CN110510027B - 一种多运动模式地面/壁面移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多运动模式地面/壁面移动机器人，该机器人运动模式采用轮式结构，吸附方式采用螺旋桨反推力结构，具有轮式结构高机动性能，壁面运动吸附稳定可靠，且在壁面运动具有一定越障性能。该地面/壁面移动机器人包括：车体、轮式机构和旋翼机构；其中车体为轮式机构和旋翼机构的支撑框架，轮式机构为该机器人提供轮式运动模式，旋翼机构采用螺旋桨反推力吸附的方式为该机器人提供壁面吸附力。

Description

一种多运动模式地面/壁面移动机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，具体涉及一种多运动模式移动机器人，属于先进制造与自动化领域。

背景技术

针对多种地面地形、建筑物壁面等特殊环境，目前壁面移动机器人按照吸附方式分为真空负压、磁吸附、仿生吸附等结构，真空负压式壁面移动机器人，其结构较为复杂，真空吸附容易泄露且机器人几乎无越障性能；磁吸附类型机器人，其作用接触面仅适用导磁面结构，机器人适应性较差；仿生吸附类机器人，机器人足底多采用仿生材料或粘性液体，机器人足底自清洁较弱，适应性差，机器人驱动复杂。

壁面移动机器人按照运动方式分为轮式、足式和履带式结构，轮式机器人运动速度快，机动性强，越障能力较弱；足式和履带式机器人运动速度慢，越障性能强，机器人结构较为复杂，控制驱动复杂。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种多运动模式地面/壁面移动机器人，该机器人运动模式采用轮式结构，吸附方式采用螺旋桨反推力结构，具有轮式结构高机动性能，壁面运动吸附稳定可靠，且在壁面运动具有一定越障性能。

所述的多运动模式地面/壁面移动机器人，包括：车体、轮式机构和旋翼机构；

所述车体为所述轮式机构和所述旋翼机构的支撑框架，所述车体包括前车支撑架以及连接在前车支撑架尾部的后车支撑架；

所述轮式机构为该移动机器人提供轮式运动模式；

在所述前车支撑架和后车支撑架上各安装一套旋翼机构；所述旋翼机构包括：旋翼固定圈、旋翼翻转机构和螺旋桨旋转机构；所述旋翼固定圈水平设置，能够在所述旋翼翻转机构的驱动下进行±180°的翻转运动；所述螺旋桨旋转机构包括：设置在所述旋翼固定圈中的一个以上螺旋桨叶片和用于驱动所述螺旋桨叶片转动的螺旋桨旋转电机，当所述旋翼固定圈翻转时，所述螺旋桨叶片随之翻转。

所述旋翼翻转机构包括：旋翼电机、旋翼齿轮A、旋翼齿轮B、旋翼连接片A和旋翼支撑机构；

所述旋翼电机通过旋翼电机固定座固定在车体上，所述旋翼电机通过相互啮合的旋翼齿轮A和旋翼齿轮B带动所述旋翼固定圈进行±180°的翻转运动，其中所述旋翼齿轮A与所述旋翼电机的输出轴相连，所述旋翼齿轮B通过旋翼连接片A与所述旋翼固定圈相连；

