技术领域
[0001] 本
发明属于工程
仿生学和机械设计制造技术领域，涉及一种爪刺式履带爬壁机器人。
背景技术
[0002] 爬壁机器人是能够在垂直壁面上爬行的特种机器人，在灾难搜救、军事侦察、
桥梁检测、星球探测等领域具有广阔的应用前景。
[0003] 粘附技术和移动方式是爬壁机器人的两个关键技术。传统的
真空吸盘和磁
吸附具有应用局限性，真空吸盘在粗糙壁面上容易发生气体
泄漏而失效，磁吸附适用于
铁磁性壁面。而现有的人造仿生干粘附和湿粘附材料容易被灰尘污染而失效，适应于光滑、洁净的壁面，仿甲虫爪刺粘附方式适用于自然界广泛存在的粗糙、多灰尘壁面环境。爬壁机器人通常采用足式、轮式和履带式结构，轮式和履带式爬壁机器人具有结构简单、速度快的优点，且粘附技术使其具有一定壁面过渡和翻越障碍物的能
力。
[0004] 现有履带式爬壁机器人主要采用真空吸盘、磁吸附和仿生干粘附材料作为粘附技术。美国喷气推进实验室(JPL)研制的DROP机器人(Carpenter K,Wiltsie N,Parness A.Rotary Microspine Rough Surface Mobility[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics,2016,21(5):2378-2390.)、中国科学技术大学和中科院合肥物质科学研究院研制的Tbot机器人(Liu Y,Sun S,Wu X,et al.A Wheeled Wall-Climbing Robot with Bio-Inspired Spine Mechanisms[J].Journal of Bionic Engineering,2015,12(1):17-28.)采用轮式结构，利用爪刺可以实现在粗糙壁面上爬行，爬行速度快，但旋转运动也带来了爪刺脱附困难的问题，爪刺容易卡在壁面裂缝中，DROP和Tbot机器人采用强制拽拉方式来脱附。另外，轮式结构相对履带式机器人来说粘附面积小，粘附力小。
发明内容
[0005] 本发明的目的是提供一种爪刺式履带爬壁机器人，通过对
机器人本体和爪刺履带进行导向配合设计，使爪刺按照预先设定的运动轨迹进行粘附和脱附操作，可以轻易地脱离壁面，克服了履带旋转运动带来爪刺脱附困难的问题。
[0006] 本发明所采用的技术方案是，一种爪刺式履带爬壁机器人，包括机器人本体，机器人本体的一端设有
电机，电机的
输出轴上连接有
链轮，机器人本体的另一端设有尾巴，机器人本体上还设有爪刺履带机构，爪刺履带机构与链轮连接。
[0007] 本发明的特点还在于，
[0008] 机器人本体上平行设有
导轨支架A和导轨支架B，导轨支架A和导轨支架B的相对两侧均分别设有环形的导向轨道A和环形的导向轨道B，两个导向轨道A分别设置在导轨支架A和导轨支架B的外侧，两个导向轨道B分别设置在导向支架A和导向支架B的内侧。
[0009] 爪刺履带机构包括若干组片平行设置的爪刺足模
块，每组爪刺足模块包括爪刺支架，爪刺支架的两端分别设有爪刺粘附机构，每个爪刺粘附机构的一侧设有转销A，两个爪刺粘附机构上的转销A相对设置；爪刺支架的中部设有支座，支座内穿插有转销B，转销B的两端分别从支座的两侧伸出，且支座位于转销B的中部；转销A与转销B平行设置，相邻两组爪刺足模块之间通过链条机构连接，链条机构与链轮连接。
[0010] 链条机构包括链条，链条的一端套接在链轮上，链条的相对两侧分别与每组爪刺足模块中的转销B两端连接，链条设置在导轨支架A和导轨支架B之间；
