本發(fā)明屬于攀爬機(jī)器人設(shè)備領(lǐng)域，更具體地，涉及一種越障爬壁機(jī)器人，其能夠?qū)崿F(xiàn)墻壁和窗框的越障功能。

背景技術(shù)：

隨著城市的發(fā)展，越來(lái)越多的高樓林立，攀爬機(jī)器人逐漸為人們所需，目前市場(chǎng)上已經(jīng)存在的攀爬機(jī)器人大多只能實(shí)現(xiàn)普通平坦墻面的行走，市場(chǎng)上并沒(méi)有可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)垂直和外垂直面越障功能的機(jī)器人。

由于存在上述缺陷和不足，本領(lǐng)域亟需做出進(jìn)一步的完善和改進(jìn)，設(shè)計(jì)一種可以爬壁和窗框的越障爬壁機(jī)器人，使其能夠多方向行走且能翻越內(nèi)外九十度的墻面，以便各個(gè)攀爬領(lǐng)域的使用需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種越障爬壁機(jī)器人，該越障攀爬機(jī)器人在現(xiàn)有的爬墻基礎(chǔ)上，利用車(chē)體上負(fù)壓腔吸附在墻面上，利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的雙向輪實(shí)現(xiàn)雙向行走，同時(shí)利用三自由度的機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的換面，即可實(shí)現(xiàn)車(chē)體在內(nèi)外垂直面上的換面運(yùn)動(dòng)以及翻越如窗框一類的障礙物，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的攀爬功能。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種越障爬壁機(jī)器人，其特征在于，該裝置為分體式結(jié)構(gòu)，其包括左車(chē)體、中車(chē)體和右車(chē)體，

其中，所述左車(chē)體與中車(chē)體之間設(shè)置有左機(jī)械臂，所述右車(chē)體與中車(chē)體之間設(shè)置有右機(jī)械臂，車(chē)體和機(jī)械臂之間鉸接，所述左機(jī)械臂和右機(jī)械臂方向相反且均能夠繞鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)車(chē)體翻轉(zhuǎn)，

所述左車(chē)體包括依次設(shè)置在車(chē)體上的左雙向輪、電機(jī)和負(fù)壓裝置，所述右車(chē)體上的結(jié)構(gòu)設(shè)置與左車(chē)體呈左右對(duì)稱設(shè)置，所述右車(chē)體包括依次設(shè)置在車(chē)體上的右雙向輪、電機(jī)和負(fù)壓裝置，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述左右雙向輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多方向運(yùn)動(dòng)，所述中車(chē)體的車(chē)體上設(shè)置有負(fù)壓裝置。

進(jìn)一步優(yōu)選地，所述左機(jī)械臂和右機(jī)械臂為結(jié)構(gòu)相同的機(jī)械臂，上述機(jī)械臂包括左右安裝架，所述左右安裝架之間依次同軸安裝有驅(qū)動(dòng)齒輪、兩塊同步帶輪機(jī)械臂的一端和帶動(dòng)臂的一端，所述兩塊同步帶輪機(jī)械臂之間還設(shè)置有同步帶輪，該同步帶輪由被動(dòng)齒輪同軸驅(qū)動(dòng)，所述被動(dòng)齒輪與安裝在左安裝架上的驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，所述同步帶輪機(jī)械臂和帶動(dòng)臂呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其遠(yuǎn)離左右安裝架的一端可繞安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)。較多的比較試驗(yàn)表明，該機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)置，使其具有三個(gè)自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械臂在前進(jìn)過(guò)程中的擺動(dòng)轉(zhuǎn)面，從而帶動(dòng)整個(gè)車(chē)體的轉(zhuǎn)面，可以越過(guò)內(nèi)外九十度的障礙物。

優(yōu)選地，所述機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為0～180°，且該機(jī)械臂采用尼龍板材質(zhì)。采用大角度的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，能夠適應(yīng)不同障礙物的角度，實(shí)現(xiàn)車(chē)體的順利轉(zhuǎn)面。而機(jī)械臂采用尼龍板材質(zhì)，降低無(wú)潤(rùn)滑狀況下的關(guān)節(jié)摩擦力。

