CN114043469B - 一种自由伸缩弯曲机械臂和墙体爬行机器人及其爬行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由伸缩弯曲机械臂和墙体爬行机器人和爬行方法。该机械臂包括一个或依次串联的多个关节单元；所述的关节单元包括下基座部分、上移动平台和三个弯折支臂。下基座部分与上移动平台三个弯折支臂连接；三个弯折支臂沿关节单元中心的周向依次排列。弯折支臂包括两个气袋执行器、两个主支撑板、四个辅助连接板和两个弹簧机构。本发明通过三个弯折支臂控制上移动平台相对于下基座部分的轴向移动和任意方向弯曲，实现了控制方式灵活度的关节单元；通过多个关节单元的串联，形成灵活控制的机械臂，并且各关节单元上对应位置的弯折支臂通过共用一条气动供应管线，从而实现整个机械臂的弯曲和伸缩控制。

Description

一种自由伸缩弯曲机械臂和墙体爬行机器人及其爬行方法

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种自由伸缩弯曲机械臂和墙体爬行机器人及其爬行方法。

背景技术

目前，仿生机器人在国外十分流行。二十一世纪人类将进入老龄化社会，发展仿生机器人将弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并能开辟新的产业，创造新的就业机会，具有广阔的发展前景。但由于其学科交叉性，发展至今依然存在“形似而神不似”、达不到生物系统的精巧程度、实际应用有限等诸多问题。究其原因，主要是在生物机理、机构及驱动设计、仿生材料、仿生控制、生物能量利用等方面存在问题。

仿生机器人研究的前提是对生物本质的深刻认识以及对现有科学技术的充分掌握，研究涉及多学科的交叉融合，其发展趋势应该是将现代机构学和机器人学的新理论、新方法与复杂的生物特性相结合，实现结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生和群体仿生的统一，以达到与生物更加近似的性能，适应复杂多变的环境，最终实现宏观和微观相结合的仿生机器人系统，从而实现广阔的应用。因此，本文提出了一种新的用于墙体爬行的仿生机器人，用于实现叠加的、主动控制的、具有紧凑外形因素的高自由度机器人。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自由伸缩弯曲机械臂和墙体爬行机器人及其爬行方法。

第一方面，本发明提供一种自由伸缩弯曲机械臂，其包括一个或依次串联的多个关节单元；所述的关节单元包括下基座部分、上移动平台和三个弯折支臂。下基座部分与上移动平台三个弯折支臂连接；三个弯折支臂沿关节单元中心的周向依次排列。

所述的弯折支臂包括两个气袋执行器、两个主支撑板、四个辅助连接板和两个弹簧机构。两个主支撑板的内端与上移动平台、下基座部分分别转动连接。两个主支撑板的外端相互正对，并通过四个辅助连接板连接在一起。主支撑板的外端呈三角形，外端边缘为两条连接边。两个主支撑板外端相互正对的连接边形成一个连接缺口；使得弯折支臂的中部形成对称的两个连接缺口。

四个辅助连接板以两个为一组，分为两组。两组辅助连接板分别设置在两个连接缺口处。同组的两个辅助连接板的相邻侧边缘转动连接。同组的两个辅助连接板的相背侧边缘与两个主支撑板上的连接边分别转动连接。辅助连接板的两侧边缘不平行。

两个气袋执行器的一端与两块主支撑板分别固定；两个气袋执行器的另一端与下基座部分和上移动平台分别固定。两个弹簧机构的一端与两个主支撑板分别固定，另一端与下基座部分和上移动平台分别固定。气袋执行器充压时对主支撑板施加的转矩与弹簧机构对主支撑板施加的转矩相反。

作为优选，所述主支撑板的内端与上移动平台或下基座部分之间，主支撑板与辅助连接板之间，同组的两个辅助连接板之间均通过柔性铰链连接。

作为优选，同一弯折支臂内两个气袋执行器连接在一起，进行同步控制压力变化；不同弯折支臂内的气袋执行器独立控制压力变化。

作为优选，两个主支撑板和四个辅助连接板朝向弯折支臂中心位置的夹角处均开设有让位缺口。各让位缺口拼接在一起形成穿管孔道。为气袋执行器充压的气动软管通过穿管孔道伸入到关节单元的内侧，并连接至气源。

作为优选，该自由伸缩弯曲机械臂中有多个关节单元。前一个关节单元中的下基座部分与后一个关节单元中的上移动平台固定。

作为优选，相邻的两个关节单元上的下基座部分与上移动平台通过电动弹簧开关连接。

作为优选，所述的弯折支臂能够展开至平面状。

第二方面，本发明提供一种墙体爬行机器人，其包括两个吸附模块和前述的自由伸缩弯曲机械臂。两个吸附模块分别安装在自由伸缩弯曲机械臂的两端。

所述的吸附模块包括吸附罩体和密封圈。吸附罩体的开口朝向远离自由伸缩弯曲机械臂的一侧。密封圈设置在吸附罩体的开口处。吸附罩体内腔与真空源连接。吸附模块抽负压后能够吸附在墙体上。

