CN111483280B - 一种适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于爬壁机器人的悬挂‑转向联合机构，属于机械设计制造领域，该悬挂‑转向联合机构包括：转向爪、横梁连接件、活塞、上弹簧、下弹簧、止动构件、套筒、螺栓、底盘和限位块；套筒与底盘固定，止动构件与套筒的顶部连接；活塞由第一活塞段和第二活塞段连接构成，第一活塞段与转向爪、横梁连接件连接，第二活塞段位于套筒内；第二活塞段与限位块活动连接，限位块穿出套筒侧壁的孔洞，上弹簧设置于套筒外壁上，位于限位块上方。将本发明用于爬壁机器人领域，避免姿态变换过程中轮系所受机器人主体下落带来的冲击和跌落壁面的隐患，并使得装备该悬挂‑转向机构的轮系具有独立的转向能力，使爬壁机器人在曲面壁面安全、灵活地作业。

Description

一种适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构

技术领域

本发明属于机械设计制造领域，具体地，涉及一种适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构。

背景技术

悬挂机构常用于汽车系统，主要作用是把路面作用于车轮上的各种反力及其力矩传递到车身和车架上，并缓冲路面的冲击，也同样适用于结构接近的轮式机器人系统。现有的悬挂机构通常使用弹性元件和阻尼器配合，弹性元件用以产生一定程度的形变，阻尼器则在形变过程中吸收转换车轮受到的冲击能量。车辆的转向行为往往需要转向机构完成，其中转向机构增大了体积与重量等属性，相对降低了移动设备的便捷程度和装配、维护的简易性。另外现有悬挂通常是对车轮受到的向上的冲击进行缓冲，多适用于倾斜度较低的平面。

然而，爬壁机器人这类需要在竖直、甚至倒立的不仅限于平面的复杂壁面工作的移动设备，需要能针对轮系受到拉伸力进行缓冲的悬挂机构，否则机器人在翻越复杂壁面的过程中车轮将受到机器人主体下落带来的冲击，可能产生滑脱壁面的现象。且通常的悬挂结构并不会设置限位装置，因为大多数情况下汽车在倾斜角度比较可控的，底盘上下浮动的程度有限，但对于爬壁机器人而言由于工作平面倾斜较大，甚至存在倒立情况，所以需要通过限位装置限定底盘上下浮动的范围，否则会出现底盘接触壁面或者车身浮动距离过大导致弹性元件形变程度超过弹性限度的情况。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构，该悬挂-转向联合机构可提供沿悬挂轴向压缩和拉伸两个方向的缓冲，避免爬壁机器人在姿态变换过程中轮系所受机器人主体下落带来的冲击和跌落壁面的隐患，且该悬挂-转向机构的轮系具有独立的转向能力，使爬壁机器人在曲面壁面安全、灵活地作业。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构，包括：转向爪、横梁连接件、活塞、上弹簧、下弹簧、止动构件、套筒、螺栓、底盘和限位块；所述套筒的底部通过螺栓与底盘固定连接，所述下弹簧设置于套筒的内底部，所述止动构件与套筒的顶部固定连接；所述活塞与套筒活动连接；所述活塞由第一活塞段和第二活塞段连接构成，所述第一活塞段为圆柱形，第二活塞段为棱柱形结构；所述第一活塞段由上至下依次与转向爪、横梁连接件连接；所述第二活塞段的棱边与套筒的内壁接触；所述第二活塞段与限位块活动连接，所述套筒的侧壁上开有长方形孔洞，限位块的一端穿出套筒侧壁上的长方形孔洞，所述上弹簧设置于套筒的外壁上，位于限位块的上方，且所述上弹簧的直径小于止动构件的外径。

