专利名称：一种变结构履带式爬壁机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种履带式爬壁机器人，尤其是能够通过变形适应不同壁面环境的履带式爬壁机器人。
背景技术：
爬壁机器人是一种能够垂直壁上作业的移动机器人。按照运动方式的不同，爬壁机器人可以分为轮式、足式、履带式、框架式等几种。履带式爬壁机器人具有吸附力大、承载能力强、运动稳定、速度较快等优点；但普通的履带式爬壁机器人运动灵活性和壁面适应能力有限，尤其在曲面行走和相交面过渡等方面具有明显不足。1994年1月出版的杂志《日本机械学会论文集(C辑)》(Trans of the Japan Society of Mechanical Engineer(C))第60卷第569号中“A Study on Wall Surface Mobile Robots”一文介绍了一种具有可变结构的履带式爬壁机器人。该机器人的履带由橡胶制成，可以很容易地改变形状，其外表面有25个真空吸盘，以使本体吸附于壁面，该柔性履带由一系列串行铰接的框架支撑，并在张紧装置作用下始终保持张紧状态；本体具有三个致动器，其一用于驱动机器人向前运动，另外两个可以使机器人前端绕固定轴上下、左右转动。该爬壁机器人的可变结构使其可以在凹凸曲面上运动、可以灵活地改变运动方向和在不同壁面之间过渡，因而具有较好的运动灵活性和壁面适应能力。但是，该履带式爬壁机器人前端和铰接框架的结构变化幅度有限，使得其仅能在曲率半径大于1.2m的曲面上稳定行走，也只能在交角为0°～+20°范围内的壁面之间完成过渡，这种壁面适应能力对于复杂的实际作业环境来说是远远不够的。
发明内容
为了克服现有的履带式爬壁机器人在壁面适应能力上的不足，本发明提供一种变结构履带式爬壁机器人，该爬壁机器人不仅能够在曲率半径较小的曲面上稳定行走，而且能在-90°～+90°，甚至更大交角范围的壁面之间完成过渡。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是一种变结构履带式爬壁机器人，其本体包括两条对称布置的履带、位于两条履带之间的车载作业系统和与履带啮合的带轮，所述履带外表面均匀安装吸盘，其特征在于所述机器人本体中的带轮的数量至少为4个，所述带轮由至少两根支撑杆支撑，且与支撑杆的末端活动连接，所述支撑杆与车载作业系统活动连接，所述履带在末端装有带轮的支撑杆的支撑下形成多边形结构。
本发明的一种形式为所述带轮的数量为4个，所述支撑杆的数量为2个；所述支撑杆的中部与车载作业系统用铰链连接，两端分别与一个带轮用铰链连接，所述履带在末端装有带轮的支撑杆的支撑下形成四边形结构。
本发明的另一种形式为所述带轮的数量为4个，所述支撑杆的数量为3个，其中，一根为长支撑杆，两根为短支撑杆；长支撑杆的中部与车载作业系统用铰链连接，两端分别与一个带轮用铰链连接；短支撑杆一端与车载作业系统用铰链连接，另一端与一个带轮用铰链连接，所述履带在末端装有带轮的支撑杆的支撑下形成四边形结构。
作为本发明的进一步改进，所述支撑杆中至少有一根是可伸缩的。这样可以使履带变形时始终保持张紧状态，提高其传动性能。
本发明的另一种改进为所述带轮和支撑杆的数量均为4个，每个带轮由一根支撑杆支撑，支撑杆一端与带轮用铰链连接，另一端与车载作业系统用铰链连接，每根支撑杆均是可伸缩的，所述履带在末端装有带轮的支撑杆的支撑下形成四边形结构。这样的结构使得所发明的爬壁机器人变形更加灵活，具有更强的壁面适应能力。
