CN113071576A - 反推力吸附的高速移动机器人 - Google Patents

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CN113071576A CN202110440114.8A CN202110440114A CN113071576A CN 113071576 A CN113071576 A CN 113071576A CN 202110440114 A CN202110440114 A CN 202110440114A CN 113071576 A CN113071576 A CN 113071576A
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高学山
梁鹏
张清芳
黎铭康
高锐
苗明达
张鹏飞
邓瑞
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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种反推力吸附的高速移动机器人。该移动机器人采用反推力吸附，且具有轮式移动机器人高速及高机动灵活性，且能够实现在地面/壁面前进、后退、转弯及跨越障碍物。具体包括：移动机器人轮、支撑架、前轮悬架转向机构和旋翼；移动机器人轮包括两个前轮和两个后轮；前轮悬架转向机构包括悬架和转向机构，两个前轮分别通过悬架安装在支撑架前端的左右两侧；同时转向机构分别与两个前轮相连，用于实现两个前轮同步转向；旋翼包括结构相同的前旋翼和后旋翼；旋翼俯仰/偏航机构包括旋翼俯仰机构和旋翼偏航机构，其中旋翼俯仰机构用于调整旋翼的俯仰角度，旋翼偏航机构用于调整旋翼的偏航角度。

Description

反推力吸附的高速移动机器人
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种高速移动机器人，属于先进制造与自动化领域。
背景技术
针对室外建筑物壁面环境下，大多数爬壁机器人很难适用于军事侦查、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
为了解决壁面机器人速度慢，机动性差，无越障等问题，本发明提供一种反推力吸附的高速移动机器人，采用反推力吸附，且具有轮式移动机器人高速及高机动灵活性，且能够实现在地面/壁面前进、后退、转弯及跨越障碍物。
本发明的技术方案是：一种反推力吸附的高速移动机器人，包括：移动机器人轮、支撑架、前轮悬架转向机构和旋翼；
所述移动机器人轮包括两个前轮和两个后轮；
所述前轮悬架转向机构包括悬架和转向机构，两个前轮分别通过悬架安装在支撑架前端的左右两侧；同时转向机构分别与两个前轮相连，用于实现两个前轮同步转向；
两个后轮分别通过后轮支架安装在支撑架后端的左右两侧；
所述旋翼包括结构相同的前旋翼和后旋翼；均包括：电机、桨叶和旋翼俯仰/偏航机构；所述电机用于驱动桨叶旋转，以产生朝接触面的作用力；所述旋翼俯仰/偏航机构包括旋翼俯仰机构和旋翼偏航机构，其中所述旋翼俯仰机构用于调整所述旋翼的俯仰角度，所述旋翼偏航机构用于调整所述旋翼的偏航角度。
作为本发明的一种优选方式，所述悬架包括：前转向悬架固定块、油压弹簧、悬架支撑杆和悬架油簧固定支架；