进一步地，所述止动构件与套筒通过螺纹固定连接。

进一步地，所述活塞与横梁连接件通过轴承连接。

进一步地，所述活塞与转向爪通过转向爪插销连接。

进一步地，所述第二活塞段的高度与套筒侧壁上的长方形孔洞的长度相等。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过圆筒内的孔洞和活塞上的限位块之间的配合，提供悬挂装置上下范围有限度的运动空间。限位块限制了底盘的上下浮动范围，避免了底盘接触壁面或者车身浮动距离过大导致弹性元件形变程度超过弹性限度的情况；同时圆筒内的孔洞降低了钢材的体积，减小装置整体质量，有助于增加装置灵活性。且本发明可提供沿悬挂轴向向上和向下分别两个方向的缓冲，其中止动构件和第一活塞段之间存在上弹簧，提供向上的缓冲，第二活塞段和套筒底部之间存在下弹簧，提供向下的缓冲，防止爬壁机器人在越过复杂壁面时轮系受到冲击而跌落壁面。最后，本发明将转向功能引入悬挂机构中，转动爪通过插销和活塞固连传递转动，活塞通过和套筒、止动构件组合提供缓冲功能的同时，也通过下方的棱柱将转动传递给套筒，以及与套筒连接的机器人轮轴，具有结构简单紧凑、可靠性高的优点，可以减少爬壁机器人悬挂及转向零件总数量及占用总空间，提高爬壁机器人装配及维修便利程度。

附图说明

图1是本发明的悬挂机构等轴测图；

图2是本发明的悬挂机构拆解图；

图3是本发明的悬挂机构剖视图；

图4是本发明的悬挂机构三视图，图4a为俯视图，图4b为左视图，图4c为主视图；

图5是本发明的悬挂机构在具体爬壁机器人上的工作情况。

图中：1-转向爪，2-转向爪插销，3-横梁连接件，4-活塞，5-轴承，6-上弹簧，7-下弹簧，8-止动构件，9-套筒，10-螺栓，11-底盘、12-限位块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1为本发明一种适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构的结构示意图，从图2的拆解图中可以看出，所述适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构包括：转向爪1、横梁连接件3、活塞4、上弹簧6、下弹簧7、止动构件8、套筒9、螺栓10、底盘11和限位块12，底盘11可用于连接车轮及轮轴等机构，轮系底盘11可以通过内部的凹槽并通过螺钉去固定连接轮轴。由图3的剖视图以及图4的三视图，图4a为俯视图，图4b为左视图，图4c为主视图可以看出：所述套筒9的底部通过螺栓10与底盘11固定连接，所述下弹簧7设置于套筒9的内底部，提供活塞向下运动的缓冲。所述止动构件8与套筒9的顶部固定连接，本领域技术人员可将所述止动构件8与套筒9通过螺纹固定连接，套筒9内底面的下弹簧8与所述止动构件8用于限制活塞4在套筒9内的最大轴向运动。所述活塞4与套筒9活动连接；所述活塞4由第一活塞段、第二活塞段和限位块12连接构成，所述第一活塞段为圆柱形，第二活塞段为棱柱形结构；所述第一活塞段由上至下依次与转向爪1、横梁连接件3连接，本领域技术人员可将所述活塞4与转向爪1通过转向爪插销2连接，带动活塞4的转动，活塞4通过下方的棱柱结构带动套筒9转动，实现移动设备的转向功能；本领域技术人员可将所述活塞4与横梁连接件3通过轴承连接，具体为活塞4上通过螺钉安装固定轴承支撑，通过轴承支撑来限定轴承5的位置，横梁连接件3与轴承5的外壁相配合，轴承5的内壁与活塞4相配合，轴承5可随横梁连接件3在活塞4上转动，横梁连接件3可用于和移动设备大梁、移动设备作业机构等结构的连接，通过焊接的方式和机器人横梁连接。所述上弹簧6设置于套筒9的外壁上，且所述上弹簧6的直径小于止动构件8的外径；上弹簧6向上运动无法穿过止动构件8，使得止动构件8可以限制上弹簧6在套筒9上的位置。所述第二活塞段的棱边与套筒9的内壁接触，通过这种接触将来自活塞4的转动传递给套筒9。所述第二活塞段与限位块12活动连接，所述套筒9的侧壁上开有长方形孔洞，限位块12的一端穿出套筒9侧壁上的长方形孔洞，限位块上方套着上弹簧6，使活塞4可以在套筒9中上下移动的同时，又能提供上弹簧6一个下方的限位，限制上弹簧6在活塞4上的位置。且所述第二活塞段的高度与套筒9侧壁上的长方形孔洞的长度相等。无压缩的情况下，上弹簧6固定在止动构件8和限位块12之间，下弹簧7固定在第二活塞段和套筒9内底部之间。拉伸情况下，止动构件8和限位块之间的距离减小，上弹簧6压缩量增大。压缩情况下，第二活塞段和套筒9内底部距离减小，下弹簧7压缩量增大。

