滑轨导向吸盘伸缩仿蠕虫爬壁机器人装置的制作方法

本发明属于爬壁机器人领域，特别涉及一种滑轨导向吸盘伸缩仿蠕虫爬壁机器人装置的结构设计。

背景技术：

近年来产生了不少移动机器人，如多足移动机器人、水下机器人等，越来越多的工作被机器人设备完成。现实中，现有多数机器人停留于地面上工作，而在垂直壁面上还有不少需要完成的工作，短时间内却难以安排现有机器人去完成，多数工作还需要操作人员搭脚手架或者系上安全绳攀爬至高处，冒着很高的危险操作。因此，为了解决现有机器人设备面临的上墙难问题，国内外机器人研究人员和工程师已经开始研发爬壁机器人。经过多年的探索，一批形态和原理各异的爬壁机器人诞生出来。但是，爬壁机器人技术仍然不够成熟，性能难以满足大规模推广应用的需求。

现有爬壁机器人主要有三类：

1)离心风机轮式爬壁机器人

现有的轮式爬壁机器人的吸附原理是以高功率的涡轮产生大的向墙面吸附力与推力。得益于轮式结构的驱动方式，这种机器人在壁面的爬行速度较快，但由于涡轮的原理所限，这种机器人不仅能耗高，而且噪音十分严重，同时载重能力不足，只能搭载轻量化的设备。

2)履带式的攀爬机器人

现有的履带式的攀爬机器人通常使用磁性履带，能够攀爬金属墙面、垂直通过墙角，在一些特殊场合下具有较大的运用价值。但由于磁性履带的磁性不易控制，该机器人的吸附能力、运行速度等受墙面物理性质影响严重，对于不被磁铁吸附的金属材料墙面与非金属材料，这种机器人完全无法应用。

3)足式爬壁机器人

现有的足式爬壁机器人主要采用微观特殊表面结构的粘性材料阵列或吸盘结构完成吸附，且多采用和水平地面爬行机器人类似的多关节四足或六足结构。得益于多足的结构，其应对复杂环境的通过性较好，但是由于足部自由度较多，结构复杂，在垂直壁面上的控制难度较高，且重量较大，且机体仍然要承受很大的扭矩，难以满足携带重物攀爬壁面的需要。

目前，具有导轨滑块结构和吸盘吸附结构的爬壁机器人被开发出来：

1)已有的一种磁吸式爬壁机器人(中国专利cn108127656a)，所述一号滑台包括一号滑块，所述一号滑块用于安装作业装置，所述一号滑台上设有行走机构。该装置具有导轨滑块结构，具有较高的稳定性，可以在外载荷下保持直线运动；其不足在于：不足之处在于，仅设有一条导轨，在外载荷下易发生扭转变形，且电磁铁吸附结构适用范围较小，对于不被磁铁吸附的金属材料墙面与非金属材料，这种机器人完全无法应用。

2)已有的一种两足式爬壁机器人(中国专利cn108127656a)，包括支持装置，机器人本体以及连接所述机器人本体与所述支持装置的连接缆绳等。该机器人的优势在于，采用吸盘吸附结构，能够适用于玻璃等较为光滑的非金属或金属墙面；采用两足式结构，可以仿照人类实现跨越式行走，具有较强的越障能力。其不足在于，系统自由度多，控制难度大，刚性差，在外载荷较大时难以保持直线运动。

世界各国的科研机构都在攀爬机器人的研究上做了很多前沿的研究，但是仍然有很多较为棘手的问题，包括载重不够大、对墙面性质要求较高、转向性能不佳等。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服已有爬壁机器人的不足之处，提供一种滑轨导向吸盘伸缩仿蠕虫爬壁机器人装置。该装置仿蠕虫运动原理，能够在垂直壁面上吸附和移动，爬行稳定、可靠，载重能力强，可扩展性好，成本低，容易控制，能耗低，续航时间长。

