專利名稱：基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，特別涉及一種用于高大的圓錐狀鋼塔或大型球罐等具有導(dǎo)磁性材料表面上快速移動且攜帶大負重作業(yè)的壁面移動機器人，屬于仿生機器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
工業(yè)領(lǐng)域往往會用到又高又大的罐體，例如石油化工或天然氣企業(yè)的儲油、儲氣罐、發(fā)電廠等企業(yè)的鍋爐、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的風(fēng)機塔等。這些罐體的幾何呈現(xiàn)圓柱狀、球狀以及圓錐狀的特點。而罐體往往需要進行維護、璧厚檢測，目前仍采用傳統(tǒng)的人工方式，其設(shè)備一般就是軟梯、繩索或腳手架之類的，這樣就帶來了勞動強度大、周期長、效率低下以及安全性差等問題，因此急需一種自動化的檢測或進行其他作業(yè)的設(shè)備，這種設(shè)備要具有在這些罐體表面貼敷且靈活移動的特點。對于一般的磁吸附壁面移動機器人來講，由于要工作在這種變界面的壁面上，而且壁面上的焊接處較高，因此要想進行任意方向的移動，將很難做到能時時達到牢牢吸附的目的。應(yīng)用于這些罐體上的壁面移動機器人一般采用磁條作為吸附單元，一般來講，磁吸附壁面移動機器人對導(dǎo)磁性壁面的吸附，最直接的方法是采用永磁吸附方式和電磁吸附方式，電磁吸附方式機構(gòu)較多、控制上復(fù)雜、耗能較大，但可以實現(xiàn)對磁力的主動控制；永磁吸附方式結(jié)構(gòu)簡單、不需耗能，但無法控制磁力。壁面作業(yè)機器人屬于特種機器人的范疇，按其與壁面的交互方式分為真空/負壓吸附、磁吸附、粘性材料吸附和鉤掛吸附等。雖然學(xué)術(shù)界提出了多種有關(guān)機器人機構(gòu)及吸附的方法，但是攜帶大負重(如攜帶20kg以上的作業(yè)設(shè)備)、在圓錐壁面上可任意方向移動的技術(shù)方法和原理樣機并未見到。其原因在于，對于圓錐體，在經(jīng)過高度的任何一點的截面上其對應(yīng)的圓周半徑是不同的，即圓錐體的軸截面是變化的。當(dāng)機器人在圓錐體的表面全方位移動時，如何保證安全吸附與受力穩(wěn)定是至關(guān)重要的。其次，當(dāng)機器人遇到焊縫或其他較大障礙時，如何實現(xiàn)柔性吸附，以保證有足夠的吸附力也是難點之一。然而，相對于機器人來講，自然界的壁虎在壁面上完成各種運動則非常靈活，機器人形態(tài)學(xué)就是研究如何使機器人盡可能的具備適應(yīng)相應(yīng)環(huán)境的形態(tài)結(jié)構(gòu)，這一過程往往是伴隨著結(jié)構(gòu)的重構(gòu)或者機器人機構(gòu)對環(huán)境的實時伺服來完成的。上述的分析表明，機器人的結(jié)構(gòu)形態(tài)具有一定的局限性，如果在研究中想完全實現(xiàn)生物的功能則是目前技術(shù)所無法做到的。

實用新型內(nèi)容本實用新型提供一種基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，可實現(xiàn)在圓柱狀、球狀以及圓錐狀罐體壁面上進行大負重壁面缺陷檢測作業(yè)?；诒诨⑦\動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，包括四個驅(qū)動單元、四條鏈條履帶、載荷分散機構(gòu)、抗傾覆裝置、超聲波探頭伺服移動裝置、機器人箱體外殼和控制系統(tǒng)；其特征在于四根鏈條履帶分別是左側(cè)主動鏈條履帶62、左側(cè)被動鏈條履帶、右側(cè)主動鏈條履帶、右側(cè)被動鏈條履帶，鏈條履帶上帶有磁條單元；整體連接關(guān)系為超聲波探頭伺服移動裝置55固接在機器人箱體外殼的前端；抗傾覆裝置58固接在機器人箱體外殼上，固接的位置是該裝置的重心位置；機器人箱體外殼的左右兩側(cè)面上各安裝兩個驅(qū)動單元，但同側(cè)只有一個驅(qū)動單元安裝伺服電機，左側(cè)主動鏈條履帶和左側(cè)被動鏈條履帶前后并列安裝在機器人箱體外殼左側(cè)，右側(cè)主動鏈條履帶和右側(cè)被動鏈條履帶前后并列安裝在機器人箱體外殼右側(cè)，安裝伺服電機的兩個驅(qū)動單元分別與左側(cè)主動鏈條履帶和右側(cè)主動鏈條履帶連接；每個載荷分散機構(gòu)安裝在每條鏈條履帶的內(nèi)側(cè)；控制系統(tǒng)分別放置在機器人箱體外殼內(nèi)，并與驅(qū)動單元、抗傾覆裝置和超聲波探頭伺服移動裝置相連接，其中，安裝伺服電機的驅(qū)動單元驅(qū)動同側(cè)的兩條前后并列安裝的鏈條履帶。