CN110723229A - 一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人，属于自动控制技术领域。该机器人包括机器人本体和N条腿，每条腿末端和机器人本体中部下方分别固定有包括滑动体，短杆，黏附材料，导向柱，固定板和止动环的黏附与脱附机构；滑动体与机器人固定连接，同时滑动体中心对称设有短杆连接黏附材料；黏附材料中心贴合固定板，固定板上中心对称固定垂直导向柱。导向柱的另一端固定连接止动环；滑动体在固定板与止动环之间沿着导向柱的轴向上下运动。通过滑动体上下滑动，带动短杆将黏附材料的边缘撕开，并通过机器人抬腿，再将整个黏附与脱附机构脱离壁面，前进固定距离。本发明适应于多种表面形状，粘贴更牢固，运动更稳定。

Description

一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人

技术领域

本发明属于自动控制技术领域，特别涉及一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人。

背景技术

随着科学技术的发展，各领域的机器人种类和数量也在不断增多，爬壁机器人由于其灵活的空间运动能力，可在复杂表面开展大范围行走与操作，广泛应用于工业领域。

目前，爬壁机器人主要有基于静电和真空的吸附式爬壁机器人和仿壁虎的黏附式爬壁机器人。黏附式爬壁机器人主要通过足端的黏附材料与接触表面的粘连来提供黏附力，再利用腿部关节的运动实现足端脱附；该类型的爬壁机器人在曲面上爬行时，足部与曲面难以完全接触，导致黏附力不足。此外，足端脱附过程需要较大的脱附力，且冲击较大。

因此，现有的爬壁机器人存在曲面适应性不强，脱附力较大的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人。黏附与脱附机构上的黏附超材料可与壁面充分接触，可通过先从边缘撕开再整体拉起的方式减小脱附力，还能适应一定弧度的凹凸面；该机器人可以实现重力及空间零重力等多种环境下在复杂曲面的可靠爬行。

所述的带有黏附与脱附机构的爬壁机器人，包括机器人本体和均匀分布在机器人本体上的结构相同的N条腿；N大于等于3。

每条腿有四个关节，第一个关节为安装在机器人本体上的舵机，舵机转轴垂直于机器人本体所在平面；第二个关节由舵机驱动，舵机转轴平行于机器人本体所在平面；第三个关节由舵机驱动，舵机转轴平行于机器人本体所在平面；第四个关节为被动球铰，具有三个自由度，球铰的末端连接黏附与脱附机构。

同时，在机器人本体的中部下方固定安装一个垂直于本体平面的黏附与脱附机构；

所有的黏附与脱附机构都相同，均包括滑动体，短杆，黏附材料，导向柱，固定板和止动环。

滑动体的中心孔与机器人腿部末端或者机器人本体固定连接，滑动体的周围中心对称分布若干杆状末端，每个杆状末端分别连接一个短杆，每个短杆的另一端分别固定连接黏附材料的边缘。

同时，在滑动体杆状末端与短杆连接处，安有一个弹簧，弹簧的自然状态为保证短杆与滑动体垂直于中心孔的平面向下有一定角度。

黏附材料上的中心位置固定贴合固定板，固定板上中心对称固定连接若干垂直导向柱。每个导向柱的另一端固定连接止动环；滑动体在止动环内沿着导向柱的轴向上下运动。

导向柱朝向固定板圆心的内侧设为凸弧面，滑动体的外围与导向柱接触的位置均设有凹弧面，凹凸弧面同心贴合。

进一步，所述的短杆抬起一定角度，直到短杆与滑动体杆状末端平行，弹簧被压缩并给短杆一个下压力。

进一步，在所述的某个导向柱弧面上开有凹槽，凹槽内设置有电磁控制的卡板，卡板的自然状态为伸出导向柱，与导向柱垂直；当滑动体沿着导向柱向下运动时，滑动体会将卡板按压进导向柱的凹槽内；当滑动体运动到导向柱底部时，卡板自然伸出，将滑动体紧紧卡住与固定板贴合。

进一步，所述的卡板前端为弧面，后端为平面，且通过连接弹簧在凹槽内实现伸缩；当卡板缩回在凹槽内，滑动体需要向上运动时，电磁控制卡板缩回凹槽内，不影响滑动体沿导向柱的运动。

