专利名称：基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，特别涉及一种用于高大的圆锥状钢塔或大型球罐等具有导磁性材料表面上快速移动且携带大负重作业的壁面移动机器人，属于仿生机器人技术领域。
背景技术：
工业领域往往会用到又高又大的罐体，例如石油化工或天然气企业的储油、储气罐、发电厂等企业的锅炉、风力发电设备的风机塔等。这些罐体的几何呈现圆柱状、球状以及圆锥状的特点。而罐体往往需要进行维护、璧厚检测，目前仍采用传统的人工方式，其设备一般就是软梯、绳索或脚手架之类的，这样就带来了劳动强度大、周期长、效率低下以及安全性差等问题，因此急需一种自动化的检测或进行其他作业的设备，这种设备要具有在这些罐体表面贴敷且灵活移动的特点。对于一般的磁吸附壁面移动机器人来讲，由于要工作在这种变界面的壁面上，而且壁面上的焊接处较高，因此要想进行任意方向的移动，将很难做到能时时达到牢牢吸附的目的。应用于这些罐体上的壁面移动机器人一般采用磁条作为吸附单元，一般来讲，磁吸附壁面移动机器人对导磁性壁面的吸附，最直接的方法是采用永磁吸附方式和电磁吸附方式，电磁吸附方式机构较多、控制上复杂、耗能较大，但可以实现对磁力的主动控制；永磁吸附方式结构简单、不需耗能，但无法控制磁力。壁面作业机器人属于特种机器人的范畴，按其与壁面的交互方式分为真空/负压吸附、磁吸附、粘性材料吸附和钩挂吸附等。虽然学术界提出了多种有关机器人机构及吸附的方法，但是携带大负重(如携带20kg以上的作业设备)、在圆锥壁面上可任意方向移动的技术方法和原理样机并未见到。其原因在于，对于圆锥体，在经过高度的任何一点的截面上其对应的圆周半径是不同的，即圆锥体的轴截面是变化的。当机器人在圆锥体的表面全方位移动时，如何保证安全吸附与受力稳定是至关重要的。其次，当机器人遇到焊缝或其他较大障碍时，如何实现柔性吸附，以保证有足够的吸附力也是难点之一。然而，相对于机器人来讲，自然界的壁虎在壁面上完成各种运动则非常灵活，机器人形态学就是研究如何使机器人尽可能的具备适应相应环境的形态结构，这一过程往往是伴随着结构的重构或者机器人机构对环境的实时伺服来完成的。上述的分析表明，机器人的结构形态具有一定的局限性，如果在研究中想完全实现生物的功能则是目前技术所无法做到的。
发明内容
本发明提供一种基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，可实现在圆柱状、球状以及圆锥状罐体壁面上进行大负重壁面缺陷检测作业。基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，包括四个驱动单元、四条链条履带、载荷分散机构、抗倾覆装置、超声波探头伺服移动装置、机器人箱体外壳和控制系统；其特征在于四根链条履带分别是左侧主动链条履带62、左侧被动链条履带、右侧主动链条履带、右侧被动链条履带，链条履带上带有磁条单元；整体连接关系为超声波探头伺服移动装置55固接在机器人箱体外壳的前端；抗倾覆装置58固接在机器人箱体外壳上，固接的位置是该装置的重心位置；机器人箱体外壳的左右两侧面上各安装两个驱动单元，但同侧只有一个驱动单元安装伺服电机，左侧主动链条履带和左侧被动链条履带前后并列安装在机器人箱体外壳左侧，右侧主动链条履带和右侧被动链条履带前后并列安装在机器人箱体外壳右侧，安装伺服电机的两个驱动单元分别与左侧主动链条履带和右侧主动链条履带连接；每个载荷分散机构安装在每条链条履带的内侧；控制系统分别放置在机器人箱体外壳内，并与驱动单元、抗倾覆装置和超声波探头伺服移动装置相连接，其中，安装伺服电机的驱动单元驱动同侧的两条前后并列安装的链条履带。 