CN112550508B - 一种双旋翼轮式地壁移动机器人 - Google Patents

一种双旋翼轮式地壁移动机器人 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种移动机器人。一种双旋翼轮式地/壁移动机器人，包括：前后两个相连接的轮式机器人，轮式机器人均包括：圆柱形滚轮以及对圆柱形滚轮进行支撑的框架；圆柱形滚轮内设有用于提供升力的牵引机构，以及用于分配该升力朝向的自平衡机构；牵引机构安装于自平衡机构，在自平衡机构的作用下实现沿圆柱形滚轮中轴线水平移动或旋转；牵引机构所提供升力方向即为圆柱形滚轮运动的方向；当牵引机构位于圆柱形滚轮中心位置时，圆柱形滚轮沿直线运动；当牵引机构偏离圆柱形滚轮中心位置时，前后两个轮式机器人产生差速作用，实现转向。本发明具有高机动性能，高灵活性，同时具备一定的越障能力。

Description

一种双旋翼轮式地壁移动机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种地壁移动机器人，属于先进制造与自动化领域。
背景技术
针对室内外各类地形环境下、各种建筑物外墙面环境下，目前爬壁机器人很难适用于军事侦查、反恐防爆、灾害救援和危险品检测等领域。目前壁面移动机器人大多结构较为复杂、移动速度慢、越障能力差、壁面适应性弱和控制较为复杂等特点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双旋翼轮式地壁移动机器人，该机器人具有轮式移动机器人高机动灵活性，且能够实现前进、后退、转弯和跨越一定障碍物。
本发明的技术方案是：一种双旋翼轮式地/壁移动机器人，包括：前后两个相连接的轮式机器人，所述轮式机器人均包括：圆柱形滚轮以及对所述圆柱形滚轮进行支撑的框架；其特征在于，所述圆柱形滚轮内设有用于提供升力的牵引机构，以及用于分配该升力朝向的自平衡机构；
所述牵引机构安装于所述自平衡机构，在所述自平衡机构的作用下实现沿所述圆柱形滚轮中轴线水平移动或旋转；
所述牵引机构所提供升力方向即为所述圆柱形滚轮运动的方向；当所述牵引机构位于所述圆柱形滚轮中心位置时，所述圆柱形滚轮沿直线运动；当所述牵引机构偏离所述圆柱形滚轮中心位置时，前后两个轮式机器人产生差速作用，实现转向。
进一步的，所述牵引机构采用旋翼装置；所述旋翼装置包括：无刷电机、安装于所述无刷电机上的桨叶、以及用于固定所述无刷电机的无刷电机固定架。
进一步的，所述自平衡机构采用丝杠实现所述牵引机构的水平移动；
纵平衡滑块与纵向丝杠构成丝杠螺母副结构；所述纵向丝杠设置在纵向固定板上，并由纵平衡电机驱动；所述牵引机构安装于所述纵平衡滑块的上端。
进一步的，所述纵向固定板上还设有纵向导轨滑块，所述纵平衡滑块下端通过导向槽套接在所述纵向导轨滑块上。
进一步的，所述自平衡机构采用同步带实现所述牵引机构的旋转运动；
所述纵向固定板的一端设有一个轴端同步带轮，同步带电机驱动另一个轴端同步带轮，两个所述轴端同步带轮之间套接有所述同步带。
进一步的，所述支撑的框架为十字形结构。
进一步的，为提升双轮机器人的爬壁能力，前后两个轮式机器人之间通过自由度关节进行连接。自由度关节令两个轮式机器人之间具有俯仰、摆动自由度。
进一步的，所述自由度关节包括：相互连接的框架左侧支架、框架左侧圆弧支架；所述框架左侧支架与所述支撑的框架固定连接，在所述框架左侧圆弧支架中部设有铰接点；
后侧所述轮式机器人通过其所述框架左侧圆弧支架上的铰接点、横轴连接铰接式关节，所述铰接式关节能够沿该处横轴上下摆动；
前侧所述轮式机器人通过其所述框架左侧圆弧支架上的铰接点、横轴连接前铰接式关节，所述前铰接式关节能够沿该处横轴上下摆动；
所述铰接式关节与所述前铰接式关节通过纵轴连接，所述铰接式关节与所述前铰接式关节能够沿该处纵轴左右摆动。
进一步的，在所述铰接式关节与后侧所述轮式机器人的铰接处，以及所述前铰接式关节与所述前侧所述轮式机器人的铰接处均设有限位块。
