一种双足攀爬巡检机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，涉及一种巡检机器人，更具体的是涉及一种双足攀爬巡检机器人。

背景技术：

目前，机器人的应用范围不断扩大，在军事、制造、航空航天、核能、教育、医疗以及家庭服务等领域里面发挥着越来越重要的作用。而很多行业中，都存在着高空作业的需求，例如风电塔筒的检测、维护与清洁；电力铁塔的检修；通信铁塔的维护；船舶的喷漆、检测和维护；桁架桥梁的检修等等。这些高空作业都具有较高的危险性，如果能够使用机器人代替人工进行这些高空作业，将会大大降低风险，提高作业效率，提高经济效益。这就要求机器人具有能够在钢铁材料的表面、钢铁桁架等对象表面攀爬和工作的能力。

申请号为201620465672.4，名称为“风力发电机清洗维护与检测机器人”的专利中，是通过将永磁铁连接到履带上，履带安装在机器人的连接架上，然后永磁铁与风力塔筒吸附，机器人通过履带转动而在风电塔筒上面移动。首先机器人上的永磁铁与风电塔筒之间一直存在着磁吸附力，机器人移动的时候需要不断克服这个磁吸附力，导致功耗增加。同时履带传动造成了的更大的功耗以及更昂贵的造价。并且该机器人只能沿着风电塔筒竖直方向移动或者在竖直方向的左右偏离小角度的范围内移动，而风电塔筒是圆台状，因此该机器人作业效率较低。

申请号为201510989345.9，名称为“一种铁塔攀爬机器人”的专利中，采用了一种串联结构形式的机器人，具有灵活性高的特点，但是它的运动速度以及负载能力都不高，限制了其应用范围。

申请号为200410016429.6，名称为“磁轮吸附式爬壁机器人”的专利中，是通过磁轮形式将机器人吸附在被攀爬物体表面的，具有攀爬速度快的优点，但是采用磁轮形式，使得机器人的越障能力不高，并且磁轮的吸附面积较小，使得磁吸附力利用率不高，导致机器人的负载能力较低。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题。一种双足攀爬巡检机器人，能够在风电塔筒、船舶、变电站等的钢铁材质表面、电力铁塔以及通信铁塔等空间钢材桁架结构上实现攀爬行走，具有可以全方向移动，攀爬速度快，越障能力强，承载能力强，适应范围广等的优点，可以代替人工进行危险的高空作业，降低风险，提高工作效率及经济效益。

本发明为解决现有技术所存在的技术问题所采取的技术方案是：

一种双足攀爬巡检机器人，其特征在于：主要由一对活动机械臂通过髋部转动关节相连组成，所述活动机械臂包括髋部平台、Delta并联机械手、电磁铁制成的电磁足部和安装在髋部平台上的工具盒，所述Delta并联机械手固定安装在髋部平台底部，电磁足部安装在Delta并联机械手的动平台上，所述髋部平台一侧伸出连接臂，两个活动机械臂伸出的连接臂通过髋部转动关节相连，通过髋部转动关节可驱动两个活动机械臂相对转动，通过Delta并联机械手驱动电磁足部在其运动空间内自由运动。

作为改进，所述的髋部转动关节包括髋部转动关节电机、髋部转动关节电机座、髋部转动法兰轴和髋部转动法兰轴座；所述髋部转动关节电机座与所述髋部转动法兰轴座分别固定在两个活动机械臂伸出的连接臂的下表面；所述髋部转动关节电机安装在所述髋部转动关节电机座上；所述髋部转动关节电机的输出轴与所述髋部转动法兰轴固定相连；所述髋部转动法兰轴与所述髋部转动法兰轴座固定相连。

作为改进，所述Delta并联机械手包括定平台、动平台、3个主动臂、3个从动臂和3个驱动电机，所述3个驱动电机成三角形分布的安装在定平台底部，定平台固定安装在髋部平台底部，3个主动臂一端分别固定安装在3个驱动电机的输出轴上，另一端分别与3个从动臂顶部铰接相连，3个从动臂底部铰接在动平台的四周，通过3个驱动电机驱动动平台在一定空间范围内移动，从而驱动电磁足部在一定空间范围内移动。

