CN114228858A - 仿生蝎攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

仿生蝎攀爬机器人包括机架、步足机构、驱动机构、前臂机构、尾臂机构，所述机架与步足机构、驱动机构、前臂机构、尾臂机构连接，所述步足机构包括八个支腿，所述支腿设置在机架的左侧和右侧；所述驱动机构包括第一驱动电机、第一传动齿轮组、移动支架、第二驱动电机、第二传动齿轮组、驱动杆，所述第一驱动电机的转轴与第一传动齿轮组的动力输入端固定连接，第一传动齿轮组的动力输出端与移动支架连接，移动支架还与机架搭接，第一驱动电机的机身与机架固定连接，第一驱动电机的转轴与第二传动齿轮组的动力输入端固定连接，第二传动齿轮组的动力输出端与驱动杆啮合连接，驱动杆还与移动支架套设连接，驱动杆的两端还与支腿铰接。

Description

仿生蝎攀爬机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，尤其涉及一种仿生蝎攀爬机器人。

背景技术

在输电、发电等领域，塔杆是常见的职称部件。塔杆往往较粗，难以攀爬。但是在日常维护中，常常需要攀爬到塔杆的高处进行高空作业，例如清理鸟巢、垃圾、驱赶鸟类等等，同时，当塔杆掉漆生锈后，还需要对塔杆进行除锈、清洁、刷漆等。在其它领域，塔杆上有时还需要张贴广告、信号标记等等。在农业活动中，也需要攀爬。例如采摘松子等。在日常生活中，也需要擦玻璃，高空作业比较危险。

现有的攀爬手段多通过人工通过攀爬工具或吊绳等。随着劳动力成本的升高以及对于劳动安全保障问题的日益重视，人工作业已不符合社会发展的客观要求，以机器人替代“蜘蛛人”作业成为历史的必然。现有的机器人多数采用履带式机器人，工作时局限性较大。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种适应性强的仿生蝎攀爬机器人。

一种仿生蝎攀爬机器人包括机架、步足机构、驱动机构、前臂机构、尾臂机构，所述机架与步足机构、驱动机构、前臂机构、尾臂机构连接，

所述步足机构包括八个支腿，所述支腿设置在机架的左侧和右侧，支腿的端部设有能够附着在攀爬物表面的步足；

所述驱动机构包括第一驱动电机、第一传动齿轮组、移动支架、第二驱动电机、第二传动齿轮组、驱动杆，所述第一驱动电机的转轴与第一传动齿轮组的动力输入端固定连接，第一传动齿轮组的动力输出端与移动支架连接，移动支架还与机架搭接，以使移动支架能够在机架上前后移动，第一驱动电机的机身与机架固定连接，第一驱动电机的转轴与第二传动齿轮组的动力输入端固定连接，以带动第二传动齿轮组转动，第二传动齿轮组的动力输出端与驱动杆啮合连接，以使驱动杆能够在水平方向上左右移动，驱动杆还与移动支架套设连接，以防止驱动杆在竖直方向或前后方向上移动，驱动杆的两端还与支腿铰接，以带动支腿前后移动，即其中四个支腿与机架连接，另外四个支腿与移动支架连接；

所述前臂机构与机架铰接；

所述尾臂机构与机架固定连接。

优选的，所述第一传动齿轮组包括两个第一锥齿轮、第一传动轴、一个第一驱动齿轮，所述两个第一锥齿轮啮合连接，其中一个第一锥齿轮的转轴在水平方向并作为动力输入端与第一驱动电机的转轴固定连接，另一个第一锥齿轮的转轴在竖直方向并与第一传动轴的下端固定连接，第一传动轴的中端套设在机架上，第一传动轴的上端与第一驱动齿轮固定连接，第一驱动齿轮作为动力输出端与移动支架啮合连接，相应的，移动支架上设有第一齿条，第一驱动电机的转轴转动时，能够带动移动支架前后移动。

