一种仿生式越障爬壁机器人及其越障方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿生式越障爬壁机器人及其越障方法，包括微型吸附模块、轻质运动机构和爬壁机器人本体，微型吸附模块通过轻质运动机构与爬壁机器人本体连接；所述轻质运动机构为三个杆件、两个驱动装置串联形成的两自由度机构，其中一个杆件与微型吸附模块固定相接、另一个杆件与爬壁机器人本体固定相接，该两个杆件分别通过轴承连接于第三个杆件的两端，所述两个轴承均设有对应的驱动装置，驱动装置带动轴承旋转从而通过杆件带动微型吸附模块、爬壁机器人本体抬起或落下。在遇到障碍时，微型吸附模块通过静吸附方式作为“手掌”吸附在壁面，轻质运动机构作为“长臂”实现爬壁机器人本体的翻转以跨越障碍。本发明仿生越障爬壁机器人能够灵活跨越大突起、宽沟槽等障碍。
【专利说明】一种仿生式越障爬壁机器人及其越障方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及爬壁机器人【技术领域】，特别是一种仿生式越障爬壁机器人及其越障方法。
【背景技术】
[0002]随着机器人技术的迅猛发展，爬壁机器人作为特种机器人已经在民用、军事、航天领域有广泛的应用。爬壁机器人的应用场合有着其环境特殊性，例如，壁面材料不同，有铁质、玻璃和混凝土等壁面；壁面的粗糙程度和状况多样，有的光滑、有的粗糙，同时伴有大突起、宽凹槽等障碍；攀爬的空间方位复杂，壁面之间存在凹凸，需要从一平面攀爬至另一平面，导致跨越困难等等问题。
[0003]申请号为200820079153.X的中国专利公开了一种关节连接小型双体负压爬壁机器人，具有前单体负压爬壁机器人，后单体负压爬壁机器人和俯仰连接关节三部分，但是仅仅靠一个俯仰连接关节连接，跨越的障碍的高度和沟槽的宽度受到限制；此外，双体机器人整体质量较重，而且两个机器人的动吸附方式导致消耗的能量很多。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种适应性强、能量消耗低的仿生式越障爬壁机器人及其越障方法，能够模仿长臂猿跨越大突起、宽沟槽等障碍，实现内直角或外直角的面面转换，使机器人更好的适应环境。
[0005]实现本发明目的的具体解决方案为:一种仿生式越障爬壁机器人，包括微型吸附模块、轻质运动机构和爬壁机器人本体，并且微型吸附模块通过轻质运动机构与爬壁机器人本体连接；所述轻质运动机构为三个杆件、两个驱动装置串联形成的两自由度机构，其中一个杆件与微型吸附模块固定相接、另一个杆件与爬壁机器人本体固定相接，该两个杆件分别通过轴承连接于第三个杆件的两端，所述两个轴承均设有对应的驱动装置，驱动装置带动轴承旋转从而通过杆件带动微型吸附模块、爬壁机器人本体抬起或落下；
[0006]当爬壁机器人进行越障时，轻质运动机构的驱动装置收到驱动信号后开始转动，通过杆件抬高微型吸附模块越过障碍，调整微型吸附模块与壁面之间的夹角使微型吸附模块吸附在壁面上；待微型吸附模块吸附稳定后，关闭爬壁机器人本体的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置继续转动，通过杆件抬高爬壁机器人本体越过障碍，调整爬壁机器人本体与壁面之间的夹角使爬壁机器人本体吸附在壁面上；待爬壁机器人本体吸附稳定后，取消微型吸附模块的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置通过杆件将微型吸附模块从壁面抬起，爬壁机器人本体继续移动。
[0007]一种仿生式越障爬壁机器人的越障方法，步骤如下:
