CN111071361A - 一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人，属于特种机器人技术领域，包括后板部分、前板部分、剪叉伸缩机构和用于输出控制指令的控制箱；整体结构采用前后对称式，左右对称式布局；前板部分与后板部分均包含供机器人在墙面爬行需要的摩擦力的吸附装置、保证剪叉伸缩机构中的剪叉杆与底板之间为滚动连接的轮组和底板，前后两块底板所受支撑关于中心对称，前后两块底板之间通过两组并排的剪叉杆连接；安装在后板部分的底板上的驱动装置驱动机器人运动。本发明将传统的伸缩杆改为具有更大伸缩比的剪叉杆组合，提高了结构的整体刚度，解决了机器人本体质量过重，攀爬效率低，能量利用率低等问题。

Description

一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人

技术领域

本发明涉及特种机器人技术领域，尤其是一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人。

背景技术

随着移动式机器人的高速发展，爬壁机器人得到了各行各业的高度重视，在工业，家政等领域得到了长足的发展和应用。目前，爬壁机器人大多需要垂直甚至大于90°的墙面上爬行，因此爬壁机器人首先要克服的便是自身重量问题，此外吸附装置在给机器人提供足够的吸力的同时，也要便于机器人在墙面上行走。

目前，爬壁机器人多采用磁吸附和真空负压吸附的方式来吸附在墙面上。磁吸附要求墙面为导磁体，这就限制了以磁吸附为吸附方式的爬壁机器人只能应用在某些特殊场景。而以真空负压方式吸附的爬壁机器人则可以较广泛的应用于一般墙面。传统的爬壁机器人，无论是多足式爬壁机器人还是履带式爬壁机器人，都逃不开驱动多，控制复杂，体积大，质量重的命运。以上缺点注定了这两类爬壁机器人在攀爬墙壁时移动慢，操作复杂。其中以真空负压方式吸附的履带式爬壁机器人控制最为复杂，此类机器人在履带上装有若干个真空吸附室，这些真空室需要随着履带的移动逐次形成真空而使机器人吸附在墙壁上。机器人在移动时要保证这些真空室形成真空，否则机器人便有掉落的危险。这就导致了机器人移动速度很慢且操作复杂。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人，是一种结构简单、系统稳定、可以高效攀爬墙壁，操作简便，适用于一般墙面的爬壁机器人。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人，包括后板部分、前板部分、剪叉伸缩机构和用于输出控制指令的控制箱；整体结构采用前后对称式，左右对称式布局；前板部分与后板部分均包含供机器人在墙面爬行需要的摩擦力的吸附装置、保证剪叉伸缩机构中的剪叉杆与底板之间为滚动连接的轮组和底板，前后两块底板所受支撑关于中心对称，前后两块底板之间通过两组并排的剪叉杆连接；安装在后板部分的底板上的驱动装置驱动机器人运动；所述机器人设置了控制前后底板上的吸附装置交替工作的两位三通电磁换向阀。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述后板部分包括吸附装置、轮组、驱动装置和底板；所述吸附装置包括吸盘一和两位三通电磁换向阀一，吸盘一安装在底板的吸盘支架上，两位三通电磁换向阀一安装在底板的吸盘支架中间紧贴吸盘一出气孔处；所述轮组包括滚轮一，滚轮二和滚轮轴，滚轮一和滚轮二互相配合安装在底板右侧的滚轮滑槽内，滚轮二和滚轮轴相互配合安装在底板左侧的滚轮滑槽内；所述驱动装置为安装在底板轴线上的直线电机，直线电机另一端与滚轮轴配合。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述前板部分包括吸附装置、轮组和底板；所述吸附装置包括吸盘二和两位三通电磁换向阀二，吸附装置、轮组和底板采用与后板部分相同的零件和安装方式。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述剪叉伸缩机构包括定位剪叉杆、底部剪叉杆和中间剪叉杆；所述定位剪叉杆设置两个并且底端与底板的定位杆支架铰接连接在同一点，两个定位剪叉杆的另一端分别与两个中部铰接在一起的底部剪叉杆铰接连接；其中一个底部剪叉杆的底端与滚轮轴铰接配合，另一个底部剪叉杆与滚轮一上的一体轴铰接配合；所述中间剪叉杆成对设置，两个中间剪叉杆的一端与前板部分上对应的底部剪叉杆连接，另一端与后板部分上的对应的底部剪叉杆连接；两个中间剪叉杆的中部铰接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述定位剪叉杆与底板的连接，定位剪叉杆与底部剪叉杆的连接，底部剪叉杆与中间剪叉杆的连接均通过连接销铰接；底部剪叉杆与底板之间为滚动连接。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明采用具有较大伸缩比的剪叉伸缩杆作为驱动机构，此工作模式下电机伸缩较短的距离剪叉杆就可以完全展开，通过两位三通电磁换向阀实现前后底板吸附装置的交替工作，能够实现快速高效地攀爬。