优选的，所述第二传动齿轮组包括两个第二锥齿轮、第二传动轴、主动齿轮、两个连动齿轮、两个第二驱动齿轮，所述两个第二锥齿轮啮合连接，其中一个锥齿轮的转轴在水平方向并作为动力输入端与第二驱动电机的转轴固定连接，另一个第二锥齿轮的转轴在竖直方向并与第二传动轴的下端固定连接，第二传动轴的中端套设在移动支架上，第二传动轴的上端与主动齿轮固定连接，主动齿轮与两个连动齿轮啮合连接，两个连动齿轮还分别与一个第二驱动齿轮啮合连接，第二驱动齿轮与对应的驱动杆啮合连接，相应的，驱动杆上设有第二齿条，第二驱动电机的转轴转动时，能够带动两个驱动杆同向移动。

优选的，所述移动支架的底部设有行走轮，相应的，机架上设有行走轨道，以使行走轮能够沿着行走轨道滚动。

优选的，所述支腿包括吸盘、支撑杆、腿部液压杆，所述吸盘与支撑杆的一端通过万向节连接，支撑杆的另一端与腿部液压杆的一端铰接，腿部液压杆的另一端与移动支架或机架铰接。

优选的，所述前臂机构包括水平摆动臂、竖直摆动臂、水平摆动液压杆、竖直摆动液压杆，水平摆动臂的一端与机架铰接，水平摆动臂的另一端与竖直摆动臂的一端铰接，竖直摆动臂的另一端设有执行作业的机构，水平摆动液压杆的一端与机架铰接，水平摆动液压杆的另一端与水平摆动臂的中部铰接，以带动水平摆动臂在水平方向上摆动，竖直摆动液压杆的一端与水平摆动臂铰接，竖直摆动液压杆的另一端与竖直摆动臂铰接，以带动竖直摆动臂在竖直方向上摆动。

优选的，所述尾臂机构包括尾臂底座、转向齿轮、尾臂转向电机、尾臂底盘、尾大臂、尾小臂、第一尾部液压杆、第二尾部液压杆，所述尾臂底座的下端与机架固定连接，尾臂底座的上端与转向齿轮的转轴套设连接，转向齿轮与尾臂转向电机的转轴啮合连接，转向齿轮的上端与尾臂底盘的下端固定连接，以带动尾臂底盘转动，尾臂底盘的上端与尾大臂的一端铰接，尾大臂的另一端与尾小臂铰接，第一尾部液压杆的一端与尾臂底盘铰接，第一尾部液压杆的另一端与尾大臂的中部铰接，尾大臂的中部还与第二尾部液压杆的一端铰接，第二尾部液压杆的另一端与尾小臂铰接，所述尾小臂上设有执行作业的机构。

优选的，所述仿生蝎攀爬机器人还包括控制机构，以控制步足机构、驱动机构、前臂机构、尾臂机构的运行，所述控制机构包括控制器、角度位移传感器、雷达，所述控制器与角度位移传感器、雷达电性连接，控制器还与步足机构、驱动机构、前臂机构、尾臂机构电性连接。

有益效果：本发明的仿生蝎攀爬机器人的第一驱动电机转动，能够带动移动支架相对于机架前后移动。即，第一驱动电机转动，当移动支架的支腿放下，机架上的支腿抬起时，机架在攀爬物上移动，当移动支架的支腿抬起，机架上的支腿放下时，移动支架在攀爬物上移动。第二驱动电机转动，能够带动移动支架上的同一侧的支腿移动，第二驱动电机反转，能够带动移动支架上的另一侧的支腿移动。之后，移动支架上的支腿放下，机架上的支腿抬起，第一驱动电机启动，带动机架在攀爬物上移动。如此，实现了仿生蝎攀爬机器人在攀爬物上的移动。如此，无论是平面还是曲面，无论是水平面、坡面或直立面都可移动，移动不受限。在前臂机构和尾臂机构上设置执行机构，例如喷涂机构、擦拭机构、采摘机构等，就可以进行相应的喷涂作业、清洁作业或采摘作业，非常方便。