在所述旋翼固定圈圆周方向上与所述旋翼连接片A相对的位置设置用于对所述旋翼固定圈提供翻转支撑的旋翼支撑机构。

有益效果：

(1)该移动机器人运动模式采用轮式结构，吸附方式采用螺旋桨反推力结构，壁面运动吸附稳定可靠，且在壁面运动具有一定越障性能。

(2)旋翼机构可翻转，使螺旋桨叶片能够依据实际使用需求产生向前的推力、向上的升力或用于壁面吸附的反推力，使该机器人能够在多种工作模式下可靠运动。

(3)该移动机器人具有多种运动模式，可以在不同地面/壁面条件下行驶，且结构简单，易于操作与维护。同时，该机器人具有高机动性能，高灵活性。

附图说明

图1本发明多运动模式移动机器人的结构示意图；

图2本发明移动机器人车体结构示意图；

图3本发明移动机器人的旋翼结构示意图。

其中：1-硅密封胶垫、2-车轮、3-旋翼电机、4-旋翼齿轮A、5-旋翼齿轮B、6-旋翼连接片A、7-旋翼固定圈、8-螺旋桨叶片、9-螺旋桨旋转电机固定架、10-后车支撑架、11-过渡轮、12-前后支撑架过渡机构、13-前车支撑架、14-旋翼电机固定座、15-上墙凸轮支架、16-前驱动轮电机、17-螺旋桨旋转电机、18-上墙凸轮、19-上墙凸轮销轴、20-旋翼连接片B、21-旋翼齿轮C、22-连接座。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

为了解决传统壁面移动机器人速度慢，机动性差，无越障等问题，本实施例提供一种多运动模式地面/壁面移动机器人，该机器人为螺旋桨反推力吸附、轮式地/壁面移动机器人，即运动模式采用轮式结构，吸附方式采用螺旋桨反推力结构(其原理为：使螺旋桨的轴线与壁面呈一定夹角，螺旋桨向壁面的推力的垂直分量用于平衡重力)，具有轮式结构高机动性能，在壁面运动具有一定越障性能，且结构简单，制造成本低，易于操作与维护。

该地面/壁面移动机器人包括：车体、轮式机构和旋翼机构；其中车体为轮式机构和旋翼机构的支撑框架，轮式机构为该机器人提供轮式运动模式，旋翼机构采用螺旋桨反推力吸附的方式为该机器人提供壁面吸附力。

如图1和图2所示，车体包括：前车支撑架13和后车支撑架10；前车支撑架13和后车支撑架10通过前后支撑架过渡机构12连接在一起。前后支撑架过渡机构12包括：连接支耳、扭簧和过渡轮11，本例中，在前车支撑架13和后车支撑架10的对接面上设置三组连接支耳，每组连接支耳包括设置在前车支撑架13后端面上的前支耳和设置在后车支撑架10前端面的后支耳，其中每组连接支耳中的前支耳和后支耳之间通过扭簧连接，扭簧轴线沿车体的横向，扭簧的一端与前支耳相连，另一端与后支耳相连，前车支撑架13能够相对后车支撑架10绕扭簧的轴线运动。相邻两组连接支耳之间通过销轴连接有过渡轮11，过渡轮11用于移动机器人壁面到壁面过渡过程中与壁面接触。

轮式机构包括：前驱动轮电机16和四个车轮2；车轮2是机器人在地面和壁面上行驶过程中主要的行驶方式，全结构采购3D轻质高强度塑料打印。四个车轮2两两一组分布在车体的左右两侧，具体为：在前车支撑架13的左右两侧各通过悬架连接一个车轮2(令为前车轮)，在后车支撑架10的左右两侧各通过悬架连接一个车轮2(令为后车轮)。四个车轮2与车体共同构成机器人移动平台。该机器人采用前轮驱动方式，即两个前车轮作为驱动轮，两个后车轮作为从动轮，两个前车轮分别由两个前驱动轮电机16驱动，两个前驱动轮电机16支撑在前车支撑架13上，机器人移动平台在两个前驱动轮电机16的作用下，在壁面/壁面行驶，转弯时，在两个前驱动轮电机16的作用下采用差速转向。

在每个车轮2外圆周粘贴一层硅密封胶垫1，用于增大机器人在壁面行驶过程中的摩擦力，同时使得机器人能够在多种壁面上行驶，提高机器人壁面行驶的适应性。

如图1和图3所示，旋翼机构有两套，分别布置在前车支撑架13和后车支撑架10上，两套旋翼机构结构相同，均包括：旋翼固定圈7、旋翼驱动机构和螺旋桨旋转机构；旋翼驱动机构包括：旋翼电机3、旋翼齿轮A4、旋翼齿轮B5、旋翼连接片A6和用于对旋翼固定圈7进行支撑的旋翼连接片B20、旋翼齿轮C21和连接座22；螺旋桨旋转机构包括：螺旋桨叶片8和螺旋桨旋转电机17。旋翼齿轮A4、旋翼齿轮B5和旋翼齿轮C21均采用轻质塑料3D打印制造而成，且旋翼齿轮A4为大齿轮，旋翼齿轮B5为小齿轮，大齿轮传动给小齿轮，传动灵活。

