CN110834683B - 一种轮足转换式可越障爬壁机器人及其越障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轮足转换式可越障爬壁机器人及其越障方法，涉及爬壁机器人领域，由框架、螺旋桨、螺旋桨驱动机构、轮足转换机构、车轮、车轮驱动机构和真空吸附系统组成，螺旋桨驱动机构安装在机器人框架中心，四个轮足转换机构对称安装在框架上，轮足转换机构上安装有车轮驱动机构，车轮驱动机构上安装有车轮和真空吸附系统。本发明的爬壁机器人具有轮式直线行走，轮式全向移动越障，足式翻滚越障功能。本发明结构紧凑性，行走效率高，转弯半径小，越障能力强。

Description

一种轮足转换式可越障爬壁机器人及其越障方法

技术领域

本发明属于爬壁机器人技术领域，特别涉及一种可越障轮足转换式爬壁机器人及其越障方法。

背景技术

爬壁机器人是指能够在垂直壁面等环境中进行作业的机器人，它作为高空极限作业的一种自动化机械装置，主要用于以下几个方面：

1.探测：对桥梁、核电站、管道、太阳能发电站、大型油气罐等大型物体进行探测工作。

2.检测：对风力发电、化工等的无损检测。

3.建筑：建筑物的修复和维护等。

4.清洁：玻璃幕墙、大型壁面、吊顶等的清洁工作。

5.运输：建筑物内部的运输，例如消防部门采用爬壁机器人传递救助物资进行救援工作。

真空吸附式爬壁机器人，采用负压吸附、吸盘交替的工作方式实现机器人的吸附与移动，这种机器人壁面适应能力较强，但行走效率低。轮式爬壁机器人虽然行走效率高，但越障能力较差。如何提供一种行走效率高、转弯半径小、越障能力强的爬壁机器人，成为了一项急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轮足转换式可越障爬壁机器人及其越障方法，以解决上述存在的技术问题。本发明的可越障爬壁机器人可在垂直壁面上自由行走，具有较强的越障能力，具有较高的行走效率和运动灵活性，可应用在多个领域。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种轮足转换式可越障爬壁机器人，机器人本体包括：框架、螺旋桨、螺旋桨驱动机构、四个轮足转换机构、四个车轮、四个车轮驱动机构、四个真空吸附系统，所述的螺旋桨驱动机构包括螺旋桨翻转电机、支撑杆、螺旋桨驱动电机；所述的螺旋桨翻转电机安装在框架上；所述的支撑杆与螺旋桨翻转电机的电机轴连接；所述的螺旋桨驱动电机安装在支撑杆的中心，所述的螺旋桨输入轴与螺旋桨驱动电机的电机轴固接；所述的每个轮足转换机构包括机架、轮足转换电机、车轮转向电机、横梁；所述的机架固接在框架上，所述的横梁的一端与车轮驱动机构绕Z轴铰接，所述的横梁的另一端与机架绕Y轴铰接，所述的四个轮足转换机构对称布置在框架上；所述的每个车轮驱动机构包括空心杯电机、小齿轮、大齿轮；小齿轮与空心杯电机的电机轴固接，大齿轮与车轮的驱动轴固接；所述的每个真空吸附系统包括吸盘组、空心固定轴、橡胶软管、真空气泵，所述的空心固定轴安装在车轮内；所述的吸盘组安装在空心固定轴上；所述的橡胶软管与吸盘组连接。

作为优选，螺旋桨可以在螺旋桨翻转电机的驱动下绕X轴翻转180°，产生对框架的压力或升力；当机器人为轮式行走模式时，螺旋桨提供压力，行进过程中机器人需要翻滚越障时，螺旋桨翻转180°后可提供升力。

根据上述轮足转换式可越障爬壁机器人，机器人的越障方法包括全向移动越障和翻滚越障。

爬壁机器人全向移动越障可通过如下方法实现，机器人行进中遇到可绕行的障碍物时，通过控制四个轮足转换机构中的车轮转向电机，带动车轮绕Z轴旋转一定的角度，机器人行进时即可绕过障碍物，由于机器人的四个车轮可分别独立或者同时控制，进而实现爬壁机器人的全向移动越障功能。

