一种可转向的四足爬壁机器人装置及使用方法

1.本发明涉及爬壁机器人技术领域，具体为一种可转向的四足爬壁机器人装置及使用方法。


背景技术：

2.爬壁机器人是一种极限作业机器人，在高空环境和极限环境中，爬壁机器人代替人工工作能够有效地降低高危作业的存在的风险、提高工作效率、降低成本花费，在船舶业、核工业以及消防和清洗除锈等领域都有着广阔的应用前景。
3.爬壁机器人的工作场所主要集中于垂直或倾斜墙面。为了能在倾斜的壁面上工作，爬壁机器人均具有墙壁吸附和方向移动两个基本功能。爬壁机器人的吸附方式有多种，具体可以分为负压吸附、磁力吸附、推力吸附和仿生吸附。吸附方式不同，其应用场合和特点也存在着明显的差别，负压吸附方式中又可以分为单吸盘方式和多吸盘方式，单吸盘负压吸附结构简单，但其整体机构的越障能力较差；多吸盘负压吸附移动能力上有所加强，但机械结构却比较复杂，因为结构的增加导致其重量也较大；磁吸附式爬壁机器人的工作场所是磁性壁面，应用环境有很大的限制；推力式爬壁机器人应用范围较广，但其本身自带的螺旋桨或风扇在使用过程中噪声较大；仿生爬壁机器人其特点是在工作时模仿壁虎的吸附机理，虽然在使用过程中能耗较小但对整体结构的要求较高。爬壁机器人移动方式主要有履带式、轮式、框架式、足式。履带式爬壁机器人工作中移动行进稳定，但其控制方式较难；轮式爬壁机器人通过轮足进行移动行进，具有灵活迅速的特点，但越障性能不理想；框架式爬壁机器人控制简单，但运动时有间断不能连续。
4.现有的爬壁机器人步行机构结构复杂，需要多组机构协同作业才能完成一组运动，其结构复杂导致维修成本和生产成本较高，且结构的稳定性较差。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种可转向的四足爬壁机器人装置及使用方法，结构简单，成本较低。
6.本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种可转向的四足爬壁机器人装置，包括转向机构和设置于转向机构侧部的多个爬行支腿；
8.所述多个爬行支腿均包括腿部机架，所述腿部机架上端靠近转向机构的一端设置有第一电机，底部水平设置有导向杆；所述第一电机输出端连接有曲柄行进机构，所述曲柄行进机构包括依次铰接的曲柄、连杆和滑动杆，所述滑动杆一侧设置有与导向杆滑动连接的连接卡板，另一侧设置有软管，底部设置有吸盘，顶部铰接连杆，且滑动杆与连接卡板竖直滑动连接；
9.所述腿部机架均相互平行设置，所述转向机构和爬行支腿均连接有中央处理器。
10.进一步的，所述软管靠近转向机构的区域为螺旋结构。
11.进一步的，所述转向机构包括上盖和下盖，所述上盖和下盖之间同轴设置有第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构和第二驱动机构最少连接有呈对角设置的两个爬行支腿，且所述第一驱动机构和第二驱动机构之间设置有离合器结构。
12.进一步的，所述第一驱动机构包括相互啮合的第一行星轮、第一太阳轮和第二行星轮，还包括与第一行星轮或第二行星轮传动连接的第二电机，以及与上盖和第一太阳轮固定连接的第一转动臂，所述第一转动臂上可旋连接有第一行星轮；
13.所述第二驱动机构包括相互啮合的第三行星轮、第二太阳轮和第四行星轮，还包括与第三行星轮或第四行星轮传动连接的第三电机，以及与下盖和第二太阳轮固定连接的第二转动臂，所述第二转动臂上可旋连接有第三行星轮和第四行星轮；
14.所述第一太阳轮和第二太阳轮之间设置有离合器结构。
15.进一步的，所述上盖、第一太阳轮、第二太阳轮和下盖轴心依次贯穿有同一中央支柱；中央支柱外壁套设有中央支撑套筒，所述中央支撑套筒上下两端分别贯穿第一太阳轮和第二太阳轮且分别固接于上盖和下盖上。
16.进一步的，所述第一转动臂和第二转动臂自由端均固定连接有爬行支腿；所述上盖和下盖分别设置有负压气泵，所述负压气泵分别接入对应第一转动臂或第二转动臂自由端的爬行支腿上，并接通吸盘。
17.进一步的，所述第一转动臂和第二转动臂均包括支撑环和一体式设置于支撑环两侧的支撑臂；