2、本发明前后两个底板之间通过两组剪叉杆并排连接，避免了一组剪叉杆

因为受力过大而变形的问题。而且整组剪叉杆是关于底板中线对称布置，前、后板的所受的支撑是关于中心对称的，提高了机构的整体的刚度。

3、本发明将传统的伸缩杆改为具有更大伸缩比的剪叉杆组合，连接底板的底部剪叉杆都通过滚轮连接在底板上滑动，有效解决了机器人本体质量过重，攀爬效率低，能量利用率低等问题。

4、本发明结构简单，仅有一个自由度，采用一个直线电机作为驱动，操作

简单便捷。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明后板安装结构示意图；

图3是本发明控制箱内部结构示意图。

其中，1、吸盘一，2、两位三通电磁换向阀一，3、吸盘支架，4、底板，5、定位剪叉杆，6、底部剪叉杆，7、中间剪叉杆，8、连接销，9、两位三通电磁换向阀二，10、吸盘二，11、滚轮一，12、滚轮二，13、滚轮滑槽，14、定位杆支架，15、滚轮轴，16、直线电机，17、单片机，18、继电器一，19、继电器二，100、后板安装结构，200、控制箱。

具体实施方式

下面结合图1-3和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人，包括后板部分、前板部分、剪叉伸缩机构和用于输出控制指令的控制箱；整体结构采用前后对称式，左右对称式布局；前板部分与后板部分均包含供机器人在墙面爬行需要的摩擦力的吸附装置、保证剪叉伸缩机构中的剪叉杆与底板4之间为滚动连接的轮组和底板4，前后两块底板4所受支撑关于中心对称，前后两块底板4之间通过两组并排的剪叉杆连接；安装在后板部分的底板上的驱动装置驱动机器人运动；所述机器人设置了控制前后底板上的吸附装置交替工作的两位三通电磁换向阀；控制箱200输出控制指令，安装在后板部分底板上的驱动装置驱动机器人运动，通过两位三通电磁换向阀实现安装在前后底板上的吸附装置交替工作，实现机器人的快速爬行。

所述后板部分包括吸附装置、轮组、驱动装置和底板；所述吸附装置包括吸盘一1和两位三通电磁换向阀一2，吸盘一1安装在底板4的吸盘支架3上，两位三通电磁换向阀一2安装在底板4的吸盘支架3中间紧贴吸盘一1出气孔处；所述轮组包括滚轮一11，滚轮二12和滚轮轴15，滚轮一11和滚轮二12互相配合安装在底板4右侧的滚轮滑槽13内，滚轮二12和滚轮轴15相互配合安装在底板4左侧的滚轮滑槽13内；所述驱动装置为安装在底板4轴线上的直线电机16，直线电机16另一端与滚轮轴15配合。

