CN110371208A - 一种基于剪叉机构的单自由度可伸缩旋转爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于剪叉机构的单自由度可伸缩旋转的爬行机器人，包括主动腿装置、从动腿装置和可伸缩装置，爬行机器人整体上只在主动腿装置中安装一个电动机，可伸缩装置主要由剪叉机构构成，主动腿装置用于为可伸缩装置进行伸缩和转动提供动力，使爬行机器人进行移动和转向，从动腿装置为爬行机器人提供约束其自由移动的所需的吸附力和摩擦力，可伸缩装置用于连接主动腿装置和从动腿装置，为爬行机器人运动提供支撑。本发明解决了机器人主动自由度过多、本体质量过重、灵活度差、移动缓慢等问题。

Description

一种基于剪叉机构的单自由度可伸缩旋转爬行机器人

技术领域

本发明涉及工业机器人技术领域，尤其涉及到一种基于剪叉机构的单自由度可伸缩旋转爬行机器人。

背景技术

目前，爬行机器人在石油化工、建筑清洁、船舶修造、消防灭火等领域有着广泛应用，其中爬行机器人的行走机构、吸附装置和控制系统是它的核心部件。行走机构主要有履带式、多足式和车轮式等，履带式着地面积大，产生的吸附力大，对壁面的适应性强，但体积较大，转弯困难；多足式负载能力强，但移动困难，行走较慢；车轮式移动速度快，便于控制，转弯容易，但着地面积小，维持一定的吸附力较困难。

中国专利文献CN201811355695.X所公开的一种爬壁机器人，包括行走装置和环状伸缩框架，利用环状伸缩框架使行走装置在行走时能够持续与工作面接触，增加了爬壁机器人的可靠性，但不具备使用一个电机就能实行既能灵活转动又能快速移动的功能。

中国专利文献CN201611181811.1所公开的一种传动单输入多输出攀爬机器人，包括单输入多输出传动系统、输出分动传动系统、剪叉驱动机构和抱持机构，该攀爬机器人驱动数目少，控制简单，结构紧凑，但不具备灵活转动、改变步态大小的功能。

中国专利文献CN201811002349.3所公开的一种爬壁机器人，包括机体以及设置在机体的行走轮组，行走轮组包括轮支架、轮毂电机和轮体，该爬壁机器人通过轮毂电机可以驱动轮体旋转，从而驱动爬壁机器人在工作壁面上行走，由于轮毂电机与轮体之间直接与轮体连接，无需设置传动系统，可以降低安装难度，壁面安装误差，提高使用可靠性，但不具备灵活转动、改变步态大小的功能。

有鉴于此，本发明拟提出一种新型行走方式的爬壁机器人，以适应转向灵活方便、移动快速的要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种运动副数目低、结构简单，能在平地或壁面上灵活快速移动，同时具备一定转向能力的爬行机器人，本发明既通过一个步进电机带动双向移动副在椭圆轨道上转动，使得剪叉机构伸展和收缩，当双向移动副转动到椭圆轨道上的短轴处，剪叉架构伸到最长，从而使爬行机器人可以实现360度转向和按指定方向快速移动，也可以通过一个步进电机顺时针转动时带动曲柄滑块机构、棘轮机构和剪叉机构同步转动，实现360度转向；步进电机逆时针转动时，棘轮机构自锁，滑块轨道固定，滑块可以沿着滑块轨道自由移动产生相对位移，带动剪叉机构的伸缩，使得爬行机器人按指定方向快速移动。

为实现上述目的，本发明是根据以下技术方案实现的：

一种基于剪叉机构的单自由度可伸缩旋转爬行机器人，其特征在于，包括主动腿装置、从动腿装置和可伸缩装置，主动腿装置与从动腿装置之间通过可伸缩装置连接。

上述技术方案中，所述主动腿装置包括第二吸盘组、第一步进电机、主动椭圆外壳、第一稳压模块、第一驱动器、第一电源、主动椭圆轨道和主动双向移动副，所述第二吸盘组安装在所述主动椭圆外壳的底部，所述第一稳压模块、所述第一驱动器、所述第一电源和所述第一步进电机安装在主动椭圆外壳内部，第一电源通过第一稳压模块给第一驱动器提供稳定的电压，第一驱动器通过电源线和信号线与第一步进电机相连，第一步进电机通过主动双向移动副与主动椭圆轨道相连。