優(yōu)選地，所述負(fù)壓裝置包括底板、設(shè)置在底板上的風(fēng)機(jī)和用于固定風(fēng)機(jī)的風(fēng)機(jī)支撐架，所述底板中間有一孔洞，該底板下方設(shè)置有密封條，該密封條設(shè)置在孔洞周?chē)?，從而密封條與底板之間形成負(fù)壓腔。較多的比較試驗(yàn)表明，采用風(fēng)機(jī)來(lái)形成負(fù)壓腔，利用負(fù)壓腔實(shí)現(xiàn)機(jī)器在豎直墻面上穩(wěn)定的吸附。

優(yōu)選地，所述固定風(fēng)機(jī)采用220V三相雙極風(fēng)機(jī)，所述密封條為光滑的塑料硬膜、或?yàn)樗芰嫌材づc多毛密封條的組合。較多的比較試驗(yàn)表明，采用220V三相雙極風(fēng)機(jī)作為負(fù)壓強(qiáng)的抽氣裝置，能夠提高負(fù)壓腔的真空度，防止車(chē)體側(cè)翻。而采用光滑的塑料硬膜，或塑料硬膜與多毛密封條的組合作為負(fù)壓腔的密封結(jié)構(gòu)，能夠減少泄漏氣流，提高真空度，增強(qiáng)機(jī)器在墻面上行走的穩(wěn)定性。

優(yōu)選地，所述左右雙向輪結(jié)構(gòu)相同，均包括側(cè)輪轂、膠輪對(duì)、安裝架和中間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所述側(cè)輪轂的周向上均勻設(shè)置有多個(gè)安裝架，在每個(gè)安裝架上均可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝有一膠輪對(duì)，所述膠輪對(duì)相對(duì)設(shè)置在安裝架的兩側(cè)，相鄰安裝架上的膠輪對(duì)錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，且每組膠輪對(duì)的底部均與安裝架中的中間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，通過(guò)中間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)膠輪對(duì)運(yùn)動(dòng)。采用該結(jié)構(gòu)的雙向輪可以盡可能少地使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)只用兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙向輪實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng),具有良好的行走效果，能靈活自由地向徑向或軸向移動(dòng)。

優(yōu)選地，中間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括第一斜齒輪、第二斜齒輪和主斜齒，所述第一斜齒輪與第二斜齒輪均安裝在安裝架上且相互嚙合,所述第一斜齒輪帶動(dòng)膠輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所述第二斜齒輪與主斜齒嚙合。利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的雙向輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器的任意方向的運(yùn)動(dòng)。

優(yōu)選地，所述膠輪對(duì)為PU聚氨酯材質(zhì)，第一斜齒輪、第二斜齒輪和主斜齒均選用7075鋁材質(zhì)，車(chē)體采用碳纖維材質(zhì)。車(chē)體采用碳纖維材質(zhì)，減輕車(chē)體重量，增加車(chē)體強(qiáng)度。齒輪選用7075鋁材質(zhì)，減小磨損，增加耐用度。雙向輪輪胎為PU聚氨酯材質(zhì)，增強(qiáng)在濕滑玻璃表面的摩擦，減小打滑的幾率。

優(yōu)選地，該機(jī)器人還包括供電模塊、直流減速電機(jī)模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋模塊、MCU處理模塊、通信模塊、圖像采集模塊和上位機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制。采用STM32最小系統(tǒng)板，實(shí)現(xiàn)最小成本的電氣控制自動(dòng)化。采用NRF2L401作為無(wú)線通信模塊，小成本地實(shí)現(xiàn)通訊距離遠(yuǎn)，傳輸速率快。采用USB-NRF24L01，方便上位機(jī)獲取圖像及車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)車(chē)的實(shí)時(shí)控制。

該機(jī)器人還包括基礎(chǔ)車(chē)架來(lái)承載左車(chē)體、中車(chē)體和右車(chē)體，以實(shí)現(xiàn)越障爬壁機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行。