本发明的变结构履带式爬壁机器人，所述履带在末端装有带轮的支撑杆的支撑下形成多边形结构，各支撑杆可以绕车载作业系统上某点大幅度旋转，使其多边形履带大幅度改变形状，从而能够在具有较小曲率半径的曲面上稳定行走，以及在具有较大交角范围的相交壁面之间过渡。
图1是本发明变结构履带式爬壁机器人的本体俯视图。
图2a是本发明变结构履带式爬壁机器人第一个实施例的本体主视图。
图2b显示了图2a所示的本发明第一个实施例的一种改进的本体主视图。
图3a是本发明变结构履带式爬壁机器人第二个实施例的本体主视图。
图3b显示了图3a所示的本发明第二个实施例的一种改进的本体主视图。
图4是本发明变结构履带式爬壁机器人第三个实施例的本体主视图。
图5、图6和图7是本发明变结构履带式爬壁机器人第三个实施例在交角为+90°的相交壁面之间过渡的过程示意图。
图8、图9和图10是本发明变结构履带式爬壁机器人第三个实施例在交角为-90°的相交壁面之间过渡的过程示意图。
图11是本发明变结构履带式爬壁机器人第三个实施例在内凹曲面运动的示意图。
图12是本发明变结构履带式爬壁机器人第三个实施例在外凸曲面运动的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。
图1所示的变结构履带式爬壁机器人本体包括两条对称布置的履带1，位于履带1之间的车载作业系统2，以及下文所述的支撑机构，履带1外表面均匀安装若干吸盘，实际作业时，机器人可以依靠这些吸盘吸附在壁面上。根据作业壁面材质和表面状况的不同，可以选用相应的吸附方式，如真空吸附、磁吸附等。
图2a所示为本发明变结构履带式爬壁机器人第一个实施例，其中，每条履带1与4个带轮3啮合，所述带轮3由两根支撑杆4支撑，每根支撑杆4中部与车载作业系统2用铰链5连接，两端分别与一个带轮3用铰链连接，所述履带1在末端装有带轮3的支撑杆4的支撑下形成四边形结构。图2b显示了图2a的所示第一个实施例的一种改进，其中一根支撑杆4的一端是可伸缩的。
图3a所示为本发明变结构履带式爬壁机器人第二个实施例，其中，每条履带1与4个带轮3啮合，所述带轮3由3根支撑杆支撑，所述支撑杆中包括一根长支撑杆4b、两根短支撑杆4a和4c，长支撑杆4b中部与车载作业系统2通过铰链5连接，两端分别与一个带轮3用铰链连接；两根短支撑杆4a和4c的一端与一个带轮3用铰链连接，另一端与车载作业系统2用铰链5连接，所述履带1在末端装有带轮3的支撑杆4a、4b和4c的支撑下形成四边形结构。图3b显示了图3a所示的第二个实施例的一种改进，其中一根短支撑杆4a是可伸缩的。
图4所示为本发明变结构履带式爬壁机器人第三个实施例，其中，每条履带1与4个带轮3啮合，每个带轮3由一根支撑杆4支撑，支撑杆4一端与带轮3用铰链连接，另一端与车载作业系统2用铰链5连接，所述履带1在末端装有带轮3的支撑杆4的支撑下形成四边形结构，每根支撑杆4均是可伸缩的。
上述三个实施例中，每根支撑杆和车载作业系统之间设置一个离合器，离合器锁定时，支撑杆不再绕车载作业系统转动；离合器打开时，支撑杆可以受控或随动地绕车载作业系统转动。支撑杆的伸缩也设置有类似的锁定装置，装置锁定时，支撑杆的长度被固定；装置打开时，支撑杆的长度可以受控或随动地改变。本领域技术人员可以利用现有技术来实现上述离合器和锁定装置。这种结构使得机器人本体可以灵活地改变构型，并始终保持履带的张紧状态。