[0011] 在同一组爪刺足模块中，两个爪刺粘附机构上的转销A分别与导轨支架A与导轨支架B外侧的导向轨道A配合；
[0012] 链条中
水平穿插有若干个转销C，转销C的数量与爪刺足模块的组数相同且一一对应设置；
[0013] 每个转销C的两端分别从链条的相对两侧穿出，且链条位于转销C的中部，转销B的两端也分别从链条的相对两侧穿出，且转销B的两端和转销C的两端端部分别与导轨支架A和导轨支架B内侧的导向轨道B配合。
[0014] 尾巴包括连接件，连接件的一端与机器人本体之间通过
舵机连接，连接件的另一端设有尾轮。
[0015] 本发明的有益效果如下：
[0016] (1)爪刺粘附对自然界广泛存在的粗糙壁面适应性更好，履带设计可以增加爪刺粘附数量，进而提高负载能力和爬行
稳定性；
[0017] (2)履带式爬壁机器人结构简单、速度快，在粘附技术的辅助下具有壁面过渡、跨越障碍物的能力；
[0018] (3)机器人本体对爪刺履带具有导向作用，爪刺足模块在导向作用下按预先设定的运动轨迹进行粘附和脱附操作，脱附过程中主动抬起爪刺，爪刺可以轻易脱附壁面，该导向原理也适用于其他方向性粘附材料进行粘附和脱附操作；
[0019] (4)尾轮设计可以减小尾巴
摩擦力，使机器人可以向后爬行。
[0020] (5)爪刺式履带爬壁机器人结构简单、粘附可靠、脱附容易，适用于灾难搜救、军事侦察、桥梁检测、星球探测等粗糙壁面任务环境。
附图说明
[0021] 图1是本发明一种爪刺式履带爬壁机器人的结构示意图；
[0022] 图2是本发明一种爪刺式履带爬壁机器人中机器人本体一侧的结构示意图；
[0023] 图3是本发明一种爪刺式履带爬壁机器人中机器人本体另一侧的结构示意图；
[0024] 图4是本发明一种爪刺式履带爬壁机器人中爪刺足模块的结构示意图；
[0025] 图5是本发明一种爪刺式履带爬壁机器人中链条与爪刺足模块连接的结构示意图。
[0026] 图中，1.机器人本体；
[0027] 2.爪刺履带机构，2-1.爪刺支架；
[0028] 2-2.爪刺粘附机构，2-2-1.架板，2-2-2.隔板，2-2-3.柔性条，2-2-4.爪刺，2-2-5.凹槽；
[0029] 2-3.转销A，2-4.支座，2-5.链条，2-6.转销B，2-7.转销C；
[0030] 3.尾巴，3-1.连接件，3-2.舵机，3-3.尾轮；
[0031] 4.链轮，5.电机，6.导轨支架A，7.导轨支架B，8.导向轨道A，9.导向轨道B。.具体实施方式
[0032] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0033] 本发明一种爪刺式履带爬壁机器人，如图1所示，包括机器人本体1，机器人本体1的一端设有电机5，电机5的输出轴上连接有链轮4，机器人本体1的另一端设有尾巴3，机器人本体1上还设有爪刺履带机构2，爪刺履带机构2与链轮4连接。
[0034] 如图2、3所示，机器人本体1上平行设有导轨支架A6和导轨支架B7，导轨支架A6和导轨支架B7的相对两侧均分别设有环形的导向轨道A8和环形的导向轨道B9，两个导向轨道A8分别设置在导轨支架A6和导轨支架B7的外侧，两个导向轨道B9分别设置在导向支架A6和导向支架B7的内侧。
