CN112660261A - 一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人及其运动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人及其运动方法，该机器人包括：机器人内软骨骼和控制中心，机器人内软骨骼为可弯折的波纹管，波纹管上设置有吸附弯曲机构和旋转机构；吸附弯曲机构包括N个通过波纹管串联的吸附弯曲模块，吸附弯曲模块包括均穿过波纹管的顶板、夹板和底板，每两层之间通过弹簧连接，夹板在顶板和底板的之间，顶板和底板完全相同，夹板的最大半径小于底板的最大半径，夹板上设置有用于实现机器人的吸附墙面的吸附单元，顶板或者底板上设置有移动单元和锁紧单元，底板与顶板之间设置有弯曲单元。本发明具有移动速度快，自由度多，工作模式多样，且安全稳定的特点。

Description

一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人及其运动方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人及其运动方法。

背景技术

随着现代化的进程不断发展，越来越多的高楼大厦拔地而起，许多高空危险作业也同时产生，如大厦的外层玻璃清洁、质量问题定期检查、消防与抢险工作等等，人工完成会存在很大的安全问题，为了降低人员与经济的损失，爬墙机器人应运而生，越来越多的工作从原本的人工作业转变成机器人作业。很多高楼大厦的高空危险作业都渐渐由机器人或机械装置代替进行，降低了人员在高空作业时存在的危险。

现有的爬墙机器人其攀爬方式主要有以下几种：真空吸附，利用吸盘在光滑平整的墙面吸附，对墙面的平整及光滑程度有较高的要求，速度普遍较慢；电磁吸附，利用电磁铁吸附在金属铁的墙面上，对单一材料墙面有效；增大摩擦力，通过旋翼反向旋转产生反向的压力从而增大机器人与墙面的摩擦力，噪声大且安全性不高，制作成本高；利用导轨，机器人利用安装在墙上的导轨来进行运动工作，这种对墙面的美观有较大的影响，模式单一，而且安装过程的成本和风险都很高。为此，设计一款在安全及稳定的基础上，可实现高速，灵活，多模式运动的爬墙机器人，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

基于此，有必要针对运动模式单一，不够灵活的问题，提供一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人及其运动方法。

一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，包括：机器人内软骨骼和控制中心，机器人内软骨骼为可弯折的波纹管，波纹管上设置有吸附弯曲机构和旋转机构；吸附弯曲机构包括N个通过波纹管串联的吸附弯曲模块，N≥2，吸附弯曲模块包括均穿过波纹管的顶板、夹板和底板，每两层之间通过弹簧连接，夹板在顶板和底板的之间，顶板和底板完全相同，夹板的最大半径小于底板的最大半径，夹板上设置有用于实现机器人的吸附墙面的吸附单元，顶板或者底板上设置有移动单元和锁紧单元，底板与顶板之间设置有弯曲单元，吸附单元、移动单元、锁紧单元、弯曲单元、旋转机构均和控制中心连接。

优选地，吸附单元包括第一吸盘、吸盘套、双程SMA和固定件，第一吸盘固定在吸盘套上，固定件固定在夹板的边缘，双程SMA的一端固定在固定件上，另一端固定在吸盘套上，使得夹板的四周圆周阵列排布有第一吸盘,第一吸盘和电磁阀、用于给第一吸盘吸气和放气气泵均连接，电磁阀受电磁铁控制。

优选地，移动单元包括能在波纹管上的上下运动的直流电机，锁紧单元包括电磁铁，直流电机和电磁铁均以波纹管为对称轴对称分布在底板或者顶板上，直流电机设置有与波纹管的外纹路啮合的齿轮；电磁铁中间设置有铁芯，当电磁铁断电时，铁芯处于收缩状态，未接触到波纹管，当电磁铁通电时，铁芯向波纹管伸长，铁芯的尖端卡在波纹管的纹路中，以达到限位的作用。

