CN110712691A - 一种攀爬机器人及其攀爬方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种攀爬机器人及其攀爬方法。实现在垂直墙壁上稳定攀爬是机器人实现三维空间无障碍运动的关键技术之一。本发明一种攀爬机器装置，包括攀爬架、攀爬前进机构和攀爬爪部机构。攀爬前进机构包括回转动力源、运动摇杆、第一连杆、第二连杆、第一滑道、第二滑道、第一滑块和第二滑块。攀爬爪部机构包括固定外管、滑动内管、顶杆、收缩弹簧、攀爬勾爪、从动凸轮、滚轮、勾爪固定杆、顶杆活塞、固定销和销钉顶紧弹簧。本发明通过攀爬前进机构与攀爬爪部机构相配合，通过单个回转动力源的往复转动就实现了持续向上的攀爬动作。与传统的攀爬机器人相比，本专利结构简单，操作难度小，成本低。

Description

一种攀爬机器人及其攀爬方法

技术领域

本发明属于攀爬机器技术领域，具体涉及一种攀爬机器人及其攀爬方法。

背景技术

三维空间无障碍运动为未来机器人技术的主要发展方向之一，在灾难搜救、空间探测、危险环境作业、军事侦察等领域具有重要的应用价值。实现在垂直墙壁上稳定攀爬是机器人实现三维空间无障碍运动的关键技术之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种攀爬机器人及其攀爬方法。

本发明一种攀爬机器装置，包括攀爬架、攀爬前进机构和攀爬爪部机构。两个攀爬爪部机构分别设置在攀爬架头端的两侧。攀爬前进机构包括回转动力源、运动摇杆、第一连杆、第二连杆、第一滑道、第二滑道、第一滑块和第二滑块。第一滑道、第二滑道分别设置在攀爬架头端的两侧。运动摇杆的内端与攀爬架构成转动副，外端与第一连杆及第二连杆的一端铰接。运动摇杆由回转动力源驱动。第一连杆、第二连杆的另一端与第一滑块、第二滑块分别铰接。

所述的攀爬爪部机构包括固定外管、滑动内管、顶杆、收缩弹簧、攀爬勾爪、从动凸轮、滚轮、勾爪固定杆、顶杆活塞、固定销和销钉顶紧弹簧。滑动内管的内端伸入固定外管的内壁，并与固定外管构成滑动副。两根收缩弹簧的一端均与固定外管的内端端部固定，另一端均与滑动内管的内端固定。滑动内管的内端设置有外倒角。伸缩固定外管的内壁上开设有销钉滑槽。销钉滑槽内设置有销钉顶紧弹簧。固定销与销钉滑槽构成滑动副。固定销的内端与销钉顶紧弹簧的外端固定。

所述勾爪固定杆的内端与滑动内管外端固定。攀爬勾爪的中部与勾爪固定杆的外端铰接。攀爬勾爪的外端呈尖锐状，且朝向攀爬架的内侧。攀爬勾爪与勾爪固定杆之间的铰接轴上套置有扭簧。扭簧的两端与攀爬勾爪、勾爪固定杆分别固定。攀爬勾爪的内端固定有从动凸轮。顶杆穿过滑动内管内。顶杆的中部固定有顶杆活塞。顶杆活塞与滑动内管的内壁构成滑动副。滑动内管内壁的外端设置有环形限位块。顶杆活塞的内端设置有倒角。

两个攀爬爪部机构内的固定外管与第一滑道、第二滑道分别固定。两个攀爬爪部机构内的顶杆内端与第一滑块、第二滑块分别固定。

作为优选，所述的攀爬前进机构还包括右偏顶杆、左偏顶杆、转向导杆、导杆定位组件、第一伸缩杆和第二伸缩杆。所述的转向导杆与攀爬架构成滑动副。导杆定位组件包括第一定位吸附块、第一从动吸附块、第二从动吸附块、第二定位吸附块、第三从动吸附块和第三定位吸附块。第一从动吸附块、第二从动吸附块、第三从动吸附块与转向导杆的中部、一端端部、另一端端部分别固定。第二定位吸附块、第三定位吸附块分别固定在攀爬架的左侧、右侧，且与第二从动吸附块、第三从动吸附块的外端分别正对设置。第一定位吸附块均固定在攀爬架的中部。第一定位吸附块与第一从动吸附块相互之间有吸力。第二定位吸附块与第二从动吸附块相互之间有吸力。第三定位吸附块与第三从动吸附块相互之间有吸力。转向导杆具有三个功能位置，分别为左转位、中位、右转位。左转位对应转向导杆的右极限位置；中位对应转向导杆的中间位置；右转位对应转向导杆的左极限位置。

第一滑道及第二滑道均与攀爬架铰接。第一滑道、第二滑道的内端与第一伸缩杆、第二伸缩杆的一端分别固定。第一伸缩杆、第二伸缩杆的另一端与转向导杆的两端分别铰接。右偏顶杆及左偏顶杆均呈L形。右偏顶杆、左偏顶杆的一端与转向导杆的两端分别固定。右偏顶杆、左偏顶杆的另一端相对设置，且均固定有推球。运动摇杆位于右偏顶杆与左偏顶杆之间。

当运动摇杆向右偏顶杆转动至接触右偏顶杆上的推球后，运动摇杆推动右偏顶杆滑动，使得转向导杆向左滑动至右转位，第一滑道、第二滑道的外端均倾斜朝向攀爬架右前方。当运动摇杆向左偏顶杆转动至接触左偏顶杆上的推球后，运动摇杆推动左偏顶杆滑动，使得转向导杆向右滑动至左转位，第一滑道、第二滑道的外端均倾斜朝向攀爬架左前侧。

