CN111717301A - 爪刺式二维运动爬壁机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种爪刺式二维运动爬壁机器人，包括电路保护外壳、进退行走子系统、横向平移子系统、辅助支撑系统、控制集成电路、机器人机架。机器人始终抓附于0°至90°非结构化表面，使用进退行走子系统和横向平移子系统完成在表面的二维运动。本发明机器人区别于传统机器人爬壁方式，采用物理抓附，在非结构化表面上有非常稳定和节能的工作性能。机器人结构紧凑、高度集成、质量轻盈、作业灵活。本发明完成了能在垂直壁面上二维运动的爬壁机器人，为爬壁机器人在复杂环境的工作创造了突破性的平台。本发明模拟了生物的行走方式，通过精巧可靠的结构，实现了轻质节能的，能在非机构化表面二维灵活运动的爪刺式爬壁机器人。

Description

爪刺式二维运动爬壁机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，具体涉及一种爪刺式二维运动爬壁机器人。

背景技术

爬壁机器人是一种具有移动和抓附功能，从而在垂直表面工作的自动化设备。爬壁机器人能够在大型工程，救灾消防，制造维护，侦察探索等方面代替人工完成特种任务。爬壁机器人在抓附机理，步态控制，仿生研究方面都为技术前沿，拥有良好的应用前景。

目前对于地面行走机器人和结构化表面（光滑、人造、磁性）的爬壁机器人都有较好的相关研究和发明，相关机器人已经能够完成在地面和结构化表面的自由运动。如柴汇在《高性能液压驱动四足机器人SCalf的设计实现》一文中的多足行走机器人实现了在地面的行走和越障；中国专利200710072319.5公开了一种基于真空吸附原理的小型微声爬壁机器人，实现了多足机器人在光滑表面的吸附和自由运动；中国专利201010289327.7公开了一种轮式越障爬壁机器人，实现了轮式机器人通过磁力在表面吸附和越障功能。上述机器人各自存在比较笨重，能源利用效率不高，或者对吸附表面条件要求高，工作范围较小等缺点。爪刺式的表面抓附方式节约能源，延长机器人工作时间，无噪音，并且适用于更广泛的粗糙壁面与自然环境的条件。刘彦伟在《爪刺式爬壁机器人仿生机理与系统研究》一文中，采用仿生爪刺抓附式原理设计制造了爬壁机器人，但机器人结构较为简单，只能实现在壁面的简单运动。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种爪刺式二维运动爬壁机器人，解决了传统爬壁机器人笨重、能耗高、工作环境苛刻、工作状态单一等问题，实现了轻质节能，并能在非机构化表面二维灵活运动的爪刺式爬壁机器人。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种爪刺式二维运动爬壁机器人，包括电路保护外壳、进退行走子系统、横向平移子系统、辅助支撑系统、控制集成电路、机器人机架。控制集成电路设置在电路保护外壳内，机器人机架为框架，用于固定电路保护外壳、进退行走子系统、横向平移子系统、辅助支撑系统。辅助支撑系统和进退行走子系统沿第一轴线（x轴方向）设置，横向平移子系统沿第二轴线（y轴方向）设置。第一轴线和第二轴线相互垂直，构成xy两维平面，进而进退行走子系统和横向平移子系统相互垂直。电路保护外壳固定在机器人机架顶面的中心，进退行走子系统、横向平移子系统通过导线与控制集成电路连接，控制集成电路接收信号，对进退行走子系统、横向平移子系统的舵机进行输出控制。进退行走子系统一端固定在机器人机架的前端面，横向平移子系统固定在机器人机架中部，辅助支撑系统固定在机器人机架的后端面。

机器人表面二维运动的原理是通过控制集成电路控制进退行走子系统和横向平移子系统。在前进后退时通过进退行走子系统控制机器人前端两个爪刺轮流抓附脱离壁面且前后移动，来模拟生物行走过程，带动机器人在表面前进后退。在左右平移时通过横向平移子系统控制机器人中部两组爪刺轮流抓附脱离壁面且左右移动来带动机器人在表面左右平移。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）传统爬壁机器人大多只能在结构化的光滑或磁性表面运动，而本发明的机器人做到了在0°至90°非结构化表面运动。

（2）本发明通过多个无刷电机与齿轮组的结合，进行机器人进退和平移的运动传递，实现了各爪刺互不干涉的抬落与伸缩，从而使机器人能够在爪刺单方向抓附的条件下完成在表面的二维运动，最终机器人能够到达表面任意位置。

