CN110562344A - 一种磁吸附式爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁吸附式爬壁机器人，包括机身、悬架、车轮、驱动机构，车轮为磁性轮，安装在悬架上，通过驱动机构驱动，所述的车轮分为三组，分别为前轮、中轮、后轮，相应地悬架也分为前悬架、中悬架、后悬架；前悬架与中悬架之间通过转动副连接，可相对转动；中悬架与后悬架之间通过直线副连接，可相对平移。本发明的爬壁机器人中的被动式悬架结构，可以保证机器人运动过程中各个车轮始终与壁面接触，且变形后悬架不会产生其它作用力影响吸附机构，保证机器人在小曲率的复杂壁面上运动过程中各个车轮始终吸附在壁面上。

Description

一种磁吸附式爬壁机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种适用于小曲率壁面的磁吸附式爬壁机器人。

背景技术

随着爬壁机器人对吸附稳定性要求的日益提高，被动式悬架因为其被动变形的稳定性、较低的刚度以及无需额外的控制系统等优点，越来越受到人们的重视。与传统悬架相比，被动式悬架可以进一步提高爬壁机器人运动过程中的吸附稳定性，保证机器人运动过程中各个车轮与壁面之间不发生脱离。

被动式悬架中没有采用主动控制的驱动去控制悬架变形，因此控制难度上比主动式悬架降低了很多，并且具有稳定的变形能力。运动过程中，被动式悬架的变形驱动力来源于吸附机构与壁面之间的吸附力，在吸附力的作用下被动式悬架能够完全地适应壁面。

被动式悬架有多种结构形式，包括了钢板弹簧悬架、空气弹簧悬架、螺旋弹簧悬架、扭转弹簧悬架。钢板弹簧悬架俗称板簧悬架，由于其刚度和质量较大，且结构体积较大，因此板簧悬架常用于汽车的大型悬架系统；空气弹簧悬架是以空气为减震介质制成的弹簧，由于其成本昂贵和结构复杂，还需要搭配空气压缩机、储气瓶等，空气弹簧在常规悬架结构中具有较大应用难度；螺旋弹簧悬架的结构简单，易于加工生产，因此应用最为广泛，其弹性曲线为直线，一定程度上会影响悬架的性能；扭杆弹簧悬架单位质量储能高，可以有效减少悬架重量，但其较高的成本及安装设计的复杂性限制了扭杆弹簧的广泛应用。

被动式悬架的主要研究难点在于被动自由度的设计，悬架的被动自由度将决定悬架在复杂地形上运动过程中的适应能力，过多的被动自由度会导致机构存在一定的冗余自由度，从而机器人的运动不受到控制。设计被动自由度的过程中，需要被动自由度能够被地形和相关约束力完全限制，以保证机器人运动过程中悬架自由度完全限制的同时，能够被动地适应地形的变化，从而吸附机构与壁面的距离维持在安全范围内。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足和问题，本发明提供一种稳定、可靠的适用于小曲率壁面的磁吸附式爬壁机器人，用于实现爬壁机器人对地形的适应和壁面的吸附。

本发明技术方案的具体内容如下：

一种磁吸附式爬壁机器人，包括机身、悬架、车轮、驱动机构，车轮为磁性轮，安装在悬架上，通过驱动机构驱动，其特征在于：所述的车轮分为三组，分别为前轮、中轮、后轮，相应地悬架也分为前悬架、中悬架、后悬架；前悬架与中悬架之间通过转动副连接，可相对转动；中悬架与后悬架之间通过直线副连接，可相对平移。

进一步地，前悬架有效长度等于中悬架与后悬架的有效长度之和，悬架通过悬架机身连接支座与机身相连，两个悬架机身连接支座分别连接在前悬架有效长度中点处，及中悬架与后悬架有效长度之和的中点处。

进一步地，车轮具有倾转自由度；所述驱动机构包括驱动电机、电机固定座和法兰轴承，所述驱动电机安装在电机固定座上，车轮安装在驱动电机的转轴上，电机固定座通过法兰轴承与悬架相连接。