优选地，直流电机由直流电机套固定在底板的卡槽中，从而固定在底板上。

优选地，弯曲单元为单程SMA，单程SMA设置在底板与顶板之间；常规状态，单程SMA都处于被拉长的状态，当单程SMA通电时，单程SMA收缩，底板与顶板相互靠近，实现波纹管的弯曲。

优选地，N＝2，夹板为正方形，夹板的四周分别设置的一个吸附单元。

优选地，旋转机构包括第二吸盘、连接件、步进电机套、步进电机、橡胶轮和限位圈；连接件为L型，连接件的横端、限位圈均与波纹管同心安装，连接件与波纹管产生相对旋转，第二吸盘固定在连接件的竖端的外表面，步进电机通过步进电机套固定在连接件上，橡胶轮安装在步进电机上，橡胶轮的表面与限位圈的外表面过盈配合。

优选地，吸附弯曲模块的顶板内嵌加速度传感器，夹板上嵌有速度传感器；第一吸盘内嵌压力传感器，加速度传感器、速度传感器、压力传感器均和控制中心连接。

优选地，吸附弯曲模块的上面和下面、波纹管的顶部安装限位开关。

一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人的运动方法，包括：吸附运动、上下运动、弯曲运动和旋转运动；吸附运动包括：吸附单元的双程SMA在通电时伸长，将第一吸盘往墙面推进，而双程SMA在断电时则自动收缩，使第一吸盘远离墙面；上下运动包括：移动单元的直流电机在正转时，波纹管静止，则吸附弯曲模块相对波纹管向上运动，当直流电机反转时，吸附弯曲模块静止，波纹管相对吸附弯曲模块向上运动；当上下运动停止且锁紧单元的电磁铁在通电时，电磁铁的铁芯朝靠近波纹管的方向伸长，实现限位功能；锁紧单元的电磁铁在断电时，铁芯则不接触波纹管；弯曲运动包括：当单程SMA通电时，单程SMA收缩，使得顶板和底板的距离变小，波纹管弯曲，而当单程SMA断电时，则顶板和底板被拉回常规状态，吸附弯曲模块恢复正常；旋转运动包括步进电机逆时针步进时，波纹管顶端的旋转机构逆时针旋转，此时波纹管顶端重心向左偏移，波纹管相应向左倾斜，步进电机顺时针步进时，旋转机构顺时针旋转，波纹管产生相应的倾斜，同时配合吸附弯曲模块相同方向的弯曲，实现机器人转向。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人通过对直流电机的控制可实现机器人的快速运动；通过多个吸附弯曲模块及波纹管的吸盘的协同吸附，可使机器人在工作过程中不易跌落，安全性能高；通过直流电机的齿轮与波纹管的啮合，可实现高效的传动，能量利用率高；通过对弯曲单元的单程SMA和波纹管顶部的旋转机构的配合工作，可实现机器人转向和弯曲等功能；多个模块的协同配合，可使机器人的工作模式变得多样灵活。总的来说，本发明具有移动速度快，自由度多，工作模式多样，且安全稳定的特点。

附图说明

图1为本发明的内软骨骼协同爬墙机器人的结构图。

图2为本发明的吸附弯曲模块的结构图。

图3为本发明的夹板和和吸附单元的结构图。

图4为本发明的底板、移动单元和锁紧单元的结构图。

图5为本发明的旋转机构的结构图。

图6为本发明的机器人进行竖直运动的周期过程图。

图7为本发明的机器人进行转向运动的周期过程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-5、一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，包括：机器人内软骨骼和控制中心，机器人内软骨骼为可弯折的波纹管1，波纹管1上设置有吸附弯曲机构和旋转机构3；吸附弯曲机构包括N个通过波纹管1串联的吸附弯曲模块2，N≥2，吸附弯曲模块2包括均穿过波纹管1的顶板201、夹板205和底板211，每两层之间通过弹簧连接，夹板205在顶板201和底板211的之间，顶板201和底板211完全相同，夹板205的最大半径小于底板211的最大半径，夹板205上设置有用于实现机器人的吸附墙面4的吸附单元，顶板201或者底板211上设置有移动单元和锁紧单元，底板211与顶板201之间设置有弯曲单元，吸附单元、移动单元、锁紧单元、弯曲单元、旋转机构3均和控制中心连接。

