CN117163176A - 一种爬行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种爬行机器人。包括径向收放部和轴向的移动部，径向收放部包括两个带有弹性结构的收放环，移动部连接在两个收放环之间，收放环用于爬行机构的抬、伸足动作；移动部用于爬行机构的行进移动。带有弹性结构的收放环实现爬行机构的行走动作，可适应各种大小不同的活动空间，通过能力强，可在一定程度内承受外力挤压。

Description

一种爬行机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种爬行机器人。

背景技术

随着科技的不断进步，各类机器人在制造、服务、探测、救援等领域不断被开发应用，爬行机器人可适应于如各种管道类等狭小空间的探测、侦查、救援等场景，但现有爬行机器人通常为刚性结构，狭小空间的穿越能力有限，复杂空间适应能力差，外力下的抗压、抗弯能力有限。中国专利公开号：CN112728291B一种管道内壁探伤爬行机器人及其使用方法，通过电机驱动丝杠从而带动螺母移动，然后推动连杆改变主动曲柄和从动曲柄支撑角度来调整履带足的张合角度，虽然能适应不同的管径。但其采用的履带式三轮腿结构抵抗外力的能力有限，存在多处滚动、滑动部位，造成使用环境受限，维护成本高。同时，现有爬行机器人竖直空间行进中如果失去动力，机器人容易发生滑落，没有很好的位置保持能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供了一种爬行机构及一种爬行机器人，采用带有弹性结构的收放环实现爬行机构的行走动作，解决了现有爬行机构复杂空间适应能力差，外力下的抗压抗弯能力有限等问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种爬行机构，包括径向收放部和轴向的移动部，径向收放部包括两个带有弹性结构的收放环，移动部连接在两个收放环之间，收放环用于爬行机构的抬、伸足动作；移动部用于爬行机构的行进移动。

进一步优化本技术方案，收放环为不等径的螺旋状，螺旋状的收放环中心小直径端连接有旋转轴，螺旋状的收放环外周大直径端连接有机架，旋转轴的旋转带动收放环收缩或扩张。

进一步优化本技术方案，收放环为平面螺旋的涡卷状。

进一步优化本技术方案，同一个旋转轴连接一个径向收放部的两个收放环，同一个径向收放部中的两个收放环螺旋旋向相反；

旋转轴单方向旋转时，其中一个收放环径向收缩，另一个收放环径向扩张。

进一步优化本技术方案，移动部包括轴向伸缩的气囊，同一个径向收放部中的两个收放环分别为定环和动环，定环的小径端在旋转轴中同轴固定，动环的小径端在旋转轴的花键部中滑动连接，定环和动环内侧相对的设有连接盘，气囊设置在两个连接盘之间，气囊通过控制阀连接有气源。

本发明还提供了一种旋转柔性轴，包括两端的连接部，两个连接部之间层叠有多个环状波形片，相邻两个环状波形片为镜像对称设置，相邻两个环状波形片的相接处相互固定连接。

本发明还提供了一种爬行机器人，包括感知控制部和电源，包括前述发明内容的爬行机构，爬行机器人的机架中固定设有旋转电机，旋转电机的输出轴与旋转轴同轴连接；爬行机器人的外侧设有弹性波纹管组成的机架，感知控制部和电源分别通过卡口在机架的两个端部可拆卸的连接。

进一步优化本技术方案，机架与收放环对应的位置设有支撑臂。

进一步优化本技术方案，爬行机器人中设有转向机构，转向机构包括柱状囊和控制阀，柱状囊为周向均布的至少两个，柱状囊围绕在旋转轴的外侧，旋转轴与柱状囊对应的位置设有前述发明内容中的旋转柔性轴，每个柱状囊通过各自单独的控制阀连接有气源，通过控制阀控制每个柱状囊的进、出气量差异实现弯曲转向。