作为优选，本发明一种攀爬机器装置还包括攀爬尾部机构和抽气泵。所述的攀爬尾部机构包括尾部连接杆、尾部连接弹簧、尾部固定架、真空吸盘、尾部行进轮和吸盘固定套。尾部连接杆的一端与攀爬架的尾部铰接，另一端与尾部固定架的一端铰接。尾部连接弹簧的一端与尾部连接杆的中部固定，另一端与尾部固定架的中部固定。尾部行进轮支承在尾部固定架的另一端。吸盘固定套固定在尾部固定架上。真空吸盘安装在吸盘固定套的内侧。真空吸盘的出气口与抽气泵的抽气口连接。

作为优选，所述的攀爬前进机构还包括运动滑块和圆弧滑轨。所述的圆弧滑轨固定在攀爬架的中部。圆弧滑轨的内凹侧朝向第一滑道与第二滑道之间的位置。运动滑块与圆弧滑轨构成沿圆弧滑动的滑动副。运动摇杆的外端与运动滑块固定。运动摇杆与攀爬架所成转动副的公共轴线与圆弧滑轨的圆心轴线重合。

作为优选，所述固定销的外端设置有倒角。

作为优选，所述攀爬勾爪的外端设置有多根倒钩和绒毛。

作为优选，所述顶杆的外端支承有滚轮。

作为优选，所述的顶杆活塞内端端面的半径小于固定销在伸出销钉滑槽状态下到固定外管中心轴线的距离。

该攀爬机器装置的攀爬方法如下：

步骤一、将位于攀爬架左侧的攀爬爪部机构作为第一攀爬爪部机构；将位于攀爬架右侧的攀爬爪部机构作为第二攀爬爪部机构。运动摇杆具有第一行进极限位置和第二行进极限位置。运动摇杆位于第一行进极限位置的状态下，运动摇杆靠近左偏顶杆但不与左偏顶杆接触。运动摇杆位于第二行进极限位置的状态下，运动摇杆靠近右偏顶杆但不与右偏顶杆接触。

将攀爬机器装置附着到被攀爬物体上，使得运动摇杆处于正中位置，第一滑块和第二滑块均处于中位，第一攀爬爪部机构内的滑动内管被固定销锁住，攀爬勾爪扣在被攀爬物体上；第二攀爬爪部机构内的滑动内管没有被第二滑道内的固定销锁住，攀爬勾爪在顶杆的推动下与被攀爬物体分离。尾部连接弹簧为收缩状态。抽气泵驱动真空吸盘吸紧被攀爬物体。

步骤二、运动摇杆向左偏顶杆翻转至第一行进极限位置，使第一滑块向内滑动，第二滑块向外移动。

第一滑块拉动第一攀爬爪部机构内顶杆相对于攀爬架向内移动，第一攀爬爪部机构内滑动内管在顶杆活塞到达固定销前保持静止。当第一攀爬爪部机构内的顶杆活塞到达固定销时，顶杆活塞推动固定销向内滑动，固定销对滑动内管的锁止解除，滑动内管与固定外管在伸缩弹簧的拉动下进行相对滑动，固定外管拉动攀爬架向上移动。尾部连接弹簧被拉伸。

第二滑块推动第二攀爬爪部机构内的顶杆相对于攀爬架向外移动。第二攀爬爪部机构内的滑动内管向外伸出，当滑动内管的内端越过固定销时，固定销弹出。

步骤三、运动摇杆向右偏顶杆翻转，使第一滑块向外滑动，第二滑块向内移动。

第一攀爬爪部机构内顶杆相对于攀爬架向外移动，第一攀爬爪部机构内的顶杆未推到对应的攀爬勾爪，滑动内管及攀爬勾爪均保持静止。

第二攀爬爪部机构内的顶杆相对于攀爬架向内移动，第二攀爬爪部机构内的顶杆远离攀爬勾爪；第二攀爬爪部机构内的攀爬勾爪在扭簧的作用下，外端向被攀爬物体翻转，扣住被攀爬物体。

步骤四、两个攀爬勾爪均扣住被攀爬物体后，运动摇杆停止运动，真空吸盘释放。尾部固定架在尾部连接弹簧的拉力作用下向上运动。

步骤五、抽气泵驱动真空吸盘吸紧被攀爬物体。运动摇杆向右偏顶杆翻转至第二行进极限位置，使第一滑块向外滑动，第二滑块向内移动。

第一滑块推动第一攀爬爪部机构内的顶杆相对于攀爬架向外移动。第一攀爬爪部机构内的滑动内管向外伸出，当滑动内管的内端越过固定销时，固定销弹出。

第二滑块拉动第二攀爬爪部机构内顶杆相对于攀爬架向内移动，第二攀爬爪部机构内滑动内管在顶杆活塞到达固定销前保持静止。当第二攀爬爪部机构内的顶杆活塞到达固定销时，顶杆活塞推动固定销向内滑动，固定销对滑动内管的锁止解除，滑动内管与固定外管在伸缩弹簧的拉动下进行相对滑动。固定外管拉动攀爬架向上移动，尾部连接弹簧被拉伸。

步骤六、运动摇杆向左偏顶杆翻转，使第一滑块向内滑动，第二滑块向外移动。

第一攀爬爪部机构内的顶杆相对于攀爬架向内移动，第一攀爬爪部机构内的顶杆远离攀爬勾爪；第一攀爬爪部机构内的攀爬勾爪在扭簧的作用下，外端向被攀爬物体翻转，扣住被攀爬物体。