所述前转向悬架固定块通过转轴与移动机器人的前轮相连，前轮能够相对前转向悬架固定块绕该转轴的轴向转动；在前转向悬架固定块上安装有四个悬架支撑杆，上下各两个；所述悬架支撑杆的一端与前转向悬架固定块铰接，另一端铰接在支撑架上，其中位于上方的两个悬架支撑杆与支撑架的上表面铰接，位于下方的两个悬架支撑杆与支撑架的下表面铰接；同时前转向悬架固定块上端通过斜向上延伸的油压弹簧连接在悬架油簧固定支架的上端，所述悬架油簧固定支架的下端固定在支撑架上表面。
作为本发明的一种优选方式，所述转向机构包括：转向连杆D、转向连杆B、转向连杆C、转向连杆A、转向舵机和转向摇杆；
两个前轮通过前转向悬架固定块各连接一个转向连杆D，两个转向连杆D的另一端分别铰接在转向连杆C的两端；转向连杆C的两端各铰接一个转向连杆B，两个转向连杆B铰接在支撑架上；所述转向连杆A的一端与转向连杆C的中部铰接，另一端与转动摇杆相连，所述转向舵机与转动摇杆相连，用于带动转向摇杆摆动。
作为本发明的一种优选方式，所述旋翼俯仰机构包括：旋翼俯仰转向支架和俯仰驱动机构；
所述旋翼俯仰转向支架为环形框架，俯仰驱动机构运动带动所述旋翼俯仰转向支架翻转，以调整所述旋翼的俯仰角度；
在旋翼俯仰转向支架同一径向两端各设置一个旋翼俯仰旋转端轴，旋翼俯仰旋转端轴通过旋翼俯仰旋转端轴座支撑在旋翼俯仰转向支架上，同时旋翼俯仰旋转端轴通过轴承与支撑架相连；在其中一侧旋翼俯仰旋转端轴上连接俯仰驱动机构；
所述俯仰驱动机构包括：旋翼俯仰转向舵机、旋翼俯仰转向摇杆A、旋翼俯仰转向连杆和旋翼俯仰转向摇杆B；所述旋翼俯仰转向摇杆B一端与所述旋翼俯仰旋转端轴铰接，所述旋翼俯仰转向摇杆B另一端通过旋翼俯仰转向连杆与所述旋翼俯仰转向摇杆A铰接，即所述旋翼俯仰转向摇杆B和旋翼俯仰转向摇杆A分别铰接在旋翼俯仰转向连杆的两端，由此旋翼俯仰转向摇杆B与旋翼俯仰转向连杆、旋翼俯仰转向摇杆A构成可传动四连杆机构，所述旋翼俯仰转向舵机通过驱动旋翼俯仰转向摇杆A驱动该四连杆结构。
作为本发明的一种优选方式，所述旋翼偏航机构包括：旋翼偏航固定轴和旋翼偏航框架和旋翼偏航舵机；
所述旋翼偏航框架通过两端的旋翼偏航固定轴安装在旋翼俯仰转向支架的直径方向上，且旋翼偏航框架所在径向与两两套俯仰驱动机构所在径向垂直；其中一端的旋翼偏航固定轴通过轴承支撑在固定在旋翼俯仰转向支架上的旋翼俯仰转向端轴承座内，令该端为转动端；另一端的旋翼偏航固定轴通过夹座直接连接固定在旋翼俯仰转向支架上，令该端为固定端；
所述旋翼偏航舵机包括本体和动力输出端，其本体固定在旋翼偏航框架上，动力输出端通过旋翼偏航输出端连接块与固定端的旋翼偏航固定轴连接，由此实现旋翼偏航舵机输出端固定，本体旋转运动，即旋翼偏航舵机的本体随旋翼偏航框架一起旋转，以调整所述旋翼的偏航角度。
作为本发明的一种优选方式，所述电机和桨叶安装在旋翼偏航框架的中部。
作为本发明的一种优选方式，所述旋翼偏航固定轴采用碳纤维管。
有益效果：
该壁面移动机器人运动模式采用轮式结构，吸附方式采用螺旋桨动力作为壁面吸附力，具有轮式结构高速及高机动性能，在地/壁面运动具有一定越障性能；且该机器人结构简单，零部件易于加工，制造成本低，易于操作与维护。
附图说明
图1为本发明的反推力吸附移动机器人整体结构示意图；
图2为本发明的反推力吸附移动机器人俯视图；
图3为本发明的反推力吸附移动机器人仰视图；
图4为本发明的反推力吸附移动机器人转向机构仰视图；
图5为本发明的反推力吸附移动机器人转向机构示意图；
图6为本发明的反推力吸附移动机器人悬架转向机构示意图；
