CN110422244B - 一种爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型结构的爬行机器人，属于特种机器人领域或应用小型机器人领域。该机器人包括前车体模块、俯仰转动模块和后车体模块，前车体模块和后车体模块结构相同，并通过俯仰转动模块连接。前/后车体模块的结构均包括支护装置、驱动组件和吸附组件。该机器人采用类生物蠕动爬行的尺蠖运动方式，当前车体模块运动时后车体模块通过吸附组件吸附于墙壁上，俯仰转动模块被拉伸到一定距离后，后车体模块运动，前车体模块吸附于墙壁上。以此该爬行机器人依靠前、后车体模块间的相对运动完成了机器人的整体移动。本发明增加了机器人运动稳定性，安全可靠，具有灵活性，增加了吸附力，承载力大大增加。

Description

一种爬行机器人

技术领域

本发明属于特种机器人领域或应用小型机器人领域，具体为一种爬行机器人，能够代替人进行高空作业或危险区域作业。

背景技术

目前，国内外在爬壁机器人的研究上已经取得很多成果，有不少已经进入实用化阶段。用爬壁机器人代替人进行极限作业已经成为可能，逐步引起世界各国科研人员的重视。在工业生产中，经常可以看到需要清洗、检测和维修的铁基储物罐体。对这些储物罐体的清洗、检测和维修至今仍采用传统的人工方法，劳动强度大、周期长、效率低下且安全性差。急需一种机器人能够代替人贴着任意角度的表面平稳爬行，操作或完成人工无法完成的任务。

爬行机器人现有的移动方式主要有车轮式、履带式、足式和框架式等。其中车轮式移动方式具有结构简单、移动速度较快、便于控制的优点，但是其着地面积小、维持摩擦力较为困难、越障能力差；履带式移动方式具有接触面积大、吸附力强、承载能力大且对壁面适应性强的优点，但是其结构复杂、体积较大、不易转弯；足式移动方式具有越障能力强、携带负载能力强的优点，但是它对各足运动协调性要求较高而且移动困难、速度慢、控制难度较高；框架式移动方式具有越障能力强、移动方便、控制简单等优点，但是其移动速度慢、携带负载能力差、转向和壁面过度难。

在该领域发展的过程之中，有一些矛盾和难题尚未解决，比较突出的矛盾就是爬壁机器人的吸附能力和运动的灵活性之间矛盾。众所周知，吸附力越大，则爬壁机器人的安全性就越高，但是随之而来的就是较低的运动灵活性，反之若吸附力很小，虽然运动灵活性有所增加，但是爬壁机器人的安全性大大降低了。

因此，亟需一种机器人来综合各种机器人的优点，并解决吸附力和灵活性矛盾的问题，实现机器人吸附力足够大的同时具备良好的灵活性。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的吸附力和灵活性矛盾之间的问题，提供了一种爬行机器人，其移动方式为仿生蠕动爬行，该爬行方式运动平稳，控制简便，对壁面适应能力比较强，运动平稳，承载能力大，能够在特殊作业中代替人工完成作业任务，为爬行机器人提供了一种全新的移动方式。

所述的爬行机器人，包括前车体模块、俯仰转动模块和后车体模块，前车体模块和后车体模块结构相同，并通过俯仰转动模块连接。

前/后车体模块的结构均包括：支护装置、驱动组件和吸附组件。

其中，支护装置由两个车架和一个安装板组成，安装板位于前/后车体模块的中心，两个车架左右对称固定在安装板两侧。

驱动组件安装在支护装置内，包括两个直流电机和两套蜗轮蜗杆减速机，两个直流电机左右对称的安装在安装板下方，并通过隔板进行隔离。两套蜗轮蜗杆减速机分别安装在两个车架内，并分别对应地与左右两个直流电机输出轴连接，每套蜗轮蜗杆减速机均包括一个同步带轮。

吸附组件包括一个磁力吸附板和两个磁力车轮，磁力吸附板贴附于两个直流电机的下方，两个磁力车轮分别与两个直流电机的输出轴连接，分别位于左右两个车架的外侧。磁力吸附板和磁力车轮通过磁力吸附在铁基储物罐体墙壁上。