其中旋翼电机3为旋翼机构的翻转提供驱动力，螺旋桨旋转电机17为螺旋桨叶片8的旋转提供驱动力，具体为：旋翼电机3通过旋翼电机固定座14固定在与之对应的支撑架上(即前旋翼电机固定在前车支撑架13，后旋翼电机固定在后车支撑架10上)，旋翼电机3的动力输出轴与旋翼齿轮A4同轴相连，驱动旋翼齿轮A4转动，旋翼齿轮A4与旋翼齿轮B5啮合，旋翼齿轮A4带动旋翼齿轮B5转动。旋翼连接片A6为L形结构，其竖直端与旋翼齿轮B5端面固接，水平端与旋翼固定圈7端面固接，旋翼齿轮B5的轴向与旋翼固定圈7的轴向垂直。在旋翼固定圈7圆周方向上与旋翼连接片A6相对的位置设置L形的旋翼连接片B20，具体为：旋翼连接片B20的水平端与旋翼固定圈7端面固接，竖直端与通过连接座22支撑在对应支撑架上的旋翼齿轮C21相连(即旋翼齿轮C21的齿轮轴通过轴承支撑在连接座22上)，旋翼齿轮C21与旋翼齿轮B5同轴(设置旋翼齿轮B5可以保证旋翼固定圈7的对称性，使旋翼电机3可以设置在任意一侧)，由此当旋翼齿轮B5转动时能够带动旋翼固定圈7进行±180°的翻转运动。

旋翼固定圈7作为螺旋桨旋转电机17和螺旋桨叶片8的固定机构，能够保证螺旋桨叶片8在旋转过程中，稳定固定。即：在旋翼固定圈7内部沿其直径方向固定横杆作为螺旋桨旋转电机固定架9，螺旋桨旋转电机17固定安装在螺旋桨旋转电机固定架9下方，且螺旋桨旋转电机17位于旋翼固定圈7圆心位置处，螺旋桨旋转电机17的输出轴穿出螺旋桨旋转电机固定架9与螺旋桨叶片8(螺旋桨叶片8可以为两片或者多片)相连。初始状态时，螺旋桨叶片8反向安装(反向安装时，螺旋桨叶片8旋转产生向下的推力)；当旋翼固定圈7在旋翼驱动机构的驱动下翻转180°后，螺旋桨叶片8处于正向安装状态，即螺旋桨叶片8旋转产生向上的升力。

为保证机器人可靠上墙，在前车支撑架13的前方设置有上墙凸轮18，具体为：在前车支撑架13前端的左右两侧各连接一个上墙凸轮支架15，上墙凸轮支架15为弧形杆，其内凹面朝上。每个上墙凸轮支架15的一端与前车支撑架13相连，另一端通过上墙凸轮销轴19连接一个上墙凸轮18，上墙凸轮销轴19的轴向沿车体的横向(以车体的移动方向为纵向)，上墙凸轮18能够沿上墙凸轮销轴19的轴线转动。机器人在从地面运动到壁面时，上墙凸轮18先接触壁面，在壁面上滚动，使得机器人有一个向上抬头的动作。