第二攀爬爪部机构内顶杆相对于攀爬架向外移动，第二攀爬爪部机构内的顶杆未推到对应的攀爬勾爪，滑动内管及攀爬勾爪均保持静止。

步骤七、两个攀爬勾爪均扣住被攀爬物体后，运动摇杆停止运动，真空吸盘释放。尾部固定架在尾部连接弹簧的拉力作用下向上运动。

步骤八、持续重复执行步骤二至七，直到攀爬到被攀爬物体的顶部。

作为优选，当需要左转，则在执行步骤二时，使得运动摇杆越过第一行进极限位置，运动摇杆推动左偏顶杆向右滑动，转向导杆到达左转位；此时，第一攀爬爪部机构及第二攀爬爪部机构的外端向左倾斜，此时，执行步骤二至七会驱动攀爬架向左前方行进。当需要从左转恢复到直行，则在执行步骤五时，使得运动摇杆越过第二行进极限位置，运动摇杆推动右偏顶杆向左滑动，转向导杆回复的中位。

当需要右转，则在执行步骤五时，使得运动摇杆越过第二行进极限位置，运动摇杆推动右偏顶杆向左滑动，转向导杆到达右转位；此时，第一攀爬爪部机构及第二攀爬爪部机构的外端向右倾斜，此时，执行步骤二至七会驱动攀爬架向右前方行进。当需要从右转恢复到直行，则在执行步骤二时，使得运动摇杆越过第一行进极限位置，运动摇杆推动右偏顶杆向右滑动，转向导杆回复的中位。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过攀爬前进机构与攀爬爪部机构相配合，通过单个回转动力源的往复转动就实现了持续向上的攀爬动作。与传统的攀爬机器人相比，本专利结构简单，操作难度小，成本低。

2、本发明通过伸缩的固定销实现滑动内管的限位，保证了一个攀爬爪部机构向上运动时，另一个攀爬爪部机构能够保持静止，提供必要的抓附力。

3、本发明设计一种新颖的尾部吸附结构，保证攀爬机器人在攀爬过程中始终存在一个支撑点，防止机器人坠落。

附图说明

图1是本发明中攀爬前进机构的运动简图；

图2是本发明中攀爬爪部机构的运动简图；

图3是本发明中攀爬尾部机构的运动简图；

图4是本发明中攀爬方法步骤一执行后的状态示意图；

图5是本发明中攀爬方法步骤二执行后的状态示意图；

图6是本发明中攀爬方法步骤三执行后的状态示意图；

图7是本发明中攀爬方法步骤四执行后的状态示意图；

图8是本发明中攀爬方法步骤五执行后的状态示意图；

图9是本发明中攀爬方法步骤六执行后的状态示意图；

图10是本发明中攀爬方法步骤七执行后的状态示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、2和3所示，一种攀爬机器装置，包括攀爬架303、攀爬前进机构、攀爬爪部机构、攀爬尾部机构、控制器、锂电池和抽气泵。攀爬爪部机构共有两个，分别设置在攀爬架303头端的两侧。两个攀爬爪部机构均由攀爬前进机构驱动，作交替攀爬动作。攀爬尾部机构设置在攀爬架303的尾端。攀爬前进机构包括回转动力源101、运动摇杆102、第一连杆103、第二连杆104、运动滑块105、圆弧滑轨106、右偏顶杆107、左偏顶杆108、转向导杆109、导杆定位组件、第一滑道118、第二滑道119、第一滑块120、第二滑块121、第一伸缩杆110和第二伸缩杆111。

转向导杆109与攀爬架303构成沿攀爬架303宽度方向滑动的滑动副。导杆定位组件包括第一定位吸附块112、第一从动吸附块113、第二从动吸附块114、第二定位吸附块115、第三从动吸附块116和第三定位吸附块117。第一从动吸附块113、第二从动吸附块114、第三从动吸附块116与转向导杆109的中部、一端端部、另一端端部分别固定。第二定位吸附块115、第三定位吸附块117分别固定在攀爬架303的左侧、右侧，且与第二从动吸附块114、第三从动吸附块116的外端分别正对设置。攀爬架303的左侧指攀爬架303前进方向的左侧。攀爬架303的右侧指攀爬架303前进方向的右侧。第一定位吸附块112与第一从动吸附块113中，一为磁铁，另一为铁磁性材料。第二从动吸附块114与第二定位吸附块115中，一为磁铁，另一为铁磁性材料。第三从动吸附块116与第三定位吸附块117中，一为磁铁，另一为铁磁性材料。两块第一定位吸附块112均固定在攀爬架303的中部，且分别位于转向导杆109中部的两侧。两块第一定位吸附块112对第一从动吸附块113产生吸力。

转向导杆109具有三个功能位置，分别为左转位、中位、右转位。左转位对应转向导杆109的右极限位置；中位对应转向导杆109的中间位置；右转位对应转向导杆109的左极限位置；转向导杆109处于左转位时，第三从动吸附块116与第三定位吸附块117接触，第三从动吸附块116与第三定位吸附块117的吸力达到最大，使得转向导杆109保持在左转位。转向导杆109处于中位时，第一定位吸附块112与第一从动吸附块113对齐，第一定位吸附块112对第一从动吸附块113的吸力达到最大，使得转向导杆109保持在中位。转向导杆109处于右转位时，第一定位吸附块112与第一从动吸附块113接触，第一定位吸附块112与第一从动吸附块113的吸力达到最大，使得转向导杆109保持在右转位。

