单轴驱动的四足全方位攀爬机器人及其控制方法技术

本发明专利技术提供一种单轴驱动的四足全方位攀爬机器人，其包括驱动装置、吸附装置、可伸缩腿装置、机箱及转向装置。机箱固定在驱动装置上，驱动装置两端各连接一个转向装置，转向装置通过螺栓固定在可伸缩腿装置上，可伸缩腿装置末端与吸附装置连接。驱动装置用于带动本体支架进行移动，吸附装置提供约束四足自由移动的摩擦力，可伸缩式四腿装置可实现越障功能，配合由微型轴承构成的转向装置可实现整体的转向运动。该机器人与传统四足机器人相比，在光滑表面运动时仅仅需要一个主动自由度就能够在平面上任意方向以任意速度移动。本发明专利技术解决了能源利用率低、机器本体质量过重、灵活度差、越障性能差等问题。

Four legged omnidirectional climbing robot driven by single axis and its control method

The invention provides a quadruped omnidirectional climbing robot driven by a single axle, which comprises a driving device, an adsorption device, a retractable leg device, a case and a steering device. The case is fixed on the driving device, two ends of the driving device are connected with a steering device, the steering device is fixed on the retractable leg device by bolts, and the end of the retractable leg device is connected with the adsorption device. The driving device is used to drive the body bracket to move, and the adsorption device provides the friction to restrict the free movement of four legs. The retractable four legs device can realize the obstacle crossing function, and the steering device composed of micro bearings can realize the overall steering movement. Compared with the traditional quadruped robot, the robot can move in any direction and at any speed in the plane with only one active degree of freedom. The invention solves the problems of low energy utilization rate, over weight of machine body, poor flexibility, poor obstacle surmounting performance, etc.