[0008]第I步，当爬壁机器人进行越障时，轻质运动机构的驱动装置收到驱动信号后开始转动，通过杆件抬高微型吸附模块越过障碍，调整微型吸附模块与壁面之间的夹角使微型吸附模块吸附在壁面上；[0009]第2步，待微型吸附模块吸附稳定后，关闭爬壁机器人本体的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置继续转动，通过杆件抬高爬壁机器人本体越过障碍，调整爬壁机器人本体与壁面之间的夹角使爬壁机器人本体吸附在壁面上；
[0010]第3步，待爬壁机器人本体吸附稳定后，取消微型吸附模块的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置通过杆件将微型吸附模块从壁面抬起，爬壁机器人本体继续移动。
[0011]本发明与现有技术相比，其显著优点为:(1)采用四轮驱动、负压吸附，能够在壁面上灵活快速移动，在遇到障碍时，通过微型吸附模块的辅助和轻质运动机构的协同控制实现跨越，并能进行内直角、外直角不同平面的面面转换，增强了机器人的机动性、工作环境适应性，拓宽了机器人的工作范围；(2)微型吸附模块采用静吸附方式，使得微型吸附模块在体积小、质量轻的情况下仍能提供很大的吸附力，且只有在越障时工作，大大降低了功耗；根据具体的壁面工作环境，安装不同吸附类型的微型吸附模块，可以适应各种粗糙程度的壁面；(3)轻质运动机构为欠驱动机构，减少了电机数量，通过低速运动获取大力矩输出，进一步减少了功耗；此外，轻质运动机构采用碳纤维或工业塑料等低密度的材料制作，使得机器人自重小、功耗低、相对载重能力大，在克服相同力矩的情况下，可以使得传动机构的杆件更长，能跨越更高的突起和更宽的沟槽。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明仿生式越障爬壁机器人中微型吸附模块的立体图。
[0013]图2为本发明仿生式越障爬壁机器人中轻质运动机构第一种装配方式的爆炸图。
[0014]图3为本发明仿生式越障爬壁机器人中轻质运动机构第二种装配方式的立体图。
[0015]图4为本发明仿生式越障爬壁机器人中爬壁机器人本体的立体图。
[0016]图5为本发明仿生式越障爬壁机器人跨越凸障碍的过程示意图。
[0017]图6为本发明仿生式越障爬壁机器人跨越凹障碍的过程示意图。
[0018]图7为本发明仿生式越障爬壁机器人实现内直角面面转换的过程示意图。
[0019]图8为本发明仿生式越障爬壁机器人实现180°角面面转换的过程示意图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0021]本发明仿生式越障爬壁机器人是长臂猿仿生式的越障机器人，主要包括爬壁机器人本体、微型吸附模块和轻型运动机构，受到长臂猿通过长臂自由灵活的在树林间攀爬跨越的启发，基于四轮驱动负压吸附爬壁机器人作为本体，一个微型吸附模块通过运动机构与本体连接。正常情况即无障碍时，四轮驱动负压吸附爬壁机器人通过动吸附方式实现快速灵活的爬壁运动；在遇到各种情形的障碍时，微型吸附模块和轻质运动机构才协同开始工作，微型吸附模块通过静吸附方式作为“手掌”牢牢的吸附在壁面，通过轻质运动机构作为“长臂”实现机器人本体的翻转，跨越各种障碍。
[0022]结合图1?4，本发明仿生式越障爬壁机器人，包括微型吸附模块、轻质运动机构和爬壁机器人本体，并且微型吸附模块通过轻质运动机构与爬壁机器人本体连接；所述轻质运动机构为三个杆件、两个驱动装置串联形成的两自由度机构，其中一个杆件与微型吸附模块固定相接、另一个杆件与爬壁机器人本体固定相接，该两个杆件分别通过轴承连接于第三个杆件的两端，所述两个轴承均设有对应的驱动装置，驱动装置带动轴承旋转从而通过杆件带动微型吸附模块、爬壁机器人本体抬起或落下；