其中驅(qū)動單元包括碼盤、伺服電機、電機固定座、短同步帶壓緊輪安裝裝置、履帶安裝內(nèi)板、短同步帶壓緊輪、主動履帶鏈輪、從動履帶鏈輪、履帶安裝外板、短同步帶傳動機構(gòu)、履帶鏈輪松緊調(diào)節(jié)機構(gòu)、長同步帶輪、支撐套、轉(zhuǎn)軸套、短同步帶和夾緊支柱；碼盤連接在伺服電機的后部，伺服電機與電機固定座固接，電機固定座固定在機器人箱體外殼上，支撐套與電機固定座及機器人箱體外殼固接，支撐套通過軸承與轉(zhuǎn)軸套相連接，轉(zhuǎn)軸套通過軸承與電機軸相連接；轉(zhuǎn)軸套繞電機軸相對于支撐套轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸套的轉(zhuǎn)動與電機軸的轉(zhuǎn)動互不影響，轉(zhuǎn)軸套與履帶安裝內(nèi)板固接，即轉(zhuǎn)軸套的轉(zhuǎn)動直接傳遞給履帶安裝內(nèi)板以及與履帶安裝內(nèi)板相連接的結(jié)構(gòu)；電機軸與短同步帶傳動機構(gòu)的短同步帶的同步帶輪固接，電機軸的轉(zhuǎn)動傳遞給短同步帶，通過短同步帶傳動機構(gòu)將電機軸的轉(zhuǎn)動傳遞給主動履帶鏈輪；同時，主動履帶鏈輪和同步帶輪的軸與履帶安裝內(nèi)板相連接，履帶安裝內(nèi)板的轉(zhuǎn)動也傳遞給了主動履帶鏈輪，主動履帶鏈輪的運動是履帶安裝內(nèi)板與電機軸的合運動，主動履帶鏈輪的運動通過鏈傳動傳遞給從動履帶鏈輪，履帶鏈輪松緊調(diào)節(jié)機構(gòu)安裝在履帶安裝內(nèi)板的調(diào)節(jié)槽內(nèi)，通過微調(diào)主動履帶鏈輪和從動履帶鏈輪之間的位置來調(diào)節(jié)鏈傳動的松緊程度。短同步帶壓緊輪安裝裝置固接在履帶安裝內(nèi)板上，短同步帶壓緊輪連接在短同步帶壓緊輪安裝裝置上以壓緊短同步帶傳動機構(gòu)，短同步帶壓緊輪壓緊短同步帶傳動機構(gòu)；夾緊支柱固接在履帶安裝內(nèi)板和履帶安裝外板之間，輔助夾緊短同步帶傳動機構(gòu)對履帶安裝內(nèi)板的轉(zhuǎn)動進行限制；履帶安裝外板通過主動履帶鏈輪和從動履帶鏈輪的軸及夾緊支柱與履帶安裝內(nèi)板連接；與長同步帶輪固聯(lián)的傳動軸也與驅(qū)動電機的軸固聯(lián)，通過長同步帶將電機的運動通過機構(gòu)傳遞到鏈條履帶上，此外，與長同步帶輪固聯(lián)的傳動軸與外殼側(cè)板之間是通過兩組軸承來實現(xiàn)差動，即履帶在運動時能繞傳動軸進行一定角度的轉(zhuǎn)動，其目的是當(dāng)履帶接觸到凸起等障礙時，可通過自身的轉(zhuǎn)動調(diào)整姿態(tài)，消除來自障礙的反作用力，從而保證機器人本體的穩(wěn)定姿態(tài)，這也實現(xiàn)了模擬壁虎腿部的一些功能。鏈條履帶由兩個以上的磁條單元并列連接成環(huán)形的帶狀履帶，磁條單元包括鏈條外鏈板、隔磁板、外側(cè)軛鐵、中間軛鐵和磁條，隔磁板通過沉頭螺釘與鏈條外鏈板相連，隔磁板又通過沉頭螺釘與外側(cè)軛鐵、中間軛鐵連接，外側(cè)軛鐵位于一個磁條單元的外側(cè)并具有一個擋邊，中間軛鐵具有兩個擋邊，外側(cè)軛鐵和中間軛鐵的擋邊之間固定磁條，一個磁條單元包含兩個以上的外側(cè)軛鐵、中間軛鐵和磁條；其中外側(cè)軛鐵的厚度是中間軛鐵的二分之一，相鄰磁條的磁極相同，由此可構(gòu)成封閉的磁力線使磁條單元的吸附力達到最強，磁條單元外表面包覆一層用來保護和增大摩擦力的橡膠。載荷分散機構(gòu)包括載荷分散軸、載荷分散彈簧、載荷分散輪、載荷分散架和載荷分散座，載荷分散座套裝在載荷分散軸上并固接在履帶安裝外板上，載荷分散軸的下方套裝載荷分散彈簧，載荷分散彈簧與載荷分散座抵觸連接，載荷分散軸的底端通過鉸鏈與載荷分散架連接，載荷分散軸能在載荷分散座內(nèi)作有彈性的線性運動同時載荷分散架能繞鉸鏈軸心轉(zhuǎn)動，為鏈條履帶分散載荷，保證鏈條履帶緊密貼合壁面；載荷分散輪安裝在載荷分散架上壓緊鏈條履帶。抗傾覆裝置包括抗傾覆裝置軌道罩、抗傾覆十字軸座、抗傾覆步進電機座、抗傾覆步進電機、抗傾覆長桿、抗傾覆腳輪軸、抗傾覆腳輪彈簧、抗傾覆腳輪、抗傾覆短桿、抗傾覆十字軸；抗傾覆步進電機固定在抗傾覆電機座上，而抗傾覆電機座固接在機器人箱體外殼上，抗傾覆十字軸固接在抗傾覆步進電機的電機軸上，抗傾覆十字軸座與抗傾覆十字軸相連接，抗傾覆十字軸座能圍繞抗傾覆十字軸轉(zhuǎn)動；抗傾覆長桿和抗傾覆短桿分別固接在抗傾覆十字軸座上相對的兩端，抗傾覆裝置軌道罩固接在機器人箱體外殼上并與抗傾覆短桿相接觸，抗傾覆裝置軌道罩用于限制抗傾覆十字軸座轉(zhuǎn)動的范圍，抗傾覆腳輪軸套裝抗傾覆腳輪彈簧后套接在抗傾覆長桿末端的安裝孔內(nèi)，它可以在抗傾覆長桿的限制下作平行于抗傾覆步進電機軸線的彈性線性運動，抗傾覆腳輪固接在抗傾覆腳輪軸上并伴隨抗傾覆腳輪軸運動；該抗傾覆桿合成步進電機和抗傾覆十字軸座的運動，可有效地防止機器人從壁面上傾覆?？箖A覆裝置機構(gòu)上安裝實時姿態(tài)傳感器，當(dāng)機器人的姿態(tài)發(fā)生變化時，傳感器將信號送給控制系統(tǒng)，信號經(jīng)過處理后，控制系統(tǒng)會控制抗傾覆步進電機帶動抗傾覆長桿繞傾覆十字軸轉(zhuǎn)動，從而實時控制該抗傾覆裝置的抗傾覆長桿與水平方向保持垂直。