一種模塊化可重構爬壁機器人及其爬壁方法技術

本發明專利技術屬于移動機器人領域，具體地說是一種模塊化可重構爬壁機器人及其爬壁方法，爬壁機器人包括齒輪外殼、機器人本體、對接裝置、吸盤等，齒輪外殼安裝在機器人本體上部中央；離心泵安裝在機器人本體上部，其進氣口與機器人本體中央的通孔垂直對應；吸盤安裝在機器人本體底部四周，驅動輪和支撐輪安裝在機器人本體下部、位于吸盤內；齒輪外殼左右兩側的側板上分別裝有母端、公端對接裝置。本發明專利技術每個模塊化可重構爬壁機器人是獨立的個體，所構建的吸附裝置是可滑動式，使機器人在吸附壁面的同時可以運動，在壁面無障礙時獨立完成任務，當活動空間內有需要跨越的障礙時，兩個獨立的個體重構成一種行星輪系結構，協同完成越障任務。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于移動機器人領域，具體地說是一種模塊化可重構爬壁機器人及其爬壁方法。
技術介紹
微小型爬壁機器人由于具有很強的應用前景，近幾年受到各國科研人員越來越多的重視。現有爬壁機器人中大多采用腿足式或輪式移動機構。腿足式移動機構(Y.Jiang,H.G.Wang,L.J.Fang,etal,“AClimbingRobotSystemforAnti-terrorismReconnaissance,”Robot,vol.28,no.5,pp.530-535,2006.)大多采用兩條或多條腿，具有良好的穩定性和越障能力，但控制相對復雜，運動靈活性差。輪式移動機構(J.Z.Xiao,M.Sadegh,etal.“DesignofMobileRobotswithWallClimbingCapability,”IEEE/ASMEInternationalConferenceonAdvancedIntelligentMechatronics.Monterey,California,2005:438-443.)，一般為2-4輪，具有運動靈活快速的特點，但越障能力普遍較弱。近幾年科研人員提出了復合式移動機構的概念(Y.L.Fu,Z.Li,etal,“DevelopmentofaWallClimbingRobotwithWheel-LegHybridLocomotionMechanism,”IEEE/ASMEInternationalConferenceonRoboticsandBiomimetics,Sanya,China,2007:1876-1881.)，試圖將兩種不同的移動機構整合到一個爬壁機器人身上，該技術是提高爬壁機器人運動性能的一種新趨勢，但目前發展并不成熟，難以應用于實際的應用作業中。
技術實現思路
為了解決目前爬壁機器人移動速度和越障能力不能兼容，特別是不能在壁面和地面之間以及不同交叉壁面之間過渡等瓶頸問題，本發明的目的在于提供一種模塊化可重構爬壁機器人及其爬壁方法。本專利技術的目的是通過以下技術方案來實現的：本專利技術的模塊化可重構爬壁機器人包括機器人本體、母端對接裝置、公端對接裝置、驅動輪、驅動輪驅動電機、安裝在所述機器人本體底部的吸盤、安裝在所述機器人本體上的齒輪外殼以及分別位于該齒輪外殼內的攝像頭、離心泵電機、離心泵、母端驅動電機和公端驅動電機，其中吸盤的內部通過由離心泵電機驅動旋轉的離心泵抽氣、形成負壓區，所述驅動輪及驅動輪驅動電機均位于吸盤內、并分別安裝在所述機器人本體底部，該驅動輪通過驅動