[0035] 如图4、5所示，爪刺履带机构2包括若干组片平行设置的爪刺足模块，每组爪刺足模块包括爪刺支架2-1，爪刺支架2-1的两端分别设有爪刺粘附机构2-2，每个爪刺粘附机构2-2的一侧设有转销A2-3，两个爪刺粘附机构2-2上的转销A2-3相对设置；爪刺支架2-1的中部设有支座2-4，支座2-4内穿插有转销B2-6，转销B2-6的两端分别从支座2-4的两侧伸出，且支座2-4位于转销B2-6的中部；转销A2-3与转销B2-6平行设置，相邻两组爪刺足模块之间通过链条机构连接，链条机构与链轮4连接。
[0036] 链条机构包括链条2-5，链条2-5的一端套接在链轮4上，链条2-5的相对两侧分别与每组爪刺足模块中的转销B2-6两端连接，链条2-5设置在导轨支架A6和导轨支架B7之间；
[0037] 在同一组爪刺足模块中，两个爪刺粘附机构2-2上的转销A2-3分别与导轨支架A6与导轨支架B7外侧的导向轨道A8配合；
[0038] 链条2-5中水平穿插有若干个转销C2-7，转销C2-7的数量与爪刺足模块的组数相同且一一对应设置；即一组爪刺足模块对应设置一个转销C2-7。
[0039] 每个转销C2-7的两端分别从链条2-5的相对两侧穿出，且链条2-5位于转销C2-7的中部，转销B2-6的两端也分别从链条2-5的相对两侧穿出，且转销B2-6的两端和转销C2-7的两端端部分别与导轨支架A6和导轨支架B7内侧的导向轨道B9配合。链轮4与爪刺履带机构2构成链传动，由电机5通过链传动驱动爪刺履带机构2运转。
[0040] 每个爪刺粘附机构2-2的结构为，包括L形架板2-2-1，架板2-2-1的横板内侧间隔设有若干隔板2-2-2，相邻两个隔板2-2-2之间设有柔性条2-2-3，柔性条2-2-3的一端顶在架板2-2-1的竖板内侧，柔性条2-2-3的另一端设有爪刺2-2-4。
[0041] 柔性条2-2-3的另一端设有凹槽2-2-5，爪刺2-2-4嵌在凹槽2-2-5内，且爪刺2-2-4的形状与凹槽2-2-5的形状相适应，爪刺2-2-4的一端位于凹槽2-2-5内部，爪刺2-2-4的另一端沿着凹槽2-2-5从柔性条2-2-3的另一端端部伸出。
[0042] 爪刺粘附机构2-2中的L形架板2-2-1、隔板2-2-2和柔性条2-2-3可以用尼龙粉末3D打印一体成型，其中柔性条2-2-3为连续波浪形结构。
[0043] 爪刺2-2-4为刚性针尖状结构，能够以机械
锁合的方式抓附在粗糙墙面上，柔性条2-2-3可以减小多个爪刺2-2-4之间的相互干涉，使尽量多的爪刺2-2-4处于有效粘附状态，进而提高爪刺履带机构2在粗糙墙面上的抓附性能。
[0044] 尾巴3包括连接件3-1，连接件3-1的一端与机器人本体1之间通过舵机3-2连接，连接件3-1的另一端设有尾轮3-3。舵机3-2可以调节尾巴3
姿态，尾巴3末端的尾轮3-3设计能够减小爬壁机器人前进和后退过程中尾巴3的摩擦力。
[0045] 本发明一种爪刺式履带爬壁机器人的工作过程为，机器人本体1对爪刺履带机构2具有导向作用，电机5启动，电机5带动链轮4转动，链轮4通过链条2-5带动爪刺履带机构2绕机器人本体1运转过程中，每组爪刺足模块中的两个转销A2-3分别沿两个导向轨道A8滑动，转销B2-6的两端和转销C2-7的两端分别沿两个导向轨道B9滑动，在导向轨道A8和导向轨道B9的导向作用下，爪刺2-2-4能够随爪刺粘附机构2-2按预先设定的轨迹运动，实现粘附和脱附操作，在运动到机器人本体1尾部时，爪刺2-2-4向上抬起进行脱附操作，可以轻易脱离壁面。