与前两种实施例相比，第三种实施例具有更多的自由度，因而具有更灵活的变形能力和壁面适应能力，也更容易对本体构型进行运动学和动力学性能优化。下面以第三种实施例为例介绍本发明变结构履带式爬壁机器人在相交壁面之间过渡和在曲面上行走的过程，其他实施例类似。
图5、图6和图7所示为本发明变结构履带式爬壁机器人第三种实施例在交角为+90°的相交壁面之间过渡的示意图。图5所示为机器人在履带吸盘作用下吸附在竖直壁面上，并以左下侧带轮为驱动轮沿竖直壁面向上运动；到达壁面相交处时，上面两个带轮及其之间的一段履带接触顶面，并利用吸盘吸附于顶面，随后机器人进入壁面过渡运动状态以左下侧和右上侧两个带轮为驱动轮，在左下侧驱动轮作用下，与竖直壁面接触的一段履带上的吸盘被自下而上逐个揭起，与此同时，在右上侧驱动轮作用下，右侧履带上的吸盘自上而下逐个接触并吸附在顶面上，从而与竖直壁面接触的履带长度逐渐减小而与顶面接触的履带长度逐渐增大，在这一过程中，部分或全部支撑杆相应地绕铰链转动并改变长度，以保持履带的张紧状态，图6所示为过渡运动过程中机器人的某一中间状态；当与竖直壁面接触的履带段上所有的吸盘均被揭起后，壁面过渡过程结束，机器人以左上侧带轮为驱动轮在顶面上向右运动，如图7所示。
图8、图9和图10所示为本发明变结构履带式爬壁机器人第三个实施例在交角为-90°的相交壁面之间过渡的示意图。图8所示为机器人在履带吸盘作用下吸附在竖直壁面上，并以右下侧带轮为驱动轮沿竖直壁面向上运动；到达壁面相交处时，右上侧带轮首先接触壁面相交线，随后机器人进入壁面过渡运动状态首先，在保证机器人不从竖直壁面剥落的前提下，尽量减小右侧两个支撑杆之间的交角，以利后续过渡动作，然后，右上侧带轮转动，同时其支撑杆伸长，从而使得右上侧带轮越过壁面相交线接触顶面，此后，继续以右下侧和右上侧两个带轮为驱动轮，在右下侧驱动轮作用下，与竖直壁面接触的履带段上的吸盘被自下而上逐个揭起，与此同时，在右上侧驱动轮作用下，上侧履带上的吸盘自右而左逐个接触并吸附在顶面上，从而与竖直壁面接触的履带长度逐渐减小而与顶面接触的履带长度逐渐增大，在这一过程中，右侧履带适应-90°相交面而被分成相互垂直的两段，部分或全部支撑杆相应地绕铰链转动并改变长度，以保持机器人处于良好的受力状态，同时履带处于张紧状态，图9所示为过渡运动过程中机器人的某一中间状态；当与竖直壁面接触的履带段上所有的吸盘均被揭起且左下侧带轮(对应于图8中的右下侧带轮)越过壁面相交线以后，壁面过渡过程结束，机器人以左下侧带轮为驱动轮在顶面上向右运动，如图10所示。
图11是本发明变结构履带式爬壁机器人第三个实施例在内凹曲面运动的示意图。相对于在平直壁面的运动状态，图中机器人上侧两个支撑杆较长，下侧两个支撑杆很短，相应地，上侧两个带轮为驱动轮，使得与弧形壁面接触的履带段左侧的吸盘被逐个揭起，而未接触壁面的履带段右侧的吸盘逐个接触并吸附于弧形壁面，下侧两个带轮可以压紧履带使之更好地适应弧形壁面。从上面的叙述可以看出，在内凹曲面上运动的过程中，与壁面接触的履带段为与壁面同曲率的弧形，从而能够很好地适应壁面，提高吸附和运动的稳定性。