超聲波探頭伺服移動裝置包括超聲波探傷模塊、探頭架、橫向絲杠步進電機螺母、 橫向步進電機絲杠套、縱向絲杠步進電機螺母、橫向絲杠步進電機固定架、連接架、縱向步進電機絲杠套、探頭超聲機械接口、探頭安裝座、縱向絲杠步進電機固定架、縱向絲杠步進電機和橫向絲杠步進電機，探頭安裝座和探頭機械接口都固接在機器人頭部的外殼上，縱向絲杠步進電機固定架固接在探頭機械接口上，縱向絲杠步進電機固接在縱向絲杠步進電機固定架上，縱向絲杠步進電機螺母安裝在縱向絲杠步進電機上，縱向絲杠步進電機的轉(zhuǎn)動可以轉(zhuǎn)換為縱向絲杠步進電機螺母的線性運動，連接架固接在縱向絲杠步進電機螺母上，隨著縱向絲杠步進電機螺母運動，并且連接了橫向絲杠步進電機固定架。橫向絲杠步進電機固接在橫向絲杠步進電機固定架上，它同縱向絲杠步進電機一樣，是種電機輸出軸是絲杠的步進電機。橫向絲杠步進電機螺母安裝在橫向絲杠步進電機上，將橫向絲杠步進電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為橫向絲杠步進電機螺母的線性運動。探頭架安裝在橫向絲杠步進電機螺母上用于安裝超聲波探傷模塊，通過控制縱向絲杠步進電機和橫向絲杠步進電機就可以控制超聲波探傷模塊的運動，橫向步進電機絲杠套固接在橫向絲杠步進電機固定架，用于限制橫向絲杠步進電機螺母的運動，同樣，縱向步進電機絲杠套固接在縱向絲杠步進電機固定架上以限制縱向絲杠步進電機螺母的運動；當(dāng)超聲波探傷模塊檢測到罐體的故障點后，超聲波探傷模塊即可啟動超聲波探傷模塊自身的標(biāo)記裝置對故障點進行標(biāo)記，以便維護工作的進行。其整體連接關(guān)系為外殼側(cè)板、外殼上蓋、外殼下板、外殼前側(cè)板和外殼后側(cè)板依次連接組成機器人箱體外殼；超聲波探頭伺服移動裝置固接在壁面移動機器人外殼前側(cè)板上，壁面移動機器人的模塊化驅(qū)動單元安裝在壁面移動機器人的外殼前側(cè)板的前端，鏈條履帶連接模塊化驅(qū)動單元；抗傾覆裝置和用于裝飾的裝飾蓋固接在外殼上蓋上，抗傾覆裝置上的抗傾覆腳輪與罐體壁面貼合；外殼上蓋為獨立結(jié)構(gòu)以便于拆卸、安裝，搬手固接在外殼側(cè)板上，使機構(gòu)便于整體搬運；左右兩側(cè)的外殼側(cè)板外側(cè)面上安裝兩個驅(qū)動單元，在其中一個驅(qū)動單元上安裝伺服電機，伺服電機的轉(zhuǎn)動通過長同步帶傳動機構(gòu)將傳遞給側(cè)板上另一個驅(qū)動單元，長同步帶壓緊輪安裝架安裝在壁面移動機器人的外殼側(cè)板上，長同步帶壓緊輪安裝在長同步帶壓緊輪安裝架上用于壓緊長同步帶傳動機構(gòu)，電路安裝板安裝在機器人的外殼下板上，用于安裝控制系統(tǒng)。有益效果本實用新型的超聲波檢測裝置、具有多磁路的磁條單元、移動履帶、機器人箱體、抗傾覆裝置分別模擬壁虎頭部、腳掌的、腿部、身體的以及尾部的功能，實現(xiàn)了對壁虎的結(jié)構(gòu)形態(tài)的仿生演化；采用磁條單元組成的鏈條履帶實現(xiàn)了對圓柱狀、球狀以及圓錐狀罐體壁面上任意方向的移動和柔性吸附，一個驅(qū)動單元驅(qū)動兩組鏈條履帶，從而更加適應(yīng)變界面的壁面吸附；抗傾覆裝置能最大程度避免機器人在行進過程中發(fā)生傾覆的現(xiàn)象，增強了機器人工作的可靠性。

圖1是壁面移動機器人總體結(jié)構(gòu)示意圖圖2是壁面移動機器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖圖3是磁條單元結(jié)構(gòu)示意圖圖4是驅(qū)動單元的示意圖圖5是鏈條履帶結(jié)構(gòu)示意圖圖6是載荷分散機構(gòu)原理圖圖7是載荷分散機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖圖8是抗傾覆裝置機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖圖9是超聲波探頭伺服移動裝置機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖其中1-鏈條的外鏈板，2-隔磁板，3-外側(cè)軛鐵，4-中間軛鐵，5-磁條，6-碼盤、 7-伺服電機、8-電機固定座、9-短同步帶壓緊輪安裝裝置、10-履帶安裝內(nèi)板、11-短同步帶壓緊輪、12-主動履帶鏈輪、13-履帶安裝外板、14-短同步帶傳動機構(gòu)、15-履帶鏈輪松緊調(diào)節(jié)機構(gòu)、16-長同步帶輪、17-支撐套、18-轉(zhuǎn)軸套、19-短同步帶、21-從動履帶鏈輪、 22-夾緊支柱，25-磁條單元，26-鏈條，27-載荷分散機構(gòu)，28-載荷分散軸、29-載荷分散彈簧、30-載荷分散輪、31-載荷分散架，32-載荷分散座，33-抗傾覆裝置軌道罩，34-抗傾覆十字軸座，35-抗傾覆步進電機座，36-抗傾覆步進電機，37-抗傾覆長桿，38-抗傾覆腳輪軸，39-抗傾覆腳輪彈簧，40-抗傾覆腳輪，41-抗傾覆短桿，42-抗傾覆十字軸，43-探頭架、 44-橫向絲杠步進電機螺母、45-橫向步進電機絲杠套、46-縱向絲杠步進電機螺母、47-橫向絲杠步進電機固定架、48-連接架、49-縱向步進電機絲杠套、50-探頭超聲機械接口、 51-探頭安裝座、52-縱向絲杠步進電機固定架、53-縱向絲杠步進電機、54-橫向絲杠步進電機，55-超聲波探頭伺服移動裝置，56-驅(qū)動單元，57-外殼側(cè)板，58-抗傾覆裝置，59-裝飾蓋，60-外殼上蓋，61-外殼下板，62-左側(cè)主動鏈條履帶、63-外殼前側(cè)板、64-外殼后側(cè)板、 65-搬手，66-長同步帶壓緊輪，67-電路安裝板，68-長同步帶壓緊輪安裝架。