在本实施例，N＝2，夹板205为正方形，夹板205的四周分别设置的一个吸附单元。波纹管1为一种软塑料管，其外表有类似导轨一样的波纹，可设计合适的齿轮与之拟合。每个吸附弯曲模块2分为顶板201、夹板205和底板211三层，每两层之间通过弹簧进行连接，同时弹簧也作为一种软支撑，三层板的中心都开有一个同心且同大小的孔，其直径比波纹管1的齿顶外径稍大。顶板201上可视情况安装限位开关等其他硬件。

在本实施例，吸附单元包括第一吸盘208、吸盘套207、双程SMA203和固定件204，第一吸盘208固定在吸盘套207上，固定件204固定在夹板205的边缘，双程SMA203的一端固定在固定件204上，另一端固定在吸盘套207上，使得夹板205的四周圆周阵列排布有第一吸盘208,第一吸盘208和电磁阀(图中未示出)、用于给第一吸盘208吸气和放气气泵(图中未示出)均连接，电磁阀受电磁铁控制。双程SMA203通过固定件204与夹板205进行固定，安装位置比较特殊，是采用上下孔同心安装的，共用一个固定孔。当吸附弯曲模块2在相对墙4运动时，双程SMA203不通电处于收缩状态，此时，第一吸盘208的边端相对底板211的两边更靠近波纹管1，因此会离开墙面4；而当吸附弯曲模块2需要相对墙面4静止时，双程SMA203通电发热处于伸长状态，此时第一吸盘208的边端更靠近墙面4，第一吸盘208贴近墙面4，可控制其吸气，使此吸附弯曲模块2吸附于墙面4。第一吸盘208通过导管外部连接着电磁阀和气泵，电磁阀受电磁铁控制，气泵用于给第一吸盘208吸气和放气。

在本实施例，移动单元包括能在波纹管1上的上下运动的两个直流电机210，锁紧单元包括两个电磁铁209，直流电机210和电磁铁209均以波纹管1为对称轴对称分布在底板211上，直流电机210由直流电机套212固定在底板211的卡槽中，从而固定在底板211上，直流电机210设置有与波纹管1的外纹路啮合的齿轮；故通过控制两个直流电机210的转向和速度可实现模块在波纹管1上的运动或者对波纹管1进行传动。电磁铁209中间设置有铁芯213，当电磁铁209断电时，铁芯213处于收缩状态，未接触到波纹管1，当电磁铁209通电时，铁芯213向波纹管1伸长，铁芯213的尖端卡在波纹管1的纹路中，以达到限位的作用。

在本实施例，弯曲单元为4条单程SMA206，单程SMA206设置在底板211与顶板201之间；常规状态，单程SMA206都处于被拉长的状态，当单程SMA206通电时，单程SMA206收缩，底板211与顶板201相互靠近，实现波纹管1的弯曲。当断电时，弹簧202的弹力可使两板恢复原来的位置关系，单程SMA206也重新被拉长。根据工作需要可控制一条或者两条单层SMA，使模块产生所需的弯曲，同时，由于三层板与波纹管1的配合关系，可使波纹管1产生弯曲，配合波纹管1顶端的吸附和旋转机构3，从而达到转向的功能。

在本实施例，旋转机构3包括第二吸盘301、连接件302、步进电机套303、步进电机304、橡胶轮305和限位圈306；连接件302为L型，连接件302的横端、限位圈306均与波纹管1同心安装，连接件302与波纹管1产生相对旋转，第二吸盘301固定在连接件302的竖端的外表面，步进电机304通过步进电机304套303固定在连接件302上，橡胶轮305安装在步进电机304上，橡胶轮305的表面与限位圈306的外表面过盈配合。限位圈306不能与波纹管1产生相对转动，其功能一方面是对连接件302进行限位，另外是给橡胶轮305提供一个旋转面，当控制步进电机304的步进步数时，即可控制旋转机构3相对波纹管1的转动角度。第二吸盘301的安装位置使它的边端与模块的顶板201和底板211的边端靠近墙面的间隙接近。