具體地，本發(fā)明的越障爬壁機(jī)器人的工作原理和過(guò)程為：先確保各通道連接正常，合上主電源開(kāi)關(guān)。將車(chē)體放在內(nèi)九十度墻體的一面。打開(kāi)三個(gè)負(fù)壓腔的開(kāi)關(guān)，使機(jī)器穩(wěn)定的吸附在豎直墻面上，同時(shí)通過(guò)左雙向輪和右雙向輪在墻面上行走，當(dāng)中車(chē)體前方的感應(yīng)模塊感應(yīng)到前方的墻面時(shí)，左車(chē)體上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)同步帶輪傳動(dòng)，使得同步帶輪機(jī)械臂和帶動(dòng)臂成一定的角度，進(jìn)而使左車(chē)體與中車(chē)體的地面成九十度，右車(chē)體上的右雙向輪成為整個(gè)車(chē)體運(yùn)動(dòng)的主驅(qū)動(dòng)輪，車(chē)體向前行駛，是的左車(chē)體上的負(fù)壓腔穩(wěn)定吸附于與其行走平面垂直且呈90度角的墻面上，類似地，將右車(chē)體也吸附于豎直墻面上。最后通過(guò)左右機(jī)械臂使中車(chē)體經(jīng)過(guò)翻轉(zhuǎn)后穩(wěn)定吸附于墻面上。至此，車(chē)體轉(zhuǎn)面工作即已完成。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明的越障爬壁機(jī)器人在現(xiàn)有的爬墻基礎(chǔ)上，利用車(chē)體上負(fù)壓腔吸附在墻面上，利用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的雙向輪實(shí)現(xiàn)雙向行走，同時(shí)利用三自由度的機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的換面，即可實(shí)現(xiàn)車(chē)體在內(nèi)外垂直面上的換面運(yùn)動(dòng)以及翻越如窗框一類的障礙物，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的攀爬功能。

(2)本發(fā)明的機(jī)器人通過(guò)采用負(fù)壓裝置，通過(guò)采用風(fēng)機(jī)和密封條解決了機(jī)器人在越障過(guò)程中吸附力較低的問(wèn)題，利用負(fù)壓腔實(shí)現(xiàn)機(jī)器在豎直墻面上穩(wěn)定的吸附。

(3)本發(fā)明的機(jī)器人設(shè)置可以轉(zhuǎn)動(dòng)的左右機(jī)械臂，通過(guò)機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)車(chē)體翻面，從而解決了一般機(jī)器人在內(nèi)外九十度墻面難以轉(zhuǎn)換的問(wèn)題；

(4)本發(fā)明的機(jī)器人采用的左右雙向輪通過(guò)設(shè)置在安裝架上的數(shù)對(duì)膠輪對(duì)，通過(guò)兩個(gè)輪子即可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多方向的行走，進(jìn)而帶動(dòng)車(chē)體運(yùn)動(dòng)，盡可能少地使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)只用兩臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙向輪實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng),解決了傳統(tǒng)的兩輪多方向行走問(wèn)題，具有良好的行走效果，且簡(jiǎn)化了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和重量，降低了制造成本。

(5)本發(fā)明的越障爬壁機(jī)器人可以使機(jī)器通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)反饋工作狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器的實(shí)時(shí)控制；還可以搭載多種任務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。該機(jī)器人還具有體積小巧、越障功能強(qiáng)大、成本低廉、易加工制造等優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模推廣使用。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的越障爬壁機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明的越障爬壁機(jī)器人的負(fù)壓裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明的越障爬壁機(jī)器人的雙向輪的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是雙向輪中的中間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的越障爬壁機(jī)器人的機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

11-風(fēng)機(jī)；12-風(fēng)機(jī)支撐架；13-負(fù)壓腔；14-密封條；15-底板；21-膠輪對(duì)；22-安裝架；23-側(cè)輪轂；3-中間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；31-第一斜齒輪；32-第二斜齒輪；33-主斜齒；41-左安裝架；42-驅(qū)動(dòng)齒輪；43-被動(dòng)齒輪；44-同步帶輪機(jī)械臂；45-帶動(dòng)臂；46-右安裝架；47-同步帶輪；51-左車(chē)體；52-中車(chē)體；53-右車(chē)體；54-左雙向輪；55-右雙向輪；56-左機(jī)械臂；57-右機(jī)械臂；58-電機(jī)；59-負(fù)壓裝置。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

圖1是本發(fā)明的越障爬壁機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該機(jī)器人為分體式結(jié)構(gòu)，其包括左車(chē)體51、中車(chē)體52和右車(chē)體53，

其中，所述左車(chē)體51與中車(chē)體52之間設(shè)置有左機(jī)械臂56，所述右車(chē)體53與中車(chē)體52之間設(shè)置有右機(jī)械臂57，車(chē)體和機(jī)械臂之間鉸接，所述左機(jī)械臂56和右機(jī)械臂57方向相反且均能夠繞鉸接軸轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)車(chē)體翻轉(zhuǎn)，

