一种微小型轮足复合式爬壁机器人机构.pdf

本发明涉及移动机器人机构，具体地说是一种微小型轮足复合式爬壁机器人机构，包括本体、连杆和吸盘足，本体为两个，每一个分别与吸盘足相连接，两个本体之间采用旋转关节、通过连杆连接，实现两个本体的相对滚动；其中：一个本体还设有由电机驱动的、垂直设置的旋转关节，另一本体还设有由电机驱动的垂直设置移动关节和垂直设置旋转关节，实现机器人机构整体的原地转动和吸盘足的缩放；通过两个本体的相对滚动和两个吸盘足的交替吸附与释放实现机器人的移动与姿态调整。本发明结合了轮式机构运动速度快和足式机构越障能力强的优点，实现了移动速度快、重量轻、能耗低且运动能力强的目标。

1.  一种微小型轮足复合式爬壁机器人机构，包括本体、连杆和吸盘足；其特征在于：所述本体为两个，每一个分别与吸盘足相连接，两个本体之间采用旋转关节、通过连杆连接，实现两个本体的相对滚动；其中：一个本体还设有由电机驱动的、垂直设置的旋转关节，另一本体还设有由电机驱动的垂直设置移动关节和垂直设置旋转关节，实现机器人机构整体的原地转动和吸盘足的缩放；通过两个本体的相对滚动和两个吸盘足的交替吸附与释放实现机器人的移动与姿态调整。

2.  按权利要求1所述微小型轮足复合式爬壁机器人机构，其特征在于：所述另一本体设有两个旋转关节，一个垂直设置、另一个水平设置，实现两个本体的机构整体的原地旋转与姿态调整。