需要说明的是，本发明还包括控制部分和传感部分；控制部分包括对直流电机220正反转、速度的控制，对步进电机304步数速度的控制，对吸盘(包括第一吸盘208和第二吸盘301)吸气放气的控制，以及对电磁铁、SMA和机器人搭载各种传感器的控制。传感部分包括限位开关、加速度传感器、速度传感器、压力传感器等，用于反馈机器人的运动状态，便于调节控制。具体为，模块的顶板内嵌加速度传感器，夹板上嵌有速度传感器，用于反馈模块的弯曲情况和速度大小情况；吸盘内嵌压力传感器，用于反馈模块与墙面4的吸附状态。在机器人每个模块的上面和下面以及波纹管的顶部可安装限位开关，用于模块间的防碰撞急停；

以下将结合附图6和附图7分别对机器人做竖直运动和转向运动进行描述，图中均以两模块为例进行说明。为了方便理解，下面将用表格配合文字进行描述：

表一：机器人进行竖直运动时一个周期各硬件状态图

表二：机器人进行转向运动时一个周期各硬件状态图

因此，基于上述内软骨骼协同爬墙机器人，本发明还提供一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人的运动方法，包括：吸附运动、上下运动、弯曲运动和旋转运动；其中，

吸附运动包括：吸附单元的双程SMA203在通电时伸长，将第一吸盘208往墙面推进，而双程SMA203在断电时则自动收缩，使第一吸盘208远离墙面；

上下运动包括：移动单元的直流电机210在正转时，波纹管1静止，则吸附弯曲模块2相对波纹管1向上运动，当直流电机210反转时，吸附弯曲模块2静止，波纹管1相对吸附弯曲模块2向上运动；当上下运动停止且锁紧单元的电磁铁209在通电时，电磁铁209的铁芯213朝靠近波纹管1的方向伸长，实现限位功能；锁紧单元的电磁铁209在断电时，铁芯213则不接触波纹管1；

弯曲运动包括：当单程SMA206通电时，单程SMA206收缩，使得顶板201和底板211的距离变小，波纹管1弯曲，而当单程SMA206断电时，则顶板201和底板211被弹簧202拉回常规状态，吸附弯曲模块2恢复正常；

旋转运动包括步进电机304逆时针步进时，波纹管1顶端的旋转机构3逆时针旋转，此时波纹管1顶端重心向左偏移，波纹管1相应向左倾斜，步进电机304顺时针步进时，旋转机构3顺时针旋转，波纹管1产生相应的倾斜，同时配合吸附弯曲模块2相同方向的弯曲，实现机器人转向。

本发明的爬墙机器人是利用各个串联的独立吸附弯曲模块2以及内软骨骼的协同工作来实现在光滑平整的墙面进行平移，转向，翻墙等动作，其可代替人们进行高空危险作业，特别是拥有玻璃外墙的高楼大厦，其拥有移动速度快，自由度多，工作模式多样，且安全稳定的特点。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，其特征在于，包括：机器人内软骨骼和控制中心，机器人内软骨骼为可弯折的波纹管，波纹管上设置有吸附弯曲机构和旋转机构；吸附弯曲机构包括N个通过波纹管串联的吸附弯曲模块，N≥2，吸附弯曲模块包括均穿过波纹管的顶板、夹板和底板，每两层之间通过弹簧连接，夹板在顶板和底板的之间，顶板和底板完全相同，夹板的最大半径小于底板的最大半径，夹板上设置有用于实现机器人的吸附墙面的吸附单元，顶板或者底板上设置有移动单元和锁紧单元，底板与顶板之间设置有弯曲单元，吸附单元、移动单元、锁紧单元、弯曲单元、旋转机构均和控制中心连接。