所述前板部分包括吸附装置、轮组和底板；所述吸附装置包括吸盘二10和两位三通电磁换向阀二9，吸附装置、轮组和底板采用与后板部分相同的零件和安装方式。

所述剪叉伸缩机构包括定位剪叉杆5、底部剪叉杆6和中间剪叉杆7；所述定位剪叉杆5设置两个并且底端与底板4的定位杆支架14铰接连接在同一点，两个定位剪叉杆5的另一端分别与两个中部铰接在一起的底部剪叉杆6铰接连接；其中一个底部剪叉杆6的底端与滚轮轴15铰接配合，另一个底部剪叉杆6与滚轮一11上的一体轴铰接配合；所述中间剪叉杆7成对设置，两个中间剪叉杆7的一端与前板部分上对应的底部剪叉杆6连接，另一端与后板部分上的对应的底部剪叉杆6连接；两个中间剪叉杆7的中部铰接。

所述定位剪叉杆5与底板4的连接，定位剪叉杆5与底部剪叉杆6的连接，底部剪叉杆6与中间剪叉杆7的连接均通过连接销8铰接；底部剪叉杆6与底板4之间为滚动连接。剪叉伸缩机构一般是设置一组中间剪叉杆7，能够保证结构刚度。在实施中，通过调整中间剪叉杆7的长度可以调整该机器人的单次移动行程。或者可以在保证结构刚度的前提下再设置一组中间剪叉杆7。

所述控制箱200包括单片机17、继电器一18和继电器二19，所述单片机17通过信号线分别与所述继电器一18和继电器二19连接，输出控制指令。

图1中对后板安装结构100进行了标注。

具体的实施方式如图1、2、3所示，定位剪叉杆5一端和底板上的定位杆支架14铰接，另一端和底部剪叉杆6铰接。滚轮一11，滚轮二12通过相互配合滚动安装在底板4一侧的滚轮滑槽13内，另一侧滚轮二12和滚轮轴15配合滚动安装在底板4另一侧的滚轮滑槽13内。底部剪叉杆5底板连接处通过和滚轮轴15，滚轮一11上的一体轴配合滑动安装在底板上。滚轮一11和滚轮二12同滚轮滑槽13配合，滚轮一11和滚轮二12被限制在滚轮滑槽13内做直线运动。通过滚轮与剪叉伸缩机构的配合能够实现将直线电机16的横向直线运动转换为整个机器人的纵向直线移动，并且具有较大的移动幅度。吸盘连接在底板4的吸盘支架3上，两位三通电磁换向阀安装在吸盘支架3中间，电磁阀一侧连接吸盘另一侧连接真空泵。采用真空泵使吸附装置产生吸附力。按上述方式安装前板部分和后板部分的底板4。

后板部分区别于前板部分的是，后板部分的底板4上安装有直线电机16和控制箱200。直线电机16安装在底板内侧的轴线上，控制箱200安装在底板外侧吸盘支架3右侧。将控制箱安装在底板上虽会增大底板的质量，但这样缩短了线路令整体结构不会因繁长的线路而显得复杂。控制箱200内单片机17连接着继电器一18和继电器二19。继电器一18通过导线跟直线电机16相连，控制直线电机16的伸缩。继电器二19通过导线跟两位三通电磁换向阀一2和两位三通电磁换向阀二9相连，控制电磁阀换向阀的通断。

最初机器人吸附在墙体表面时，单片机17经继电器二19给两位三通电磁换向阀一2和两位三通电磁换向阀二9以高电平，吸盘一1与吸盘二10与真空泵连接的通路导通，真空泵工作使机器人吸附在墙壁表面。移动时单片机17先给两位三通电磁换向阀二9以低电平，两位三通电磁换向阀二9换向，吸盘二10与真空泵连接通路闭合，吸盘二10与大气连接通路打开，吸盘二10与墙壁之间松开。单片机17再经继电器一18给直线电机16以高电压，电机正向工作推动剪叉伸缩机构伸长，前板向前移动。到达目标位置后，先给两位三通电磁换向阀二9高电平，前板部分的吸盘二10紧紧吸附在墙面上，再给两位三通电磁换向阀一2以低电平，后板部分的吸盘一1与墙面间松开。单片机17再经继电器一18给以直线电机16反向高电压，电机反向工作带动剪叉杆收缩，后板向前移动，到达目标位置后，吸盘一1吸附吸盘二10再松开，循环以上操作实现爬壁机器人的高效移动。

