一种双足式行走岩壁攀爬机器人的制作方法

1.本实用新型涉及一种双足式行走岩壁攀爬机器人，属于移动机器人技术领域。


背景技术：

2.随着机器人技术的发展，越来越多的国家意识到这一技术的重要性并积极投身于机器人的研发工作中；相比于国外，我国投入岩壁攀爬机器人研发项目的时间较晚，但截至目前也取得了相当可观的研究成果。美中不足的是，受限于目标工作的智能复杂程度和功能与场合的条件限制，如救生，攀岩等高危险高水平的作业工程仍无法进行替代，只能由专业人士亲自完成方能保证工程质量。针对高空作业，如栈道修建，岩壁开线作业，景区崖壁维护工作等，目前已开发的设计大致包括吸盘式机器人，履带式机器人，仿生式机器人，但都存在行业应用领域限制，安全性能欠佳，研究价值欠缺等方面的不足。


技术实现要素：

3.本实用新型要解决的技术问题是：本实用新型提供一种双足式行走岩壁攀爬机器人，可实现多自由度活动，可以代替专业人员进行具有较高危险性的高空作业工作，一定程度上节省人力资源；具备一定壁面作业能力，也可以作为搭载平台搭载其他设备在岩壁上行走和工作，提高工作效率。
4.本实用新型技术方案是：一种双足式行走岩壁攀爬机器人，包括中间部分、两侧部分；
5.所述中间部分包括第一双轴双连杆转向关节30；
6.所述两侧部分关于中间部分成左右对称设置；两侧部分结构相同，其中一侧部分包括单轴旋转关节31、第二双轴双连杆转向关节30、钻机机构29；钻机机构29与第二双轴双连杆转向关节30连接，第二双轴双连杆转向关节30与单轴旋转关节31连接，单轴旋转关节31与第一双轴双连杆转向关节30通过连杆27连接。
7.作为本实用新型的进一步方案，所述第一双轴双连杆转向关节30和第二双轴双连杆转向关节30结构均相同，其中，第二双轴双连杆转向关节30包括双轴双连杆转向关节ⅰ、双轴双连杆转向关节ⅱ，双轴双连杆转向关节ⅰ、双轴双连杆转向关节ⅱ的结构均相同，且关于齿轮轴ⅱ32呈中心对称分布，其中双轴双连杆转向关节ⅰ包括关节架ⅰ20、圆锥齿轮ⅰ21、圆锥齿轮ⅱ22、联轴套23、减速电机24、关节架ⅱ25、开槽盘头螺钉26；
8.所述关节架ⅰ20和关节架ⅱ25作为第二双轴双连杆转向关节30的外壳结构；第二双轴双连杆转向关节30内部选用减速电机24作为动力源，使用四个开槽盘头螺钉26固定于关节架ⅰ20中，减速电机24的输出端连接联轴套23，配有轴承盖和两个开槽盘头螺钉26加以固定，联轴套23的另一端连接一组圆锥齿轮啮合传动机构，圆锥齿轮啮合传动机构由圆锥齿轮ⅰ21、圆锥齿轮ⅱ22组成，联轴套23的另一端连接圆锥齿轮ⅱ22，圆锥齿轮ⅱ22与圆锥齿轮ⅰ21啮合，圆锥齿轮ⅰ21固定的套在齿轮轴ⅱ32上；
9.所述齿轮轴ⅱ32的两端活动的与关节架ⅰ20的两侧连接，关节架ⅱ25的一端与关
节架ⅰ20固定连接，关节架ⅱ25的另一端与双轴双连杆转向关节ⅱ的齿轮轴ⅱ32固定连接；
10.同理，双轴双连杆转向关节ⅱ的齿轮轴ⅱ32的两端活动的与双轴双连杆转向关节ⅱ的关节架ⅰ20的两侧连接，双轴双连杆转向关节ⅱ的关节架ⅱ25的一端与双轴双连杆转向关节ⅱ的关节架ⅰ20固定连接，双轴双连杆转向关节ⅱ的关节架ⅱ25的另一端与双轴双连杆转向关节ⅰ的齿轮轴ⅱ32固定连接。
11.作为本实用新型的进一步方案，所述第一双轴双连杆转向关节30的末端与连杆27连接，同时连杆27与单轴旋转关节31中的旋转托盘16通过六角螺栓螺母ⅲ28连接，在单轴旋转关节31中旋转托盘16上端通过连杆27连接第一双轴双连杆转向关节30，下端则采用六角螺栓螺母ⅱ15连接至关节轴19。
12.作为本实用新型的进一步方案，所述单轴旋转关节31包括减速电机10、关节盖板11、联轴器12、圆柱齿轮ⅰ13、六角螺栓螺母ⅰ14、六角螺栓螺母ⅱ15、旋转托盘16、关节外壳17、圆柱齿轮ⅱ18、关节轴19；减速电机10设置在关节外壳17上，减速电机10的输出端与圆柱齿轮ⅰ13相连接，两者之间安装有联轴器12用于保证动力传输，圆柱齿轮ⅰ13与圆柱齿轮ⅱ18啮合，构成一组齿轮传动机构，圆柱齿轮ⅱ18嵌套于关节轴19之上，关节轴19活动的通过轴承与关节外壳17上下两侧连接，关节轴19的上底端通过六角螺栓螺母ⅱ15与旋转托盘16固定连接，旋转托盘16与连杆27通过六角螺栓螺母ⅲ28连接，连杆27再与第一双轴双连杆转向关节30连接；关节外壳17下端与第二双轴双连杆转向关节30的关节架ⅰ20连接；
13.所述关节外壳17有两个，关节盖板11有一个，两个关节外壳17和一个关节盖板11组成单轴旋转关节31的外壳，两个完全相同的半圆柱形关节外壳17采用六角螺母配合14进行锁紧，其右端配有关节盖板11进行封装，锁紧方式为四个十字槽小盘头螺钉配合。
14.作为本实用新型的进一步方案，所述钻机机构29包括钻机电机1、弹性联轴器2、圆柱齿轮轴3、圆柱齿轮ⅲ4、齿轮轴ⅰ5、直柄短麻花钻9；
15.所述钻机机构29的末端便是钻头直柄短麻花钻9，钻机电机1的输出端与圆柱齿轮轴3相连，两者中间配有两个弹性联轴器2，以适应偏差，精确传递扭矩；圆柱齿轮轴3与圆柱齿轮ⅲ4啮合，构成轴齿轮传动机构，圆柱齿轮ⅲ4固定于齿轮轴ⅰ5之上，齿轮轴ⅰ5与直柄短麻花钻9固定连接。
16.作为本实用新型的进一步方案，所述钻机机构29还包括锁紧螺母6、弹簧7、膨胀套8；
