CN115180040A - 一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人 - Google Patents
一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及爬壁机器人技术领域，其目的在于提供了一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，包括机身、变向装置、旋翼推力装置、移动装置和抓附装置，所述安装在机身上的两组移动装置可以实现前后两个方向的移动，安装在移动装置上的两组抓附装置可以实现在粗糙壁面上的抓附与脱附，安装在机身上的变向装置可以实现机身前半身向左和向右偏转变向，使得爬壁机器人移动时可以实现变向，安装在机身背部的旋翼推力装置可以提供给爬壁机器人压紧壁面的压力，使得抓附装置上的爪刺更深的刺入壁面中，在各个装置的配合与控制下，本发明在各种粗糙面上均具有稳定抓附、轻松脱附、变向灵活和快速移动的特点，具有良好的环境适应能力和爬行能力。
Description
技术领域
本发明属于爬壁机器人技术领域，具体涉及一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人。
背景技术
爬壁机器人的应用从船舶、桥梁、罐体和建筑的检测侦察，到灾区救援，再到玻璃幕墙和风机塔筒的清洗，其中大多数环境为粗糙壁面，所以能够在粗糙壁面上爬行的机器人具有广泛的应用前景。在自然界中很多动物都具有壁面爬行能力，动物足部粘附结构中应用最广泛的是爪和倒刺，仿生爪刺抓附以机械锁合的方式勾抓在坚硬的粗糙壁面上或刺入柔软的表面来实现附着功能，而其中稳定抓附和轻松脱附是实现高效爬行的关键。
目前，大多数仿生爪刺式爬壁机器人采用刚性爪刺结构，除了可能对壁面造成刮伤和对爪刺造成磨损外，还会由于粗糙壁面的形貌和凹凸分布情况复杂，使得爪刺与壁面的有效接触面积大小变化不定，容易出现抓附失效现象；其次，在爪刺稳定抓附在壁面上时，进行下一步行进时存在着脱附困难的问题，而且现有技术中大部分爪刺式爬壁机器人只是克服重力向上爬行，弱化了多方向移动和变向的能力，以上这些问题都制约着爬壁机器人的发展与应用。例如申请号为201910381440.9的中国发明专利公开了一种爪刺对抓式履带爬壁机器人，其采用刚性对抓式结构，抓附面积小且无法轻松脱附；其次该爬壁机器人没有变向结构，只能实现壁面的直线向上爬行，适用性和使用灵活度较低。因此，开发一种具有稳定抓附、轻松脱附、多方向移动和变向功能的爬壁机器人具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，包括机身1，所述机身1腰部设置有变向装置4，机身1背部设置有旋翼推力装置5，机身1的前后两侧均安装有移动装置3，移动装置3包括两个相互连接的抓盘座26，抓盘座 26上固定安装有抓附装置2，所述机身1腹部安装有为变向装置4和移动装置3 提供动力的动力源。
所述机身1包括两个相互连接的碳纤维板，两个碳纤维板的连接处均设置有安装孔，安装孔上插入设置有用于两个碳纤维板相互连接的转向轴6。
所述两个抓盘座26分别安装在从动轴24的两端，从动轴24中部安装有从动轴座25，从动轴座25固定连接在机身1上。
所述两组移动装置3上的从动轴24均通过同步带23与主动轴24相连接，主动轴24安装在主动轴座22上，主动轴24的输入端通过主动轴联轴器20与减速电机19相连接，减速电机19安装在主动轴座22侧面，主动轴座22固定安装在机身1上。
所述抓附装置2包括步进电机7、抓盘支架8、丝杠轴9、丝杠轴联轴器10、螺母滑块11、动力盘12、连杆13、爪刺盘14和弹性爪，步进电机7安装在抓盘支架8上，抓盘支架8顶端插入安装在抓盘座26上，所述步进电机7的输出端通过丝杠轴联轴器10与丝杠轴9相连接，丝杠轴9上螺纹安装有螺母滑块11，螺母滑块11上安装有动力盘12，动力盘12侧边通过连杆13与爪刺盘14相连接，爪刺盘14通过其顶部的圆孔连接在抓盘支架8上伸出的六根圆轴上，所述爪刺盘14上设置有若干个安装孔，安装孔上固定安装有若干个弹性爪。
所述弹性爪包括弹性爪刺筒15和连接在弹性爪刺筒上的弹性爪刺盖16，弹性爪刺筒15内部从内到外依次安装有弹簧17和爪刺8，爪刺8的末端贯穿弹性爪刺盖16并位于弹性爪刺筒15外部。