附图说明

图1为本发明的仿生蝎攀爬机器人的结构示意图。

图2和图3为图1的局部结构示意图。

图4为本发明的仿生蝎攀爬机器人的另一较佳角度的结构示意图。

图5为图4的局部结构示意图。

图6为本发明的仿生蝎攀爬机器人的再一较佳角度的结构示意图。

图7为图6的局部结构示意图。

图8为为本发明的仿生蝎攀爬机器人一较佳角度的截面图。

图9和图10为图8的局部结构示意图。

图11为本发明的移动支架的结构示意图。

图12为本发明的控制流程图。

图中：仿生蝎攀爬机器人10、机架20、步足机构30、支腿301、吸盘3011、支撑杆3012、腿部液压杆3013、驱动机构40、第一驱动电机401、第一传动齿轮组402、第一锥齿轮4021、第一传动轴4022、第一驱动齿轮4023、移动支架403、第一齿条4031、行走轮4032、第二驱动电机404、第二传动齿轮组405、第二锥齿轮4051、第二传动轴4052、主动齿轮4053、连动齿轮4054、第二驱动齿轮4055、驱动杆406、前臂机构50、水平摆动臂501、竖直摆动臂502、水平摆动液压杆503、竖直摆动液压杆504、尾臂机构60、尾臂底座601、转向齿轮602、尾臂底盘603、尾大臂604、尾小臂605、第一尾部液压杆606、第二尾部液压杆607。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

请参看图1至图11，一种仿生蝎攀爬机器人10包括机架20、步足机构30、驱动机构40、前臂机构50、尾臂机构60，所述机架20与步足机构30、驱动机构40、前臂机构50、尾臂机构60连接，

所述步足机构30包括八个支腿301，所述支腿301设置在机架20的左侧和右侧，支腿301的端部设有能够附着在攀爬物表面的步足；

所述驱动机构40包括第一驱动电机、第一传动齿轮组、移动支架403、第二驱动电机404、第二传动齿轮组405、驱动杆406，所述第一驱动电机的转轴与第一传动齿轮组的动力输入端固定连接，第一传动齿轮组的动力输出端与移动支架403连接，移动支架403还与机架20搭接，以使移动支架403能够在机架20上前后移动，第一驱动电机的机身与机架20固定连接，第一驱动电机的转轴与第二传动齿轮组405的动力输入端固定连接，以带动第二传动齿轮组405转动，第二传动齿轮组405的动力输出端与驱动杆406啮合连接，以使驱动杆406能够在水平方向上左右移动，驱动杆406还与移动支架403套设连接，以防止驱动杆406在竖直方向或前后方向上移动，驱动杆406的两端还与支腿301铰接，以带动支腿301前后移动，即其中四个支腿301与机架20连接，另外四个支腿301与移动支架403连接；

所述前臂机构50与机架20铰接；

所述尾臂机构60与机架20固定连接。

具体的运动过程以攀爬机器人的前进为例：

起步阶段，所有的支腿301均附着在攀爬物表面，即所有的支腿301放下，然后移动支架403右边的支腿301离开攀爬物表面，即移动支架403右边的支腿301抬起，第二驱动电机404转动，带动两个驱动杆406向右移动，移动支架403右边的支腿301在驱动杆406的作用下向前移动。同时，由于移动支架403左边的支腿301是放下的，移动支架403左边的支腿301无法移动，只能带动移动支架403向前移动；

第二阶段，移动支架403右边的支腿301放下，第二驱动电机404反向转动，带动两个驱动杆406向左移动，移动支架403左边的支腿301在驱动杆406的作用下向前移动。同时，由于移动支架403右边的支腿301是放下的，移动支架403右边的支腿301无法移动，只能带动移动支架403向前移动；

第三阶段，移动支架403左边的支腿301放下，此时，移动支架403上所有的支腿301均以放下，机架20上的支腿301抬起，第一驱动电机转动，带动第一传动齿轮组与机架20相对运动，使得机架20向前移动；

归位阶段，机架20上的支腿301放下，此时所有的支腿301以及机架20与移动支架403之间的相对位置关系均以回复到起始，仿生蝎攀爬机器人10相对于攀爬物向前移动。

如果不想让第二阶段和第三阶段的移动支架403随驱动杆406移动，那么久在驱动杆406的两端分别铰接一个连接杆，且驱动杆406其中一端的连接杆处于弯折状态，且驱动杆406与移动支架403间隙配合。