所述黏附与脱附结构的工作原理为：

初始状态，机器人所有黏附与脱附机构都在壁面上，黏附材料与壁面贴合；当机器人移动时，沿着设定的前进方向，机器人按顺序逐个抬起各条腿；

针对第一条腿作为当前腿，具体的抬起过程为：

电磁控制当前黏附与脱附机构中的卡板进入导向柱的凹槽里，滑动体沿着导向柱的轴向向上运动，带动短杆的一端向上运动，短杆的另一端将拉着黏附材料的边缘，以撕的方式将黏附材料的边与壁面分离。当滑动体的杆状末端贴合到止动环时，滑动体圈在止动环内；随着机器人腿继续向上的拉力，滑动体继续向上，拉动固定在一起的止动环、导向柱和固定板整体向上，从而把中间的黏附材料向上拉起，将黏附材料中间的部分与壁面分离，完成先撕后拉的过程。

当前腿抬起后，向前移动固定距离，然后落下；具体落下的过程为：

腿的球铰末端带动黏附与脱附机构，首先将固定板放置于壁面上，黏附材料的中间部分先与壁面贴合，然后滑动体沿着导向柱的轴向向下运动，滑动体会将卡板按压进导向柱的凹槽内，黏附材料的边缘部分与壁面逐渐贴合。当滑动体与固定板贴合时，短杆贴合壁面，将黏附材料的边缘全部贴合至壁面上。导向柱里的卡板自然伸出，将滑动体卡在固定板上。

当黏附材料与壁面保持吸附时，滑动体与固定板贴合，当壁面为凸面时，由于滑动体与短杆连接的转动副处设置有弹簧，短杆自然向下有一定角度，可以适应小弧度的凸面，并且短杆对黏附材料有一定的按压力。当壁面为凹面时，由于短杆材料可变形，短杆会适应壁面形状向上翘起，并且短杆对黏附材料有一定的按压力。

当第一条腿完成移动后，第二条腿作为当前腿重复抬起，前进固定距离并落地的过程，依次第三条腿，第四条腿……；直至N条腿全部完成抬起，前进并落地的过程。

最后，针对机器人本体下方的黏附与脱附机构，在电磁控制下卡板进入导向柱的凹槽里，在机器人N条腿的关节的作用下，带动机器人本体下方的黏附与脱附机构与壁面分离。在机器人N条腿的作用下，机器人本体前进固定距离，然后落地将黏附材料与壁面贴合，至此完成机器人整体的前进过程。

本发明的优点在于：

1、一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人，可适应于多种壁面形状，如凹面、凸面，平面，粘贴更加牢固。

2、一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人，与壁面黏附时产生较大的黏附力，在脱附又可以将黏附材料从边缘撕开，需要较小的力。

3、一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人，在机器人本体上安装有黏附与脱附机构，可以保证运动更稳定。

附图说明

图1为本发明一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人的整体示意图；

图2为本发明一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人的黏附与脱附机构在脱附时的状态兼结构图；

图3为本发明一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人的黏附与脱附机构与平地面贴合的状态图；

图4为本发明一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人在表面为凹凸面时黏附与脱附机构的状态图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图，对本发明的实施方式做详细、清楚的描述。

一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人，包括机器人本体和均匀分布在机器人本体上的结构相同的N条腿。N大于等于3。

本实施例以3条腿为例，如图1所示，每条腿有四个关节，第一个关节为安装在机器人本体上的舵机，舵机转轴垂直于机器人身体所在平面；第二关节由舵机驱动，舵机转轴平行于机器人本体所在平面；第三个关节由舵机驱动，舵机转轴平行于机器人本体所在平面；第四个关节为被动球铰，具有三个自由度，球铰的末端连接黏附与脱附机构。

同时，在机器人本体的中部下方固定安装有一个垂直于本体平面的黏附与脱附机构；

所有的黏附与脱附机构都相同，如图2所示，均包括滑动体，四个短杆，黏附材料，四个导向柱，固定板和止动环。

滑动体通过中心孔连接腿的球铰末端或者机器人本体，滑动体的周围在垂直于中心孔的平面上，中心对称分布四个杆状末端，分别连接四个短杆，连接处为转动副，转动轴在垂直于中心孔的平面上；四个短杆的另一端分别固定连接黏附材料的中心对称分布的四个连接点边缘；黏附材料为柔性材料。

同时，在滑动体杆状末端与短杆连接的转动副处，安有一个弹簧，弹簧一端连接在杆状末端上，另一端焊接在短杆的阶梯台面上，弹簧的自然状态为保证短杆与滑动体垂直于中心孔的平面向下有一定角度，可以适应地面为凸面时黏附材料与地面的贴合。当短杆抬起一定角度直到短杆的阶梯台面与杆状末端贴合，至此，短杆被卡住达到极限，无法再动，弹簧被压缩，并给短杆一个下压力。