上述技术方案中，所述从动腿装置主要包括第一吸盘组、从动椭圆轨道、从动椭圆外壳、从动双向移动副、储气罐和电气缸，所述储气罐和所述电气缸安装在从动椭圆外壳里面，所述储气罐和所述电气缸通过导气管连接，所述储气罐通过导气管以及电磁阀分别与第一吸盘组、第二吸盘组连接，电磁阀控制第一吸盘组和第二吸盘组吸附和放松，第一吸盘组安装在从动椭圆外壳底部，从动双向移动副安装在从动椭圆轨道上。

上述技术方案中，所述可伸缩装置包括第一可伸缩外壳和第一剪叉机构，所述第一剪叉机构由若干个剪叉单元通过转动副连接构成，一个剪叉单元由两个剪叉杆和一个转动副组成，第一剪叉机构安装在第一可伸缩外壳里面，第一可伸缩外壳根据剪叉机构的伸缩进行伸长或缩短，第一可伸缩外壳和第一剪叉机构通过转动副与主动双向移动副和从动双向移动副两端分别安装在主动腿装置和从动腿装置之间。

上述技术方案中，所述主动腿装置包括主动圆形外壳、第一滑块轨道、主动曲柄、第一棘轮机构、第一滑块、第二驱动器、第二步进电机、第一电磁铁组和第二稳压模块，第一滑块安装在第一滑块轨道上并在第一滑块轨道上自由移动，主动曲柄的中心位置和两端留有安装孔，主动曲柄中心的安装孔与第二步进电机相连，两端的安装孔通过连接杆和转动副分别连接一个第一滑块，第一滑块轨道和第一棘轮机构连接，第一棘轮机构是单向转动机构并使第一滑块轨道与第一棘轮机构顺时针同步运动，逆时针运动时，第一棘轮机构自锁，固定住第一滑块轨道，使得第一滑块在第一滑块轨道上产生相对位移，第一电磁铁组安装在主动圆形外壳底部，第二驱动器、第二步进电机和第二稳压模块安装在主动圆形外壳内部，第二驱动器通过电源线和信号线与第二步进电机相连，第二稳压模块通过电源线与第二驱动器相连，为第二驱动器提供稳定的和所需要的电压。

上述技术方案中，所述从动腿装置包括从动圆形外壳、第二滑块轨道、从动曲柄、第二电磁铁组、第二滑块、第二棘轮机构、继电器和第二电源，第二滑块安装在第二滑块轨道上并在第二滑块轨道上自由移动，从动曲柄的中心位置和两端留有安装孔，从动曲柄中心的安装孔通过转动副安装在从动圆形外壳上，两端的安装孔通过连接杆和转动副分别连接一个第二滑块，第二滑块轨道和第二棘轮机构固定在一起，第二电磁铁组安装在从动圆形外壳底部，继电器和第二电源安装在从动圆形外壳内部，继电器通过电源线与第一电磁铁组和第二电磁铁组连接，控制它们的得电和断电，第二电源通过电源线与第二稳压模块相连并为整个爬行机器人提供电能。

上述技术方案中，所述可伸缩装置包括第二可伸缩外壳和第二剪叉机构，所述第二剪叉机构由若干个剪叉单元通过转动副连接构成，一个剪叉单元由两个剪叉杆和一个转动副组成，第二剪叉机构安装在第二可伸缩外壳里面，第二可伸缩外壳根据剪叉机构的伸缩进行伸长或缩短，第二剪叉机构的两端通过第一滑块和第二滑块分别安装在主动腿装置和从动腿装置之间。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、爬行机器人只有一个自由度，仅需要一个步进电机就能同时实现爬行机器人的转向和移动，所需驱动装置少，结构简单，使得机器人的整体重量降低，工作效率高，控制操作简单。