前臂机构50和尾臂机构60上可设置有执行作业的机构，以采摘松子为例，在前臂机构50和尾臂机构60上可设置刀具，通过切割松果的柄部，使松果落到地面上。

再以擦玻璃为例，可在尾臂机构60上设置喷水的机构，在前臂机构50上设置擦拭机构和热风烘干机构，将玻璃表面的灰尘擦拭干净并将水分烘干。

再以输送物资救人为例，可在前臂机构50和尾臂机构60上设置夹子，将水和食物用夹子夹住，使机器人钻进废墟中救人。

当工作场景是坡面较小且粗糙的攀爬物时，步足可通过重力附着在攀爬物表面。

当工作场景是坡面较大且光滑的攀爬物时，步足可通过负压吸盘3011的方式附着在攀爬物表面。即通过产生负压来吸附，不产生负压停止吸附。产生负压的装置如负压风机等。

当工作场景是土坡或者树皮时，步足底部可设置若干针刺，提高步足的吸附能力。

当工作场景是铁等磁性材料时，步足底部可设置为电磁铁。

关于支腿301的抬起或放下功能的实现。支腿301上可设置液压杆，通过液压杆的伸缩实现支腿301的抬起或放下。当然，特殊情况下，支腿301没有抬起和放下的功能也能够实现攀爬的功能。但是这种情况步足与攀爬物始终存在摩擦，如此，会大大减小机器人的使用寿命。

在一较佳实施方式中，所述第一传动齿轮组包括两个第一锥齿轮、第一传动轴、一个第一驱动齿轮4023，所述两个第一锥齿轮啮合连接，其中一个第一锥齿轮的转轴在水平方向并作为动力输入端与第一驱动电机的转轴固定连接，另一个第一锥齿轮的转轴在竖直方向并与第一传动轴的下端固定连接，第一传动轴的中端套设在机架20上，第一传动轴的上端与第一驱动齿轮4023固定连接，第一驱动齿轮4023作为动力输出端与移动支架403啮合连接，相应的，移动支架403上设有第一齿条4031，第一驱动电机的转轴转动时，能够带动移动支架403前后移动。

在一较佳实施方式中，所述第二传动齿轮组405包括两个第二锥齿轮4051、第二传动轴4052、主动齿轮4053、两个连动齿轮4054、两个第二驱动齿轮4055，所述两个第二锥齿轮4051啮合连接，其中一个锥齿轮的转轴在水平方向并作为动力输入端与第二驱动电机404的转轴固定连接，另一个第二锥齿轮4051的转轴在竖直方向并与第二传动轴4052的下端固定连接，第二传动轴4052的中端套设在移动支架403上，第二传动轴4052的上端与主动齿轮4053固定连接，主动齿轮4053与两个连动齿轮4054啮合连接，两个连动齿轮4054还分别与一个第二驱动齿轮4055啮合连接，第二驱动齿轮4055与对应的驱动杆406啮合连接，相应的，驱动杆406上设有第二齿条，第二驱动电机404的转轴转动时，能够带动两个驱动杆406同向移动。

进一步的，所述移动支架403的底部设有行走轮4032，相应的，机架20上设有行走轨道，以使行走轮4032能够沿着行走轨道滚动。

进一步的，所述支腿301包括吸盘3011、支撑杆3012、腿部液压杆3013、所述吸盘3011与支撑杆3012的一端通过万向节连接，支撑杆3012的另一端与腿部液压杆3013的一端铰接，腿部液压杆3013的另一端与移动支架403或机架20铰接。

在一较佳实施方式中，所述吸盘3011是电磁吸盘3011，在另一较佳实施方式中，所述吸盘3011为负压吸盘3011。支撑杆3012与吸盘3011通过万向节连接，能够使吸盘3011适应复杂的工作面，提升吸盘3011的适应性。

进一步的，所述前臂机构50包括水平摆动臂501、竖直摆动臂502、水平摆动液压杆503、竖直摆动液压杆504，水平摆动臂501的一端与机架20铰接，水平摆动臂501的另一端与竖直摆动臂502的一端铰接，竖直摆动臂502的另一端设有执行作业的机构，水平摆动液压杆503的一端与机架20铰接，水平摆动液压杆503的另一端与水平摆动臂501的中部铰接，以带动水平摆动臂501在水平方向上摆动，竖直摆动液压杆504的一端与水平摆动臂501铰接，竖直摆动液压杆504的另一端与竖直摆动臂502铰接，以带动竖直摆动臂502在竖直方向上摆动。

