器人的俯视结构示意图；

图3是本发明中爬壁机器人的主视结构示意图；

图4是本发明中后轴体的结构示意图；

图5是本发明中柔性关节的结构示意图；

图6-1是本发明中爬壁机器人在直线行进模式下的初始状态示意图；

图6-2是本发明中爬壁机器人在直线行进模式下行进一个步距的状态示意图；

图7-1是本发明中爬壁机器人在转弯行进模式下的初始状态示意图；

图7-2是本发明中爬壁机器人在转弯行进模式下左转向的状态示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1～图4所示，一种柔性仿生的气动爬壁机器人，包括位于头部的转向柔性机构、位于尾部的直行仿生机构以及吸附机构。该爬壁机器人具有仿生性的直线行进模式和具有柔顺性的转弯行进模式，可以搭载摄像头、喷头、擦洗装置等负载，完成诸如侦察、喷涂、清洁等作业，可扩展性强，具有实用价值。

转弯行进模式通过转向柔性机构实现，转向柔性机构包括前后平行设置的前横梁101和后横梁102，于前、后横梁102之间设有柔性关节103；所述柔性关节103具有间隔且呈镜像设置的两组，所述柔性关节103的前端与前横梁101活动连接，后端与后横梁102固定，每一柔性关节103由一气动系统单独控制，通过每一柔性关节103变形后直线长度的改变，分别用于驱动前横梁101向左转向和向右转向。直线行进模式通过直行仿生机构实现，直行仿生机构包括导行杆201、连接轴、支撑臂202和直行气缸203；所述导行杆201与转向柔性机构位于同一爬行面内，其前端固定于后横梁102的中部，其后端沿其长度开设有第二调节长孔；所述连接轴包括平行设置的前轴体204和后轴体205，所述前轴体204与导行杆201的前端固定，所述后轴体205位于第二调节长孔内，且后轴体205的中部截面呈与第二调节长孔相匹配的矩形，所述前轴体204和后轴体205的两端均等长延伸至导行杆201的两侧；所述支撑臂202包括呈夹角设置的前支臂2021和后支臂2022，所述前支臂2021与后支臂2022的上端铰接，且于二者之间固定有用于驱动二者夹角复位缩小的第二弹簧体，所述前支臂2021和后支臂2022的下端分别与前轴体204和后轴体205可转动连接；所述直行气缸203连接有气动系统，用于驱动两支撑臂202夹角改变。

吸附机构用于将爬壁机器人主体吸附在墙面上，吸附机构与爬行面垂直设置，包括至少固定于前横梁101两端的第一吸盘301、固定于前轴体204或后横梁102两端的第二吸盘302、以及固定于后轴体205两端的第三吸盘303，爬壁机器人共采用至少六个吸盘，两两一组分为三组，分别位于爬壁机器人的前、中、后为位置，每组中的两个吸盘对称分布在爬壁机器人的两侧，六个吸盘均垂直于墙面，由此构成了爬壁机器人的“脚”，每一组吸盘连接有一独立控制的真空吸附系统，如真空发生器。具体的，吸盘通过吸盘架304与爬壁机器人主体固定，且吸盘上具有用于连接真空吸附系统的接头305。

该爬壁机器人在直线行进模式的实现原理与尺蠖爬行前进的动作原理相似，具有很强的仿生性。爬壁机器人实现直线行进运动的实质是直行气缸203驱动仿生关节配合吸盘的吸放顺序有节奏的工作。爬壁机器人直线运动一个步距的动作可以分解如下：

首先，开启两个第三吸盘303组件的真空吸附系统，使第三吸盘303吸附在墙面上，从而固定后轴体205，关闭第一、第二吸盘302对应的真空吸附系统，使其能够自由移动，此时爬壁机器人处于初始状态，如图6-1所示；

然后，利用气动系统向直行气缸203的内腔中通入压缩气体，直行气缸203的活塞杆伸长，由于第三吸盘303吸附在墙面上，直行气缸203驱动仿生关节只能向前伸展，即前支臂2021与后支臂2022间夹角扩大，后支臂2022下端固定，前支臂2021的下端带动导行杆201向前移动，直行气缸203驱动仿生关节向前伸长一个步距的距离，如图6-2所示；

接着，开启第一、第二吸盘302对应的真空吸附系统，使得爬壁机器人的前端固定，此时的前支臂2021与后支臂2022间之间的夹角增大，第二弹簧体发生拉伸变形；

最后，关闭第三吸盘303对应的真空吸附系统，两个第三吸盘303松开，后轴体205处于自由状态，将直行气缸203内腔中的气压减小为零，在第二弹簧体复力作用下气缸活塞杆回缩，后轴体205沿第二调节长孔向前移动，第三吸盘303向前运动一个步距，此时，爬壁机器人整体向前移动一个步距，并恢复至如图6-1所示的状态。