17.所述锁紧螺母6设置在齿轮轴ⅰ5与直柄短麻花钻9外面用于锁紧齿轮轴ⅰ5与直柄短麻花钻9，弹簧7位于锁紧螺母6上；锁紧螺母6、弹簧7的外部装有膨胀螺栓顶紧圈34；膨胀螺栓螺母33和膨胀套8安装在直柄短麻花钻9上，膨胀套8与膨胀螺栓螺母33接触，膨胀螺栓螺母33与直柄短麻花钻9螺纹连接，膨胀螺栓螺母33与膨胀螺栓顶紧圈34固定连接。
18.本实用新型的有益效果是：
19.本实用新型的行走方式为双足式行走，两端以中心为对称点的镜向机构两足末端均为工作端，可以在崖壁上进行钻孔作业，也可以搭载摄像设备和其他小型工作机构在崖壁上进行其他作业，适用于行进路面较为复杂的场合；足底固定机构采用膨胀套和钻头的组合方式，这种设计是基于膨胀螺栓的工作原理：先选用合适口径的钻头在壁面上一定深度的钻孔工作，将膨胀螺栓放入后拧紧螺母，膨胀套便会膨胀，同时螺栓就能有一定的负载，从而更好的固定好螺栓，该方式在工程中的应用日益广泛；活动关节的设计采用单轴旋
转关节和双轴双连杆转向关节的综合应用，保证两端都能进行相同的作业。
附图说明
20.图1是本实用新型总体结构示意图；
21.图2是本实用新型的连杆(27)与旋转托盘(16)之间连接机构的装配图；
22.图3是本实用新型的双轴双连杆转向关节(30)的机构装配剖视图；
23.图4是本实用新型的单轴旋转关节(31)的机构装配剖视图；
24.图5是本实用新型的钻机机构(29)装配剖视图。
25.图1
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5中各标号：1
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钻机电机，2
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弹性联轴器，3
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圆柱齿轮轴，4
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圆柱齿轮ⅲ，5
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齿轮轴ⅰ，6
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锁紧螺母，7
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弹簧，8
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膨胀套，9
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直柄短麻花钻，10
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减速电机，11
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关节盖板，12
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联轴器，13
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圆柱齿轮ⅰ，14
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六角螺栓螺母ⅰ，15
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六角螺栓螺母ⅱ，16
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旋转托盘，17
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关节外壳，18
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圆柱齿轮ⅱ，19
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关节轴，20
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关节架ⅰ，21
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圆锥齿轮ⅰ，22
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圆锥齿轮ⅱ，23
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联轴套，24
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减速电机，25
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关节架ⅱ，26
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开槽盘头螺钉，27