2、机器人本体采用了剪叉机构伸缩装置，具有较大的伸缩比，可以使得爬行机器人以更小的空间尺寸实现更大的步态移动。

3、只采用一个步进电机作为主驱动，结构干涉少，可以方便控制爬行机器人实现360度转向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明具体实施例1的爬行机器人的整体外观示意图；

图2是本发明具体实施例1的爬行机器人的结构示意图；

图3是本发明具体实施例1的主动椭圆轨道的结构示意图；

图4是本发明具体实施例1的从动椭圆轨道的结构示意图；

图5是本发明具体实施例1的驱动装置的结构示意图；

图6是本发明具体实施例1的吸附装置的结构示意图；

图7是本发明具体实施例2的爬行机器人的整体外观示意图；

图8是本发明具体实施例2的爬行机器人的结构示意图；

图9是本发明具体实施例2的主动轨道的结构示意图；

图10是本发明具体实施例2的驱动装置的结构示意图；

图11是本发明具体实施例2的从动轨道的结构示意图；

图12是本发明具体实施例2的吸附装置的机构示意图；

图中1-第一可伸缩外壳；2-第一吸盘组；3-第二吸盘组；4-第一剪叉机构；5-从动椭圆轨道；6-从动椭圆外壳；7-主动椭圆外壳；8-主动椭圆轨道；9-主动双向移动副；10-第一步进电机；11-从动双向移动副；12-第一稳压模块；13-第一驱动器；14-第一电源；15-导气管；16-储气罐；17-电气缸；18-主动圆形外壳；19-第一电磁铁组；20-第二电磁铁组；21-从动圆形外壳；22-第二可伸缩外壳；23-第二剪叉机构；24-第一滑块轨道；25-主动曲柄；26-第一棘轮机构；27-第一滑块；28-第二驱动器；29-第二步进电机；30-第二稳压模块；31-第二滑块轨道；32-第二滑块；33-从动曲柄；34-第二棘轮机构；35-继电器；36-第二电源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开了两种可在特殊工作环境中爬行的两足机器人，包括具体实施例1和具体实施例2，两种可伸缩旋转爬行机器人本体均包括主动腿装置、从动腿装置和可伸缩装置，主动腿装置与从动腿装置之间通过可伸缩装置连接。其中本发明的具体实施例1的特殊工作环境是指平地、墙面、玻璃等平整的表面构成的工作环境，具体实施例2中的特殊工作环境是指由导磁金属材料组成的工作表面。

如图1、图2所示，在具体实施例1中，本发明的主动腿装置包括第二吸盘组3、第一步进电机10、主动椭圆外壳7、第一稳压模块12、第一驱动器13、第一电源14、主动椭圆轨道8和主动双向移动副9，第二吸盘组3安装在主动椭圆外壳7的底部，如图5所示，第一稳压模块12、第一驱动器13、第一电源14和第一步进电机10安装在主动椭圆外壳7内部，第一电源14通过第一稳压模块12给第一驱动器13提供稳定的电压，第一驱动器13通过电源线和信号线与第一步进电机10相连，第一步进电机10通过主动双向移动副9与主动椭圆轨道8相连，如图3所示。

从动腿装置主要包括第一吸盘组2、从动椭圆轨道5、从动椭圆外壳6、从动双向移动副11、储气罐16和电气缸17，如图6所示，储气罐16和电气缸17安装在从动椭圆外壳6里面，储气罐16和电气缸17通过导气管连接，储气罐16通过导气管和电磁阀与第一吸盘组2和第二吸盘组3连接在一起，电磁阀控制第一吸盘组2和第二吸盘组3吸附和放松，第一吸盘组2安装在从动椭圆外壳6底部，从动双向移动副11安装在从动椭圆轨道5上，如图4所示。