在整个直线行进运动过程中转向柔性机构没有工作。

其中，在直行模式下，当后轴体205在第二调节长孔内运动时，由于后轴体205与第二调节长孔采用矩形块配合，使后轴体205只具有沿第二调节长孔中心线的直线运动自由度，而不具有绕自身中心轴线的自旋运动自由度，因此，在爬壁机器人直线行进运动过程中，与后轴体205固定连接的第三吸盘303能够始终保持初始位姿。

在直行仿生机构中基于仿生学原理设计了气缸驱动仿生关节，使得爬壁机器人的直线行进运动与尺蠖爬行前进的运动原理相似，通过改变支撑臂202的夹角，模仿尺蠖的屈、伸，从而使爬壁机器人在直线行进模式下具有很强的仿生性。并且可通过控制支撑臂202夹角改变的大小，可对爬壁机器人的行进速度进行调节，可避开不平整的墙面，提高爬壁的稳定性，对爬壁环境的适应能力更强。

爬壁机器人转弯行进模式是依靠柔性关节103的弯曲变形实现的，具有较好的柔顺性。爬壁机器人实现弯曲行进运动的实质是通过控制柔性关节103配合各组吸盘的吸放顺序有节奏的工作。

爬壁机器人一次转弯行进的动作可以分解如下：

首先，开启第二、第三吸盘303对应的真空吸附系统，使第二、第三吸盘303吸附在墙面上，从而固定爬壁机器人的后端，关闭第一吸盘301的真空吸附系统，使其能够自由移动，此时爬壁机器人处于初始状态，如图7-1所示；

然后，控制柔顺关节弯曲变形，进而带动前横梁101偏转一定角度，如图7-2所示；

接着，开启第一吸盘301对应的真空吸附系统，使第一吸盘301吸附在墙面上，从而固定爬壁机器人的前端；

最后，关闭第二、第三吸盘303对应的真空吸附系统，使其能够自由移动，并控制柔性关节103复位，柔性关节103恢复到初始状态，爬壁机器人的后端会偏转一个角度，此时，整个爬壁机器人转动了一个角度，从而实现了爬壁机器人的转弯运动。

整个转弯行进运动过程中直行仿生机构没有工作。

通过驱动单侧的柔性关节103变形，可实现爬壁机器人转弯，并可通过控制柔性关节103的变形量，实现不同角度的转弯，灵活性更高，使侦察、喷涂、清洁等作业效果更好。

如图5所示，具体的，每一所述柔性关节103包括前连接件104、后连接件105、板弹簧106和转向气缸107；所述前连接件104呈钝角结构，其开口朝内设置，于前连接件104的前端开设有第一调节长孔，所述第一调节长孔与前横梁101通过竖直设置的第一轴体活动连接；所述后连接件105与后横梁102固定；所述板弹簧106的两端分别与前连接件104和后连接件105固定；所述转向气缸107连接有气动系统，其两端借助L形的支座108固定于板弹簧106的外侧，所述转向气缸107与支座108铰接，且转向气缸107与板弹簧106之间具有空间，具体的，转向气缸107的两端固定有双耳接头109，该双耳接头109与固定在支座108上的单耳接头110转动连接。

当需要左转弯时，驱动左边的柔顺关节变形，当需要右转弯时，驱动右边的柔顺关节变形。在柔顺关节的变形过程中，向对应一侧的转向气缸107的内腔中通入压缩气体，转向气缸107的活塞杆伸长，并将力矩传输给板弹簧106，导致板弹簧106发生变形弯曲，向外鼓起，在变形过程中第一轴体沿第一调节长孔移动，进而带动前横梁101偏转一定角度。完成一次转弯后，释放转向气缸107内腔中的气体，在板弹簧106的恢复力作用下气缸活塞杆回缩，柔性关节103恢复到初始状态，爬壁机器人的后端会偏转一个角度。

进一步的，为使板弹簧106在变形后能够快速复位，在第一调节长孔内固定有能够被第一轴体压缩的第一弹簧体，第一弹簧体的两端分别与第一轴体和第一调节长孔的后端固定。在转弯过程中，第一轴体沿第一调节长孔后移压缩第一弹簧体，当释放转向气缸107内腔中的气体后，第一弹簧体复位可快速驱动第一轴体前移。

板弹簧106可以采用等截面的矩形板弹簧106，也可以采用变截面式的板弹簧106，例如双梯形板弹簧106、抛物线形板弹簧106，变截面板弹簧106不仅能够节约资源，且柔顺性更好。

直行气缸203为带有磁石的微型气缸，并配合有磁性开关协同工作。可以实现对气缸活塞杆伸长量的精准控制，通过控制直行气缸203的气缸活塞杆的伸长量可以调节气缸驱动仿生关节的一次步距长度，进而调节爬壁机器人的直线行进速度。