该移动机器人具有五种工作模式：

为描述方便，令安装在前车支撑架13上的旋翼机构为前旋翼机，安装在后车支撑架10上的旋翼机构为后旋翼机。

1、地面运动模式

在地面运动，机器人在两个前驱动轮电机16的驱动下进行直线行驶、采用差速控制进行转弯运动等；

同时可使旋翼驱动机构带动旋翼固定圈7翻转一定角度，使旋翼固定圈7与地面形成一定夹角，然后启动螺旋桨旋转电机17使螺旋桨叶片8旋转，此时螺旋桨叶片8旋转产生的作用力可分解为向下和向前的推力，其中向下的推力能够增大机器人与地面的摩擦，向前的推力能够为机器人向前运动产生推力，此时机器人在前驱动轮电机17与螺旋桨叶片8推力的共同作用下在地面进行高速运动。

2、地面到壁面过渡运动模式

机器人从地面运动到壁面的过程为：机器人前端的上墙凸轮18首先接触壁面，使得机器人有一个向上抬头动作；然后，前旋翼机中的旋翼固定圈7在其旋翼驱动机构的驱动在翻转180°，使前旋翼机中的螺旋桨叶片8处于正向安装状态(后旋翼机中的旋翼固定圈7翻转一定角度，使后旋翼机中的螺旋桨叶片8旋转时能够产生向前的推力)；此时前旋翼机中的螺旋桨叶片8旋转，生成向上的升力，在该升力和上墙凸轮18共同作用下，机器人移动平台前半部分抬起；后旋翼机中的螺旋桨叶片8旋转，产生向前运动的推力，从而使整个机器人从地面向壁面进行过渡运动。

3、壁面运动模式

机器人全部运动到壁面后，旋翼驱动机构带动旋翼固定圈7翻转一定角度，使旋翼固定圈7与壁面形成一定夹角。

然后同时使前后旋翼机中的螺旋桨叶片8旋转，此时螺旋桨叶片8旋转产生的作用力一部分作为反推吸附力，使机器人吸附在壁面上，另一部分作为向前运动的推力；此时，机器人在壁面的运动模式与其在地面的运动模式相同，在两个前驱动轮电机16和前后旋翼机与接触壁面具有一定夹角而产生的推力的共同作用下，在壁面进行直线或转弯行驶。

4、壁面到壁面过渡运动模式

壁面到壁面过渡运动指机器人在壁面拐角处，从当前壁面(令为第一壁面)移动至另一个与之相连且呈一定夹角的壁面(令为第二壁面)。

机器人从第一壁面过渡到第二壁面的过程为：两个前轮首先缓慢越过第一壁面，此时后旋翼机中的旋翼固定圈7与地面形成一定夹角，后旋翼机具有向前的推力，在前轮驱动电机16和后旋翼机产生的向前推动的共同作用下，机器人逐渐向前移动；同时前旋翼机产生向墙面的推力，前后支撑架过渡机构12被动折弯，前车支撑架13与后车支撑架10产生小于180°夹角，直至两个后轮将要离开第一接触面；当两个后轮接近第二接触面时，前车支撑架13与后车支撑架10之间夹角接近90°，机器人逐渐过渡完成，移动平台完成两壁面之间的过渡。其中前轮在向第二壁面过渡的过程中，前后支撑架过渡机构12中的扭簧扭转；当后轮过渡到第二壁面时，扭簧回复原状态。

5、壁面到地面过渡运动模式

机器人从壁面运动到地面过程：该过程只需要移动机器人正常向前行驶，机器人头部上墙凸轮18接触地面后，后旋翼机中的旋翼固定圈7与地面形成一定夹角，使后旋翼机具有向前的推力，机器人前轮驱动电机16和后旋翼机产生的向前推动的共同作用下，向地面行驶，移动机器人落地。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多运动模式地面/壁面移动机器人，其特征在于，包括：车体、轮式机构和旋翼机构；