作为优选，所述的伸缩弯曲机械臂能够进行360°弯曲。

该墙体爬行机器人的爬行方法具体如下：

步骤一、自由伸缩弯曲机械臂呈现弯曲状态，两个吸附模块抵在墙体上并抽压，吸附在墙体上。

步骤二、两个吸附模块中远离目标方向的那个吸附模块停止抽压；自由伸缩弯曲机械臂上各关节单元靠近墙体一侧的一个或两个弯折支臂泄压，远离靠近墙体一侧的一个或两个弯折支臂充压缩短，使得自由伸缩弯曲机械臂带动停止抽压的吸附模块向目标方向翻转。

步骤三、当向目标方向翻转的吸附模块重新与墙体接触后，该吸附模块重新抽压，吸附在墙上。

步骤四、重复步骤二和三，实现爬行机器人在墙体上的不断向上爬行。

本发明具有的有益效果如下：

1、本发明通过三个弯折支臂控制上移动平台相对于下基座部分的轴向移动和任意方向弯曲，实现了控制方式灵活度的关节单元；通过多个关节单元的串联，形成灵活控制的机械臂，并且各关节单元上对应位置的弯折支臂通过共用一条气动供应管线，从而实现整个机械臂的弯曲和伸缩控制。

2、本发明利用自由伸缩弯曲机械臂的弯曲控制，以及两个吸附模块与墙体的交替吸附，实现了在竖直墙面上的爬行。

3、本发明有助于组成重量轻、高强度的机器人结构，能够应用于多种不同领域。

附图说明

图1是本发明实施例1中单个关节单元的结构示意图；

图2是本发明实施例1中单个关节单元的侧面示意图；

图3是本发明实施例1中弯折支臂向外翻转的示意图；

图4是本发明实施例1中单个关节单元缩短状态下的示意图；

图5是本发明实施例1中单个关节单元弯折状态下的示意图；

图6是本发明实施例2处于伸直状态的示意图；

图7是本发明实施例2处于弯曲状态的示意图；

图8是本发明实施例2中吸附模块的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种自由伸缩弯曲机械臂，包括依次串联的多个关节单元；所述的关节单元包括下基座部分1、上移动平台2和三个弯折支臂3。下基座部分1与上移动平台2三个弯折支臂3连接；前一个关节单元中的下基座部分1与后一个关节单元中的上移动平台2固定。

下基座部分1分为三层，由上至下分别为通道密封层4、嵌入式空气通道5和间隔层6。通道密封层4、嵌入式空气通道5和间隔层6均为正六边形。通道密封层4、嵌入式空气通道5和间隔层6上均开设有六个通孔，并通过通孔和螺栓螺母进行分隔和固定。通道密封层4上安装有螺栓，用螺母进行拧紧固定，在此基础上套上嵌入式空气通道5，再次采用螺母拧紧固定，随后再次套上间隔层6，最后用螺母进行固定。所述的通道密封层4上沿周向均布有三个电磁阀7以及三个差压继电器8。其中，通道密封层4上打有定位孔，三个电磁阀7与三个差压继电器8通过定位孔安装固定到通道密封层4上。所述的嵌入式空气通道5与弯折支臂3之间采用柔性铰链进行连接。所述的间隔层6上安装有电动弹簧开关9，可与上移动平台2进行固定连接。

所述的上移动平台2为正六边形。上移动平台2沿周向均匀安装有三个电动弹簧开关9，用以与相邻的关节单元上的间隔层6进行连接。当上移动平台2与间隔层6贴合时，电动弹簧开关9通电，上移动平台2与间隔层6固定。电动弹簧开关9断电时，上移动平台2与间隔层6断开连接。同时，上移动平台2以柔性铰链的方式与弯折支臂3进行连接。

如图3所示，弯折支臂3包括两个气袋执行器3-1、两个主支撑板3-2、四个辅助连接板3-3和两个弹簧机构3-4。气袋执行器3-1在泄压状态下能够自由弯曲，充压后趋向于伸直，且压力越大，则趋向于伸直的弯矩越大。其中一个主支撑板3-2的内端与上移动平台2通过柔性铰链连接；另一个主支撑板3-2的内端与下基座部分1通过柔性铰链连接。两个主支撑板3-2的外端相互正对，并通过四个辅助连接板3-3连接在一起。主支撑板3-2的外端呈三角形，外端边缘为呈钝角的两条连接边。两个主支撑板3-2外端相互正对的连接边形成一个连接缺口；使得弯折支臂3的中部形成对称的两个连接缺口。

