一种曲面关节型爬壁机器人的制作方法

本实用新型属于智能机器人领域，具体涉及一种曲面关节型爬壁机器人，能够自适应不同曲率曲面，可以代替人工进行各种作业。

背景技术：

爬壁机器人是指能够在垂直壁面上运动完成作业任务、具有吸附功能的自动化设备，在智能化的未来将起到举足轻重的作用。爬壁机器人作为一种负载平台可以被应用于很多领域，例如，在建筑领域，爬壁机器人搭载油漆或水箱代替人工对墙壁进行喷漆或者对玻璃进行清洗；在石化领域，爬壁机器人常用磁吸附方式在金属罐壁面上进行运动，并搭载一些专用设备对金属罐表面进行损伤检测或者对金属罐接缝处进行焊接；在航空领域，飞机蒙皮表面的损伤影响着飞机飞行的安全，爬壁机器人作为各种检测设备的载体，在飞机表面进行爬行，完成检测任务。可见爬壁机器人具有很广的应用前景。

现有的技术中已经公开了几类爬壁机器人，例如一种负压吸附式爬壁机器人（申请号：200910024927.8），该机器人移动方式采用轮式结构，其移动比较灵活快捷；负压发生装置中叶轮和泵体之间采用两道“L”字形迷宫式间隙密封，这对于在平面上吸附效果是很明显的，不容易吸附失效状况，但这种机器人难于在曲面上进行运动，且该机器人密封带容易受损，稳定性不够；又例如爬壁机器人（申请号：CN97121896），该爬壁机器人采用旋转浆或涵道风扇作为动力使得机器人能够贴在壁面上具有新颖性，但是该机器人的爬壁方式效率较低，因此在未来的实际应用方面受到很大的限制。

综上所述，目前大多数爬壁机器人主要是在平整光滑的壁面上进行移动和转向，但无法直接在曲面上进行作业。或者说爬壁的效率不高，对于在曲面的条件下的作业有限制。并且现有技术的爬壁机器人的腿部结构固定不可以调整，并且腿部结构间的夹角不能够调整，更加限制了爬壁机器人的未来智能化作业，因此设计一种爬壁机器人能够调整腿部结构的长度，并且可以适应不同曲度的壁面，一直是本领域的技术人员厄待解决的技术难题。

技术实现要素：

本实用新型是这样实现的，本实用新型公开了一种曲面关节型爬壁机器人，包括机架以及控制系统，所述的机架分为上机架以及下机架；所述的下机架通过铰连结构以及旋转装置安装于上机架的中心轴下端，所述的铰连结构与旋转装置连接；所述的上机架下侧垂直方向连接有A系统腿部结构；所述的下机架的端部下侧垂直方向连接有B系统腿部结构；其中上机架与A系统腿部结构形成了本实用新型的A系统；下机架与B系统腿部结构形成了本实用新型的B系统，所述的控制系统是控制整个曲面关节型爬壁机器人的机动运作的相应步进电机的驱动电路、控制相应吸盘吸附释放的高速开关阀和控制相应气缸伸缩的高速开关阀。通过控制系统中的相应驱动电路控制A系统与B系统的双系统切换以及铰连结构的作用，不仅可以控制机器人在壁面上的向前或向后移动，而且通过旋转装置能够实现该机器人在原地进行转向运动。

进一步，所述的铰连结构包括前臂，第一肘部，第二肘部，上臂以及旋转装置；所述的前臂上端与上机架连接，所述的第一肘部的定子安装在前臂上，第一肘部上端与前臂下端连接，第一肘部的转子安装在上臂上，第一肘部下端与上臂的上端连接；所述的第二肘部的转子安装在上臂的下端，第二肘部与上臂的下端连接，第二肘部的下端通过定子与旋转装置连接，铰链结构类似于人手臂的结构，相当于肘关节的连杆关节结构，通过定子与转子的旋转控制腿部结构的状态，控制整个爬壁机器人主体向前移动。

进一步，所述的旋转装置包括大齿轮，上转台以及旋转部步进电机，所述的上转台的上端中心轴上安装有第二肘部的定子，通过定子与第二肘部的下端连接，上转台的下端连接有大齿轮；通过相应的电路控制旋转部步进电机，控制旋转装置实现爬壁机器人能够在原地旋转功能。

进一步，所述的A系统腿部结构的个数为四组，所述的A系统腿部结构包括A系统双作用气缸，连接于A系统双作用气缸活塞部分的A系统步进电机组，连接与A系统步进电机组的A系统吸盘。

进一步，所述的A系统步进电机组包括第一步进电机组以及第四步进电机组，所述的A系统步进电机组通过定子与A系统双作用气缸活塞部分连接，通过转子与A系统吸盘连接，由于步进电机的控制精度高，可以通过相应的驱动电路控制A系统步进电机，继而控制A系统腿部结构的运动状态。

