具有多自由度的爬行機器人的製作方法
2023-11-09 02:32:47 2
本發明屬於機器人技術領域，具體涉及一種具有多自由度的爬行機器人。
背景技術：
針對於起重機、大型鍋爐等金屬結構的檢測，有些地方由人類直接去檢測不太方便，因此，可以設計一種用於金屬結構表面爬行的機器人來代替人類完成相關檢測。目前，國內外有很多關於機器人的研究，傳統的大型機器人的研究已經較為成熟，小型化是機器人研究的一大趨勢，而如何在小型化的同時又保持機器人的靈活性與機動性是一大難題。對於爬行機器人而言，水平地面的爬行基本沒有太大的難度，主要難點在於壁面爬行以及不同角度平面之間的過渡。目前的一些爬壁機器人中有很大一部分是利用攀爬物的一些特殊結構進行爬行，如爬杆機器人、管道爬行機器人等。目前，適用於普通金屬表面爬行的爬行機器人的行走方式主要有車輪式、履帶式。車輪式最顯著的優點就是移動速度快、轉向方便，但是並不適用於壁面不平整、有較多障礙的表面；履帶式普遍有負載能力大，對壁面適應性強的優點，但是轉向能力差、結構相對複雜。
技術實現要素：
本發明的目的是為了克服上述技術的不足，提供一種移動速度快、運動靈活且可用於金屬表面爬行的具有多自由度的爬行機器人。
為實現上述目的，本發明所設計的具有多自由度的爬行機器人，包括第一轉動連杆、一端通過連接轉動關節組件與第一轉動連杆一端鉸接的第二轉動連杆、通過第一豎直轉動關節組件與第一轉動連杆另一端鉸接的第一水平轉動關節組件及通過第二豎直轉動關節組件與第二轉動連杆另一端鉸接的第二水平轉動關節組件，以及分別固定安裝在第一水平轉動關節組件底端和第二水平轉動關節組件底端的吸附足組件，其中，所述第一豎直轉動關節組件和所述第二豎直轉動關節組件結構相同且對稱布置，所述第一水平轉動關節組件和所述第二水平轉動關節組件結構相同且對稱布置；
所述第一水平轉動關節組件包括箱體、固定安裝在箱體上的第一舵機、通過第一連接轉軸與第一舵機相連的主動輪、與主動輪嚙合的從動輪及縱向貫穿從動輪且與從動輪過盈配合的傳動軸，所述傳動軸的一端通過上軸承安裝在箱體的上端蓋上且傳動軸的一端端部與第一豎直轉動關節組件鉸接，所述傳動軸的另一端通過下軸承固定在箱體的下端蓋上且傳動軸的另一端端部與吸附足組件連接。
進一步地，所述連接轉動關節組件包括固定安裝在所述第二轉動連杆一端的第二舵機及第二連接轉軸，所述第二連接轉軸一端固定在所述第二舵機底部的，所述第二連接轉軸另一端通過螺釘固定在所述第一轉動連杆一端。
進一步地，所述第一豎直轉動關節組件包括第三舵機和第三連接轉軸，所述第三舵機固定安裝在所述第一轉動連杆的另一端，所述第三連接轉軸一端固定在第三舵機底部的，所述第三連接轉軸另一端通過螺釘固定在所述第一水平轉動關節組件的傳動軸一端。
進一步地，所述吸附足組件包括電磁吸盤及螺栓，所述電磁吸盤通過螺栓固定在所述箱體的下端蓋上。
與現有技術相比，本發明具有以下優點：本發明的具有多自由度的爬行機器人具有尺蠖運動、翻轉運動及旋轉運動的運動功能，不僅可以實現凹過渡，還可以實現凸過渡，且運動速度快、控制簡單、越障能力強；並且採用對稱結構，在任意狀態下均能正常工作，可實現複雜路況的爬行。
附圖說明