18.所述第一转动臂和第二转动臂的支撑环分别卡接于中央支撑套筒上下两端，支撑臂分别通过紧固螺钉依次固定连接上盖和第一太阳轮或下盖和第二太阳轮。
19.进一步的，所述述中央支撑套筒为两个一侧壁相接设置，且另一侧壁相间设置的空心半圆体结构，相间设置的区域设置有离合器结构。
20.进一步的，所述中央支撑套筒侧壁固接有离合器结构；
21.所述离合器结构包括沿竖直高度间隔设置的两个离合支撑，两个离合支撑之间固定连接有第四电机，第四电机输出端固定设置有凸轮，两个离合支撑靠近凸轮的一端均分别竖直滑动设置有相互远离的推杆摩擦盘，所述推杆摩擦盘的竖直滑动最大距离等于大于其与相邻上盖或下盖的距离。
22.一种可转向的四足爬壁机器人装置的使用方法，包括以下步骤：
23.在前进或后退时：第一电机启动并带动曲柄旋转，连杆在腿部机架的滑槽内水平滑动，同时连杆带动滑动杆在连接卡板的作用下沿导向杆的方向滑动，此时滑动杆做水平向的前后运动，并由于曲柄的转动和铰接的连杆的作用，同时做上下运动，完成单个爬行支腿的抬起和前进或后退；
24.在转向时，抬起互成对角设置的两个爬行支腿，启动转向机构使得抬起的两个爬行支腿完成半程转向；抬起另一对互成对角设置的两个爬行支腿，启动转向机构使得另一对抬起的两个爬行支腿完成剩余半程转向，完成一次转向。
25.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
26.本发明提供一种可转向的四足爬壁机器人装置及使用方法，包括转向机构和设置于转向机构侧部的多个爬行支腿；多个爬行支腿均包括腿部机架，腿部机架上端靠近转向机构的一端设置有第一电机，底部水平设置有导向杆；第一电机输出端连接有曲柄行进机
构，曲柄行进机构包括依次铰接的曲柄、连杆和滑动杆，滑动杆一侧设置有与导向杆滑动连接的连接卡板，另一侧设置有软管，底部设置有吸盘，顶部铰接连杆，且滑动杆与连接卡板竖直滑动连接；腿部机架均相互平行设置，转向机构和爬行支腿均连接有中央处理器；本技术爬行支腿结构简单，稳定性强，能够满足爬壁行进的需求，生产和维护成本低。
附图说明
27.图1为本发明一种可转向的四足爬壁机器人装置结构示意图；
28.图2为本发明离合器结构局部放大图；
29.图3为本发明离合器结构示意图；
30.图4为本发明转向机构结构示意图；
31.图5为本发明爬行支腿结构示意图；
32.图6为本发明爬行支腿结构侧视图；
33.图7为本发明爬行支腿吸盘和软管连接结构示意图。
34.图中：1、第二转动臂；2、第二电机；3、上盖；5、负压气泵；7、第一转动臂；8、连杆；9、滑动杆；13、下盖；14、第一行星轮；15、第一太阳轮；16、第二行星轮；21、吸盘；24、软管；26、曲柄；28、第一电机；31、卡环；32、中央支撑套筒；33、中央支柱；34、凸轮；35、推杆摩擦盘；36、第四电机；37、离合支撑；39、导向杆；41、管接头；42、密封垫圈；44、连接卡板；45、腿部机架；46、销；53、支撑环；54、支撑臂；140、第三行星轮；150、第二太阳轮；160、四行星轮；200、第三电机；
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
36.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
37.需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它步骤或单元。
38.本发明提供一种可转向的四足爬壁机器人装置，如图1、图5和图6所示，包括转向机构和设置于转向机构侧部的多个爬行支腿；
39.所述多个爬行支腿均包括腿部机架45，所述腿部机架45上端靠近转向机构的一端设置有第一电机28，底部水平设置有导向杆39；所述第一电机28输出端连接有曲柄行进机
构，所述曲柄行进机构包括依次铰接的曲柄26、连杆8和滑动杆9，所述滑动杆9一侧设置有与导向杆39滑动连接的连接卡板44，另一侧设置有软管24，底部设置有吸盘21，顶部铰接连杆8，且滑动杆9与连接卡板44竖直滑动连接；进一步的，所述腿部机架45上还水平设置有滑槽，连杆8侧壁设置有与滑槽相配合的销46；