[0023]当爬壁机器人进行越障时，轻质运动机构的驱动装置收到驱动信号后开始转动，通过杆件抬高微型吸附模块越过障碍，调整微型吸附模块与壁面之间的夹角使微型吸附模块吸附在壁面上；待微型吸附模块吸附稳定后，关闭爬壁机器人本体的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置继续转动，通过杆件抬高爬壁机器人本体越过障碍，调整爬壁机器人本体与壁面之间的夹角使爬壁机器人本体吸附在壁面上；待爬壁机器人本体吸附稳定后，取消微型吸附模块的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置通过杆件将微型吸附模块从壁面抬起，爬壁机器人本体继续移动。
[0024]一、微型吸附模块
[0025]所述微型吸附模块采用负压吸附、磁吸附、真空吸附、静电吸附或仿生吸附方式，其中负压吸附方式如图1所示，该微型吸附模块包括弹性密封圈1、碳纤维底板2、气压传感器、离心泵体3和外罩壳4,碳纤维底板2的上表面设有外罩壳4,离心泵体3置于外罩壳4内部，碳纤维底板2的下表面设有圆形的密封槽，弹性密封圈I卡在密封槽的凹槽里，碳纤维底板2的下表面、弹性密封圈I以及该吸附模块接触的壁面形成密封腔，气压传感器设置于碳纤维底板2的下表面用于检测密封腔内压力值，气压传感器的数据输出端接入爬壁机器人本体的主控板。所述弹性密封圈I通常由高弹性软橡胶或海绵制成。密封槽与碳纤维底板2螺接，且密封槽的上表面与碳纤维底板2的下表面重合，高速旋转的离心泵体3抽出密封腔内的气体形成负压腔，外界压强差产生正压力作用于吸附模块使其压在壁面。气压传感器用于检测密封腔内压力值，测试吸附力大小是否稳定，保证微型吸附模块的吸附状态可靠。外罩壳4固定安装在碳纤维底板2上，采用快速成型技术，使用工业塑料制作，降低了吸附模块的重量。离心泵体3由机器人的锂电池供电，并由机器人体内的主控板完成驱动控制。
[0026]微型吸附模块在机器人正常移动时不开启吸附，只有在跨越障碍或者壁面转换时才静止的吸附在壁面。静吸附方式指微型吸附模块在吸附过程中吸附装置与墙壁表面不发生相对运动，提高了吸附腔的密封性，降低了功耗，同时使得吸附模块在体积小、质量轻的情况下仍能提供很大的吸附力。本实施方式中采用负压吸附方式的吸附模块，根据特定的场合，也可选用磁吸附、真空吸附、静电吸附或仿生吸附的吸附模块。
[0027]二、轻质运动机构
[0028](I)第一种装配方式
[0029]图2为轻质运动机构第一种装配方式的爆炸图，该运动机构为欠驱动机构，由两个电机实现耦合的四驱动，减少了电机数量，通过低速运动获取大力矩输出，降低了功率，进一步减少了功耗，具体包括第一弧形支架5-1、第二弧形支架5-2、第一杆件6-1、第二杆件6-2、第一轴承7-1、第二轴承7-2、第一同步带轮8-1、第二同步带轮8_2、第三同步带轮8-3、第四同步带轮8-4、第一梯形同步带9-1、第二梯形同步带9-2、第一电机支座10_1、第二电机支座10-2、第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2和连接杆12，其中第一弧形支架5-1和第二弧形支架5-2分别包括两根轴对称的支架，第一杆件6-1和第二杆件6-2的两端均为中心开孔的圆柱体，该圆柱体的轴心相互平行且垂直于杆件的延伸方向，连接杆12为通过横梁固定相接的两条平行杆，每条平行杆的两端均设有安装孔，两条平行杆同一端的两个安装孔同轴。
[0030]所述第一弧形支架5-1的一端嵌入微型吸附模块的吸附背面、另一端的两根支架上设有同轴安装孔且该两个安装孔内插入第一轴承7-1，第二弧形支架5-2 —端嵌入爬壁机器人本体顶部、另一端的两根支架设有同轴安装孔且该两个安装孔内插入第二轴承7-2，第一轴承7-1和第二轴承7-2的两端均通过螺钉紧固；第一杆件6-1 —端的圆柱体套于第一轴承7-1上、另一端的圆柱体夹固于连接杆12 —端的平行杆内侧，第二杆件6-2 —端的圆柱体套于第二轴承7-2上、另一端的圆柱体夹固于连接杆12另一端的平行杆内侧，连接杆12每端的两个安装孔均与其内侧的圆柱体中心开孔同轴；第一驱动电机11-1通过第一电机支座10-1固定于连接杆12的一端,第一驱动电机ll-ι的输出轴穿过该端连接杆12的两个安装孔及内侧的圆柱体中心开孔并伸出，第二驱动电机11-2通过第二电机支座10-2固定于连接杆12的另一端，第二驱动电机11-2的输出轴穿过该端连接杆12的两个安装孔及内侧的圆柱体中心开孔并伸出；第一轴承7-1上套有第一同步带轮8-1，第二轴承7-2上套有第二同步带轮8-2，第一驱动电机11-1的输出轴末端设有第三同步带轮8-3、第二驱动电机11-2的输出轴末端设有第四同步带轮8-4,第一梯形同步带9-1安装于第一同步带轮8-1和第三同步带轮8-3上,第二梯形同步带9-2安装于第二同步带轮8-2和第四同步带轮8-4 上。
[0031]第一同步带轮8-1和第二同步带轮8-2通过螺钉径向固定，防止轴向窜动；第一杆件6-1和第一轴承7-1之间、第二杆件6-2和第二轴承7-2之间加润滑剂保持润滑，使得第一轴承7-1能随第一同步带轮8-1的转动而转动、第二轴承7-2能随第二同步带轮8-2的转动而转动，从而调整爬壁机器人本体或微型吸附模块与壁面接触时的角度。第三同步带轮8-3固定在第一驱动电机11-1的输出轴上、第四同步带轮8-4固定在第二驱动电机11-2的输出轴上，并与连接杆12的安装孔过盈配合，使第三同步带轮8-3与第一驱动电机11-1同时转动、第四同步带轮8-4与第二驱动电机11-2同时转动。第一驱动电机11-1输出轴的转动会带动第一杆件6-1的抬起或落下，同时带动第一同步带轮8-1和第三同步带轮8-3的转动，使得微型吸附模块绕第一轴承7-1转动；第二驱动电机11-2输出轴的转动会带动第二杆件6-2的抬起或落下，同时带动第二同步带轮8-2和第四同步带轮8-4的转动,使得爬壁机器人本体绕第二轴承7-2转动。
[0032](2)第二种装配方式
[0033]图3为轻质运动机构第二种装配方式的立体图，包括第一对支撑杆13-1、第二对支撑杆13-2、第一电机15-1、第二电机15-2、第一 H型连接件14_1、第二 H型连接件14_2、第一 T型连接件16-1、第二 T型连接件16-2和两根长杆17 ;所述第一对支撑杆13_1的一端嵌入微型吸附模块的吸附背面、另一端通过螺钉紧固在第一 H型连接件14-1的安装孔内，第二对支撑杆13-2 —端嵌入爬壁机器人本体顶部、另一端通过螺钉紧固在第二 H型连接件14-2的安装孔内；第一 H型连接件14-1和第二 H型连接件14-2中相互平行的两个侧面均设有轴承:第一电机15-1的输出轴穿过第一H型连接件14-1两个侧面的轴承、以及位于该两个轴承中间的第一 T型连接件16-1末端安装孔，第一 T型连接件16-1的末端与第一电机15-1的输出轴通过顶丝固定；第二电机15-2的输出轴穿过第二 H型连接件14-2两个侧面的轴承、以及位于该两个轴承中间的第二 T型连接件16-2末端安装孔，第二 T型连接件16-2的末端与第二电机15-2的输出轴通过顶丝固定；两根长杆17的一端插入第一 T型连接件16-1的顶部横梁，另一端插入第二 T型连接件16-2的顶部横梁，使第一 T型连接件16-1通过长杆17与第二 T型连接件16-2固定相接。所述轻质运动机构的运动范围由第一电机15-1和第二电机15-2的角度转动范围限制。第一 T型连接件16-1末端与第一电机15-1输出轴通过顶丝固定,随着驱动第一电机15-1的转动而转动,从而带动另一侧的爬壁机器人抬起或落下；第二 T型连接件16-2末端与第二电机15-2输出轴通过顶丝固定，随着驱动第二电机15-2的转动而转动，从而带动另一侧的微型吸附模块抬起或落下。所述第一 H型连接件14-1、第二 H型连接件14-2、第一 T型连接件16_1、第二 T型连接件16_2为工业塑料快速成型制作，第一对支撑杆13-1、第二对支撑杆13-2和两根长杆17均为碳纤维杆，质量轻的同时也保证了机械强度。
[0034]三、爬壁机器人本体