（3）本发明的机器人灵活轻便，适应性强，工作时间长，工作效率高，且能作为平台搭载其他工作所需设备。

附图说明

图1为本发明的爪刺式二维运动爬壁机器人的整体结构示意图。

图2为本发明的进退行走子系统结构示意图。

图3为本发明的横向平移子系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合图1，本发明昆虫式空中巡航斜坡行走机器人，包括电路保护外壳1、进退行走子系统2、横向平移子系统3、辅助支撑系统4、控制集成电路、机器人机架。控制集成电路（市购，采用STM- 32F405单片机和NRF- 51822无线通讯模块，通过单片机的PWM输出控制进退行走子系统2、横向平移子系统3的无刷电机）设置在电路保护外壳1内，机器人机架为框架，用于固定电路保护外壳1、进退行走子系统2、横向平移子系统3、辅助支撑系统4。辅助支撑系统4和进退行走子系统2沿第一轴线（x轴方向）设置，横向平移子系统3沿第二轴线（y轴方向）设置。第一轴线和第二轴线相互垂直，构成xy两维平面，进而进退行走子系统2和横向平移子系统3相互垂直。电路保护外壳1固定在机器人机架顶面的中心，进退行走子系统2、横向平移子系统3通过导线与控制集成电路连接，控制集成电路接收信号，对进退行走子系统2、横向平移子系统3的舵机进行输出控制。进退行走子系统2一端固定在机器人机架的前端面，横向平移子系统3固定在机器人机架中部，辅助支撑系统4固定在机器人机架的后端面。

所述辅助支撑系统4包括U形支撑杆、两个滑动轮和两组支撑连杆，两组支撑连杆平行对称设置，一端与机器人机架后端固连，另一端与U形支撑杆固连，U形支撑杆开放端向下，两个滑动轮分别固定在U形支撑杆的开放端，滑动轮始终和壁面接触。

所述滑动轮为万向轮。

结合图2，所述进退行走子系统2是机器人沿x轴方向前进后退行走驱动力的来源，包括第一舵机8（型号为MG996R）、两个第二舵机9（型号为JX6221）、两组爪足机构、两组动力传递机构，其中两组动力传递机构沿竖直方向平行设置，两组爪足机构沿x轴方向设置，且相互平行，第一舵机8位于两组动力传递机构之间，并分别它们的内侧壁固连，两个第二舵机9分别固定与两组动力传递机构外侧壁上，且第一舵机8、两个第二舵机9底部固定在机器人机架上，以保护机构，第一舵机8、两个第二舵机9分别通过导线与控制集成电路连接。

所述爪足机构包括爪足臂13和固定在爪足臂13前端的爪刺10，爪足臂13内侧设有齿条，顶面设有滑轨，爪刺10底部与若干爪钩柔性连接，爪钩有利于抓附非结构化的表面。

所述动力传递机构包括弹簧5、滑轨槽6和连接件11，连接件11顶面设有第一齿条，底面设有两个凸起，顶部的第一齿条通过弹簧5与滑轨槽6活动连接，并嵌入在滑轨槽6中；连接件11的两个凸起嵌入在爪足臂13顶面滑轨中，与动力传递机构爪足臂13滑动连接。

所述第一舵机8的输出齿轮（即第一动力齿轮12）与其两侧的位于爪足臂13的齿条啮合，第一舵机8转动，从而完成一个爪刺10前伸的同时另一个爪刺10后缩的动作。

所述两个第二舵机9的输出齿轮（即第二动力齿轮7）和连接件11的第一齿条啮合，两个第二舵机9转动，进而使得第一齿条压缩拉伸弹簧5，从而完成两个爪刺10互不干涉的抬起和落下动作。

结合图3，所述横向平移子系统3是机器人y轴方向左右平移驱动力的来源，横向平移子系统3和进退行走子系统2构造基本一致，不同在于其动力传递机构的爪足臂15两端分别固定有爪足，位于中间位置第三舵机14前后的爪足以第三无刷电机的中心对称。进退行走子系统2、横向平移子系统3的爪足运动通过控制集成电路进行控制，分别完成机器人进退和横向平移时，爪刺所需的抬起、落下、前伸、后缩动作。第四舵机与第二舵机9结构相同，第三舵机14和两个第四舵机分别与控制集成电路连接。

滑动轮和爪刺共同支撑所述昆虫式空中巡航斜坡行走机器人在壁面行走。

结合图2和图3，所述昆虫式空中巡航斜坡行走机器人工作流程如下：

控制集成电路接收信号，对进退行走子系统2、横向平移子系统3进行输出控制，第一无刷电机带动动力齿轮12旋转，动力齿轮12带动两个爪足臂13分别向前和向后运动，从而使爪刺10前后运动。第二无刷电机带动动力齿轮7旋转，动力齿轮7通过啮合的辅助齿轮带动连接件11上下运动，从而带动单边爪足臂13在和动力齿轮12啮合的情况下上下运动，最终带动单边爪足10上下运动。横向平移子系统3的两个爪足臂15运动时带动两边的两组爪刺，一边前伸的同时另一边后缩。