辅助连接板3-3呈三角形。四个辅助连接板3-3以两个为一组，分为两组。两组辅助连接板3-3分别设置在两个连接缺口处。同组的两个辅助连接板3-3的相邻侧边缘通过柔性铰链连接。同组的两个辅助连接板3-3的相背侧边缘与两个主支撑板3-2上相互对应的连接边通过柔性铰链连接。

弯折支臂3能够展开至平面状，即两个主支撑板3-2和四个辅助连接板3-3朝向弯折支臂3中心位置的夹角之和为360°，当两个主支撑板3-2相对发生弯折，其连接处向外凸出时，两组辅助连接板3-3均发生内凹。因此，四个辅助连接板3-3使得互不接触的两个主支撑板3-2近似于形成球面副。两个主支撑板3-2和四个辅助连接板3-3朝向弯折支臂3中心位置的夹角处均开设有让位缺口。各让位缺口拼接在一起形成穿管孔道。

两个主支撑板3-2与对应的下基座部分1或上移动平台2之间均设置有气袋执行器3-1。气袋执行器3-1呈长条形，一端与主支撑板3-2的外侧面固定，另一端与下基座部分1或上移动平台2固定。当气袋执行器3-1充压时，向对应的气袋执行器3-1提供向外翻转的转矩。为气袋执行器3-1充压的气动软管通过穿管孔道伸入到关节单元的内侧，并最终连接至气源。两个弹簧机构3-4的一端与两个主支撑板3-2的内侧面分别固定，另一端与下基座部分1和上移动平台2的相对侧面分别固定。本实施例中，弹簧机构3-4采用气弹簧，为主支撑板3-2提供向内翻转复位的转矩；弹簧机构3-4也可以选用扭簧、圆柱拉伸弹簧和长条形的片弹簧。

同一弯折支臂3内两个气袋执行器3-1连接在一起，进行同步控制；不同弯折支臂3内的气袋执行器3-1独立控制充压和泄压。当气袋执行器3-1充压时，对应的主支撑板3-2克服弹簧机构3-4的弹力向外翻转，使得下基座部分1与上移动平台2相互靠近；当气袋执行器3-1泄压时，对应的主支撑板3-2在弹簧机构3-4的弹力作用下向内翻转复位，使得下基座部分1与上移动平台2相互远离；因此能够通过控制气袋执行器3-1内的压力，实现弯折支臂3轴向长度的任意控制，进而实现上移动平台2相对于下基座部分1距离和相对角度调节。

如图2、4和5所示，对于一个关节单元，当需要向一个方向弯曲时，该方向对应的一个或两个弯折支臂3中的气袋执行器3-1充压，使得该一个或两个弯折支臂3弯曲，上移动平台2向目标方向弯曲。

实施例2

一种墙体爬行机器人，包括两个吸附模块10和如实施例1所述的自由伸缩弯曲机械臂11。两个吸附模块10分别安装在自由伸缩弯曲机械臂11的两端。伸缩弯曲机械臂11能够进行360°弯曲，即伸缩弯曲机械臂11的末端能够由首端的一侧弯曲变形到另一侧。

吸附模块10包括吸附罩体12和密封圈13。吸附罩体12的开口朝向远离自由伸缩弯曲机械臂的一侧。密封圈13设置在吸附罩体12的开口处，用以保证吸附模块10与墙体之间的密封性。吸附罩体12内腔通过换向阀与真空源连接。吸附模块10抽负压后能够吸附在墙体上。

该墙体爬行机器人的爬行方法具体如下：

步骤一、自由伸缩弯曲机械臂呈现弯曲状态，两个吸附模块10抵在墙体上并抽压，吸附在墙体上。

步骤二、两个吸附模块10中远离目标方向的那个吸附模块10停止抽压；自由伸缩弯曲机械臂11上各关节单元靠近墙体一侧的一个或两个弯折支臂3泄压，远离靠近墙体一侧的一个或两个弯折支臂3充压缩短，使得自由伸缩弯曲机械臂11带动停止抽压的吸附模块10向目标方向翻转。

步骤三、当向目标方向翻转的吸附模块10重新与墙体接触后，该吸附模块10重新抽压，吸附在墙上。

步骤四、重复步骤二和三，实现爬行机器人在墙体上的不断向上爬行。

Claims (8)

1.一种自由伸缩弯曲机械臂，包括一个或依次串联的多个关节单元；其特征在于：所述的关节单元包括下基座部分（1）、上移动平台（2）和三个弯折支臂（3）；下基座部分（1）与上移动平台（2）三个弯折支臂（3）连接；三个弯折支臂（3）沿关节单元中心的周向依次排列；