[0035]图4为爬壁机器人本体，本发明中爬壁机器人本体可采用四轮驱动负压吸附爬壁机器人，四轮独立驱动，运动形式灵活，能够快速移动。操作人员可通过遥控装置控制机器人的吸附、行走和越障。另外根据任务需求，爬壁机器人可搭载具体的设备装置，完成工作任务，如侦查、检测等。
[0036]正常行走时，只有爬壁机器人本体开启吸附，与爬壁机器人本体通过轻质运动机构连接的微型吸附模块被悬举在一定高度，不与壁面接触，也不开启吸附。当机器人遇到无法绕过的大障碍或者要实现不同平面转换情况时，需要在微型吸附模块的辅助和轻质运动机构的协同控制作用下，完成越障或壁面转换。
[0037]四、本发明仿生式越障爬壁机器人的越障方法
[0038]本发明仿生式越障爬壁机器人的越障方法，包括以下步骤:
[0039]第I步，当爬壁机器人进行越障时，轻质运动机构的驱动装置收到驱动信号后开始转动，通过杆件抬高微型吸附模块越过障碍，调整微型吸附模块与壁面之间的夹角使微型吸附模块吸附在壁面上；
[0040]第2步，待微型吸附模块吸附稳定后，关闭爬壁机器人本体的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置继续转动，通过杆件抬高爬壁机器人本体越过障碍，调整爬壁机器人本体与壁面之间的夹角使爬壁机器人本体吸附在壁面上；
[0041]第3步，待爬壁机器人本体吸附稳定后，取消微型吸附模块的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置通过杆件将微型吸附模块从壁面抬起，爬壁机器人本体继续移动。
[0042]下面结合附图5?8，轻质运动机构以第一种装配方式为例，对本发明仿生式越障爬壁机器人的越障方法进行详细说明:
[0043](I)如图5，本发明仿生式越障爬壁机器人跨越凸障碍的实现方法:
[0044]步骤1，爬壁机器人本体吸附在壁面上，微型吸附模块未开启吸附。操作人员使用无线遥控装置控制机器人缓慢移动，使机器人尽量靠近凸障碍，达到如图5(a)所示状态，然后发送越障指令，机器人内主控板接收到指令后进行分解规划，转换成相应的驱动信号;
[0045]步骤2，轻质运动机构的第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2收到驱动信号后开始转动一定的角度，抬高杆件使微型吸附模块能越过障碍，然后第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2继续转动，落下第一杆件6-1、第二杆件6-2使吸附模块贴至壁面，在此过程中，第一同步带轮8-1、第三同步带轮8-3随第一驱动电机11-1转动，同时第二同步带轮8-2、第四同步带轮8-4随第二驱动电机11-2转动，带动微型吸附模块绕第一轴承7-1、第二轴承7-2转动，最终使微型吸附模块与壁面成0°角并紧贴壁面，达到如图5(b)状态；
[0046]步骤3，微型吸附模块开启离心泵3后吸附在壁面，微型吸附模块内的气压传感器实时测量吸附力大小，直至吸附状态稳定，然后爬壁机器人本体停止吸附，轻质运动机构的第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2转动，抬高爬壁机器人本体使其越过障碍物，达到如图5(c)状态。第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2继续转动，同时同步带轮的传动带动爬壁机器人本体绕轴承转动，使得机器人能水平紧贴壁面，达到如图5(d)状态；
[0047]步骤4，爬壁机器人本体开启吸附，爬壁机器人本体内气压传感器实时测量吸附力大小，直至稳定吸附在壁面，微型吸附模块才关停离心泵3停止吸附，轻质运动机构转动将微型吸附模块抬起一定的高度，如图5(e)所示状态，然后爬壁机器人本体继续正常行走，跨越凸障碍完成。