转向气缸107和直行气缸203为带有磁石的微型气缸，并配合有磁性开关协同工作。可以实现对气缸活塞杆伸长量的精准控制，通过控制转向气缸107的气缸活塞杆的伸长量可以调节柔性关节103的弯曲角度，进而调节爬壁机器人的转弯角度。

另外为保证爬壁机器人整体机构的对称性，使运行平稳，在该结构中支撑臂202具有对称设于导行杆201两侧的两组。两组支撑臂202的结构中，于两前支臂2021之间固定有一转杆206，所述直行气缸203的一端与转杆206的中部可转动连接，另一端通过U形连接件与后轴体205可转动连接，U形连接件的一端固定有螺母，可与直行气缸203的一端螺纹连接。

以上仅是本发明的较佳实施例，任何人根据本发明的内容对本发明作出的些许的简单修改、变形及等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种柔性仿生的气动爬壁机器人，其特征在于：包括位于头部的转向柔性机构、位于尾部的直行仿生机构以及吸附机构；

转向柔性机构，包括前后平行设置的前横梁(101)和后横梁(102)，于前、后横梁(102)之间设有柔性关节(103)；所述柔性关节(103)具有间隔且呈镜像设置的两组，所述柔性关节(103)的前端与前横梁(101)活动连接，后端与后横梁(102)固定，每一柔性关节(103)由一气动系统单独控制，通过每一柔性关节(103)变形后直线长度的改变，分别用于驱动前横梁(101)向左转向和向右转向；其中

每一所述柔性关节(103)包括前连接件(104)、后连接件(105)、板弹簧(106)和转向气缸(107)；所述前连接件(104)呈钝角结构，其开口朝内设置，于前连接件(104)的前端开设有第一调节长孔，所述第一调节长孔与前横梁(101)通过竖直设置的第一轴体活动连接；所述后连接件(105)与后横梁(102)固定；所述板弹簧(106)的两端分别与前连接件(104)和后连接件(105)固定；所述转向气缸(107)连接有气动系统，其两端借助L形的支座(108)固定于板弹簧(106)的外侧，所述转向气缸(107)与支座(108)铰接，且转向气缸(107)与板弹簧(106)之间具有空间；

直行仿生机构，包括导行杆(201)、连接轴、支撑臂(202)和直行气缸(203)；所述导行杆(201)与转向柔性机构位于同一爬行面内，其前端固定于后横梁(102)的中部，其后端沿其长度开设有第二调节长孔；所述连接轴包括平行设置的前轴体(204)和后轴体(205)，所述前轴体(204)与导行杆(201)的前端固定，所述后轴体(205)位于第二调节长孔内，且后轴体(205)的中部截面呈与第二调节长孔相匹配的矩形，所述前轴体(204)和后轴体(205)的两端均等长延伸至导行杆(201)的两侧；所述支撑臂(202)包括呈夹角设置的前支臂(2021)和后支臂(2022)，所述前支臂(2021)与后支臂(2022)的上端铰接，且于二者之间固定有用于驱动二者夹角复位缩小的第二弹簧体，所述前支臂(2021)和后支臂(2022)的下端分别与前轴体(204)和后轴体(205)可转动连接；所述直行气缸(203)连接有气动系统，用于驱动两支撑臂(202)夹角改变；

吸附机构，与爬行面垂直设置，包括至少固定于前横梁(101)两端的第一吸盘(301)、固定于前轴体(204)或后横梁(102)两端的第二吸盘(302)、以及固定于后轴体(205)两端的第三吸盘(303)，每一组吸盘连接有一独立控制的真空吸附系统。

2.根据权利要求1所述的一种柔性仿生的气动爬壁机器人，其特征在于：所述第一调节长孔内固定有能够被第一轴体压缩的第一弹簧体。

3.根据权利要求1所述的一种柔性仿生的气动爬壁机器人，其特征在于：所述板弹簧(106)为变截面式。

4.根据权利要求1所述的一种柔性仿生的气动爬壁机器人，其特征在于：所述直行气缸(203)为带有磁石的微型气缸，并配合有磁性开关协同工作。

5.根据权利要求1所述的一种柔性仿生的气动爬壁机器人，其特征在于：所述转向气缸(107)和直行气缸(203)为带有磁石的微型气缸，并配合有磁性开关协同工作。

6.根据权利要求1所述的一种柔性仿生的气动爬壁机器人，其特征在于：所述支撑臂(202)具有对称设于导行杆(201)两侧的两组。

7.根据权利要求6所述的一种柔性仿生的气动爬壁机器人，其特征在于：于两前支臂(2021)之间固定有一转杆(206)，所述直行气缸(203)的一端与转杆(206)的中部可转动连接，另一端通过U形连接件与后轴体(205)可转动连接。

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