2.根据权利要求1所述的模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，其特征在于，吸附单元包括第一吸盘、吸盘套、双程SMA和固定件，第一吸盘固定在吸盘套上，固定件固定在夹板的边缘，双程SMA的一端固定在固定件上，另一端固定在吸盘套上，使得夹板的四周圆周阵列排布有第一吸盘,第一吸盘和电磁阀、用于给第一吸盘吸气和放气气泵均连接。

3.根据权利要求2所述的模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，其特征在于，移动单元包括能在波纹管上的上下运动的直流电机，锁紧单元包括电磁铁，直流电机和电磁铁均以波纹管为对称轴对称分布在底板或者顶板上，直流电机设置有与波纹管的外纹路啮合的齿轮；电磁铁中间设置有铁芯，当电磁铁断电时，铁芯处于收缩状态，未接触到波纹管，当电磁铁通电时，铁芯向波纹管伸长，铁芯的尖端卡在波纹管的纹路中，以达到限位的作用。

4.根据权利要求3所述的模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，其特征在于，直流电机由直流电机套固定在底板的卡槽中，从而固定在底板上。

5.根据权利要求4所述的模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，其特征在于，弯曲单元为单程SMA，单程SMA设置在底板与顶板之间；常规状态，单程SMA都处于被拉长的状态，当单程SMA通电时，单程SMA收缩，底板与顶板相互靠近，实现波纹管的弯曲。

6.根据权利要求5所述的模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，其特征在于，N＝2，夹板为正方形，夹板的四周分别设置的一个吸附单元。

7.根据权利要求2所述的模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，其特征在于，旋转机构包括第二吸盘、连接件、步进电机套、步进电机、橡胶轮和限位圈；连接件为L型，连接件的横端、限位圈均与波纹管同心安装，连接件与波纹管产生相对旋转，第二吸盘固定在连接件的竖端的外表面，步进电机通过步进电机套固定在连接件上，橡胶轮安装在步进电机上，橡胶轮的表面与限位圈的外表面过盈配合。

8.根据权利要求2所述的模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，其特征在于，吸附弯曲模块的顶板内嵌加速度传感器，夹板上嵌有速度传感器；第一吸盘内嵌压力传感器，加速度传感器、速度传感器、压力传感器均和控制中心连接。

9.根据权利要求1所述的模块化协作的内软骨骼爬墙机器人，其特征在于，吸附弯曲模块的上面和下面、波纹管的顶部安装限位开关。

10.一种模块化协作的内软骨骼爬墙机器人的运动方法，其特征在于，包括：吸附运动、上下运动、弯曲运动和旋转运动；

吸附运动包括：吸附单元的双程SMA在通电时伸长，将第一吸盘往墙面推进，而双程SMA在断电时则自动收缩，使第一吸盘远离墙面；

上下运动包括：移动单元的直流电机在正转时，波纹管静止，则吸附弯曲模块相对波纹管向上运动，当直流电机反转时，吸附弯曲模块静止，波纹管相对吸附弯曲模块向上运动；当上下运动停止且锁紧单元的电磁铁在通电时，电磁铁的铁芯朝靠近波纹管的方向伸长，实现限位功能；锁紧单元的电磁铁在断电时，铁芯则不接触波纹管；

弯曲运动包括：当单程SMA通电时，单程SMA收缩，使得顶板和底板的距离变小，波纹管弯曲，而当单程SMA断电时，则顶板和底板被拉回常规状态，吸附弯曲模块恢复正常；

旋转运动包括步进电机逆时针步进时，波纹管顶端的旋转机构逆时针旋转，此时波纹管顶端重心向左偏移，波纹管相应向左倾斜，步进电机顺时针步进时，旋转机构顺时针旋转，波纹管产生相应的倾斜，同时配合吸附弯曲模块相同方向的弯曲，实现机器人转向。

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