所述安装孔的轴线与爪刺盘14的底部夹角为60度。
所述每个抓盘支架8上安装有六个爪刺盘14，六个爪刺盘14阵列分布在抓盘支架8周围。
所述变向装置4包括舵机27、舵机摆臂28和变向拉杆29，所述舵机27安装在机身1后半部分左侧，舵机摆臂28与舵机27轴连接，变向拉杆29一端连接在舵机摆臂28上，另一端连接在机身1前半部分左下侧。
所述旋翼推力装置5包括无刷电机30、无刷电机座31和旋翼叶片32，所述无刷电机座31安装在机身1后半部分背部，无刷电机30安装在无刷电机座 31上，旋翼叶片32安装在无刷电机30上。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1)本发明通过采用弹性爪刺结构，可以增大爪刺抓盘与粗糙壁面的有效接触面积，增加抓附装置的抓附力；
2)本发明通过采用双滑块机构的对心爪刺抓盘，抓盘可以沿中心轴线运动，实现抓附装置的稳定抓附和轻松脱附，提高了爬壁机器人的抓附稳定性和移动流畅性；
3)本发明采用平行四边形机构的移动装置和腰部拉杆变向装置，使得爬壁机器人具有快速移动和灵活变向的功能，提高了对环境的适应性和使用灵活度；
4)本发明采用的旋翼推力装置，能够通过增加爬壁机器人对壁面的正压力，显著提高抓附装置的抓附效率。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
图2为本发明实施例的俯视图。
图3为本发明实施例的仰视图。
图4为本发明实施例的对心抓盘的结构示意图。
图5为本发明实施例的弹性爪刺的结构示意图。
图6为本发明实施例的移动装置的结构示意图。
图7为本发明实施例的变向装置的结构示意图。
图8为本发明实施例的旋翼推力装置的结构示意图。
图9为本发明实施例的各工作过程示意图。
附图序号及名称：机身1、抓附装置2、移动装置3、变向装置4、旋翼推力装置5、转向轴6、步进电机7、抓盘支架8、丝杠轴9、丝杠轴联轴器10、螺母滑块11、动力盘12、连杆13、爪刺盘14、弹性爪刺筒15、弹性爪刺盖16、弹簧17、爪刺18、减速电机19、主动轴联轴器20、主动轴21、主动轴座22、同步带23、从动轴24、从动轴座25、抓盘座26、舵机27、舵机摆臂28、变向拉杆29、无刷电机30、无刷电机座31、旋翼叶片32、壁面33。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-3和图6-8所示，本发明所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，整体由机身1、两组抓附装置2、两组移动装置3、变向装置4和旋翼推力装置5构成。机身1腰部设置有变向装置4，机身1背部安装有旋翼推力装置5，机身1的前后两侧均安装有移动装置3，移动装置3包括两个相互连接的抓盘座26，抓盘座26上固定安装有抓附装置2，机身1腹部安装有用于为变向装置4和移动装置3提供动力的动力源。
所述机身1由两块碳纤维板相互连接而成，两块碳纤维板的连接处均设置有尺寸相同的安装孔，安装孔上插入设置有用于两个碳纤维板相互连接的转向轴6，机身1背部安装旋翼推力装置5的无刷电机座31，机身1腹部安装变向装置4的舵机27和移动装置3的主动轴座22。
如图1-6所示，所述移动装置3包括减速电机19、主动轴联轴器20、主动轴21、主动轴座22、同步带23、从动轴24、从动轴座25和抓盘座26，所述减速电机19安装在主动轴座22侧面，主动轴21安装在主动轴座22上，主动轴 21和减速电机19通过主动轴联轴器20进行连接，所述从动轴座25共两个，分别安装在机身1底部的前后两侧，所述从动轴24共四根，分别每两根为一组安装在从动轴座25上，所述抓盘座26共四个，分别每两个为一组安装在从动轴24两端，通过所述从动轴座25、从动轴24、抓盘座26构成平行四边形连杆机构，主动轴21与从动轴24通过同步带23进行连接，通过减速电机19的正反转实现机器人的前进与后退。