图7为本发明的反推力吸附移动机器人旋翼俯仰机构示意图；
图8为本发明的反推力吸附移动机器人旋翼偏航机构示意图；
其中：1-移动机器人轮、2-前轮悬架转向机构、3-支撑架、4-旋翼俯仰/偏航机构；
102-后轮支架；
201-前转向悬架固定块、202-油压弹簧、203-转向连杆D、204-悬架支撑杆、205-悬架支撑杆端铰接件、206-转向连杆B、207-转向连杆C、208-转向连杆A、209-转向舵机、210-转向摇杆、211-悬架油簧固定支架；
401-旋翼俯仰转向舵机、402-旋翼俯仰转向摇杆A、403-旋翼俯仰转向连杆、404-旋翼俯仰转向摇杆B、405-旋翼俯仰转向支架、406-旋翼俯仰转向端轴承座、407-旋翼偏航固定轴、408-旋翼偏航框架、409-无刷直流电机、410-桨叶、411-旋翼俯仰旋转端轴、413-旋翼俯仰旋转端轴座、414-轴承、415-旋翼偏航输出端连接块、416-旋翼偏航舵机、417-无刷电机座、418-夹座；
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。
本实施例提供一种反推力吸附高速移动机器人，能够在地面和壁面下进行转向移动。
如图1-图3所示，该移动机器人包括：移动机器人轮1、支撑架3、前轮悬架转向机构2和旋翼；其中支撑架3为该机器人的支撑结构，以支撑架3的纵向为前后方向，横向为左右方向；移动机器人轮1包括两个前轮和两个后轮，前轮悬架转向机构2包括悬架和转向机构，两个前轮分别通过悬架安装在支撑架3前端的左右两侧；同时转向机构分别与两个前轮相连，用于实现两个前轮左右同步转向；两个后轮分别通过后轮支架102安装在支撑架3后端的左右两侧；旋翼包括结构相同的前旋翼和后旋翼，前旋翼和后旋翼布置在支撑架3的纵向对称线上。
如图4-图6所示，前轮悬架转向机构2中的悬架包括：前转向悬架固定块201、油压弹簧202、悬架支撑杆204、悬架支撑杆端铰接件205和悬架油簧固定支架211；前转向悬架固定块201通过转轴与移动机器人1的前轮相连，前轮能够相对前转向悬架固定块201绕该转轴的轴向转动；在前转向悬架固定块201上安装有四个悬架支撑杆204，上下各两个；每个悬架支撑杆204的两端均设置有悬架支撑杆端铰接件205，由此悬架支撑杆204的一端通过悬架支撑杆端铰接件205与前转向悬架固定块201铰接，另一端通过悬架支撑杆端铰接件205铰接在支撑架3上，其中位于上方的两个悬架支撑杆204与支撑架3的上表面铰接，位于下方的两个悬架支撑杆204与支撑架3的下表面铰接；同时前转向悬架固定块201上端通过斜向上延伸的油压弹簧202连接在悬架油簧固定支架211的上端，悬架油簧固定支架211的下端固定在支撑架3上表面；油压弹簧202用于对悬架轮(即两个前轮)在运动过程中起支撑和缓冲减震作用。
转向机构采用多连杆机构，包括：转向连杆D203、转向连杆B206、转向连杆C207、转向连杆A208、转向舵机209和转向摇杆210；两个前轮的前转向悬架固定块201各连接一个转向连杆D203，两个转向连杆D203的另一端分别铰接在转向连杆C207的两端，由此左右两个前轮分别依次通过前转向悬架固定块201、转向连杆D203一同铰接固定在转向连杆 C207上；转向连杆C207的两端各铰接一个转向连杆B206，两个转向连杆B206铰接在支撑架3上；转向连杆A208的一端与转向连杆C207的中部铰接，另一端与转动摇杆210相连，转动摇杆210用于带动转向连杆C207左右平移；转向舵机209与转动摇杆210相连，用于带动转向摇杆210摆动，从而推拉转向连杆C207，实现转向连杆C207的平移，进而通过转向连杆C207、转向连杆B206、转向连杆D203以及转向连杆A208组成的多连杆机构带动两个前轮同步转向。