所述的四个短杆为有一定柔性的材料，比如橡胶，可以适应地面为凹面时黏附材料与地面的贴合。

黏附材料上面的中心位置固定贴合固定板，固定板与黏附材料同圆心，固定板的直径是黏附材料直径的一半。固定板周围中心对称固定连接有四个垂直于固定板平面的导向柱。四个导向柱的另一端固定连接止动环，止动环与固定板平行，且止动环将滑动体的顶端圈在内，四个杆状末端位于止动环下方。

导向柱朝向固定板圆心的内侧为90度的凸弧面，滑动体的外围与导向柱接触的位置均设有90度凹弧面，通过导向柱的凸弧面与滑动体的凹弧面同心贴合，从而滑动体在止动环内沿着四个导向柱的轴向上下运动。

同时在一个或多个导向柱的90凸弧面上分别开有凹槽，凹槽内设置有电磁控制的卡板，卡板前端为弧面，后端为平面，且通过连接弹簧在凹槽内实现伸缩。卡板的自然状态为伸出导向柱，与导向柱垂直；当滑动体沿着导向柱向下运动时，滑动体会将卡板按压进导向柱的凹槽内，不会影响其向下运动。当滑动体运动到导向柱底部时，卡板通过弹簧自然伸出，将滑动体紧紧卡住与固定板贴合。当滑动体需要沿着导向柱向上运动时，电磁控制卡板缩回在导向柱的凹槽内，卡板的弧面正好填满导向柱的凹槽，与导向柱融为一体，不再卡住滑动体，滑动体沿着导向柱向上运动。卡板结构能保证黏附材料与壁面贴合时黏附牢靠

所述黏附与脱附机构的工作原理为：

初始状态，机器人所有黏附与脱附机构都在地面上，黏附材料与地面贴合；当移动时，沿着设定的前进方向，机器人的各腿按顺序逐个抬起；

具体为：针对第一条腿作为当前腿，电磁控制卡板进入导向柱的凹槽里，滑动体沿着导向柱的轴向向上运动，带动四个短杆一端向上运动，四个短杆的另一端将拉着黏附材料的边缘，以撕的方式将黏附材料的四边与地面分离。当滑动体的四个杆状末端贴合到止动环时，机器人腿继续向上拉动滑动体，此时滑动体圈在止动环内，止动环同时固定导向柱和固定板；通过机器人腿的拉力，滑动体继续向上，拉动固定在一起的止动环、四个导向柱和固定板整体向上，从而把中间的黏附材料向上拉起，将黏附材料中间的部分与地面分离，完成先撕后拉的过程，可以减少将黏附材料与墙面分离需要的力。

当前腿抬起后，向前移动固定距离，然后落地黏附材料与地面贴合；首先，将固定板放置于地上站立，黏附材料的中间部分先与地面贴合，然后滑动体沿着导向柱的轴向下运动，滑动体会将卡板按压进导向柱的凹槽内，黏附材料的边缘部分与地面逐渐贴合。当滑动体与固定板贴合时，导向柱的卡板自然伸出，四个短杆贴合地面，将黏附材料的边缘全部贴合至地上，如图3所示。

当黏附材料与地面保持吸附时，滑动体与固定板贴合，导向柱的卡板将伸出卡住滑动体，保证其相对于固定板贴合的位置不变。此时黏附材料与地面分离需要将黏附材料整体拉起，拉力会比较大。当地面为凸面时，由于滑动体与四个短杆连接的转动副处设置有弹簧，短杆自然向下有一定角度，可以适应小弧度的凸面，并且短杆对黏附材料有一定的按压力。如图4所示，当地面为凹面时，由于短杆的材料为可变形的橡胶材料，短杆会适应地面形状向上翘起，并且短杆对黏附材料有一定的按压力。

当第一条腿完成移动后，第二条腿作为当前腿重复抬起，前进固定距离并落地的过程，然后第三条腿重复抬起，前进固定距离并落地的过程。

针对直接固定在机器人本体下的结构，过程如下：

在电磁控制下卡板进入导向柱的凹槽里，在机器人三条腿的关节的作用下，带动机器人本体下方的黏附与脱附机构与壁面分离，并前进固定距离，然后落地将黏附材料与壁面贴合，至此完成机器人整体的前进过程。

Claims (6)

1.一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人，其特征在于，包括机器人本体和均匀分布在机器人本体上的结构相同的N条腿；N大于等于3；

每条腿的末端和机器人本体的中部下方分别安装一个黏附与脱附机构；

所述的黏附与脱附机构包括滑动体，短杆，黏附材料，导向柱，固定板和止动环；

滑动体的中心孔与机器人腿部末端或者机器人本体固定连接，滑动体的周围中心对称分布若干杆状末端，每个杆状末端分别连接一个短杆，每个短杆的另一端分别固定连接黏附材料的边缘；