其中驱动单元包括码盘、伺服电机、电机固定座、短同步带压紧轮安装装置、履带安装内板、短同步带压紧轮、主动履带链轮、从动履带链轮、履带安装外板、短同步带传动机构、履带链轮松紧调节机构、长同步带轮、支撑套、转轴套、短同步带和夹紧支柱；码盘连接在伺服电机的后部，伺服电机与电机固定座固接，电机固定座固定在机器人箱体外壳上，支撑套与电机固定座及机器人箱体外壳固接，支撑套通过轴承与转轴套相连接，转轴套通过轴承与电机轴相连接；转轴套绕电机轴相对于支撑套转动，转轴套的转动与电机轴的转动互不影响，转轴套与履带安装内板固接，即转轴套的转动直接传递给履带安装内板以及与履带安装内板相连接的结构；电机轴与短同步带传动机构的短同步带的同步带轮固接，电机轴的转动传递给短同步带，通过短同步带传动机构将电机轴的转动传递给主动履带链轮；同时，主动履带链轮和同步带轮的轴与履带安装内板相连接，履带安装内板的转动也传递给了主动履带链轮，主动履带链轮的运动是履带安装内板与电机轴的合运动，主动履带链轮的运动通过链传动传递给从动履带链轮，履带链轮松紧调节机构安装在履带安装内板的调节槽内，通过微调主动履带链轮和从动履带链轮之间的位置来调节链传动的松紧程度。短同步带压紧轮安装装置固接在履带安装内板上，短同步带压紧轮连接在短同步带压紧轮安装装置上以压紧短同步带传动机构，短同步带压紧轮压紧短同步带传动机构；夹紧支柱固接在履带安装内板和履带安装外板之间，辅助夹紧短同步带传动机构对履带安装内板的转动进行限制；履带安装外板通过主动履带链轮和从动履带链轮的轴及夹紧支柱与履带安装内板连接；与长同步带轮固联的传动轴也与驱动电机的轴固联，通过长同步带将电机的运动通过机构传递到链条履带上，此外，与长同步带轮固联的传动轴与外壳侧板之间是通过两组轴承来实现差动，即履带在运动时能绕传动轴进行一定角度的转动，其目的是当履带接触到凸起等障碍时，可通过自身的转动调整姿态，消除来自障碍的反作用力，从而保证机器人本体的稳定姿态，这也实现了模拟壁虎腿部的一些功能。链条履带由两个以上的磁条单元并列连接成环形的带状履带，磁条单元包括链条外链板、隔磁板、外侧轭铁、中间轭铁和磁条，隔磁板通过沉头螺钉与链条外链板相连，隔磁板又通过沉头螺钉与外侧轭铁、中间轭铁连接，外侧轭铁位于一个磁条单元的外侧并具有一个挡边，中间轭铁具有两个挡边，外侧轭铁和中间轭铁的挡边之间固定磁条，一个磁条单元包含两个以上的外侧轭铁、中间轭铁和磁条；其中外侧轭铁的厚度是中间轭铁的二分之一，相邻磁条的磁极相同，由此可构成封闭的磁力线使磁条单元的吸附力达到最强，磁条单元外表面包覆一层用来保护和增大摩擦力的橡胶。载荷分散机构包括载荷分散轴、载荷分散弹簧、载荷分散轮、载荷分散架和载荷分散座，载荷分散座套装在载荷分散轴上并固接在履带安装外板上，载荷分散轴的下方套装载荷分散弹簧，载荷分散弹簧与载荷分散座抵触连接，载荷分散轴的底端通过铰链与载荷分散架连接，载荷分散轴能在载荷分散座内作有弹性的线性运动同时载荷分散架能绕铰链轴心转动，为链条履带分散载荷，保证链条履带紧密贴合壁面；载荷分散轮安装在载荷分散架上压紧链条履带。抗倾覆装置包括抗倾覆装置轨道罩、抗倾覆十字轴座、抗倾覆步进电机座、抗倾覆步进电机、抗倾覆长杆、抗倾覆脚轮轴、抗倾覆脚轮弹簧、抗倾覆脚轮、抗倾覆短杆、抗倾覆十字轴；抗倾覆步进电机固定在抗倾覆电机座上，而抗倾覆电机座固接在机器人箱体外壳上，抗倾覆十字轴固接在抗倾覆步进电机的电机轴上，抗倾覆十字轴座与抗倾覆十字轴相连接，抗倾覆十字轴座能围绕抗倾覆十字轴转动；抗倾覆长杆和抗倾覆短杆分别固接在抗倾覆十字轴座上相对的两端，抗倾覆装置轨道罩固接在机器人箱体外壳上并与抗倾覆短杆相接触，抗倾覆装置轨道罩用于限制抗倾覆十字轴座转动的范围，抗倾覆脚轮轴套装抗倾覆脚轮弹簧后套接在抗倾覆长杆末端的安装孔内，它可以在抗倾覆长杆的限制下作平行于抗倾覆步进电机轴线的弹性线性运动，抗倾覆脚轮固接在抗倾覆脚轮轴上并伴随抗倾覆脚轮轴运动；该抗倾覆杆 合成步进电机和抗倾覆十字轴座的运动，可有效地防止机器人从壁面上倾覆。抗倾覆装置机构上安装实时姿态传感器，当机器人的姿态发生变化时，传感器将信号送给控制系统，信号经过处理后，控制系统会控制抗倾覆步进电机带动抗倾覆长杆绕倾覆十字轴转动，从而实时控制该抗倾覆装置的抗倾覆长杆与水平方向保持垂直。