CN111746679A - 轮式全向钩爪爬壁机器人及其运动方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种轮式全向钩爪爬壁机器人及其运动方法，属于机器人应用技术领域。它包括机架(6)、转轮(3)、纵向移动时提供抓附力的纵向软体钩爪(2)，和横向移动时提供抓附力的横向钩爪、凸台基体(4)和挤压杆(5)；其特征在于所述的纵向软体钩爪是粘附在转轮(3)的中间板上由条形柔性基体和金属尖钩构成；横向钩爪(1)由树脂基体和端部金属尖钩组成，穿过转轮(3)两侧的长方形通孔，转轮每旋转一圈，通过橡胶皮筋连接的两个横向钩爪(1)会与凸台基体接触两次形成抓附和脱附；凸台基体(4)与转轮相互独立，固定在机架(1)下端，下端与挤压杆(5)相连，挤压杆与三个横向钩爪前端机械挤压；横向钩爪前端分出三个安装孔，安装用于产生抓附力的金属尖钩；机器人可通过改变全向轮式钩爪模块数量形成不同的机器结构。
Description
技术领域
本发明属于机器人应用技术领域，特别是一种轮式全向钩爪爬壁机器人及其运动方法。
背景技术
垂直邻域爬壁机器人的工作随着经济的发展，在检查、施工、和后期维护方面越来越重要。昆虫在地球上进化了3.5亿年，脚掌上均形成了以钩爪为主的抓附系统，能够适应各种复杂地形，并以高效率的行动方式捕食或抛离逃离危险。钩爪爬壁机器人通常用在人类难以到达，或较为危险的区域，如建筑业：桥底检查、悬索桥梁的高处探伤，也可以用在农业领域，如果树果实的采摘，树木伤病的检查，峭壁处植物的收集和栽培，如工业上在粗糙垂非金属直壁面的焊接和机器的检查等。国外已经发明出可以在垂直墙壁上移动的微型钩爪轮式爬壁机器人，但是目前国内的钩爪爬壁机器人大多为足式，微型钩爪轮式爬壁机器人的发展研究依然有着巨大的空间。
目前国内研究较为先进的微型钩爪爬壁机器人有南京航天航空大学的对抓钩爪式六足爬壁机器人(江南.对抓钩爪式六足爬壁机器人[D].南京航空航天大学，2018.)和美国喷气推进实验室的DROP V2与TriDROP机器人(K.Carpenter，N.Wiltsie andA.Parness，″Rotary Microspine Rough Surface Mobility，″in IEEE/ASMETransactions on Mechatronics，vol.21，no.5，pp.2378-2390，Oct.2016，doi：10.1109/TMECH.2015.2511012.)。美国喷气推进实验室的DROP V2与TriDROP轮式爬壁机器人只能实现表面上下爬行功能，并不能水平移动，而中国尚未有成熟的轮式钩爪爬壁机器人。
发明内容
基于上述背景，本发明提供一种能够在混凝土或岩壁等粗糙表面爬行的轮式全向钩爪爬壁机器人及其运动方法。
一种轮式全向钩爪爬壁机器人及其运动方法，其特征在：包括凸台基体、挤压杆、转轮、机架；机架为整体框架，中间设有空心方格，由前后两个部分组成，前后部分的左右两边均与凸台基体固定连接；其中凸台基体包括两个对称的环形凸台，中间通过横板连接，横板前端向下等距伸出三个柱形连接口，其中环形凸台外缘的坡度较小，内缘的坡度较大；挤压杆上端是三个橡胶实心杆与凸台基体前端的空心圆柱形连接口过盈配合，下端是半圆形，半圆形两边向上翘起；转轮与凸台基体和挤压杆相对独立运动，与固定在机架上的直流电机相连，两边轮缘处各开16个长方形通孔，中间设有4个支撑板；上述转轮的4个支撑板末端中间处均固定安装两个纵向软体钩爪；纵向软体钩爪是由条形柔性基体和金属尖钩构成，中间设有切口；横向钩爪由树脂基体和端部金属尖钩组成，前端分出三个安装孔安装由金属尖钩，中间部分设长条状凸起，尾部为长方形，并穿过转轮两侧的长方形通孔，横向钩爪的最大旋转角度为8°，每两个横向钩爪间通过橡胶皮筋连接。
所述的轮式全向钩爪爬壁机器人的运动方法，其特征在于：在开始运动时直流电机转动并带动转轮相对于机架旋转运动，横向钩爪随随着转轮转动，底部的横向钩爪受到凸台基体的阻挡后升高并拉紧中间连接的橡胶皮筋，继续转动后，会受到挤压杆向下的压力，当受到拉力的横向钩爪运动到凸台高度下降的边缘时，带动金属尖钩向内收缩，由橡胶皮筋相连的一对横向钩爪同时向内抓紧，完成的机械抓附；当横向钩爪越过转轮的最低点继续转动遇到第二个凸台边缘时，随凸台的升高而向外移动，带动金属尖钩向外移动，实现横向钩爪在表面的脱附；纵向软体钩爪随这转轮的转动与表面的凸起或凹坑相抓附，随着转轮的转动折弯后并完成脱附。轮子转动时可以保证有两对横向钩爪和一边的纵向软体钩爪实现抓附，转轮每转一圈为一个转动周期。