俯仰转动模块包括前车体连杆、后车体连杆和第三直流电机，前车体连杆与前车体模块的安装板固定连接，后车体连杆与后车体模块的安装板固定连接。第三直流电机连接在前车体连杆与后车体连杆之间，在机器人遇到障碍时运作，带动前/后车体连杆抬起一定角度，使机器人跨越障碍。

此外，前/后车体模块的磁力吸附板上各安装有一个电磁离合器。

新型结构爬行机器人采用类生物蠕动爬行的尺蠖运动方式，其运动原理为：前车体模块和后车体模块分别起着保持器的作用，使机器人在不同的阶段与墙壁保持不同的关系，而俯仰转动模块则起着越障和连接器的作用。当前车体模块运动时后车体模块通过吸附组件吸附于墙壁上，前车体模块移动一端距离后，后车体模块运动，前车体模块吸附于墙壁上。该爬行机器人依靠前、后车体模块间的相对运动完成了机器人的整体移动。

该爬壁机器人在一个动作周期中向前移动了一段距离，具体说明如下：

首先，通过外部信号控制前车体模块的磁力吸附板和磁力车轮断电消磁，同时安装于前车体模块安装板上的两个直流电机旋转，驱动同步带轮带动磁力车轮向上运动。此时后车体模块的磁力车轮和磁力吸附板处于通电状态，通过磁力吸附到罐体上，在前车体模块向上运动的过程中，连接于前车体模块安装板的俯仰转动模块拉伸达到一定长度，这样前车体模块相对后车体模块移动了一段距离。

然后，当俯仰转动模块到达指定长度时，前车体模块的磁力吸附板和磁力车轮通电吸附在墙壁上，前车体模块安装板上的直流电机停止转动。同时后车体模块的磁力吸附板和磁力车轮断电，后车体模块的直流电机旋转驱动同步带轮带动磁力车轮向上运动。

循环上述过程达到爬行机器人爬行的目的，直至机器人到达指定位置。

车体前端安装激光测距传感器，当监测到障碍物信号时，新型结构爬行机器人的越障过程具体如下：

首先前车体模块的磁力吸附板吸附置罐体，前车体模块停止运动，同时后车体模块的磁力吸附板断电消磁，后车体模块运动靠近前车体模块；

到达可越障距离后，后车体模块的磁力吸附板吸附，前车体模块的磁力吸附板断电消磁，前车体模块上的电磁离合器夹紧，位于俯仰转动模块的直流电机转动，使得前车体模块抬起一定角度，前车体模块上电磁离合器松开，使得前车体模块向前放置，越过障碍；

最后，前车体模块的磁力吸附板通电吸附，后车体模块的磁力吸附板断电消磁，俯仰转动模块的直流电机再次运作，后车体模块上的电磁离合器夹紧，后车体模块抬起一定角度后向前放置，机器人整体越过障碍，继续向前运动。

本发明的优点及其带来的有益效果在于：

1、本发明一种爬行机器人，增加了同步带轮与磁力车轮的双轮结构，使机器人爬行时实现同步带轮及磁力车轮双轮行走，增加了其运动稳定性，安全可靠。

2、本发明一种爬行机器人，解决了轮式结构磁力小的问题。轮子由于是线接触，磁力有限，本发明的机器人通过同步带轮做行走机构，轮齿可以承载一部分机器人本体重量从而减轻了磁力轮的压力；同时磁力吸附板由于是面吸附，同样减轻了磁力轮所承载的本体重量，同时具有轮式行走的灵活性。

3、本发明一种爬行机器人，具有负载大的优势，由于采用了面吸附，磁力比较大，增加了吸附力，承载力大大增加。

附图说明

图1为本发明爬行机器人尺蠖运动仿真图；

图2为本发明爬行机器人整体结构示意图；

图3为本发明爬行机器人车体模块装配图；

图中：

Ⅰ–前车体模块，Ⅱ–俯仰转动模块，Ⅲ–后车体模块；

201–右磁力车轮，202–右车架，203–右蜗轮蜗杆减速机，204–电磁离合器，205–安装板，206–左蜗轮蜗杆减速机，207–左车架，208–左磁力车轮，209–后车体连杆，210–第三直流电机，211–前车体连杆；