[0048](2)如图6，本发明仿生式越障爬壁机器人跨越凹障碍的实现方法:
[0049]结合图6(a)?(d)，跨越凹障碍过程与跨越凸障碍一致，在此不再重述。
[0050](3)如图7，本发明仿生式越障爬壁机器人内直角面面转换的实现方法:
[0051]步骤1，爬壁机器人本体吸附在水平壁面上，微型吸附模块未开启吸附。当前方遇到垂直壁面时，操作人员发送向前移动指令，使机器人尽量靠近垂直壁面，然后停止向前移动，达到如图7(a)状态；
[0052]步骤2，发送面面转换指令，机器人内的主控板解析指令并进行分解规划，轻质运动机构的第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2接收到驱动信号转动一定的角度,第一杆件6-1、第二杆件6-2不断像前伸，且第一同步带轮8-1、第二同步带轮8-2、第三同步带轮8-3、第四同步带轮8-4的转动不断调整微型吸附模块的角度，直到最终使微型吸附模块紧贴在垂直壁面上，轻质运动机构停止运动，达到如图7(b)状态；
[0053]步骤3，微型吸附模块开启离心泵3吸附在垂直壁面上，微型吸附模块内气压传感器实时测量密封腔内吸附力大小，直至吸附状态稳定后，爬壁机器人本体关停吸附，轻质运动机构驱动第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2继续转动，使得爬壁机器人本体翻转至微型吸附模块下方，同时第一同步带轮8-1、第二同步带轮8-2、第三同步带轮8-3、第四同步带轮8-4的转动不断调整爬壁机器人本体的角度，最终使爬壁机器人本体与垂直墙面紧贴，状态如图7(c)所示；
[0054]步骤4，爬壁机器人本体开启吸附，爬壁机器人本体内的气压传感器实时检测吸附力大小，直至稳定可靠吸附在垂直壁面，然后微型吸附模块关停离心泵3不吸附，第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2转动一定角度抬高微型吸附模块，达到如图7(d)所示状态，然后爬壁机器人本体继续移动，完成内直角面面转换。
[0055](4)如图8，本发明仿生式越障爬壁机器人180°角面面转换的实现方法:
[0056]步骤1，爬壁机器人本体吸附在竖直壁面上，微型吸附模块未开启吸附。当机器人要翻越到竖直墙面另一侧时，操作人员发送向上移动指令，使机器人尽量靠近竖直壁面顶端，然后停止向前移动，达到如图8(a)状态。
[0057]步骤2，发送面面转换指令，机器人内的主控板解析指令并进行分解规划，轻质运动机构的第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2接收到驱动信号转动一定的角度,第一杆件6-1和第二杆件6-2带动吸附模块不断下沉，同时第一同步带轮8-1、第二同步带轮8-2、第三同步带轮8-3、第四同步带轮8-4调整微型吸附模块与墙壁角度直至紧贴壁面，如图8 (b)状态；
[0058]步骤3，微型吸附模块开启离心泵3进行吸附，微型吸附模块内气压传感器实时测量密封腔内吸附力大小，直至吸附状态稳定后，爬壁机器人本体关停吸附，轻质运动机构第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2继续转动，使得爬壁机器人本体翻转跨越竖直墙面到另一侧，如图8 (c) ο第一同步带轮8-1、第二同步带轮8-2、第三同步带轮8-3、第四同步带轮8-4的转动不断调整爬壁机器人本体的角度，最终使爬壁机器人本体与壁面紧贴，此时爬壁机器人本体和微型吸附模块处于竖直墙面两侧；
[0059]步骤4，爬壁机器人本体开启吸附，爬壁机器人本体内的气压传感器实时检测吸附力大小，直至稳定可靠吸附在垂直壁面，然后微型吸附模块关停离心泵3不吸附，第一驱动电机11-1、第二驱动电机11-2转动一定角度抬高微型吸附模块，并使微型吸附模块也翻越到竖直墙面另一侧，达到如图8(d)所示状态，然后爬壁机器人本体继续移动，完成180°角面面转换。