如图4-5所示，所述抓附装置2包括步进电机7、抓盘支架8、丝杠轴9、丝杠轴联轴器10、螺母滑块11、动力盘12、连杆13、爪刺盘14和弹性爪，所述步进电机7安装在抓盘支架8上，步进电机7的输出端通过丝杠轴联轴器10 与丝杠轴9相连接，丝杠轴9上螺纹安装有螺母滑块11，螺母滑块11上安装有动力盘12，动力盘12侧边通过连杆13与爪刺盘14相连接，爪刺盘14通过其顶部的圆孔连接在抓盘支架8上伸出的六根圆轴上，所述动力盘12、抓盘支架8、丝杠轴9、螺母滑块11、连杆13与爪刺盘14构成一组双滑块机构，在每个抓附装置2上共有六组，通过步进电机7提供动力带动爪刺盘14在抓盘支架8 上伸出的六根圆轴上做直线运动；所述爪刺盘14上设置有若干个安装孔，安装孔上固定安装有若干个弹性爪，所述安装孔的轴线与爪刺盘14的底部夹角为 60度。
所述弹性爪包括弹性爪刺筒15和连接在弹性爪刺筒上的弹性爪刺盖16，弹性爪刺筒15内部从内到外依次安装有弹簧17和爪刺8，爪刺8的末端贯穿弹性爪刺盖16并位于弹性爪刺筒15外部。
所述每个抓盘支架8上安装有六个爪刺盘14，六个爪刺盘14阵列分布在抓盘支架8周围，通过步进电机7带动双滑块机构的运动可以实现抓附装置2的抓附与脱附功能。
如图7所示，所述变向装置4包括舵机27、舵机摆臂28和变向拉杆29，所述舵机27安装在机身1后半部分左侧，舵机摆臂28与舵机27轴连接，变向拉杆29一端连接在舵机摆臂28上，另一端连接在机身1前半部分左下侧，通过控制所述舵机27带动变向拉杆29实现机身1前半部分的左右两侧偏转，在移动装置3移动时实现变向功能。
如图8所示，所述旋翼推力装置5包括无刷电机30、无刷电机座31和旋翼叶片32，所述无刷电机座31安装在机身1后半部分背部，无刷电机30安装在无刷电机座31上，旋翼叶片32安装在无刷电机30上，通过无刷电机30带动旋翼叶片32高速旋转，旋翼叶片32产生对机身1的推力，增加机器人对壁面 33的正压力，确保抓附装置2产生足够的抓附力。
如图9所示，本发明所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人的工作过程如下：
a.抓附阶段，调节爬壁机器人的移动装置3使得四个抓附装置2的爪刺18 面处于同一平面，然后将其置于壁面33上，通过人力向垂直壁面33内侧方向压紧爬壁机器人，此时同时控制四个步进电机7旋转带动螺母滑块11向靠近抓盘支架8侧移动，使得每个抓附装置2上的六个爪刺盘14向中心轴线靠近，此时四个抓附装置2通过爪刺18抓附在壁面33上，然后控制四个步进电机7 停止，人施加压力取消，最后启动无刷电机30带动旋翼叶片32高速旋转，使得旋翼推力装置5产生压紧壁面33的力，此时爬壁机器人在壁面33上处于初始静止抓附阶段。
b.移动阶段，在开始时爬壁机器人四个抓附装置2都抓附在壁面33上，旋翼推力装置5给爬壁机器人提供压紧壁面33的力，首先控制爬壁机器人右前侧和左后侧的两个抓附装置2中的步进电机7旋转带动螺母滑块11向远离抓盘支架8的一侧移动，使得右前侧和左后侧的两个抓附装置2上的六个爪刺盘14向中心轴线远离，此时右前侧和左后侧的两个抓附装置2完成脱附，然后控制步进电机7停止，此时爬壁机器人处于移动阶段初始状态，启动减速电机19使得爬壁机器人向前移动，此时通过同步带23带动从动轴24转动，爬壁机器人右前侧和左后侧的两个抓附装置2抬起向前移动，当移动到贴紧壁面33时，停止减速电机19，此时控制爬壁机器人右前侧和左后侧的两个抓附装置2中的步进电机7完成抓附过程，控制爬壁机器人右后侧和左前侧的两个抓附装置2中的步进电机7完成脱附过程，然后启动减速电机19使得爬壁机器人向前移动，爬壁机器人右后侧和左前侧的两个抓附装置2抬起向前移动，当移动到贴紧壁面 33时，停止减速电机19，然后再进行相应抓附装置2的抓附与脱附，依次循环，使得爬壁机器人可以实现在壁面33上的抓附与移动，在爬壁机器人后退时与前进时类似。
c.变向阶段，在爬壁机器人需要向右侧变向时，调节爬壁机器人的移动装置3使得四个抓附装置2的爪刺18面处于同一平面，旋翼推力装置5继续提供给爬壁机器人提供压紧壁面33的力，控制爬壁机器人右后侧和左后侧的两个抓附装置2处于抓附状态，控制爬壁机器人右前侧和左前侧的两个抓附装置2处于脱附状态，控制舵机27通过舵机摆臂28带动变向拉杆29使得爬壁机器人前半机身1向右侧偏转，爬壁机器人实现向右侧变向，此时由于同步带23是弹性可变形材料，同步带23小角度折弯移动装置3仍可正常运行，然后调节爬壁机器人右前侧的抓附装置2处于抓附状态，爬壁机器人右后侧的抓附装置2处于脱附状态，使得爬壁机器人处于移动阶段初始状态，启动移动装置3即可实现向右侧移动变向，同理，爬壁机器人需要向左侧变向时与此类似。
Claims (10)