超声波探头伺服移动装置包括超声波探伤模块、探头架、横向丝杠步进电机螺母、 横向步进电机丝杠套、纵向丝杠步进电机螺母、横向丝杠步进电机固定架、连接架、纵向步进电机丝杠套、探头超声机械接口、探头安装座、纵向丝杠步进电机固定架、纵向丝杠步进电机和横向丝杠步进电机，探头安装座和探头机械接口都固接在机器人头部的外壳上，纵向丝杠步进电机固定架固接在探头机械接口上，纵向丝杠步进电机固接在纵向丝杠步进电机固定架上，纵向丝杠步进电机螺母安装在纵向丝杠步进电机上，纵向丝杠步进电机的转动可以转换为纵向丝杠步进电机螺母的线性运动，连接架固接在纵向丝杠步进电机螺母上，随着纵向丝杠步进电机螺母运动，并且连接了横向丝杠步进电机固定架。横向丝杠步进电机固接在横向丝杠步进电机固定架上，它同纵向丝杠步进电机一样，是种电机输出轴是丝杠的步进电机。横向丝杠步进电机螺母安装在横向丝杠步进电机上，将横向丝杠步进电机的转动转换为横向丝杠步进电机螺母的线性运动。探头架安装在横向丝杠步进电机螺母上用于安装超声波探伤模块，通过控制纵向丝杠步进电机和横向丝杠步进电机就可以控制超声波探伤模块的运动，横向步进电机丝杠套固接在横向丝杠步进电机固定架，用于限制横向丝杠步进电机螺母的运动，同样，纵向步进电机丝杠套固接在纵向丝杠步进电机固定架上以限制纵向丝杠步进电机螺母的运动；当超声波探伤模块检测到罐体的故障点后，超声波探伤模块即可启动超声波探伤模块自身的标记装置对故障点进行标记，以便维护工作的进行。其整体连接关系为外壳侧板、外壳上盖、外壳下板、外壳前侧板和外壳后侧板依次连接组成机器人箱体外壳；超声波探头伺服移动装置固接在壁面移动机器人外壳前侧板上，壁面移动机器人的模块化驱动单元安装在壁面移动机器人的外壳前侧板的前端，链条履带连接模块化驱动单元；抗倾覆装置和用于装饰的装饰盖固接在外壳上盖上，抗倾覆装置上的抗倾覆脚轮与罐体壁面贴合；外壳上盖为独立结构以便于拆卸、安装，搬手固接在外壳侧板上，使机构便于整体搬运；左右两侧的外壳侧板外侧面上安装两个驱动单元，在其中一个驱动单元上安装伺服电机，伺服电机的转动通过长同步带传动机构将传递给侧板上另一个驱动单元，长同步带压紧轮安装架安装在壁面移动机器人的外壳侧板上，长同步带压紧轮安装在长同步带压紧轮安装架上用于压紧长同步带传动机构，电路安装板安装在机器人的外壳下板上，用于安装控制系统。 有益效果本发明的超声波检测装置、具有多磁路的磁条单元、移动履带、机器人箱体、抗倾覆装置分别模拟壁虎头部、脚掌的、腿部、身体的以及尾部的功能，实现了对壁虎的结构形态的仿生演化；采用磁条单元组成的链条履带实现了对圆柱状、球状以及圆锥状罐体壁面上任意方向的移动和柔性吸附，一个驱动单元驱动两组链条履带，从而更加适应变界面的壁面吸附；抗倾覆装置能最大程度避免机器人在行进过程中发生倾覆的现象，增强了机器人工作的可靠性。
图1是壁面移动机器人总体结构示意2是壁面移动机器人的内部结构示意3是磁条单元结构示意4是驱动单元的示意5是链条履带结构示意6是载荷分散机构原理7是载荷分散机构结构示意8是抗倾覆装置机构结构示意9是超声波探头伺服移动装置机构结构示意图其中1_链条的外链板，2-隔磁板，3-外侧轭铁，4-中间轭铁，5-磁条，6-码盘、 7-伺服电机、8-电机固定座、9-短同步带压紧轮安装装置、10-履带安装内板、11-短同步带压紧轮、12-主动履带链轮、13-履带安装外板、14-短同步带传动机构、15-履带链轮松紧调节机构、16-长同步带轮、17-支撑套、18-转轴套、19-短同步带、21-从动履带链轮、 22-夹紧支柱，25-磁条单元，26-链条，27-载荷分散机构，28-载荷分散轴、29-载荷分散弹簧、30-载荷分散轮、31-载荷分散架，32-载荷分散座，33-抗倾覆装置轨道罩，34-抗倾覆十字轴座，35-抗倾覆步进电机座，36-抗倾覆步进电机，37-抗倾覆长杆，38-抗倾覆脚轮轴，39-抗倾覆脚轮弹簧，40-抗倾覆脚轮，41-抗倾覆短杆，42-抗倾覆十字轴，43-探头架、 44-横向丝杠步进电机螺母、45-横向步进电机丝杠套、46-纵向丝杠步进电机螺母、47-横向丝杠步进电机固定架、48-连接架、49-纵向步进电机丝杠套、50-探头超声机械接口、 51-探头安装座、52-纵向丝杠步进电机固定架、53-纵向丝杠步进电机、54-横向丝杠步进电机，55-超声波探头伺服移动装置，56-驱动单元，57-外壳侧板，58-抗倾覆装置，59-装饰盖，60-外壳上盖，61-外壳下板，62-左侧主动链条履带、63-外壳前侧板、64-外壳后侧板、 65-搬手，66-长同步带压紧轮，67-电路安装板，68-长同步带压紧轮安装架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。