具體實施方式
[0024]
以下結(jié)合附圖對本實用新型做進一步詳細說明。壁虎擁有四條腿，每條腿上有兩個關(guān)節(jié)，對應(yīng)為髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)提供翻滾自由度，膝關(guān)節(jié)提供傾斜自由度，壁虎腿的兩個關(guān)節(jié)可以保證壁虎靈活穩(wěn)定的移動。壁虎的腳具有吸附功能，可以使壁虎緊密的吸附在墻壁表面。它的尾巴除了避敵外，還起到了支撐平衡的作用，其頭部上的眼睛等會探測周圍的環(huán)境，使肢體對環(huán)境的變化做出反應(yīng)。壁虎的肢體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全適應(yīng)了各種壁面環(huán)境，但是在現(xiàn)有的技術(shù)水平下人類卻無法把壁面移動機器人完全做成壁虎。因此，需要對壁虎的結(jié)構(gòu)形態(tài)進行相應(yīng)地仿生演化，即技術(shù)層面上的進化。首先，將壁虎的腿部在技術(shù)層面上演化為連桿機構(gòu)，壁虎的髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)演化為鉸鏈。這種連桿機構(gòu)可以如同壁虎的腿一樣運動，機構(gòu)進一步演化為具有柔性的履帶結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，保留翻滾自由度的履帶結(jié)構(gòu)代替連桿機構(gòu)。履帶結(jié)構(gòu)的柔性和翻滾自由度既保證了該結(jié)構(gòu)可以如同壁虎的腿一樣運動也保證了履帶與壁面的緊密貼合，而且控制簡單。壁虎用于吸附的腳掌演化成了磁性吸附單元，這些磁性吸附單元以最簡單的形式就能保證壁面移動機器人穩(wěn)穩(wěn)地吸附在導(dǎo)磁性壁面上。壁虎的身體被演化成一個容器，內(nèi)部可以安裝驅(qū)動裝置以及控制裝置等，壁虎的頭部被演化用來安裝超聲傳感器、視覺傳感器等。考慮壁虎的尾巴的支撐、穩(wěn)定和平衡作用，壁面移動機器人安裝一個抗傾覆裝置，從而最終演化完成的壁面移動機器人。如附圖1所示，基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，包括四個驅(qū)動單元56、四條鏈條履帶、載荷分散機構(gòu)27、抗傾覆裝置58、超聲波探頭伺服移動裝置55、 機器人箱體外殼和控制系統(tǒng)；機器人箱體外殼的殼身由外殼前側(cè)板63、外殼上蓋60、外殼后側(cè)板64和外殼下板61順序連接組成連續(xù)的環(huán)形結(jié)構(gòu)，殼身的左右兩側(cè)由外殼側(cè)板57 封閉后構(gòu)成機器人箱體外殼；四根鏈條履帶分別是左側(cè)主動鏈條履帶62、左側(cè)被動鏈條履帶、右側(cè)主動鏈條履帶、右側(cè)被動鏈條履帶，鏈條履帶上帶有磁條單元；整體連接關(guān)系為 超聲波探頭伺服移動裝置陽固接在機器人箱體外殼的前端；抗傾覆裝置58固接在機器人箱體外殼上，固接的位置是該裝置的重心位置；機器人箱體外殼的左右兩側(cè)面上各安裝兩個驅(qū)動單元56，但同側(cè)只有一個驅(qū)動單元安裝伺服電機7，左側(cè)主動鏈條履帶62和左側(cè)被動鏈條履帶前后并列安裝在機器人箱體外殼左側(cè)，右側(cè)主動鏈條履帶和右側(cè)被動鏈條履帶前后并列安裝在機器人箱體外殼右側(cè)，安裝伺服電機7的兩個驅(qū)動單元56分別與左側(cè)主動鏈條履帶62和右側(cè)主動鏈條履帶連接；每個載荷分散機構(gòu)27安裝在每條鏈條履帶的內(nèi)側(cè)； 控制系統(tǒng)分別放置在機器人箱體外殼內(nèi)，并與驅(qū)動單元56、抗傾覆裝置58和超聲波探頭伺服移動裝置陽相連接，其中，安裝伺服電機7的驅(qū)動單元56驅(qū)動同側(cè)的兩條前后并列安裝的鏈條履帶；長同步帶壓緊輪安裝架68安裝在外殼側(cè)板63上，長同步帶壓緊輪66安裝在長同步帶壓緊輪安裝架68上用于壓緊長同步帶傳動機構(gòu)，安裝在外殼側(cè)板63上的長同步帶壓緊輪安裝架68的位置可調(diào)，以調(diào)節(jié)長同步帶傳動機構(gòu)的松緊，電路安裝板67安裝在機器人的外殼下板61上，用于安裝控制系統(tǒng)。