1.一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，其特征在于，包括机身(1)，所述机身(1)腰部设置有变向装置(4)，机身(1)背部设置有旋翼推力装置(5)，机身(1)的前后两侧均安装有移动装置(3)，移动装置(3)包括两个相互连接的抓盘座(26)，抓盘座(26)上固定安装有抓附装置(2)，所述机身(1)腹部安装有为变向装置(4)和移动装置(3)提供动力的动力源。
2.根据权利要求1所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，其特征在于：所述机身(1)包括两个相互连接的碳纤维板，两个碳纤维板的连接处均设置有安装孔，安装孔上插入设置有用于两个碳纤维板相互连接的转向轴(6)。
3.根据权利要求1所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，其特征在于：所述两个抓盘座(26)分别安装在从动轴(24)的两端，从动轴(24)中部安装有从动轴座(25)，从动轴座(25)固定连接在机身(1)上。
4.根据权利要求3所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，其特征在于：所述两组移动装置(3)上的从动轴(24)均通过同步带(23)与主动轴(21)相连接，主动轴(21)安装在主动轴座(22)上，主动轴(21)的输入端通过主动轴联轴器(20)与减速电机(19)相连接，减速电机(19)安装在主动轴座(22)侧面，主动轴座(22)固定安装在机身(1)上。
5.根据权利要求1所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，其特征在于：所述抓附装置(2)包括步进电机(7)、抓盘支架(8)、丝杠轴(9)、丝杠轴联轴器(10)、螺母滑块(11)、动力盘(12)、连杆(13)、爪刺盘(14)和弹性爪，步进电机(7)安装在抓盘支架(8)上，抓盘支架(8)顶端插入安装在抓盘座(26)上，所述步进电机(7)的输出端通过丝杠轴联轴器(10)与丝杠轴(9)相连接，丝杠轴(9)上螺纹安装有螺母滑块(11)，螺母滑块(11)上安装有动力盘(12)，动力盘(12)侧边通过连杆(13)与爪刺盘(14)相连接，爪刺盘(14)通过其顶部的圆孔连接在抓盘支架(8)上伸出的六根圆轴上，所述爪刺盘(14)上设置有若干个安装孔，安装孔上固定安装有若干个弹性爪。
6.根据权利要求5所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，其特征在于：所述弹性爪包括弹性爪刺筒(15)和连接在弹性爪刺筒上的弹性爪刺盖(16)，弹性爪刺筒(15)内部从内到外依次安装有弹簧(17)和爪刺8，爪刺8的末端贯穿弹性爪刺盖(16)并位于弹性爪刺筒(15)外部。
7.根据权利要求6所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，其特征在于：所述安装孔的轴线与爪刺盘(14)的底部夹角为60度。
8.根据权利要求7所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，其特征在于：所述每个抓盘支架(8)上安装有六个爪刺盘(14)，六个爪刺盘(14)阵列分布在抓盘支架(8)周围。
9.根据权利要求1所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，其特征在于：所述变向装置(4)包括舵机(27)、舵机摆臂(28)和变向拉杆(29)，所述舵机(27)安装在机身(1)后半部分左侧，舵机摆臂(28)与舵机(27)轴连接，变向拉杆(29)一端连接在舵机摆臂(28)上，另一端连接在机身(1)前半部分左下侧。
10.根据权利要求1所述的一种基于弹性爪刺与对心抓盘的仿生足式爬壁机器人，其特征在于：所述旋翼推力装置(5)包括无刷电机(30)、无刷电机座(31)和旋翼叶片(32)，所述无刷电机座(31)安装在机身(1)后半部分背部，无刷电机(30)安装在无刷电机座(31)上，旋翼叶片(32)安装在无刷电机(30)上。
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