CN115027590A - 一种爬壁越障机器人及行走方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种爬壁越障机器人及行走方法，包括躯干本体以及：移动模块，所述移动模块沿所述躯干本体长度方向设置有三个，所述移动模块包括X向移动平台、Y向移动平台和Z向移动模组，所述Y向移动平台安装在所述躯干本体上，所述X向移动平台与所述Y向移动平台相连，所述X向移动平台连接有两个所述Z向移动模组，所述Z向移动模组分别位于所述躯干本体两侧；腿部模块，所述腿部模块包括连接臂和吸盘组件，所述吸盘组件通过连接臂与所述Z向移动模组相连。本发明仅通过升降平移实现机器人的活动，结构简单，成本低，行动灵活且控制简单。

Description

一种爬壁越障机器人及行走方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是指一种爬壁越障机器人及行走方法。

背景技术

当前，建筑物表面作业和船舶壁面作业主要以人工为主，一方面人工进行高空攀爬，危险性大，另一方面，人工攀爬作业效率低。采用爬壁机器人替换人工攀爬可以解决上述问题，但是现有的爬壁机器人，都不能很好地自适应曲面作业壁面，主要是相对固化的底盘吸附结构设计即履带式或轮式，机器人无法有效地贴合弯翘曲面，导致壁面接触面积小、接触不稳，存在易打滑、稳定性差等缺点，同时会造成吸附效率不足，无法获得较好地带负载能力，进而无法突破吸附力与自重的恶性循环，导致攀爬效率低，灵活性较差。

针对上述缺陷，市场上出现了多足机器人，但为实现多足机器人的移动，多足机器人关节设置复杂，步态难以调整，不易控制且成本高。

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多足爬壁机器人结构复杂、难以控制的缺陷，提供一种爬壁越障机器人及行走方法，通过升降平移实现机器人在平面内的灵活移动。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种爬壁越障机器人，包括躯干本体以及：

移动模块，所述移动模块沿所述躯干本体长度方向设置有三个，所述移动模块包括X向移动平台、Y向移动平台和Z向移动模组，所述Y向移动平台安装在所述躯干本体上，所述X向移动平台与所述Y向移动平台相连，所述X向移动平台连接有两个所述Z向移动模组，所述Z向移动模组分别位于所述躯干本体两侧；

腿部模块，所述腿部模块包括连接臂和吸盘组件，所述吸盘组件通过连接臂与所述Z向移动模组相连。

在本发明的一个实施例中，所述吸盘组件包括：

吸盘本体，所述吸盘本体为礼帽型结构，所述吸盘本体顶部设置有通气孔；

活塞，所述活塞与所述吸盘本体的内壁密封相接；

电液作动器，所述电液作动器穿过所述吸盘本体连接所述活塞。

在本发明的一个实施例中，所述连接臂包括大臂和连接头，所述大臂包括第一臂板和第二臂板，所述第一臂板和第二臂板通过连接板固定连接，所述连接头通过法兰固定于所述吸盘组件顶面，所述Z向移动模组和连接头分别被夹持在第一臂板和第二臂板之间。

在本发明的一个实施例中，所述X向移动平台和Y向移动平台包括两第一直线导轨，两所述第一直线导轨之间设置有第一丝杆组件，所述第一丝杆组件的螺母连接平台支撑板，所述平台支撑板的两侧与所述第一直线导轨滑动连接。

在本发明的一个实施例中，所述Z向移动模组包括连接柱、Z向支架和第二丝杆组件，所述连接柱一端与所述Z向移动平台相连，另一端连接所述Z向支架，所述Z向支架中部设置有第二直线导轨，所述第二丝杆组件安装于所述Z向支架上，所述吸盘组件连接所述第二丝杆组件的螺母及第二直线导轨。

在本发明的一个实施例中，所述Y向移动平台安装在所述躯干本体的上表面。

在本发明的一个实施例中，所述躯干本体上开设有若干减重孔。

爬壁越障机器人行走方法，前后移动时包括如下步骤：

与第一个移动模块相连的吸盘组件放开壁面，对应的Z向移动模组驱动腿部模块上升离开壁面，对应的Y向移动平台驱动腿部模块沿Y向移动设定距离，Z向移动模组驱动腿部模块使吸盘组件下降贴合壁面，吸盘组件吸附壁面，第二和第三个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

第二个移动模块驱动对应的腿部模块重复上述动作，第一和第三个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