进一步，所述的B系统腿部结构的个数为四组，所述的B系统腿部结构包括B系统双作用气缸，连接于B系统双作用气缸活塞部分的B系统步进电机组，连接与B系统步进电机组的B系统吸盘。

进一步，所述的B系统步进电机组包括第二步进电机组以及第三步进电机组，所述的B系统步进电机组通过定子与B系统双作用气缸活塞部分连接，通过转子与B系统吸盘连接，通过相应的驱动电路控制B系统步进电机组，继而控制B系统腿部结构的运动状态。

进一步，所述的A系统吸盘以及B系统吸盘是带有风琴式气室的吸盘。

本实用新型与现有技术的有益效果在于：

（1）通过选用的是A、B双系统切换吸附设计方案，利用多自由度的腿部机构进行协调控制，使得机器人能够自适应曲面，并且可以通过改变双系统之间的夹角来贴近曲率较小的曲面；

（2）通过类似于人手臂的结构，相当于肘关节的连杆关节结构的铰链结构，控制肘部运动和对旋转装置的步进电机控制可以实现机器人的移动和转向运动，本实用新型的机器人设计能够承载更多的负载，而且结构简单灵活，吸附稳定；

（3） 每个系统都装有四个腿部机构，它们具有腿部结构的伸缩和俯仰行为，对腿部机构的步进电机和双作用气缸进行控制能够调整机器人的姿态，使得机器人每个腿部吸盘都能完全的吸附在曲面上。

附图说明

图1是本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人的剖视图；

图2是本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人的俯视图；

图3是本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人曲面爬壁的初始状态的示意图；

图4是本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人向前移动时A系统的腿部结构状态示意图；

图5是本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人向前移动完成后A系统的腿部结构状态示意图；

图6是本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人执行原地旋转行为B系统的腿部结构状态示意图；

图7是本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人向前移动时B系统的腿部结构状态示意图；

图8是本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人向前移动完成后B系统的腿部结构状态示意图；

图9是本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人恢复为初始状态时的A系统的腿部结构状态示意图；

图10是本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人恢复为初始状态时的示意图。

其中，1-上机架，2-A系统双作用气缸，3-第一步进电机组，4-A系统吸盘，5-大齿轮，6-上转台，7-第一肘部，8-第二肘部，9-下机架，10-B系统双作用气缸，11-第二步进电机组，12- B系统吸盘，13-上臂，14-旋转部步进电机，15-前臂，16-第三步进电机组，17-第四步进电机组。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1以及图2所示，本实用新型一种曲面关节型爬壁机器人，包括机架以及控制系统，机架分为上机架1以及下机架9；下机架9通过铰连结构以及旋转装置安装于上机架1的中心轴下端；铰连结构与旋转装置相连接；铰连结构包括前臂15，第一肘部7，第二肘部8，上臂13以及旋转装置；前臂15上端与上机架1连接，前臂15下端与第一肘部7的上端连接，第一肘部7的定子安装在前臂15上；第一肘部7的下端与上臂13的上端连接，第一肘部7的转子安装在上臂13上。上臂13的下端与第二肘部8的上端连接，第二肘部8的转子安装在上臂13的下端；第二肘部8的下端通过定子与旋转装置连接。旋转装置安装于铰连结构与下机架9之间，旋转装置包括大齿轮5，上转台6以及旋转部步进电机14，所述的上转台6的上端中心轴上安装有第二肘部8的定子，通过定子与第二肘部8的下端连接，上转台6的下端连接有大齿轮5；通过相应的电路控制旋转部步进电机14，控制旋转装置实现爬壁机器人能够在原地旋转功能。

上机架1下侧垂直方向连接有四组A系统腿部结构；所述的下机架9的端部下侧垂直方向连接有四组B系统腿部结构；其中上机架1与A系统腿部结构形成了本实用新型的A系统；所述的A系统腿部结构包括A系统双作用气缸2，连接与A系统双作用气缸2活塞部分的A系统步进电机组，A系统步进电机组包括第一步进电机组3以及第四步进电机组17，连接与A系统步进电机组的A系统吸盘4，所述的A系统步进电机组通过定子与A系统双作用气缸2活塞部分连接，通过转子与A系统吸盘4连接，由于步进电机的控制精度高，可以通过相应的驱动电路控制A系统步进电机3；

下机架9与B系统腿部结构形成了本实用新型的B系统,所述的B系统腿部结构包括B系统双作用气缸10，连接与B系统双作用气缸10活塞部分的B系统步进电机组，所述的B系统步进电机组包括第二步进电机组11以及第三步进电机组16，连接与B系统步进电机组的B系统吸盘12，B系统步进电机组通过定子与B系统双作用气缸10活塞部分连接，通过转子与B系统吸盘12连接，通过相应的驱动电路控制B系统步进电机组，继而控制B系统腿部结构的运动状态。

