CN111391598A - 适应曲面爬行的机器人悬架结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适应曲面爬行的机器人悬架结构，包括车架组件、磁吸组件、电机和麦克纳姆轮，磁吸组件包括磁铁架和磁铁，车架组件的两端分别设有磁铁架，磁铁架的底部设有用于磁吸附壁面的磁铁，电机设于磁铁架上，电机的输出端连接麦克纳姆轮，车架组件包括纵向悬架组件和横向曲面调整悬架组件，纵向悬架组件的前后两端分别活动连接横向曲面调整悬架组件，横向曲面调整悬架组件的两侧分别设有越障组件，越障组件包括弹簧阻尼器和平行四边形连杆机构；该种适应曲面爬行的机器人悬架结构，能够平稳越障地同时不改变磁铁吸力，达到在曲面安全运行，能够简捷快速地调节悬架姿态以实现对不同曲率的适应。

Description

适应曲面爬行的机器人悬架结构

技术领域

本发明涉及一种适应曲面爬行的机器人悬架结构。

背景技术

爬行机器人作为移动机器人的一种，已经得到了广泛的关注和研究。国际上对爬壁机器人的研究主要集中在车体的吸附方式、运动机构、驱动机理和车载作业系统等几个方面。按照吸附方式，爬壁机器人可以分为真空吸附、磁吸附、气流负压吸附等几类；按照运动机构，可分为轮式、履带式、多足步行式、框架式、飞行式等。据不同需求搭载相应设备，可以应用于管道、罐体的表面的检测，如多足管道检测机器人、磁吸附壁面检测机器人。

目前，能够适用于不同曲面的机器人并不多见，能够解决机器人在不同曲面运行是需要继续解决的问题。麦克纳姆轮机器人作为曲面爬行机器人的一种，麦克纳姆轮机器人在曲面进行爬行运动过程中，如果所有麦克纳姆轮未完全与曲面接触，会影响运动的可靠性和精度。

中国专利公开了一种用于机器人的三轴可调的悬架机构（公开号CN107226146A），可以通过调节悬架部分XYZ三轴的调节螺栓，调整角度改变悬架在空间中的姿态，以实现对曲面的适应。但由于旋转悬架进行紧固，在拧动固定螺栓时会导致调整的悬架姿态有变动，因此现有技术调节悬架的姿态不能达到完全精确，尤其相对位置的悬架姿态偏差较大，从而导致机器人在运动过程中误差较大。此外，由于调整需要松紧螺栓，因此机器人在不同曲面之间切换工作时，调整需要较多的时间，耗时耗力，且需要一定的工具（如扳手等）才能进行调整。

上述问题是在曲面爬行的机器人悬架结构的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适应曲面爬行的机器人悬架结构解决现有技术中存在的如何保证麦克纳姆轮与曲面较好地接触，来保证爬行的可靠性的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种适应曲面爬行的机器人悬架结构，包括车架组件、磁吸组件、电机和麦克纳姆轮，磁吸组件包括磁铁架和磁铁，车架组件的两端分别设有磁铁架，磁铁架的底部设有用于磁吸附壁面的磁铁，电机设于磁铁架上，电机的输出端连接麦克纳姆轮，车架组件包括纵向悬架组件和横向曲面调整悬架组件，纵向悬架组件的前后两端分别活动连接横向曲面调整悬架组件，横向曲面调整悬架组件的两侧分别设有越障组件，越障组件包括弹簧阻尼器和平行四边形连杆机构，横向曲面调整悬架组件的顶部两侧分别通过弹簧阻尼器连接磁铁架，横向曲面调整悬架组件的底部两侧分别通过平行四边形连杆机构活动连接磁铁架。

进一步地，横向曲面调整悬架组件包括横向定位框、横向调节旋钮、横向曲面调整螺柱、调节滑块、横向连杆和横向定位底板，横向定位框的顶部两端分别通过弹簧阻尼器连接磁铁架，横向定位框的顶部设有调节孔，横向调节旋钮设于横向定位框的调节孔处，横向曲面调整螺柱的一端活动连接横向定位底板上，横向曲面调整螺柱的另一端螺纹穿过调节滑块的中部并连接横向调节旋钮，调节滑块的两侧分别活动连接横向连杆，平行四边形连杆机构的一侧上下两端分别活动连接横向连杆和横向定位底板，横向定位底板设于横向定位框的底部，平行四边形连杆机构的另一侧活动连接磁铁架。

