一种充气式气囊传动的双足爬壁机器人

1.本发明涉及一种充气式气囊传动的双足爬壁机器人，属于爬壁机器人领域。


背景技术：

2.随着科技水平的发展，人们的生活水平和生活需求越来越高，促使机器人技术不断发展，人们希望用爬壁机器人辅助甚至代替工人来完成大型建筑如高楼、桥梁等的壁面清洁、检测和维护等高风险作业，提高作业的自动化程度和安全性。许多壁面作业需要在不同的壁面间进行，所以爬壁机器人需要跨越不同的壁面进行作业，但是传统的爬壁机器人大多只能跨越很小的障碍甚至不能越障，传统的爬壁机器人大多采用真空吸附和电机驱动的方式使机器人完成壁面吸附、行走和越障，电机驱动的传动方式能耗高、结构复杂、且电机等部件的成本较高，电机传动会产生较大的能量损耗，同时，传统的爬壁机器人通常只能在某种特定的工作环境中进行工作，对于环境的适应性较差。
3.综上所述，设计一种能耗小、结构简单、成本低、适应性高的爬壁机器人迫在眉睫。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种充气式气囊传动的双足爬壁机器人，以用于通过充气式气囊传动的方式实现机器人在壁面上完成吸附、行走、越障等行为。
5.本发明的技术方案是：一种充气式气囊传动的双足爬壁机器人，包括两组吸盘抬升足组件和柔性转向组件；两组吸盘抬升足组件之间通过柔性转向组件连接，吸盘抬升足组件和柔性转向组件配合实现两组吸盘抬升足组件交替行走，吸盘抬升足组件用于越障。
6.所述包括吸盘抬升足组件包括底板1-1、上机架1-3、侧板ⅱ15、弹簧组件、真空吸附组件、气囊组件；其中，底板1-1与上机架1-3滑动配合，底板1-1底部固定真空吸附组件，真空吸附组件能随底板1-1沿上机架1-3上下运动；上机架1-3、底板1-1之间安装气囊组件及呈对称布置在气囊组件两侧的弹簧组件；上机架1-3与侧板ⅱ15连接，通过侧板ⅱ15安装柔性转向组件。
7.所述弹簧组件包括弹簧座3、直线轴承5、弹性挡圈10、弹簧11；其中，弹簧座3一端固定在吸盘抬升足组件中的底板1-1上，弹簧11安装在弹簧座3上，弹簧11一端通过弹簧座3限位，弹簧11另一端与固定在吸盘抬升足组件中上机架1-3上的直线轴承5配合，且弹簧座3另一端从直线轴承5伸出后安装弹性挡圈10；其中，弹簧11处于自然伸展状态时，弹性挡圈10与直线轴承5之间贴合。
8.所述真空吸附组件包括下机架1-2、真空吸盘6、气泵ⅱ7、气管接头12、气管20；其中，下机架1-2固定在吸盘抬升足组件中底板1-1底部，下机架1-2上安装真空吸盘6、气泵ⅱ7，真空吸盘6、气泵ⅱ7经气管20、气管接头12连通，通过气泵ⅱ7驱动的真空吸盘6；其中，真空吸盘6吸附面背离吸盘抬升足组件。
9.所述气囊组件包括气泵ⅰ2、气囊ⅰ14；其中，气囊ⅰ14安装在吸盘抬升足组件中的上机架1-3、底板1-1之间，气囊ⅰ14通过气泵ⅰ2驱动。
10.所述柔性转向组件包括主动转向组件、从动转向组件；其中，吸盘抬升足组件中的两侧板ⅱ15之间呈上下安装第一组从动转向组件、主动转向组件、第二组从动转向组件。
11.所述主动转向组件包括气囊ⅱ8、气囊ⅲ19；其中，气囊ⅱ8、气囊ⅲ19的两端分别与对应侧吸盘抬升足组件中的侧板ⅱ15固定，气囊ⅱ8、气囊ⅲ19贴合固定，气囊ⅱ8、气囊ⅲ19相背离的转向侧为锯齿结构，锯齿结构为对应气囊储存气体的部分，气囊ⅱ8、气囊ⅲ19分别与一组吸盘抬升足组件中气囊组件的气泵ⅰ2连通。
12.所述从动转向组件包括中间连杆4、销轴16、推力球轴承17、轴承安装板18；其中，轴承安装板18固定在侧板ⅱ15上，轴承安装板18和中间连杆4端部之间装有两个推力球轴承17并通过销轴16连接。
13.本发明的有益效果是：本发明巧妙地使用气囊组件作为机器人行走、越障的动力，用充气式气囊传动的方式解决了双足爬壁机器人传动方式能耗高、结构复杂的问题，减少了动力源的使用；该气囊组件可以与弹簧组件相结合，既能用于调整双足爬壁机器人的抬腿高度从而实现不同的越障高度以适应不同的工作需求；又能缓冲机器人在壁面运动的过程中产生的振动，提高双足机器人的使用寿命，安全性高；同时，气囊组件还能与柔性转向组件配合，而柔性转向组件中设置了主动转向组件、从动转向组件，进而可以实现机器人在壁面上行走的步伐大小和行走的方向进行控制，且灵活性高、不易损坏。综上，本发明通过各部件的巧妙配合，高效地实现了机器人在壁面上完成吸附、行走、越障等行为。