本发明的技术方案如下：

本发明设计的滑轨导向吸盘伸缩仿蠕虫爬壁机器人装置，其特征在于：包括第一吸附单元、第二吸附单元、第三吸附单元、第一伸缩连杆组件、第二伸缩连杆组件、第一导轴、第二导轴、第一左滑块、第一右滑块、第二左滑块、第二右滑块、第三左滑块、第三右滑块、电动气泵、第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第一继电器、第二继电器、第三继电器和控制器；所述第一吸附单元、第二吸附单元和第三吸附单元均为结构相同的吸附单元；所述吸附单元包括骨架、减速电机、腱绳、簧件、限位块、绕线筒、定滑轮、定滑轮轴、动滑轮、动滑轮轴、吸盘支架和至少一个吸盘；在所述吸附单元中，所述减速电机固定安装在骨架上，所述绕线筒套固在减速电机的输出轴上，所述定滑轮套接在定滑轮轴上，所述定滑轮轴套设在骨架中，所述动滑轮套接在动滑轮轴上，所述动滑轮轴套设在吸盘支架上；所述腱绳的一端固定在绕线筒上并缠绕经过绕线筒，腱绳缠绕经过定滑轮和动滑轮，腱绳的另一端与骨架固接；所述吸盘支架滑动镶嵌在骨架中，吸盘支架在骨架中的滑动方向与工作面垂直；每个所述吸盘的一端与吸盘支架固接，每个吸盘的另一端与工作面相接触或分离；所述簧件的两端分别连接骨架和吸盘支架，所述簧件采用压簧；所述限位块与骨架固接，所述吸盘支架与限位块相接触或分离；所述吸盘的外边缘具有弹性；所述第一吸附单元中的吸盘的气路入口与第一电磁阀相连通，所述第二吸附单元中的吸盘的气路入口与第二电磁阀相连通，所述第三吸附单元中的吸盘的气路入口与第三电磁阀相连通，所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀分别与电动气泵相连通；所述第一伸缩连杆组件、第二伸缩连杆组件均为结构相同的伸缩连杆组件，所述伸缩连杆组件包括第一舵机、第二舵机、第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一轴、第二轴、第三轴、转盘和转盘轴；所述第一舵机、第二舵机为相同的舵机，分别固定安装在转盘上，所述转盘套接在转盘轴上，所述第一伸缩连杆组件中的转盘轴套设在第二吸附单元的骨架中，所述第二伸缩连杆组件中的转盘轴套设在第三吸附单元的骨架中；所述第一连杆的一端套固在第一舵机的输出轴上，所述第一连杆的另一端活动套接第一轴上，所述第二连杆的一端活动套接第一轴上，第二连杆的另一端活动套接第二轴上；所述第一伸缩连杆组件中的第二轴活动套接在第一吸附单元的骨架上，所述第二伸缩连杆组件中的第二轴活动套接在第二吸附单元的骨架上；所述第三连杆的一端套固在第二舵机的输出轴上，所述第三连杆的另一端活动套接第三轴上，所述第四连杆的一端活动套接第三轴上，第四连杆的另一端活动套接第二轴上；设第一舵机输出轴、第一轴、第二轴、第三轴、第二舵机输出轴的中心点分别为a、b、c、d、e；线段ab与线段de长度相等，线段bc与线段cd长度相等；所述第一左滑块、第一右滑块分别与第一吸附单元的骨架固接，所述第二左滑块、第二右滑块分别与第二吸附单元的骨架固接，所述第三左滑块、第三右滑块分别与第三吸附单元的骨架固接，所述第一左滑块、第二左滑块、第三左滑块分别滑动套接在第一导轴上；所述第一右滑块、第二右滑块、第三右滑块分别滑动套接在第二导轴上；所述第一继电器与第一电磁阀相连，所述第二继电器与第二电磁阀相连，所述第三继电器与第三电磁阀相连；所述控制器包括舵机输出端、减速电机输出端、第一继电器输出端、第二继电器输出端、第三继电器输出端；第一继电器、第二继电器、第三继电器、所述各个吸附单元中的舵机、各个伸缩连杆组件中的减速电机分别与控制器的相应输出端相连；所述吸盘的中心线、第一轴、第二轴、第三轴、第一舵机的输出轴和第二舵机的输出轴相互平行；所述吸盘支架在骨架中的滑动方向与第一轴平行；所述第一左滑块、第二左滑块、第三左滑块分别在第一导轴上的滑动方向与第一右滑块、第二右滑块、第三右滑块分别在第二导轴上的滑动方向一致，所述第一左滑块在第一导轴上的滑动方向与工作面平行；所述控制器固定安装在第一吸附单元或第二吸附单元的骨架上。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和突出性效果：

本发明装置利用电机、伸缩连杆组件、电动气泵、电磁阀、腱绳、吸盘、簧件等综合实现了仿蠕虫运动的机器人爬壁功能。该装置能够在垂直避免上吸附和移动，采用多单元结构使得每次动作仅需移动一个单元，不仅与墙面吸附接触面积大，而且攀爬稳定、可靠，质量分散至各个单元，载重能力强，可扩展性好、成本低，容易控制，能耗低，续航时间长，适用于用作墙面作业的机器人中。