如附圖4所示，模塊化驅(qū)動單元包括碼盤6、伺服電機7、電機固定座8、短同步帶壓緊輪安裝裝置9、履帶安裝內(nèi)板10、短同步帶壓緊輪11、主動履帶鏈輪12、從動履帶鏈輪 21、履帶安裝外板13、短同步帶傳動機構(gòu)14、履帶鏈輪松緊調(diào)節(jié)機構(gòu)15、長同步帶輪16、支撐套17、轉(zhuǎn)軸套18、短同步帶19和夾緊支柱22 ；碼盤6連接在伺服電機7的后部，伺服電機7與電機固定座8固接，電機固定座8固定在機器人箱體外殼上，支撐套17與電機固定座8及機器人箱體外殼固接，支撐套17通過軸承與轉(zhuǎn)軸套18相連接，轉(zhuǎn)軸套18通過軸承與電機軸相連接；轉(zhuǎn)軸套18繞電機軸相對于支撐套17轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸套18的轉(zhuǎn)動與電機軸的轉(zhuǎn)動互不影響，轉(zhuǎn)軸套18與履帶安裝內(nèi)板10固接，即轉(zhuǎn)軸套18的轉(zhuǎn)動直接傳遞給履帶安裝內(nèi)板10以及與履帶安裝內(nèi)板10相連接的結(jié)構(gòu)；電機軸與短同步帶傳動機構(gòu)14的短同步帶19的同步帶輪固接，電機軸的轉(zhuǎn)動傳遞給短同步帶19，通過短同步帶傳動機構(gòu)14將電機軸的轉(zhuǎn)動傳遞給主動履帶鏈輪12 ；同時，主動履帶鏈輪12和同步帶輪20的軸與履帶安裝內(nèi)板10相連接，履帶安裝內(nèi)板10的轉(zhuǎn)動也傳遞給了主動履帶鏈輪12，主動履帶鏈輪12的運動是履帶安裝內(nèi)板10與電機軸的合運動，主動履帶鏈輪12的運動通過鏈傳動傳遞給從動履帶鏈輪21，履帶鏈輪松緊調(diào)節(jié)機構(gòu)15安裝在履帶安裝內(nèi)板10的調(diào)節(jié)槽內(nèi)，通過微調(diào)主動履帶鏈輪12和從動履帶鏈輪21之間的位置來調(diào)節(jié)鏈傳動的松緊程度。短同步帶壓緊輪安裝裝置9固接在履帶安裝內(nèi)板10上，短同步帶壓緊輪11連接在短同步帶壓緊輪安裝裝置9上以壓緊短同步帶傳動機構(gòu)14，短同步帶壓緊輪11壓緊短同步帶傳動機構(gòu)14 ；夾緊支柱22固接在履帶安裝內(nèi)板10和履帶安裝外板13之間，輔助夾緊短同步帶傳動機構(gòu)14對履帶安裝內(nèi)板10的轉(zhuǎn)動進行限制；履帶安裝外板13通過主動履帶鏈輪12和從動履帶鏈輪 21的軸及夾緊支柱22與履帶安裝內(nèi)板10連接；與長同步帶輪16固聯(lián)的傳動軸也與驅(qū)動電機的軸固聯(lián)，通過長同步帶將電機的運動通過機構(gòu)傳遞到左側(cè)從動鏈條履帶上，此外，與長同步帶輪16固聯(lián)的傳動軸與外殼側(cè)板57之間是通過兩組軸承來實現(xiàn)差動，即鏈條履帶在運動時能繞傳動軸進行一定角度的轉(zhuǎn)動，其目的是當(dāng)鏈條履帶接觸到凸起等障礙時，可通過自身的轉(zhuǎn)動調(diào)整姿態(tài)，消除來自障礙的反作用力，從而保證機器人本體的穩(wěn)定姿態(tài)，這也實現(xiàn)了模擬壁虎腿部的一些功能。如附圖5所示，鏈條履帶由兩個以上的磁條單元25并列連接成環(huán)形的帶狀履帶， 磁條單元25包括鏈條外鏈板1、隔磁板2、外側(cè)軛鐵3、中間軛鐵4和磁條，隔磁板2通過沉頭螺釘與鏈條外鏈板1相連，隔磁板2又通過沉頭螺釘與外側(cè)軛鐵3、中間軛鐵4連接，外側(cè)軛鐵3位于一個磁條單元的外側(cè)并具有一個擋邊，中間軛鐵4具有兩個擋邊，外側(cè)軛鐵3 和中間軛鐵4的擋邊之間固定磁條5，一個磁條單元包含兩個以上的外側(cè)軛鐵3、中間軛鐵 4和磁條5 ；其中外側(cè)軛鐵3的厚度是中間軛鐵4的二分之一，相鄰磁條5的磁極相同，由此可構(gòu)成封閉的磁力線使磁條單元25的吸附力達到最強。如附圖6和7所示，載荷分散機構(gòu)包括載荷分散軸觀、載荷分散彈簧四、載荷分散輪30、載荷分散架31和載荷分散座32，載荷分散座32套裝在載荷分散軸觀上并固接在履帶安裝外板13上，載荷分散軸觀的下方套裝載荷分散彈簧四，載荷分散彈簧四與載荷分散座32抵觸連接，載荷分散軸觀的底端通過鉸鏈與載荷分散架31連接，載荷分散軸觀能在載荷分散座32內(nèi)作有彈性的線性運動同時載荷分散架31能繞鉸鏈軸心轉(zhuǎn)動，為鏈條履帶分散載荷，保證鏈條履帶緊密貼合壁面；載荷分散輪30安裝在載荷分散架31上壓緊鏈條履帶。