圖1為本發明的具有多自由度的爬行機器人的結構示意簡圖；
圖2為圖1中連接轉動關節組件安裝結構示意圖；
圖3為圖1中第一水平轉動關節組件安裝結構示意圖；
圖4為圖1中第一豎直轉動關節組件安裝結構示意圖；
圖5為圖1中吸附足組件安裝結構示意圖；
圖6為圖1的尺蠖運動示意圖；
圖7為圖1的翻轉運動示意圖；
圖8為圖1的旋轉運動示意圖。
圖中：吸附足組件1(其中：電磁吸盤11、螺栓12)、第一水平轉動關節組件2(其中：第一舵機21、第一連接轉軸22、主動輪23a、從動輪23b、上端蓋24、上軸承25、傳動軸26、箱體27、下軸承28、下端蓋29)、第一豎直轉動關節組件3(其中：第三舵機31、第三連接轉軸32、螺釘33)、第一轉動連杆4、連接轉動關節組件5(其中：第二舵機51、第二連接轉軸52、螺釘53)、第二轉動連杆6、第二豎直轉動關節組件7、第二水平轉動關節組件8。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
如圖1所示為本發明的具有多自由度的爬行機器人，包括第一轉動連杆4、第二轉動連杆6、連接轉動關節組件5、第一豎直轉動關節組件3、第二豎直轉動關節組件7、第一水平轉動關節組件2、第二水平轉動關節組件8及兩套吸附足組件1，因此，本發明的具有多自由度的爬行機器人具有五個自由度；其中，第一豎直轉動關節組件3和第二豎直轉動關節組件7結構相同且對稱布置，第一水平轉動關節組件2和第二水平轉動關節組件8結構相同且對稱布置，即關節自由度採用「2-1-2」式對稱分布，即踝關節處設計兩個正交自由度，而膝關節處則設計一個自由度，具有更好的平衡穩定性及美觀性。為了能夠滿足複雜金屬表面的靈活爬行以及具備良好的越障能力，本發明採用雙足爬行的機器人行走方式，即兩套吸附足組件1。雙足爬行機器人有仿人式爬行和尺蠖式爬行兩種，其中尺蠖式爬行運動更平穩。尺蠖式爬行機器人的爬行機構主要有轉動關節和平動關節兩種類型，相較於平動關節，轉動關節結構除了具有能通過凹過渡式障礙的，也能通過凸過渡式障礙，因此，本發明採用轉動關節結構。
結合圖2所示，連接轉動關節組件5包括第二舵機51及第二連接轉軸52，第二舵機51固定安裝在第二轉動連杆6的一端，第二連接轉軸52一端固定在第二舵機51底部的，第二連接轉軸52另一端通過螺釘53固定在第一轉動連杆4一端，使得第一轉動連杆4通過連接轉動關節組件5與第二轉動連杆6鉸接，通過連接轉動關節組件5調節第一轉動連杆4和第二轉動連杆6之間的夾角，從而控制兩套吸附足組件1間的距離，來完成尺蠖式爬行的「伸縮腰」的功能。
結合圖3所示，第一水平轉動關節組件2包括箱體27、固定安裝在箱體27上的第一舵機21、通過第一連接轉軸22與第一舵機21相連的主動輪23a、與主動輪23a嚙合的從動輪23b及縱向貫穿從動輪23b且與從動輪23b過盈配合的傳動軸26，傳動軸26的一端通過上軸承25安裝在箱體27的上端蓋24上且傳動軸26的一端端部與第一豎直轉動關節組件3鉸接，傳動軸26的另一端通過下軸承28固定在箱體27的下端蓋29上且傳動軸26的另一端端部與一套吸附足組件1連接；第一舵機21提供動力，齒輪傳動系統既具有調速的功能，又可以使吸附足組件相對於主體結構轉動時的傳動軸與電磁吸盤同軸，這種設計可以減少計算量，減小控制時的複雜程度。