本发明的机器人可实现在0°至90°的非结构化表面的二维运动。机器人可以在前进后退运动和左右平移运动之间切换，从而到达非结构化表面的任意位置。在机器人前进后退时，两个爪足臂15先带动两组爪刺抬起脱离表面，一端通过动力齿轮7带动爪足臂13将爪刺10下压固定抓附在表面，另一端以同样方式将爪刺10抬起脱离表面，随后动力齿轮12带动两爪足臂分别向前和向后运动，从而使抓附在表面的爪刺10带动机器人整体向前运动。之后交换固定与脱离的爪刺10，并再次由动力齿轮12带动两爪刺10交换前后位置使得机器人整体继续向前运动。如此循环便完成了机器人整体的前进运动。机器人左右平移时将先两个爪足臂13带动两个爪刺10脱离表面，随后两个爪足臂15以前进后退时相同的方式带动机器人进行左右平移运动。在前进后退过程中机器人始终由一端的爪刺10和辅助支撑系统4支撑重量；在左右平移过程中机器人始终由一个爪足臂15两端的两个爪刺和辅助支撑系统4支撑重量，辅助支撑系统4带有滑动轮并不影响昆虫式空中巡航斜坡行走机器人的前进后退。

Claims (9)

1.一种爪刺式二维运动爬壁机器人，包括，

机器人机架，为框架，作为支撑固定结构；

电路保护外壳（1），固定在机器人机架顶面的中心，起保护作用；

控制集成电路，设置在电路保护外壳（1）内，控制集成电路接收信号，驱动所述机器人行走；

其特征在于：所述机器人能够在xy两维平面内运动，还包括，

进退行走子系统（2），沿x轴方向设置，一端固定在机器人机架的前端面，并与控制集成电路电连接，实现所述机器人的前进后退；

辅助支撑系统（4），沿x轴方向设置，辅助支撑系统（4）固定在机器人机架的后端面，支撑所述机器人在壁面行走；

横向平移子系统（3），沿y轴方向设置，固定在机器人机架中部，实现所述机器人的左右平移。

2.根据权利要求1所述的爪刺式二维运动爬壁机器人，其特征在于：所述进退行走子系统（2）包括第一舵机（8）、两个第二舵机（9）、两组爪足机构、两组动力传递机构，其中两组动力传递机构沿竖直方向平行设置，两组爪足机构沿x轴方向设置，且相互平行，第一舵机（8）位于两组动力传递机构之间，并分别它们的内侧壁固连，两个第二舵机（9）分别固定与两组动力传递机构外侧壁上，且第一舵机（8）、两个第二舵机（9）底部固定在机器人机架上。

3.根据权利要求2所述的爪刺式二维运动爬壁机器人，其特征在于：所述第一舵机（8）、两个第二舵机（9）分别通过导线与控制集成电路连接。

4.根据权利要求2所述的爪刺式二维运动爬壁机器人，其特征在于：所述爪足机构包括爪足臂（13）和固定在爪足臂（13）前端的爪刺10，爪足臂（13）内侧设有齿条，顶面设有滑轨，滑轨用于连接动力传递机构；爪刺10底部与若干爪钩柔性连接，爪钩有利于抓附非结构化的表面。

5.根据权利要求2所述的爪刺式二维运动爬壁机器人，其特征在于：所述动力传递机构包括弹簧（5）、滑轨槽（6）和连接件（11），连接件（11）顶面设有第一齿条，底面设有至少一个凸起，顶部的第一齿条通过弹簧（5）与滑轨槽（6）活动连接，并嵌入在滑轨槽（6）中；连接件（11）的凸起嵌入在动力传递机构顶面，与动力传递机构滑动连接。

6.根据权利要求4所述的爪刺式二维运动爬壁机器人，其特征在于：所述动力传递机构包括弹簧（5）、滑轨槽（6）和连接件（11），连接件（11）顶面设有第一齿条，底面设有至少一个凸起，顶部的第一齿条通过弹簧（5）与滑轨槽（6）活动连接，并嵌入在滑轨槽（6）中；连接件（11）的凸起嵌入在爪足臂（13）顶面滑轨中，与动力传递机构爪足臂（13）滑动连接。

7.根据权利要求6所述的爪刺式二维运动爬壁机器人，其特征在于：所述第一舵机（8）的输出齿轮与其两侧的位于爪足臂（13）的齿条啮合，第一舵机（8）转动，从而完成一个爪刺10前伸的同时另一个爪刺10后缩的动作。

8.根据权利要求6所述的爪刺式二维运动爬壁机器人，其特征在于：所述两个第二舵机（9）的输出齿轮和连接件（11）的第一齿条啮合，两个第二舵机（9）转动，进而使得第一齿条压缩拉伸弹簧（5），从而完成两个爪刺10互不干涉的抬起和落下动作。

9.根据权利要求1所述的爪刺式二维运动爬壁机器人，其特征在于：所述横向平移子系统（3）和进退行走子系统（2）构造基本一致，不同在于其动力传递机构的爪足臂（15）两端分别固定有爪足，位于中间位置第三舵机（14）前后的爪足以第三无刷电机的中心对称；进退行走子系统（2）、横向平移子系统（3）的爪足运动通过控制集成电路进行控制，分别完成机器人进退和横向平移时，爪刺所需的抬起、落下、前伸、后缩动作。

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