进一步优化本技术方案，爬行机器人的机架的两个轴向端部设有轴承座，旋转轴的端部转动连接在轴承座内的轴承中，轴承座的外周与弹性波纹管组成的机架之间设有弹波状连接环，轴承座的外侧设有母卡口，母卡口的内侧设有弹性触点柱，与母卡口配合的为公卡口，公卡口的内侧设有触点盘，母卡口的端面处设有弹性伸缩销，公卡口与弹性伸缩销对应的位置设有销孔。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1、带有弹性结构的收放环实现爬行机构的行走动作，可适应各种大小不同的活动空间，通过能力强，可在一定程度内承受外力挤压；2、通过旋转涡卷状的收放环实现行机构的抬、伸足动作，没有相互摩擦和滑动的部件，可实现免维护，故障率低，行走噪音低，避免对探测环境引入干扰噪声；3、收放环与环境接触时产生弹性形变，可降低对通过环境的影响，避免对环境造成损伤，行走部分没有坚硬部件探出，不易在复杂环境中卡住，行动可靠，没有气囊与外界接触，不惧环境中尖锐物体的划伤；4、螺旋旋向相反的收放环，收放动作由一根旋转轴驱动时，一个收放环通过涡卷结构蓄能，另一个收放环通过涡卷结构释放弹性势能，降低整体能耗；5、当爬行机构在管道内爬行时如果突然失去动力，涡卷状的收放环在残余弹性势能作用下也不会突然滑落，安全性高；6、本发明中提供的柔性轴不仅可以传递扭矩，还可在轴身的任何部位弯曲，弯曲更加平顺，没有机械摩擦，弯曲更加静音，维护简单，可实现任意方向的弯曲，材料的弹性极限范围内使用寿命长，耐老化；7、适合救援、勘探等多种领域的推广应用，有环境适应性强、柔顺性好 ，移动机器人的结构和控制相对简单，易于微型化，能够适应复杂、狭窄的工作环境，因而有望应用于震后遇难者搜救、工业管道检测、战场侦察等，应用广泛。

附图说明

图1为爬行机构部分实施例一的结构示意图；

图2为爬行机构部分实施例三的结构示意图；

图3为实施例二旋转柔性轴的结构示意图；

图4为一种爬行机器人的剖视图；

图5为一种爬行机器人卡口处的剖视图；

图6为母卡口的结构示意图；

图7为公卡口的结构示意图；

图8为一种爬行机器人实施例五的外部示意图。

图中：1、爬行机构；10、收放环；100、刺凸；101、动环；102、定环；103、连接盘；2、移动部；21、柱状囊；22、筒状囊；221、瓦楞形收缩部；23、控制阀；3、旋转轴；301、花键部；31、旋转柔性轴；310、环状波形片；311、连接部；4、机架；41、支撑臂；42、轴承座；43、弹波状连接环；44、母卡口；441、弧形卡槽；442、簧片；443、挡块；45、弹性触点柱；46、弹性伸缩销；47、公卡口；470、卡齿；471、触点盘；472、销孔；5、感知控制部；6、旋转电机；7、电源；8、气源。

实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式的参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

需要说明的是，本申请文件中涉及的术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

实施例一，结合图1所示，一种爬行机构，包括径向收放部和轴向的移动部2，径向收放部包括两个带有弹性结构的收放环10，收放环10为不等径的螺旋状，具体的可以为平面螺旋的涡卷状，螺旋状的收放环10中心小直径端连接有旋转轴3，每个收放环10可分别有各自的旋转轴驱动收放，也可以由同一根旋转轴3驱动收放，当两个收放环10由同一根旋转轴3驱动收放时，两个收放环10螺旋旋向可相反设置。收放环10外周大直径端通过放射状的刺凸100连接有弹性机架4，为便于观察，图中的弹性机架4采用了简易画法，机架4具体的可以为在收放环10位置处径向具有一定依附性的弹力套。旋转轴3单方向旋转时，其中一个收放环10径向收缩，另一个收放环10径向扩张。旋转轴3的交替正、反方向旋转带动两个收放环10交替收缩或扩张，通过交替收缩或扩张实现爬行机构的抬、伸足动作。

结合图1和4所示，轴向移动部2连接在两个收放环10之间，同一个径向收放部1中的两个收放环10分别为定环102和动环101，定环102的小径端在旋转轴3中同轴固定，动环101的小径端在旋转轴3的花键部301中滑动连接，定环102和动环101相对的内侧设有连接盘103，气囊设置在两个连接盘103之间，气囊通过控制阀23连接有气源8。