进一步地，平行四边形连杆机构包括侧向边框、上连杆和下连杆，上连杆和下连杆平行设置在侧向边框和磁铁架间，且上连杆与下连杆的两端均分别活动连接侧向边框和磁铁架，侧向边框分别活动连接横向连杆和横向定位底板。

进一步地，横向定位框包括横向顶板、支撑框和横向底板，调节孔设于横向顶板的中部，横向顶板的两端分别通过支撑框连接横向底板的两端，横向定位底板设于横向底板上。

进一步地，支撑框包括U形框和支杆，U形框包括上杆、中杆和下杆，中杆的两端分别连接上杆和下杆，上杆、中杆和下杆共同形成U形，横向顶板连接在上杆上，支杆的一端连接上杆，支杆的另一端通过横向底板连接下杆。

进一步地，横向曲面调整悬架组件中，在需要调整麦克纳姆轮的姿态使其与曲面紧贴时，通过转动横向调节旋钮，进而带动横向曲面调整螺柱转动，使得横向曲面调整螺柱上的调节滑块的位置向上或向下移动，调节滑块通过横向连杆带动平行四边形连杆机构在向远麦克纳姆轮方向或近麦克纳姆轮方向移动，进而由平行四边形连杆机构带动磁铁架在向远麦克纳姆轮方向或近麦克纳姆轮方向移动，实现麦克纳姆轮的倾斜角度的调节，从而实现车架组件中同排的麦克纳姆轮的夹角调节，实现麦克纳姆轮在空间中的姿态变化，使得麦克纳姆轮与所在曲面的曲率相匹配。

进一步地，纵向悬架组件包括纵向旋钮、纵向螺柱、纵向滑块、纵向定位底板和纵向连杆，纵向螺柱的一端活动连接纵向定位底板，纵向螺柱的另一端穿过依次螺纹穿过下螺栓、纵向滑块和上螺栓并连接纵向旋钮，纵向滑块的前后两端分别通过纵向连杆活动连接横向曲面调整悬架组件的横向定位框的顶部，纵向定位底板的前后两端分别连接横向曲面调整悬架组件的横向定位框的底部。

进一步地，纵向悬架组件的调节过程具体为，通过转动纵向旋钮，实现由纵向螺柱带动纵向滑块向上或向下移动，进而带动纵向连杆向上或向下移动，实现横向曲面调整悬架组件的横向定位框的顶部的向上或向下移动，实现纵向悬架组件前后两端的横向曲面调整悬架组件的相对姿态的调整。

进一步地，纵向悬架组件外设有纵向外框，纵向外框包括纵向顶板、纵向侧板和纵向底板，顶板的两侧分别通过侧板连接底板，纵向悬架组件设于侧板之间，纵向定位底板连接在纵向底板上，纵向顶板设有开孔，纵向旋钮设于开孔处。

本发明的有益效果是：该种适应曲面爬行的机器人悬架结构，通过设置磁吸组件，用于磁吸附壁面爬行。通过设置越障组件，能够实现平稳越障的同时不改变磁铁吸力，达到在曲面安全平稳地运行。通过设置车架组件，能够简捷快速地调节悬架姿态以实现对不同曲率的适应。该种适应曲面爬行的机器人悬架结构，结构设计合理，能够保证麦克纳姆轮与曲面接触，保证麦克纳姆轮在曲面上爬行运动的可靠性和较优的精度，利于使用。