第三个移动模块驱动对应的腿部模块重复上述动作，第一和第二个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

所有腿部模块保持对壁面的吸附状态，三个Y向移动平台驱动躯干本体沿Y向移动设定的距离；

循环前述动作。

在本发明的一个实施例中，左右移动时包括如下步骤：

与第一个移动模块相连的吸盘组件放开壁面，对应的Z向移动模组驱动腿部模块上升离开壁面，对应的X向移动平台驱动腿部模块沿X向移动设定距离，Z向移动模组驱动腿部模块使吸盘组件下降贴合壁面，吸盘组件吸附壁面，第二和第三个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

第二个移动模块驱动对应的腿部模块重复上述动作，第一和第三个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

第三个移动模块驱动对应的腿部模块重复上述动作，第一和第二个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

所有腿部模块保持对壁面的吸附状态，三个X向移动平台驱动躯干本体沿X向移动设定的距离；

循环前述动作。

在本发明的一个实施例中，任意吸盘组件在遇到障碍时，对应的Z向移动模组驱动腿部模块升高以避开障碍。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明所述的越障机器人，仅通过升降平移实现机器人的活动，结构简单，成本低，行动灵活；

本发明的行走方法，因为仅存在升降和平移，因此控制简单。

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是本发明的吸盘组件剖视图；

图3是本发明的腿部模块示意图；

图4是本发明的移动平台示意图；

图5是本发明的前进步态示意图；

图6是本发明的左右移动步态示意图；

图7是本发明的越障步态示意图。

说明书附图标记说明：100、躯干本体；

200、移动模块；210、X向移动平台；211、第一直线导轨；212、第一丝杆组件；213、平台支撑板；220、Y向移动平台；230、Z向移动模组；231、连接柱；232、Z向支架；233、第二丝杆组件；234、第二直线导轨；

300、腿部模块；310、连接臂；311、大臂；312、第一臂板；313、第二臂板；314、连接板；315、连接头；320、吸盘组件；321、吸盘本体；322、通气孔；323、密封腔；324、调节腔；325、活塞；326、电液作动器。

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，本发明的一种爬壁越障机器人整体结构示意图。本发明的爬壁越障机器人包括躯干本体100，躯干本体100用于连接多个腿部模块300以形成机器人整体。本实施例中，为了减轻机器人的重量，在所述躯干本体100上开设有若干减重孔。机器人还包括：

移动模块200，用于控制腿部模块300的动作。所述移动模块200沿所述躯干本体100长度方向设置有三个，从而实现腿部模块300的分别控制。所述移动模块200包括X向移动平台210、Y向移动平台220和Z向移动模组230，所述Y向移动平台220安装在所述躯干本体100上，所述X向移动平台210与所述Y向移动平台220相连，所述X向移动平台210连接有两个所述Z向移动模组230，所述Z向移动模组230分别位于所述躯干本体100两侧。由于两个Z向移动模组230沿X向设置在躯干本体100两侧，若将X向移动平台210与躯干本体100相连，Y向移动平台220与X向移动平台210相连，则Y向移动平台220的宽度较窄，不方便连接Z向移动模组230。故本实施例中将Y向移动平台220安装在躯干本体100上，带动X向移动平台210移动，X向移动平台210直接驱动Z向移动模组230。与同一个X向移动平台210相连的两个Z向移动模组230在Y向和X向的动作同步，在Z向的动作可以不同步。当然，在本发明的其他实施例中也可以是X向移动平台210安装在躯干本体100上。为方便安装清洁壁面的装置，本实施例中，将所述Y向移动平台220安装在所述躯干本体100的上表面。从而清洁装置能够安装在躯干本体100面向壁面的一侧。

腿部模块300，所述腿部模块300包括连接臂310和吸盘组件320，吸盘组件320用于吸附壁面，从而实现机器人在竖直壁面上的固定，又由于吸盘组件320的安装方向与Z向移动模组230的方向不一致，因此所述吸盘组件320通过连接臂310与所述Z向移动模组230相连。