本发明的爬壁机器人中的被动式悬架结构，可以保证机器人运动过程中各个车轮始终与壁面接触，且变形后悬架不会产生其它作用力影响吸附机构，保证机器人在小曲率的复杂壁面上运动过程中各个车轮始终吸附在壁面上；悬架结构中每个车轮都具有一个沿前进方向旋转的倾转自由度，当车轮一侧位于壁面凸起位置上时，能够通过车轮的倾转保证车轮的另一侧与壁面接触，进而减小因车轮部分悬空造成的吸附力不足和打滑问题。

从悬架参数表达式中可以看出，机器人的悬架尺寸关系取决于车轮作用力比例关系，在机器人正常作业的过程中，车轮作用力比例关系与设计值相同。但在机器人受到冲击的意外情况下，车轮主要受到外力的作用，作用力比例关系可能会发生变化。

机器人受到外力冲击主要可分为机身受到外力冲击和车轮受到外力冲击，对于机身所受到的外力作用，传递到车轮上的作用力比例与设计值相同。但对于车轮上所受到的外力作用，将会对车轮产生直接影响，并使得车轮脱离壁面。

当前侧的车轮由于外力冲击脱离壁面时，机器人的重量由中部和后侧车轮承担，由于机器人重心位于机身中部，所以中部车轮承担了主要重量；当中部车轮由于冲击脱离壁面时，机器人重量由前后侧车轮承担，由对称性可知，前后侧车轮各承担机器人一半的重量；后侧车轮受到外力冲击与前侧同理，机器人重量主要由中部车轮承担。

从上述分析过程中可以看出，当机器人车轮受到外力脱离后，中部车轮可能受到的最大作用力，是前后侧车轮可能受到最大作用力的两倍，中部车轮的作用力为前后车轮的两倍能够使得机器人在这两种情况下具有相同的安全系数。

因此，在考虑爬壁机器人在壁面上运动过程中受到外力冲击的情况下，前、中、后车轮的作用力比例关系设置为1:2:1能够具有更高的安全系数。本发明中采用了前悬架有效长度等于中悬架与后悬架的有效长度之和，两个悬架机身连接支座分别连接在前悬架有效长度中点处，及中悬架与后悬架有效长度之和的中点处这一结构形式，使悬架结构能够将作用力按照1:2:1的关系分配在前部、中部和后部车轮上，能够保证机器人在正常运动和意外情况下都能稳定、可靠地吸附。

附图说明

以下结合附图和本发明的实施方式来作进一步详细说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的结构俯视图（去除其中一车轮）；

图3是本发明的结构侧视图；

图4是本发明车轮倾转示意图。

图中：机身上底板1、机身下底板2、机身连接柱3、前悬架4、中悬架5、后悬架6、悬架电机连接支座7、法兰轴承8、驱动电机9、减速器10、电机固定座11、法兰联轴器12、车轮13、悬架机身连接支座14、压缩弹簧15；箭头为车轮倾转方向。

具体实施方式

参见附图。本实施例的磁吸附式爬壁机器人，包括机身、悬架、车轮13、驱动机构，机身分为两层，分别为机身上底板1和机身下底板2，两者通过机身连接柱3相连接；所述车轮13为磁性轮，具有三组，分别为前轮、中轮、后轮；车轮安装在悬架上，相应地悬架也分为前悬架4、中悬架5、后悬架6。前悬架4有效长度L1+L2等于中悬架5的有效长度L3与后悬架6的有效长度L4之和，悬架通过两个悬架机身连接支座14与机身相连，两个悬架机身连接支座14分别连接在前悬架4有效长度中点处，及中悬架5与后悬架6有效长度之和的中点处。

前悬架4和中悬架5之间通过转动副连接，可相对转动；中悬架5和后悬架6之间通过直线副连接，可相对平移；前悬架4与前部的悬架机身连接支座之间通过转动副连接，前部的悬架机身连接支座14套在前悬架4的伸出轴上，并利用挡圈进行限位，前悬架4与前部的悬架机身连接支座可以相对转动；后悬架6与后部的悬架机身连接支座之间通过转动副连接，后部的悬架机身连接支座14套在后悬架6的伸出轴上，并利用挡圈进行限位，后悬架6与后部的悬架机身连接支座可以相对转动。所述的前悬架4、中悬架5以及后悬架6上各固定连接一个悬架电机连接支座7。