如图7和图8所示，前旋翼和后旋翼结构相同，均包括：无刷直流电机409、桨叶410和旋翼俯仰/偏航机构4；其中旋翼俯仰/偏航机构4包括旋翼俯仰机构和旋翼偏航机构。
具体的：旋翼俯仰机构包括：旋翼俯仰转向支架405和俯仰驱动机构；旋翼俯仰转向支架405为环形框架，俯仰驱动机构用于带动旋翼俯仰转向支架405翻转，实现俯仰运动；在旋翼俯仰转向支架405同一径向两端各设置一个旋翼俯仰旋转端轴411，旋翼俯仰旋转端轴 411通过旋翼俯仰旋转端轴座413支撑在旋翼俯仰转向支架405上，能够带动旋翼俯仰转向支架405旋转，同时旋翼俯仰旋转端轴411通过轴承与支撑架3相连；在其中一侧旋翼俯仰旋转端轴411上连接俯仰驱动机构。
俯仰驱动机构包括：旋翼俯仰转向舵机401、旋翼俯仰转向摇杆A402、旋翼俯仰转向连杆403和旋翼俯仰转向摇杆B404；其中旋翼俯仰转向摇杆B404一端与旋翼俯仰旋转端轴 411铰接，旋翼俯仰转向摇杆B404另一端通过旋翼俯仰转向连杆403与旋翼俯仰转向摇杆 A402铰接，即旋翼俯仰转向摇杆B404和旋翼俯仰转向摇杆A402分别铰接在旋翼俯仰转向连杆403的两端，由此旋翼俯仰转向摇杆B404与旋翼俯仰转向连杆403、旋翼俯仰转向摇杆A402构成可传动四连杆机构，旋翼俯仰转向舵机401通过驱动旋翼俯仰转向摇杆A402 驱动该四连杆结构，旋翼俯仰旋转端轴411为该四连杆结构的输出端，用于带动旋翼俯仰转向支架405翻转。
优选的，前旋翼和后旋翼的俯仰驱动机构分别设置在支撑架3的左右两侧。
旋翼偏航机构包括：旋翼偏航固定轴407和旋翼偏航框架408、旋翼偏航舵机416；其中旋翼偏航固定轴407采用碳纤维管；旋翼偏航框架408通过两端的旋翼偏航固定轴407安装在旋翼俯仰转向支架405的直径方向上，且旋翼偏航框架408所在径向与两两套俯仰驱动机构所在径向垂直。其中一端的旋翼偏航固定轴407通过轴承414支撑在固定在旋翼俯仰转向支架405上的旋翼俯仰转向端轴承座406内；另一端的旋翼偏航固定轴407通过夹座418直接连接固定在旋翼俯仰转向支架405上。在其中一侧的旋翼偏航固定轴407上连接轴承414 能够实现该侧旋翼偏航固定轴407在旋翼俯仰转向端轴承座406内绕轴线转动(令为转动端)，另外一侧旋翼偏航固定轴407通过碳纤维管夹座418连接，使该侧旋翼偏航固定轴407 固定安装(令为固定端)，由此使旋翼偏航框架408在两端旋翼偏航固定轴407的支撑下，在旋翼俯仰转向支架405内进行偏航转动(偏航转动指绕转动端的旋翼偏航固定轴407轴线的转动)。该偏航转动由固定在旋翼偏航框架408上的旋翼偏航舵机416驱动，具体为：旋翼偏航舵机416包括本体和动力输出端，其本体固定在旋翼偏航框架408上，动力输出端通过旋翼偏航输出端连接块415与固定端的旋翼偏航固定轴407连接，由此实现旋翼偏航舵机 416输出端固定，本体旋转运动，即旋翼偏航舵机416的本体随旋翼偏航框架408一起旋转。
无刷直流电机409安装在旋翼偏航框架408的中部，其中无刷电机座417固定在旋翼偏航框架408上，无刷直流电机409的动力输出端与驱动桨叶410相连，用于驱动桨叶410旋转。
