专利名称：串联式模块化爬壁机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种类似尺蠖形结构的爬壁机器人，能够实现在竖直非磁壁面上前 进、后退、转弯等动作的串联式模块化爬壁机器人。
背景技术：
小型爬壁机器人可以实现竖直非光滑壁面的连续爬行，它在机器人应用和军事侦 察等领域都有着广泛的应用。目前，国内外现有壁面移动机器人在非铁磁性壁面上吸 附的原理，大概可以划分为三种①真空抽吸装置——靠髙速气流的抽吸作用排除吸
盘固定密闭空间内的气体形成真空；②扩容真空装置——利用定质量气体增加容积减 低压力的原理在密封腔(吸盘)内产生真空；③旋翼吸附——借助螺旋桨旋转产生的 矢量推力把机器人压向壁面。迄今为止壁面移动机器人的吸附原理几乎都利用①或 ②，它们普遍被人们所熟知，得到一定的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种串联式模块化爬壁机器人，依据仿生学原理，通过利 用尺蠖形机器人关节数多、自由度大，运动灵活等特点，设计了模块化、可重构以
及可以单独安装、折卸、组合的机械结构；目前国内外研究的串联式模块机器人都 是在水平壁面移动，本发明探索了一条竖直壁面移动机器人的设计新思路；吸盘采 用一种无气源的振动吸附方式，可以提高能源的利用率；整个机器人可以实现大跨 距全方位移动。
本发明的串联式模块化爬壁机器人，由三个俯仰关节、 一个偏航关节和两个吸附 组件构成；前吸附组件、后吸附组件之间顺次连接有第一俯仰关节、第二俯仰关节、 第三俯仰关节、偏航关节，且第一俯仰关节的A连接体与前吸附组件的A売体的B 面板连接，第一俯仰关节的B连接体与第二俯仰关节的C连接体连接；第二俯仰关 节的D连接体与第三俯仰关节的E连接体连接，第三俯仰关节的F连接体与偏航关 节的G连接体连接；偏航关节的H连接体与后吸附组件的B壳体的G面板连接。 当B吸附组件放气时，则A吸附组件与壁面吸附，三个俯仰关节协调转动将B吸附 组件抬起，与壁面脱离。偏航关节可以偏转一个角度，沿着机器人的躯干方向可以左 偏或右偏。
本发明机器人机构利用一个电机的正转和反转，达到振动吸附和放气的目的；通 过模块化的支架结构，可以实现多节关节的重构；利用A曲柄组件和B曲柄组件调 节偏心距，使得A吸盘、B吸盘的振幅可以改变；通过四个舵机(三个俯仰关节和 一个偏航关节)的协调转动，实现竖直光滑壁面的竖直和转弯等全向爬行，同时结构 紧凑，易于安装。
图1是本发明串联式模块化爬壁机器人的整体结构图。
图1A是未安装舵机的串联式模块化爬壁机器人的整体结构图。
图2是第一俯仰支架的结构图。
图2A是第一俯仰支架的爆炸图。
图3是偏航支架的结构图。
图3A是偏航支架的爆炸图。
图4是前吸附组件的结构图。
图4A是无A売体的前吸附组件的后视视角结构图。
图4B是驱动组件的结构图。
图4C是A壳体的主视视角结构图。
图4D是A壳体的后视视角结构图。
图4E是B売体的后视视角结构图。
图4F是B壳体的仰视视角结构图。
图5是曲柄组件的结构图。
图5A是曲柄组件的爆炸图。
图5B是连接轮的A向视图
图5C是外盘的A向视图。
图中 l.前吸附组件
lll.A面板 112.B面板
114.减重槽 115.A连接耳
121.D面板 121a.A圆孔
123.F面板 124.电机支架
131a.C圆孔 131b.螺纹孔
la.A吸盘
112a-A凸台
116.B连接耳
122.E面板
125.L形支座
131c.底面
lb.B吸盘 112b.B凸台 117.C连接耳 122a.C凸台 13.A曲柄组件 132.外盘
11. A壳体 113.C面板