另外，本實施例中，箱體27為前後兩部分對合而成，第一舵機21的上端插入至箱體27內，主動輪23a、從動輪26b均位於箱體27內，上端蓋24和下端蓋29均位於箱體27的外側。同理，第二水平轉動關節組件8也包括箱體、固定安裝在箱體上的第一舵機、通過第一連接轉軸與第一舵機相連的主動輪、與主動輪嚙合的從動輪及縱向貫穿主動輪的傳動軸，傳動軸的一端通過上軸承安裝在箱體的上端蓋上且傳動軸的一端端部與第二豎直轉動關節組件鉸接，傳動軸的另一端通過下軸承固定在箱體的下端蓋上且傳動軸的另一端端部與另一套吸附足組件連接；即兩個水平轉動關節組件分別設置在兩個吸附足組件上，來控制吸附足組件與機器人主體結構之間的相對轉動。
結合圖4所示，第一豎直轉動關節組件3包括第三舵機31和第三連接轉軸32，第三舵機31固定安裝在第一轉動連杆4的另一端，第三連接轉軸32一端固定在第三舵機31底部的，第三連接轉軸32另一端通過螺釘33固定在第一水平轉動關節組件2的傳動軸26一端；同理，第二豎直轉動關節組件7也包括第三舵機和第三連接轉軸，第三舵機固定安裝在第二轉動連杆的另一端，第三連接轉軸一端固定在第三舵機底部的，第三連接轉軸另一端通過螺釘固定在第二水平轉動關節組件的傳動軸一端；即兩個豎直轉動關節組件設置在轉動連杆與水平轉動關節組件的傳動軸26之間，主要控制吸附足組件1相對於主體結構在豎直平面內的相對位置姿態。
另外，如圖5所示，每套吸附足組件1包括電磁吸盤11及螺栓12，電磁吸盤11通過螺栓12固定在箱體27的下端蓋29上，通過電磁吸盤11的通斷電來完成雙足在金屬表面的交替吸附與釋放。對於金屬表面爬行，磁吸附相對於真空吸附等吸附方式有較大優勢，磁吸附的結構比較簡單，吸附能力也比真空吸附方式強很多，且對壁面的平整度要求不高；另外，磁吸附包括永磁鐵吸附和電磁鐵吸附兩種，永磁鐵吸附的吸附力比電磁鐵吸附的吸附力更強，但是脫吸困難，相比較而言，電磁吸附控制靈活、簡單，因此本發明採用電磁吸盤吸附。
該具有多自由度的爬行機器人的運動過程主要由尺蠖運動、翻轉運動、旋轉運動這三個基本運動合成而來。初始狀態為兩套吸附足組件都吸附在金屬表面，設第一轉動連杆4與第一水平轉動關節組件2的傳動軸26的夾角為150°，第一轉動連杆4與第二轉動連杆6間的夾角為60°，第二轉動連杆6與第二水平轉動關節組件8的傳動軸的夾角為150°。
A、尺蠖運動(如圖6所示)實現的具體步驟如下：
(1)通過對右側電磁吸盤11斷電，使右側吸附足組件釋放；
(2)第一豎直轉動關節組件3的第三舵機31轉動，帶動第一轉動連杆4繞第一豎直轉動關節組件3的第三連接轉軸32轉動，第一轉動連杆4與第一水平轉動關節組件2的傳動軸26間的夾角增大到160°，右側吸附足組件被抬起；
(3)連接轉動關節組件5的第二舵機51轉動，帶動第二轉動連杆6繞連接轉動關節組件5的第二連接轉軸52轉動，第一轉動連杆4和連第二轉動連杆6之間的夾角增大到120°；
(4)第二豎直轉動關節組件7的第三舵機轉動，帶動第二水平轉動關節組件8和右側吸附足組件轉動，使第二水平轉動關節組件8的傳動軸與第二轉動連杆6的夾角為130°；