从地面到墙面移动过程中，由后侧所述轮式机器人产生向攀爬墙壁方向的推力，前侧所述轮式机器人产生向上升力；前侧所述轮式机器人抬起，在后侧所述轮式机器人的推力作用下，所述移动机器人移动靠近墙面；当所述后侧所述轮式机器人与墙壁接触时，前后两个所述轮式机器人调整升力方向，令升力方向沿接触墙面斜向上，牵引力一部分使所述移动机器人吸附于墙面，一部分力朝向所述移动机器人移动方向，使机器人朝前进方向移动。
有益效果：
(1)本发明采用牵引机构提供机器人运动的动力，利用自平衡机构分配动力的朝向由此实现机器人前进、后退、转弯、壁面行走；
(2)本发明可以在多种复杂工况地面/壁面条件下行驶，结构简单，零部件易于加工，制造成本低，易于操作与维护。
(3)同时，该机器人具有高机动性能，高灵活性，同时具备一定的越障能力，结构较轻，易于携带。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明中单个轮式机器人的结构示意图；
图3为图2去除滚轮后的结构示意图；
图4为前后轮式机器人连接处的结构示意图；
图5为图4的局部图；
其中：101-圆柱形滚轮、102-框架、201-框架左侧支架、202-框架左侧圆弧支架、203-铰接式关节、204-前铰接式关节、205-限位块、301-桨叶，302-无刷电机，303-无刷电机固定架，401-纵平衡滑块、402-纵向丝杠、403-纵向丝杠固定块、404-纵向丝杠电机固定座、405-纵平衡电机、406-纵向固定板、407-纵向导轨滑块、408-纵平衡减速机、409-纵向联轴器、410-轴端轴承、411-同步带轮、412-同步带、413-同步带电机、414-同步带固定盖。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
参见附图1、2，一种双旋翼轮式地/壁移动机器人，包括：前后两个相连接的轮式机器人，每个轮式机器人均包括：圆柱形滚轮101以及对圆柱形滚轮101进行支撑的十字形框架102；圆柱形滚轮101内设有用于提供升力的牵引机构，以及用于分配该升力朝向的自平衡机构。
两个圆柱形滚轮101作为该机器人的前后车轮；圆柱形滚轮101的轴向两端均设置有十字形框架102，用于支撑牵引机构和自平衡机构。
牵引机构安装在自平衡机构上，在自平衡机构的作用下实现沿圆柱形滚轮101轴线水平移动或旋转。
牵引机构所提供升力方向即为圆柱形滚轮101运动的方向；牵引机构在自平衡机构的作用下转动后，当转动方向与圆柱形滚轮101前进方向一致，圆柱形滚轮101前进；当转动方向与圆柱形滚轮101前进方向相反，圆柱形滚轮101后退。
牵引机构位于圆柱形滚轮101中心位置时，圆柱形滚轮101沿直线运动，实现机器人的前进或后退；牵引机构偏离圆柱形滚轮101中心位置时，牵引机构位于中心偏左/偏右时，圆柱形滚轮101分别向右/左转向，前后两个轮式机器人产生差速作用，实现机器人的转向。
实施例2：
在实施例1的基础上，对牵引机构、自平衡机构的组成及结构做具体限定：
参见附图3，牵引机构采用旋翼装置；旋翼装置包括：无刷电机302、安装于无刷电机302上的桨叶301、以及用于固定无刷电机302的无刷电机固定架303。无刷电机302与桨叶301作为动力单元提供移动机器人前进、后退、转弯及吸附墙面的动力；无刷电机固定架303为安装固定该动力单元提供支撑平台。
自平衡机构为二自由度机构，采用丝杠实现牵引机构的水平移动(沿圆柱形滚轮101轴向的运动)，采用同步带412实现牵引机构的旋转运动(沿圆柱形滚轮101周向的旋转运动)。
具体的，自平衡机构包括：纵平衡滑块401、纵向丝杠402、纵平衡电机405、纵向导轨滑块407、纵平衡减速机408、同步带轮411、同步带412以及同步带电机413；其中纵平衡滑块401与纵向丝杠402构成丝杠螺母副结构；纵向丝杠402的两端分别通过纵向丝杠固定块403、纵向丝杠电机固定座404安装于纵向固定板406；纵平衡电机405安装于纵向丝杠电机固定座404，纵平衡电机405通过纵向联轴器409连接纵平衡减速机408带动纵向丝杠402转动；纵平衡滑块401上端与牵引机构连接；纵向固定板406的两端通过轴端轴承410安装在框架102之间。