第一滑道118、第二滑道119分别设置在攀爬架303头端的两侧，且均与攀爬架303铰接。第一滑道118、第二滑道119的内端与第一伸缩杆110、第二伸缩杆111的一端分别固定。第一伸缩杆110、第二伸缩杆111的另一端与转向导杆109的两端分别铰接。当转向导杆109滑动时，带动第一滑道118、第二滑道119同步同向转动(这一过程中，第一伸缩杆110、第二伸缩杆111随之发生伸缩)。右偏顶杆107及左偏顶杆108均呈L形。右偏顶杆107、左偏顶杆108的一端与转向导杆109的两端分别固定。右偏顶杆107、左偏顶杆108的另一端相对设置，且均固定有推球。

圆弧滑轨106固定在攀爬架303的中部。圆弧滑轨106的内凹侧朝向第一滑道118与第二滑道119之间的位置。运动滑块105与圆弧滑轨构成沿圆弧滑动的滑动副。运动摇杆102的一端与攀爬架303构成转动副，另一端与运动滑块105固定。运动摇杆102与攀爬架303所成转动副的公共轴线与圆弧滑轨106的圆心轴线重合。回转动力源101固定在攀爬架303上，采用舵机。回转动力源101的输出轴与运动摇杆102固定。第一连杆103、第二连杆104的一端均与运动滑块105铰接，另一端与第一滑块120、第二滑块121分别铰接。当运动摇杆102转动时，第一滑块120、第二滑块121同步反向滑动。

运动摇杆102位于右偏顶杆107与左偏顶杆108之间。当运动摇杆102向右偏顶杆107转动至接触右偏顶杆107上的推球后，将推动右偏顶杆107滑动，使得转向导杆109向左滑动至右转位，第一滑道118、第二滑道119的外端均倾斜朝向攀爬架303前方的右侧。当运动摇杆102向左偏顶杆108转动至接触左偏顶杆108上的推球后，将推动左偏顶杆108滑动，使得转向导杆109向右滑动至左转位，第一滑道118、第二滑道119的外端均倾斜朝向攀爬架303前方的左侧。

如图2所示，攀爬爪部机构包括固定外管201、滑动内管202、顶杆203、收缩弹簧204、攀爬勾爪206、从动凸轮207、滚轮208、勾爪固定杆209、顶杆活塞211、固定销205和销钉顶紧弹簧213。滑动内管202的内端伸入固定外管201的内壁，并与固定外管201构成滑动副。两根收缩弹簧205的一端均与固定外管201的内端端部固定，另一端均与滑动内管202的内端固定。当滑动内管202伸出时，收缩弹簧205对滑动内管202产生拉力，实现滑动内管202的复位。滑动内管202的内端设置有外倒角，使得滑动内管202外端端面呈圆台形。

固定外管201的内壁上开设有两个销钉滑槽。两个销钉滑槽内均设置有销钉顶紧弹簧213。两个固定销205与两个销钉滑槽分别构成滑动副。两个固定销205的内端与两个销钉顶紧弹簧213的外端分别固定。固定销205的外端设置有倒角。固定销205伸出销钉滑槽的状态下，固定销205的外端到固定外管201中心轴线的距离小于滑动内管202的内径。此时，滑动内管202的内端在伸缩弹簧205的拉力下抵住两个固定销205。当固定销205被向内推动，使得固定销205的外端与滑动内管202内侧面平齐时，固定销205会在滑动内管202内端的倒角斜面的推动下，继续滑入销钉滑槽内。

勾爪固定杆209的内端与滑动内管202外端固定，且位于滑动内管202外端远离攀爬架303内侧的一侧。攀爬勾爪206的中部与勾爪固定杆209的外端铰接。攀爬勾爪206的外端呈尖锐状，且朝向攀爬架303的内侧。攀爬勾爪206与勾爪固定杆209之间的铰接轴上套置有扭簧。扭簧的两端与攀爬勾爪206、勾爪固定杆209分别固定。攀爬勾爪206的外端设置有多根倒钩和绒毛。攀爬勾爪206在扭簧的驱动下翻转，能够推动攀爬勾爪206的尖锐处能够刺入位于攀爬架303内侧的树木中或卡入位于攀爬架303内侧的墙面的缝隙中，使得一种攀爬机器装置悬挂固定在被攀爬的树木或墙面上。攀爬勾爪206外端的倒钩和绒毛，是对能够在墙面上爬行的蟑螂的腿进行仿生，其能够增强攀爬勾爪206对墙面或树木的附着力。

攀爬勾爪206的内端固定有从动凸轮207。从动凸轮207的工作轮廓呈圆弧状。顶杆203穿过滑动内管202内。顶杆203的外端支承有滚轮208。滚轮208与攀爬勾爪206上的从动凸轮207对齐。当顶杆203向外滑动至滚轮208接触从动凸轮207后，顶杆203将推动攀爬勾爪206的外端向远离攀爬架303内侧的方向翻转，实现攀爬勾爪206与被附着物体(墙面或树木)的分离。

顶杆203的中部固定有顶杆活塞211。顶杆活塞211与滑动内管202的内壁构成滑动副。滑动内管202内壁的外端设置有环形限位块，环形限位块用于限定顶杆活塞211与滑动内管202的相对极限位置。顶杆活塞211的内端设置有倒角，使得顶杆活塞211呈圆台状。顶杆活塞211内端端面的半径小于固定销205在伸出销钉滑槽状态下到固定外管201中心轴线的距离。当顶杆活塞211向内滑动至固定销205时，能够推动固定销205向内滑动至与滑动内管202内壁对齐的状态；之后，滑动内管202内端的倒角继续推动固定销205向内滑动。滑动内管202失去固定销205的阻挡，在伸缩弹簧的拉动下向内滑动。