(5)第一豎直轉動關節組件3的第三舵機31反向轉動，帶動第一轉動連杆4繞第一豎直轉動關節組件3的第三連接轉軸32逆向轉動，第一轉動連杆4與第一水平轉動關節組件2的傳動軸26間的夾角減小到120°，右側吸附足組件被放下並貼合；
(6)通過對右側吸附足組件的電磁吸盤11通電，使右側吸附足組件吸附；
(7)通過對左側吸附足組件的電磁吸盤11斷電，使左側吸附足組件釋放；
(8)第二豎直轉動關節組件7的第三舵機轉動，帶動第二轉動連杆6繞第二豎直轉動關節組件7的第三連接轉軸轉動，第二轉動連杆6與第二水平轉動關節組件7的傳動軸間的夾角增大到160°，左側吸附足組件被抬起；
(9)第一豎直轉動關節組件3的第三舵機31轉動，帶動左側吸附足組件和第一水平轉動關節組件2轉動，使第一轉動連杆4與第一水平轉動關節組件2的傳動軸26之間的夾角增大到150°；
(10)連接轉動關節組件5的第二舵機51轉動，帶動第一轉動連杆4繞連接轉動關節組件5的第二連接轉軸52轉動，第一轉動連杆4和第二轉動連杆6之間的夾角減小到60°；
(11)第二豎直轉動關節組件7的第三舵機反向轉動，帶動第二轉動連杆6繞第二豎直轉動關節組件7的第三連接轉軸逆向轉動，第二轉動連杆6與第二水平轉動關節組件8的傳動軸間的夾角減小150°，左側吸附足組件被放下並貼合；
(12)通過對左側吸附足組件的電磁吸盤11通電，使左側吸附足組件吸附。
以上是尺蠖運動在一個周期裡面的動作過程。
B、翻轉運動(如圖7所示)實現的具體步驟如下：
(1)通過對右側吸附足組件的電磁吸盤11斷電，使右側吸附足組件釋放；
(2)第一豎直轉動關節組件3的第三舵機31轉動，帶動第一轉動連杆4繞第一豎直轉動關節組件3的第三連接轉軸32轉動，第一轉動連杆4與第一水平轉動關節組件2的傳動軸26間的夾角增大到210°；
(3)第二豎直轉動關節組件7的第三舵機轉動，帶動第二水平轉動關節組件8和右側吸附足組件9轉動，使第二水平轉動關節組件8的傳動軸與第二轉動連杆6的夾角增大到210°；
(4)連接轉動關節組件5的第二舵機51轉動，帶動第二轉動連杆6繞連接轉動關節組件5的第二連接轉軸52轉動，第一轉動連杆4和第二轉動連杆6之間的夾角增大到300°；
(5)通過對右側吸附足組件的電磁吸盤11通電，使右側吸附足組件吸附。
C、旋轉運動(如圖8所示)實現的具體步驟如下：
(1)通過對右側吸附足組件的電磁吸盤11斷電，使右側吸附足組件釋放；
(2)第一豎直轉動關節組件3的第三舵機31轉動，帶動第一轉動連杆4繞第一豎直轉動關節組件3的第三連接轉軸32轉動，第一轉動連杆4與第一水平轉動關節組件2的傳動軸26間的夾角增大到160°，右側吸附足組件被抬起；
(3)第一水平轉動關節組件2的第一舵機21轉動，依次帶動主動輪23a、從動輪23b、傳動軸26轉動，使機器人繞傳動軸26轉動180°；
(5)第一豎直轉動關節組件3的第三舵機31轉動，帶動第一轉動連杆4繞第一豎直轉動關節組件3的第三連接轉軸32逆向轉動，第一轉動連杆4與第一水平轉動關節組件2的傳動軸26間的夾角減小到150°，右側吸附足組件被放下並貼合；
(6)通過對右側吸附足組件的電磁吸盤11通電，使右側吸附足組件吸附。