可伸缩装置包括第一可伸缩外壳1和第一剪叉机构4，第一剪叉机构4由若干个剪叉单元通过转动副连接构成，一个剪叉单元由两个剪叉杆和一个转动副组成，第一剪叉机构4安装在第一可伸缩外壳1里面，第一可伸缩外壳1根据剪叉机构的伸缩进行伸长或缩短，第一可伸缩外壳1和第一剪叉机构4通过转动副与主动双向移动副9和从动双向移动副11两端分别安装在主动腿装置和从动腿装置之间。

在具体实施例2中，主动腿装置包括主动圆形外壳18、第一滑块轨道24、主动曲柄25、第一棘轮机构26、第一滑块27、第二驱动器28、第二步进电机29、第一电磁铁组19和第二稳压模块30，第一滑块27安装在第一滑块轨道24上并在第一滑块轨道24上自由移动，主动曲柄25的中心位置和两端留有安装孔，主动曲柄25中心的安装孔与第二步进电机29相连，两端的安装孔通过连接杆和转动副分别连接一个第一滑块27，第一滑块轨道24和第一棘轮机构26连接，第一棘轮机构26是单向转动机构并使第一滑块轨道24与第一棘轮机构26顺时针同步运动，逆时针运动时，第一棘轮机构26自锁，固定住第一滑块轨道24，使得第一滑块27在第一滑块轨道24上产生相对位移并带动第二剪叉机构的伸缩，第一电磁铁组19安装在主动圆形外壳18底部，如图7所示；第二驱动器28、第二步进电机29和第二稳压模块30安装在主动圆形外壳18内部，第二驱动器28通过电源线和信号线与第二步进电机29相连，第二稳压模块30通过电源线与第二驱动器28相连，为第二驱动器28提供稳定的电压。

从动腿装置包括从动圆形外壳21、第二滑块轨道31、从动曲柄33、第二电磁铁组20、第二滑块32、第二棘轮机构34、继电器35和第二电源36，第二滑块32安装在第二滑块轨道31上并在第二滑块轨道31上自由移动，从动曲柄33的中心位置和两端留有安装孔，从动曲柄33中心的安装孔通过转动副安装在从动圆形外壳21上，两端的安装孔通过连接杆和转动副分别连接一个第二滑块32，第二滑块轨道31和第二棘轮机构34固定在一起，第二电磁铁组20安装在从动圆形外壳21底部，如图8所示，继电器35通过电源线与第一电磁铁组19和第二电磁铁组20连接，控制它们的得电和断电，第二电源36通过电源线与第二稳压模块30相连并为整个爬行机器人提供电能。

可伸缩装置包括第二可伸缩外壳22和第二剪叉机构23，第二剪叉机构23由若干个剪叉单元通过转动副连接构成，一个剪叉单元由两个剪叉杆和一个转动副组成，第二剪叉机构23安装在第二可伸缩外壳22里面，第二可伸缩外壳22根据剪叉机构的伸缩进行伸长或缩短，第二剪叉机构23的两端通过第一滑块27和第二滑块32分别安装在主动腿装置和从动腿装置之间。

具体地，如图9、10所示，第二剪叉机构23的一端通过第一滑块27与第一滑块轨道24和主动曲柄25相连，主动曲柄25与第二步进电机29连接，第一滑块轨道24与第一棘轮机构26固定在一起。第二驱动器28、第二步进电机29和第二稳压模块30安装在主动圆形外壳18内部。

如图11所示，第二剪叉机构23的另一端通过第二滑块32与第二滑块轨道31和从动曲柄33相连，第二滑块轨道31与第二棘轮机构34固定在一起。

如图12所示，继电器35和第二电源36安装在从动圆形外壳21内部。

方案1运动方式：

初始时，主动双向移动副9和从动双向移动副11分别处于主动椭圆轨道8和从动椭圆轨道5的长轴位置上，第一剪叉机构4处于压缩状态，此时主动椭圆轨道8和从动椭圆轨道5齐平。