40.所述腿部机架45均相互平行设置，所述转向机构和爬行支腿均连接有中央处理器，具体的，所述中央处理器采用arduino mega 2560主控板。
41.优选的，所述软管24靠近转向机构的区域为螺旋结构，用于缓冲爬行机构运动过程中产生的相对位移，防止软管24拉坏等情况。
42.优选的，如图4所示，所述转向机构包括上盖3和下盖13，所述上盖3和下盖13之间同轴设置有第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构和第二驱动机构最少连接有呈对角设置的两个爬行支腿，且所述第一驱动机构和第二驱动机构之间设置有离合器结构。
43.进一步的，如图2所示，所述第一驱动机构包括相互啮合的第一行星轮14、第一太阳轮15和第二行星轮16，还包括与第一行星轮14或第二行星轮16传动连接的第二电机2，以及与上盖3和第一太阳轮15固定连接的第一转动臂7，所述第一转动臂7上可旋连接有第一行星轮14；需要说明的是，所述第二电机2输出端设置有锥齿轮，第一行星轮14或第二行星轮16底部设置有与第二电机2输出端锥齿轮相啮合的锥齿轮，完成动能传递；
44.所述第二驱动机构包括相互啮合的第三行星轮140、第二太阳轮150和第四行星轮160，还包括与第三行星轮140或第四行星轮160传动连接的第三电机200，以及与下盖13和第二太阳轮150固定连接的第二转动臂1，所述第二转动臂1上可旋连接有第三行星轮140和第四行星轮160；需要说明的是，所述第三电机200输出端设置有锥齿轮，第三行星轮150或第四行星轮160底部设置有与第三电机200输出端锥齿轮相啮合的锥齿轮，完成动能传递；
45.所述第一太阳轮15和第二太阳轮150之间设置有离合器结构。
46.进一步的，所述上盖3、第一太阳轮15、第二太阳轮150和下盖13轴心依次贯穿有同一中央支柱33；中央支柱33外壁套设有中央支撑套筒32，所述中央支撑套筒32上下两端分别贯穿第一太阳轮15和第二太阳轮150且分别固接于上盖3和下盖13上。
47.进一步的，所述第一转动臂7和第二转动臂1自由端均固定连接有爬行支腿；所述上盖3和下盖13分别设置有负压气泵5，所述负压气泵5分别接入对应第一转动臂7或第二转动臂1自由端的爬行支腿上，并接通吸盘21，如图7所示，吸盘21和滑动杆9之间设置有进气腔体结构，其侧壁设置有进气口和密封垫圈42，所述进气口经管接头41密封连接软管24。
48.进一步的，如图2所示，所述第一转动臂7和第二转动臂1均包括支撑环53和一体式设置于支撑环53两侧的支撑臂54；
49.所述第一转动臂7和第二转动臂1的支撑环53分别卡接于中央支撑套筒32上下两端，支撑臂54分别通过紧固螺钉依次固定连接上盖3和第一太阳轮15或下盖13和第二太阳轮150。
50.进一步的，所述述中央支撑套筒32为两个一侧壁相接设置，且另一侧壁相间设置的空心半圆体结构，相间设置的区域设置有离合器结构，且其顶部通过卡环31连接，离合器机构通过紧固螺钉可拆卸的连接于央支撑套筒32侧壁上。
51.进一步的，如图3所示，所述中央支撑套筒32侧壁固接有离合器结构；所述离合器
结构包括沿竖直高度间隔设置的两个离合支撑37，两个离合支撑37之间固定连接有第四电机36，第四电机36输出端固定设置有凸轮34，两个离合支撑37靠近凸轮34的一端均分别竖直滑动设置有相互远离的推杆摩擦盘35，所述推杆摩擦盘35的竖直滑动最大距离等于大于其与相邻上盖3或下盖13的距离。
52.优选的，所述导向杆39为两根，且均与连接卡板44滑动连接。
53.本发明在前进或后退时，第一电机28启动并带动曲柄26旋转，连杆8的销46在腿部机架45的滑槽内水平滑动，同时连杆8带动滑动杆9在连接卡板44的作用下沿导向杆39的方向滑动，此时滑动杆9做水平向的前后运动，并由于曲柄26的转动和铰接的连杆8的作用，同时做上下运动，完成单个爬行支腿的抬起和前进或后退，其前进或后退取决于第一电机28的转动方向，本领域技术人员可以对其进行设定；同时，需要说明的是，互为对角设置的两个爬行支腿抬起和前进或后退过程需保持一致，另外两个互为对角设置的两个爬行支腿为支撑作用，保证运动爬行支腿能够完成前进或后退；再进一步的，所述曲柄26的长度决定爬行支腿的竖直抬起高度，连杆8的长度决定爬行支腿的水平向移动距离，本领域技术人员可以根据实际的生产需要对其进行设置。
