专利名称：单电机控制的垂直双向直线轨迹导引爬壁机构的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机器人技术领域的爬壁机构，具体是一种单电机控制的 垂直双向直线轨迹导引爬壁机构。
技术背景爬壁机器人在机器人领域中作为一种特殊的移动机器人受到越来越多的重 视.为了在壁面环境中执行作业任务，爬壁机器人必须具有两个基本功能壁面 吸附功能和移动功能。移动功能按其行动机构可划分为轮式、履带式和步行式3 种类型。轮式机构或履带式机构，尽管可以通过轮胎或其它弹簧阻尼系统来隔振， 但是在崎岖不平的地形上，由于轮式机构在前进的过程中必须依次滚过前进方向 上的每一个凸凹，使得驱动车辆所消耗功率大大的增加，同时颠簸引起的冲击会 使机器的寿命大幅度的降低。步行式机构具有较好的机动性，即具有较好的对不 平地面的适应性能，步行运动方式的立足点是离散的，可以在可能达到的地面上 最优地选择支撑点。同时步行运动系统还可以通过松软地面以及跨越较大的障碍 如沟、坎和台阶等。经对现有技术的文献检索发现，中国科学技术大学的肖勇、王建平等人八足 蜘蛛仿生机器人("八足蜘蛛仿生机器人的设计与实现"，《机电一体化》2 0 0 6年第六期)，使用电机控制爬壁机构的动作，可以实现前进、后退和转弯等动 作，其不足在于这套机器人系统用了多达l 0台电机，无论是机械机构还是控制 方式，都变得很复杂。发明内容本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种利用单电机控制的垂直双向 直线轨迹导引爬壁机构，使其解决爬壁机器人的爬壁机构在爬行时只能沿着一个 方向行进，不能直接转弯的问题，而且使用单电机控制，有利于执行机构的简化 和可靠性的保证，电机控制也非常易于实现。本发明基于步行式机构，通过规划其运动轨迹，使其轨迹中存在互相垂直的两段近似直线，形成一个垂直双向近似 直线轨迹导引机构。该机构不仅可以用于爬壁机器人的垂直双向移动，还可以推 广应用于其它工业工程仪器上。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括转筒，曲柄，第一连杆， 第二连杆，缓冲器，摇杆，导杆，仿生吸盘，压板。连接关系如下固定在转筒 上的电机通过电机轴将转筒与曲柄连接在一起，曲柄与第一连杆之间铰链销连 接，转筒与导杆之间固定，摇杆与导杆及第一连杆分别铰链销连接，第一连杆与 第二连杆直接利用缓冲器弹簧连接在一起，第二连杆与仿生吸盘同轴，压板在三个螺丝钉的作用下固定在吸盘上，并与第二连杆之间保持2-3mm的距离，在压板的作用下保证第二连杆与仿生吸盘之间的位置和相互运动关系。本发明中，所述的转筒与机器人身体相连接，转筒上表面水平，易于与曲柄 和导杆之间的配合，减小摩擦，增强机械强度。转筒下部呈圆筒状，便于在其中 安置齿轮换向装置，配合机器人的整体运动。其作用是在电机的驱动下，绕轴向转动，使仿生吸盘产生相对壁面的运动，该运动主要有两个作用l当该爬壁机 构处于脱离壁面即将吸附壁面状态时，电机作用使得转筒顺时针转动，与转筒相 互连接的曲柄与导杆同时向靠近壁面方向运动，对仿生吸盘施加一个垂直于壁面 的力，这个力使得仿生吸盘能够跟壁面更好的接触，减少仿生吸盘与壁面之间的 空气，为仿生吸盘吸附时产生负压，提供良好的前提条件；2当该爬壁机构完成 吸附要求，要继续前进时，使电机逆向转动，使得转筒逆时针方向转动，全部机 构向远离壁面的方向移动，这时，由于仿生吸盘与壁面之间的吸附作用已经结束， 仿生吸盘将脱离壁面，随该爬壁机构向前行进。本发明中，所述曲柄与电机轴相对静止不动，当电机通电旋转运动时，曲柄 在电机的带动下做同向转动，为整个机构提供原动力。本发明中，所述第一连杆与曲柄铰链销连结曲柄的转动带动第一连杆随之运 动。第二连杆是第一连杆在铅垂方向的延伸，之间通过缓冲器弹簧连结。本发明中，所述缓冲器由四段长度相等的杆组成正四边形结构，中间对角线 处安放两根弹性系数相同，初始长度相同的弹簧。