所述车体为所述轮式机构和所述旋翼机构的支撑框架，所述车体包括前车支撑架(13)以及连接在前车支撑架(13)尾部的后车支撑架(10)；

所述轮式机构为该移动机器人提供轮式运动模式；

在所述前车支撑架(13)和后车支撑架(10)上各安装一套旋翼机构；所述旋翼机构包括：旋翼固定圈(7)、旋翼翻转机构和螺旋桨旋转机构；所述旋翼固定圈(7)水平设置，能够在所述旋翼翻转机构的驱动下进行±180°的翻转运动；所述螺旋桨旋转机构包括：设置在所述旋翼固定圈(7)中的一个以上螺旋桨叶片(8)和用于驱动所述螺旋桨叶片(8)转动的螺旋桨旋转电机(17)，当所述旋翼固定圈(7)翻转时，所述螺旋桨叶片(8)随之翻转；

所述前车支撑架(13)和后车支撑架(10)通过前后支撑架过渡机构(12)连接在一起；

所述后支撑架过渡机构(12)包括：连接支耳、扭簧和过渡轮(11)，在所述前车支撑架(13)和后车支撑架(10)的对接面上设置两组以上连接支耳，每组连接支耳包括设置在前车支撑架(13)后端面上的前支耳和设置在后车支撑架(10)前端面的后支耳，其中每组连接支耳中的前支耳和后支耳之间通过扭簧连接，扭簧轴线沿车体的横向，扭簧的一端与前支耳相连，另一端与后支耳相连，所述前车支撑架(13)能够相对后车支撑架(10)绕扭簧的轴线运动；相邻两组连接支耳之间通过销轴连接有过渡轮(11)；所述过渡轮(11)用于移动机器人壁面到壁面过渡过程中与壁面接触；

在所述前车支撑架(13)的前方设置一个以上上墙凸轮支架(15)，所述上墙凸轮支架(15)的一端与所述前车支撑架(13)相连，另一端通过上墙凸轮销轴(19)连接一个上墙凸轮(18)，机器人在从地面运动到壁面时，所述上墙凸轮(18)先接触壁面，在壁面上滚动，使得机器人有一个向上抬头的动作。

2.如权利要求1所述的多运动模式地面/壁面移动机器人，其特征在于，所述旋翼翻转机构包括：旋翼电机(3)、旋翼齿轮A(4)、旋翼齿轮B(5)、旋翼连接片A(6)和旋翼支撑机构；

所述旋翼电机(3)通过旋翼电机固定座(14)固定在车体上，所述旋翼电机(3)通过相互啮合的旋翼齿轮A(4)和旋翼齿轮B(5)带动所述旋翼固定圈(7)进行±180°的翻转运动，其中所述旋翼齿轮A(4)与所述旋翼电机(3)的输出轴相连，所述旋翼齿轮B(5)通过旋翼连接片A(6)与所述旋翼固定圈(7)相连；所述旋翼齿轮B(5)的轴线与所述旋翼固定圈(7)的轴线垂直；

在所述旋翼固定圈(7)圆周方向上与所述旋翼连接片A(6)相对的位置设置用于对所述旋翼固定圈(7)提供翻转支撑的旋翼支撑机构。

3.如权利要求2所述的多运动模式地面/壁面移动机器人，其特征在于，所述旋翼支撑机构包括：旋翼连接片B(20)、旋翼齿轮C(21)和连接座(22)；所述旋翼固定圈(7)通过所述旋翼连接片B(20)与所述旋翼齿轮C(21)相连，所述旋翼齿轮C(21)与所述旋翼齿轮B(5)同轴；所述旋翼齿轮C(21)通过连接座(22)支撑在所述车体上。

4.如权利要求1所述的多运动模式地面/壁面移动机器人，其特征在于，在所述旋翼固定圈(7)内部沿其直径方向固定横杆作为螺旋桨旋转电机固定架(9)，所述螺旋桨旋转电机(17)固定安装在所述螺旋桨旋转电机固定架(9)上，且所述螺旋桨旋转电机(17)位于所述旋翼固定圈(7)圆心位置处。

5.如权利要求1所述的多运动模式地面/壁面移动机器人，其特征在于，所述螺旋桨叶片(8)反向安装，即当所述螺旋桨叶片(8)转动时，产生向下的推力；当所述旋翼固定圈(7)翻转180°后，所述螺旋桨叶片(8)处于正向安装状态，此时所述螺旋桨叶片(8)旋转产生向上的升力。