前臂机构50可以带动执行作业的机构在水平方向上摆动，也可在竖直方向上移动，使得作业区域非常广。

进一步的，所述尾臂机构60包括尾臂底座601、转向齿轮602、尾臂转向电机、尾臂底盘603、尾大臂604、尾小臂605、第一尾部液压杆606、第二尾部液压杆607，所述尾臂底座601的下端与机架20固定连接，尾臂底座601的上端与转向齿轮602的转轴套设连接，转向齿轮602与尾臂转向电机的转轴啮合连接，转向齿轮602的上端与尾臂底盘603的下端固定连接，以带动尾臂底盘603转动，尾臂底盘603的上端与尾大臂604的一端铰接，尾大臂604的另一端与尾小臂605铰接，第一尾部液压杆606的一端与尾臂底盘603铰接，第一尾部液压杆606的另一端与尾大臂604的中部铰接，尾大臂604的中部还与第二尾部液压杆607的一端铰接，第二尾部液压杆607的另一端与尾小臂605铰接，所述尾小臂605上设有执行作业的机构。

执行作业的机构，例如夹持机构，可以夹持物体，运送到需要的位置；再例如清洗机构，可以清洗攀爬物表面；再比如刀具，可以切割果实柄部，也可以切割玻璃等。

进一步的，请参看图12，所述仿生蝎攀爬机器人10还包括控制机构，以控制步足机构30、驱动机构40、前臂机构50、尾臂机构60的运行，所述控制机构包括控制器、角度位移传感器、雷达，所述控制器与角度位移传感器、雷达电性连接，控制器还与步足机构30、驱动机构40、前臂机构50、尾臂机构60电性连接。

所述雷达用于探测障碍物，防止机器人发生碰撞。通过改变支腿301的长度，可实现变向的功能。角度位移传感器可以设置在第一驱动电机和第二驱动电机404的转轴上，以检测驱动电机转动的角度。控制器预设角度值，当驱动电机实际转动的角度与预设角度值相同时，控制器控制驱动电机停止转动或反向转动。控制器具体控制的执行部件可以但不局限于驱动电机、液压杆的电磁阀。为了使控制更加可靠，机器人可通过遥控器控制，为了实时观测机器人的行进情况，可在仿生蝎攀爬机器人10上安装摄像头，相应的，在遥控器上设置显示屏。同时，也可通过物联网，用手机控制仿生蝎攀爬机器人10的工作。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (8)

1.一种仿生蝎攀爬机器人，其特征在于：包括机架、步足机构、驱动机构、前臂机构、尾臂机构，所述机架与步足机构、驱动机构、前臂机构、尾臂机构连接，

所述步足机构包括八个支腿，所述支腿设置在机架的左侧和右侧，支腿的端部设有能够附着在攀爬物表面的步足；

所述驱动机构包括第一驱动电机、第一传动齿轮组、移动支架、第二驱动电机、第二传动齿轮组、驱动杆，所述第一驱动电机的转轴与第一传动齿轮组的动力输入端固定连接，第一传动齿轮组的动力输出端与移动支架连接，移动支架还与机架搭接，以使移动支架能够在机架上前后移动，第一驱动电机的机身与机架固定连接，第一驱动电机的转轴与第二传动齿轮组的动力输入端固定连接，以带动第二传动齿轮组转动，第二传动齿轮组的动力输出端与驱动杆啮合连接，以使驱动杆能够在水平方向上左右移动，驱动杆还与移动支架套设连接，以防止驱动杆在竖直方向或前后方向上移动，驱动杆的两端还与支腿铰接，以带动支腿前后移动，即其中四个支腿与机架连接，另外四个支腿与移动支架连接；