壁虎拥有四条腿，每条腿上有两个关节，对应为髋关节和膝关节。髋关节提供翻滚自由度，膝关节提供倾斜自由度，壁虎腿的两个关节可以保证壁虎灵活稳定的移动。壁虎的脚具有吸附功能，可以使壁虎紧密的吸附在墙壁表面。它的尾巴除了避敌外，还起到了支撑平衡的作用，其头部上的眼睛等会探测周围的环境，使肢体对环境的变化做出反应。壁虎的肢体结构已经完全适应了各种壁面环境，但是在现有的技术水平下人类却无法把壁面移动机器人完全做成壁虎。因此，需要对壁虎的结构形态进行相应地仿生演化，即技术层面上的进化。首先，将壁虎的腿部在技术层面上演化为连杆机构，壁虎的髋关节和膝关节演化为铰链。这种连杆机构可以如同壁虎的腿一样运动，机构进一步演化为具有柔性的履带结构，在该结构中，保留翻滚自由度的履带结构代替连杆机构。履带结构的柔性和翻滚自由度既保证了该结构可以如同壁虎的腿一样运动也保证了履带与壁面的紧密贴合，而且控制简单。壁虎用于吸附的脚掌演化成了磁性吸附单元，这些磁性吸附单元以最简单的形式就能保证壁面移动机器人稳稳地吸附在导磁性壁面上。壁虎的身体被演化成一个容器，内部可以安装驱动装置以及控制装置等，壁虎的头部被演化用来安装超声传感器、视觉传感器等。考虑壁虎的尾巴的支撑、稳定和平衡作用，壁面移动机器人安装一个抗倾覆装置，从而最终演化完成的壁面移动机器人。如附图1所示，基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，包括四个驱动单元56、四条链条履带、载荷分散机构27、抗倾覆装置58、超声波探头伺服移动装置55、 机器人箱体外壳和控制系统；机器人箱体外壳的壳身由外壳前侧板63、外壳上盖60、外壳后侧板64和外壳下板61顺序连接组成连续的环形结构，壳身的左右两侧由外壳侧板57 封闭后构成机器人箱体外壳；四根链条履带分别是左侧主动链条履带62、左侧被动链条履带、右侧主动链条履带、右侧被动链条履带，链条履带上带有磁条单元；整体连接关系为 超声波探头伺服移动装置55固接在机器人箱体外壳的前端；抗倾覆装置58固接在机器人箱体外壳上，固接的位置是该装置的重心位置；机器人箱体外壳的左右两侧面上各安装两个驱动单元56，但同侧只有一个驱动单元安装伺服电机7，左侧主动链条履带62和左侧被动链条履带前后并列安装在机器人箱体外壳左侧，右侧主动链条履带和右侧被动链条履带前后并列安装在机器人箱体外壳右侧，安装伺服电机7的两个驱动单元56分别与左侧主动链条履带62和右侧主动链条履带连接；每个载荷分散机构27安装在每条链条履带的内侧； 控制系统分别放置在机器人箱体外壳内，并与驱动单元56、抗倾覆装置58和超声波探头伺服移动装置55相连接，其中，安装伺服电机7的驱动单元56驱动同侧的两条前后并列安装的链条履带；长同步带压紧轮安装架68安装在外壳侧板63上，长同步带压紧轮66安装在长同步带压紧轮安装架68上用于压紧长同步带传动机构，安装在外壳侧板63上的长同步带压紧轮安装架68的位置可调，以调节长同步带传动机构的松紧，电路安装板67安装在机器人的外壳下板61上，用于安装控制系统。如附图4所示，模块化驱动单元包括码盘6、伺服电机7、电机固定座8、短同步带压紧轮安装装置9、履带安装内板10、短同步带压紧轮11、主动履带链轮12、从动履带链轮 21、履带安装外板13、短同步带传动机构14、履带链轮松紧调节机构15、长同步带轮16、支撑套17、转轴套18、短同步带19和夹紧支柱22 ’码盘6连接在伺服电机7的后部，伺服电机7与电机固定座8固接，电机固定座8固定在机器人箱体外壳上，支撑套17与电机固定座8及机器人箱体外壳固接，支撑套17通过轴承与转轴套18相连接，转轴套18通过轴承与电机轴相连接；转轴套18绕电机轴相对于支撑套17转动，转轴套18的转动与电机轴的转动互不影响，转轴套18与履带安装内板10固接，即转轴套18的转动直接传递给履带安装内板10以及与履带安装内板10相连接的结构；电机轴与短同步带传动机构14的短同步带19的同步带轮固接，电机轴的转动传递给短同步带19，通过短同步带传动机构14将电机轴的转动传递给主动履带链轮12 ；同时，主动履带链轮12和同步带轮20的轴与履带安装内板10相连接，履带安装内板10的转动也传递给了主动履带链轮12，主动履带链轮12的运动是履带安装内板10与电机轴的合运动，主动履带链轮12的运动通过链传动传递给从动履带链轮21，履带链轮松紧调节机构15安装在履带安装内板10的调节槽内，通过微调主动履带链轮12和从动履带链轮21之间的位置来调节链传动的松紧程度。