该缓冲器主要起到两个作用 1，当转筒在电机的作用下旋转时，仿生吸盘相对壁面产生垂直于壁面的作用。缓冲器可以减缓仿生吸盘与壁面之间的冲击力，避免仿生吸盘及爬壁机器人受到 振动而损坏；2，当仿生吸盘利用真空负压作用吸附在壁面上时，仿生吸盘相对 壁面静止。此时，曲柄在电动机的作用下依然产生绕电机转轴中心点的旋转，这 就产生了推动整个机器人向前运动的力，这个力使得仿生吸盘与前进中的机器人 本体产生相对的扭转。由于缓冲器所连接的第二连杆与仿生吸盘之间利用轴承形 成圆柱副的作用，所以当扭转发生时，可以通过缓冲器中的两根交叉弹簧的变形 来减小扭转对仿生吸盘吸附力的作用，从而保证了仿生吸盘与壁面之间的紧密结合。本发明中，所述的导杆，用于调整仿生吸盘吸附点的轨迹曲线，当该双向垂 直曲线的方向不是沿着预期目标时，可以利用导杆与转筒之间的相对转角，调整 其吸附点的轨迹方向。在本发明中导杆与转筒相互垂直。本发明中，所述摇杆随电机带动的曲柄在一定范围内往复运动，限制了第一 连杆的位置变化范围，从而限制了吸附点的轨迹变化。本发明的工作原理是电机带动曲柄做匀速圆周运动，摇杆随电机带动的曲 柄在一定范围内做往复运动，限制了第一连杆的位置变化范围，第二连杆通过缓 冲器的延伸，将第一连杆的位置变化传递给了仿生吸盘吸附点。当曲柄旋转至与 转筒成40°—150°范围内时，由于仿生吸盘吸附在壁面上，与壁面相对静止，转 筒相对于壁面沿竖直方向行进；当曲柄旋转至与转筒成160°_250°范围内时， 由于仿生吸盘吸附在壁面上，与壁面相对静止，转筒相对于壁面沿水平方向行进。本发明通过控制各杆杆长比例关系，使得曲柄杆长a为标准长度，其余各杆 分别乘以相应的比例系数导杆长度比例系数为2，摇杆长度比例系数2. 17，第 一连杆、第二连杆长度比例系数分别为2.2与2.19。这样的比例关系，保证了 吸盘吸附点的轨迹为相互垂直的双向近似直线轨迹，从而达到了转筒可以同时沿 着竖直和水平两个方向移动的目的。本发明相对于现有的爬壁机构是一种具有利 用单电机就可以控制垂直双向直线轨迹导引的爬壁机构，解决了爬壁机器人的爬 壁机构在爬行时只能沿着一个方向行进，不能直接转弯的问题。
图1是本发明的总体结构示意1中，转筒l，曲柄2，第一连杆3，缓冲器4，第二连杆5，摇杆6，导 杆7，仿生吸盘8，压板9。图2是本发明垂直双向近似直线轨迹导引机构效果图。图2中，IO为电机转轴A点运动轨迹曲线，11为摇杆与第一连杆相作用的 B点运动轨迹曲线，12为吸盘吸附点E点的运动轨迹曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护 范围不限于下述的实施例。如图1所示，本实施例包括转筒l、曲柄2、第一连杆3、缓冲器4、第二连 杆5、摇杆6、导杆7、仿生吸盘8、压板9。固定在转筒l上的电机通过电机轴 将转筒1与曲柄2连接在电机转轴中心点，曲柄2与第一连杆3间铰链销连接， 转筒1与导杆7之间通过两个螺钉连接，使其相对固定不动，摇杆6与导杆7 及第一连杆3分别铰链销连接，第一连杆3与第二连杆5直接利用缓冲器4弹簧 连接在一起，第二连杆5与仿生吸盘8同轴，压板9固定在仿生吸盘8上，并与 第二连杆5之间保持距离，在压板9的作用下保证第二连杆5与仿生吸盘8之间 的位置和相互运动关系。所述缓冲器4由四段长度相等的杆组成正四边形结构，中间对角线处安放两 根弹性系数相同，初始长度相同的弹簧。所述压板9结构利用3个螺丝钉固定在仿生吸盘8的压板结构上，并与第二 连杆5之间保持2-3rnm的距离，既保证了第二连杆5与仿生吸盘8的位置关系， 又要留出足够的空间使之可以相互运动。图2所示为本实施例垂直双向近似直线轨迹导引机构效果示意图。图2中，IO为电机转轴中心点的运动轨迹曲线，11为摇杆6与第一连杆3 相作用的B点运动轨迹曲线，12为吸盘吸附点E点的运动轨迹曲线。当电机带动曲柄2做匀速圆周运动，摇杆6随电机带动的曲柄2在一定范围 内做往复运动，限制了第一连杆3的位置变化范围，第二连杆5通过缓冲器4 的延伸，将第一连杆3的位置变化传递给了仿生吸盘8吸附点。