附图说明

图1是本发明设计的滑轨导向吸盘伸缩仿蠕虫爬壁机器人装置装置的一种实施例的立体外观图。

图2是图1所示实施例侧面外观图。

图3是图1所示实施例立体图(未画出部分零件)。

图4是图1所示实施例的俯视图(未画出部分零件)。

图5是图1所示实施例的仰视图。

图6是图1所示实施例的侧面视图(未画出部分零件)。

图7至图8是图1所示实施例吸盘支架放下与抬起过程示意图(图4的a-a局部剖视图)。

图9至图11是图1所示实施例的伸缩连杆机构工作状态示意图(图6的b-b剖视图)。

图12至图15是图1所示实施例的一个运动周期各个工作状态示意图。

图16至图19是图1所示实施例状态变化过程中的侧面视图。

在图1至图19中：

1－第一吸附单元，2－第二吸附单元，3－第三吸附单元，4－骨架，

5－减速电机，6－腱绳，7－簧件，8－限位块，

9－绕线筒，10－定滑轮，11－定滑轮轴，12－动滑轮，

13－动滑轮轴，14－吸盘支架，15－吸盘，16－第一舵机，

17－第二舵机，18－第一连杆，19－第二连杆，20－第三连杆，

21－第四连杆，22－第一轴，23－第二轴，24－第三轴，

25－转盘，26－转盘轴，27－第一导轴，28－第二导轴，

29－第一左滑块，30－第一右滑块，31－第二左滑块，32－第二右滑块，

33－第三左滑块，34－第三右滑块，35－电动气泵，36－第一电磁阀，

37－第二电磁阀，38－第三电磁阀，39－第一继电器，40－第二继电器，

41－第三继电器，42－控制器，43－电源稳压模块，44－第一外壳，

45－第二外壳，46－第三外壳，90－工作面。

具体实施方式

下面结合附图及实施例进一步详细介绍本发明的具体结构、工作原理的内容。

本发明设计的滑轨导向吸盘伸缩仿蠕虫爬壁机器人装置的一种实施例，如图1至图6所示，包括第一吸附单元1、第二吸附单元2、第三吸附单元3、第一伸缩连杆组件、第二伸缩连杆组件、第一导轴27、第二导轴28、第一左滑块29、第一右滑块30、第二左滑块31、第二右滑块32、第三左滑块33、第三右滑块34、电动气泵35、第一电磁阀36、第二电磁阀37、第三电磁阀38、第一继电器39、第二继电器40、第三继电器41和控制器42；所述第一吸附单元1、第二吸附单元2和第三吸附单元3均为结构相同的吸附单元；所述吸附单元包括骨架4、减速电机5、腱绳6、簧件7、限位块8、绕线筒9、定滑轮10、定滑轮轴11、动滑轮12、动滑轮轴13、吸盘支架14和至少一个吸盘15；在所述吸附单元中，所述减速电机5固定安装在骨架4上，所述绕线筒9套固在减速电机5的输出轴上，所述定滑轮10套接在定滑轮轴11上，所述定滑轮轴11套设在骨架4中，所述动滑轮12套接在动滑轮轴13上，所述动滑轮轴套13设在吸盘支架14上；所述腱绳6的一端固定在绕线筒9上并缠绕经过绕线筒9，腱绳7缠绕经过定滑轮10和动滑轮12，腱绳7的另一端与骨架4固接；所述吸盘支架14滑动镶嵌在骨架4中，吸盘支架14在骨架4中的滑动方向与工作面90垂直(工作面为本实施例所爬的壁面，如图16所示)；每个所述吸盘15的一端与吸盘支架14固接，每个吸盘15的另一端与工作面相接触或分离；所述簧件7的两端分别连接骨架4和吸盘支架14，所述簧件7采用压簧；所述限位块8与骨架4固接，所述吸盘支架14与限位块8相接触或分离；所述吸盘15的外边缘具有弹性；所述第一吸附单元1中的吸盘15的气路入口与第一电磁阀36相连通，所述第二吸附单元2中的吸盘15的气路入口与第二电磁阀37相连通，所述第三吸附单元3中的吸盘15的气路入口与第三电磁阀38相连通，所述第一电磁阀36、第二电磁阀37、第三电磁阀38分别与电动气泵35相连通；所述第一伸缩连杆组件