12. B壳体 122b.D凸台 131.连接轮 132a.长槽孔
132b.圆台133.曲柄133a.B圆孔133b.A销孔134.吸盘连杆
134a.卡槽134b.气管孔134c.B销孔14.驱动组件141.主动齿轮
141a.摩擦轮142.A从动齿轮142a.A连接轴143.B从动齿轮1433.8连接轴
144.电机145.放气支杆146.摇杆146a.长槽147.压杆
148.压簧149.限位支杆15.B曲柄组件2.第一俯仰关节201.A连接体
211.A连接臂212.B连接臂213.C连接臂214.E圆孔202.B连接体
221.D连接臂222.E连接臂223.A轴套224.A通孔225.A阶梯轴
3.第二俯仰关节301.C连接体302.D连接体4.第三俯仰关节401.E连接体
402.F连接体5.偏航关节501.G连接体51U连接臂512.J连接臂
513.B轴套514.B通孔515.B阶梯轴502.H连接体521.F连接臂
522.G连接臂523.H连接臂524.F圆孔222.E连接臂6.后吸附组件
62.C売体621.G面板7.A舵机7a.A舵盘8.B舵机
8a.B舵盘9.C舵机9a.C舵盘IO.D舵机10a.D舵盘
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图1A所示，本发明的串联式模块化爬壁机器人，由三个俯仰关节 (第一俯仰关节2、第二俯仰关节3、第三俯仰关节4)、 一个偏航关节5和两个 吸附组件(前吸附组件l、后吸附组件6)构成；图1所示是机器人的起始状态， B吸附组件6放气，A吸附组件1与壁面吸附，三个俯仰关节协调转动将B吸附 组件6抬起，与壁面脱离。偏航关节5可以偏转一个角度，沿着机器人的躯干方 向可以左偏或右偏。
前吸附组件1、后吸附组件6之间顺次连接有第一俯仰关节2、第二俯仰关节3、 第三俯仰关节4、偏航关节5，且第一俯仰关节2的A连接体201与前吸附组件1 的A売体11的B面板112连接，第一俯仰关节2的B连接体202与第二俯仰关 节3的C连接体301连接；第二俯仰关节3的D连接体302与第三俯仰关节4的 E连接体401连接，第三俯仰关节4的F连接体402与偏航关节5的G连接体连 接;偏航关节5的H连接体502与后吸附组件6的B壳体62的G面板621连接。 在本发明中，第一俯仰关节2、第二俯仰关节3和第三俯仰关节4结构相同。 参见图2、图2A所示，第一俯仰关节2由A舵机7、第一俯仰支架21组成， 第一俯仰支架21的A连接体201上有A连接臂211、B连接臂212、C连接臂213，B连接臂212与C连接臂213设在同一侧，且与A连接臂211相对；第一俯仰支 架21的B连接体202上有D连接臂221、 E连接臂222，且D连接臂221与E 连接臂222相对；A连接臂211的外侧与D连接臂221的内侧通过A阶梯轴225 连接，且A阶梯轴225的一端在E圆孔214中，A阶梯轴225的另一端在A轴套 223内，A阶梯轴225使E圆孔214与A轴套223保持同轴。A舵机7的主体安 装在A连接体201的B连接臂212、 C连接臂213上，A舵机7的轴穿过E连接 臂222端部的A通孔224后，其A舵盘7a安装在E连接臂222上。
参见图3、图3A所示，偏航关节5由D舵机10、偏航支架51组成，偏航支 架51的G连接体501有I连接臂511、 J连接臂512，且I连接臂511与J连接 臂512相对；偏航支架51的H连接体502有F连接臂521、 G连接臂522、 H 连接臂523， F连接臂521、 G连接臂522设在同一侧，且与H连接臂523相对； H连接臂523的外侧与J连接臂512的内侧通过B阶梯轴515连接，且B阶梯轴 515的一端在F圆孔524中，B阶梯轴515的另一端在B轴套513内，使F圆孔 524与B轴套513同轴。D舵机10的主体安装在H连接体502的F连接臂521、 G连接臂522上，D舵机10的轴穿过I连接臂511端部的B通孔514后，其D 舵机盘10a安装在I连接臂511上。