54.本发明提供一种可转向的四足爬壁机器人装置的使用方法，包括以下步骤：
55.在前进或后退时：第一电机28启动并带动曲柄26旋转，连杆8在腿部机架45的滑槽内水平滑动，同时连杆8带动滑动杆9在连接卡板44的作用下沿导向杆39的方向滑动，此时滑动杆9做水平向的前后运动，并由于曲柄26的转动和铰接的连杆8的作用，同时做上下运动，完成单个爬行支腿的抬起和前进或后退；
56.在转向时，抬起互成对角设置的两个爬行支腿，启动转向机构使得抬起的两个爬行支腿完成半程转向；抬起另一对互成对角设置的两个爬行支腿，启动转向机构使得另一对抬起的两个爬行支腿完成剩余半程转向，完成一次转向。
57.具体的，转向机构中的第一驱动机构和第二驱动机构分别控制互为对角设置的两个爬行支腿的转向，当需要转向九十度时，第一驱动机构和第二驱动机构分别完成四十五度角度的转向，进而实现其转向功能；具体的，当第一驱动机构在转向时，第二电机2启动并电动第一行星轮14转动，第一行星轮14依次带动第一太阳轮15和第二行星轮16转动，此时，第一转动臂7与第一太阳轮15保持相同的转动方向，开始转动45度，完成半程转动，需要注意的是，在此过程之前，需要抬起第一转动臂7自由端分别连接的两个爬行支腿，当完成半程转动时，需要落下第一转动臂7自由端分别连接的两个爬行支腿，用于支撑整体机构；进一步的，在第一驱动机构转向的过程中，离合器结构中的第四电机36启动，并使得凸轮34长端抵接靠近第二驱动机构一侧的推杆摩擦盘35，使得推杆摩擦盘35的止抵端抵接第二驱动机构中的第二太阳轮，通过摩擦力，防止其产生转动，进而可以实现精准的转向；第二驱动机构的转向过程如第一驱动机构一致，仅需启动其对应的相关构件即可完成预设九十度的转向过程。
58.需要进一步说明的是，本技术中的负压气泵5为一直开启状态，也可根据对应爬行支腿的运动进行间歇式开启。
59.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等
同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种可转向的四足爬壁机器人装置，其特征在于，包括转向机构和设置于转向机构侧部的多个爬行支腿；所述多个爬行支腿均包括腿部机架(45)，所述腿部机架(45)上端靠近转向机构的一端设置有第一电机(28)，底部水平设置有导向杆(39)；所述第一电机(28)输出端连接有曲柄行进机构，所述曲柄行进机构包括依次铰接的曲柄(26)、连杆(8)和滑动杆(9)，所述滑动杆(9)一侧设置有与导向杆(39)滑动连接的连接卡板(44)，另一侧设置有软管(24)，底部设置有吸盘(21)，顶部铰接连杆(8)，且滑动杆(9)与连接卡板(44)竖直滑动连接；所述腿部机架(45)均相互平行设置，所述转向机构和爬行支腿均连接有中央处理器。2.根据权利要求1所述一种可转向的四足爬壁机器人装置，其特征在于，所述软管(24)靠近转向机构的区域为螺旋结构。3.根据权利要求1所述一种可转向的四足爬壁机器人装置，其特征在于，所述转向机构包括上盖(3)和下盖(13)，所述上盖(3)和下盖(13)之间同轴设置有第一驱动机构和第二驱动机构，所述第一驱动机构和第二驱动机构最少连接有呈对角设置的两个爬行支腿，且所述第一驱动机构和第二驱动机构之间设置有离合器结构。4.