如附圖8所示，抗傾覆裝置58包括抗傾覆裝置軌道罩33、抗傾覆十字軸座34、抗傾覆步進電機座35、抗傾覆步進電機36、抗傾覆長桿37、抗傾覆腳輪軸38、抗傾覆腳輪彈簧 39、抗傾覆腳輪40、抗傾覆短桿41、抗傾覆十字軸42 ；抗傾覆步進電機36固定在抗傾覆電機座35上，而抗傾覆電機座35固接在機器人箱體外殼上，抗傾覆十字軸42固接在抗傾覆步進電機36的電機軸上，抗傾覆十字軸座34與抗傾覆十字軸42相連接，抗傾覆十字軸座 34能圍繞抗傾覆十字軸42轉(zhuǎn)動；抗傾覆長桿37和抗傾覆短桿41分別固接在抗傾覆十字軸座34上相對的兩端，抗傾覆裝置軌道罩33固接在箱體外殼上并與抗傾覆短桿41相接觸， 抗傾覆裝置軌道罩33用于限制抗傾覆十字軸座34轉(zhuǎn)動的范圍，抗傾覆腳輪軸38套裝抗傾覆腳輪彈簧39后套接在抗傾覆長桿37末端的安裝孔內(nèi)，它可以在抗傾覆長桿37的限制下作平行于抗傾覆步進電機36軸線的彈性線性運動，抗傾覆腳輪40固接在抗傾覆腳輪軸38 上并伴隨抗傾覆腳輪軸38運動；該抗傾覆桿合成步進電機和抗傾覆十字軸座34的運動，可有效地防止機器人從壁面上傾覆?？箖A覆裝置機構(gòu)上安裝實時姿態(tài)傳感器，當(dāng)機器人的姿態(tài)發(fā)生變化時，傳感器將信號送給控制系統(tǒng)，信號經(jīng)過處理后，控制系統(tǒng)會控制抗傾覆步進電機36帶動抗傾覆長桿37繞傾覆十字軸42轉(zhuǎn)動，從而實時控制該抗傾覆裝置的抗傾覆長桿37與水平方向保持垂直。 如附圖9所示，超聲波探頭伺服移動裝置包括超聲波探傷模塊、探頭架43、橫向絲杠步進電機螺母44、橫向步進電機絲杠套45、縱向絲杠步進電機螺母46、橫向絲杠步進電機固定架47、連接架48、縱向步進電機絲杠套49、探頭超聲機械接口 50、探頭安裝座51、縱向絲杠步進電機固定架52、縱向絲杠步進電機53和橫向絲杠步進電機M，探頭安裝座51 和探頭機械接口 50都固接在機器人頭部的外殼上，縱向絲杠步進電機固定架52固接在探頭機械接口 50上，縱向絲杠步進電機53固接在縱向絲杠步進電機固定架52上，縱向絲杠步進電機螺母46安裝在縱向絲杠步進電機53上，縱向絲杠步進電機53的轉(zhuǎn)動可以轉(zhuǎn)換為縱向絲杠步進電機螺母46的線性運動，連接架48固接在縱向絲杠步進電機螺母46上，隨著縱向絲杠步進電機螺母46運動，并且連接了橫向絲杠步進電機固定架47。橫向絲杠步進電機M固接在橫向絲杠步進電機固定架47上，它同縱向絲杠步進電機53 —樣，是種電機輸出軸是絲杠的步進電機。橫向絲杠步進電機螺母44安裝在橫向絲杠步進電機M上， 將橫向絲杠步進電機討的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為橫向絲杠步進電機螺母44的線性運動。探頭架43 安裝在橫向絲杠步進電機螺母44上用于安裝超聲波探傷模塊，通過控制縱向絲杠步進電機53和橫向絲杠步進電機M就可以控制超聲波探傷模塊的運動，橫向步進電機絲杠套45 固接在橫向絲杠步進電機固定架47，用于限制橫向絲杠步進電機螺母44的運動，同樣，縱向步進電機絲杠套49固接在縱向絲杠步進電機固定架52上以限制縱向絲杠步進電機螺母 46的運動；當(dāng)超聲波探傷模塊檢測到罐體的故障點后，超聲波探傷模塊即可啟動超聲波探傷模塊自身的標(biāo)記裝置對故障點進行標(biāo)記，以便維護工作的進行。
權(quán)利要求1.基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，包括四個驅(qū)動單元(56)、四條鏈條履帶、載荷分散機構(gòu)(27)、抗傾覆裝置(58)、超聲波探頭伺服移動裝置(55)、機器人箱體外殼和控制系統(tǒng)；其特征在于四根鏈條履帶分別是左側(cè)主動鏈條履帶(62)、左側(cè)被動鏈條履帶、右側(cè)主動鏈條履帶、右側(cè)被動鏈條履帶，鏈條履帶上帶有磁條單元；整體連接關(guān)系為超聲波探頭伺服移動裝置(5 固接在機器人箱體外殼的前端；抗傾覆裝置(58)固接在機器人箱體外殼上，固接的位置是該裝置的重心位置；機器人箱體外殼的左右兩側(cè)面上各安裝兩個驅(qū)動單元(56)，但同側(cè)只有一個驅(qū)動單元安裝伺服電機(7)，左側(cè)主動鏈條履帶(6 和左側(cè)被動鏈條履帶前后并列安裝在機器人箱體外殼左側(cè)，右側(cè)主動鏈條履帶和右側(cè)被動鏈條履帶前后并列安裝在機器人箱體外殼右側(cè)，安裝伺服電機(7)兩個驅(qū)動單元 (56)分別與左側(cè)主動鏈條履帶(6 和右側(cè)主動鏈條履帶連接；每個載荷分散機構(gòu)(XT)安裝在每條鏈條履帶的內(nèi)側(cè)；控制系統(tǒng)分別放置在機器人箱體外殼內(nèi)，并與驅(qū)動單元(56)、 抗傾覆裝置(58)和超聲波探頭伺服移動裝置(55)相連接，其中，安裝伺服電機(7)的驅(qū)動單元(56)驅(qū)動同側(cè)的兩條前后并列安裝的鏈條履帶。
2.如權(quán)利要求1所述的基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，其特征在于所述機器人箱體外殼的殼身由外殼前側(cè)板(63)、外殼上蓋(60)、外殼后側(cè)板(64)和外殼下板(61)順序連接組成連續(xù)的環(huán)形結(jié)構(gòu)，殼身的左右兩側(cè)由外殼側(cè)板(57)封閉后構(gòu)成機器人箱體外殼。