、第二伸缩连杆组件均为结构相同的伸缩连杆组件，所述伸缩连杆组件包括第一舵机16、第二舵机17、第一连杆18、第二连杆19、第三连杆20、第四连杆21、第一轴22、第二轴23、第三轴24、转盘25和转盘轴26；所述第一舵机16、第二舵机17为相同的舵机，分别固定安装在转盘25上，所述转盘25套接在转盘轴26上，所述第一伸缩连杆组件中的转盘轴26套设在第二吸附单元2的骨架4中，所述第二伸缩连杆组件中的转盘轴26套设在第三吸附单元3的骨架4中；所述第一连杆18的一端套固在第一舵机16的输出轴上，所述第一连杆18的另一端活动套接第一轴22上，所述第二连杆19的一端活动套接第一轴22上，第二连杆的另一端活动套接第二轴23上；所述第一伸缩连杆组件中的第二轴23活动套接在第一吸附单元1的骨架4上，所述第二伸缩连杆组件中的第二轴23活动套接在第二吸附单元2的骨架4上；所述第三连杆20的一端套固在第二舵机17的输出轴上，所述第三连杆20的另一端活动套接第三轴24上，所述第四连杆21的一端活动套接第三轴24上，第四连杆21的另一端活动套接第二轴上23；设第一舵机16输出轴、第一轴22、第二轴23、第三轴24、第二舵机输出轴的中心点分别为a、b、c、d、e；线段ab与线段de长度相等，线段bc与线段cd长度相等；所述第一左滑块29、第一右滑块30分别与第一吸附单元1的骨架4固接，所述第二左滑块31、第二右滑块32分别与第二吸附单元2的骨架4固接，所述第三左滑块33、第三右滑块34分别与第三吸附单元3的骨架4固接，所述第一左滑块29、第二左滑块31、第三左滑块33分别滑动套接在第一导轴27上；所述第一右滑块30、第二右滑块32、第三右滑块34分别滑动套接在第二导轴28上；所述第一继电器39与第一电磁阀36相连，所述第二继电器40与第二电磁阀37相连，所述第三继电器41与第三电磁阀38相连；所述控制器42包括舵机输出端、减速电机输出端、第一继电器输出端、第二继电器输出端、第三继电器输出端；第一继电器、第二继电器、第三继电器、所述各个吸附单元中的舵机、各个伸缩连杆组件中的减速电机分别与控制器的相应输出端相连；所述吸盘的中心线、第一轴22、第二轴23、第三轴24、第一舵机16的输出轴和第二舵机17的输出轴相互平行；所述吸盘支架14在骨架4中的滑动方向与第一轴22平行；所述第一左滑块29、第二左滑块31、第三左滑块33分别在第一导轴27上的滑动方向与第一右滑块30、第二右滑块32、第三右滑34块分别在第二导轴28上的滑动方向一致，所述第一左滑块29在第一导轴27上的滑动方向与工作面平行；所述控制器42固定安装在第一吸附单元1或第二吸附单元2的骨架上。

本实施例还包括电源稳压模块43，所述电源稳压模块43固定安装第一吸附单元1或第二吸附单元2的骨架上，所述电源稳压模块给本实施例的其他用电部分稳定供电。

本实施例中，除上述标号元件外，还使用了塑胶导管若干，导线若干，以及电池一块，均属于公知常用元件，不赘述。

本实施例的工作原理，结合附图7至图19，叙述如下：

所示实施一个周期运动的各个阶段运动如图16至图19所示。

本实施例的具体工作原理，叙述如下(假设初始状态如图16所示，以机身第一节运动为例)：

a)在吸附单元中，控制器42控制继电器接通，电磁阀控制吸盘15与电动气泵负压端接通，并使吸盘15与大气断开，吸盘15内产生负压，吸盘15与工作面稳定吸附。定义该运动为吸附运动，完成吸附运动的状态称为吸附状态。

b)在吸附单元中，控制器42控制继电器断开，电磁阀控制吸盘15与电动气泵35负压端断开，并使吸盘15与大气接通，吸盘15内负压消失，吸盘15与工作脱离。定义该运动为脱离运动，完成脱离运动的状态称为脱离状态。吸附状态与脱离状态不共存。