本发明的优势在于：本发明展示了两个转轮的的配合，机器人能够通过增加机架进而增加转轮的数量，进而增加抓附力；能够伸缩与转动的横向对抓钩爪能够保证机器人在水平表面移动或竖直表面时稳定爬行，纵向软体钩爪采用柔性的钩爪基体，可以降低机器人接触表面时的重心，同时增加抓附力和前进动力，采用较少数量既可以保证至少有一排纵向软体钩爪与表面接触。机器人爬行速度快，控制方便，加工容易，将会是未来的发展方向。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是一对横向钩爪和橡胶皮筋连接的结构示意图；
图3是转轮的结构示意图；
图4是挤压杆的结构示意图；
图5是凸轮的结构示意图；
图6机器人纵向软体钩爪的结构示意图；
图7是全向轮式钩爪模块的结构示意图；
图中标号名称：1.横向钩爪；2.纵向软体钩爪；3.转轮；4.凸台基体；5.挤压杆；6.机架；7.橡胶皮筋；8.直流电机；9.纵向软体钩爪基体；10.横向钩爪基体；11.橡胶皮筋；12.金属尖钩。
具体实施方式
结合附图进行具体说明
结合图1和图7，轮式全向钩爪爬壁机器人由两个全向轮式钩爪模块安装在机架上构成，机器人的组成包括机架6，在机架上安装有直流电机8、凸台基体4，凸台基体底端安装有挤压杆5，转轮3安装在直流直流电机的输出轴上，转轮支撑板上设置有至少两只纵向软体钩爪2，软体钩爪的数量可以根据转轮中间的支撑板选择合适的数量，转轮两侧安装有16对横向钩爪1，横向钩爪的数量可以根据转轮半径的需要选择相近的数量，同时结合图2，横向钩爪的组成包括安装在横向钩爪基体10顶部的金属尖钩12，每队横向钩爪的尾部穿过转轮的长方形通孔并通过橡胶皮筋11连接起来，每个钩爪前端固定的钩爪数量由钩爪的结构决定可以是3个，也可以根据爪子大小选择相近的数量。每个横向钩爪之间相互独立，横向钩爪和纵向软体钩爪互不影响。金属尖钩通过胶水粘接纵向软体钩爪与横向钩爪的前端，也可以通过形状沉积制造快速成型加工方法将金属尖钩与聚氨酯基体加工成一体。
电机的驱动电压为6V，通过螺钉安装在机架上，电源部分独立安装在机架下侧，由直流电机8带动的转轮3可以进行正反转，转轮两侧的长方形通孔相互平行，且通孔高度大于横向钩爪尾部的高度，使横向钩爪的最大转动角度可以达到8°，可以根据接触需要调整转动角度大小，横向钩爪与长方形通孔两侧为间隙配合，可以在橡胶皮筋7的拉力下稳定滑动。
Claims (2)
1.轮式全向钩爪爬壁机器人及其运动方法，其特征在于：
包括凸台基体(4)、挤压杆(5)、转轮(3)、机架(6)；机架为整体框架，由前后两个部分组成，前后部分的左右两边均与凸台基体固定连接，中间设有减重的空心方格；其中凸台基体包括两个对称的环形凸台，中间通过横板连接，横板前端向下等距伸出三个柱形连接口，其中环形凸台外缘的坡度较小，内缘的坡度较大；挤压杆(5)上端是三个橡胶实心杆与凸台基体前端的空心圆柱形连接口过盈配合(5)，下端是半圆形，半圆形两边向上翘起；转轮(3)与凸台基体(4)和挤压杆(5)相对独立运动，与固定在机架上的直流电机相连，两边轮缘处各开16个长方形通孔，中间设有4个支撑板；
上述转轮(3)的4个支撑板末端中间处均固定安装两个纵向软体钩爪；纵向软体钩爪是由条形柔性基体和金属尖钩构成，中间设有切口；横向钩爪(1)由树脂基体和端部金属尖钩组成，前端分出三个安装孔安装由金属尖钩，中间部分设长条状凸起，尾部为长方形，并穿过转轮(3)两侧的长方形通孔，与长方形通孔两边为间隙配合，且通孔高度大于横向钩爪尾部的高度，使横向钩爪(1)的最大旋转角度为8°，每一对横向钩爪(1)间通过橡胶皮筋连接，可以在橡胶皮筋7的拉力下稳定滑动。
2.根据权利要求1所述的轮式全向钩爪爬壁机器人的运动方法，其特征在于：
在开始运动时直流电机(8)转动并带动转轮(3)相对于机架旋转运动，横向钩爪随随着转轮(3)转动，底部的横向钩爪受到凸台基体(4)的阻挡后升高并拉紧中间连接的橡胶皮筋(11)，继续转动后，会受到挤压杆(5)向下的压力，当受到拉力的横向钩爪运动到凸台高度下降的边缘时，带动金属尖钩(12)向内收缩，由橡胶皮筋(11)相连的一对横向钩爪同时向内抓紧，完成的机械抓附；当横向钩爪越过转轮(3)的最低点继续转动遇到第二个凸台边缘时，随凸台的升高而向外移动，带动金属尖钩(12)向外移动，实现横向钩爪在表面的脱附；
纵向软体钩爪随这转轮的转动与表面的凸起或凹坑相抓附，随着转轮的转动折弯后并完成脱附。轮子转动时可以保证有两对横向钩爪和一边的纵向软体钩爪实现抓附，每转一圈为一个转动周期。
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