机身上底板1和机身下底板2之间通过机身连接柱3连接，悬架机身连接支座14套在机身连接柱3上，并沿其上下移动，机身连接柱3作为悬架机身连接支座14的活动导轨，利用机身上底板1和机身下底板2对悬架机身连接支座14进行限位；所述的压缩弹簧15套装在机身连接柱3上，压缩弹簧15一端抵在机身下底板2，另一端抵在悬架机身连接支座14上。

前悬架4和中悬架5之间可以通过转动副发生相对转动，中悬架5和后悬架6之间可以通过直线副发生相对平移，中悬架与后悬架连接的直线副导轨中有限位螺栓，通过调整限位螺栓的位置，可以调节直线副的运动行程，进而控制悬架的变形范围。前悬架4与前部的悬架机身连接支座之间可以通过转动副发生相对转动，后悬架6与后部的悬架机身连接支座之间可以通过转动副发生相对转动，悬架机身连接支座14可以沿机身连接柱3上下移动。

本实施例中，悬架机构的三个自由度在机器人运动过程中不会发生构型奇异而减少自由度，所述被动式悬架结构在小曲率壁面上始终具有三个自由度，且这三个自由度为零刚度的被动自由度，悬架被动变形过程中所需的驱动力较小，悬架变形适应壁面后，没有多余的作用力产生，对吸附机构的吸附作用没有影响。

所述车轮通过驱动机构驱动，驱动机构包括驱动电机9、减速机10和电机固定座11，减速器10安装在驱动电机9和电机固定座11之间，减速器10的输入端与驱动电机9的输出轴连接，减速器10的输出端通过法兰联轴器12安装在车轮13上；驱动电机9的输出扭矩经过减速器10减速后驱动法兰联轴器12最后带动车轮13转动，电机固定座11通过法兰轴承8与悬架电机连接支座7连接，法兰轴承8外圈套在悬架电机连接支座7上，内圈套在电机固定座11上。

车轮13具有倾转自由度，通过法兰轴承8的旋转，带动电机固定座11、减速器10、驱动电机9、法兰联轴器12以及车轮13共同倾转，当车轮一侧位于壁面凸起位置上时，能够通过车轮的倾转保证车轮的另一侧与壁面接触，进而减小因车轮部分悬空造成的吸附力不足和打滑问题。

使用时：

爬壁机器人前进过程：机器人运动过程中，通过吸附机构与壁面贴合，接收到控制端发送的驱动指令后，驱动电机经过减速器的减速后，扭矩传递到减速器末端连接的法兰联轴器上，最终带动车轮使机器人前进。

爬壁机器人地形适应过程：当机器人运动到起伏壁面后，部分车轮出现悬空，此时吸附力会将悬空的车轮吸向壁面。由于悬架机构具有三个零刚度的被动自由度，悬架能够毫无阻力地发生对应的变形使得悬空的车轮向壁面运动，并最终吸附在壁面上，实现了机器人对壁面的适应。适应壁面后，悬架并不会因为变形而产生作用力，前、中、后轮的吸附机构上作用力分配关系维持在1:2:1的关系。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种磁吸附式爬壁机器人，包括机身、悬架、车轮、驱动机构，车轮为磁性轮，安装在悬架上，通过驱动机构驱动，其特征在于：所述的车轮分为三组，分别为前轮、中轮、后轮，相应地悬架也分为前悬架、中悬架、后悬架；前悬架与中悬架之间通过转动副连接，可相对转动；中悬架与后悬架之间通过直线副连接，可相对平移。

2.如权利要求1所述的一种磁吸附式爬壁机器人，其特征在于：前悬架有效长度等于中悬架与后悬架的有效长度之和，悬架通过悬架机身连接支座与机身相连，两个悬架机身连接支座分别连接在前悬架有效长度中点处，及中悬架与后悬架有效长度之和的中点处。

3.如权利要求1所述的一种磁吸附式爬壁机器人，其特征在于：车轮具有倾转自由度；所述驱动机构包括驱动电机、电机固定座和法兰轴承，所述驱动电机安装在电机固定座上，车轮安装在驱动电机的转轴上，电机固定座通过法兰轴承与悬架相连接。