所述的弯折支臂（3）包括两个气袋执行器（3-1）、两个主支撑板（3-2）、四个辅助连接板（3-3）和两个弹簧机构（3-4）；两个主支撑板（3-2）的内端与上移动平台（2）、下基座部分（1）分别转动连接；两个主支撑板（3-2）的外端相互正对，并通过四个辅助连接板（3-3）连接在一起；主支撑板（3-2）的外端呈三角形，外端边缘为两条连接边；两个主支撑板（3-2）外端相互正对的连接边形成一个连接缺口；使得弯折支臂（3）的中部形成对称的两个连接缺口；

四个辅助连接板（3-3）以两个为一组，分为两组；两组辅助连接板（3-3）分别设置在两个连接缺口处；同组的两个辅助连接板（3-3）的相邻侧边缘转动连接；同组的两个辅助连接板（3-3）的相背侧边缘与两个主支撑板（3-2）上的连接边分别转动连接；辅助连接板（3-3）的两侧边缘不平行；

两个气袋执行器（3-1）的一端与两块主支撑板（3-2）分别固定；两个气袋执行器（3-1）的另一端与下基座部分（1）和上移动平台（2）分别固定；两个弹簧机构（3-4）的一端与两个主支撑板（3-2）分别固定，另一端与下基座部分（1）和上移动平台（2）分别固定；气袋执行器（3-1）充压时对主支撑板（3-2）施加的转矩与弹簧机构（3-4）对主支撑板（3-2）施加的转矩相反；

所述主支撑板（3-2）的内端与上移动平台（2）或下基座部分（1）之间，主支撑板（3-2）与辅助连接板（3-3）之间，同组的两个辅助连接板（3-3）之间均通过柔性铰链连接；

两个主支撑板（3-2）和四个辅助连接板（3-3）朝向弯折支臂（3）中心位置的夹角处均开设有让位缺口；各让位缺口拼接在一起形成穿管孔道；为气袋执行器（3-1）充压的气动软管通过穿管孔道伸入到关节单元的内侧，并连接至气源。

2.根据权利要求1所述的一种自由伸缩弯曲机械臂，其特征在于：同一弯折支臂（3）内两个气袋执行器（3-1）连接在一起，进行同步控制压力变化；不同弯折支臂（3）内的气袋执行器（3-1）独立控制压力变化。

3.根据权利要求1所述的一种自由伸缩弯曲机械臂，其特征在于：该自由伸缩弯曲机械臂中有多个关节单元；前一个关节单元中的下基座部分（1）与后一个关节单元中的上移动平台（2）固定。

4.根据权利要求1所述的一种自由伸缩弯曲机械臂，其特征在于：相邻的两个关节单元上的下基座部分（1）与上移动平台（2）通过电动弹簧开关（9）连接。

5.根据权利要求1所述的一种自由伸缩弯曲机械臂，其特征在于：弯折支臂（3）能够展开至平面状。

6.一种墙体爬行机器人，其特征在于：包括两个吸附模块（10）和如权利要求1-5中任意一项所述的自由伸缩弯曲机械臂（11）；两个吸附模块（10）分别安装在自由伸缩弯曲机械臂（11）的两端；所述的吸附模块（10）包括吸附罩体（12）和密封圈（13）；吸附罩体（12）的开口朝向远离自由伸缩弯曲机械臂的一侧；密封圈（13）设置在吸附罩体（12）的开口处；吸附罩体（12）内腔与真空源连接；吸附模块（10）抽负压后能够吸附在墙体上。

7.根据权利要求6所述的一种墙体爬行机器人，其特征在于：所述的伸缩弯曲机械臂（11）能够进行360°弯曲。

8.如权利要求7所述的一种墙体爬行机器人的工作方法，其特征在于：步骤一、自由伸缩弯曲机械臂呈现弯曲状态，两个吸附模块（10）抵在墙体上并抽压，吸附在墙体上；

步骤二、两个吸附模块（10）中远离目标方向的那个吸附模块（10）停止抽压；自由伸缩弯曲机械臂（11）上各关节单元靠近墙体一侧的一个或两个弯折支臂（3）泄压，远离靠近墙体一侧的一个或两个弯折支臂（3）充压缩短，使得自由伸缩弯曲机械臂（11）带动停止抽压的吸附模块（10）向目标方向翻转；

步骤三、当向目标方向翻转的吸附模块（10）重新与墙体接触后，该吸附模块（10）重新抽压，吸附在墙上；

步骤四、重复步骤二和三，实现爬行机器人在墙体上的不断向上爬行。

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