CN114872813A - 适于狭窄空间的轮足越障机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于狭窄空间的轮足越障机器人，包括：躯干和越障支腿，越障支腿在安装平台下方两侧各设置有3个，每个越障支腿包括依次连接的竖直提升组件、水平旋转组件和轮足移动组件，水平旋转组件一端通过第一转向执行器与竖直提升组件转动连接，轮足移动组件通过第二转向执行器与水平旋转组件另一端转动连接；轮足移动组件包括车轮架、移动车轮和行走执行器，第二转向执行器连接水平旋转组件和车轮架，车轮架固定连接行走执行器，移动车轮与行走执行器的驱动端相连。本发明实现结构简化，可以有效规避行走时遇到的障碍物，且行走稳定，适于具有长、深、窄且内部结构复杂等特征结构的空间的作业。

Description

适于狭窄空间的轮足越障机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是指一种适于狭窄空间的轮足越障机器人。

背景技术

由于大型钢结构件的体积庞大，且结构复杂，其焊接制造需要经历工厂车间的分段焊接和施工现场的组装焊接两个阶段。工厂车间的分段焊接，作业环境较好，工况简单，任务明确，可以采用专用自动化焊接装置和通用焊接机器人进行自动化焊接。但是，施工现场焊接作业环境存在高空、狭小空间等不良作业环境，且箱梁中存在分段隔板，故无法应用自动化焊接装备和通用焊接机器人，目前主要依靠人工焊接完成，不仅劳动强度大、焊接效率低，焊接质量难以保证，而且作业环境危险、恶劣，人身安全得不到保障。

类似港机箱梁结构，具有长、深、窄且内部结构复杂的特点，而目前能够主动越障的机器人结构复杂、成本高的同时还存在体积大的问题，因而无法通过狭窄空间，故亟需一种能够取代人工的适于狭窄空间工作的越障机器人。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中越障机器人结构复杂、体积大的缺陷，提供一种适于狭窄空间的轮足越障机器人，能够在保证越障能力的同时简化机器人结构。

本发明所述面向自主焊接任务的狭窄空间轮足越障机器人配置自主焊接机器人系统后，可以实现在具有长、深、窄且内部结构复杂等特征结构空间的行进，从而可以替代人工进行施工操作。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种适于狭窄空间的轮足越障机器人，包括：

躯干，所述躯干包括安装平台；

越障支腿，所述越障支腿在所述安装平台下方两侧各设置有3个，每个所述越障支腿包括依次连接的竖直提升组件、水平旋转组件和轮足移动组件，所述水平旋转组件一端通过第一转向执行器与所述竖直提升组件转动连接，所述轮足移动组件通过第二转向执行器与所述水平旋转组件另一端转动连接；

所述轮足移动组件包括车轮架、移动车轮和行走执行器，所述第二转向执行器连接所述水平旋转组件和车轮架，所述车轮架固定连接所述行走执行器，所述移动车轮与所述行走执行器的驱动端相连。

在本发明的一个实施例中，所述行走执行器输出端的中心轴线与所述移动车轮的中心轴线重合，所述第二转向执行器输出端的中心轴线位于所述移动车轮的中心面内，且所述行走执行器输出端的中心轴线与所述第二转向执行器的中心轴线垂直相交。

在本发明的一个实施例中，所述移动车轮一侧装配有可拆卸电磁铁，所述移动车轮底部的高度低于所述电磁铁底面的高度。

在本发明的一个实施例中，所述竖直提升组件为音圈直线电机。

在本发明的一个实施例中，所述躯干还包括仓体，所述仓体由所述安装平台在所述越障支腿之间向下延伸形成，所述仓体内设置有控制柜。

在本发明的一个实施例中，所述安装平台两侧设置有挡板，所述挡板对应所述仓体的位置设置有观察窗，所述安装平台上安装有封闭所述仓体的盖板。

在本发明的一个实施例中，所述安装平台上设置有定位装置，所述定位装置包括安装在安装平台端部的3D相机和雷达，以及位于所述安装平台中部的陀螺仪。

在本发明的一个实施例中，所述安装平台上安装有焊接机器人。

在本发明的一个实施例中，还包括焊接接地装置，所述焊接接地装置包括平台铜柱和接地铜柱，所述平台铜柱连接于所述安装平台一端，所述接地铜柱通过接地气缸连接于所述越障支腿，所述接地气缸一端与所述越障支腿相连，另一端安装有所述接地铜柱，所述平台铜柱与所述接地铜柱相连。