附图说明

图1是本发明实施例适应曲面爬行的机器人悬架结构的结构示意图；

图2是实施例适应曲面爬行的机器人悬架结构的另一结构示意图；

图3是实施例中横向曲面调整悬架组件的结构示意图；

图4是实施例中磁吸组件和平行四边形连杆机构的结构示意图；

图5是图4的A向结构示意图；

图6是图4的B向结构示意图；

图7是实施例中调节横向曲面调整螺柱上的调节滑块的位置向上移动的结构示意图；

图8是实施例中调节横向曲面调整螺柱上的调节滑块的位置向下移动的结构示意图；

图9是实施例中横向调节旋钮、调节滑块、横向连杆和横向定位底板的结构示意图；

图10是实施例中横向调节旋钮、调节滑块、横向连杆和横向定位底板的另一结构示意图；

图11是实施例中纵向悬架组件的结构示意图；

图12是实施例中纵向悬架组件与横向定位框的结构示意图；

其中：1-纵向悬架组件，2-横向曲面调整悬架组件，3-磁铁架，4-磁铁，5-电机，6-麦克纳姆轮，7-弹簧阻尼器，8-平行四边形连杆机构；

11-纵向旋钮，12-纵向螺柱，13-纵向滑块，14-纵向定位底板，15-纵向连杆，16-纵向外框；

21-横向定位框，22-横向调节旋钮，23-横向曲面调整螺柱，24-调节滑块，25-横向连杆，26-横向定位底板；

211-横向顶板，212-支撑框，213-横向底板；

2111-上杆，2112-中杆，2113-下杆，2114-支杆；

81-侧向边框，82-上连杆，83-下连杆。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。

实施例

一种适应曲面爬行的机器人悬架结构，如图1和如图2，包括车架组件、磁吸组件、电机5和麦克纳姆轮6，磁吸组件包括磁铁架3和磁铁4，车架组件的两端分别设有磁铁架3，磁铁架3的底部设有用于磁吸附壁面的磁铁4，电机5设于磁铁架3上，电机5的输出端连接麦克纳姆轮6，车架组件包括纵向悬架组件1和横向曲面调整悬架组件2，纵向悬架组件1的前后两端分别活动连接横向曲面调整悬架组件2，横向曲面调整悬架组件2的两侧分别设有越障组件，越障组件包括弹簧阻尼器7和平行四边形连杆机构8，横向曲面调整悬架组件2的顶部两侧分别通过弹簧阻尼器7连接磁铁架3，横向曲面调整悬架组件2的底部两侧分别通过平行四边形连杆机构8活动连接磁铁架3。

该种适应曲面爬行的机器人悬架结构，通过设置磁吸组件，用于磁吸附壁面爬行。通过设置越障组件，能够实现平稳越障的同时不改变磁铁4吸力，达到在曲面安全平稳地运行。通过设置车架组件，能够简捷快速地调节悬架姿态以实现对不同曲率的适应。该种适应曲面爬行的机器人悬架结构，结构设计合理，能够保证麦克纳姆轮6与曲面接触，保证麦克纳姆轮6在曲面上爬行运动的可靠性和较优的精度，利于使用。

该种适应曲面爬行的机器人悬架结构，通过设置越障组件，在遇到障碍时，如在遇到球罐表面的包括焊缝在内的障碍时，弹簧阻尼器7发生变形，遇障位置的麦克纳姆轮6通过弹簧阻尼器7的拉力作用下，能够独立抬起麦克纳姆轮6以越过障碍，同时不影响车架组件的其他麦克纳姆轮6的正常驱动，从而能够保证机器人能够顺利爬行工作，保证机器人具有良好的越障能力。弹簧阻尼器7的设置还能够减少爬行过程中的震动以及在曲面爬行的自适应。

该种适应曲面爬行的机器人悬架结构中，如图3和图9，横向曲面调整悬架组件2包括横向定位框21、横向调节旋钮22、横向曲面调整螺柱23、调节滑块24、横向连杆25和横向定位底板26，横向定位框21的顶部两端分别通过弹簧阻尼器7连接磁铁架3，横向定位框21的顶部设有调节孔，横向调节旋钮22设于横向定位框21的调节孔处，横向曲面调整螺柱23的一端优选通过轴承活动连接横向定位底板26上，横向曲面调整螺柱23的另一端螺纹穿过调节滑块24的中部并连接横向调节旋钮22，调节滑块24的两侧分别活动连接横向连杆25，平行四边形连杆机构8的一侧上下两端分别活动连接横向连杆25和横向定位底板26，横向定位底板26设于横向定位框21的底部，平行四边形连杆机构8的另一侧活动连接磁铁架3。