[0060]综上所述，本发明仿生式越障爬壁机器人可灵活跨越大突起、宽沟槽等障碍，并能有效地实现从地面至垂直墙面、从垂直墙面到天花板面等内直角面或外直角面的面面转换以及翻越窗户，克服了普通爬壁机器人只能工作在单一平面的缺陷，提高了爬壁机器人的适应性。
【权利要求】
1.一种仿生式越障爬壁机器人，其特征在于，包括微型吸附模块、轻质运动机构和爬壁机器人本体，并且微型吸附模块通过轻质运动机构与爬壁机器人本体连接；所述轻质运动机构为三个杆件、两个驱动装置串联形成的两自由度机构，其中一个杆件与微型吸附模块固定相接、另一个杆件与爬壁机器人本体固定相接，该两个杆件分别通过轴承连接于第三个杆件的两端，所述两个轴承均设有对应的驱动装置，驱动装置带动轴承旋转从而通过杆件带动微型吸附模块、爬壁机器人本体抬起或落下； 当爬壁机器人进行越障时，轻质运动机构的驱动装置收到驱动信号后开始转动，通过杆件抬高微型吸附模块越过障碍，调整微型吸附模块与壁面之间的夹角使微型吸附模块吸附在壁面上；待微型吸附模块吸附稳定后，关闭爬壁机器人本体的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置继续转动，通过杆件抬高爬壁机器人本体越过障碍，调整爬壁机器人本体与壁面之间的夹角使爬壁机器人本体吸附在壁面上；待爬壁机器人本体吸附稳定后，取消微型吸附模块的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置通过杆件将微型吸附模块从壁面抬起，爬壁机器人本体继续移动。
2.根据权利要求1所述的仿生式越障爬壁机器人，其特征在于，所述微型吸附模块采用负压吸附、磁吸附、真空吸附、静电吸附或仿生吸附方式。
3.根据权利要求1所述的仿生式越障爬壁机器人，其特征在于，所述微型吸附模块采用负压吸附方式，该微型吸附模块包括弹性密封圈(I)、碳纤维底板(2)、气压传感器、离心泵体(3)和外罩壳(4),碳纤维底板(2)的上表面设有外罩壳(4),离心泵体(3)置于外罩壳(4)内部，碳纤维底板(2)的下表面设有圆形的密封槽，弹性密封圈(I)卡在密封槽的凹槽里，碳纤维底板(2)的下表面、弹性密封圈(I)以及该吸附模块接触的壁面形成密封腔，气压传感器设置于碳纤维底板(2)的下表面用于检测密封腔内压力值，气压传感器的数据输出端接入爬壁机器人本体的主控板。
4.根据权利要求1所述的仿生式越障爬壁机器人，其特征在于，所述爬壁机器人本体为四轮驱动负压吸附爬壁机器人。
5.根据权利要求1所述的仿生式越障爬壁机器人，其特征在于，所述轻质运动机构包括第一弧形支架(5-1)、第二弧形支架(5-2)、第一杆件(6-1)、第二杆件(6-2)、第一轴承(7-1)、第二轴承(7-2)、第一同步带轮(8-1)、第二同步带轮(8-2)、第三同步带轮(8_3)、第四同步带轮(8-4)、第一梯形同步带(9-1)、第二梯形同步带(9-2)、第一电机支座(10-1)、第二电机支座(10-2)、第一驱动电机(11-1)、第二驱动电机(11-2)和连接杆(12)，其中第一弧形支架(5-1)和第二弧形支架(5-2)分别包括两根轴对称的支架，第一杆件(6-1)和第二杆件出-2)的两端均为中心开孔的圆柱体，该圆柱体的轴心相互平行且垂直于杆件的延伸方向，连接杆(12)为通过横梁固定相接的两条平行杆，每条平行杆的两端均设有安装孔，两条平行杆同一端的两个安装孔同轴； 所述第一弧形支架(5-1)的一端嵌入微型吸附模块的吸附背面、另一端的两根支架上设有同轴安装孔且该两个安装孔内插入第一轴承(7-1)，第二弧形支架(5-2) —端嵌入爬壁机器人本体顶部、另一端的两根支架设有同轴安装孔且该两个安装孔内插入第二轴承(7-2)，第一轴承(7-1)和第二轴承(7-2)的两端均通过螺钉紧固；第一杆件(6-1) 一端的圆柱体套于第一轴承(7-1)上、另一端的圆柱体夹固于连接杆(12) —端的平行杆内侧，第二杆件(6-2) —端的圆柱体套于第二轴承(7-2)上、另一端的圆柱体夹固于连接杆(12)另一端的平行杆内侧，连接杆(12)每端的两个安装孔均与其内侧的圆柱体中心开孔同轴；第一驱动电机(11-1)通过第一电机支座(?