本发明属于自动化技术领域，具体而言，涉及基于组合式吸盘组件的混合式运动的爬壁机器人。
背景技术：
在爬壁机器人领域，基于真空吸附的爬行机构，通常可分为框架式、多吸盘式、履带式、腿式等。在现实环境下，壁面较为复杂，需要运行速度，需要有跨越障碍物和间隙的能力，以及能够在不同倾角的壁面进行爬行的能力，现有机构很难满足以上所有情况，导致每一种机构可用范围有限，难以实现真正的实用化。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种基于组合式吸盘组件的混合式运动的爬壁机器人。
本发明中混合式运动的爬壁机器人，包括平面运动机构和跨步机构，所述平面运动机构包括轴对称设置的第一吸盘组件与第二吸盘组件，所述跨步机构包括第一连杆、第二连杆、第一电机座、第二电机座、中间电机，所述第一电机座安装于所述第一吸盘组件，所述第二电机座安装于所述第二吸盘组件，所述第一连杆与所述第一电机座转动连接，所述第一连杆与所述中间电机转动连接，所述第二连杆与所述中间电机转动连接，所述第二连杆与所述第二电机座转动连接，所述转动连接是不可拆卸式转动连接或可拆卸式转动连接，所述第一连杆和所述第二连杆是固定长度的连杆或长度可调的连杆。
由于两个连杆分别经由各自的电机座与吸盘组件连接，所以跨步机构中的两个连杆在进行摆动运动时，该跨步机构的两个连杆的运动能够分别带动平面运动机构中的两个吸盘组件一起运动。从而实现稳定的跨步动作。
在如上所述的爬壁机器人中，两个吸盘组件镜像设置，结构相同。优选的，第一吸盘组件与第二吸盘组件分别包括主体框架、滑动机构和吸附机构，所述滑动机构以能够沿所述主体框架的外周滑动的方式均匀分布于所述主体框架的外周，所述吸附机构固定于所述滑动机构。
在上述结构中，吸附机构工作时，既能够吸附于工作面，也能够根据需要而不吸附于工作面。当吸附机构吸附于工作面时，吸附机构与工作面紧密结合，不易分离。当吸附机构不吸附于工作面时，吸附机构能够轻易地脱离工作面。在如上所述的爬壁机器人中，优选的，所述主体框架具有隔开设置的上支撑架与下支撑架，沿所述上支撑架与所述下支撑架的外周分别设置有环形导向部，所述滑动机构与上下的两个所述环形导向部分别滑动连接。
根据上述的结构，本发明的爬壁机器人的滑动机构能够更加稳定的沿主体框架滑动，并且不易产生径向的摇摆。
在如上所述的爬壁机器人中，优选的，所述吸盘组件还包括传动机构，所述传动机构具有动力源、传动轮与传动链，所述传动轮固定设置于所述上支撑架与所述下支撑架之间，利用来自所述动力源的动力，带动所述传动链转动。
在如上所述的爬壁机器人中，优选的，所述滑动机构具有固定架，所述固定架的两端分别与所述上支撑架的所述环形导向部和所述下支撑架的所述环形导向部滑动连接。
在如上所述的爬壁机器人中，优选的，所述固定架通过转向架、转向轴和v型轴承，与所述环形导轨连接，v型轴承沿所述环形导轨的径向排列，分别紧贴所述环形导轨的内周面和外周面设置。
在如上所述的爬壁机器人中，优选的，所述第一电机座和所述第二电机座的内部装有电机，所述第一电机座和所述第二电机座的底部分别与所述吸盘组件固定连接，所述第一连杆的首端和所述第二连杆的首端分别与所述第一电机座和所述第二电机座中的电机输出端连接，所述中间电机装在第一连杆的末端，所述中间电机的输出端与第二连杆的另一端连接。
在如上所述的爬壁机器人中，优选的，所述环形导向部具有直线部和弧形部，所述滑动机构能够沿所述环形导向部围绕所述主体框架移动。