爬壁机器人的翻滚越障具体步骤包括：

步骤1，控制四个轮足转换机构中的轮足转换电机带动横梁绕Y轴转过90°，完成四个车轮相对于框架的内收动作；

步骤2，依次控制四个转换机构中的车轮转向电机，带动车轮绕Z轴转动90°，使车轮内的吸盘组与壁面垂直接触，实现爬壁机器人的轮足转换功能；

步骤3，启动安装在机器人框架上的真空气泵，使吸盘组产生真空，并吸附在壁面上，此时停止螺旋桨桨叶的转动，完全由吸盘组提供所述爬壁机器人对壁面的附着力；

步骤4，控制螺旋桨翻转电机，使螺旋桨绕X轴翻转180°，启动螺旋桨驱动电机，驱动螺旋桨桨叶转动，可提供爬壁机器人垂直于壁面的升力；

步骤5，释放远离条形障碍物两个车轮内吸盘组的真空，控制远离条形障碍物的两个轮足转换电机,使远离条形障碍物的两个轮足转换机构的横梁绕各自Y轴正方向转过180°；

步骤6，控制靠近条形障碍物的两个轮足转换电机，驱动机器人的框架，使爬壁机器人翻转180°，并使四个车轮内的吸盘组重新全部吸附于壁面；

步骤7，重复步骤4至6，完成所述爬壁机器人的翻滚越障功能。

本发明的有益效果是，机器人采用了轮足转换的结构形式，四个车轮可灵活控制行进方向，具有全向移动越障功能，轮足转换后，可实现翻滚越障的功能，该机器人具有行走效率高，越障转弯半径小，越障能力强等优点。

附图说明

图1为轮足转换式可越障爬壁机器人的结构示意图，图2为螺旋桨驱动机构，图3为轮足转换机构，图4为车轮驱动机构，图5为真空吸附系统示意图，图6为机器人全向移动越障过程示意图，图7为机器人翻滚越障过程示意图。

图中，1-框架；2-螺旋桨；3-螺旋桨驱动机构；4-轮足转换机构；5-车轮；6-车轮驱动机构；7-真空吸附系统；8-小立方体障碍物；9-真空气泵；10-条形障碍物；3-1-螺旋桨翻转电机；3-2-支撑杆；3-3-螺旋桨驱动电机；4-1-机架；4-2-轮足转换电机；4-3-车轮转向电机；4-4-横梁；5-1-第一车轮；5-2-第二车轮；5-3-第三车轮；5-4-第四车轮；6-1-空心杯电机；6-2-小齿轮；6-3-大齿轮；7-1-吸盘组；7-2-空心固定轴；7-3-橡胶软管。

具体实施方式

为使本发明专利的目的、技术方案和优点更加清楚明了，以下结合附图进一步说明本发明的具体结构和工作方式。

一、轮足转换式可越障爬壁机器人本体结构

如附图1～附图5所示，一种轮足转换式可越障爬壁机器人，机器人本体包括：框架1、螺旋桨2、螺旋桨驱动机构3、四个轮足转换机构4、四个车轮5、四个车轮驱动机构6、四个真空吸附系统7，所述的螺旋桨驱动机构3包括螺旋桨翻转电机3-1 、支撑杆3-2、螺旋桨驱动电机3-3 ；所述的螺旋桨翻转电机3-1安装在框架1上；所述的支撑杆3-2与螺旋桨翻转电机3-1的电机轴连接；所述的螺旋桨驱动电机3-3安装在支撑杆3-2中心，所述的螺旋桨2输入轴与螺旋桨驱动电机3-3的电机轴固接；所述的每个轮足转换机构4包括机架4-1、轮足转换电机4-2、车轮转向电机4-3、横梁4-4；所述的机架4-1固接在框架1上，所述的横梁4-4的一端与车轮驱动机构6绕Z轴铰接，所述的横梁4-4的另一端与机架4-1绕Y轴铰接，所述的四个轮足转换机构4对称布置在框架1上；所述的每个车轮驱动机构6包括空心杯电机6-1，小齿轮6-2、大齿轮6-3；小齿轮6-2与空心杯电机6-1的电机轴固接，大齿轮6-3与车轮5的驱动轴固接；所述的每个真空吸附系统7包括吸盘组7-1、空心固定轴7-2、橡胶软管7-3、真空气泵9，所述的空心固定轴7-2安装在车轮5内；所述的吸盘组7-1安装在空心固定轴7-2上；所述的橡胶软管7-3与吸盘组7-1连接。