根据权利要求3所述一种可转向的四足爬壁机器人装置，其特征在于，所述第一驱动机构包括相互啮合的第一行星轮(14)、第一太阳轮(15)和第二行星轮(16)，还包括与第一行星轮(14)或第二行星轮(16)传动连接的第二电机(2)，以及与上盖(3)和第一太阳轮(15)固定连接的第一转动臂(7)，所述第一转动臂(7)上可旋连接有第一行星轮(14)；所述第二驱动机构包括相互啮合的第三行星轮(140)、第二太阳轮(150)和第四行星轮(160)，还包括与第三行星轮(140)或第四行星轮(160)传动连接的第三电机(200)，以及与下盖(13)和第二太阳轮(150)固定连接的第二转动臂(1)，所述第二转动臂(1)上可旋连接有第三行星轮(140)和第四行星轮(160)；所述第一太阳轮(15)和第二太阳轮(150)之间设置有离合器结构。5.根据权利要求4所述一种可转向的四足爬壁机器人装置，其特征在于，所述上盖(3)、第一太阳轮(15)、第二太阳轮(150)和下盖(13)轴心依次贯穿有同一中央支柱(33)；中央支柱(33)外壁套设有中央支撑套筒(32)，所述中央支撑套筒(32)上下两端分别贯穿第一太阳轮(15)和第二太阳轮(150)且分别固接于上盖(3)和下盖(13)上。6.根据权利要求4所述一种可转向的四足爬壁机器人装置，其特征在于，所述第一转动臂(7)和第二转动臂(1)自由端均固定连接有爬行支腿；所述上盖(3)和下盖(13)分别设置有负压气泵(5)，所述负压气泵(5)分别接入对应第一转动臂(7)或第二转动臂(1)自由端的爬行支腿上，并接通吸盘(21)。7.根据权利要求4所述一种可转向的四足爬壁机器人装置，其特征在于，所述第一转动臂(7)和第二转动臂(1)均包括支撑环(53)和一体式设置于支撑环(53)两侧的支撑臂(54)；所述第一转动臂(7)和第二转动臂(1)的支撑环(53)分别卡接于中央支撑套筒(32)上下两端，支撑臂(54)分别通过紧固螺钉依次固定连接上盖(3)和第一太阳轮(15)或下盖(13)和第二太阳轮(150)。8.根据权利要求5所述一种可转向的四足爬壁机器人装置，其特征在于，所述述中央支撑套筒(32)为两个一侧壁相接设置，且另一侧壁相间设置的空心半圆体结构，相间设置的区域设置有离合器结构。
9.根据权利要求5所述一种可转向的四足爬壁机器人装置，其特征在于，所述中央支撑套筒(32)侧壁固接有离合器结构；所述离合器结构包括沿竖直高度间隔设置的两个离合支撑(37)，两个离合支撑(37)之间固定连接有第四电机(36)，第四电机(36)输出端固定设置有凸轮(34)，两个离合支撑(37)靠近凸轮(34)的一端均分别竖直滑动设置有相互远离的推杆摩擦盘(35)，所述推杆摩擦盘(35)的竖直滑动最大距离等于大于其与相邻上盖(3)或下盖(13)的距离。10.一种可转向的四足爬壁机器人装置的使用方法，其特征在于，基于权利要求1-9任意项所述一种可转向的四足爬壁机器人装置，包括以下步骤：在前进或后退时：第一电机(28)启动并带动曲柄(26)旋转，连杆(8)在腿部机架(45)的滑槽内水平滑动，同时连杆(8)带动滑动杆(9)在连接卡板(44)的作用下沿导向杆(39)的方向滑动，此时滑动杆(9)做水平向的前后运动，并由于曲柄(26)的转动和铰接的连杆(8)的作用，同时做上下运动，完成单个爬行支腿的抬起和前进或后退；在转向时，抬起互成对角设置的两个爬行支腿，启动转向机构使得抬起的两个爬行支腿完成半程转向；抬起另一对互成对角设置的两个爬行支腿，启动转向机构使得另一对抬起的两个爬行支腿完成剩余半程转向，完成一次转向。

技术总结
本发明提供一种可转向的四足爬壁机器人装置及使用方法，包括转向机构和设置于转向机构侧部的多个爬行支腿；多个爬行支腿均包括腿部机架，腿部机架上端靠近转向机构的一端设置有第一电机，底部水平设置有导向杆；第一电机输出端连接有曲柄行进机构，曲柄行进机构包括依次铰接的曲柄、连杆和滑动杆，滑动杆一侧设置有与导向杆滑动连接的连接卡板，另一侧设置有软管，底部设置有吸盘，顶部铰接连杆，且滑动杆与连接卡板竖直滑动连接；腿部机架均相互平行设置，转向机构和爬行支腿均连接有中央处理器；本申请爬行支腿结构简单，稳定性强，能够满足爬壁行进的需求，生产和维护成本低。生产和维护成本低。生产和维护成本低。


技术研发人员：惠烨 赖飞林 陈昊
受保护的技术使用者：陕西科技大学
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/13