作为改进，所述从动臂为双杆结构，从动臂的两根连杆顶部与主动臂之间通过铰链相连，两根连杆底部也通过铰链连接在动平台上。

作为改进，所述工具盒为多边形工具盒，多边形工具盒内侧壁设有多个用于固定所载物件的半圆环。

作为改进，所述工具盒为一个底面封闭顶面开放的六边体盒。

作为改进，所述定平台底部设有用于检测行走环境信息的摄像头检测模块。

作为改进，所述电磁足部为平面型电磁铁制成，平面型电磁足部嵌套安装在动平台中间，且电磁足部从动平台底部平面突出。

作为改进，所述髋部转动关节电机和驱动电机为步进电机或伺服电机。

作为改进，所述电磁足部选用直流吸盘式电磁足部，其特性是通电状态磁力消失，当不通电状态有磁力。

因此，本发明具有的优点和积极效果是：

(一)机器人双足采用Delta并联机械手的结构形式，结构紧凑，刚度高，承载能力大，无累积误差，精度较高。

(二)驱动电机固定在定平台的上表面，使得动平台重量较轻，运动惯量小，运动速度高，动态响应好。

(三)机器人顶部设置有工具盒，工具盒内有用于固定工具设备的半圆环，故机器人可以携带工具设备在作业对象上攀爬，可以给维修人员提供帮助，拓展了机器人的能力。

(四)机器人采用并联和串联结合的混联式结构，结合串联和并联的优点，使得机器人结构简单，工作空间大，精度高，运行效率高。

(五)两个摄像头检测模块安装在两个定平台的下表面，视野范围大，稳定性高，能够可靠地对作业对象进行检测。

(六)机器人能够自动在作业对象上攀爬行走，具有可以全方向移动，攀爬速度快，越障能力强，承载能力强，适应范围广等的优点，可以代替人工进行危险的高空作业，降低风险，提高工作效率以及经济效益。

(七)本发明能够在风电塔筒、船舶、变电站等钢铁材表面、电力铁塔以及通信铁塔等钢材桁架结构上实现攀爬行走，并且可以全方向移动，并且攀爬速度快，越障能力强，承载能力强，适应范围广，代替人工进行危险的高空作业，降低风险，提高工作效率以及经济效益。

附图说明

附图1为本发明的等轴测图。

附图2为本发明的俯视图。

附图3为髋部转动关节三维模型示意图

附图4为本发明的Delta并联机械手的三维模型示意图。

附图5为本发明的电磁足部三维模型示意图。

附图6为本发明的机器人的动作示意图。

附图7-1，7-2，7-3，7-4为机器人以交叉式步态在作业对象上攀爬的示意图。

附图8-1，8-2，8-3，8-4为机器人以蠕虫式步态在作业对象上攀爬的示意图。

附图9是机器人在空间钢材桁架结构的两个共面平行的角钢面上攀爬，机器人从其中的一个角钢面攀爬至另外一个角钢面的示意图。

附图10是机器人在空间钢材桁架结构的两个相互垂直且成空间关系的角钢面上攀爬，机器人从其中的一个角钢面攀爬至另外一个角钢面的示意图。

附图11是机器人在空间钢材桁架结构的两个相互平行且成空间关系的角钢面上面攀爬，机器人双足分别位于这两个角钢面上交替攀爬的示意图。

附图中：1-半圆环，2-工具盒，3-髋部平台，4-定平台，5-摄像头检测模块，6-驱动电机，7-髋部转动关节电机，8-髋部转动关节电机座，9-髋部转动法兰轴座，10-紧固螺栓，11-髋部转动法兰轴，12-驱动电机座，13-主动臂，14-从动臂，15-铰链，16-动平台，17-螺钉，18-电磁足部，19-连接臂。