向前或向后移动：

第二吸盘组3吸附在平面上，第一吸盘组2不吸附，第一步进电机10顺时针旋转90度，主动双向移动副9由主动椭圆轨道8的长轴位置旋转到短轴位置上，同时从动双向移动副11也由从动椭圆轨道5的长轴位置旋转到短轴位置上，此时第一剪叉机构4处于伸长状态，从动椭圆轨道5由主动椭圆轨道8的正左方旋转到正前方，第二吸盘组3不吸附，第一吸盘组2吸附在平面上，第一步进电机10继续旋转180度，此时从动椭圆轨道5不动，主动椭圆轨道8又旋转到从动椭圆轨道5的正前方，从而实现向前移动；向后原理一致。

向右或向左移动：第二吸盘组3吸附在平面上，第一吸盘组2不吸附，第一步进电机10旋转180度，从动椭圆轨道5由主动椭圆轨道8的正左方旋转到正右方，第二吸盘组3不吸附，第一吸盘组2吸附在平面上，第一步进电机10继续旋转180度，此时从动椭圆轨道5不动，主动椭圆轨道8又旋转到从动椭圆轨道5的正右方，从而实现向右移动；向左原理一致。

向其它方向移动：第二吸盘组3吸附在平面上，第一吸盘组2不吸附，第一步进电机10旋转到想要到达方向的角度，从动椭圆轨道5由主动椭圆轨道8的正左方旋转到相对于此角度的正前方，第二吸盘组3不吸附，第一吸盘组2吸附在平面上，第一步进电机10继续旋转180度，此时从动椭圆轨道5不动，主动椭圆轨道8又旋转到从动椭圆轨道5相对于此角度的正前方，从而实现这个方向的移动。

方案2运动方式：

初始时，主动曲柄25和从动曲柄33分别与第一滑块轨道24和第二滑块轨道31侧面平行，即第一滑块27处于第一滑块轨道24的最外端，第二滑块32处于第二滑块轨道31的最外端，第二剪叉机构23处于压缩状态。

转向：第一电磁铁组19得电吸附在导磁材料表面，第二电磁铁组20不得电，第二步进电机29顺时针转动，此时主动曲柄25带动第一滑块轨道24同步旋转，进而带动第二剪叉机构23旋转，可以实现360度方向的调整。

移动：当调整到想要的角度后，第二步进电机29逆时针转动，此时第一棘轮机构26锁死，固定住第一滑块轨道24，第一滑块27沿着第一滑块轨道24向内滑动，使得第二剪叉机构23伸长，当第二剪叉机构23伸长到一定程度时，第二电磁铁组20得电吸附在导磁材料表面，第一电磁铁组19断电，第二步进电机29顺时针转动，第二棘轮机构34锁死，固定住第二滑块轨道31，第二滑块32沿着第二滑块轨道31向外滑动，使得第二剪叉机构23压缩。继续重复该动作，可以实现本发明的移动前进。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种基于剪叉机构的单自由度可伸缩旋转爬行机器人，其特征在于，包括主动腿装置、从动腿装置和可伸缩装置，主动腿装置与从动腿装置之间通过可伸缩装置连接。

2.根据权利要求1所述的单自由度可伸缩旋转爬行机器人，其特征在于，所述主动腿装置包括第二吸盘组、第一步进电机、主动椭圆外壳、第一稳压模块、第一驱动器、第一电源、主动椭圆轨道和主动双向移动副，所述第二吸盘组安装在所述主动椭圆外壳的底部，所述第一稳压模块、所述第一驱动器、所述第一电源和所述第一步进电机安装在主动椭圆外壳内部，第一电源通过第一稳压模块给第一驱动器提供稳定的电压，第一驱动器通过电源线和信号线与第一步进电机相连，第一步进电机通过主动双向移动副与主动椭圆轨道相连。