【技术实现步骤摘要】
单轴驱动的四足全方位攀爬机器人及其控制方法
本专利技术涉及一种单轴驱动的四足全方位攀爬机器人及其控制方法，属于特种机器人领域。
技术介绍
目前，攀爬机器人在石油化工、建筑清洁、船舶修造、消防灭火等领域有着广泛应用，能把人类工作从高空等危险壁面作业环境中解放出来，同时还可以大幅度的提高社会生产效率，但是攀爬机器人在面对吸附表面环境较为复杂时，对移动机器人的环境适应性有了更高的要求，而且攀爬机器人在同等电量的情况下，将能源利用率提高也是至关重要的。攀爬机器人是移动机器人的一个重要分支，是一种能够工作在竖直、倾斜壁面甚至是倒悬壁面的特种机器人，它可以携带相关的作业工具，完成特定的工作任务，是一种融合了机械、控制、传感器等技术并满足特定应用条件的特种作业机器人。常用的吸附方式有负压式吸附、真空式吸附、磁吸附式、推力式吸附、仿生式吸附、复合式吸附。负压吸附式具有对壁面的材料、形式适应性强等优点，但是其工作效率低，噪声大，体积大且对壁面平整度要求较大，而真空式吸附又有对壁面形状适应性差的缺点。推力式吸附虽然具有壁面适应性强，越障能力强的优点，但是功耗大，效率低，控制复杂。磁吸附式虽然只能应用到导磁壁面上，但是具有吸附力大、负载能力强、壁面适应性强等优点。攀爬机器人要能够正常的工作，必须具有两大基本能力：壁面吸附能力与壁面移动能力。壁面吸附能力要求机器人不论在何种工作状态都能够吸附在工作壁面上，壁面移动能力则要求机器人在吸附工作壁面的同时还必须具有一定的壁面移动能力。良好的吸附条件要求具有尽可能大的吸附力，良好的壁面移动能力要求机器人尽可能受到较小的吸附阻力的影响。对于履带式和轮式攀爬机器人来讲，在壁面上的吸附能力与移动能力是相互矛盾、相互制约的。中国专利文献CN201810579078.1所公开的一种多自由度四足仿生机器人，包括躯干和四个下肢，四个下肢均匀对称地分布在躯干下方的四角，躯干包括六自由度并联机构和四个驱动单元，六自由度并联机构的两端各设两个驱动单元，六自由度并联机构包括相互平行设置的动平台和静平台，在动平台上固定有六个杆件电机，在杆件电机和静平台之间连接有六根杆件，该专利技术六自由度并联机构有助于机器人姿态的调整和运动路径的合理规划，能有效提高腿式机器人对复杂地形的适应能力、抗干扰能力和行走稳定性，但该专利技术所需驱动单元较多，不易控制。中国专利文献CN200910051130.7所公开的一种单驱动四足步行机器人，电机由传动元件驱动前、后两根平行配置的转轴，转轴的左右两端分别固定连接曲柄。车身安装四个单腿，单腿由一个曲柄摆杆机构与交叉平行的四边形串联铰接而成，该专利技术加大了机器人行走步距和步高，便于抬腿迈步，能调节行走步距和抬腿角度，但该专利技术不能灵活的实现转向功能。因此，亟需在现有的攀爬机器人基础上研制出一种吸附能力强但又不约束移动能力，功耗低，灵活度高，具有一定越障能力的攀爬机器人，以满足复杂任务的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种运动副数目低、结构简单、功耗低、易操作，能在工作表面上灵活移动，且具有一定越障能力的攀爬机器人。一种单轴驱动的四足全方位攀爬机器人，其包括驱动装置、可伸缩腿装置、转向装置、吸附装置和机箱，所述驱动装置包括电动推杆、稳定连接件和电机套筒，所述电动推杆与所述电机套筒同轴线配合组成移动副，作为单轴驱动，所述稳定连接件包括第一稳定连接件和第二稳定连接件，分别固定于所述电机套筒的两端，所述第一稳定连接件和所述第二稳定连接件分别与所述机箱的两端底部相连；所述转向装置包括轴承底座和转向连接件，所述轴承底座和所述转向连接件相互配合以形成可转动连接，所述驱动装置的两端分别与所述转向连接件同轴线相连，所述转向连接件为L型筒件，所述轴承底座与所述可伸缩腿装置相固连；所述可伸缩腿装置包括机体支架、辅助电推杆和电机套，所述机体支架的两端分别垂直连接有所述辅助电推杆，所述辅助电推杆与所述电机套固连，所述电机套与所述吸附装置相连；所述吸附装置包括菱形轴承、吸附连接件和电磁铁，所述菱形轴承与所述吸附连接件的上表面相连，所述电磁铁与所述吸附连接件的下表面相连；所述机箱内部安装有电源、单片机、电磁继电器、电机驱动模块和电源控制模块，所述电源通过电源线与所述电源控制模块连接，所述电源控制模块的数量为三个，分别为所述单片机、所述电机驱动模块和所述电磁继电器提供不同的所需电压，所述单片机通过信号线分别与所述电磁继电器、所述电机驱动模块连接，以输出工作指令；所述可伸缩腿装置与所述轴承底座的数量均为两个，所述辅助电推杆的数量为四个，包括第一辅助电推杆、第二辅助电推杆、第三辅助电推杆和第四辅助电推杆，各辅助电推杆间相互平行设置，作为机器人的四足，通过控制各辅助电推杆的伸长量，能实现移动、转动及攀爬。优选地，所述电机驱动模块包括第一电机驱动模块、第二电机驱动模块和第三电机驱动模块，所述第一电机驱动模块中的M1引脚驱动所述电动推杆，所述第二电机驱动模块中的M1、M2引脚分别控制所述第一辅助电推杆和所述第二辅助电推杆，所述第三电机驱动模块中的M1、M2引脚分别控制所述第三辅助电推杆和所述第四辅助电推杆。优选地，所述电磁继电器包括第一电磁继电器开关、第二电磁继电器开关、第三电磁继电器开关和第四电磁继电器开关，所述电磁铁包括第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁和第四电磁铁，各电磁铁的侧面均设有电线，所述电磁继电器的I/O口分别与所述电磁铁的电线一一对应相连，以控制所述电磁铁的得电与断电；所述机体支架上设有防脱落安全环，所述防脱落安全环在工作时与绳索连接，以起到保护作用，所述电源安装在电源槽内，通过防脱落栏实现固定。优选地，所述单片机通过控制所述电机驱动模块，能改变所述电推杆和所述辅助电推杆的工作状态，从而实现所述驱动装置和所述可伸缩腿装置的协调配合；所述单片机通过控制所述电磁继电器，能改变所述电磁铁的通断电模式，进而改变所述吸附装置的工作状态；同时结合所述转向装置实现机器人的旋转、移动及越障，驱动数量少，控制简便。优选地，机器人的顺时针旋转包括以下步骤：S1、由所述单片机控制，使所述辅助电推杆均处于伸长状态且所述吸附装置均吸附在工作平面，在此状态下，机器人能进行转向运动；S2、通过改变所述第一电磁铁为断电状态，使与所述第一辅助电推杆相连的吸附装置脱离工作平面，通过改变所述第一电磁继电器开关为常开状态，使所述第一辅助电推杆收缩；S3、保持其它电磁继电器和电磁铁的状态不变，使所述电推杆伸长，机器人第一侧的可伸缩腿装置实现顺时针旋转；S4、通过改变所述第一电磁继电器开关为常闭状态，使所述第一辅助电推杆伸长，通过改变所述第一电磁铁为通电状态，使与所述第一辅助电推杆相连的吸附装置吸附在工作平面上；S5、通过改变所述第四电磁铁为断电状态，使与所述第四辅助电推杆相连的吸附装置脱离工作平面，通过改变所述第四电磁继电器开关为常开状态，使所述第四辅助电推杆收缩；S6、保持其它电磁继电器和电磁铁的状态不变，使所述电推杆收缩，机器人第二侧的可伸缩腿装置实现顺时针旋转；S7、通过改变所述第四电磁继电本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单轴驱动的四足全方位攀爬机器人，其包括驱动装置、转向装置、可伸缩腿装置、吸附装置和机箱，其特征在于：/n所述驱动装置包括电动推杆、稳定连接件和电机套筒，所述电动推杆与所述电机套筒同轴线配合组成移动副以构成单轴驱动，所述稳定连接件包括第一稳定连接件和第二稳定连接件，分别固定于所述电机套筒的两端，所述第一稳定连接件和所述第二稳定连接件分别与所述机箱的两端底部相连；/n所述转向装置包括轴承底座和与所述轴承底座能转动连接的转向连接件，所述驱动装置的两端分别与所述转向连接件同轴线相连，所述转向连接件为L型筒件，所述轴承底座与所述可伸缩腿装置固连；/n所述可伸缩腿装置包括机体支架、辅助电推杆和电机套，所述机体支架的两端分别垂直连接所述辅助电推杆，所述辅助电推杆与所述电机套固连，所述电机套与所述吸附装置相连；/n所述吸附装置包括菱形轴承、吸附连接件和电磁铁，所述菱形轴承与所述吸附连接件的上表面相连，所述电磁铁与所述吸附连接件的下表面相连；/n所述机箱安装有电源、单片机、电磁继电器、电机驱动模块和电源控制模块，所述电源控制模块的数量为三个，分别为所述单片机、所述电机驱动模块和所述电磁继电器提供不同的所需电压，所述单片机通过分别与所述电磁继电器和所述电机驱动模块连接以输出工作指令，以及/n所述可伸缩腿装置与所述轴承底座的数量均为两个，所述辅助电推杆的数量为四个，包括第一辅助电推杆、第二辅助电推杆、第三辅助电推杆和第四辅助电推杆，各辅助电推杆间相互平行设置，作为机器人的四足，通过控制各辅助电推杆的伸长量，能实现移动、转动及攀爬。/n...