参见图4、图4A 图4F所示，前吸附组件1由A吸盘la、 B吸盘lb、 A壳 体11、 B壳体12、 A曲柄组件13、驱动组件14、 B曲柄组件15组成，A吸盘la 与B吸盘lb结构相同，A曲柄组件13与B曲柄组件15结构相同，A壳体ll、 B 壳体12形成前吸附组件1的外壳；A曲柄组件13的吸盘连杆134 —端与A吸盘 la连接，B曲柄组件15的吸盘连杆一端与B吸盘lb连接，驱动组件14的电机 144安装在电机支架124上，电机支架124设在B壳体12的E面板122上；
A売体11的A面板111上开有减重槽114， B面板112与C面板113的接 合处底部设有C连接耳117 ， A面板111与C面板113的接合处设有B连接耳116， A面板111与B面板112的接合处设有A连接耳115; B面板112的外侧板面上 有A凸台112a、 B凸台112b。
B売体12的D面板121上开有A圆孔121a，E面板122上有电机支架124、 L形支座125， E面板122的下板面上有C凸台122a、 D凸台122b。
A曲柄组件13包括有连接轮131、外盘132、曲柄133、吸盘连杆134，曲柄 133设在连接轮131与外盘132之间，且外盘132的螺纹段132b穿过曲柄133 的B圆孔133a后与连接轮131的底面131c贴合，通过螺钉穿过连接轮131的D 圆孔131b夹紧曲柄133;曲柄133的下端通过螺钉与B螺纹孔134c、 A螺纹孔 133b的配合安装在卡槽134a内，吸盘连杆134为中空结构，用于放置气管，吸盘 连杆134的上端开有卡槽134a，卡槽134a处设有气管孔134b，气管孔134b用 于气管通过，且使B吸盘lb内腔与大气相通；外盘132的中心设有长槽孔132a， 该长槽孔132a用于调节A曲柄组件13的曲柄133的偏心距大小，进而改变B吸 盘lb的振幅。
驱动组件14的电机144输出轴与摩擦轮141a连接，摩擦轮141a上套接有主 动齿轮141; A从动齿轮142套接在A连接轴142a上，且A连接轴142a安装在 B曲柄组件15的连接轮的圆孔内；B从动齿轮143套接在B连接轴143a上，且 B连接轴143a安装在连接轮131的C圆孔131a内；摇杆146安装在D面板121 上，摇杆146的左端卡合有放气支杆145 (放气支杆145为摇杆146的支点)，摇 杆146的右端圆孔内安装有限位支杆149,限位支杆149上套接有压簧148，摇杆 146的长槽146a中安装有压杆147的一端。该驱动组件14通过一个电机144的 正转与反转，实现了杠杆(摇杆146、放气支杆145、压杆147形成杠杆)的两个 自由度的运动。
本发明设计的串联式模块化爬壁机器人以三个俯仰关节和偏航关节串联，首尾再 各连接一个吸附l莫块(吸附组件)，实现类似尺蠖运动方式的前进和转弯运动。吸附 模块釆用无气源振动吸附方式与壁面吸附。
本发明的机器人在运动过程中，从电机144的轴向看去，当电机144逆时针转 动时，主动齿轮141带动A从动齿轮142、 B从动齿轮143转动，从而使两个可调 偏心曲柄带动两个吸盘连杆上下运动，最终带动两个吸盘上下运动，这一过程中摩擦 轮141a作用在压杆147上的摩擦力向夕卜，弹簧弹力作用于摇杆l化上，使摇杆146 压紧气管，此时吸盘(A吸盘la、 B吸盘lb)构成密闭空腔，达到振动吸附的目的。