图12是本发明变结构履带式爬壁机器人第三个实施例在外凸曲面运动的示意图。相对于在平直壁面的运动状态，图中机器人上侧两个支撑杆较短，下侧两个支撑杆较长，相应地，下侧两个带轮为驱动轮，使得与弧形壁面接触的履带段左侧的吸盘被逐个揭起，而未接触壁面的履带段右侧的吸盘逐个接触并吸附于弧形壁面。从上面的叙述可以看出，在外凸曲面上运动的过程中，与壁面接触的履带段为与壁面同曲率的弧形，从而能够很好地适应壁面，提高吸附和运动的稳定性；同时，接近壁面的两个支撑杆较长，远离壁面的两个支撑杆较短，这种结构使得机器人的重心更加靠近壁面，从而进一步提高了机器人的运动稳定性。
上述图5至图12各示意图中，带有弧线箭头的带轮为主驱动轮，箭头所指为驱动轮的转向。
除了上述实施例以外，本发明的变结构履带式爬壁机器人还可以采用其他的结构，而不脱离本发明的范围。例如，可以设置更多数量的带轮，并适当匹配支撑杆的数量，以使履带的结构适应某一特定作业环境的需要。
权利要求
1.一种变结构履带式爬壁机器人，其本体包括两条对称布置的履带、位于两条履带之间的车载作业系统和与履带啮合的带轮，所述履带外表面均匀安装吸盘，其特征在于所述机器人本体中的带轮的数量至少为4个，所述带轮由至少两根支撑杆支撑，且与支撑杆的末端活动连接，所述支撑杆与车载作业系统活动连接，所述履带在末端装有带轮的支撑杆的支撑下形成多边形结构。
2.根据权力要求1所述的变结构履带式爬壁机器人，其特征在于所述带轮的数量为4个，所述支撑杆的数量为2个；所述支撑杆的中部与车载作业系统用铰链连接，两端分别与一个带轮用铰链连接，所述履带在末端装有带轮的支撑杆的支撑下形成四边形结构。
3.根据权力要求1所述的变结构履带式爬壁机器人，其特征在于所述带轮的数量为4个，所述支撑杆的数量为3个，其中，一根为长支撑杆，两根为短支撑杆；长支撑杆的中部与车载作业系统用铰链连接，两端分别与一个带轮用铰链连接；短支撑杆一端与车载作业系统用铰链连接，另一端与一个带轮用铰链连接，所述履带在末端装有带轮的支撑杆的支撑下形成四边形结构。
4.根据权力要求1、2或3所述的变结构履带式爬壁机器人，其特征在于所述支撑杆中至少有一根是可伸缩的。
5.根据权力要求1所述的变结构履带式爬壁机器人，其特征在于所述带轮和支撑杆的数量均为4个，每个带轮由一根支撑杆支撑，支撑杆一端与带轮用铰链连接，另一端与车载作业系统用铰链连接，每根支撑杆均是可伸缩的，所述履带在末端装有带轮的支撑杆的支撑下形成四边形结构。
全文摘要
一种变结构履带式爬壁机器人，属于机器人设计技术领域。为了克服现有的履带式爬壁机器人在壁面适应能力上的不足，本发明提供一种变结构履带式爬壁机器人，其本体包括两条对称布置的形状可变的履带、位于两条履带之间的车载作业系统和与履带啮合的带轮，所述履带外表面均匀安装吸盘，所述机器人本体中的带轮的数量至少为4个，所述带轮由至少两根支撑杆支撑，且与支撑杆的末端活动连接，所述支撑杆与车载作业系统活动连接，所述履带在末端装有带轮的支撑杆的支撑下形成多边形结构。本发明所述履带式爬壁机器人可以灵活而大幅度地改变履带的形状，从而能够在曲率半径较小的曲面上稳定行走，以及在具有较大交角范围的相交壁面之间过渡。
文档编号B25J5/00GK1562576SQ200410033770
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月16日 优先权日2004年4月16日
发明者陈恳, 杨向东, 田兰图 申请人:清华大学