c)在吸附单元中，减速电机5通电顺时针转动，与减速电机5输出轴套接的绕线筒9顺时针转动，腱绳6张紧，带动动滑轮12垂直工作面向上运动，由于动滑轮轴13套设在吸盘支架14中，吸盘支架14脱离限位块8，并克服簧件7弹性阻力垂直工作面向上运动(如图7)，直到吸盘支架14与骨架4下端接触时停止。吸盘15与吸盘支架14固结，也垂直于工作面向上运动并脱离脱离工作面。定义该运动为抬起运动，完成抬起运动的状态称为抬起状态。

d)在吸附单元中，减速电机5通电逆时针转动，与减速电机5输出轴套接的绕线筒9逆时针转动，腱绳6松弛，在簧件7弹性推力的作用下，吸盘支架14垂直工作面向下运动(如图8)，直到吸盘支架14与限位块8接触时停止。吸盘15与吸盘支架固结14，也垂直于工作面向下运动并最终贴紧工作面。定义该运动为放下运动，完成放下运动的状态称为放下状态，抬起状态与放下状态不共存。

e)在伸缩连杆组件中，第一舵机16输出轴顺时针转动，带动第一连杆18围绕第一舵机16输出轴顺时针转动，带动第二连杆19围绕第二轴23逆时针转动；第二舵机17输出轴逆时针转动，带动第三连杆20围绕第二舵机输出轴逆时针转动，带动第四连杆21围绕第二轴23顺时针转动；第一舵机16、第二舵机17输出轴转角相同，第二连杆19与第四连杆21所夹角减小，推动第二轴23远离转盘运动，运动方向平行于第一导轴27、第二导轴28(如图9)。定义该运动为伸长运动，完成伸长运动的状态称为伸长状态。

f)在伸缩连杆组件中，第一舵机16输出轴逆时针转动，带动第一连杆18围绕第一舵机16输出轴逆时针转动，带动第二连杆19围绕第二轴23顺时针转动；第二舵机17输出轴顺时针转动，带动第三连杆20围绕第二舵机17输出轴顺时针转动，带动第四连杆21围绕第二轴23逆时针转动；第一舵机16、第二舵机17输出轴转角相同，第二连杆19与第四连杆21所夹角增大，推动第二轴23靠近转盘运动，运动方向平行于第一导轴27、第二导轴28(如图10)。定义该运动为缩短运动，完成缩短运动的状态称为缩短状态，缩短状态与伸长状态不共存。

g)特别地，在伸缩连杆组件中，当第一舵机16与第二舵机17输出轴转角不同时，转盘25围绕转盘轴26旋转，保证第二轴23远离或靠近转盘的运动方向仍旧平行于第一导轴27、第二导轴28(如图11)，不出现机械干涉现象。

h)所示实施例的爬行运动周期分为四个运动状态(分别如图12、图13、图14、图15所示)。设所示实施例的初始状态如图12所示，第一吸附单元1、第二吸附单元2、第三吸附单元3均处于放下状态与吸附状态，第一伸缩连杆组件处于伸长状态，第二伸缩连杆组件处于缩短状态(如图16)。随后的具体运动过程如下：

第二吸附单元2执行脱离运动，并随后执行抬起运动(如图17)。

第一伸缩连杆组件执行缩短运动，同时第二伸缩连杆组件执行伸长运动(如图18)。

第二吸附单2元执行放下运动，并随后执行吸附运动(如图17)，达到图13所示的运动状态。

第一吸附单元1执行脱离运动，并随后执行抬起运动。

第一伸缩连杆组件执行伸长运动。

第一吸附单元1执行放下运动，并随后执行吸附运动，达到图14所示的运动状态。

第三吸附单元3执行脱离运动，并随后执行抬起运动。

第二伸缩连杆组件执行伸长运动。

第三吸附单元3执行放下运动，并随后执行吸附运动，达到图15所示的运动状态，图15所示状态与图12所示初始状态除与工作面相对位置不同外均相同，一个运动周期完成，其余运动周期同理，故不再赘述。

本发明装置利用电机、伸缩连杆组件、电动气泵、电磁阀、腱绳、吸盘、簧件等综合实现了仿蠕虫运动的机器人爬壁功能。该装置能够在垂直避免上吸附和移动，采用多单元结构使得每次动作仅需移动一个单元，不仅与墙面吸附接触面积大，而且攀爬稳定、可靠，质量分散至各个单元，载重能力强，可扩展性好、成本低，容易控制，能耗低，续航时间长，适用于用作墙面作业的机器人中。