3.如權(quán)利要求1所述的基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，其特征在于所述驅(qū)動單元包括碼盤(6)、伺服電機(7)、電機固定座(8)、短同步帶壓緊輪安裝裝置 (9)、長同步帶壓緊輪安裝架(68)、長同步帶壓緊輪(66)、履帶安裝內(nèi)板(10)、短同步帶壓緊輪(11)、主動履帶鏈輪(12)、從動履帶鏈輪(21)、履帶安裝外板(13)、短同步帶傳動機構(gòu)(14)、履帶鏈輪松緊調(diào)節(jié)機構(gòu)(15)、長同步帶輪(16)、支撐套(17)、轉(zhuǎn)軸套(18)、短同步帶⑵)和夾緊支柱0 ；碼盤(6)連接在伺服電機(7)的后部，伺服電機(7)與電機固定座(8)固接，電機固定座(8)固定在機器人箱體外殼上，支撐套(17)與電機固定座(8)及機器人箱體外殼固接，支撐套(17)通過軸承與轉(zhuǎn)軸套(18)相連接，轉(zhuǎn)軸套(18)通過軸承與電機軸相連接；轉(zhuǎn)軸套(18)繞電機軸相對于支撐套(17)轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸套(18)的轉(zhuǎn)動與電機軸的轉(zhuǎn)動互不影響，轉(zhuǎn)軸套(18)與履帶安裝內(nèi)板(10)固接；電機軸與短同步帶傳動機構(gòu) (14)的短同步帶(19)的同步帶輪固接，電機軸的轉(zhuǎn)動傳遞給短同步帶(19)，通過短同步帶傳動機構(gòu)(14)將電機軸的轉(zhuǎn)動傳遞給主動履帶鏈輪(1 ；同時，主動履帶鏈輪(1 和同步帶輪的軸與履帶安裝內(nèi)板(10)相連接，履帶安裝內(nèi)板(10)的轉(zhuǎn)動也傳遞給主動履帶鏈輪(12)，主動履帶鏈輪(1 的運動是履帶安裝內(nèi)板(10)與電機軸的合運動，主動履帶鏈輪(1 的運動通過鏈傳動傳遞給從動履帶鏈輪(21)，履帶鏈輪松緊調(diào)節(jié)機構(gòu)(1 安裝在履帶安裝內(nèi)板(10)的調(diào)節(jié)槽內(nèi)，短同步帶壓緊輪安裝裝置(9)固接在履帶安裝內(nèi)板(10) 上，短同步帶壓緊輪(11)連接在短同步帶壓緊輪安裝裝置(9)上以壓緊短同步帶傳動機構(gòu) (14)；夾緊支柱02)固接在履帶安裝內(nèi)板(10)和履帶安裝外板(13)之間，輔助夾緊短同步帶傳動機構(gòu)(14)對履帶安裝內(nèi)板(10)的轉(zhuǎn)動進行限制；履帶安裝外板(1 通過主動履帶鏈輪(1 和從動履帶鏈輪的軸及夾緊支柱0 與履帶安裝內(nèi)板(10)連接；長同步帶壓緊輪安裝架(68)安裝在外殼側(cè)板(63)的內(nèi)側(cè)，長同步帶壓緊輪(66)安裝在長同步帶壓緊輪安裝架(68)上用于壓緊長同步帶，與長同步帶輪(16)固聯(lián)的傳動軸也與伺服電機(7)的軸固聯(lián)，通過長同步帶將伺服電機(7)的運動傳遞到同側(cè)安裝的從動鏈條履帶上；與長同步帶輪(16)固聯(lián)的傳動軸同外殼側(cè)板(57)之間是通過兩組軸承實現(xiàn)差動。
4.如權(quán)利要求1所述的基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，其特征在于所述鏈條履帶由兩個以上的磁條單元0 并列連接成環(huán)形的履帶，磁條單元0 包括鏈條外鏈板(1)、隔磁板0)、外側(cè)軛鐵(3)、中間軛鐵⑷和磁條(5)，隔磁板⑵通過沉頭螺釘與鏈條外鏈板(1)相連，隔磁板( 又通過沉頭螺釘與外側(cè)軛鐵(3)、中間軛鐵(4)連接，外側(cè)軛鐵C3)位于一個磁條單元0 的外側(cè)并具有一個擋邊，中間軛鐵(4)具有兩個擋邊，外側(cè)軛鐵3和中間軛鐵(4)的擋邊之間固定磁條(5)；磁條單元05)外表面包覆一層用來保護和增大摩擦力的橡膠。
5.如權(quán)利要求4所述的基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，其特征在于所述一個磁條單元05)包含兩個以上的外側(cè)軛鐵(3)、中間軛鐵(4)和磁條(5)；其中外側(cè)軛鐵(3)的厚度是中間軛鐵的二分之一，相鄰磁條(5)的磁極相同。
6.如權(quán)利要求1所述的基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，其特征在于所述載荷分散機構(gòu)、2Τ)包括載荷分散軸(觀)、載荷分散彈簧( )、載荷分散輪(30)、載荷分散架(31)和載荷分散座(32)，載荷分散座(3 套裝在載荷分散軸08)上并固接在履帶安裝外板(1 上，載荷分散軸08)的下方套裝載荷分散彈簧(四)，載荷分散彈簧09) 與載荷分散座(3 抵觸連接，載荷分散軸08)的底端通過鉸鏈與載荷分散架(31)連接， 載荷分散軸08)能在載荷分散座(3 內(nèi)作有彈性的線性運動同時載荷分散架(31)能繞鉸鏈軸心轉(zhuǎn)動，為鏈條履帶分散載荷并保證鏈條履帶緊密貼合壁面；載荷分散輪(30)安裝在載荷分散架(31)上壓緊鏈條履帶。