在如上所述的爬壁机器人中，优选的，所述环形导向部为环状凸起或凹槽。
在如上所述的爬壁机器人中，优选的，所述滑动机构还具有转接件，所述滑动机构经由所述转接件与所述传动链连接。
根据本发明的爬壁机器人，吸盘组件能够更加稳定紧密的吸附于工作面，通过跨步机构与平面运动机构的配合，既能够保证机器人在平滑工作面的平稳移动，有能够具有跨越障碍物的功能。并且，当连杆长度可调时，其还能够具备跨越不同高度的障碍物的能力。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于吸盘组件的混合式运动的爬壁机器人的立体结构的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种部分吸盘组件的结构图；
图3为本发明实施例提供的一种主体框架的结构图；
图4为本发明实施例提供的一种环形导向部的结构图；
图5为本发明实施例提供的一种滑动机构的结构图；
图6为本发明实施例提供的一种吸附机构的结构图；
图7为本发明实施例提供的一种腿式跨步机构(初始状态)的结构图；
图8为本发明实施例提供的一种直线运动时的示意图；
图9为本发明实施例提供的一种转向运动的示意图；
图10为本发明实施例提供的一种跨步姿态一的示意图；
图11为本发明实施例提供的一种跨步姿态二的示意图；
图12为本发明实施例提供的一种跨步姿态三的示意图；
图13为本发明实施例提供的一种跨步姿态四的示意图；
图14为本发明实施例提供的一种跨步姿态五的示意图；
图15为本发明实施例提供的一种跨步姿态六的示意图；
图16为本发明实施例提供的一种跨步姿态七的示意图；
图中标记说明如下：平面运动机构、1a-第一吸盘组件、1b-第二吸盘组件、2-跨步机构、3-主体框架、4-滑动机构、5-吸附机构、6-上支撑架、7-下支撑架、8-动力源、9-主传动链轮、10-副传动链轮、11-传动链(带安装孔)、12-支撑柱、13-电机固定架、14-联轴器、15-主传动轴、16-副传动轴、17-调节螺杆、18-滑动固定架、19-转向轴、20-转向架、21-v型轴承、22-转接件、23-气缸、24-真空吸盘、25-气缸固定架、26-吸盘通气管、27-通气管a、28-通气管b、29-第一电机座、30-第二电机座、31-第一连杆，32-第二连杆、33-中间电机、101-直线部、202-弧形部、环形导向部g。
具体实施方法
图1例示了一种混合式运动的爬壁机器人，其包括平面运动机构1和跨步机构2。平面运动机构1包括两个轴对称设置的吸盘组件(也可以称为第一吸盘组件1a、第二吸盘组件1b，本文中对第一、第二的表述仅是为了便于说明)。第一吸盘组件1a与第二吸盘组件1b为镜像设置，结构相同。
跨步机构2为连杆机构，跨步机构2的两端分别与第一吸盘组件1a、第二吸盘组件1b连接，当跨步机构2动作时，其两端能够分别带动第一吸盘组件1a、第二吸盘组件1b一起动作，从而实现跨越的功能。
如图2所示，第一吸盘组件1a、第二吸盘组件1b结构相同，以第一吸盘组件1a为例，其包括主体框架3、滑动机构4、吸附机构5。滑动机构4与主体框架3的外周滑动连接，能够围绕主体框架3的外周滑动移动。吸附机构5设置于滑动机构4，与滑动机构4固定连接。吸盘组件能够利用吸附机构的吸附动作而吸附于工作面。
如图3所示，主体框架3包括隔开距离设置的上支撑架6、下支撑架7，在上支撑架6与下支撑架7的外周设置有环形导向部g，滑动机构4经由环形导向部g实现与主体框架3的滑动连接。滑动机构4与环形导向部g能够相对滑动。