当曲柄2旋转至与转筒1成40°—150°范围内时，由于仿生吸盘8吸附在壁面上，与壁面相对静 止，转筒l相对于壁面沿竖直方向行进；当曲柄2旋转至与转筒1成160°—250° 范围内时，由于仿生吸盘8吸附在壁面上，与壁面相对静止，转筒l相对于壁面 沿水平方向行进。通过分析，当曲柄2杆长a为22mm时，电机旋转一周，该爬 壁机构沿导轨竖直方向可行进25mra，沿水平方向可行进20mm。本实施例曲柄2杆长a为标准长度，其余各杆分别乘以相应的比例系数导 杆7长度比例系数为2，摇杆6长度比例系数2. 17，第一连杆3、第二连杆5长 度比例系数分别为2.2与2. 19。本实施例的优点体现在几个方面:一是采用简单的四连杆机构，通过对杆长 的比例关系控制得到良好的吸盘吸附点运动轨迹曲线，该曲线中存在两段相互垂 直的近似直线段，该直线段的存在可以保证该爬壁机构能够沿着竖直和水平两个 相互垂直的方向行进，有效的解决了爬壁机器人人转弯难的问题；二是该爬壁机 构体积很小，基准杆——曲柄的杆长仅为22咖，配合仿生吸盘结构设计了与之 相连接的压板，结构紧凑，采用质量轻，密度小的铝合金材料为原料加工而成， 为爬壁机器人的微小型化提供了新的方法；三是导杆与转筒的角度变化时，可以 改变该爬壁机构爬行的方向。通过实验分析，当曲柄杆长a为22mm时，电机旋 转一周，该爬壁机构沿导轨竖直方向可行进25咖，沿水平方向可行进20mm。
权利要求
1、一种单电机控制的垂直双向直线轨迹导引爬壁机构，其特征在于，包括转筒、曲柄、第一连杆、第二连杆、缓冲器、摇杆、导杆、仿生吸盘、压板，固定在转筒上的电机通过电机轴将转筒与曲柄连接在一起，曲柄与第一连杆之间铰链销连接，转筒与导杆之间固定，摇杆与导杆及第一连杆分别铰链销连接，第一连杆与第二连杆直接利用缓冲器弹簧连接在一起，第二连杆与仿生吸盘同轴，压板固定在仿生吸盘上，并与第二连杆之间保持距离。
2、 根据权利要求1所述的单电机控制的垂直双向直线轨迹导引爬壁机构，其特征是，所述曲柄杆长a为标准长度，则导杆长度为2a，摇杆长度为2.17a， 第一连杆、第二连杆长度分别为2. 2a与2. 19a。
3、 根据权利要求1所述的单电机控制的垂直双向直线轨迹导引爬壁机构， 其特征是，所述导杆与转筒相互垂直。
4、 根据权利要求1所述的单电机控制的垂直双向直线轨迹导引爬壁机构， 其特征是，所述缓冲器由四段长度相等的杆组成正四边形结构，中间对角线处安 放两根弹性系数相同，初始长度相同的弹簧。
5、 根据权利要求1所述的单电机控制的垂直双向直线轨迹导引爬壁机构， 其特征是，所述压板与第二连杆之间的距离为2mm-3mm。
6、 根据权利要求1所述的单电机控制的垂直双向直线轨迹导引爬壁机构， 其特征是，所述曲柄旋转至与转筒成40°—150°范围内时，仿生吸盘吸附在壁面 上，与壁面相对静止，转筒相对于壁面沿竖直方向行进。
7、 根据权利要求1或6所述的单电机控制的垂直双向直线轨迹导引爬壁机 构，其特征是，所述曲柄旋转至与转筒成160°—250。范围内时，仿生吸盘吸附 在壁面上，与壁面相对静止，转筒相对于壁面沿水平方向行进。
8、 根据权利要求1或3或6所述的单电机控制的垂直双向直线轨迹导引爬 壁机构，其特征是，所述的转筒与机器人身体相连接，转筒上表面水平，转筒下 部呈圆筒状。
全文摘要
本发明涉及一种单电机控制的垂直双向直线轨迹导引爬壁机构，包括转筒，曲柄，第一连杆，第二连杆，缓冲器，摇杆，导杆，以及仿生吸盘等。电机通过电机轴将转筒与曲柄连接在一起，曲柄与第一连杆之间铰链销连接，转筒与导杆之间通过两个螺钉固定不动，摇杆与导杆及第一连杆分别铰链销连接，第一连杆与第二连杆直接利用缓冲器弹簧连接在一起，第二连杆与仿生吸盘同轴，在压板的作用下保证它们之间的位置和相互运动关系。本发明解决了爬壁机器人的爬壁机构在爬行时只能沿着一个方向行进，不能直接转弯的问题。
文档编号B62D57/024GK101249850SQ20081003520
公开日2008年8月27日 申请日期2008年3月27日 优先权日2008年3月27日
发明者庄 付, 宋国强, 智 董, 赵言正 申请人:上海交通大学