横向曲面调整悬架组件2中，如图5和图6，在需要调整麦克纳姆轮6的姿态使其与曲面紧贴时，通过转动横向调节旋钮22，进而带动横向曲面调整螺柱23转动，使得横向曲面调整螺柱23上的调节滑块24的位置向上移动（如图7中箭头方向所示）或向下移动（如图8中箭头方向所示），调节滑块24通过横向连杆25带动平行四边形连杆机构8在向远麦克纳姆轮6方向或近麦克纳姆轮6方向移动，进而由平行四边形连杆机构8带动磁铁架3在向远麦克纳姆轮6方向或近麦克纳姆轮6方向移动，实现麦克纳姆轮6的倾斜角度的调节，从而实现车架组件中同排的麦克纳姆轮6的夹角调节，实现麦克纳姆轮6在空间中的姿态变化，使得麦克纳姆轮6与所在曲面的曲率相匹配，来保证在对应的曲面上车架组件上的每个麦克纳姆轮6均与曲面紧贴，实现平稳爬行。调整过程简捷，省时省力。

横向曲面调整悬架组件2中，如图4，磁铁架3通过平行四边形机构、横向连杆25与调节滑块24活动连接，能够通过横向调节旋钮22实现对调节滑块24在横向曲面调整螺柱23上的位置调节，实现磁铁架3的角度调节，能够实现磁铁架3上磁铁4的角度调节，使磁铁4与曲面具有较好的磁吸力的同时，能够实现麦克纳姆轮6的角度、姿态调节，能够更优地实现不同曲面的爬行适应，保证麦克纳姆轮6与曲面的接触与爬行。

横向曲面调整悬架组件2中，如图6，横向调节旋钮22优选端部设有用于横向曲面调整螺柱23的端部嵌入的容槽，横向调节旋钮22优选通过销钉与横向曲面调整螺柱23连接。

横向曲面调整悬架组件2中，如图4，平行四边形连杆机构8包括侧向边框81、上连杆82和下连杆83，上连杆82和下连杆83平行设置在侧向边框81和磁铁架3间，且上连杆82与下连杆83的两端均分别活动连接侧向边框81和磁铁架3，侧向边框81分别活动连接横向连杆25和横向定位底板26。

通过设置平行四边形连杆机构8，能够和调节滑块24配合实现麦克纳姆轮6的夹角的调整，还能够实现在越障时，与弹簧阻尼器7配合，保证磁铁架3与曲面的距离与方向相对不变，保证磁铁4的磁吸力在越障过程中的有效作用。磁铁4优选采用工业级铷磁铁，材料铷铁硼制成。

如图3，平行四边形连杆机构8与调节滑块24配合实现麦克纳姆轮6的夹角的调整，具体为，在调节滑块24在横向曲面调整螺柱23上的位置向上移动时，调节滑块24通过横向连杆25带动侧向边框81的顶部向远麦克纳姆轮6方向移动，从而上连杆82带动磁铁架3的顶部向远麦克纳姆轮6方向移动，进而实现麦克纳姆轮6的上部的向远麦克纳姆轮6方向移动，实现同排麦克纳姆轮6的夹角的增大调整。反之，实现同排麦克纳姆轮6的夹角的减小调整。

平行四边形连杆机构8与弹簧阻尼器7配合实现越障，具体为，麦克纳姆轮6在障碍上时，弹簧阻尼器7作用在磁铁架3上，平行四边形连杆机构8的上连杆82与下连杆83随磁铁架3活动，提供麦克纳姆轮6的抬高空间，而未在障碍上的麦克纳姆轮6不受障碍影响，仍保持紧贴曲面爬行。

横向曲面调整悬架组件2中，横向定位框21包括横向顶板211、支撑框212和横向底部213，调节孔设于横向顶板211的中部，横向顶板211的两端分别通过支撑框212连接横向底部213的两端，横向定位底板26设于横向底部213上。通过设置对弹簧阻尼器7与横向底部213的定位与支撑。

在一个实施方式中，如图10，支撑框212包括U形框和支杆2114，U形框包括上杆2111、中杆2112和下杆2113，中杆2112的两端分别连接上杆2111和下杆2113，上杆2111、中杆2112和下杆2113共同形成U形，横向顶板211连接在上杆2111上，支杆2114的一端连接上杆2111，支杆2114的另一端通过横向底部213连接下杆2113。支撑框212能够实现结构稳定性的同时，实现横向曲面调整悬架组件2与纵向悬架组件1的活动连接，便于纵向悬架组件1对横向曲面调整悬架组件2在纵向上的姿态调节。