该移动机器人的工作原理为：
机器人在地面行驶过程中，动力来源主要为无刷直流电机409带动桨叶410旋转产生朝地面的作用力，通过旋翼俯仰机构调整前后旋翼的俯仰角度，机器人获得不同大小和不同方向的牵引力，在牵引力的作用下机器人前进和后退。前轮在前轮悬架转向机构2的作用下实现机器人在地面或壁面上转向的功能；转向过程中，前轮悬架转向机构2通过转向舵机209 带动转向摇杆210和多连杆机构实现两个连杆输出端同步运动，进而带动两个前轮同步运动，实现机器人整体左右转向。
机器人从地面移动到墙面过程中，后旋翼产生朝机器人攀爬墙壁方向的推力，前旋翼在旋翼俯仰机构的作用下产生向上提升的力，增大前旋翼转速，在前旋翼的作用下，前轮抬起，在后旋翼推力作用下，机器人移动靠近墙面。当后轮移动到接触墙壁时，前后旋翼通过旋转将桨叶旋转力转换为对接触壁面吸附力，使机器人能够吸附于接触壁面上。
当机器人能够稳定吸附在壁面上后，通过旋翼俯仰机构调整前后旋翼的俯仰角度，增大机器人向上牵引力，机器人在壁面移动，在前轮悬架转向机构2的作用下，机器人能够在壁面稳定吸附前进，后退和转向；当机器人在壁面横向移动时，为防止机器人在重力作用下跌落，通过旋翼偏航机构调整机器人偏航角度，使机器人始终能够获得沿墙面向上的牵引力来防止机器人跌落。
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 (7)

1.反推力吸附的高速移动机器人，其特征在于，包括：移动机器人轮(1)、支撑架(3)、前轮悬架转向机构(2)和旋翼；
所述移动机器人轮(1)包括两个前轮和两个后轮；
所述前轮悬架转向机构(2)包括悬架和转向机构，两个前轮分别通过悬架安装在支撑架(3)前端的左右两侧；同时转向机构分别与两个前轮相连，用于实现两个前轮同步转向；
两个后轮分别通过后轮支架(102)安装在支撑架(3)后端的左右两侧；
所述旋翼包括结构相同的前旋翼和后旋翼；前旋翼和后旋翼均包括：电机、桨叶(410)和旋翼俯仰/偏航机构(4)；所述电机用于驱动桨叶(410)旋转，以产生朝接触面的作用力；所述旋翼俯仰/偏航机构(4)包括旋翼俯仰机构和旋翼偏航机构，其中所述旋翼俯仰机构用于调整所述旋翼的俯仰角度，所述旋翼偏航机构用于调整所述旋翼的偏航角度。
2.如权利要求1所述的反推力吸附的高速移动机器人，其特征在于，所述悬架包括：前转向悬架固定块(201)、油压弹簧(202)、悬架支撑杆(204)和悬架油簧固定支架(211)；
所述前转向悬架固定块(201)通过转轴与移动机器人(1)的前轮相连，前轮能够相对前转向悬架固定块(201)绕该转轴的轴向转动；在前转向悬架固定块(201)上安装有四个悬架支撑杆(204)，上下各两个；所述悬架支撑杆(204)的一端与前转向悬架固定块(201)铰接，另一端铰接在支撑架(3)上，其中位于上方的两个悬架支撑杆(204)与支撑架(3)的上表面铰接，位于下方的两个悬架支撑杆(204)与支撑架(3)的下表面铰接；同时前转向悬架固定块(201)上端通过斜向上延伸的油压弹簧(202)连接在悬架油簧固定支架(211)的上端，所述悬架油簧固定支架(211)的下端固定在支撑架(3)上表面。
3.如权利要求1所述的反推力吸附的高速移动机器人，其特征在于，所述转向机构包括：转向连杆D(203)、转向连杆B(206)、转向连杆C(207)、转向连杆A(208)、转向舵机(209)和转向摇杆(210)；