如图4所示，环形导向部g具有直线部101和弧形部202。直线部101与弧形部202平滑连接，使得滑动机构4能够不受阻碍地沿着环形导向部g的整周进行滑动移动，通过滑动机构4沿着环形导向部g的整周进行相对滑动，能够实现滑动机构4围绕主体框架3的整个外周的滑动移动。
吸盘组件(第一吸盘组件1a、第二吸盘组件1b)还可以包括传动机构，该传动机构具有主传动链轮9和副传动链轮10、传动链11和动力源8(例如驱动电机)。
在本实施例中，主传动链轮9和副传动链轮10分别经由主传动轴15和副传动轴16设置于上支撑架6与下支撑架7之间。主传动链轮9和副传动链轮10分别套设于主传动轴15和副传动轴16上。主传动链轮9和主传动轴15可以通过键连接，主传动轴15的一端贯穿上支撑架6而与驱动电机的电机轴(也称为输出轴)通过联轴器14连接。驱动电机通过电机固定架13固定在上支撑架6上。主传动轴15的另一端通过轴承与下支撑架7连接。副传动链轮10通过轴承和副传动轴16连接，使副传动链轮10可转动地设置在副传动轴16上。副传动轴16在轴向上通过两端的轴肩定位在上支撑架6和下支撑架7之间，轴两端与上支撑架6和下支撑架7上的张紧机构中的调节螺杆17连接。
主传动链轮9和副传动链轮10可以分别与传动链11啮合。动力源8输出动力，利用主传动轴15带动主传动链轮9转动，从而带动传动链11转动，从而带动副传动链轮10转动。
在上支撑架6与下支撑架7之间，还可以具有若干个支撑柱12，通过螺钉与上支撑架6和下支撑架7固定连接，用来固定并支撑上支撑架6和下支撑架7，限定上支撑架6和下支撑架7之间的距离。
如图5所示，滑动机构4包括滑动固定架18，滑动固定架18的两端分别和上支撑架6与下支撑架7的环形导向部g滑动连接，滑动固定架18的两端结构一致，每一端都和一对转向轴19铰接，转向轴19和转向架20固定连接，转向架20的两端分别与v型轴承21连接。转向架20的一端连接的v型轴承21紧贴环形导向部g在径向上的外侧，转向架20的另一端连接的v型轴承21紧贴环形导向部g在径向上的内侧，从而防止固定架18在径向上的移动，通过v型轴承21上的v型槽与环形导向部上的v型结构相配合，从而防止固定架18在v型轴承21轴向上的移动，使得固定架18只能沿着环形导向部g滑动。由此，能够确保滑动机构4相对于主体框架3的稳定度。
当滑动机构4在环形导向部g上通过直线部101和弧形部201的过渡部分时，由于转向轴19连同转向架20可绕固定架18和转向轴19铰接的部分转动，所以转向架20可根据不同的环形导向部g的曲率半径进行适应性转动，可通过不同曲率半径的环形导向部g。
转接件22固定在滑动固定架18上，并与传动链11上的安装孔通过螺钉连接，则当传动链11运动时，带动滑动机构4运动。
转接件22也可以通过铰接、焊接、卡合乃至磁性连接等方式与传动链11连接，从而实现滑动机构相对于传动链的位置固定。在传动链运动时，带动滑动机构同步运动。
如图6所示，吸附机构5包括气缸23、真空吸盘24、连接件25、吸盘通气管26、通气管a27、通气管b28。气缸23和真空吸盘24为一体式连接，通过吸盘通气管26、通气管a27、通气管b28与气动控制系统连接，实现气缸23的活塞杆的运动和真空吸盘24内部真空的产生与解除。气缸23通过连接件25与滑动机构2中的固定架18固定连接。