初始状态时，6个连接臂310移动到Z向移动模组230的下部，吸盘组件320均吸附在壁面上。移动时，机器人根据目标位置确定沿X向和Y向分别移动的距离。向Y向移动时，与第一个Y向移动平台220相连的一对吸盘组件320放开壁面，从而Z向移动模组230能够带动腿部模块300上升离开壁面，Y向移动平台220驱动Z向移动模组230沿Y向移动，而后Z向移动模组230下降，使吸盘组件320吸附壁面，实现腿部模块300在Y向的移动。由于在移动过程中，另外四个吸盘组件320始终处于吸附固定状态，因此即使有两个吸盘组件320未吸附，依然能够保证机器人在壁面上的稳固。同时在此过程中吸盘组件320处于抬高状态，因此即使壁面存在障碍，吸盘组件320直接从其上方越过，不会对机器人的移动造成阻碍。当第一对腿部模块300完成移动后，第二对腿部模块300和第三对腿部模块300依次执行与第一对腿部模块300相同的动作，实现第二对腿部模块300和第三对腿部模块300在Y向的移动。在所有腿部模块300均移动后，吸盘组件320均与壁面吸附固定，而后躯干模块在三个Y向移动平台220的驱动下同向移动，实现机器人整体在Y向的移动。同样，向X向移动时，与第一个X向移动平台210相连的一对吸盘组件320放开壁面，从而Z向移动模组230能够带动腿部模块300上升离开壁面，X向移动平台210驱动Z向移动模组230沿X向移动，而后Z向移动模组230下降，使吸盘组件320吸附壁面，实现腿部模块300在X向的移动。当第一对腿部模块300完成移动后，第二对腿部模块300和第三对腿部模块300依次执行与第一对腿部模块300相同的动作，实现第二对腿部模块300和第三对腿部模块300在X向的移动。在所有腿部模块300均移动后，吸盘组件320均与壁面吸附固定，而后躯干模块在三个X向移动平台210的驱动下同向移动，实现机器人整体在X向的移动。利用机器人在X向和Y向的任意移动，使得机器人能够到达平面内的任意位置。本实施例中，为提高机器人的移动速度，在正常移动时，Z向移动模组230驱动腿部模块300抬升较小距离，使吸盘组件320脱离壁面即可，从而吸盘组件320抬升、放下所需时间短，适于快速移动；而在遇到障碍时，Z向移动模组230驱动腿部模块300抬升较大距离，保证吸盘组件320从障碍上方越过。

参照图2所示，为本发明的吸盘组件320剖视图。所述吸盘组件320包括：

吸盘本体321，所述吸盘本体321为礼帽型结构，所述吸盘本体321顶部设置有通气孔322。吸盘本体321内部为圆柱形空腔，从而活塞325能够在吸盘本体321内上下移动。

活塞325，所述活塞325与所述吸盘本体321的内壁密封相接。从而活塞325将吸盘本体321内部分隔为两个腔室，吸盘本体321下部分与活塞325及吸附表面围成密封腔323，吸盘本体321上部分与活塞325围成调节腔324。当吸盘本体321贴附在墙壁表面，活塞325向调节腔324的方向移动，密封腔323的体积增大，而腔内无新的气体进入，因此密封腔323内气压减小，形成负压，从而吸盘组件320能够吸附在壁面上。而调节腔324通过通气孔322与外界连通，随着体积的减小，多余的气体从通气孔322排出，保证其内部压强与大气压相同。当吸盘组件320脱离壁面，活塞325向密封腔323的方向移动，密封腔323的体积减小，气压增加，负压状态被破坏，从而吸盘组件320无法继续吸附壁面。同时，由于密封腔323不可能保证完全密封，因此在吸盘组件320吸附壁面的过程中，活塞325能够始终向调节腔324移动以保持密封腔323的负压状态，增加吸盘组件320的吸附时长。

为了调节活塞325的位置，本实施例中采用电液作动器326，所述电液作动器326穿过所述吸盘本体321连接所述活塞325。电液作动器326体积小，不会增加腿部模块300的体积，且方便安装及控制。

参照图3所示，所述连接臂310包括大臂311和连接头315，鉴于大臂311尺寸较大，因此通过连接头315的设置以方便连接吸盘组件320。吸盘组件320的安装方向朝向Z向，而Z向移动模组230的安装位置朝向X向，因此大臂311的两端互相垂直，大臂311中部倾斜向外设置，以连接两端，此时大臂311向外展，从而对机器人的支撑更加稳定。为了减轻大臂311的重量且方便制造，提高机器人的灵活性，所述大臂311包括第一臂板312和第二臂板313，所述第一臂板312和第二臂板313通过连接板314固定连接。同时大臂311与Z向模组和连接头315的连接方便，Z向移动模组230和连接头315分别被夹持在第一臂板312和第二臂板313之间，而所述连接头315通过法兰固定于所述吸盘组件320顶面。由于电液作动器326也安装在吸盘组件320顶面，故连接头315设置为中空柱体，从而电液作动器326能够插入连接头315内部。