短同步带压紧轮安装装置9固接在履带安装内板10上，短同步带压紧轮11连接在短同步带压紧轮安装装置9上以压紧短同步带传动机构14，短同步带压紧轮11压紧短同步带传动机构14 ；夹紧支柱22固接在履带安装内板10和履带安装外板13之间，辅助夹紧短同步带传动机构14对履带安装内板10的转动进行限制；履带安装外板13通过主动履带链轮12和从动履带链轮 21的轴及夹紧支柱22与履带安装内板10连接；与长同步带轮16固联的传动轴也与驱动电机的轴固联，通过长同步带将电机的运动通过机构传递到左侧从动链条履带上，此外，与长同步带轮16固联的传动轴与外壳侧板57之间是通过两组轴承来实现差动，即链条履带在运动时能绕传动轴进行一定角度的转动，其目的是当链条履带接触到凸起等障碍时，可通过自身的转动调整姿态，消除来自障碍的反作用力，从而保证机器人本体的稳定姿态，这也实现了模拟壁虎腿部的一些功能。 如附图5所示，链条履带由两个以上的磁条单元25并列连接成环形的带状履带， 磁条单元25包括链条外链板1、隔磁板2、外侧轭铁3、中间轭铁4和磁条，隔磁板2通过沉头螺钉与链条外链板1相连，隔磁板2又通过沉头螺钉与外侧轭铁3、中间轭铁4连接，夕卜侧轭铁3位于一个磁条单元的外侧并具有一个挡边，中间轭铁4具有两个挡边，外侧轭铁3 和中间轭铁4的挡边之间固定磁条5，一个磁条单元包含两个以上的外侧轭铁3、中间轭铁 4和磁条5 ；其中外侧轭铁3的厚度是中间轭铁4的二分之一，相邻磁条5的磁极相同，由此可构成封闭的磁力线使磁条单元25的吸附力达到最强。如附图6和7所示，载荷分散机构包括载荷分散轴28、载荷分散弹簧29、载荷分散轮30、载荷分散架31和载荷分散座32，载荷分散座32套装在载荷分散轴28上并固接在履带安装外板13上，载荷分散轴28的下方套装载荷分散弹簧29，载荷分散弹簧29与载荷分散座32抵触连接，载荷分散轴28的底端通过铰链与载荷分散架31连接，载荷分散轴28能在载荷分散座32内作有弹性的线性运动同时载荷分散架31能绕铰链轴心转动，为链条履带分散载荷，保证链条履带紧密贴合壁面；载荷分散轮30安装在载荷分散架31上压紧链条履带。如附图8所示，抗倾覆装置58包括抗倾覆装置轨道罩33、抗倾覆十字轴座34、抗倾覆步进电机座35、抗倾覆步进电机36、抗倾覆长杆37、抗倾覆脚轮轴38、抗倾覆脚轮弹簧 39、抗倾覆脚轮40、抗倾覆短杆41、抗倾覆十字轴42 ；抗倾覆步进电机36固定在抗倾覆电机座35上，而抗倾覆电机座35固接在机器人箱体外壳上，抗倾覆十字轴42固接在抗倾覆步进电机36的电机轴上，抗倾覆十字轴座34与抗倾覆十字轴42相连接，抗倾覆十字轴座 34能围绕抗倾覆十字轴42转动；抗倾覆长杆37和抗倾覆短杆41分别固接在抗倾覆十字轴座34上相对的两端，抗倾覆装置轨道罩33固接在箱体外壳上并与抗倾覆短杆41相接触， 抗倾覆装置轨道罩33用于限制抗倾覆十字轴座34转动的范围，抗倾覆脚轮轴38套装抗倾覆脚轮弹簧39后套接在抗倾覆长杆37末端的安装孔内，它可以在抗倾覆长杆37的限制下作平行于抗倾覆步进电机36轴线的弹性线性运动，抗倾覆脚轮40固接在抗倾覆脚轮轴38 上并伴随抗倾覆脚轮轴38运动；该抗倾覆杆合成步进电机和抗倾覆十字轴座34的运动，可有效地防止机器人从壁面上倾覆。抗倾覆装置机构上安装实时姿态传感器，当机器人的姿态发生变化时，传感器将信号送给控制系统，信号经过处理后，控制系统会控制抗倾覆步进电机36带动抗倾覆长杆37绕倾覆十字轴42转动，从而实时控制该抗倾覆装置的抗倾覆长杆37与水平方向保持垂直。 