3.  按权利要求1或2所述微小型轮足复合式爬壁机器人机构，其特征在于：与连杆连接的旋转关节中的一个由电机驱动。

4.  按权利要求1或2所述微小型轮足复合式爬壁机器人机构，其特征在于：其中所述本体为表面加工有齿的半圆柱结构。

5.  按权利要求1或2所述微小型轮足复合式爬壁机器人机构，其特征在于：在所述连杆上加一个第二移动关节，水平设置，与连杆同方向。

一种微小型轮足复合式爬壁机器人机构
技术领域
本发明涉及移动机器人机构，具体地说是一种基于行星轮系及双足真空吸附原理设计的爬壁机器人机构。
背景技术
在现有技术的微小型爬壁机器人机构中，大部分采用腿足式的移动机构(文献1：S.W.Ryu，J.J.Park，S.M.Ryew，H.R.Choi，Self-contained Wall-climbingRobot with Closed Link Mechanism，IEEE International Conference onIntelligent Robots and Systems；文献2：Satya P.Krosuri and Mark A.Minor，AMultifunctional Hybrid Hip Joint for Improved Adaptability in MiniatureClimbing Robots)，或者采用由多个单元模块组成的可重构机构(文献3：Mark Yim，David G.Duff，Kimon D.Roufas，Walk on a Wild Side，IEEERobotics & Automation Magazine Dec 2002；)，吸附方式多采用负压吸附(文献3：爬壁机器人技术的应用，刘淑霞，王炎，徐殿国，赵言正，Vol.21 No.21999)这些机构的结构复杂、重量大、功耗多而且综合运动性能(机动性、稳定性及越障能力)较差，因此，难以应用于实际的应用作业中。
发明内容
为了克服上述移动机构结构复杂、重量大、功耗多而且运动性能较差之不足，本发明提出一种新型微小型轮足复合式爬壁机器人机构，该机构有机地结合了轮式机构运动速度快和足式机构越障能力强的优点，实现了移动速度快、重量轻、能耗低且运动能力强的目标。
为了实现上述目的，本发明的技术方案包括：本体、连杆和吸盘足；其中：所述本体为两个，每一个分别与吸盘足相连接，两个本体之间采用旋转关节通过连杆连接，实现两个本体的相对滚动；其一个本体还设有由电机驱动的、垂直设置的旋转关节，另一本体还设有由电机驱动的垂直设置移动关节和垂直设置旋转关节，实现机器人机构整体的原地转动和吸盘足的缩放；或另一本体设有两个旋转关节，一个垂直设置、另一个水平设置，实现两个本体的机构整体的原地旋转与姿态调整；通过两个本体的相对滚动和两个吸盘足的交替吸附与释放实现机器人的移动与姿态调整；
本发明与连杆连接的旋转关节中的一个由电机驱动；所述本体为表面加工有齿的半圆柱结构；在所述连杆上加一个第二移动关节，水平设置，与连杆同方向。
本发明机构基于行星轮系及双足真空吸附原理，采用连续移动与蠕动爬行相结合的工作方式。具有在水平、垂直和倾斜壁面爬行的功能，另外还具有跨越交叉壁面的能力。
本发明具有如下优点：
1.本发明有机地结合了轮式机构和足式机构各自的优点，实现了移动速度快、越障能力强的目标，机构具有较好的运动特性。
2.两半圆柱本体中的运动关节采用非对称设计，将运动与姿态调整复合，减少了运动关节数，结构紧凑。
3.运动灵活。两个吸盘足各有一个铅垂向旋转关节，可以实现机器人快速、灵活的原地旋转。
4.重量轻、能耗低。本发明采用了运动与调姿的复合，所以减少了驱动电机的数量，降低了能耗。
5.应用范围广。本发明可以作为反恐侦查及壁面检测的机器人移动机构。
附图说明
图1为本发明机构示意图。
图2a为直线行走过程示意图(第二吸盘足5吸附工作壁面)。
图2b为直线行走过程示意图(驱动电机带动连杆3旋转，实现第一本体1绕第二本体2的滚动)
图2c为直线行走过程示意图(连杆3转动到180度后)
图3a-1为原地旋转过程示意图(抬起被释放的第二吸盘足情况俯视图)。
图3a-2为原地旋转过程示意图(抬起被释放的第二吸盘足情况主视图)。
图3b为原地旋转过程示意图(实现机构的原地转动情况)
图3c-1为原地旋转过程示意图(机构旋转至目标位置状态图)。
图3c-2为原地旋转过程示意图(机构旋转至目标位置后落下状态图)。
图4a为调节步距过程示意图(起始状态)。
图4b为调节步距过程示意图(以第一吸盘足为支撑，实现机构的旋转)。
图4c为调节步距过程示意图(转动至目标位置后释放第一吸盘足，吸附第二吸盘足)。
图4d为调节步距过程示意图(以第二吸盘足为支撑，实现机构的旋转)。
图4e为调节步距过程示意图(转动至目标位置后的情况)。
图5a为交叉壁面跨越过程示意图(机构运动步骤1)。
图5b为交叉壁面跨越过程示意图(机构运动步骤2)。
图5c为交叉壁面跨越过程示意图(机构运动步骤3)。
图5d为交叉壁面跨越过程示意图(机构运动步骤4)。
图5e为交叉壁面跨越过程示意图(机构运动步骤5)。
图6为本发明另一实施例机构示意图。
图7为本发明又一实施例机构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明机械结构由第一本体1、第二本体2、连杆3、与真空泵相连的第一吸盘足4及第二吸盘足5组成，其中：第一本体1和第二本体2通过第二旋转关节7和第四旋转关节10由连杆3连接，第一吸盘足4通过第一旋转关节6(垂直设置)与第一本体1相连，第二吸盘足5通过相互串联的第三旋转关节8(垂直设置)和第一移动关节9(垂直设置)与第二本体2相连；第一旋转关节6、第二旋转关节7、第三旋转关节8、第一移动关节9分别与电机驱动相连接。
本发明机构具有四个自由度，第一旋转关节6、第二旋转关节7、第三旋转关节8、第一移动关节9分别由四个电机驱动，可实现二维平动和二维转动，即实现水平相对转动、俯仰、原地旋转及第二吸盘足5的伸缩移动。第四旋转关节10为被动关节，与第二旋转关节7存在1∶1的耦合关系。
第一吸盘足4和第二吸盘足5采用真空吸附方式，利用真空泵和排气阀实现吸盘足的吸附与释放。
本发明机构可在水平、垂直或倾斜壁面爬行。
本发明机构的单步行走如图2所示，其中有阴影填充部分代表第二吸盘足5。如图2a，第二吸盘足5吸附工作壁面，释放第一吸盘足4。如图2b，驱动电机带动连杆3旋转，实现第一本体1绕第二本体2的滚动，如图2c，当连杆3转动到180度后，吸附第一吸盘足4，同时释放第二吸盘足5。通过本体的相互滚动和吸盘足的交替吸附与释放实现壁面移动，单步的步距为半圆柱本体的直径。接着吸附第一吸盘足4，重复上述动作，就可以实现机器人在水平或垂直壁面的连续运动。
本发明机构的原地转弯运动过程图示中有阴影填充的代表第一吸盘足4。如图3a-1、3a-2所示，吸附第一吸盘足4，释放第二吸盘足5，为避免被释放的吸盘足与壁面发生摩擦，抬起被释放的第二吸盘足5；所图3b示，通过电机驱动第一旋转关节6实现机构的原地转动；图3c-1、3c-2示，在机构旋转至目标位置后，落下第二吸盘足5。本发明机构通过第三旋转关节8，也可以同样实现机构的原地转向运动。
本发明明机构通过三次原地旋转运动，实现步距小于半圆柱体直径的单步直线运动，其阴影部分代表处于吸附状态的吸盘足。如图4a所示，吸附第一吸盘足4，释放第二吸盘足5；如图4b所示，以第一吸盘足4为支撑，实现机构的一定角度旋转；如图4c所示，转动至目标位置后，释放第一吸盘足4，吸附第二吸盘足5；如图4d所示，以第二吸盘足5为支撑，实现机构的一定角度旋转；如图4e所示，转动至目标位置后，吸附第一吸盘足4，释放第二吸盘足5，以第一吸盘足4为支撑，机构旋转调整运动方向；
本发明机构可以跨越0度至180度之间的任意的内角以及一定的外角交叉壁面。现仅以90度交叉壁面为例，说明发明机构跨越交叉壁面的过程，其阴影部分代表第一吸盘足4。如图5a所示，首先本发明机构运动到交叉壁面合适的位置，释放第二吸盘足5；如图5b所示，电机驱动连杆3使第二本体2的底面旋转到交叉面2平行的位置；如图5c所示，伸长第二吸盘足5，吸附第二吸盘足5；如图5d所示，收缩第二吸盘足5至初始状态，释放第一吸盘足4；如图5e所示，电机驱动连杆3使第一本体1由交叉面1运动到交叉面2，吸附第一吸盘足4。
实施例2
如图6所示，本发明机构与实施例1不同之处为，第四旋转关节11(水平设置)代替移动关节9。与实例1相比，实施例2借助第四旋转关节11实现发明机构交叉壁面的跨越。
实施例3
如图7所示，本发明机构与实施例1不同之处为，去掉第二吸盘足5上的第四旋转关节10，在连杆上加一个第二移动关节12(水平设置，与连杆同方向)，实现两个半圆柱体之间的相对移动。