当电机144反转时，摩擦轮141a作用在压杆147上的摩擦力向内，压杆147 作用在摇杆146的力向下，使摇杆146的另一端抬起释放气管，此时吸盘与大气连 通，达到放气的目的。
权利要求
1、一种串联式模块化爬壁机器人，其特征在于由第一俯仰关节(2)、第二俯仰关节(3)、第三俯仰关节(4)、一个偏航关节(5)、前吸附组件(1)、后吸附组件(6)构成；第一俯仰关节(2)、第二俯仰关节(3)和第三俯仰关节(4)结构相同；前吸附组件(1)和后吸附组件(6)结构相同；前吸附组件(1)、后吸附组件(6)之间顺次连接有第一俯仰关节(2)、第二俯仰关节(3)、第三俯仰关节(4)、偏航关节(5)，且第一俯仰关节(2)的A连接体(201)与前吸附组件(1)的A壳体(11)的B面板(112)连接，第一俯仰关节(2)的B连接体(202)与第二俯仰关节(3)的C连接体(301)连接；第二俯仰关节(3)的D连接体(302)与第三俯仰关节(4)的E连接体(401)连接，第三俯仰关节(4)的F连接体(402)与偏航关节(5)的G连接体连接；偏航关节(5)的H连接体(502)与后吸附组件(6)的B壳体(62)的G面板(621)连接；第一俯仰关节(2)由A舵机(7)、第一俯仰支架(21)组成，第一俯仰支架(21)的A连接体(201)上有A连接臂(211)、B连接臂(212)、C连接臂(213)，B连接臂(212)与C连接臂(213)设在同一侧，且与A连接臂(211)相对；第一俯仰支架(21)的B连接体(202)上有D连接臂(221)、E连接臂(222)，且D连接臂(221)与E连接臂(222)相对；A连接臂(211)的外侧与D连接臂(221)的内侧通过A阶梯轴(225)连接，且A阶梯轴(225)的一端在E圆孔(214)中，A阶梯轴(225)的另一端在A轴套(223)内，A阶梯轴(225)使E圆孔(214)与A轴套(223)保持同轴；A舵机(7)的主体安装在A连接体(201)的B连接臂(212)、C连接臂(213)上，A舵机(7)的轴穿过E连接臂(222)端部的A通孔(224)后，其A舵盘(7a)安装在E连接臂(222)上；偏航关节(5)由D舵机(10)、偏航支架(51)组成，偏航支架(51)的G连接体(501)有I连接臂(511)、J连接臂(512)，且I连接臂(511)与J连接臂(512)相对；偏航支架(51)的H连接体(502)有F连接臂(521)、G连接臂(522)、H连接臂(523)，F连接臂(521)、G连接臂(522)设在同一侧，且与H连接臂(523)相对；H连接臂(523)的外侧与J连接臂(512)的内侧通过B阶梯轴(515)连接，且B阶梯轴(515)的一端在F圆孔(524)中，B阶梯轴(515)的另一端在B轴套(513)内，使F圆孔(524)与B轴套(513)同轴。D舵机(10)的主体安装在H连接体(502)的F连接臂(521)、G连接臂(522)上，D舵机(10)的轴穿过I连接臂(511)端部的B通孔(514)后，其D舵机盘(10a)安装在I连接臂(511)上；前吸附组件(1)由A吸盘(1a)、B吸盘(1b)、A壳体(11)、B壳体(12)、A曲柄组件(13)、驱动组件(14)、B曲柄组件(15)组成，A吸盘(1a)与B吸盘(1b)结构相同，A曲柄组件(13)与B曲柄组件(15)结构相同，A壳体(11)、B壳体(12)形成前吸附组件(1)的外壳；A曲柄组件(13)的吸盘连杆(134)一端与A吸盘(1a)连接，B曲柄组件(15)的吸盘连杆一端与B吸盘(1b)连接，驱动组件(14)的电机(144)安装在电机支架(124)上，电机支架(124)设在B壳体(12)的E面板(122