进一步，螺旋桨2可以在螺旋桨翻转电机3-1的驱动下绕X轴翻转180°，产生对框架1的压力或升力；当机器人为轮式行走模式时，螺旋桨提供压力，行进过程中机器人需要翻滚越障时，螺旋桨翻转180°后可提供升力。

进一步，为增加驱动力，每个轮足转换机构4采用两个轮足转换电机4-2同轴驱动的结构形式。

二、轮足转换式可越障爬壁机器人越障方法

具体实施方式一：结合图6说明本实施方式。如图6-1所示，爬壁机器人行进中遇到可绕行的障碍物时，机器人直角折线越障的具体步骤包括：

步骤1，第一车轮5-1、第二车轮5-2、第三车轮5-3、第四车轮5-4由各自的车轮转向电机4-3驱动，绕Z轴旋转90°，转向后的车轮行进方向与小立方体障碍物8平行，转向后的车轮方向如图6-2所示；

步骤2，爬壁机器人移动使车体躲开障碍物，如图6-3所示；

步骤3，第一车轮5-1、第二车轮5-2、第三车轮5-3、第四车轮5-4由各自的车轮转向电机4-3驱动，再次绕Z轴反方向旋转90°，车轮行进方向回到初始状态，即转向后的车轮行进方向与小立方体障碍物8垂直，如图6-4所示；

步骤4，爬壁机器人继续移动，完成机器人直角折线越障的功能，如图6-5所示。

具体实施方式二：行进中遇到可绕行的障碍物时，通过控制四个轮足转换机构4中的车轮转向电机4-3，带动车轮5绕Z轴旋转一定的角度，机器人可实现小半径弧形全向移动的越障功能。

具体实施方式三：结合图7说明本实施方式。

如图7-1所示，机器人行进中遇到需要翻滚才能跨越的障碍物时，越障的具体步骤包括：

步骤1，控制四个轮足转换机构4中的轮足转换电机4-2带动横梁4-4绕Y轴转过90°，完成四个车轮5相对于框架1的内收动作，如图7-2所示；

步骤2，依次控制四个转换机构4中的车轮转向电机4-3，带动车轮5绕Z轴转动90°，使车轮5内的吸盘组7-1与壁面垂直接触，实现爬壁机器人的轮足转换功能，如图7-3所示；

步骤3，启动安装在机器人框架1上的真空气泵9，使吸盘组7-1产生真空，并吸附在壁面上，此时停止螺旋桨2桨叶的转动，完全由吸盘组7-1提供所述爬壁机器人对壁面的附着力；

步骤4，控制螺旋桨翻转电机3-1，使螺旋桨2绕X轴翻转180°，启动螺旋桨驱动电机3-3，驱动螺旋桨2桨叶转动，可提供爬壁机器人垂直于壁面的升力，如图7-4所示；

步骤5，释放远离条形障碍物10的第二车轮5-2、第三车轮5-3内吸盘组7-1的真空，控制远离条形障碍物10的两个轮足转换机构的轮足转换电机4-2,使远离条形障碍物10的两个轮足转换机构横梁4-4绕各自Y轴正方向转过180°，如图7-5所示；

步骤6，控制靠近条形障碍物10的两个轮足转换机构4的轮足转换电机4-2，驱动机器人的框架1，使爬壁机器人翻转180°并使四个车轮5内的吸盘组7-1重新全部吸附于壁面，如图7-6所示；