7.如權(quán)利要求1所述的基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，其特征在于所述抗傾覆裝置(58)包括抗傾覆裝置軌道罩(33)、抗傾覆十字軸座(34)、抗傾覆步進電機座(35)、抗傾覆步進電機(36)、抗傾覆長桿(37)、抗傾覆腳輪軸(38)、抗傾覆腳輪彈簧(39)、抗傾覆腳輪(40)、抗傾覆短桿(41)、抗傾覆十字軸0 ；抗傾覆步進電機(36)固定在抗傾覆電機座(3 上，而抗傾覆電機座(3 固接在機器人箱體外殼上，抗傾覆十字軸 (42)固接在抗傾覆步進電機(36)的電機軸上，抗傾覆十字軸座(34)與抗傾覆十字軸G2) 相連接，抗傾覆十字軸座(34)能圍繞抗傾覆十字軸0 轉(zhuǎn)動；抗傾覆長桿(37)和抗傾覆短桿Gl)分別固接在抗傾覆十字軸座(34)上相對的兩端，抗傾覆裝置軌道罩(3 固接在機器人箱體外殼上并與抗傾覆短桿Gl)相接觸，抗傾覆裝置軌道罩(3 限制抗傾覆十字軸座(34)轉(zhuǎn)動的范圍，抗傾覆腳輪軸(38)套裝抗傾覆腳輪彈簧(39)后套接在抗傾覆長桿(37)末端的安裝孔內(nèi)，它可以在抗傾覆長桿(37)的限制下作平行于抗傾覆步進電機(36) 軸線的彈性線性運動，抗傾覆腳輪GO)固接在抗傾覆腳輪軸(38)上并伴隨抗傾覆腳輪軸(38)運動；抗傾覆裝置(58)上安裝實時姿態(tài)傳感器，當(dāng)機器人的姿態(tài)發(fā)生變化時，傳感器將信號送給控制系統(tǒng)，信號經(jīng)過處理后，控制系統(tǒng)會控制抗傾覆步進電機(36)帶動抗傾覆長桿(37)繞傾覆十字軸0 轉(zhuǎn)動，從而實時控制該抗傾覆裝置的抗傾覆長桿(37)與水平方向保持垂直。
8.如權(quán)利要求1所述的基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，其特征在于所述超聲波探頭伺服移動裝置包括超聲波探傷模塊、探頭架^幻、橫向絲杠步進電機螺母(44)、橫向步進電機絲杠套(45)、縱向絲杠步進電機螺母(46)、橫向絲杠步進電機固定架(47)、連接架(48)、縱向步進電機絲杠套(49)、探頭超聲機械接口(50)、探頭安裝座 (51)、縱向絲杠步進電機固定架(52)、縱向絲杠步進電機(5 和橫向絲杠步進電機64)， 探頭安裝座(51)和探頭機械接口(50)都固接在機器人頭部的外殼上，縱向絲杠步進電機固定架(5 固接在探頭機械接口(50)上，縱向絲杠步進電機(5 固接在縱向絲杠步進電機固定架(5 上，縱向絲杠步進電機螺母G6)安裝在縱向絲杠步進電機(5 上，縱向絲杠步進電機(5 的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為縱向絲杠步進電機螺母G6)的線性運動，連接架08)固接在縱向絲杠步進電機螺母G6)上，隨著縱向絲杠步進電機螺母G6)運動，并且連接了橫向絲杠步進電機固定架G7)；橫向絲杠步進電機(54)固接在橫向絲杠步進電機固定架G7) 上；橫向絲杠步進電機螺母G4)安裝在橫向絲杠步進電機(54)上，將橫向絲杠步進電機 (54)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為橫向絲杠步進電機螺母G4)的線性運動；探頭架安裝在橫向絲杠步進電機螺母G4)上用于安裝超聲波探傷模塊，通過控制縱向絲杠步進電機(5 和橫向絲杠步進電機(54)就可以控制超聲波探傷模塊的運動，橫向步進電機絲杠套0 固接在橫向絲杠步進電機固定架(47)，用于限制橫向絲杠步進電機螺母04)的運動，同樣，縱向步進電機絲杠套G9)固接在縱向絲杠步進電機固定架(5 上以限制縱向絲杠步進電機螺母G6)的運動；當(dāng)超聲波探傷模塊檢測到罐體的故障點后，超聲波探傷模塊即可啟動超聲波探傷模塊自身的標(biāo)記裝置對故障點進行標(biāo)記。
專利摘要本實用新型涉及一種基于壁虎運動肌體結(jié)構(gòu)形態(tài)仿生的壁面移動機器人，特別涉及一種用于高大的圓錐狀鋼塔或大型球罐等具有導(dǎo)磁性材料表面上快速移動且攜帶大負重作業(yè)的壁面移動機器人。本實用新型的壁面移動機器人是通過對壁虎運動肌體的結(jié)構(gòu)形態(tài)進行仿生演化而得出的，包括驅(qū)動單元、鏈條履帶、載荷分散機構(gòu)、抗傾覆裝置、超聲波探頭伺服移動裝置、機器人箱體外殼和控制系統(tǒng)；其中鏈條履帶具有相對轉(zhuǎn)動軸和多磁路磁條吸附單元；這種具有壁虎仿生形態(tài)結(jié)構(gòu)的機器人不但適合于平坦光滑的導(dǎo)磁性壁面上安全移動，而且還特別適合在各中帶有弧度的彎曲壁面上安全移動，并能完成相應(yīng)的作業(yè)，為高空作業(yè)提供了一種快速且大負重的自動運載工具。
文檔編號B62D57/024GK202115612SQ20112014106
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者戴福全, 王會彬, 邵潔, 高學(xué)山 申請人:北京理工大學(xué)