具体实施方式

下面通过实施例，并配合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

一、首先介绍一下本发明的具体结构。

本发明整体结构如图1所示，其结构左右对称活动机械臂通过髋部转动关节相连组成，包括一个髋部转动关节、一对工具盒2、一对髋部平台3、一对Delta并联机械手、一对摄像头检测模块5、一对电磁足部18。其中髋部转动关节由髋部转动关节电机7、髋部转动关节电机座8，髋部转动法兰轴11座9，紧固螺栓10，髋部转动法兰轴11组成；Delta并联机械手由定平台4、驱动电机6、驱动电机座12、主动臂13、从动臂14、铰链15、动平台16组成；工具盒2为一个底面封闭顶面开放的六边体盒，六边体盒内侧壁设有多个用于固定所载物件的半圆环1；摄像头检测模块5固定在定平台4的下表面；电磁足部18通过螺钉17与动平台16固连。

所述髋部平台3一侧伸出连接臂19，两个髋部平台3伸出的连接臂19由髋部转动关节连接并驱动其相互转动，髋部平台3和电磁足部18由Delta并联机械手连接并驱动其相互运动；髋部转动关节电机座8与髋部转动法兰轴11座9分别固定在一对连接臂19的下表面；髋部转动关节电机7安装在髋部转动关节电机座8上；髋部转动关节电机7的输出轴与髋部转动法兰轴11进行固定配合相连；髋部转动法兰轴11与髋部转动法兰轴11座9通过紧固螺栓10固定。单个Delta并联机械手中定平台4数量为1个，动平台16数量为1个，驱动电机6数量为3个，驱动电机座12数量为3个，连杆支链为3条，主动臂13为3个，从动臂14为3个，每个从动臂14由两根连杆组成，铰链15为12个，从动臂14的两根连杆顶部与主动臂13之间通过铰链15相连，两根连杆底部也通过铰链15连接在动平台16上。定平台4和动平台16之间通过三条沿周向均布的连杆支链连接，定平台4上固定有驱动电机座12，驱动电机6固定在驱动电机座12上，三个驱动电机6在定平台4上成等边三角形分布，驱动电机6的输出端和主动臂13的输入端连接，连杆支链中的主动臂13末端与从动臂14的两根连杆通过两个铰链15相连接，两根连杆末端与所述动平台16之间通过两个铰链15连接。工具盒2主体为一个底面封闭顶面开放的六边体盒，六边体盒内侧壁具有多个半圆环1分布。摄像头检测模块5安装在两个Delta并联机械手的两个定平台4的下表面。电磁足部18通过螺钉17与两个Delta并联机械手的动平台16固定。

二、本发明中机器人可实现的动作和功能有：

(1)通过髋部转动关节电机7的转动，使得髋部转动法兰轴11转动从而实现两个髋部平台33之间可以相互转动任意角度，如附图6所示；

(2)通过Delta并联机械手的三个驱动电机6的转动，使得三个主动臂13转动，通过铰链15传动使得三个从动臂14转动，从而实现电磁足部18在空间内的三个方向的平动，如附图6所示；

(3)电磁足部18的选用直流吸盘式电磁足部18，其特性是通电状态磁力消失，当不通电状态有磁力。可以提高机器人的安全性，并且减少机器人的功耗，延长机器人的作业时间。

(4)工具盒2内有用于固定工具设备的半圆环1，故机器人可以携带工具设备在作业对象上攀爬，拓展了机器人的能力同时可以给维修人员提供更好地帮助。

(5)两个摄像头检测模块5安装在两个定平台4的下表面，视野充足，稳定性高，能够可靠有效对作业对象进行检测。

动作(1)(2)(3)能够实现机器人双足攀爬行走，并且能够在作业对象上朝着任何方向攀爬行走，并且具备极强的越障能力。机器人在作业对象上进行直线攀爬时候拥有两种攀爬方式。一种是机器人双足在同一高度，随后两足交替运动，使机器人以交叉式步态地攀爬如附图7-1所示；一种是机器人双足一前一后布置，前足后足交替运动，使机器人以蠕虫式步态攀爬如附图8-1所示。在机器人遇到障碍物的时候，机器人可以任意切换攀爬的步态方式，可以轻松越过障碍物。机器人在空间钢材桁架结构上攀爬行走时，机器人具有多种灵活地攀爬行走方式，可以较为轻松地应付空间钢材桁架结构中的垂直或者平行等多种空间关系的角钢面的攀爬行走问题，且具备良好地越障能力。