同时，在滑动体杆状末端与短杆连接处，安有一个弹簧，弹簧的自然状态为保证短杆与滑动体垂直于中心孔的平面向下有一定角度；

黏附材料上的中心位置固定贴合固定板，固定板上中心对称固定M个垂直导向柱；M大于等于1，每个导向柱的另一端固定连接止动环；滑动体在止动环内沿着导向柱的轴向上下运动；

在某个导向柱的弧面上开有凹槽，凹槽内设置有电磁控制的卡板，卡板的自然状态为伸出导向柱，与导向柱垂直；当滑动体沿着导向柱向下运动时，滑动体会将卡板按压进导向柱的凹槽内；当滑动体运动到导向柱底部时，卡板自然伸出，将滑动体紧紧卡住与固定板贴合。

2.如权利要求1所述的一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人，其特征在于，所述的每条腿有四个关节，第一个关节为安装在机器人本体上的舵机，舵机转轴垂直于机器人本体所在平面；第二个关节由舵机驱动，舵机转轴平行于机器人本体所在平面；第三个关节由舵机驱动，舵机转轴平行于机器人本体所在平面；第四个关节为被动球铰，具有三个自由度，球铰的末端连接黏附与脱附机构。

3.如权利要求1所述的一种带有黏附与脱附机构的吸附式爬行机器人，其特征在于，所述的短杆抬起一定角度，直到短杆与滑动体杆状末端平行，弹簧被压缩并给短杆一个下压力。

4.如权利要求1所述的一种带有黏附与脱附机构的吸附式爬行机器人，其特征在于，所述的导向柱朝向固定板圆心的内侧为凸弧面，滑动体的外围与导向柱接触的位置均设有凹弧面，凹凸弧面同心贴合。

5.如权利要求1所述的一种带有黏附与脱附机构的吸附式爬行机器人，其特征在于，所述的卡板前端为弧面，后端为平面，且通过连接弹簧和电磁控制在凹槽内实现伸缩；卡板初始状态在凹槽外，滑动体需要向下运动时，通过机构的几何约束将卡板压缩回凹槽内；滑动体需要向上运动时，电磁控制卡板缩回凹槽内，不影响滑动体沿导向柱的运动。

6.如权利要求1所述的一种带有黏附与脱附机构的爬壁机器人，其特征在于，所述黏附与脱附机构的工作原理为：

初始状态，机器人所有黏附与脱附机构都在壁面上，黏附材料与壁面贴合；当机器人移动时，沿着设定的前进方向，机器人按顺序逐个抬起各条腿；

针对第一条腿作为当前腿，具体的抬起过程为：

电磁控制当前黏附与脱附机构中的卡板进入导向柱的凹槽里，滑动体沿着导向柱的轴向向上运动，带动短杆一端向上运动，短杆的另一端将拉着黏附材料的边缘，以撕的方式将黏附材料的边与壁面分离；当滑动体的杆状末端贴合到止动环时，滑动体圈在止动环内；随着机器人腿继续向上的拉力，滑动体继续向上，拉动固定在一起的止动环、导向柱和固定板整体向上，从而把中间的黏附材料向上拉起，将黏附材料中间的部分与壁面分离，完成先撕后拉的过程；

当前腿抬起后，向前移动固定距离，然后落下；具体落下的过程为：

腿的球铰末端带动黏附与脱附机构，首先将固定板放置于壁面上，黏附材料的中间部分先与壁面贴合，然后滑动体沿着导向柱的轴向向下运动，黏附材料的边缘部分与壁面逐渐贴合；当滑动体与固定板贴合时，短杆贴合壁面，将黏附材料的边缘全部贴合至壁面上；导向柱里的卡板自然伸出，将滑动体卡在固定板上；

当黏附材料与壁面保持吸附时，滑动体与固定板贴合，当壁面为凸面时，由于滑动体与短杆连接的转动副处设置有弹簧，短杆自然向下有一定角度，可以适应小弧度的凸面，并且短杆对黏附材料有一定的按压力；当壁面为凹面时，由于短杆材料可变形，短杆会适应壁面形状向上翘起，并且短杆对黏附材料有一定的按压力；

当第一条腿完成移动后，第二条腿作为当前腿重复抬起，前进固定距离并落地的过程，依次第三条腿，第四条腿……；直至N条腿全部完成抬起，前进并落地的过程；

最后，针对机器人本体下方的黏附与脱附机构，在电磁控制下卡板进入导向柱的凹槽里，滑动体沿着导向柱向上运动，带动短杆将黏附材料与壁面分离；然后，机器人N条腿的关节运动一起作用，将机器人本体下方的黏附与脱附机构抬离壁面，并前进固定距离，然后落地将黏附材料与壁面贴合，至此完成机器人整体的前进过程。

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