步骤7，重复步骤4至6，完成所述爬壁机器人的翻滚越障功能，如图7-7、7-8所示。

以上描述了本发明的基本原理和主要特征。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种轮足转换式可越障爬壁机器人，其特征在于，机器人本体包括：框架（1）、螺旋桨（2）、螺旋桨驱动机构（3）、四个轮足转换机构（4）、四个车轮（5）、四个车轮驱动机构（6）、四个真空吸附系统（7），所述的螺旋桨驱动机构（3）包括螺旋桨翻转电机（3-1）、支撑杆（3-2）、螺旋桨驱动电机（3-3）；所述的螺旋桨翻转电机（3-1）安装在框架（1）上；所述的支撑杆（3-2）与螺旋桨翻转电机（3-1）的电机轴连接；所述的螺旋桨驱动电机（3-3）安装在支撑杆（3-2）的中心，所述的螺旋桨（2）输入轴与螺旋桨驱动电机（3-3）的电机轴固接；每个轮足转换机构（4）包括机架（4-1）、轮足转换电机（4-2）、车轮转向电机（4-3）、横梁（4-4）；所述的机架（4-1）固接在框架（1）上，所述的横梁（4-4）的一端与车轮驱动机构（6）绕Z轴铰接，所述的横梁（4-4）的另一端与机架（4-1）绕Y轴铰接，所述的四个轮足转换机构（4）对称布置在框架（1）上；所述的每个车轮驱动机构（6）包括空心杯电机（6-1）、小齿轮（6-2）、大齿轮（6-3）；小齿轮（6-2）与空心杯电机（6-1）的电机轴固接，大齿轮（6-3）与车轮（5）的驱动轴固接；所述的每个真空吸附系统（7）包括吸盘组（7-1）、空心固定轴（7-2）、橡胶软管（7-3）、真空气泵（9），所述的空心固定轴（7-2）安装在车轮（5）内；所述的吸盘组（7-1）安装在空心固定轴（7-2）上；所述的橡胶软管（7-3）与吸盘组（7-1）连接。

2.根据权利要求1所述的一种轮足转换式可越障爬壁机器人，其特征在于，螺旋桨（2）可以在螺旋桨翻转电机（3-1）的驱动下绕X轴翻转180°，产生对框架（1）的压力或升力；当机器人为轮式行走模式时，螺旋桨提供压力，行进过程中机器人需要翻滚越障时，螺旋桨翻转180°后可提供升力。

3.根据权利要求1所述的一种轮足转换式可越障爬壁机器人，其特征在于：机器人行进中遇到可绕行的障碍物时，通过控制四个轮足转换机构（4）中的车轮转向电机（4-3），带动车轮（5）绕Z轴旋转，机器人可绕过障碍物，实现爬壁机器人的全向移动越障功能。

4.根据权利要求1所述的一种轮足转换式可越障爬壁机器人，其特征在于：机器人行进中遇到需要翻滚才能跨越的障碍物时，越障的具体步骤包括：

步骤1，控制四个轮足转换机构（4）中的轮足转换电机（4-2）带动横梁（4-4）绕Y轴转过90°，完成四个车轮（5）相对于框架（1）的内收动作；

步骤2，依次控制四个转换机构（4）中的车轮转向电机（4-3），带动车轮（5）绕Z轴转动90°，使车轮（5）内的吸盘组（7-1）与壁面垂直接触，实现爬壁机器人的轮足转换功能；

步骤3，启动安装在机器人框架（1）上的真空气泵（9），使吸盘组（7-1）产生真空，并吸附在壁面上，此时停止螺旋桨（2）桨叶的转动，完全由吸盘组（7-1）提供所述爬壁机器人对壁面的附着力；

步骤4，控制螺旋桨翻转电机（3-1），使螺旋桨（2）绕X轴翻转180°，启动螺旋桨驱动电机（3-3），驱动螺旋桨（2）桨叶转动，可提供爬壁机器人垂直于壁面的升力；

步骤5，释放远离条形障碍物（10）的两个车轮（5）内吸盘组（7-1）的真空，控制远离条形障碍物（10）的两个轮足转换电机（4-2）,使远离条形障碍物（10）的两个轮足转换机构的横梁（4-4）绕各自Y轴正方向转过180°；

步骤6，控制靠近条形障碍物（10）的两个轮足转换电机（4-2），驱动机器人的框架（1），使爬壁机器人翻转180°，并使四个车轮（5）内的吸盘组（7-1）重新全部吸附于壁面；

步骤7，重复步骤4至6，完成所述爬壁机器人的翻滚越障功能。

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