301–第一直流电机，302–磁力吸附板，303–第二直流电机。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种爬行机器人，其移动方式采用生物蠕动爬行的尺蠖运动方式，蠕动体的姿态呈现某种规律性的变化。该机器人承载能力大，运动平稳，控制简便，对壁面适应能力强。

爬行机器人，整体结构如图1所示，包括前车体模块Ⅰ、俯仰转动模块Ⅱ和后车体模块Ⅲ。其中前车体模块Ⅰ和后车体模块Ⅲ通过俯仰转动模块Ⅱ连接。

前车体模块Ⅰ和后车体模块Ⅲ分别起着保持器的作用，使机器人在不同的阶段与墙壁保持不同的关系，俯仰转动模块Ⅱ则起着越障和连接器的作用。

前车体模块Ⅰ和后车体模块Ⅲ结构相同，如图2和图3所示，均包括：支护装置、驱动组件和吸附组件。

支护装置由右车架202、左车架207以及安装板205组成。安装板205位于前/后车体模块的中心，右车架202和左车架207对称固定在安装板205两侧。

驱动组件安装在支护装置内，包括第一直流电机301、第二直流电机303、右蜗轮蜗杆减速机203和左蜗轮蜗杆减速机206，第一直流电机301和第二直流电机303左右对称的安装在安装板205下方，并通过隔板进行隔离。右蜗轮蜗杆减速机203安装在右车架202内左蜗轮蜗杆减速机206安装在左车架207内，并且右蜗轮蜗杆减速机203与第一直流电机301的输出轴连接，左蜗轮蜗杆减速机206与第二直流电机303的输出轴连接。

吸附组件包括磁力吸附板302、右磁力车轮201和左磁力车轮208，磁力吸附板302贴附于第一直流电机301和第二直流电机303的下方，右磁力车轮201与第一直流电机301的输出轴连接，且位于右车架202的外侧；左磁力车轮208与第二直流电机303的输出轴连接，且位于左车架207的外侧。磁力吸附板302、右磁力车轮201和左磁力车轮208可以通过磁力吸附在墙壁上。

此外，前车体模块Ⅰ和后车体模块Ⅲ的磁力吸附板302上均安装有一个电磁离合器204，当电磁离合器204通电时，磁力吸附板302松开，电磁离合器204作用，在机器人的前/后车体连杆抬起一定角度时起到固定作用。

俯仰转动模块Ⅱ，如图2所示，包括：前车体连杆211、后车体连杆209、和直流电机210，前车体连杆211与前车体模块Ⅰ的安装板205上方固定连接，后车体连杆209与后车体模块Ⅲ的安装板205上方固定连接。第三直流电机210连接在前车体连杆211和后车体连杆209之间，在机器人遇到障碍时运作，带动前/后车体连杆抬起一定角度，使机器人跨越障碍。

本发明采用周期性蠕动的移动方式，其运动原理如图1所示。当前车体模块运动时后车体模块通过吸附组件吸附于墙壁上，前车体模块移动一端距离后，后车体模块运动，前车体模块吸附于墙壁上。该爬行机器人依靠前、后车体模块间的相对运动完成了机器人的整体移动。

把尺蠖运动在一个动作周期内的蠕动分为五步：

(1)前部放松，躯干静止，后部夹紧；(2)前部前进，躯干伸长，后部夹紧；

(3)前部夹紧，躯干静止，后部夹紧；(4)前部夹紧，躯干静止，后部放松；

(5)前部夹紧，躯干收缩，后部跟随；

经过上述五步，机器人在一个动作周期中向前移动了一段距离，以图1为例具体说明实施方案，运动过程如下：

首先，通过外部信号控制前车体模块的磁力吸附板和左右磁力车轮分别断电消磁，同时安装于前车体模块安装板上的两个直流电机旋转，驱动两个蜗轮蜗杆减速机带动左右两个磁力车轮向上运动。此时后车体模块的左右磁力车轮和磁力吸附板处于通电状态，通过磁力吸附到罐体上，在前车体模块向上运动的过程中，连接于前车体模块安装板的俯仰转动模块统拉伸达到一定长度，这样前车体模块相对后车体模块移动了一段距离。