如附图9所示，超声波探头伺服移动装置包括超声波探伤模块、探头架43、横向丝杠步进电机螺母44、横向步进电机丝杠套45、纵向丝杠步进电机螺母46、横向丝杠步进电机固定架47、连接架48、纵向步进电机丝杠套49、探头超声机械接口 50、探头安装座51、纵向丝杠步进电机固定架52、纵向丝杠步进电机53和横向丝杠步进电机54，探头安装座51 和探头机械接口 50都固接在机器人头部的外壳上，纵向丝杠步进电机固定架52固接在探头机械接口 50上，纵向丝杠步进电机53固接在纵向丝杠步进电机固定架52上，纵向丝杠步进电机螺母46安装在纵向丝杠步进电机53上，纵向丝杠步进电机53的转动可以转换为纵向丝杠步进电机螺母46的线性运动，连接架48固接在纵向丝杠步进电机螺母46上，随着纵向丝杠步进电机螺母46运动，并且连接了横向丝杠步进电机固定架47。横向丝杠步进电机54固接在横向丝杠步进电机固定架47上，它同纵向丝杠步进电机53 —样，是种电机输出轴是丝杠的步进电机。横向丝杠步进电机螺母44安装在横向丝杠步进电机54上， 将横向丝杠步进电机54的转动转换为横向丝杠步进电机螺母44的线性运动。探头架43 安装在横向丝杠步进电机螺母44上用于安装超声波探伤模块，通过控制纵向丝杠步进电机53和横向丝杠步进电机54就可以控制超声波探伤模块的运动，横向步进电机丝杠套45 固接在横向丝杠步进电机固定架47，用于限制横向丝杠步进电机螺母44的运动，同样，纵向步进电机丝杠套49固接在纵向丝杠步进电机固定架5 2上以限制纵向丝杠步进电机螺母 46的运动；当超声波探伤模块检测到罐体的故障点后，超声波探伤模块即可启动超声波探伤模块自身的标记装置对故障点进行标记，以便维护工作的进行。
权利要求
1.基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，包括四个驱动单元(56)、四条链条履带、载荷分散机构(27)、抗倾覆装置(58)、超声波探头伺服移动装置(55)、机器人箱体外壳和控制系统；其特征在于四根链条履带分别是左侧主动链条履带(62)、左侧被动链条履带、右侧主动链条履带、右侧被动链条履带，链条履带上带有磁条单元；整体连接关系为超声波探头伺服移动装置(55)固接在机器人箱体外壳的前端；抗倾覆装置(58)固接在机器人箱体外壳上，固接的位置是该装置的重心位置；机器人箱体外壳的左右两侧面上各安装两个驱动单元(56)，但同侧只有一个驱动单元安装伺服电机(7)，左侧主动链条履带(62)和左侧被动链条履带前后并列安装在机器人箱体外壳左侧，右侧主动链条履带和右侧被动链条履带前后并列安装在机器人箱体外壳右侧，安装伺服电机(7)两个驱动单元 (56)分别与左侧主动链条履带(62)和右侧主动链条履带连接；每个载荷分散机构(27)安装在每条链条履带的内侧；控制系统分别放置在机器人箱体外壳内，并与驱动单元(56)、 抗倾覆装置(58)和超声波探头伺服移动装置(55)相连接，其中，安装伺服电机(7)的驱动单元(56)驱动同侧的两条前后并列安装的链条履带。
2.如权利要求1所述的基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，其特征在于所述机器人箱体外壳的壳身由外壳前侧板(63)、外壳上盖(60)、外壳后侧板(64)和外壳下板(61)顺序连接组成连续的环形结构，壳身的左右两侧由外壳侧板(57)封闭后构成机器人箱体外壳。
3.如权利要求1所述的基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，其特征在于所述驱动单元包括码盘(6)、伺服电机(7)、电机固定座(8)、短同步带压紧轮安装装置 (9)、长同步带压紧轮安装架(68)、长同步带压紧轮(66)、履带安装内板(10)、短同步带压紧轮(11)、主动履带链轮(12)、从动履带链轮(21)、履带安装外板(13)、短同步带传动机构(14)、履带链轮松紧调节机构(15)、长同步带轮(16)、支撑套(17)、转轴套(18)、短同步带(19)和夹紧支柱(22)；码盘(6)连接在伺服电机(7)的后部，伺服电机(7)与电机固定座(8)固接，电机固定座(8)固定在机器人箱体外壳上，支撑套(17)与电机固定座(8)及机器人箱体外壳固接，支撑套(17)通过轴承与转轴套(18)相连接，转轴套(18)通过轴承与电机轴相连接；转轴套(18)绕电机轴相对于支撑套(17)转动，转轴套(18)的转动与电机轴的转动互不影响，转轴套(18)与履带安装内板(10)固接；电机轴与短同步带传动机构 (14)的短同步带(19)的同步带轮固接，电机轴的转动传递给短同步带(19)，通过短同步带传动机构(14)将电机轴的转动传递给主动履带链轮(12)；同时，主动履带链轮(12)和同步带轮的轴与履带安装内板(10)相连接，履带安装内板(10)的转动也传递给主动履带链轮(12)，主动履带链轮(12)的运动是履带安装内板(10)与电机轴的合运动，主动履带链轮(12)的运动通过链传动传递给从动履带链轮(21)，履带链轮松紧调节机构(15)安装在履带安装内板(10)的调节槽内，短同步带压紧轮安装装置(9)固接在履带安装内板(10) 上，短同步带压紧轮(11)连接在短同步带压紧轮安装装置(9)上以压紧短同步带传动机构 (14)；夹紧支柱(22)固接在履带安装内板(10)和履带安装外板(13)之间，辅助夹紧短同步带传动机构(14)对履带安装内板(10)的转动进行限制；履带安装外板(13)通过主动履带链轮(12)和从动履带链轮(21)的轴及夹紧支柱(22)与履带安装内板(10)连接；长同步带压紧轮安装架(68)安装在外壳侧板(63)的内侧，长同步带压紧轮(66)安装在长同步带压紧轮安装架(68)上用于压紧长同步带，与长同步带轮(16)固联的传动轴也与伺服电机(7)的轴固联，通过长同步带将伺服电机(7)的运动传递到同侧安装的从动链条履带上； 与长同步带轮(16)固联的传动轴同外壳侧板(57)之间是通过两组轴承实现差动。
4.如权利要求1所述的基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，其特征在于所述链条履带由两个以上的磁条单元(25)并列连接成环形的履带，磁条单元(25)包括链条外链板(1)、隔磁板(2)、外侧轭铁(3)、中间轭铁(4)和磁条(5)，隔磁板⑵通过沉头螺钉与链条外链板(1)相连，隔磁板(2)又通过沉头螺钉与外侧轭铁(3)、中间轭铁(4)连接，外侧轭铁(3)位于一个磁条单元(25)的外侧并具有一个挡边，中间轭铁(4)具有两个挡边，外侧轭铁3和中间轭铁(4)的挡边之间固定磁条(5)；磁条单元(25)外表面包覆一层用来保护和增大摩擦力的橡胶。
5.如权利要求1所述的基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，其特征在于所述一个磁条单元(25)包含两个以上的外侧轭铁(3)、中间轭铁(4)和磁条(5)；其中外侧轭铁(3)的厚度是中间轭铁(4)的二分之一，相邻磁条(5)的磁极相同。
6.如权利要求1所述的基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，其特征在于所述载荷分散机构(27)包括载荷分散轴(28)、载荷分散弹簧(29)、载荷分散轮(30)、载荷分散架(31)和载荷分散座(32)，载荷分散座(32)套装在载荷分散轴(28)上并固接在履带安装外板(13)上，载荷分散轴(28)的下方套装载荷分散弹簧(29)，载荷分散弹簧(29) 与载荷分散座(32)抵触连接，载荷分散轴(28)的底端通过铰链与载荷分散架(31)连接， 载荷分散轴(28)能在载荷分散座(32)内作有弹性的线性运动同时载荷分散架(31)能绕铰链轴心转动，为链条履带分散载荷并保证链条履带紧密贴合壁面；载荷分散轮(30)安装在载荷分散架(31)上压紧链条履带。