两个攀爬爪部机构内的固定外管201与第一滑道118、第二滑道119分别固定。两个攀爬爪部机构内的顶杆203内端与第一滑块120、第二滑块121分别固定。当第一滑块120从内极限位置向外极限位置滑动时，对应的顶杆203先滑动向攀爬勾爪206滑动，顶杆203接触攀爬勾爪206上的从动凸轮207后推动攀爬勾爪206翻转；顶杆活塞211与滑动内管202内的环形限位块接触后，推动滑动内管202向外滑动，滑动内管202的内端越过固定销205后，固定销205弹出，对滑动内管202进行限位，该动作完成攀爬勾爪206的外翻并向上推出。

当第一滑块120从外极限位置向内极限位置滑动时，对应的顶杆203先与攀爬勾爪206分离，推动攀爬勾爪206的外端在扭簧的作用下向内翻转，顶杆活塞211与固定销205接触后，推动固定销205向内滑动，使得固定销205对滑动内管202的限位解除。滑动内管202与固定外管201的伸缩弹簧204的作用下相对滑动。该动作完成攀爬勾爪206的内翻附着被攀爬物体并拉动攀爬架303向上运动。

如图3所示，攀爬尾部机构包括尾部连接杆304、尾部连接弹簧305、尾部固定架306、真空吸盘307、尾部行进轮308和吸盘固定套310。两根尾部连接杆304的一端均与攀爬架303的尾部铰接，另一端均与尾部固定架306的一端铰接。两根尾部连接弹簧305的一端与两根尾部连接杆304的中部分别固定，另一端均与尾部固定架306的中部固定。两个尾部行进轮308均支承在尾部固定架306的另一端。吸盘固定套310固定在尾部固定架306上，且位于两个尾部行进轮308之间。真空吸盘307安装在吸盘固定套310的内侧。

真空吸盘307的出气口与抽气泵的抽气口连接。抽气泵与控制器通过继电器连接。回转动力源的控制接口与控制器的PWM波输出接口连接。锂电池为抽气泵和回转动力源供电。

将位于攀爬架303左侧的攀爬爪部机构作为第一攀爬爪部机构301；将位于攀爬架303右侧的攀爬爪部机构作为第二攀爬爪部机构302。运动摇杆102具有第一行进极限位置和第二行进极限位置。

运动摇杆102位于第一行进极限位置的状态下，运动摇杆102靠近左偏顶杆108但不与左偏顶杆108接触，第一攀爬爪部机构301内的伸缩弹簧处于收缩状态，且第一攀爬爪部机构301内顶杆203与攀爬勾爪206分离，使得顶杆203向外顶出时不会马上推动攀爬勾爪206翻转。第二攀爬爪部机构302内的滑动内管202内固定销锁止。

运动摇杆102位于第二行进极限位置的状态下，运动摇杆102靠近右偏顶杆107但不与右偏顶杆107接触，第一攀爬爪部机构301内的滑动内管202内固定销锁止。第二攀爬爪部机构302内的伸缩弹簧处于收缩状态，且第二攀爬爪部机构302内顶杆203与攀爬勾爪206分离，使得顶杆203向外顶出时不会马上推动攀爬勾爪206翻转。

运动摇杆102处于第一行进极限位置与第二行进极限位置之间的情况下，无论转向导杆109左转位、中位或右转位，运动摇杆102均不与左偏顶杆108、右偏顶杆107接触。

该攀爬机器装置的攀爬方法如下：

步骤一、如图4所示，将攀爬机器装置附着到被攀爬物体上，使得运动摇杆102处于正中位置，第一滑块120和第二滑块121均处于中位，第一攀爬爪部机构301内的滑动内管202被固定销205锁住，攀爬勾爪206扣在被攀爬物体上，收缩弹簧204处于拉伸状态；第二攀爬爪部机构302内的滑动内管202没有被第二滑道内的固定销锁住，攀爬勾爪206在顶杆203的推动下与被攀爬物体分离。尾部连接弹簧305为收缩状态。抽气泵驱动真空吸盘307吸紧被攀爬物体。此时，攀爬机器装置如图4所示。

步骤二、如图5所示。运动摇杆102向左偏顶杆108翻转(图1中的逆时针)至第一行进极限位置，使第一滑块120向内滑动，第二滑块121向外移动。

第一滑块120拉动第一攀爬爪部机构301内顶杆203相对于攀爬架303向内移动，第一攀爬爪部机构301内滑动内管202在顶杆活塞211到达固定销205前保持静止。当第一攀爬爪部机构301内的顶杆活塞211到达固定销205时，顶杆活塞211推动固定销205向内滑动，固定销对滑动内管202的锁止解除，滑动内管202与固定外管201在伸缩弹簧的拉动下进行相对滑动。由于此时第一攀爬爪部机构301的攀爬勾爪206扣在被攀爬物体上，故第一攀爬爪部机构301内的滑动内管202保持静止，固定外管201拉动攀爬架303向上移动。此时，真空吸盘307吸附在被攀爬物体上，尾部连接弹簧305被拉伸。