)上；A壳体(11)的A面板(111)上开有减重槽(114)，B面板(112)与C面板(113)的接合处底部设有C连接耳(117)，A面板(111)与C面板(113)的接合处设有B连接耳(116)，A面板(111)与B面板(112)的接合处设有A连接耳(115)；B面板(112)的外侧板面上有A凸台(112a)、B凸台(112b)；B壳体(12)的D面板(121)上开有A圆孔(121a)，E面板(122)上有电机支架(124)、L形支座(125)，E面板(122)的下板面上有C凸台(122a)、D凸台(122b)；A曲柄组件(13)包括有连接轮(131)、外盘(132)、曲柄(133)、吸盘连杆(134)，曲柄(133)设在连接轮(131)与外盘(132)之间，且外盘(132)的螺纹段(132b)穿过曲柄(133)的B圆孔(133a)后与连接轮(131)的底面(131c)贴合，通过螺钉穿过连接轮(131)的D圆孔(131b)夹紧曲柄(133)；曲柄(133)的下端通过螺钉与B螺纹孔(134c)、A螺纹孔(133b)的配合安装在卡槽(134a)内，吸盘连杆(134)为中空结构，用于放置气管，吸盘连杆(134)的上端开有卡槽(134a)，卡槽(134a)处设有气管孔(134b)，气管孔(134b)用于气管通过，且使B吸盘(1b)内腔与大气相通；外盘(132)的中心设有长槽孔(132a)，该长槽孔(132a)用于调节A曲柄组件(13)的曲柄(133)的偏心距大小，进而改变B吸盘(1b)的振幅；驱动组件(14)的电机(144)输出轴与摩擦轮(141a)连接，摩擦轮(141a)上套接有主动齿轮(141)；A从动齿轮(142)套接在A连接轴(142a)上，且A连接轴(142a)安装在B曲柄组件(15)的连接轮的圆孔内；B从动齿轮(143)套接在B连接轴(143a)上，且B连接轴(143a)安装在连接轮(131)的C圆孔(131a)内；摇杆(146)安装在D面板(121)上，摇杆(146)的左端卡合有放气支杆(145)，摇杆(146)的右端圆孔内安装有限位支杆(149)，限位支杆(149)上套接有压簧(148)，摇杆(146)的长槽(146a)中安装有压杆(147)的一端。
2、 根据权利要求1所述的串联式模块化爬壁机器人，其特征在于利用电机(144) 的正转和反转，达到振动吸附和放气A吸盘(la)、 B吸盘(lb)。
3、 根据权利要求l所述的串联式模块化爬壁机器人，其特征在于电机(144)为 直流电机，输出功率为5 10W。
全文摘要
本发明公开了一种串联式模块化爬壁机器人，由第一俯仰关节(2)、第二俯仰关节(3)、第三俯仰关节(4)、一个偏航关节(5)、前吸附组件(1)、后吸附组件(6)构成；第一俯仰关节(2)、第二俯仰关节(3)和第三俯仰关节(4)结构相同；前吸附组件(1)和后吸附组件(6)结构相同；前吸附组件(1)、后吸附组件(6)之间顺次连接有第一俯仰关节(2)、第二俯仰关节(3)、第三俯仰关节(4)、偏航关节(5)。本发明机器人机构利用一个电机的正转和反转，达到振动吸附和放气的目的；通过模块化的支架结构，可以实现多节关节的重构；利用A曲柄组件和B曲柄组件调节偏心距，使得A吸盘、B吸盘的振幅可以改变；通过四个舵机的协调转动，实现竖直光滑壁面的竖直和转弯等全向爬行，同时结构紧凑，易于安装。
文档编号B62D57/00GK101181913SQ20071017904
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月10日 优先权日2007年12月10日
发明者宗光华, 李大寨, 坤 王, 巍 王 申请人:北京航空航天大学