该种适应曲面爬行的机器人悬架结构中，如图11和图12，纵向悬架组件1包括纵向旋钮11、纵向螺柱12、纵向滑块13、纵向定位底板14和纵向连杆15，纵向螺柱12的一端优选通过轴承活动连接纵向定位底板14，，纵向螺柱12的另一端穿过依次螺纹穿过下螺栓、纵向滑块13和上螺栓并连接纵向旋钮11，纵向滑块13的前后两端分别通过纵向连杆15活动连接横向曲面调整悬架组件2的横向定位框21的顶部，纵向定位底板14的前后两端分别连接横向曲面调整悬架组件2的横向定位框21的底部。

通过转动纵向旋钮11，实现由纵向螺柱12带动纵向滑块13向上如图12中箭头C方向或向下移动如图12中箭头D方向，进而带动纵向连杆15向上或向下移动，实现横向曲面调整悬架组件2的横向定位框21的顶部的向上或向下移动，实现纵向悬架组件1前后两端的横向曲面调整悬架组件2的相对姿态的调整。

纵向悬架组件1外设有纵向外框16，纵向外框16包括纵向顶板、纵向侧板和纵向底板，顶板的两侧分别通过侧板连接底板，纵向悬架组件1设于侧板之间，纵向定位底板14连接在纵向底板上，纵向顶板设有开孔，纵向旋钮11设于开孔处。通过设置纵向外框16，实现对纵向悬架组件1的防护目的。

该种适应曲面爬行的机器人悬架结构，车架组件采用可调节独立悬架结构，通过调节横向曲面调整悬架组件2，能够实现调整同排车轮的夹角。通过调节纵向悬架组件1，能够实现前后的横向曲面调整悬架组件2的相对姿态的调节。横向曲面调整悬架组件2与纵向悬架组件1的调节，最终使得车架组件各端的麦克纳姆轮6能够较好地适应球罐表面爬行。

该种适应曲面爬行的机器人悬架结构的调节过程如下：在不同曲率的曲面表面爬行时，根据机器人状态旋转横向曲面调整悬架组件2的横向调节旋钮22与纵向悬架组件1的纵向旋钮11，保证车架组件上的每个麦克纳姆轮6的轴向与曲面法向相垂直，此时各磁铁架3上的磁铁4与曲面距离也保持一致，使得磁铁4能够在稳定吸附基础上不会出现冗余的吸力增大机器人运行的阻力，从而能够尽可能减少机器人在爬行运行的功耗。

该种适应曲面爬行的机器人悬架结构中，在遇到障碍时，弹簧阻尼器7发生变形，作用在磁铁架3上，进而在障碍处的麦克纳姆轮6被抬起以越过障碍。同时，通过设置平行四边形连杆机构8，保证了磁铁架3与车架组件的相对姿态，从而磁铁4与曲面距离保持不变，从而磁铁4吸力不会因为越过障碍而改变，保证了在越障过程中的吸附的稳定性，实现可靠性较优的曲面爬行。

该种适应曲面爬行的机器人悬架结构中，优选采用四个磁铁4，能够在保证磁吸附的稳定的同时，可以适应不同曲率；另一方面可以调节横向调节旋钮22使得磁铁4距离爬行曲面的距离增大，使得从曲面取下机器人需要克服的吸附力减小，便于从爬行曲面上取下机器人。

Claims (9)

1.一种适应曲面爬行的机器人悬架结构，包括车架组件、磁吸组件、电机和麦克纳姆轮，磁吸组件包括磁铁架和磁铁，车架组件的两端分别设有磁铁架，磁铁架的底部设有用于磁吸附壁面的磁铁，电机设于磁铁架上，电机的输出端连接麦克纳姆轮，其特征在于：车架组件包括纵向悬架组件和横向曲面调整悬架组件，纵向悬架组件的前后两端分别活动连接横向曲面调整悬架组件，横向曲面调整悬架组件的两侧分别设有越障组件，越障组件包括弹簧阻尼器和平行四边形连杆机构，横向曲面调整悬架组件的顶部两侧分别通过弹簧阻尼器连接磁铁架，横向曲面调整悬架组件的底部两侧分别通过平行四边形连杆机构活动连接磁铁架。