在本发明的一个实施例中，所述接地气缸的推杆端部与连接头的大头端相连，所述接地铜柱通过绝缘套套设于所述连接头的小头端，所述连接头的大头端与所述接地铜柱之间设置有减震弹簧。

在本发明的一个实施例中，所述接地铜柱包括铜柱壳体和球形铜柱，所述铜柱壳体一端与所述接地气缸相连，所述铜柱壳体另一端安装所述球形铜柱。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的轮足越障机器人，通过细长型躯干、水平旋转组件，使得适于具有长、深、窄且内部结构复杂等特征结构的空间的作业；

通过轮足组件的设置和6个支腿的交替工作，实现结构简化，可以有效规避行走时遇到的障碍物，且行走稳定；

通过焊接机器人的设置，能够自护完成焊接任务，且机器人自身刚度好，稳定性强，满足焊接机器人的刚度要求。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明整体结构示意图；

图2是本发明正常工作示意图；

图3是本发明前腿越障示意图；

图4是本发明中腿越障示意图；

图5是本发明后腿越障示意图；

图6是本发明越障支腿结构示意图；

图7是本发明躯干结构示意图；

图8是本发明焊接结构示意图；

图9是本发明焊接接地装置剖视图。

10、躯干；11、安装平台；12、仓体；13、挡板；14、盖板；15、控制柜；16、雷达；17、陀螺仪；

20、越障支腿；21、竖直提升组件；22、水平旋转组件；23、轮足移动组件；231、车轮架；232、移动车轮；233、行走执行器；234、电磁铁；24、第一转向执行器；25、第二转向执行器；

30、焊接机器人；31、平台铜柱；32、接地铜柱；33、接地气缸；34、连接头；35、减震弹簧；36、球形铜柱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的适于狭窄空间的轮足越障机器人，包括：

躯干10，所述躯干10包括安装平台11。用于连接多个越障支腿20，以形成机器人整体，本发明中越障支腿20安装在躯干10下方，以减小机器人的宽度，因此薄板状安装平台11即可实现越障支腿20的安装，结构简单同时使得机器人体积小。

还包括越障支腿20，所述越障支腿20在所述安装平台11下方两侧各设置有3个，即机器人设置有6个越障支腿20。当然在本发明的其他实施例中，还可以根据需要设置8个、10个等6个以上的支腿，但6个支腿已经能够满足机器人美观、越障稳定、体积合适的要求。具体的，每个所述越障支腿20包括依次连接的竖直提升组件21、水平旋转组件22和轮足移动组件23，所述水平旋转组件22一端通过第一转向执行器24与所述竖直提升组件21转动连接，所述轮足移动组件23通过第二转向执行器25与所述水平旋转组件22另一端转动连接。从而轮足移动组件23能够在竖直提升组件21的驱动下抬起越障，还能够根据第一转向执行器24和第二转向执行器25的动作实现向两侧展开支撑机器人在正常路径移动，也可以实现向安装平台11的投影范围收拢支撑机器人在狭窄空间移动。

为实现机器人的移动，所述轮足移动组件23包括车轮架231、移动车轮232和行走执行器233，所述第二转向执行器25连接所述水平旋转组件22和车轮架231，实现移动车轮232相对水平旋转组件22的角度变化，保证机器人移动方向的正确。所述车轮架231固定连接所述行走执行器233，所述移动车轮232与所述行走执行器233的驱动端相连。每个车轮均能够独立运动，从而保证在越障时，无论哪那个轮足移动组件23抬起，剩下的轮足移动组件23均能够驱动机器人移动。

本发明的轮足越障机器人，工作原理如下：

参照图2所示，正常工作时，第一转向执行器24将水平旋转组件22转动至与安装平台11长度方向垂直的位置，从而两侧的轮足移动组件23之间的距离最远，此时越障支腿20对机器人的支撑最稳定，保证机器人不会向两侧倾倒。根据机器人移动的方向，第二转向执行器25驱动轮足移动组件23转动至对应的角度，行走执行器233驱动移动车轮232旋转，实现机器人的移动。