吸附机构5需要进行吸附时，通过将压缩空气充入通气管a27中，将通气管b28连通大气，使气缸23中的活塞杆推出，并且将吸盘通气管26连通真空，使真空吸盘24产生真空，进而进行吸附；吸附机构3不需要进行吸附时，通过将压缩空气充入通气管b28中，将通气管a27连通大气，使气缸23中的活塞杆收回，并且将吸盘通气管26连通大气，使真空吸盘24解除真空，进而不进行吸附。
如图7所示，跨步机构2包括第一电机座29、第二电机座30、第一连杆31、第二连杆32和中间电机33。第一电机座29的底部与吸盘组件1a连接，优选固定连接，或螺纹连接等可拆卸式的固定连接。第一电机座29内部的电机输出端与第一连杆31的首端连接，并能够相互转动，例如两者能够绕连接轴进行转动。第二电机座30的底部与吸盘组件1b连接，优选固定连接，或螺纹连接等可拆卸式的固定连接。第二电机座30内部的电机输出端与第二连杆32的首端连接，并能够相互转动，例如绕两者的连接轴转动。第一连杆31的末端装有中间电机33，其电机输出端与第二连杆32的末端连接，第一连杆与中间电机的连接位置的结构以及第二连杆与中间电机的连接位置的结构均可以是转动连接，例如两者之间能够做轴式转动。
如上可知，跨步机构2有三个自由度。分别是第一电机座29的电机输出端处、第二电机座30的电机输出端处、中间电机33的电机输出端处。
在本发明中，如图7所示，爬壁机器人的初始状态为：第一电机座29中的电机和第二电机座30中的电机运动至同一轴线，且两个吸盘组件1a和1b位于同一平面。
本发明中的爬壁机器人的直线运动的原理为：如图7和图8所示，整个爬壁机器人先处于初始状态，接着平面运动机构1的直线部101上的所有吸附机构5吸附在工作面上，使弧形部202上的所有吸附机构5不进行吸附。分别设置于两个吸盘组件的两个驱动电机反向等速转动，通过带动主传动轴15转动，带动主传动链轮9转动，从而使传动链11运动。由于直线部101的吸附机构5吸附着工作面，固定不动，所以传动链11的转动使整个爬壁机器人相对于工作面发生直线运动。运动过程中，会不停地有吸附机构5进入直线部101和弧形部202，通过控制，不断地使进入直线部101的吸附机构5进行吸附，使进入弧形部202的吸附机构5不进行吸附，如此循环，实现了整个爬壁机器人的直线运动。
即，当主传动链轮9带动传动链11转动、并且直线部101的吸附机构5吸附于工作面时，由于传动链11始终与固定架18的转接件22咬合，故而，传动链11能够经由主传动链轮9、主传动轴15、副传动链轮10带动主体框架3整体相对于工作面直线移动，同时，会有位于弧形部202的吸附机构5进入直线部101，并且会有位于直线部101的吸附机构5逐渐转变为即将进入弧形部202的状态。此时，通过使得进入直线部101的吸附机构5吸附于工作面，使得即将进入弧线部202的吸附机构5脱离工作面，能够使即将进入弧线部202的吸附机构5顺利相对移动至弧线部202。如此循环，使得传动链11能够持续转动，实现连续的直线运动。
通过分别逆转两个驱动电机的转向，能够实现爬壁机器人的前进或后退的切换。
本发明中的混合式运动的爬壁机器人的转向运动的原理为：如图7和图9所示，整个爬壁机器人首先处于初始状态，接着使处于主体框架3的弧形部202的吸附机构5吸附在工作面上，使直线部101的所有吸附机构5不进行吸附。两个驱动电机同向等速转动，通过带动主传动轴15的转动，带动主传动链轮9转动，并使传动链11运动，由于弧形部202的吸附机构5吸附于工作面，固定不动，所以传动链11的转动使整个爬壁机器人相对于工作面产生绕两个半圆形主体框架3的圆心的转向运动，运动过程中，会不停地有吸附机构5进入直线部101和弧形部202，通过控制，不断地使进入弧形部202的吸附机构5进行吸附，使进入直线部101的吸附机构5不进行吸附，如此循环，实现了整个爬壁机器人的转向运动。通过调整驱动电机的转动方向，能够调整爬壁机器人向左或向右转向的方向。