7.如权利要求1所述的基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，其特征在于所述抗倾覆装置(58)包括抗倾覆装置轨道罩(33)、抗倾覆十字轴座(34)、抗倾覆步进电机座(35)、抗倾覆步进电机(36)、抗倾覆长杆(37)、抗倾覆脚轮轴(38)、抗倾覆脚轮弹簧(39)、抗倾覆脚轮(40)、抗倾覆短杆(41)、抗倾覆十字轴(42)；抗倾覆步进电机(36)固定在抗倾覆电机座(35)上，而抗倾覆电机座(35)固接在机器人箱体外壳上，抗倾覆十字轴 (42)固接在抗倾覆步进电机(36)的电机轴上，抗倾覆十字轴座(34)与抗倾覆十字轴(42) 相连接，抗倾覆十字轴座(34)能围绕抗倾覆十字轴(42)转动；抗倾覆长杆(37)和抗倾覆短杆(41)分别固接在抗倾覆十字轴座(34)上相对的两端，抗倾覆装置轨道罩(33)固接在机器人箱体外壳上并与抗倾覆短杆(41)相接触，抗倾覆装置轨道罩(33)限制抗倾覆十字轴座(34)转动的范围，抗倾覆脚轮轴(38)套装抗倾覆脚轮弹簧(39)后套接在抗倾覆长杆(37)末端的安装孔内，它可以在抗倾覆长杆(37)的限制下作平行于抗倾覆步进电机(36) 轴线的弹性线性运动，抗倾覆脚轮(40)固接在抗倾覆脚轮轴(38)上并伴随抗倾覆脚轮轴(38)运动；抗倾覆装置(58)上安装实时姿态传感器，当机器人的姿态发生变化时，传感器将信号送给控制系统，信号经过处理后，控制系统会控制抗倾覆步进电机(36)带动抗倾覆长杆(37)绕倾覆十字轴(42)转动，从而实时控制该抗倾覆装置的抗倾覆长杆(37)与水平方向保持垂直。
8.如权利要求1所述的基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，其特征在于所述超声波探头伺服移动装置包括超声波探伤模块、探头架(43)、横向丝杠步进电机螺母(44)、横向步进电机丝杠套(45)、纵向丝杠步进电机螺母(46)、横向丝杠步进电机固定架(47)、连接架(4 8)、纵向步进电机丝杠套(49)、探头超声机械接口(50)、探头安装座 (51)、纵向丝杠步进电机固定架(52)、纵向丝杠步进电机(53)和横向丝杠步进电机(54)， 探头安装座(51)和探头机械接口(50)都固接在机器人头部的外壳上，纵向丝杠步进电机固定架(52)固接在探头机械接口(50)上，纵向丝杠步进电机(53)固接在纵向丝杠步进电机固定架(52)上，纵向丝杠步进电机螺母(46)安装在纵向丝杠步进电机(53)上，纵向丝杠步进电机(53)的转动转换为纵向丝杠步进电机螺母(46)的线性运动，连接架(48)固接在纵向丝杠步进电机螺母(46)上，随着纵向丝杠步进电机螺母(46)运动，并且连接了横向丝杠步进电机固定架(47)；横向丝杠步进电机(54)固接在横向丝杠步进电机固定架(47) 上；横向丝杠步进电机螺母(44)安装在横向丝杠步进电机(54)上，将横向丝杠步进电机 (54)的转动转换为横向丝杠步进电机螺母(44)的线性运动；探头架(43)安装在横向丝杠步进电机螺母(44)上用于安装超声波探伤模块，通过控制纵向丝杠步进电机(53)和横向丝杠步进电机(54)就可以控制超声波探伤模块的运动，横向步进电机丝杠套(45)固接在横向丝杠步进电机固定架(47)，用于限制横向丝杠步进电机螺母(44)的运动，同样，纵向步进电机丝杠套(49)固接在纵向丝杠步进电机固定架(52)上以限制纵向丝杠步进电机螺母(46)的运动；当超声波探伤模块检测到罐体的故障点后，超声波探伤模块即可启动超声波探伤模块自身的标记装置对故障点进行标记。
全文摘要
本发明涉及一种基于壁虎运动肌体结构形态仿生的壁面移动机器人，特别涉及一种用于高大的圆锥状钢塔或大型球罐等具有导磁性材料表面上快速移动且携带大负重作业的壁面移动机器人。本发明的壁面移动机器人是通过对壁虎运动肌体的结构形态进行仿生演化而得出的，包括驱动单元、链条履带、载荷分散机构、抗倾覆装置、超声波探头伺服移动装置、机器人箱体外壳和控制系统；其中链条履带具有相对转动轴和多磁路磁条吸附单元；这种具有壁虎仿生形态结构的机器人不但适合于平坦光滑的导磁性壁面上安全移动，而且还特别适合在各种带有弧度的弯曲壁面上安全移动，并能完成相应的作业，为高空作业提供了一种快速且大负重的自动运载工具。
文档编号B62D57/024GK102219033SQ20111011592
公开日2011年10月19日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者戴福全, 王会彬, 邵洁, 高学山 申请人:北京理工大学