两个前轮通过前转向悬架固定块(201)各连接一个转向连杆D(203)，两个转向连杆D(203)的另一端分别铰接在转向连杆C(207)的两端；转向连杆C(207)的两端各铰接一个转向连杆B(206)，两个转向连杆B(206)铰接在支撑架(3)上；所述转向连杆A(208)的一端与转向连杆C(207)的中部铰接，另一端与转动摇杆(210)相连，所述转向舵机(209)与转动摇杆(210)相连，用于带动转向摇杆(210)摆动。
4.如权利要求1所述的反推力吸附的高速移动机器人，其特征在于，所述旋翼俯仰机构包括：旋翼俯仰转向支架(405)和俯仰驱动机构；
所述旋翼俯仰转向支架(405)为环形框架，俯仰驱动机构运动带动所述旋翼俯仰转向支架(405)翻转，以调整所述旋翼的俯仰角度；
在旋翼俯仰转向支架(405)同一径向两端各设置一个旋翼俯仰旋转端轴(411)，旋翼俯仰旋转端轴(411)通过旋翼俯仰旋转端轴座(413)支撑在旋翼俯仰转向支架(405)上，同时旋翼俯仰旋转端轴(411)通过轴承与支撑架(3)相连；在其中一侧旋翼俯仰旋转端轴(411)上连接俯仰驱动机构；
所述俯仰驱动机构包括：旋翼俯仰转向舵机(401)、旋翼俯仰转向摇杆A(402)、旋翼俯仰转向连杆(403)和旋翼俯仰转向摇杆B(404)；所述旋翼俯仰转向摇杆B(404)一端与所述旋翼俯仰旋转端轴(411)铰接，所述旋翼俯仰转向摇杆B(404)另一端通过旋翼俯仰转向连杆(403)与所述旋翼俯仰转向摇杆A(402)铰接，即所述旋翼俯仰转向摇杆B(404)和旋翼俯仰转向摇杆A(402)分别铰接在旋翼俯仰转向连杆(403)的两端，由此旋翼俯仰转向摇杆B(404)与旋翼俯仰转向连杆(403)、旋翼俯仰转向摇杆A(402)构成可传动四连杆机构，所述旋翼俯仰转向舵机(401)通过驱动旋翼俯仰转向摇杆A(402)驱动该四连杆结构。
5.如权利要求4所述的反推力吸附的高速移动机器人，其特征在于，所述旋翼偏航机构包括：旋翼偏航固定轴(407)和旋翼偏航框架(408)和旋翼偏航舵机(416)；
所述旋翼偏航框架(408)通过两端的旋翼偏航固定轴(407)安装在旋翼俯仰转向支架(405)的直径方向上，且旋翼偏航框架(408)所在径向与两个旋翼俯仰旋转端轴(411)所在径向垂直；其中一端的旋翼偏航固定轴(407)通过轴承(414)支撑在固定在旋翼俯仰转向支架(405)上的旋翼俯仰转向端轴承座(406)内，令该端为转动端；另一端的旋翼偏航固定轴(407)通过夹座(418)直接连接固定在旋翼俯仰转向支架(405)上，令该端为固定端；
所述旋翼偏航舵机(416)包括本体和动力输出端，其本体固定在旋翼偏航框架(408)上，动力输出端通过旋翼偏航输出端连接块(415)与固定端的旋翼偏航固定轴(407)连接，由此实现旋翼偏航舵机(416)输出端固定，本体旋转运动，即旋翼偏航舵机(416)的本体随旋翼偏航框架(408)一起旋转，以调整所述旋翼的偏航角度。
6.如权利要求5所述的反推力吸附的高速移动机器人，其特征在于，所述电机和桨叶(410)安装在旋翼偏航框架(408)的中部。
7.如权利要求5所述的反推力吸附的高速移动机器人，其特征在于，所述旋翼偏航固定轴(407)采用碳纤维管。
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