所述前臂机构与机架铰接；

所述尾臂机构与机架固定连接。

2.如权利要求1所述的仿生蝎攀爬机器人，其特征在于：所述第一传动齿轮组包括两个第一锥齿轮、第一传动轴、一个第一驱动齿轮，所述两个第一锥齿轮啮合连接，其中一个第一锥齿轮的转轴在水平方向并作为动力输入端与第一驱动电机的转轴固定连接，另一个第一锥齿轮的转轴在竖直方向并与第一传动轴的下端固定连接，第一传动轴的中端套设在机架上，第一传动轴的上端与第一驱动齿轮固定连接，第一驱动齿轮作为动力输出端与移动支架啮合连接，相应的，移动支架上设有第一齿条，第一驱动电机的转轴转动时，能够带动移动支架前后移动。

3.如权利要求1所述的仿生蝎攀爬机器人，其特征在于：所述第二传动齿轮组包括两个第二锥齿轮、第二传动轴、主动齿轮、两个连动齿轮、两个第二驱动齿轮，所述两个第二锥齿轮啮合连接，其中一个锥齿轮的转轴在水平方向并作为动力输入端与第二驱动电机的转轴固定连接，另一个第二锥齿轮的转轴在竖直方向并与第二传动轴的下端固定连接，第二传动轴的中端套设在移动支架上，第二传动轴的上端与主动齿轮固定连接，主动齿轮与两个连动齿轮啮合连接，两个连动齿轮还分别与一个第二驱动齿轮啮合连接，第二驱动齿轮与对应的驱动杆啮合连接，相应的，驱动杆上设有第二齿条，第二驱动电机的转轴转动时，能够带动两个驱动杆同向移动。

4.如权利要求1所述的仿生蝎攀爬机器人，其特征在于：所述移动支架的底部设有行走轮，相应的，机架上设有行走轨道，以使行走轮能够沿着行走轨道滚动。

5.如权利要求1所述的仿生蝎攀爬机器人，其特征在于：所述支腿包括吸盘、支撑杆、腿部液压杆，所述吸盘与支撑杆的一端通过万向节连接，支撑杆的另一端与腿部液压杆的一端铰接，腿部液压杆的另一端与移动支架或机架铰接。

6.如权利要求1所述的仿生蝎攀爬机器人，其特征在于：所述前臂机构包括水平摆动臂、竖直摆动臂、水平摆动液压杆、竖直摆动液压杆，水平摆动臂的一端与机架铰接，水平摆动臂的另一端与竖直摆动臂的一端铰接，竖直摆动臂的另一端设有执行作业的机构，水平摆动液压杆的一端与机架铰接，水平摆动液压杆的另一端与水平摆动臂的中部铰接，以带动水平摆动臂在水平方向上摆动，竖直摆动液压杆的一端与水平摆动臂铰接，竖直摆动液压杆的另一端与竖直摆动臂铰接，以带动竖直摆动臂在竖直方向上摆动。

7.如权利要求1所述的仿生蝎攀爬机器人，其特征在于：所述尾臂机构包括尾臂底座、转向齿轮、尾臂转向电机、尾臂底盘、尾大臂、尾小臂、第一尾部液压杆、第二尾部液压杆，所述尾臂底座的下端与机架固定连接，尾臂底座的上端与转向齿轮的转轴套设连接，转向齿轮与尾臂转向电机的转轴啮合连接，转向齿轮的上端与尾臂底盘的下端固定连接，以带动尾臂底盘转动，尾臂底盘的上端与尾大臂的一端铰接，尾大臂的另一端与尾小臂铰接，第一尾部液压杆的一端与尾臂底盘铰接，第一尾部液压杆的另一端与尾大臂的中部铰接，尾大臂的中部还与第二尾部液压杆的一端铰接，第二尾部液压杆的另一端与尾小臂铰接，所述尾小臂上设有执行作业的机构。

8.如权利要求1所述的仿生蝎攀爬机器人，其特征在于：所述仿生蝎攀爬机器人还包括控制机构，以控制步足机构、驱动机构、前臂机构、尾臂机构的运行，所述控制机构包括控制器、角度位移传感器、雷达，所述控制器与角度位移传感器、雷达电性连接，控制器还与步足机构、驱动机构、前臂机构、尾臂机构电性连接。

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