輪驅動電機驅動旋轉、在通過吸盤保持吸附壁面的同時帶動所述爬壁機器人運動；所述母端對接裝置及公端對接裝置分別位于齒輪外殼的兩側，該母端對接裝置的一端為與所述母端驅動電機輸出端連接的母端連接桿，另一端為與另一所述爬壁機器人的公端對接裝置插接的母端套管；所述公端對接裝置的一端為與所述公端驅動電機輸出端連接的公端連接桿，另一端為與另一所述爬壁機器人的母端對接裝置插接的公端套管，所述公端管內安裝有直線驅動電機，該直線驅動電機的輸出端與推桿的一端相連，所述推桿的另一端抵接有可上下移動的插銷，所述推桿通過直線驅動電機的驅動往復平移、帶動所述插銷上下移動，實現兩爬壁機器人母端對接裝置與公端對接裝置的對接或分離。其中：所述母端套管上開有定位孔，所述公端套管上開有插銷孔，所述插銷的一端位于該插銷孔內，另一端與所述推桿的另一端抵接；所述插銷孔外套有供插銷復位的彈簧，該彈簧的一端抵接于所述公端套管的內壁，另一端抵接于所述插銷上設置的擋片；所述插銷由推桿帶動插入所述定位孔內，實現兩爬壁機器人母端對接裝置與公端對接裝置的對接，所述插銷通過所述彈簧的彈力復位，實現兩爬壁機器人母端對接裝置與公端對接裝置的分離；所述推桿的另一端為錐形，其上下兩端均設有插銷；所述吸盤包括骨架、密封圈凹槽及密封圈，該骨架沿所述機器人本體底部四周設置，所述骨架的一端安裝在機器人本體的底部，另一端設有密封圈凹槽，所述密封圈容置于該密封圈凹槽內；所述密封圈的底部由所述密封圈凹槽底部露出，且高于所述驅動輪的底部；所述吸盤內的驅動輪包括左右對稱安裝的第一驅動輪、第二驅動輪，該第一驅動輪及第二驅動輪通過分別安裝在機器人本體底部的第一驅動輪驅動電機、第二驅動輪驅動電機驅動旋轉；所述吸盤內設有支撐輪，該支撐輪通過支撐輪固定架安裝在所述機器人本體的底部，所述支撐輪與第一驅動輪、第二驅動輪呈三角形布置；所述機器人本體上開有與吸盤內部連通的通孔，所述離心泵的進氣口與該通孔相對；所述齒輪外殼上開有與攝像頭相對的偵查孔；所述機器人本體底部與吸盤之間設有防漏內襯；本專利技術模塊化可重構爬壁機器人的爬壁方法為：所述離心泵電機帶動離心泵旋轉，吸盤內氣體被離心泵抽出形成負壓區，所述吸盤的底部在吸附力的作用下壓緊壁面或地面，產生壓縮變形；此時，所述驅動輪接觸壁面或地面，所述爬壁機器人在保持吸附壁面或地面的同時，在所述驅動輪驅動電機的驅動下在壁面或地面上移動。其中：當遇到壁面和地面之間以及不同交叉壁面時，兩所述爬壁機器人先實現對接，完成爬壁后再實現分離，步驟為：A.兩個分離的爬壁機器人、即第一爬壁機器人、第二爬壁機器人吸附在交叉面A上，通過第一爬壁機器人、第二爬壁機器人各自的驅動輪驅動電機控制第一爬壁機器人和第二爬壁機器人靠近；B.利用第一、二爬壁機器人各自的攝像頭調整位姿，使第一、二爬壁機器人對向運動；C.通過第一、二爬壁機器人各自的母端驅動電機及公端驅動電機調整第一、二爬壁機器人各自的母端對接裝置或公端對接裝置的傾斜角保持和交叉面A平行；D.待第一、二爬壁機器人的公端對接裝置分別插入第二、一爬壁機器人的母端對接裝置內部時，第一、二爬壁機器人各自的直線驅動電機輸出軸前移，帶動推桿前進，使插銷進入母端套管，此時對接完畢，第一、二爬壁機器人構成一個整體；當遇到交叉面凹過渡時，接下來的步驟為：E.已經對接好的第一、二爬壁機器人構成一個整體，第二爬壁機器人吸附交叉面A，第一爬壁機器人不再吸附交叉面A，驅動第一爬壁機器人整體靠近交叉面B；F.