【技术特征摘要】
1.一种单轴驱动的四足全方位攀爬机器人，其包括驱动装置、转向装置、可伸缩腿装置、吸附装置和机箱，其特征在于：
所述驱动装置包括电动推杆、稳定连接件和电机套筒，所述电动推杆与所述电机套筒同轴线配合组成移动副以构成单轴驱动，所述稳定连接件包括第一稳定连接件和第二稳定连接件，分别固定于所述电机套筒的两端，所述第一稳定连接件和所述第二稳定连接件分别与所述机箱的两端底部相连；
所述转向装置包括轴承底座和与所述轴承底座能转动连接的转向连接件，所述驱动装置的两端分别与所述转向连接件同轴线相连，所述转向连接件为L型筒件，所述轴承底座与所述可伸缩腿装置固连；
所述可伸缩腿装置包括机体支架、辅助电推杆和电机套，所述机体支架的两端分别垂直连接所述辅助电推杆，所述辅助电推杆与所述电机套固连，所述电机套与所述吸附装置相连；
所述吸附装置包括菱形轴承、吸附连接件和电磁铁，所述菱形轴承与所述吸附连接件的上表面相连，所述电磁铁与所述吸附连接件的下表面相连；
所述机箱安装有电源、单片机、电磁继电器、电机驱动模块和电源控制模块，所述电源控制模块的数量为三个，分别为所述单片机、所述电机驱动模块和所述电磁继电器提供不同的所需电压，所述单片机通过分别与所述电磁继电器和所述电机驱动模块连接以输出工作指令，以及
所述可伸缩腿装置与所述轴承底座的数量均为两个，所述辅助电推杆的数量为四个，包括第一辅助电推杆、第二辅助电推杆、第三辅助电推杆和第四辅助电推杆，各辅助电推杆间相互平行设置，作为机器人的四足，通过控制各辅助电推杆的伸长量，能实现移动、转动及攀爬。


2.根据权利要求1所述单轴驱动的四足全方位攀爬机器人，其特征在于：所述电机驱动模块包括第一电机驱动模块、第二电机驱动模块和第三电机驱动模块，所述第一电机驱动模块中的M1引脚驱动所述电动推杆，所述第二电机驱动模块中的M1和M2引脚分别控制所述第一辅助电推杆和所述第二辅助电推杆，所述第三电机驱动模块中的M1和M2引脚分别控制所述第三辅助电推杆和所述第四辅助电推杆。


3.根据权利要求1所述单轴驱动的四足全方位攀爬机器人，其特征在于：所述电磁继电器包括第一电磁继电器开关、第二电磁继电器开关、第三电磁继电器开关和第四电磁继电器开关，所述电磁铁包括第一电磁铁、第二电磁铁、第三电磁铁和第四电磁铁，各电磁铁的侧面均设有电线，所述电磁继...

【专利技术属性】
技术研发人员：许允斗，姜泽，鞠忠金，李永杰，聂升龙，赵永生，姚建涛，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13