第二滑块121推动第二攀爬爪部机构302内的顶杆203相对于攀爬架303向外移动。第二攀爬爪部机构302内的滑动内管202向外伸出，当滑动内管202的内端越过固定销205时，固定销205对第二攀爬爪部机构302内的滑动内管202形成限位。

步骤三、如图6所示，运动摇杆102向右偏顶杆107翻转，使第一滑块120向外滑动，第二滑块121向内移动。

第一攀爬爪部机构301内顶杆203相对于攀爬架303向外移动，第一攀爬爪部机构301内的顶杆203未推到对应的攀爬勾爪206，故第一攀爬爪部机构301内顶杆203移动过程中，滑动内管202及攀爬勾爪206均保持静止。

第二攀爬爪部机构302内的顶杆203相对于攀爬架303向内移动，第二攀爬爪部机构302内的顶杆203远离攀爬勾爪206；第二攀爬爪部机构302内的攀爬勾爪206在扭簧的作用下，外端向被攀爬物体翻转，并扣住被攀爬物体。

步骤四、如图7所示，两个攀爬勾爪206均扣住被攀爬物体后，运动摇杆102停止运动，抽气泵停止工作，真空吸盘307释放。尾部固定架306在尾部连接弹簧305的拉力作用下向上运动。尾部行进轮308在墙面上滚动，减小摩擦力。

步骤五、如图8所示。抽气泵驱动真空吸盘307吸紧被攀爬物体。运动摇杆102向右偏顶杆107翻转至第二行进极限位置，使第一滑块120向外滑动，第二滑块121向内移动。

第一滑块120推动第一攀爬爪部机构301内的顶杆203相对于攀爬架303向外移动。第一攀爬爪部机构301内的滑动内管202向外伸出，当滑动内管202的内端越过固定销205时，固定销205对第一攀爬爪部机构301内的滑动内管202形成限位。

第二滑块121拉动第二攀爬爪部机构302内顶杆203相对于攀爬架303向内移动，第二攀爬爪部机构302内滑动内管202在顶杆活塞211到达固定销205前保持静止。当第二攀爬爪部机构302内的顶杆活塞211到达固定销205时，顶杆活塞211推动固定销205向内滑动，固定销对滑动内管202的锁止解除，滑动内管202与固定外管201在伸缩弹簧的拉动下进行相对滑动。由于此时第二攀爬爪部机构302的攀爬勾爪206扣在被攀爬物体上，故第二攀爬爪部机构302内的滑动内管202保持静止，固定外管201拉动攀爬架303向上移动。此时，真空吸盘307吸附在被攀爬物体上，尾部连接弹簧305被拉伸。

步骤六、如图9所示，运动摇杆102向左偏顶杆108翻转，使第一滑块120向内滑动，第二滑块121向外移动。

第一攀爬爪部机构301内的顶杆203相对于攀爬架303向内移动，第一攀爬爪部机构301内的顶杆203远离攀爬勾爪206；第一攀爬爪部机构301内的攀爬勾爪206在扭簧的作用下，外端向被攀爬物体翻转，并扣住被攀爬物体。

第二攀爬爪部机构302内顶杆203相对于攀爬架303向外移动，第二攀爬爪部机构302内的顶杆203未推到对应的攀爬勾爪206，故第二攀爬爪部机构302内顶杆203移动过程中，滑动内管202及攀爬勾爪206均保持静止。

步骤七、如图10所示，两个攀爬勾爪206均扣住被攀爬物体后，运动摇杆102停止运动，抽气泵停止工作，真空吸盘307释放。尾部固定架306在尾部连接弹簧305的拉力作用下向上运动。尾部行进轮308在墙面上滚动，减小摩擦力。

步骤八、持续重复执行步骤二至七，直到攀爬到被攀爬物体的顶部。

当需要左转，则在执行步骤二时，使得运动摇杆102越过第一行进极限位置，运动摇杆102推动左偏顶杆108向右滑动，转向导杆109到达左转位；此时，第一攀爬爪部机构301及第二攀爬爪部机构302的外端向左倾斜，此时，执行步骤二至七会驱动攀爬架303向左前方行进。当需要从左转恢复到直行，则在执行步骤五时，使得运动摇杆102越过第二行进极限位置，运动摇杆102推动右偏顶杆107向左滑动，转向导杆109回复的中位。

当需要右转，则在执行步骤五时，使得运动摇杆102越过第二行进极限位置，运动摇杆102推动右偏顶杆107向左滑动，转向导杆109到达右转位；此时，第一攀爬爪部机构301及第二攀爬爪部机构302的外端向右倾斜，此时，执行步骤二至七会驱动攀爬架303向右前方行进。当需要从右转恢复到直行，则在执行步骤二时，使得运动摇杆102越过第一行进极限位置，运动摇杆102推动右偏顶杆107向右滑动，转向导杆109回复的中位。

Claims (10)

1.一种攀爬机器人，包括攀爬架、攀爬前进机构和攀爬爪部机构；其特征在于：两个攀爬爪部机构分别设置在攀爬架头端的两侧；攀爬前进机构包括回转动力源、运动摇杆、第一连杆、第二连杆、第一滑道、第二滑道、第一滑块、第二滑块；第一滑道、第二滑道分别设置在攀爬架头端的两侧；运动摇杆的内端与攀爬架构成转动副，外端与第一连杆及第二连杆的一端铰接；运动摇杆由回转动力源驱动；第一连杆、第二连杆的另一端与第一滑块、第二滑块分别铰接；