进一步的，纵向固定板406上还设有纵向导轨滑块407，纵平衡滑块401下端通过导向槽套接在纵向导轨滑块407上，起导向作用。
同步带412的两端分别套接在两个轴端同步带轮411上，其中一个轴端同步带轮411设置在纵向固定板406的一端，另一个轴端同步带轮411由同步带电机413实现驱动；两个轴端同步带轮411处都设有同步带固定盖414。
实施例3：
在实施例1或2的基础上，进一步的，为提升双轮机器人的爬壁能力，前后两个轮式机器人之间通过自由度关节进行连接。自由度关节令两个轮式机器人之间具有俯仰、摆动自由度。
从地面到墙面移动过程中，由后侧轮式机器人产生向攀爬墙壁方向的推力，前侧轮式机器人产生向上升力；前侧轮式机器人抬起，在后侧轮式机器人的推力作用下，移动机器人移动靠近墙面；当后侧轮式机器人与墙壁接触时，前后两个轮式机器人调整升力方向，令升力方向沿接触墙面斜向上，牵引力一部分使移动机器人吸附于墙面，一部分力朝向移动机器人移动方向，使机器人朝前进方向移动。
实施例4：
参见附图4、5，在实施例3的基础上，对自由度关节的组成及结构做具体限定：
自由度关节包括：相互连接的框架左侧支架201、框架左侧圆弧支架202；框架左侧支架201与支撑的框架102固定连接，在框架左侧圆弧支架202中部设有铰接点。当采用如实施例2所述的自平衡机构时，自平衡机构中的同步带电机413通过同步带电机固定座设置在框架左侧圆弧支架202上。
后侧轮式机器人通过其框架左侧圆弧支架202上的铰接点、横轴连接铰接式关节203，铰接式关节203能够沿该处横轴上下摆动，由此实现后轮的俯仰。
前侧轮式机器人通过其框架左侧圆弧支架202上的铰接点、横轴连接前铰接式关节204，前铰接式关节204能够沿该处横轴上下摆动，由此实现前轮的俯仰。
铰接式关节203与前铰接式关节204通过纵轴连接，铰接式关节203与前铰接式关节204能够沿该处纵轴左右摆动，由此能够实现前后轮体的转向。
进一步的，在铰接式关节203与后侧轮式机器人的铰接处，以及前铰接式关节204与前侧轮式机器人的铰接处均设有限位块205。当前后侧轮式机器人位于同一平面时，限位块的设置可以保证前后轮体处于同一水平高度。
该机器人的工作原理为：
机器人与地面接触过程中，动力来源为无刷电机302带动桨叶301旋转产生的向上提升的作用力，旋翼装置通过桨叶301动力输出产生沿无刷电机302轴向的升力，通过自平衡机构分配该升力的朝向，使该升力为机器人前进、后退提供牵引力，在该牵引力的作用下，实现机器人整体移动。
自平衡机构在同步带传动机构的作用下带动纵向固定板406转动，当转动方向与圆柱形滚轮101前进方向一致时，圆柱形滚轮101前进；当转动方向与圆柱形滚轮101前进方向相反时，圆柱形滚轮101后退。
自平衡中丝杠螺母副带动牵引机构移动，当前后轮体中的牵引机构均在圆柱形滚轮101轴线位置时，机器人按照前进和后退方向进行移动；当前后轮体中的牵引机构均在圆柱形滚轮101轴线左侧或右侧位置时，机器人按照右转向或左转向进行转向。
机器人从地面到墙面移动过程中，由后侧轮式机器人产生向攀爬墙壁方向的推力，前侧轮式机器人产生向上升力，即前侧轮式机器人增大桨叶301旋转速度，提高升力大小，在前侧轮式机器人旋翼装置的作用下，前侧轮式机器人抬起；在后侧轮式机器人推力作用下，机器人移动靠近墙面。当后侧轮式机器人与墙壁接触时，前后两个轮式机器人调整升力方向，令升力方向沿接触墙面斜向上，牵引力一部分使移动机器人吸附于墙面，一部分力朝向移动机器人移动方向，使机器人朝前进方向移动。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种双旋翼轮式地壁移动机器人，包括：前后两个相连接的轮式机器人，所述轮式机器人均包括：圆柱形滚轮(101)以及对所述圆柱形滚轮(101)进行支撑的框架(102)；其特征在于，所述圆柱形滚轮(101)内设有用于提供升力的牵引机构，以及用于分配该升力朝向的自平衡机构；