参照图3所示，当需要通过狭窄空间时，第一转向执行器24将水平旋转组件22转动至与安装平台11长度方向平行的位置，从而水平旋转组件22和轮足移动组件23位于安装平台11的投影范围内，机器人的宽度即为安装平台11的宽度，此时机器人的宽度最窄，保证能够通过狭窄空间。根据机器人移动的方向，第二转向执行器25驱动轮足移动组件23转动至对应的角度，行走执行器233驱动移动车轮232旋转，实现机器人在狭窄空间的移动。

参照图3-图5所示，当需要在狭窄空间越障时，第一转向执行器24将水平旋转组件22转动至与安装平台11长度方向平行的位置，第二转向执行器25驱动轮足移动组件23转动至移动方向，使机器人宽度最窄。前方的一对轮足移动组件23首先碰到障碍，对应的越障支腿20中的竖直提升组件21动作，使得轮足移动组件23抬离支撑面，此时中部和后方的四个越障支腿20仍接触支撑面，能够保证对机器人的支撑，行走执行器233驱动四个接触支撑面的移动车轮232转动，机器人前移。前方的轮足移动组件23越过障碍后，竖直提升组件21动作，使轮足移动组件23接触支撑面。随着机器人的前移，中间的一对轮足移动组件23遇到障碍，同样，对应越障支腿20中的竖直提升组件21动作，使得轮足移动组件23抬离支撑面，此时，前方和后方的四个越障支腿20仍接触支撑面，保证对机器人的支撑，行走执行器233驱动四个接触支撑面的移动车轮232转动，机器人前移。随着机器人的前移，中部的轮足移动组件23越过障碍并在竖直提升组件21的驱动下放下接触支撑面，后方的轮足移动组件23遇到障碍。同样，对应的竖直提升组件21动作，使得后方的轮足移动组件23抬升，前方和中部的四个轮足移动组件23接触支撑面，行走执行器233驱动四个移动车轮232转动，机器人前移，后方的轮足移动组件23越过障碍后放下接触支撑面，实现机器人整体的越障。有上述过程可知，机器人即使在遇到障碍时，也至少有四个越障支腿20支撑，保证机器人站立、移动的稳定。从而适用在具有长、深、窄且内部结构复杂等特征结构内的作业。且轮足移动组件23相对于全向轮，具有行走稳定性好的特点，满足作业需求。

在本发明的其他实施例中，还可以是在越障支腿20遇到障碍后再将对应的水平旋转组件22转动至与安装平台11长度方向平行的位置。当越障支腿20越过障碍后，水平旋转组件22再转回至与安装平台11长度方向垂直的位置。此种情况下，支撑机器人的四个越障支腿20始终处于展开状态，从而对机器人的支撑更稳定。

在本发明的其他实施例中，机器人在遇到障碍时，水平旋转组件22可以转动至移动方向的后方，从而在前方轮足移动组件23还未越过障碍，而中部的轮足移动组件23已经接触障碍时，可以利用第一转向执行器24将前方的水平旋转组件22转向移动方向的前方，从而对应的轮足移动组件23继续向前移动了一定距离，从而实现跨越宽度较大的障碍。

在本发明的其他实施例中，若越障支腿20在展开情况下遇到障碍，则判断轮足移动组件23内侧是否存在障碍，若不存在，可以直接利用第一转向执行器24驱动水平旋转组件22向内收束实现避障。同样的，在越障支腿20处于收束状态下遇到障碍，判断机器人两侧是否存在障碍，弱不存在，可以直接使轮足移动组件23向外展开实现避障。避障方式灵活，可以有效规避行走时遇到的地面障碍物。

参照图6所示，本实施例中，所述行走执行器输出端的中心轴线与所述移动车轮的中心轴线重合，所述第二转向执行器输出端的中心轴线位于所述移动车轮的中心面内，且所述行走执行器输出端的中心轴线与所述第二转向执行器的中心轴线垂直相交。从而轮足移动组件能够实现全方位移动和原地回转。又由于移动车轮和支撑面之间始终保持为线接触，因此相比传统意义的全向轮，本实施例中的移动车轮具有行走动态稳定性好的特点，从而机器人能够满足边行走边执行焊接等任务的稳定性要求。