6.如权利要求1所述多运动模式地面/壁面移动机器人，其特征在于，所述轮式机构包括：两个前驱动轮电机(16)和四个车轮(2)；在所述前车支撑架(13)和所述后车支撑架(10)的左右两侧各通过悬架连接一个车轮(2)，令与所述前车支撑架(13)相连的两个车轮为前车轮，两个前车轮分别由两个前驱动轮电机(16)驱动，两个所述前驱动轮电机(16)安装在所述前车支撑架(13)上。

7.如权利要求6所述多运动模式地面/壁面移动机器人，其特征在于，在每个所述车轮(2)的外圆周沿其周向粘贴硅密封胶垫(1)。

8.如权利要求1所述多运动模式地面/壁面移动机器人，其特征在于，该移动机器人具有五种工作模式：

令安装在所述前车支撑架(13)上的旋翼机构为前旋翼机，安装在所述后车支撑架(10)上的旋翼机构为后旋翼机；

一、地面运动模式：

在地面运动，所述移动机器人在轮式机构的作用下运动；

当需要通过前旋翼机和/或后旋翼机产生辅助推力时，翻转所述前旋翼机和/或后旋翼机中的旋翼固定圈，使所述旋翼固定圈与地面呈设定夹角，且对应的螺旋桨叶片处于反向安装状态，此时所述螺旋桨叶片旋转能够产生向前的推力，所述移动机器人在所述轮式机构中的驱动力与所述螺旋桨叶片旋转产生的向前推力的共同作用下在地面运动；

二、地面到壁面过渡运动模式

翻转所述前旋翼机中的旋翼固定圈，使所述前旋翼机中的螺旋桨叶片处于正向安装状态；翻转所述后旋翼机中的旋翼固定圈，使所述后旋翼机中的螺旋桨叶片旋转时产生向前的推力；

机器人前端的上墙凸轮(18)首先接触壁面，使得机器人有一个向上抬头动作；所述前旋翼机中的螺旋桨叶片旋转产生向上的升力，在该升力和上墙凸轮(18)共同作用下，抬起所述前车支撑架(13)；所述后旋翼机中的螺旋桨叶片旋转产生向前运动的推力，推动所述移动机器人从地面向壁面进行过渡运动；

三、壁面运动模式

翻转所述前旋翼机和后旋翼机中的旋翼固定圈，使所述前旋翼机和后旋翼机中的螺旋桨叶片处于反向安装状态，且所述前旋翼机和/或后旋翼机中的旋翼固定圈与壁面呈设定夹角，使所述螺旋桨叶片旋转产生的作用力一部分作为反推吸附力，另一部分作为向前运动的推力；机器人在轮式结构和前后旋翼机产生的推力的共同作用下，在壁面上运动；

四、壁面到壁面过渡运动模式

壁面到壁面过渡运动指机器人在壁面拐角处，从第一壁面移动至另一个与之相连且呈一定夹角的第二壁面；

两个前轮先越过第一壁面，此时后旋翼机中的旋翼固定圈(7)与地面形成一定夹角，后旋翼机具有向前的推力，在轮式结构和后旋翼机产生的向前推动的共同作用下，机器人向前移动，直至两个后轮离开第一接触面过渡到第二壁面；前轮在向第二壁面过渡的过程中，所述前后支撑架过渡机构(12)中的扭簧扭转；当后轮过渡到第二壁面时，扭簧回复原状态；在该过程中前旋翼机产生向墙面的推力；

五、壁面到地面过渡运动模式

所述机器人头部上墙凸轮(18)接触地面后，后旋翼机中的旋翼固定圈(7)与地面形成一定夹角，使后旋翼机具有向前的推力，机器人在轮式机构和后旋翼机产生的向前推动的共同作用下，向地面行驶，直至移动机器人落地。

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