如图3所示，首先命令行为1是指让曲面关节型爬壁机器人的A系统向前移动一段距离L，图3显示的是曲面关节型爬壁机器人的初始状态，机器人的所有吸盘同时吸附在曲面上，其中附图中的黑色代表吸盘吸附状态，白色代表吸盘释放状态。首先通过相应的控制系统控制高速开关阀，使得A系统中的A系统吸盘4变成释放状态，然后利用相应的驱动电路控制初始状态中的第一步进电机组3的转子顺时针旋转，第四步进电机组17的转子逆时针旋转，使得A系统吸盘4重新调整为沿竖直方向；控制系统A中的相应高速开关阀使得A系统双作用气缸2都向上缩起来，变成如图4中所示的腿部机构的状态，如图4所示，通过相应的驱动电路控制铰链结构中第一肘部7的定子顺时针旋转α度，第二肘部8的转子逆时针旋转β度，使得机器人的A系统向前移动一段距离。如图5所示，控制A系统中的相应高速开关阀使得A系统双作用气缸2都向下伸长到一定的长度，然后根据曲面的曲率利用相应驱动电路控制第一步进电机组3的转子逆时针旋转一个角度，第四步进电机组17的转子顺时针旋转一个角度，使得A系统吸盘4能够完全的贴合曲面，这就变成了图5的状态；此时，完成了曲面全方位关节型机器人A系统向前移动一段距离L并成功吸附在曲面上的动作。

行为2是让机器人在原地任意旋转一定角度γ度，由于此时机器人的运动状态是图5所示的所有吸盘都吸附在曲面上，且A系统向前移动了一段距离，所以首先利用相应的驱动电路控制第二步进电机组11的转子顺时针旋转，第三步进电机组16的转子逆时针旋转，使得B系统的吸盘12和B系统双作用气缸10在一条直线上，再通过相应的高速开关阀将B系统双作用气缸10的活塞向后缩起达到图6中B系统的状态；为了能够让机器人旋转一定角度，要利用驱动电路控制第一肘部7的转子顺时针旋转α度，第二肘部8的定子逆时针旋转β度，使得铰链结构各部分在一条直线上，且铰链结构与上机架1垂直；最后利用驱动电路控制旋转装置的旋转部步进电机14转动γ度，这就完成了行为2的动作。

行为3让曲面关节型爬壁机器人的系统B向前移动一段距离L1，机器人在图6的状态下，首先利用相应的驱动电路控制第一肘部7的转子顺时针旋转α1度，控制第二肘部8的定子逆时针旋转β1度，使得曲面关节型爬壁机器人成为图7的状态；然后根据曲面的曲率利用相应驱动电路控制第二步进电机组11的转子逆时针旋转一个角度，第三步进电机组16的转子顺时针旋转一个角度，同时利用相应高速开关阀控制B系统双作用气缸10伸长一段距离，使得B系统吸盘12能够完全的贴合曲面，这就变成了图8的状态；此时，完成了曲面全方位关节型机器人B系统向前移动一段距离L1并成功吸附在曲面上的动作。

行为4让曲面关节型爬壁机器人从图8的状态恢复为初始状态。首先利用相应的驱动电路控制第一步进电机组3的转子顺时针旋转，第四步进电机组17的转子逆时针旋转，使得A系统吸盘4和A系统双作用气缸2在一条直线上，再通过相应的高速开关阀将A系统双作用气缸2的活塞向后缩起达到图9中A系统的状态；然后利用相应的驱动电路控制第一肘部7的定子顺时针旋转α1度，控制第二肘部8的转子逆时针旋转β1度，使得曲面关节型爬壁机器人成为图9的状态；最后根据曲面的曲率利用相应驱动电路控制第一步进电机组3的转子逆时针旋转一个角度，第四步进电机组17的转子顺时针旋转一个角度，同时通过相应的高速开关阀控制A系统双作用气缸2使得活塞向下伸长，从而确保A系统吸盘4能够完全的贴合曲面，这就变成了图10的状态；此时完成了行为4的操作。

以上就是曲面关节型爬壁机器人的完整运动过程，无论该机器人是直行还是转向，行为动作完成后四个吸盘都能够牢固地吸附在曲面上，具有很高的运动稳定性；该机器人在移动过程中根据曲面曲率的变化不断的调整自身的姿态来更好的贴近曲面进行移动，这对机器人来说具有很高的曲面自适应性；由于该机器人采用足部的移动方式，不管是移动还是越障，都能更好的完成各种任务，因而具有很广泛的应用领域。

以上对本实用新型实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本实用新型实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。