所述的攀爬爪部机构包括固定外管、滑动内管、顶杆、收缩弹簧、攀爬勾爪、从动凸轮、滚轮、勾爪固定杆、顶杆活塞、固定销和销钉顶紧弹簧；滑动内管的内端伸入固定外管的内壁，并与固定外管构成滑动副；两根收缩弹簧的一端均与固定外管的内端端部固定，另一端均与滑动内管的内端固定；滑动内管的内端设置有外倒角；伸缩固定外管的内壁上开设有销钉滑槽；销钉滑槽内设置有销钉顶紧弹簧；固定销与销钉滑槽构成滑动副；固定销的内端与销钉顶紧弹簧的外端固定；

所述勾爪固定杆的内端与滑动内管外端固定；攀爬勾爪的中部与勾爪固定杆的外端铰接；攀爬勾爪的外端呈尖锐状，且朝向攀爬架的内侧；攀爬勾爪与勾爪固定杆之间的铰接轴上套置有扭簧；扭簧的两端与攀爬勾爪、勾爪固定杆分别固定；攀爬勾爪的内端固定有从动凸轮；顶杆穿过滑动内管内；顶杆的中部固定有顶杆活塞；顶杆活塞与滑动内管的内壁构成滑动副；滑动内管内壁的外端设置有环形限位块；顶杆活塞的内端设置有倒角；

两个攀爬爪部机构内的固定外管与第一滑道、第二滑道分别固定；两个攀爬爪部机构内的顶杆内端与第一滑块、第二滑块分别固定。

2.根据权利要求1所述的一种攀爬机器人，其特征在于：所述的攀爬前进机构还包括右偏顶杆、左偏顶杆、转向导杆、导杆定位组件、第一伸缩杆和第二伸缩杆；所述的转向导杆与攀爬架构成滑动副；导杆定位组件包括第一定位吸附块、第一从动吸附块、第二从动吸附块、第二定位吸附块、第三从动吸附块和第三定位吸附块；第一从动吸附块、第二从动吸附块、第三从动吸附块与转向导杆的中部、一端端部、另一端端部分别固定；第二定位吸附块、第三定位吸附块分别固定在攀爬架的左侧、右侧，且与第二从动吸附块、第三从动吸附块的外端分别正对设置；第一定位吸附块均固定在攀爬架的中部；第一定位吸附块与第一从动吸附块相互之间有吸力；第二定位吸附块与第二从动吸附块相互之间有吸力；第三定位吸附块与第三从动吸附块相互之间有吸力；转向导杆具有三个功能位置，分别为左转位、中位、右转位；左转位对应转向导杆的右极限位置；中位对应转向导杆的中间位置；右转位对应转向导杆的左极限位置；

第一滑道及第二滑道均与攀爬架铰接；第一滑道、第二滑道的内端与第一伸缩杆、第二伸缩杆的一端分别固定；第一伸缩杆、第二伸缩杆的另一端与转向导杆的两端分别铰接；右偏顶杆及左偏顶杆均呈L形；右偏顶杆、左偏顶杆的一端与转向导杆的两端分别固定；右偏顶杆、左偏顶杆的另一端相对设置，且均固定有推球；运动摇杆位于右偏顶杆与左偏顶杆之间；

当运动摇杆向右偏顶杆转动至接触右偏顶杆上的推球后，运动摇杆推动右偏顶杆滑动，使得转向导杆向左滑动至右转位，第一滑道、第二滑道的外端均倾斜朝向攀爬架右前方；当运动摇杆向左偏顶杆转动至接触左偏顶杆上的推球后，运动摇杆推动左偏顶杆滑动，使得转向导杆向右滑动至左转位，第一滑道、第二滑道的外端均倾斜朝向攀爬架左前侧。

3.根据权利要求2所述的一种攀爬机器人，其特征在于：还包括攀爬尾部机构和抽气泵；所述的攀爬尾部机构包括尾部连接杆、尾部连接弹簧、尾部固定架、真空吸盘、尾部行进轮和吸盘固定套；尾部连接杆的一端与攀爬架的尾部铰接，另一端与尾部固定架的一端铰接；尾部连接弹簧的一端与尾部连接杆的中部固定，另一端与尾部固定架的中部固定；尾部行进轮支承在尾部固定架的另一端；吸盘固定套固定在尾部固定架上；真空吸盘安装在吸盘固定套的内侧；真空吸盘的出气口与抽气泵的抽气口连接。

4.根据权利要求1所述的一种攀爬机器人，其特征在于：所述的攀爬前进机构还包括运动滑块和圆弧滑轨；所述的圆弧滑轨固定在攀爬架的中部；圆弧滑轨的内凹侧朝向第一滑道与第二滑道之间的位置；运动滑块与圆弧滑轨构成沿圆弧滑动的滑动副；运动摇杆的外端与运动滑块固定；运动摇杆与攀爬架所成转动副的公共轴线与圆弧滑轨的圆心轴线重合。

5.根据权利要求1所述的一种攀爬机器人，其特征在于：所述固定销的外端设置有倒角。

6.根据权利要求1所述的一种攀爬机器人，其特征在于：所述攀爬勾爪的外端设置有多根倒钩和绒毛。

7.根据权利要求1所述的一种攀爬机器人，其特征在于：所述顶杆的外端支承有滚轮。

8.根据权利要求1所述的一种攀爬机器人，其特征在于：所述的顶杆活塞内端端面的半径小于固定销在伸出销钉滑槽状态下到固定外管中心轴线的距离。

9.如权利要求3所述的一种攀爬机器人的攀爬方法，其特征在于：步骤一、将位于攀爬架左侧的攀爬爪部机构作为第一攀爬爪部机构；将位于攀爬架右侧的攀爬爪部机构作为第二攀爬爪部机构；运动摇杆具有第一行进极限位置和第二行进极限位置；运动摇杆位于第一行进极限位置的状态下，运动摇杆靠近左偏顶杆但不与左偏顶杆接触；运动摇杆位于第二行进极限位置的状态下，运动摇杆靠近右偏顶杆但不与右偏顶杆接触；