所述左車(chē)體51包括依次設(shè)置在車(chē)體上的左雙向輪54、電機(jī)58和負(fù)壓裝置59，所述右車(chē)體53上的結(jié)構(gòu)設(shè)置與左車(chē)體51呈左右對(duì)稱設(shè)置，所述右車(chē)體53包括依次設(shè)置在車(chē)體上的右雙向輪55、電機(jī)58和負(fù)壓裝置59，所述電機(jī)58驅(qū)動(dòng)所述左右雙向輪實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的多方向運(yùn)動(dòng)，所述中車(chē)體52的車(chē)體上設(shè)置有負(fù)壓裝置。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖3所示，所述左機(jī)械臂56和右機(jī)械臂57為結(jié)構(gòu)相同的機(jī)械臂，上述機(jī)械臂包括左右安裝架，所述左右安裝架之間依次同軸安裝有驅(qū)動(dòng)齒輪、兩塊同步帶輪機(jī)械臂44的一端和帶動(dòng)臂45的一端，所述兩塊同步帶輪機(jī)械臂44之間還設(shè)置有同步帶輪47，該同步帶輪47由被動(dòng)齒輪43同軸驅(qū)動(dòng)，所述被動(dòng)齒輪43與安裝在左安裝架41上的驅(qū)動(dòng)齒輪42嚙合，所述同步帶輪機(jī)械臂44和帶動(dòng)臂45呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其遠(yuǎn)離左右安裝架的一端可繞安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)。在其他實(shí)施例中，所述機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為0～180°，且該機(jī)械臂采用尼龍板材質(zhì)。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖2所示，所述負(fù)壓裝置包括底板15、設(shè)置在底板上的風(fēng)機(jī)11和用于固定風(fēng)機(jī)11的風(fēng)機(jī)支撐架12，所述底板15中間有一孔洞，該底板15下方設(shè)置有密封條14，該密封條14設(shè)置在孔洞周?chē)?，從而密封條與底板15之間形成負(fù)壓腔。所述密封條14可以為光滑的塑料硬膜、或?yàn)樗芰嫌材づc多毛密封條的組合。

在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖4所示，所述左右雙向輪結(jié)構(gòu)相同，均包括側(cè)輪轂23、膠輪對(duì)21、安裝架22和中間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3，所述側(cè)輪轂23的周向上均勻設(shè)置有多個(gè)安裝架22，在每個(gè)安裝架22上均可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝有一膠輪對(duì)21，所述膠輪對(duì)21相對(duì)設(shè)置在安裝架22的兩側(cè)，相鄰安裝架22上的膠輪對(duì)21錯(cuò)開(kāi)設(shè)置，且每組膠輪對(duì)21的底部均與安裝架中的中間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3連接，通過(guò)中間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3帶動(dòng)膠輪對(duì)21運(yùn)動(dòng)。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，如圖5所示，中間齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)3包括第一斜齒輪31、第二斜齒輪32和主斜齒33，所述第一斜齒輪31與第二斜齒輪32均安裝在安裝架22上且相互嚙合,所述第一斜齒輪32帶動(dòng)膠輪對(duì)21轉(zhuǎn)動(dòng)，所述第二斜齒輪32與主斜齒33嚙合。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述膠輪對(duì)21為PU聚氨酯材質(zhì)，第一斜齒輪32、第二斜齒輪32和主斜齒33均選用7075鋁材質(zhì)，車(chē)體采用碳纖維材質(zhì)。

在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該機(jī)器人還包括供電模塊、直流減速電機(jī)模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋模塊、MCU處理模塊、通信模塊、圖像采集模塊和上位機(jī)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制?？梢岳斫猓诰唧w的實(shí)施例中，系統(tǒng)板可以采用STM32最小系統(tǒng)板，無(wú)線通信模塊可采用NRF2L401作為無(wú)線通信模塊，圖像采集模塊可采用USB-NRF24L01。

該機(jī)器人還包括基礎(chǔ)車(chē)架來(lái)承載左車(chē)體51、中車(chē)體52和右車(chē)體53，以實(shí)現(xiàn)越障爬壁機(jī)器人的平穩(wěn)運(yùn)行。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。