附图说明
14.图1是本发明的结构示意图；
15.图2是本发明吸盘抬升足组件示意图；
16.图3是本发明真空吸附组件示意图；
17.图4是本发明柔性转向组件中的连杆连接示意图；
18.图5是本发明柔性转向组件中气囊的连接示意图；
19.图6是本发明柔性转向组件中连杆的结构示意图及剖视图；
20.图7是机器人在吸盘抬起即抬腿状态示意图；
21.图8是机器人在吸盘未抬起即未抬腿状态示意图；
22.图9是本发明机器人行走步态示意图；
23.图10是本发明弹簧组件示意图；
24.图中各标号为：1-侧板ⅰ、2-气泵ⅰ、3-弹簧座、4-中间连杆、5-直线轴承、6-真空吸盘、7-气泵ⅱ、8-气囊ⅱ、9-滑轨、10-弹性挡圈、11-弹簧、12-气管接头、13-滑块、14-气囊ⅰ、15-侧板ⅱ、16-销轴、17-推力球轴承、18-轴承安装板、20-气管；1-1-底板、1-2-下机架、1-3-上机架。
具体实施方式
25.下面结合附图和实施例，对发明做进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
26.实施例1：如图1-10所示，一种充气式气囊传动的双足爬壁机器人，包括两组吸盘抬升足组件和柔性转向组件；两组吸盘抬升足组件之间通过柔性转向组件连接，吸盘抬升
足组件和柔性转向组件配合实现两组吸盘抬升足组件交替行走，吸盘抬升足组件用于越障。
27.可选地，所述吸盘抬升足组件包括底板1-1、上机架1-3、侧板ⅱ15、弹簧组件、真空吸附组件、气囊组件；其中，底板1-1与上机架1-3滑动配合，底板1-1底部固定真空吸附组件，真空吸附组件能随底板1-1沿上机架1-3上下运动；上机架1-3、底板1-1之间安装气囊组件及呈对称布置在气囊组件两侧的弹簧组件；上机架1-3与侧板ⅱ15连接，通过侧板ⅱ15安装柔性转向组件。具体而言，所述上机架1-3呈u型，竖直板内侧安装的滑轨9与底板两侧的滑块13滑动配合。上机架1-3两侧安装侧板，分别侧板ⅰ1、侧板ⅱ15，侧板ⅰ1用于吸盘抬升足组件，保护侧板ⅱ15用于连接柔性转向组件。
28.可选地，所述弹簧组件包括弹簧座3、直线轴承5、弹性挡圈10、弹簧11；其中，弹簧座3一端固定在吸盘抬升足组件中的底板1-1上，弹簧11安装在弹簧座3上，弹簧11一端通过弹簧座3限位，弹簧11另一端与固定在吸盘抬升足组件中上机架1-3上的直线轴承5配合，且弹簧座3另一端从直线轴承5伸出后安装弹性挡圈10；其中，弹簧11处于自然伸展状态时，弹性挡圈10与直线轴承5之间贴合。将弹性挡圈10安装在弹簧座3伸出端上，限制弹簧座3的行程，防止弹簧座滑出直线轴承5。
29.可选地，所述真空吸附组件包括下机架1-2、真空吸盘6、气泵ⅱ7、气管接头12、气管20；其中，下机架1-2固定在吸盘抬升足组件中底板1-1底部，下机架1-2上安装真空吸盘6、气泵ⅱ7，真空吸盘6、气泵ⅱ7经气管20、气管接头12连通，通过气泵ⅱ7驱动的真空吸盘6；其中，真空吸盘6吸附面背离吸盘抬升足组件。具体而言，对于一组吸盘抬升足组件，所述述真空吸盘6设置两个，并通过同一个气泵ⅱ7控制，更好地确保吸盘组件与壁面的有效吸附，避免无效吸附的发生；其次，两组吸盘抬升足组件独立控制并配合柔性转向组件，可以仿生足式行走。
30.可选地，所述气囊组件包括气泵ⅰ2、气囊ⅰ14；其中，气囊ⅰ14安装在吸盘抬升足组件中的上机架1-3、底板1-1之间，气囊ⅰ14通过气泵ⅰ2驱动。
31.可选地，所述柔性转向组件包括主动转向组件、从动转向组件；其中，吸盘抬升足组件中的两侧板ⅱ15之间呈上下安装第一组从动转向组件、主动转向组件、第二组从动转向组件。