参照图4所示，所述X向移动平台210和Y向移动平台220均包括两第一直线导轨211，两所述第一直线导轨211之间设置有第一丝杆组件212，所述第一丝杆组件212的螺母连接平台支撑板213，所述平台支撑板213的两侧与所述第一直线导轨211滑动连接。平台支撑板213由第一丝杆组件212驱动，两第一直线导轨211对平台支撑板213形成支撑，保证平台支撑板213移动时的平稳。参照图3所示，所述Z向移动模组230包括连接柱231、Z向支架232和第二丝杆组件233，所述连接柱231一端与所述Z向移动平台相连，另一端连接所述Z向支架232，从而使两Z向支架232位于躯干本体100两侧。由于Z向支架232宽度较窄，因此在所述Z向支架232中部设置有第二直线导轨234，所述第二丝杆组件233支撑于所述Z向支架232上，所述吸盘组件320连接所述第二丝杆组件233的螺母及第二直线导轨234。

参照图5所示，为本发明机器人前后行走状态示意图。具体的，本发明的爬壁越障机器人行走方法，在前后移动时包括如下步骤：

与第一个移动模块200相连的吸盘组件320放开壁面，即电液作动器326推动活塞325向密封腔323的方向移动，使得密封腔323的气压增加，从而吸盘组件320不再吸附壁面。而后对应的Z向移动模组230驱动腿部模块300上升离开壁面，对应的Y向移动平台220驱动X向移动平台210，带动与其相连的Z向移动模组230和腿部模块300沿Y向移动设定距离。此时腿部模块300在Y向产生位移。其次，Z向移动模组230驱动腿部模块300使吸盘组件320下降贴合壁面，吸盘组件320吸附壁面，完成与第一个移动模块200相连的腿部模块300在Y向的移动。在此过程中，第二和第三个移动模块200对应的腿部模块300保持对壁面的吸附状态，即在机器人移动过程中至少有四个腿部模块300对机器人形成支撑，从而即使有一对腿部模块300未提供支撑，仍能够保证机器人的稳定。

而后第二个移动模块200驱动对应的腿部模块300重复上述动作，实现另一对腿部模块300的移动，此时第一和第三个移动模块200对应的腿部模块300保持对壁面的吸附状态，以保证机器人的稳定。

最后，第三个移动模块200驱动对应的腿部模块300重复上述动作，实现全部腿部模块300的移动，此时第一和第二个移动模块200对应的腿部模块300保持对壁面的吸附状态，以保证机器人的稳定。

此时虽然机器人的腿部模块300均移动，但机器人的躯干仍处于原位。故所有腿部模块300保持对壁面的吸附状态，三个Y向移动平台220同时驱动躯干本体100沿Y向移动设定的距离，实现机器人整体的移动。

在机器人未达到目标位置的情况下，循环前述动作，直至机器人达到前进的目标点。

进一步的，参照图6所示，为本发明机器人左右行走步态示意图。本发明的机器人左右移动时包括如下步骤：

与第一个移动模块200相连的吸盘组件320放开壁面，对应的Z向移动模组230驱动腿部模块300上升离开壁面，从而使腿部模块300能够自由移动，对应的X向移动平台210驱动腿部模块300沿X向移动设定距离，Z向移动模组230驱动腿部模块300使吸盘组件320下降贴合壁面，吸盘组件320吸附壁面，实现腿部模块300在X向的移动。此时第二和第三个移动模块200对应的腿部模块300保持对壁面的吸附状态。

第二个移动模块200驱动对应的腿部模块300重复上述动作，第一和第三个移动模块200对应的腿部模块300保持对壁面的吸附状态；

第三个移动模块200驱动对应的腿部模块300重复上述动作，第一和第二个移动模块200对应的腿部模块300保持对壁面的吸附状态；实现所有腿部模块300的移动。

最后，所有腿部模块300保持对壁面的吸附状态，三个X向移动平台210驱动躯干本体100沿X向移动设定的距离，完成机器人整体的移动。

在机器人未达到目标位置的情况下，循环前述动作，直至机器人达到左右移动的目标点。

参照图7所示，每个腿部模块300都能够单独升降，故任意吸盘组件320在遇到障碍时，对应的Z向移动模组230驱动吸盘组件320升高以避开障碍，灵活性高。

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 (10)