2.如权利要求1所述的适应曲面爬行的机器人悬架结构，其特征在于：横向曲面调整悬架组件包括横向定位框、横向调节旋钮、横向曲面调整螺柱、调节滑块、横向连杆和横向定位底板，横向定位框的顶部两端分别通过弹簧阻尼器连接磁铁架，横向定位框的顶部设有调节孔，横向调节旋钮设于横向定位框的调节孔处，横向曲面调整螺柱的一端活动连接横向定位底板上，横向曲面调整螺柱的另一端螺纹穿过调节滑块的中部并连接横向调节旋钮，调节滑块的两侧分别活动连接横向连杆，平行四边形连杆机构的一侧上下两端分别活动连接横向连杆和横向定位底板，横向定位底板设于横向定位框的底部，平行四边形连杆机构的另一侧活动连接磁铁架。

3.如权利要求2所述的适应曲面爬行的机器人悬架结构，其特征在于：平行四边形连杆机构包括侧向边框、上连杆和下连杆，上连杆和下连杆平行设置在侧向边框和磁铁架间，且上连杆与下连杆的两端均分别活动连接侧向边框和磁铁架，侧向边框分别活动连接横向连杆和横向定位底板。

4.如权利要求2所述的适应曲面爬行的机器人悬架结构，其特征在于：横向定位框包括横向顶板、支撑框和横向底板，调节孔设于横向顶板的中部，横向顶板的两端分别通过支撑框连接横向底板的两端，横向定位底板设于横向底板上。

5.如权利要求4所述的适应曲面爬行的机器人悬架结构，其特征在于：支撑框包括U形框和支杆，U形框包括上杆、中杆和下杆，中杆的两端分别连接上杆和下杆，上杆、中杆和下杆共同形成U形，横向顶板连接在上杆上，支杆的一端连接上杆，支杆的另一端通过横向底板连接下杆。

6.如权利要求2-5任一项所述的适应曲面爬行的机器人悬架结构，其特征在于：横向曲面调整悬架组件中，在需要调整麦克纳姆轮的姿态使其与曲面紧贴时，通过转动横向调节旋钮，进而带动横向曲面调整螺柱转动，使得横向曲面调整螺柱上的调节滑块的位置向上或向下移动，调节滑块通过横向连杆带动平行四边形连杆机构在向远麦克纳姆轮方向或近麦克纳姆轮方向移动，进而由平行四边形连杆机构带动磁铁架在向远麦克纳姆轮方向或近麦克纳姆轮方向移动，实现麦克纳姆轮的倾斜角度的调节，从而实现车架组件中同排的麦克纳姆轮的夹角调节，实现麦克纳姆轮在空间中的姿态变化，使得麦克纳姆轮与所在曲面的曲率相匹配。

7.如权利要求1-5任一项所述的适应曲面爬行的机器人悬架结构，其特征在于：纵向悬架组件包括纵向旋钮、纵向螺柱、纵向滑块、纵向定位底板和纵向连杆，纵向螺柱的一端活动连接纵向定位底板，纵向螺柱的另一端穿过依次螺纹穿过下螺栓、纵向滑块和上螺栓并连接纵向旋钮，纵向滑块的前后两端分别通过纵向连杆活动连接横向曲面调整悬架组件的横向定位框的顶部，纵向定位底板的前后两端分别连接横向曲面调整悬架组件的横向定位框的底部。

8.如权利要求7所述的适应曲面爬行的机器人悬架结构，其特征在于：纵向悬架组件的调节过程具体为，通过转动纵向旋钮，实现由纵向螺柱带动纵向滑块向上或向下移动，进而带动纵向连杆向上或向下移动，实现横向曲面调整悬架组件的横向定位框的顶部的向上或向下移动，实现纵向悬架组件前后两端的横向曲面调整悬架组件的相对姿态的调整。

9.如权利要求7所述的适应曲面爬行的机器人悬架结构，其特征在于：纵向悬架组件外设有纵向外框，纵向外框包括纵向顶板、纵向侧板和纵向底板，顶板的两侧分别通过侧板连接底板，纵向悬架组件设于侧板之间，纵向定位底板连接在纵向底板上，纵向顶板设有开孔，纵向旋钮设于开孔处。

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