移动部2用于爬行机构的行进移动，轴向移动部2包括轴向伸缩的气囊，气囊具体的为筒状囊22，筒状囊22的轴心与旋转轴3重合，筒状囊22的环状内壁和外壁设有截面为瓦楞形收缩部221，通过瓦楞形收缩部221实现气囊充、放气时变形的导向作用。本实施例中的移动部2采用气囊气动的形式，在一些工作环境差，驱动力要求高的场景也可以采用液压的形式。

实施例二，结合图3所示，一种旋转柔性轴31，包括两端的连接部311，两个连接部311之间层叠有多个环状波形片310，相邻两个环状波形片310为镜像对称设置，相邻两片环状波形片310的相接处相采用焊接、粘接、铆接等形式互固定连接，此种柔性轴不仅可以传递扭矩，还可在轴身的任何部位弯曲，弯曲更加平顺，没有机械摩擦，弯曲更加静音，维护简单，可实现任意方向的弯曲，材料的弹性极限范围内使用寿命长，耐老化。

实施例三，结合图2所示，一种爬行机构，与实施例一不同的是定环102和动环101相对内侧的连接盘103之间设有四个圆周向均布的柱状囊21，实施例二中的旋转柔性轴31设置在四个圆柱状囊21的轴对称中心，旋转柔性轴31传递旋转轴3扭矩的同时可实现任意方向的弯曲，无外力作用时还可实现自动复位。

实施例四，结合图4所示，一种爬行机器人，包括感知控制部5和电源7，其包括前述实施例中的爬行机构，爬行机器人的机架4中固定设有旋转电机6，旋转电机6的输出轴与旋转轴3同轴连接；爬行机器人的外侧设有弹性波纹管组成的机架4，感知控制部5和电源7分别通过卡口在机架4的两个端部可拆卸的连接。图4中的爬行机器人内设有两个爬行机构1，顶部的第一爬行机构与实施例三中的爬行结构近似，底部第二爬行机构与实施例一中描述的爬行机构远离近似。爬行机器人需要转向时，由于第一爬行机构中设有四个轴对称的柱状囊21，每个柱状囊21分别通过各自的伺服控制阀与气源8连接，实现充、放气量的控制，当对称的两个柱状囊21充、放气速率出现差异时即可实现轴向移动的同时，完成整体弯曲转向。这里的气源8可以为旋转轴3驱动或单独电机带动下的蠕动泵或星形布置的柱塞泵，配合储气元件和流量控制阀即可实现执行部件的动作执行，气动或液动系统为本领域公知常识这里不再赘述。控制旋转电机6旋转不同的角度可控制收放环10的卷收程度和扩张程度，旋转电机6的旋转角度越大反向的两个收放环10的外径差越大，可适应不同空间大小的行走活动，收放环10与环境接触时产生弹性形变，可降低对通过环境的影响，避免对环境造成损伤。

结合图4至7所示，爬行机器人的机架4的两个轴向端部设有轴承座42，旋转轴3的端部转动连接在轴承座42内的轴承中，轴承座42的外周与弹性波纹管组成的机架4之间设有弹波状连接环43，轴承座42的外侧设有母卡口44，母卡口44的环状内侧壁边缘设有宽度不同的弧形卡槽441，弧形卡槽441的底部设有簧片442，弧形卡槽441的底部的周向一侧设有挡块443，母卡口44的内侧底壁环形分布有多个弹性触点柱45，母卡口44的端面处设有弹性伸缩销46。

与母卡口44配合的为公卡口47，公卡口47外侧壁顶部设有多个宽度不同的卡齿470，卡齿470宽度与弧形卡槽441的间距宽度相适应，公卡口47的内侧设有触点盘471，公卡口47与弹性伸缩销46对应的位置设有销孔472。使用时，公卡口47的卡齿470在对应宽度的弧形卡槽441的空隙处穿入母卡口44中，转动公卡口47，使卡齿470与簧片442和挡块443顶紧，当弹性伸缩销46的销柱弹入销孔472内后完成公卡口47的锁定，可方便地为爬行机器人更换电池或更换不同的探测器，能适应不同的工作环境，适应各种探测目标的探查，提高爬行机器人的推广应用范围。

实施例五，结合图8所示，一种爬行机器人，与实施例四不同的是机架4与收放环10对应的位置设有支撑臂41，支撑臂41为底部对称的两个，可直接与地面接触，对应位置收放环10的收放动作带动支撑臂41的抬起或下压，可实现爬行机器人在平缓路面行走。