第二爬壁機器人的母子端驅動電機及公端驅動電機工作、逆時針旋轉，使第一爬壁機器人改變姿態，直至第一爬壁機器人的吸盤的傾斜角度和交叉面B平行；G.第二爬壁機器人前進，使第一爬壁機器人的吸盤壓緊交叉面B，轉變第一、二爬壁機器人的吸附狀本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種模塊化可重構爬壁機器人，其特征在于：包括機器人本體(3)、母端對接裝置(7)、公端對接裝置(8)、驅動輪、驅動輪驅動電機、安裝在所述機器人本體(3)底部的吸盤(5)、安裝在所述機器人本體上的齒輪外殼(1)以及分別位于該齒輪外殼(1)內的攝像頭(9)、離心泵電機(16)、離心泵(17)、母端驅動電機(37)和公端驅動電機(38)，其中吸盤(5)的內部通過由離心泵電機(16)驅動旋轉的離心泵(17)抽氣、形成負壓區，所述驅動輪及驅動輪驅動電機均位于吸盤(5)內、并分別安裝在所述機器人本體(3)底部，該驅動輪通過驅動輪驅動電機驅動旋轉、在通過吸盤(5)保持吸附壁面的同時帶動所述爬壁機器人運動；所述母端對接裝置(7)及公端對接裝置(8)分別位于齒輪外殼(1)的兩側，該母端對接裝置(7)的一端為與所述母端驅動電機(37)輸出端連接的母端連接桿(24)，另一端為與另一所述爬壁機器人的公端對接裝置插接的母端套管(25)；所述公端對接裝置(8)的一端為與所述公端驅動電機(38)輸出端連接的公端連接桿(27)，另一端為與另一所述爬壁機器人的母端對接裝置插接的公端套管(28)，所述公端管(28)內安裝有直線驅動電機(29)，該直線驅動電機(29)的輸出端與推桿(30)的一端相連，所述推桿(30)的另一端抵接有可上下移動的插銷，所述推桿(30)通過直線驅動電機(29)的驅動往復平移、帶動所述插銷上下移動，實現兩爬壁機器人母端對接裝置與公端對接裝置的對接或分離。...

【技術特征摘要】
1.一種模塊化可重構爬壁機器人，其特征在于：包括機器人本
體(3)、母端對接裝置(7)、公端對接裝置(8)、驅動輪、驅動輪驅
動電機、安裝在所述機器人本體(3)底部的吸盤(5)、安裝在所述
機器人本體上的齒輪外殼(1)以及分別位于該齒輪外殼(1)內的攝
像頭(9)、離心泵電機(16)、離心泵(17)、母端驅動電機(37)和
公端驅動電機(38)，其中吸盤(5)的內部通過由離心泵電機(16)
驅動旋轉的離心泵(17)抽氣、形成負壓區，所述驅動輪及驅動輪驅
動電機均位于吸盤(5)內、并分別安裝在所述機器人本體(3)底部，
該驅動輪通過驅動輪驅動電機驅動旋轉、在通過吸盤(5)保持吸附
壁面的同時帶動所述爬壁機器人運動；所述母端對接裝置(7)及公
端對接裝置(8)分別位于齒輪外殼(1)的兩側，該母端對接裝置(7)
的一端為與所述母端驅動電機(37)輸出端連接的母端連接桿(24)，
另一端為與另一所述爬壁機器人的公端對接裝置插接的母端套管
(25)；所述公端對接裝置(8)的一端為與所述公端驅動電機(38)
輸出端連接的公端連接桿(27)，另一端為與另一所述爬壁機器人的
母端對接裝置插接的公端套管(28)，所述公端管(28)內安裝有直
線驅動電機(29)，該直線驅動電機(29)的輸出端與推桿(30)的
一端相連，所述推桿(30)的另一端抵接有可上下移動的插銷，所述
推桿(30)通過直線驅動電機(29)的驅動往復平移、帶動所述插銷