将攀爬机器装置附着到被攀爬物体上，使得运动摇杆处于正中位置，第一滑块和第二滑块均处于中位，第一攀爬爪部机构内的滑动内管被固定销锁住，攀爬勾爪扣在被攀爬物体上；第二攀爬爪部机构内的滑动内管没有被第二滑道内的固定销锁住，攀爬勾爪在顶杆的推动下与被攀爬物体分离；尾部连接弹簧为收缩状态；抽气泵驱动真空吸盘吸紧被攀爬物体；

步骤二、运动摇杆向左偏顶杆翻转至第一行进极限位置，使第一滑块向内滑动，第二滑块向外移动；

第一滑块拉动第一攀爬爪部机构内顶杆相对于攀爬架向内移动，第一攀爬爪部机构内滑动内管在顶杆活塞到达固定销前保持静止；当第一攀爬爪部机构内的顶杆活塞到达固定销时，顶杆活塞推动固定销向内滑动，固定销对滑动内管的锁止解除，滑动内管与固定外管在伸缩弹簧的拉动下进行相对滑动，固定外管拉动攀爬架向上移动；尾部连接弹簧被拉伸；

第二滑块推动第二攀爬爪部机构内的顶杆相对于攀爬架向外移动；第二攀爬爪部机构内的滑动内管向外伸出，当滑动内管的内端越过固定销时，固定销弹出；

步骤三、运动摇杆向右偏顶杆翻转，使第一滑块向外滑动，第二滑块向内移动；

第一攀爬爪部机构内顶杆相对于攀爬架向外移动，第一攀爬爪部机构内的顶杆未推到对应的攀爬勾爪，滑动内管及攀爬勾爪均保持静止；

第二攀爬爪部机构内的顶杆相对于攀爬架向内移动，第二攀爬爪部机构内的顶杆远离攀爬勾爪；第二攀爬爪部机构内的攀爬勾爪在扭簧的作用下，外端向被攀爬物体翻转，扣住被攀爬物体；

步骤四、两个攀爬勾爪均扣住被攀爬物体后，运动摇杆停止运动，真空吸盘释放；尾部固定架在尾部连接弹簧的拉力作用下向上运动；

步骤五、抽气泵驱动真空吸盘吸紧被攀爬物体；运动摇杆向右偏顶杆翻转至第二行进极限位置，使第一滑块向外滑动，第二滑块向内移动；

第一滑块推动第一攀爬爪部机构内的顶杆相对于攀爬架向外移动；第一攀爬爪部机构内的滑动内管向外伸出，当滑动内管的内端越过固定销时，固定销弹出；

第二滑块拉动第二攀爬爪部机构内顶杆相对于攀爬架向内移动，第二攀爬爪部机构内滑动内管在顶杆活塞到达固定销前保持静止；当第二攀爬爪部机构内的顶杆活塞到达固定销时，顶杆活塞推动固定销向内滑动，固定销对滑动内管的锁止解除，滑动内管与固定外管在伸缩弹簧的拉动下进行相对滑动；固定外管拉动攀爬架向上移动，尾部连接弹簧被拉伸；

步骤六、运动摇杆向左偏顶杆翻转，使第一滑块向内滑动，第二滑块向外移动；

第一攀爬爪部机构内的顶杆相对于攀爬架向内移动，第一攀爬爪部机构内的顶杆远离攀爬勾爪；第一攀爬爪部机构内的攀爬勾爪在扭簧的作用下，外端向被攀爬物体翻转，扣住被攀爬物体；

第二攀爬爪部机构内顶杆相对于攀爬架向外移动，第二攀爬爪部机构内的顶杆未推到对应的攀爬勾爪，滑动内管及攀爬勾爪均保持静止；

步骤七、两个攀爬勾爪均扣住被攀爬物体后，运动摇杆停止运动，真空吸盘释放；尾部固定架在尾部连接弹簧的拉力作用下向上运动；

步骤八、持续重复执行步骤二至七，直到攀爬到被攀爬物体的顶部。

10.根据权利要求9所述的一种攀爬机器人的攀爬方法，其特征在于：当需要左转，则在执行步骤二时，使得运动摇杆越过第一行进极限位置，运动摇杆推动左偏顶杆向右滑动，转向导杆到达左转位；此时，第一攀爬爪部机构及第二攀爬爪部机构的外端向左倾斜，此时，执行步骤二至七会驱动攀爬架向左前方行进；当需要从左转恢复到直行，则在执行步骤五时，使得运动摇杆越过第二行进极限位置，运动摇杆推动右偏顶杆向左滑动，转向导杆回复的中位；

当需要右转，则在执行步骤五时，使得运动摇杆越过第二行进极限位置，运动摇杆推动右偏顶杆向左滑动，转向导杆到达右转位；此时，第一攀爬爪部机构及第二攀爬爪部机构的外端向右倾斜，此时，执行步骤二至七会驱动攀爬架向右前方行进；当需要从右转恢复到直行，则在执行步骤二时，使得运动摇杆越过第一行进极限位置，运动摇杆推动右偏顶杆向右滑动，转向导杆回复的中位。

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