本发明的控制方式是通过感知控制部中的控制器来自动控制，控制器的控制电路通过本领域的技术人员简单编程即可实现，属于本领域的公知常识，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界，或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种爬行机构，包括径向收放部和轴向的移动部(2)，其特征在于：径向收放部包括两个带有弹性结构的收放环(10)，所述移动部(2)连接在两个所述收放环(10)之间，所述收放环(10)用于爬行机构的抬、伸足动作；所述移动部(2)用于爬行机构的行进移动。

2.根据权利要求1所述的一种爬行机构，其特征在于：所述收放环(10)为不等径的螺旋状，螺旋状的所述收放环(10)中心小直径端连接有旋转轴(3)，螺旋状的所述收放环(10)外周大直径端连接有机架(4)，旋转轴(3)的旋转带动所述收放环(10)收缩或扩张。

3.根据权利要求2所述的一种爬行机构，其特征在于：所述收放环(10)为平面螺旋的涡卷状。

4.根据权利要求2所述的一种爬行机构，其特征在于：同一个所述旋转轴(3)连接一个所述径向收放部的两个所述收放环(10)，同一个所述径向收放部中的两个所述收放环(10)螺旋旋向相反；

所述旋转轴(3)单方向旋转时，其中一个所述收放环(10)径向收缩，另一个所述收放环(10)径向扩张。

5.根据权利要求2所述的一种爬行机构，其特征在于：所述移动部(2)包括轴向伸缩的气囊，同一个所述径向收放部中的两个所述收放环(10)分别为定环(102)和动环(101)，所述定环(102)的小径端在所述旋转轴(3)中同轴固定，所述动环(101)的小径端在所述旋转轴(3)的花键部(301)中滑动连接，所述定环(102)和所述动环(101)内侧相对的设有连接盘(103)，气囊设置在两个所述连接盘(103)之间，气囊通过控制阀(23)连接有气源(8)。

6.一种旋转柔性轴，包括两端的连接部(311)，其特征在于：两个所述连接部(311)之间层叠有多个环状波形片(310)，相邻两个所述环状波形片(310)为镜像对称设置，相邻两个所述环状波形片(310)的相接处相互固定连接。

7.一种爬行机器人，包括感知控制部(5)和电源(7)，其特征在于：包括前述权利要求1至6任意一项的爬行机构(1)，所述爬行机器人的机架(4)中固定设有旋转电机(6)，所述旋转电机(6)的输出轴与旋转轴(3)同轴连接；所述爬行机器人的外侧设有弹性波纹管组成的机架(4)，所述感知控制部(5)和所述电源(7)分别通过卡口在所述机架(4)的两个端部可拆卸的连接。

8.根据权利要求7所述的一种爬行机器人，其特征在于：所述机架(4)与所述收放环(10)对应的位置设有支撑臂(41)。

9.根据权利要求7所述的一种爬行机器人，其特征在于：所述爬行机器人中设有转向机构，所述转向机构包括柱状囊(21)和控制阀(23)，所述柱状囊(21)为周向均布的至少两个，所述柱状囊(21)围绕在所述旋转轴(3)的外侧，所述旋转轴(3)与所述柱状囊(21)对应的位置设有权利要求6中的旋转柔性轴(31)，每个所述柱状囊(21)通过各自单独的控制阀(23)连接有气源(8)，通过控制阀(23)控制每个所述柱状囊(21)的进、出气量差异实现弯曲转向。

10.根据权利要求7所述的一种爬行机器人，其特征在于：爬行机器人的所述机架(4)的两个轴向端部设有轴承座(42)，所述旋转轴(3)的端部转动连接在所述轴承座(42)内的轴承中，所述轴承座(42)的外周与弹性波纹管组成的所述机架(4)之间设有弹波状连接环(43)，所述轴承座(42)的外侧设有母卡口(44)，所述母卡口(44)的内侧设有弹性触点柱(45)，与所述母卡口(44)配合的为公卡口(47)，所述公卡口(47)的内侧设有触点盘(471)，所述母卡口(44)的端面处设有弹性伸缩销(46)，所述公卡口(47)与所述弹性伸缩销(46)对应的位置设有销孔(472)。