要实现吸盘装置转向运动，两个吸盘组件的两个主体框架3均需为半圆形结构，且同圆心设置，因为当弧形部202上的吸附机构5进行吸附时，其相对于工作面是固定的，当驱动电机工作时，整个机构开始转动，只有当弧形部为半圆且同心时才能转动。
直线运动和转动运动的转换过程为：直线运动要转换为转向运动时，两个驱动电机停止转动，进而整个爬壁机器人停止运动。接着使全部吸附机构5吸附在工作面，然后使直线部101的吸附机构5不进行吸附，进而开始转动运动。转动运动要转换为直线运动时，两个驱动电机停止转动，进而整个爬壁机器人停止运动，接着使全部吸附机构5吸附在工作面，然后使弧形部202上的吸附机构5不进行吸附，进而开始直线运动。
本发明中混合式运动的爬壁机器人的跨步运动的原理为：当运动遇到障碍时，整个爬壁机器人停止运动，使第一吸盘组件1a上的吸附机构5吸附在工作面，使第二吸盘组件1b不进行吸附，然后通过控制第一电机座29中的电机、第二电机座30中的电机以及中间电机33的运动，将第二吸盘组件1b抬起跨越过障碍后，使第二吸盘组件1b上的吸附机构5吸附在工作面，使第一吸盘组件1a上的吸附机构5不进行吸附，再通过控制第一电机座29中的电机、第二电机座30中的电机以及中间电机33的运动，将第一吸盘组件1a抬起跨越过障碍，其运动姿态的变化过程如图10-16所示，完成跨越障碍后，回到初始状态进行下一步的运动。
其他实施方式
再者，上述以将驱动电机设置于上支撑架的方式进行了举例说明，但是驱动电机也可以设置于下支撑架7，或根据尺寸大小而将驱动电机设置于上下支撑架之间。例如，当选用小型动力源(动力源的尺寸小于上下支撑架之间的间隔)时，能够将动力源设置于上下支撑架之间，从而进一步实现吸盘组件的小型化和美观化。
再者，如图2、图7所示，为了便于说明，在本实施方式中，主体框架3沿水平方向设置，滑动机构4和吸附机构5的延伸方向与主体框架3所在的平面垂直，吸附机构的吸盘设置于吸盘组件的下方。但是在实际使用时，吸盘也可以位于吸盘组件的上方，从而实现从下向上的吸附。
再者，第一连杆或第二连杆与其各自电机之间的转动连接，可以是不可拆卸式转动连接，也可以是可拆卸式转动连接。当连杆与电机之间均可以自由拆卸时，能够保证各部件之间的可替代性，从而减低维修成本。并且可拆卸式的连接还能够增加例如下述对不同连杆的选用空间。
另外，第一连杆31与第二连杆32能够根据情况选用固定长度的连杆，也可以采用长度可调的连杆。
在爬壁机器人沿相同直线方向前进时，若跨步机构的第一连杆与第二连杆的长度不同，其两个吸盘组件也可以在不同的水平面同向移动。例如在沿两级台阶式平面移动时，第一吸盘组件处于第一级台阶，而第二吸盘处于第二级台阶，则只要在俯视观察时，两个吸盘组件保持轴对称且同圆心结构设置，则爬壁机器人也能够实现直线移动。
综上所述，本发明提供的爬壁机器人能够实现的有益效果如下：
1、安装方便，不需要安装框架等结构；
2、效率高，因为采用循环多吸盘式结构，使其行进速度得到保证；
3、具有越障能力，由于采用了腿式跨步机构，可以跨越一定的障碍，具有较强的工作面适应能力。