1.一种爬壁越障机器人，其特征在于，包括躯干本体以及：

移动模块，所述移动模块沿所述躯干本体长度方向设置有三个，所述移动模块包括X向移动平台、Y向移动平台和Z向移动模组，所述Y向移动平台安装在所述躯干本体上，所述X向移动平台与所述Y向移动平台相连，所述X向移动平台连接有两个所述Z向移动模组，所述Z向移动模组分别位于所述躯干本体两侧；

腿部模块，所述腿部模块包括连接臂和吸盘组件，所述吸盘组件通过连接臂与所述Z向移动模组相连。

2.根据权利要求1所述的一种爬壁越障机器人，其特征在于，所述吸盘组件包括：

吸盘本体，所述吸盘本体为礼帽型结构，所述吸盘本体顶部设置有通气孔；

活塞，所述活塞与所述吸盘本体的内壁密封相接；

电液作动器，所述电液作动器穿过所述吸盘本体连接所述活塞。

3.根据权利要求1所述的一种爬壁越障机器人，其特征在于，所述连接臂包括大臂和连接头，所述大臂包括第一臂板和第二臂板，所述第一臂板和第二臂板通过连接板固定连接，所述连接头通过法兰固定于所述吸盘组件顶面，所述Z向移动模组和连接头分别被夹持在第一臂板和第二臂板之间。

4.根据权利要求1所述的一种爬壁越障机器人，其特征在于，所述X向移动平台和Y向移动平台包括两第一直线导轨，两所述第一直线导轨之间设置有第一丝杆组件，所述第一丝杆组件的螺母连接平台支撑板，所述平台支撑板的两侧与所述第一直线导轨滑动连接。

5.根据权利要求1所述的一种爬壁越障机器人，其特征在于，所述Z向移动模组包括连接柱、Z向支架和第二丝杆组件，所述连接柱一端与所述Z向移动平台相连，另一端连接所述Z向支架，所述Z向支架中部设置有第二直线导轨，所述第二丝杆组件安装于所述Z向支架上，所述吸盘组件连接所述第二丝杆组件的螺母及第二直线导轨。

6.根据权利要求1所述的一种爬壁越障机器人，其特征在于，所述Y向移动平台安装在所述躯干本体的上表面。

7.根据权利要求1所述的一种爬壁越障机器人，其特征在于，所述躯干本体上开设有若干减重孔。

8.爬壁越障机器人行走方法，其特征在于，前后移动时包括如下步骤：

与第一个移动模块相连的吸盘组件放开壁面，对应的Z向移动模组驱动腿部模块上升离开壁面，对应的Y向移动平台驱动腿部模块沿Y向移动设定距离，Z向移动模组驱动腿部模块使吸盘组件下降贴合壁面，吸盘组件吸附壁面，第二和第三个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

第二个移动模块驱动对应的腿部模块重复上述动作，第一和第三个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

第三个移动模块驱动对应的腿部模块重复上述动作，第一和第二个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

所有腿部模块保持对壁面的吸附状态，三个Y向移动平台驱动躯干本体沿Y向移动设定的距离；

循环前述动作。

9.根据权利要求8所述的爬壁越障机器人行走方法，其特征在于，左右移动时包括如下步骤：

与第一个移动模块相连的吸盘组件放开壁面，对应的Z向移动模组驱动腿部模块上升离开壁面，对应的X向移动平台驱动腿部模块沿X向移动设定距离，Z向移动模组驱动腿部模块使吸盘组件下降贴合壁面，吸盘组件吸附壁面，第二和第三个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

第二个移动模块驱动对应的腿部模块重复上述动作，第一和第三个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

第三个移动模块驱动对应的腿部模块重复上述动作，第一和第二个移动模块对应的腿部模块保持对壁面的吸附状态；

所有腿部模块保持对壁面的吸附状态，三个X向移动平台驱动躯干本体沿X向移动设定的距离；

循环前述动作。

10.根据权利要求8所述的爬壁越障机器人行走方法，其特征在于，任意吸盘组件在遇到障碍时，对应的Z向移动模组驱动腿部模块升高以避开障碍。

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