ο-l)固定于连接杆(12)的一端,第一驱动电机(11-1)的输出轴穿过该端连接杆(12)的两个安装孔及内侧的圆柱体中心开孔并伸出，第二驱动电机(11-2)通过第二电机支座(10-2)固定于连接杆(12)的另一端，第二驱动电机(11-2)的输出轴穿过该端连接杆(12)的两个安装孔及内侧的圆柱体中心开孔并伸出;第一轴承(7-1)上套有第一同步带轮(8-1)，第二轴承(7-2)上套有第二同步带轮(8-2)，第一驱动电机(11-1)的输出轴末端设有第三同步带轮(8-3)、第二驱动电机(11-2)的输出轴末端设有第四同步带轮(8-4),第一梯形同步带(9-1)安装于第一同步带轮(8-1)和第三同步带轮(8-3)上,第二梯形同步带(9-2)安装于第二同步带轮(8-2)和第四同步带轮(8-4)上。
6.根据权利要求1所述的仿生式越障爬壁机器人，其特征在于，所述轻质运动机构包括第一对支撑杆(13-1)、第二对支撑杆(13-2)、第一电机(15-1)、第二电机(15-2)、第一 H型连接件(14-1)、第二 H型连接件(14-2)、第一 T型连接件(16-1)、第二 T型连接件(16_2)和两根长杆(17);所述第一对支撑杆(13-1)的一端嵌入微型吸附模块的吸附背面、另一端通过螺钉紧固在第一 H型连接件(14-1)的安装孔内，第二对支撑杆(13-2) —端嵌入爬壁机器人本体顶部、另一端通过螺钉紧固在第二 H型连接件(14-2)的安装孔内；第一 H型连接件(14-1)和第二 H型连接件(14-2)中相互平行的两个侧面均设有轴承:第一电机(15-1)的输出轴穿过第一 H型连接件(14-1)两个侧面的轴承、以及位于该两个轴承中间的第一 T型连接件(16-1)末端安装孔，第一 T型连接件(16-1)的末端与第一电机(15-1)的输出轴通过顶丝固定；第二电机(15-2)的输出轴穿过第二 H型连接件(14-2)两个侧面的轴承、以及位于该两个轴承中间的第二 T型连接件(16-2)末端安装孔，第二 T型连接件(16-2)的末端与第二电机(15-2)的输出轴通过顶丝固定；两根长杆(17)的一端插入第一T型连接件(16-1)的顶部横梁，另一端插入第二 T型连接件(16-2)的顶部横梁，使第一 T型连接件(16-1)通过长杆(17)与第二 T型连接件(16-2)固定相接。
7.—种仿生式越障爬壁机器人的越障方法，其特征在于，步骤如下: 第I步，当爬壁机器人进行越障时，轻质运动机构的驱动装置收到驱动信号后开始转动，通过杆件抬高微型吸附模块越过障碍，调整微型吸附模块与壁面之间的夹角使微型吸附模块吸附在壁面上； 第2步，待微型吸附模块吸附稳定后，关闭爬壁机器人本体的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置继续转动，通过杆件抬高爬壁机器人本体越过障碍，调整爬壁机器人本体与壁面之间的夹角使爬壁机器人本体吸附在壁面上； 第3步，待爬壁机器人本体吸附稳定后，取消微型吸附模块的吸附作用，轻质运动机构的驱动装置通过杆件将微型吸附模块从壁面抬起，爬壁机器人本体继续移动。
【文档编号】B62D57/028GK103909991SQ201410129946
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月1日 优先权日:2014年4月1日
【发明者】刘永, 陈和平, 沈军柯, 戴启凡 申请人:南京赫曼机器人自动化有限公司