进一步的，所述移动车轮232一侧可安装有可拆卸电磁铁234，电磁铁234对支撑面有磁吸附力，加强了机器人行走的稳定性以及在固定位姿时的稳定性。为不影响移动车轮232转动，电磁铁234与支撑面是非接触的，两者之间存在一定的气隙，即所述移动车轮232底部的高度低于所述电磁铁234底面的高度。防止电磁铁234完全贴附支撑面后与支撑面之间的摩擦力过大，导致机器人无法继续移动。具体的，电磁铁234通过连接板安装于车轮架231下端，安装方便。

作为本发明优选实施例，所述竖直提升组件21为音圈直线电机。音圈直线电机结构简单体积小、高加速、响应快，与安装平台11和水平旋转组件22的安装方便。当然，在本发明的其他实施例中，竖直提升组件还可以为其他直线升降机构，可以实现越障支腿伸缩，从而跨越箱梁结构中的隔板等障碍物。

参照图7所示，作为本发明优选实施例，所述躯干10还包括仓体12，用以容纳控制柜15。为了减小了机器人的体积，充分利用机器人现有的空间，所述仓体12由所述安装平台11在所述越障支腿20之间向下延伸形成。由于竖直提升组件21的设置，本身占用安装平台11下方一部分的空间，且前后两排竖直提升组件21之间存在较大闲置空间，因此将安装平台11向下延伸在相邻两排提升组件之间形成仓体12能够有效利用空间。由于安装平台11为板材，安装平台11向下延伸弯折形成仓体12后，仓体12两端开口，仓体12内的物体容易掉落，因此在所述安装平台11两侧设置有挡板13。挡板13与安装平台11组成船型躯干10，满足工作刚度要求和美观要求。进一步的，所述挡板13对应所述仓体12的位置设置有观察窗，方便查看控制柜15内的工作情况。为更好的对控制柜15形成保护，所述安装平台11上还安装有封闭所述仓体12的盖板14。

参照图1所示，作为本发明的优选实施例，为方便实时调整机器人的运动方向及姿态，所述安装平台11上设置有定位装置，所述定位装置包括安装在安装平台11端部的3D相机和雷达16，以及位于所述安装平台11中部的陀螺仪17。可以实现三维导航、避障，且陀螺仪17位于安装平台11中部，能够更好的感应机器人整体的姿态，防止机器人由于运动的不平衡造成倾倒等问题。

参照图8所示，在本发明中，所述安装平台11上安装有焊接机器人30。利用焊接机器人30实现在狭窄空间的自主焊接工作。本发明中通过3D相机、雷达16的信息采集，以及位于安装平台中部的陀螺仪，实现空间的三维重建和焊缝识别定位，通过控制柜15内部的控制器可以控制轮足越障机器人完成转向、行走、越障等动作，同时可以和自主焊接机器人进行通信，通过控制轮足越障机器人的行走速度和焊接机器人的焊接速度，完成狭窄空间内的自主焊接工作。为保证焊接质量，在自主焊接时，对越障机器人的动态稳定性要求高，而本发明中通过水平旋转组件和轮足移动组件的设置，充分保证了越障机器人的稳定性，同时还能通过越障支腿的伸缩，实现箱梁结构中隔板等障碍物的跨越。