如图5，将上述悬挂-转向联合机构用于爬壁机器人领域，将底盘11通过螺钉紧固方式与爬壁机器人的轮轴连接，来自转动爪1的转动带动活塞4转动，活塞4带动套筒9转动，套筒9带动底盘11转动，进而带动轮轴转动通过；将横梁连接件3通过焊接方式与爬壁机器人的横梁连接，横梁明确了爬壁机器人的两个轮系之间的距离，增加了爬壁机器人运动的约束，增强稳定性；将转向爪1通过螺栓与爬壁机器人的转向电缸连接，转向电缸带动转向爪1转动，为爬壁机器人提供转动的动力来源。

当爬壁机器人接触的工作表面凸起时，此时底盘11产生一个瞬时的上浮，使套筒9相对活塞4产生远离工作表面的轴向位移，活塞4和套筒9之间距离减小。这种情况下，活塞限位块12在套筒9中的孔洞内向下运动，活塞4与止动机构8间的上弹簧6压缩量会减小，活塞4与套筒9内底面间的下弹簧7压缩量会增大，产生一个向上的缓冲。

当爬壁机器人接触的工作表面凹陷时，此时底盘11会产生一个瞬时的下坠，使套筒9相对活塞4产生向工作表面的轴向位移，活塞4和止动构件8之间距离减小。这种情况下，活塞限位块12在套筒9中的孔洞内向上运动，活塞4与套筒9内底面间的下弹簧7压缩量会减小，活塞4与止动机构8间的上弹簧6压缩量会增大，产生一个向下的缓冲。

当爬壁机器人转向时，和转动爪1连接的转向电缸将转向力矩施加在转向爪1上，且转向爪1与活塞4经定位销2固定，从而带动活塞4转动，通过活塞4下的第二活塞段棱柱和套筒9内壁的契合，带动套筒9转动，并通过套筒9将转向扭矩传递至其固连的轮系底盘11，并带动轮系转动，爬壁机器人可以完成一个转向动作，而且悬挂功能的运行不受到干扰。

因此，该悬挂-转向联合机构，可提供爬壁机器人沿悬挂轴向压缩和拉伸两个方向的缓冲，防止爬壁机器人在姿态变换时轮系受到冲击而跌落壁面，另外其结构可将转向扭矩传递至轮系，完成爬壁机器人转向动作。该悬挂机构具有结构简单紧凑、可靠性高的优点，可以减少爬壁机器人底盘零件数量及占用空间，提高爬壁机器人装配及维修便利程度。

当活塞4在套筒9内运动时，可以在套筒内壁涂适量润滑液，降低活塞4和套筒9之间相互运动产生的磨损。根据具体壁面作业场景，可相应提高或降低上下弹簧强度，以调节本悬挂-转向联合机构缓冲特性，改善爬壁机器人运动、作业能力。

Claims (5)

1.一种适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构，其特征在于，包括：转向爪(1)、横梁连接件(3)、活塞(4)、上弹簧(6)、下弹簧(7)、止动构件(8)、套筒(9)、螺栓(10)、底盘(11)和限位块(12)；所述套筒(9)的底部通过螺栓(10)与底盘(11)固定连接，所述下弹簧(7)设置于套筒(9)的内底部，所述止动构件(8)与套筒(9)的顶部固定连接；所述活塞(4)与套筒(9)活动连接；所述活塞(4)由第一活塞段和第二活塞段连接构成，所述第一活塞段为圆柱形，第二活塞段为棱柱形结构；所述第一活塞段由上至下依次与转向爪(1)、横梁连接件(3)连接，所述第二活塞段的棱边与套筒(9)的内壁接触；所述第二活塞段与限位块(12)活动连接，所述套筒(9)的侧壁上开有长方形孔洞，限位块(12)的一端穿出套筒(9)侧壁上的长方形孔洞；所述上弹簧(6)设置于套筒(9)的外壁上，位于限位块(12)的上方，且所述上弹簧(6)的直径小于止动构件(8)的外径。

2.根据权利要求1所述适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构，其特征在于：所述止动构件(8)与套筒(9)通过螺纹固定连接。

3.根据权利要求1所述适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构，其特征在于：所述活塞(4)与横梁连接件(3)通过轴承连接。

4.根据权利要求1所述适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构，其特征在于：所述活塞(4)与转向爪(1)通过转向爪插销(2)连接。

5.根据权利要求1所述适用于爬壁机器人的悬挂-转向联合机构，其特征在于：所述第二活塞段的高度与套筒(9)侧壁上的长方形孔洞的长度相等。

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