综上所述，本发明通过将传统的伸缩杆改为具有更大伸缩比的剪叉杆组合，连接底板的底部剪叉杆都通过滚轮连接在底板上滑动；整体结构采用前后对称式，左右对称式布局，前后两块底板所受支撑设置为关于中心对称，保证了剪叉杆受力均衡，有效提高了结构的整体刚度，解决了机器人本体质量过重，攀爬效率低，能量利用率低等问题，是一种结构简单、系统稳定、可以高效攀爬墙壁，操作简便，适用于一般墙面的爬壁机器人。

Claims (6)

1.一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人，其特征在于：包括后板部分、前板部分、剪叉伸缩机构和用于输出控制指令的控制箱；整体结构采用前后对称式，左右对称式布局；前板部分与后板部分均包含供机器人在墙面爬行需要的摩擦力的吸附装置、保证剪叉伸缩机构中的剪叉杆与底板（4）之间为滚动连接的轮组和底板（4），前后两块底板（4）所受支撑关于中心对称，前后两块底板（4）之间通过两组并排的剪叉杆连接；安装在后板部分的底板上的驱动装置驱动机器人运动；所述机器人设置了控制前后底板上的吸附装置交替工作的两位三通电磁换向阀。

2.根据权利要求1所述的一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人，其特征在

于：所述后板部分包括吸附装置、轮组、驱动装置和底板；所述吸附装置包括吸盘一（1）和两位三通电磁换向阀一（2），吸盘一（1）安装在底板（4）的吸盘支架（3）上，两位三通电磁换向阀一（2）安装在底板（4）的吸盘支架（3）中间紧贴吸盘一（1）出气孔处；所述轮组包括滚轮一（11），滚轮二（12）和滚轮轴（15），滚轮一（11）和滚轮二（12）互相配合安装在底板（4）右侧的滚轮滑槽（13）内，滚轮二（12）和滚轮轴（15）相互配合安装在底板（4）左侧的滚轮滑槽（13）内；所述驱动装置为安装在底板（4）轴线上的直线电机（16），直线电机（16）另一端与滚轮轴（15）配合。

3.根据权利要求1所述的一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人，其特征在

于：所述前板部分包括吸附装置、轮组和底板；所述吸附装置包括吸盘二（10）和两位三通电磁换向阀二（9），吸附装置、轮组和底板采用与后板部分相同的零件和安装方式。

4.根据权利要求1所述的一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人，其特征在

于：所述剪叉伸缩机构包括定位剪叉杆（5）、底部剪叉杆（6）和中间剪叉杆（7）；所述定位剪叉杆（5）设置两个并且底端与底板（4）的定位杆支架（14）铰接连接在同一点，两个定位剪叉杆（5）的另一端分别与两个中部铰接在一起的底部剪叉杆（6）铰接连接；其中一个底部剪叉杆（6）的底端与滚轮轴（15）铰接配合，另一个底部剪叉杆（6）与滚轮一（11）上的一体轴铰接配合；所述中间剪叉杆（7）成对设置，两个中间剪叉杆的一端与前板部分上对应的底部剪叉杆（6）连接，另一端与后板部分上的对应的底部剪叉杆（6）连接；两个中间剪叉杆（7）的中部铰接。

5.根据权利要求1所述的一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人，其特征在

于：所述控制箱（200）包括单片机（17）、继电器一（18）和继电器二（19），所述单片机（17）通过信号线分别与所述继电器一（18）和继电器二（19）连接，输出控制指令。

6.根据权利要求4所述的一种单自由度剪叉驱动爬壁机器人，其特征在

于：所述定位剪叉杆（5）与底板（4）的连接，定位剪叉杆（5）与底部剪叉杆（6）的连接，底部剪叉杆（6）与中间剪叉杆（7）的连接均通过连接销（8）铰接；底部剪叉杆（6）与底板（4）之间为滚动连接。

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