参照图9所示，为保证焊接的安全，本实施例中机器人还包括焊接接地装置，所述焊接接地装置包括平台铜柱31和接地铜柱32，所述平台铜柱31连接于所述安装平台11一端，所述接地铜柱32通过接地气缸33连接于所述越障支腿20，所述接地气缸33一端与所述越障支腿20相连，另一端安装有所述接地铜柱32，所述平台铜柱31与所述接地铜柱32相连。焊接机器人30外壳与安装平台11相接，安装平台11通过平台铜柱31与接地铜柱32的相连最终实现接地。由于机器人是移动的，同时仅在焊接期间需要接地，故接地气缸33驱动接地铜柱32升降，以实现在焊接时接地，当机器人移动且不需要焊接时，接地气缸33驱动接地铜柱32提升，离开支撑面。进一步的，为保证接地铜柱32和支撑面的紧密接触，同时减缓接地铜柱32与支撑面接触时的冲击，所述接地气缸33的推杆端部与连接头34的大头端相连，所述接地铜柱32通过绝缘套套设于所述连接头34的小头端，所述连接头34的大头端与所述接地铜柱32之间设置有减震弹簧35。当接地气缸33将接地铜柱32推出，接地铜柱32接触支撑面，此时减震弹簧35被压缩，缓冲掉两者接触时的冲击。在焊接工作过程中，即使支撑面存在振动，由于减震弹簧35的伸缩，可以保证接地铜柱32与支撑面的紧密接触。更进一步的，由于支撑面不平整，同时焊接过程中可能需要移动，为了保证接地铜柱32与支撑面的接触，且在机器人移动时对支撑面的摩擦小，不会影响移动的进行，所述接地铜柱32包括铜柱壳体和球形铜柱36，所述铜柱壳体一端与所述接地气缸33相连，所述铜柱壳体另一端安装所述球形铜柱36。球形铜柱36与支撑面为点接触，即使支撑面不平整，也能保证球面上至少有一点与支撑面接触，且由于接触面积小，因此摩擦力小，不会影响机器人的移动。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (11)

1.适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，包括：

躯干，所述躯干包括安装平台；

越障支腿，所述越障支腿在所述安装平台下方两侧各设置有3个，每个所述越障支腿包括依次连接的竖直提升组件、水平旋转组件和轮足移动组件，所述水平旋转组件一端通过第一转向执行器与所述竖直提升组件转动连接，所述轮足移动组件通过第二转向执行器与所述水平旋转组件另一端转动连接；

所述轮足移动组件包括车轮架、移动车轮和行走执行器，所述第二转向执行器连接所述水平旋转组件和车轮架，所述车轮架固定连接所述行走执行器，所述移动车轮与所述行走执行器的驱动端相连。

2.根据权利要求1所述的适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，所述行走执行器输出端的中心轴线与所述移动车轮的中心轴线重合，所述第二转向执行器输出端的中心轴线位于所述移动车轮的中心面内，且所述行走执行器输出端的中心轴线与所述第二转向执行器的中心轴线垂直相交。

3.根据权利要求1所述的适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，所述移动车轮一侧装配有可拆卸电磁铁，所述移动车轮底部的高度低于所述电磁铁底面的高度。

4.根据权利要求1所述的适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，所述竖直提升组件为音圈直线电机。

5.根据权利要求1所述的适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，所述躯干还包括仓体，所述仓体由所述安装平台在所述越障支腿之间向下延伸形成，所述仓体内设置有控制柜。

6.根据权利要求5所述的适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，所述安装平台两侧设置有挡板，所述挡板对应所述仓体的位置设置有观察窗，所述安装平台上安装有封闭所述仓体的盖板。

7.根据权利要求1所述的适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，所述安装平台上设置有定位装置，所述定位装置包括安装在安装平台端部的3D相机和雷达，以及位于所述安装平台中部的陀螺仪。

8.根据权利要求1所述的适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，所述安装平台上安装有焊接机器人。

9.根据权利要求8所述的适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，还包括焊接接地装置，所述焊接接地装置包括平台铜柱和接地铜柱，所述平台铜柱连接于所述安装平台一端，所述接地铜柱通过接地气缸连接于所述越障支腿，所述接地气缸一端与所述越障支腿相连，另一端安装有所述接地铜柱，所述平台铜柱与所述接地铜柱相连。

10.根据权利要求9所述的适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，所述接地气缸的推杆端部与连接头的大头端相连，所述接地铜柱通过绝缘套套设于所述连接头的小头端，所述连接头的大头端与所述接地铜柱之间设置有减震弹簧。

11.根据权利要求9所述的适于狭窄空间的轮足越障机器人，其特征在于，所述接地铜柱包括铜柱壳体和球形铜柱，所述铜柱壳体一端与所述接地气缸相连，所述铜柱壳体另一端安装所述球形铜柱。

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