3.根据权利要求2所述的单自由度可伸缩旋转爬行机器人，其特征在于，所述从动腿装置主要包括第一吸盘组、从动椭圆轨道、从动椭圆外壳、从动双向移动副、储气罐和电气缸，所述储气罐和所述电气缸安装在从动椭圆外壳里面，所述储气罐和所述电气缸通过导气管连接，所述储气罐通过导气管以及电磁阀分别与第一吸盘组、第二吸盘组连接，电磁阀控制第一吸盘组和第二吸盘组吸附和放松，第一吸盘组安装在从动椭圆外壳底部，从动双向移动副安装在从动椭圆轨道上。

4.根据权利要求3所述的单自由度可伸缩旋转爬行机器人，其特征在于，所述可伸缩装置包括第一可伸缩外壳和第一剪叉机构，所述第一剪叉机构由若干个剪叉单元通过转动副连接构成，一个剪叉单元由两个剪叉杆和一个转动副组成，第一剪叉机构安装在第一可伸缩外壳里面，第一可伸缩外壳根据剪叉机构的伸缩进行伸长或缩短，第一可伸缩外壳和第一剪叉机构通过转动副与主动双向移动副和从动双向移动副两端分别安装在主动腿装置和从动腿装置之间。

5.根据权利要求1所述的单自由度可伸缩旋转爬行机器人，其特征在于，所述主动腿装置包括主动圆形外壳、第一滑块轨道、主动曲柄、第一棘轮机构、第一滑块、第二驱动器、第二步进电机、第一电磁铁组和第二稳压模块，第一滑块安装在第一滑块轨道上并在第一滑块轨道上自由移动，主动曲柄的中心位置和两端留有安装孔，主动曲柄中心的安装孔与第二步进电机相连，两端的安装孔通过连接杆和转动副分别连接一个第一滑块，第一滑块轨道和第一棘轮机构连接，第一棘轮机构是单向转动机构并使第一滑块轨道与第一棘轮机构顺时针同步运动，逆时针运动时，第一棘轮机构自锁，固定住第一滑块轨道，使得第一滑块在第一滑块轨道上产生相对位移，第一电磁铁组安装在主动圆形外壳底部，第二驱动器、第二步进电机和第二稳压模块安装在主动圆形外壳内部，第二驱动器通过电源线和信号线与第二步进电机相连，第二稳压模块通过电源线与第二驱动器相连，为第二驱动器提供稳定的和所需要的电压。

6.根据权利要求5所述的单自由度可伸缩旋转爬行机器人，其特征在于，所述从动腿装置包括从动圆形外壳、第二滑块轨道、从动曲柄、第二电磁铁组、第二滑块、第二棘轮机构、继电器和第二电源，第二滑块安装在第二滑块轨道上并在第二滑块轨道上自由移动，从动曲柄的中心位置和两端留有安装孔，从动曲柄中心的安装孔通过转动副安装在从动圆形外壳上，两端的安装孔通过连接杆和转动副分别连接一个第二滑块，第二滑块轨道和第二棘轮机构固定在一起，第二电磁铁组安装在从动圆形外壳底部，继电器和第二电源安装在从动圆形外壳内部，继电器通过电源线与第一电磁铁组和第二电磁铁组连接，控制它们的得电和断电，第二电源通过电源线与第二稳压模块相连并为整个爬行机器人提供电能。

7.根据权利要求6所述的单自由度可伸缩旋转爬行机器人，其特征在于，所述可伸缩装置包括第二可伸缩外壳和第二剪叉机构，所述第二剪叉机构由若干个剪叉单元通过转动副连接构成，一个剪叉单元由两个剪叉杆和一个转动副组成，第二剪叉机构安装在第二可伸缩外壳里面，第二可伸缩外壳根据剪叉机构的伸缩进行伸长或缩短，第二剪叉机构的两端通过第一滑块和第二滑块分别安装在主动腿装置和从动腿装置之间。