然后，当俯仰转动模块到达指定长度时，前车体模块的磁力吸附板和左右磁力车轮处于通电状态，吸附在罐体壁上，前车体模块安装板上的两个直流电机停止转动。同时后车体模块的磁力吸附板和左右磁力车轮断电，后车体模块的两个直流电机旋转驱动同步带轮带动左右两个磁力车轮向上运动。

循环上述过程达到爬行机器人爬行的目的，直至机器人到达指定位置。

车体前端安装激光测距传感器，当监测到障碍物信号时，新型结构爬行机器人的越障过程具体如下：

首先前车体模块的磁力吸附板吸附置罐体，前车体模块停止运动，同时后车体模块的磁力吸附板断电消磁，后车体模块运动靠近前车体模块；

到达可越障距离后，后车体模块的磁力吸附板吸附，前车体模块的磁力吸附板断电消磁，前车体模块上的电磁离合器夹紧，位于俯仰转动模块的第三直流电机转动，使得前车体模块抬起一定角度，前车体模块上电磁离合器松开，使得前车体模块向前放置，越过障碍；

最后，前车体模块的磁力吸附板通电吸附，后车体模块的磁力吸附板断电消磁，俯仰转动模块的直流电机再次运作，后车体模块上的电磁离合器夹紧，后车体模块抬起一定角度后，后车体模块上电磁离合器松开，使得后车体模块向前放置，机器人整体越过障碍，继续向前运动。

Claims (2)

1.一种爬行机器人，其特征在于，包括前车体模块、俯仰转动模块和后车体模块，前车体模块和后车体模块结构相同，并通过俯仰转动模块连接；

前/后车体模块的结构均包括：支护装置、驱动组件和吸附组件；

其中，支护装置由两个车架和一个安装板组成，安装板位于前/后车体模块的中心，两个车架左右对称固定在安装板两侧；

驱动组件安装在支护装置内，包括两个直流电机和两套蜗轮蜗杆减速机，两个直流电机左右对称的安装在安装板下方，并通过隔板进行隔离；两套蜗轮蜗杆减速机分别安装在两个车架内，并分别对应地与左右两个直流电机输出轴连接；所述的两套蜗轮蜗杆减速机每套均包括一个同步带轮；

吸附组件包括一个磁力吸附板和两个磁力车轮，磁力吸附板贴附于两个直流电机的下方，两个磁力车轮分别位于左右两个车架的外侧，且与两个直流电机的输出轴连接；所述的前/后车体模块的磁力吸附板上各安装有一个电磁离合器；当电磁离合器通电时，磁力吸附板松开，电磁离合器作用，在机器人的前/后车体连杆抬起一定角度时起到固定作用；

俯仰转动模块包括前车体连杆、后车体连杆和第三直流电机，前车体连杆与前车体模块的安装板固定连接，后车体连杆与后车体模块的安装板固定连接；第三直流电机连接在前车体连杆与后车体连杆之间；第三直流电机连接在前车体连杆和后车体连杆之间，在机器人遇到障碍时运作，带动前/后车体连杆抬起一定角度，使机器人跨越障碍。

2.如权利要求1所述的一种爬行机器人，其特征在于，所述的爬行机器人运动原理具体说明如下：

首先，通过外部信号控制前车体模块的磁力吸附板和磁力车轮断电消磁，同时前车体模块上的两个直流电机旋转，分别驱动两个蜗轮蜗杆减速机带动两个磁力车轮向上运动；此时后车体模块的磁力车轮和磁力吸附板处于通电状态，通过磁力吸附到罐体上保持不动，在前车体模块向上运动的过程中，带动与前车体模块安装板相连的俯仰转动模块拉伸，达到一定长度，这样前车体模块相对后车体模块移动了一段距离；

然后，当俯仰转动模块到达指定长度时，前车体模块的磁力吸附板和磁力车轮通电吸附在墙壁上，保持不动，同时前车体模块安装板上的两个直流电机停止转动；后车体模块的磁力吸附板和磁力车轮断电，后车体模块的两直流电机旋转驱动两个蜗轮蜗杆减速机带动两个磁力车轮向上运动；

循环上述过程，直至机器人到达指定位置。

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