所述牵引机构安装于所述自平衡机构，在所述自平衡机构的作用下实现沿所述圆柱形滚轮(101)中轴线水平移动或旋转；
所述牵引机构所提供升力方向即为所述圆柱形滚轮(101)运动的方向；当所述牵引机构位于所述圆柱形滚轮(101)中心位置时，所述圆柱形滚轮(101)沿直线运动；当所述牵引机构偏离所述圆柱形滚轮(101)中心位置时，前后两个轮式机器人产生差速作用，实现转向。
2.如权利要求1所述的双旋翼轮式地壁移动机器人，其特征在于，所述牵引机构采用旋翼装置；所述旋翼装置包括：无刷电机(302)、安装于所述无刷电机(302)上的桨叶(301)、以及用于固定所述无刷电机(302)的无刷电机固定架(303)。
3.如权利要求1或2所述的双旋翼轮式地壁移动机器人，其特征在于，所述自平衡机构采用丝杠实现所述牵引机构的水平移动；
纵平衡滑块(401)与纵向丝杠(402)构成丝杠螺母副结构；所述纵向丝杠(402)设置在纵向固定板(406)上，并由纵平衡电机(405)驱动；所述牵引机构安装于所述纵平衡滑块(401)的上端。
4.如权利要求3所述的双旋翼轮式地壁移动机器人，其特征在于，所述纵向固定板(406)上还设有纵向导轨滑块(407)，所述纵平衡滑块(401)下端通过导向槽套接在所述纵向导轨滑块(407)上。
5.如权利要求3所述的双旋翼轮式地壁移动机器人，其特征在于，所述自平衡机构采用同步带(412)实现所述牵引机构的旋转运动；
所述纵向固定板(406)的一端设有一个轴端同步带轮(411)，同步带电机(413)驱动另一个轴端同步带轮(411)，两个所述轴端同步带轮(411)之间套接有所述同步带(412)。
6.如权利要求1或2所述的双旋翼轮式地壁移动机器人，其特征在于，所述支撑的框架(102)为十字形结构。
7.如权利要求1所述的一种双旋翼轮式地壁移动机器人，其特征在于，前后两个所述轮式机器人之间通过自由度关节进行连接；
所述自由度关节令两个所述轮式机器人之间具有俯仰、摆动自由度。
8.如权利要求7所述的双旋翼轮式地壁移动机器人，其特征在于，所述自由度关节包括：相互连接的框架左侧支架(201)、框架左侧圆弧支架(202)；所述框架左侧支架(201)与所述支撑的框架(102)固定连接，在所述框架左侧圆弧支架(202)中部设有铰接点；
后侧所述轮式机器人通过其所述框架左侧圆弧支架(202)上的铰接点、横轴连接铰接式关节(203)，所述铰接式关节(203)能够沿该处横轴上下摆动；
前侧所述轮式机器人通过其所述框架左侧圆弧支架(202)上的铰接点、横轴连接前铰接式关节(204)，所述前铰接式关节(204)能够沿该处横轴上下摆动；
所述铰接式关节(203)与所述前铰接式关节(204)通过纵轴连接，所述铰接式关节(203)与所述前铰接式关节(204)能够沿该处纵轴左右摆动。
9.如权利要求8所述的双旋翼轮式地壁移动机器人，其特征在于，在所述铰接式关节(203)与后侧所述轮式机器人的铰接处，以及所述前铰接式关节(204)与所述前侧所述轮式机器人的铰接处均设有限位块(205)。
10.如权利要求7-9任一项所述的双旋翼轮式地壁移动机器人，其特征在于，从地面到墙面移动过程中，由后侧所述轮式机器人产生向攀爬墙壁方向的推力，前侧所述轮式机器人产生向上升力；前侧所述轮式机器人抬起，在后侧所述轮式机器人的推力作用下，所述移动机器人移动靠近墙面；当所述后侧所述轮式机器人与墙壁接触时，前后两个所述轮式机器人调整升力方向，令升力方向沿接触墙面斜向上，牵引力一部分使所述移动机器人吸附于墙面，一部分力朝向所述移动机器人移动方向，使机器人朝前进方向移动。
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