上下移動，實現兩爬壁機器人母端對接裝置與公端對接裝置的對接或
分離。
2.按權利要求1所述的模塊化可重構爬壁機器人，其特征在于：
所述母端套管(25)上開有定位孔，所述公端套管(28)上開有插銷
孔，所述插銷的一端位于該插銷孔內，另一端與所述推桿(30)的另
一端抵接；所述插銷孔外套有供插銷復位的彈簧，該彈簧的一端抵接
于所述公端套管(28)的內壁，另一端抵接于所述插銷上設置的擋片；
所述插銷由推桿(30)帶動插入所述定位孔內，實現兩爬壁機器人母
端對接裝置與公端對接裝置的對接，所述插銷通過所述彈簧的彈力復
位，實現兩爬壁機器人母端對接裝置與公端對接裝置的分離。
3.按權利要求2所述的模塊化可重構爬壁機器人，其特征在于：
所述推桿(30)的另一端為錐形，其上下兩端均設有插銷。
4.按權利要求1所述的模塊化可重構爬壁機器人，其特征在于：
所述吸盤(5)包括骨架(501)、密封圈凹槽(502)及密封圈(503)，

\t該骨架(501)沿所述機器人本體(3)底部四周設置，所述骨架(501)
的一端安裝在機器人本體(3)的底部，另一端設有密封圈凹槽(502)，
所述密封圈(503)容置于該密封圈凹槽(502)內；所述密封圈(503)
的底部由所述密封圈凹槽(502)底部露出，且高于所述驅動輪的底
部。
5.按權利要求1所述的模塊化可重構爬壁機器人，其特征在于：
所述吸盤(5)內的驅動輪包括左右對稱安裝的第一驅動輪(1901)、
第二驅動輪(1902)，該第一驅動輪(1901)及第二驅動輪(1902)
通過分別安裝在機器人本體(3)底部的第一驅動輪驅動電機(2001)、
第二驅動輪驅動電機(2002)驅動旋轉。
6.按權利要求5所述的模塊化可重構爬壁機器人，其特征在于：
所述吸盤(5)內設有支撐輪(23)，該支撐輪(23)通過支撐輪固定
架(22)安裝在所述機器人本體(3)的底部，所述支撐輪(23)與
第一驅動輪(1901)、第二驅動輪(1902)呈三角形布置。
7.按權利要求1所述的模塊化可重構爬壁機器人，其特征在于：
所述機器人本體(3)上開有與吸盤(5)內部連通的通孔(21)，所
述離心泵(17)的進氣口與該通孔(21)相對；所述齒輪外殼(1)
上開有與攝像頭(9)相對的偵查孔(10)；所述機器人本體(3)底
部與吸盤(5)之間設有防漏內襯(4)。
8.一種按權利要求1至7任一權利要求所述的模塊化可重構爬
壁機器人的爬壁方法，其特征在于：所述離心泵電機(16)帶動離心
泵(17)旋轉，吸盤(5)內氣體被離心泵(17)抽出形成負壓區，
所述吸盤(5)的底部在吸附力的作用下壓緊壁面或地面，產生壓縮
變形；此時，所述驅動輪接觸壁面或地面，所述爬壁機器人在保持吸
附壁面或地面的同時，在所述驅動輪驅動電機的驅動下在壁面或地面
上移動。
9.按權利要求8所述的爬壁方法，其特征在于：當遇到壁面和
地面之間以及不同交叉壁面時，兩所述爬壁機器人先實現對接，完成
爬壁后再實現分離，步驟為：
A.兩個分離的爬壁機器人、即第一爬壁機器人(WCR1)、第二爬
壁機器人(WCR2)吸附在交叉面A上，通過第一爬壁機器人(WCR1)、
第二...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉愛華，姜勇，董偉光，王洪光，
申請(專利權)人：中國科學院沈陽自動化研究所，
類型：發明
國別省市：遼寧;21