下面结合附图对机器人工作时候的两种攀爬步态做进一步介绍。交叉式步态的具体步骤如下：

(1)将机器人的任意一足的电磁足部18通电，电磁吸附力消失，同时通过Delta并联机械手运动将该足抬起距离作业对象一定距离。

(2)通过Delta并联机械手运动将该足向机器人攀爬方向移动一定距离。

(3)通过Delta并联机械手运动将该足向作业对象移动，使其靠近作业对象，并让该足的电磁足部18断电，电磁吸附力恢复，使该足与作业对象吸附固定。

(4)使另外一足按照上述的(1)、(2)、(3)步骤运动。

完成上述的步骤，即可使机器人以交叉式步态在作业对象上攀爬一定距离。整个交叉步态的运动过程如附图7-1，7-2，7-3，7-4所示。

蠕虫式攀爬步态的具体步骤如下：

(1)将机器人的两足中沿着攀爬方向位于前面的一足的电磁足部18通电，电磁吸附力消失，同时通过Delta并联机械手运动将该足抬起距离作业对象一定距离。

(2)通过Delta并联机械手运动将该足向机器人攀爬方向移动一定距离。

(3)通过Delta并联机械手运动将该足向作业对象移动，使其靠近作业对象，并让该足的电磁足部18断电，电磁吸附力恢复，使该足与作业对象吸附固定。

(4)使另外一足按照上述的(1)、(2)、(3)步骤运动。

完成上述的步骤，即可使机器人以蠕虫式步态在作业对象上攀爬一定距离。整个蠕虫式步态的运动过程如附图8-1，8-2，8-3，8-4所示。

下面结合附图对工作中机器人在空间钢材桁架结构上攀爬行走做进一步介绍。图9是机器人在空间钢材桁架结构的两个共面平行的角钢面上面攀爬，机器人从其中的一个角钢面攀爬至另外一个角钢面的示意图。此时机器人的髋部转动关节不需要转动，机器人的两个髋部平台3共面平行，利用机器人的Delta并联机械手的运动，使得机器人的电磁足部18可以灵活地在两个角钢面之间运动，可以轻松越过障碍，完成机器人的攀爬行走。图10是机器人在空间钢材桁架结构的两个相互垂直且成空间关系的角钢面上面攀爬，机器人从其中的一个角钢面攀爬至另外一个角钢面的示意图。此时机器人的髋部转动关节转动90度，使得机器人的两个髋部平台3相互垂直，通过机器人的Delta并联机械手的运动，机器人的电磁足部18可以灵活地在两个空间垂直的角钢面之间运动，可以轻松越过障碍，完成机器人的攀爬行走。图11是机器人在空间钢材桁架结构的两个相互平行且成空间关系的角钢面上面攀爬，机器人双足分别位于这两个角钢面上交替攀爬的示意图。此时机器人的髋部转动关节转动180度，使得机器人的两个髋部平台3成180度，通过机器人的Delta并联机械手的运动，机器人的电磁足部18可以灵活地在两个相互平行且成空间关系的角钢面上面之间运动，可以轻松越过障碍，完成机器人的攀爬行走。

综合所述的机器人结构设计，机构的运动功能以及附图说明，机器人可以在较为平坦宽大的整体钢材表面攀爬行走如风电塔筒、船舶及变电站的表面，也可以在较为狭小复杂的钢材表面攀爬行走如电力铁塔以及通信铁塔等空间钢材桁架结构，并且都具备良好的越障能力。同时机器人安装的摄像头检测模块5可以对作业对象进行检测，机器人上的工具盒2使得机器人能够携带一定的工具设备辅助高空作业人员。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。