32.可选地，所述主动转向组件包括气囊ⅱ8、气囊ⅲ19；其中，气囊ⅱ8、气囊ⅲ19的两端分别与对应侧吸盘抬升足组件中的侧板ⅱ15固定，气囊ⅱ8、气囊ⅲ19贴合固定，气囊ⅱ8、气囊ⅲ19相背离的转向侧为锯齿结构，锯齿结构为对应气囊储存气体的部分，气囊ⅱ8、气囊ⅲ19分别与一组吸盘抬升足组件中气囊组件的气泵ⅰ2连通。当气泵ⅰ2给其中一个气囊进行充气时，气囊的锯齿结构中充入气体，气囊向锯齿端的反方向进行弯曲，而此时一组吸盘抬升足组件吸附在壁面上，另一组吸盘抬升组组件随着气囊的弯曲而运动，伴随吸盘的抬升完成机器人的越障和行走；同时通过两个独立且具有锯齿结构的气囊作为主动转向组件，可以实现是机器人的前进和后退两个动作。
33.可选地，所述从动转向组件包括中间连杆4、销轴16、推力球轴承17、轴承安装板18；其中，轴承安装板18固定在侧板ⅱ15上，轴承安装板18和中间连杆4端部之间装有两个推力球轴承17并通过销轴16连接，中间连杆4以此来转动。具体而言，所述从动转向组件为方便拆装的结构，轴承安装板18为t形结构，既能用于将中间连杆4与两个吸盘抬升足组件
连接在一起，又可以使轴承安装板受力更均匀，还能用于上下分别装有一个推力球轴承，从而使轴承安装板和中间连杆4在相互转动的同时可以承受径向载荷。通过从动转向组件承受载荷，避免了主动转向组件容易损坏的情况。
34.具体而言，参见图2和图4所示，所述的吸盘抬升足组件侧板ⅱ15和上机架1-3之间采用螺栓连接在一起，结构紧凑，安全性高，下机架1-2上安装有气泵ⅱ7，气泵ⅱ7通过气管20接入气管接头12，气管接头12与真空吸盘6通过螺栓连接，底板1-1上安装有弹簧座3与气囊ⅰ14，机架1-3上安装有直线轴承5与气泵ⅰ2，弹簧座3上安装有弹性挡圈10，弹簧座与3与直线轴承之间安装有弹簧11，在下机架1-2上安装有滑块13，上机架1-3上安装有滑轨9，滑块13自带螺纹孔与底板1-2连接，当爬壁机器人处于非工作状态时，弹簧11处于正常状态；当双足爬壁机器人中吸盘抬升足组件需要进行吸附工作时，如果该侧弹簧11处于正常状态，则气泵ⅱ7抽气，使得真空吸盘6处于真空状态，从而使得吸盘吸附在壁面上；如果该侧吸盘抬升足组件处于抬升状态，则气泵ⅰ2对气囊ⅰ14充气，底板1-1和下机架1-2随之向下运动，气泵ⅱ7抽气，使得真空吸盘6处于真空状态，从而使得吸盘吸附在壁面上；当要进行越障时，气泵ⅰ2和气泵ⅱ7放气，在气囊ⅰ14和弹簧11的共同作用下，底板1-1和下机架1-2向上运动完成抬腿动作。参见图7和图8所示为充气式气囊传动的双足机器人在弹簧11处于压缩状态和正常状态。
35.参见图4-图6所示，所述柔性转向组件连接两个吸盘抬升足组件进行转向行走操作，两个轴承安装板18安装在两个侧板ⅱ15上，在轴承安装板18上安装有两个推力球轴承17，中间通过销轴16连接，中间连杆4围绕其转动，两个锯齿结构的气囊通过强力胶粘在一起，通过螺栓固定在两块侧板15上，气泵ⅰ2给气囊ⅱ8/气囊ⅲ19充气使得气囊锯齿结构的一端充满气体，从而使得气囊ⅱ8/气囊ⅲ19向锯齿结构的反方向弯曲，在运动时，其中一组吸盘抬升足组件吸附在壁面上不动，另一组吸盘抬升足组件随着气囊ⅱ8/气囊ⅲ19的弯曲从而向特定方向运动，工作时，工作人员只需要将爬壁机器人放置在壁面上，通过控制机器人完成所需完成的工作即可。
36.参见图9所示为充气式气囊传动的双足爬壁机器人在行走越障过程中的三种步态，首先，双足爬壁机器人吸附在壁面上未进行行走时，双足爬壁机器人处于(a)状态，弹簧处于图8所示状态，真空吸附组件处于吸附状态；当双足爬壁机器人进行行走时，右边的吸盘抬升足组件保持壁面吸附状态，左边的吸盘抬升足组件中气泵ⅱ7放气，真空吸盘6脱离壁面，柔性转向组件使吸盘抬升足组件移动到合适位置，左边的气泵ⅱ7抽气使得真空吸盘6吸附在壁面上，此时机器人处于(b)状态，最后，左边的真空吸附组件保持吸附状态，右边吸盘抬升足组件重复上述动作达到(c)状态，机器人完成交替行走。如果行走过程中，需要越障，则气泵ⅰ2放气，在气囊ⅰ14的作用下弹簧11压缩进行抬腿实现越障，接着气泵ⅰ2对气囊ⅱ8/气囊ⅲ19充气，实现特定方向运动；越障后需要进行吸附时，则气泵ⅰ2对气囊ⅰ14进行充气，气囊ⅰ14伸展并配合气泵ⅱ7抽气使得真空吸盘6吸附在壁面上。
37.上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。