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连杆，28
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六角螺栓螺母ⅲ，29
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钻机机构，30
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双轴双连杆转向关节，31
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单轴旋转关节，32
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齿轮轴ⅱ，33
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膨胀螺栓螺母，34
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膨胀螺栓顶紧圈。
具体实施方式
26.下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步说明。
27.实施例1：如图1
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5所示，一种双足式行走岩壁攀爬机器人，包括中间部分、两侧部分；
28.所述中间部分包括第一双轴双连杆转向关节30；
29.所述两侧部分关于中间部分成左右对称设置；两侧部分结构相同，其中一侧部分包括单轴旋转关节31、第二双轴双连杆转向关节30、钻机机构29；钻机机构29与第二双轴双连杆转向关节30连接，第二双轴双连杆转向关节30与单轴旋转关节31连接，单轴旋转关节31与第一双轴双连杆转向关节30通过连杆27连接。
30.作为本实用新型的进一步方案，所述第一双轴双连杆转向关节30和第二双轴双连杆转向关节30结构均相同，其中，第二双轴双连杆转向关节30包括双轴双连杆转向关节ⅰ、双轴双连杆转向关节ⅱ，双轴双连杆转向关节ⅰ、双轴双连杆转向关节ⅱ的结构均相同，且关于齿轮轴ⅱ32呈中心对称分布，其中双轴双连杆转向关节ⅰ包括关节架ⅰ20、圆锥齿轮ⅰ21、圆锥齿轮ⅱ22、联轴套23、减速电机24、关节架ⅱ25、开槽盘头螺钉26；
31.所述关节架ⅰ20和关节架ⅱ25作为第二双轴双连杆转向关节30的外壳结构；第二双轴双连杆转向关节30内部选用减速电机24作为动力源，使用四个开槽盘头螺钉26固定于关节架ⅰ20中，减速电机24的输出端连接联轴套23，配有轴承盖和两个开槽盘头螺钉26加以固定，联轴套23的另一端连接一组圆锥齿轮啮合传动机构，圆锥齿轮啮合传动机构由圆锥齿轮ⅰ21、圆锥齿轮ⅱ22组成，联轴套23的另一端连接圆锥齿轮ⅱ22，圆锥齿轮ⅱ22与圆锥齿轮ⅰ21啮合，圆锥齿轮ⅰ21固定的套在齿轮轴ⅱ32上；
32.所述齿轮轴ⅱ32的两端活动的与关节架ⅰ20的两侧连接，关节架ⅱ25的一端与关节架ⅰ20固定连接，关节架ⅱ25的另一端与双轴双连杆转向关节ⅱ的齿轮轴ⅱ32固定连接；
33.同理，双轴双连杆转向关节ⅱ的齿轮轴ⅱ32的两端活动的与双轴双连杆转向关节
ⅱ
的关节架ⅰ20的两侧连接，双轴双连杆转向关节ⅱ的关节架ⅱ25的一端与双轴双连杆转向关节ⅱ的关节架ⅰ20固定连接，双轴双连杆转向关节ⅱ的关节架ⅱ25的另一端与双轴双连杆转向关节ⅰ的齿轮轴ⅱ32固定连接。
34.作为本实用新型的进一步方案，所述第一双轴双连杆转向关节30的末端与连杆27连接，同时连杆27与单轴旋转关节31中的旋转托盘16通过六角螺栓螺母ⅲ28连接，在单轴旋转关节31中旋转托盘16上端通过连杆27连接第一双轴双连杆转向关节30，下端则采用六角螺栓螺母ⅱ15连接至关节轴19。
35.作为本实用新型的进一步方案，所述单轴旋转关节31包括减速电机10、关节盖板11、联轴器12、圆柱齿轮ⅰ13、六角螺栓螺母ⅰ14、六角螺栓螺母ⅱ15、旋转托盘16、关节外壳17、圆柱齿轮ⅱ18、关节轴19；减速电机10设置在关节外壳17上，减速电机10的输出端与圆柱齿轮ⅰ13相连接，两者之间安装有联轴器12用于保证动力传输，圆柱齿轮ⅰ13与圆柱齿轮ⅱ18啮合，构成一组齿轮传动机构，圆柱齿轮ⅱ18嵌套于关节轴19之上，关节轴19活动的通过轴承与关节外壳17上下两侧连接，关节轴19的上底端通过六角螺栓螺母ⅱ15与旋转托盘16固定连接，旋转托盘16与连杆27通过六角螺栓螺母ⅲ28连接，连杆27再与第一双轴双连杆转向关节30连接；关节外壳17下端与第二双轴双连杆转向关节30的关节架ⅰ20连接；
36.所述关节外壳17有两个，关节盖板11有一个，两个关节外壳17和一个关节盖板11组成单轴旋转关节31的外壳，两个完全相同的半圆柱形关节外壳17采用六角螺母配合14进行锁紧，其右端配有关节盖板11进行封装，锁紧方式为四个十字槽小盘头螺钉配合。
37.作为本实用新型的进一步方案，所述钻机机构29包括钻机电机1、弹性联轴器2、圆柱齿轮轴3、圆柱齿轮ⅲ4、齿轮轴ⅰ5、直柄短麻花钻9；
38.所述钻机机构29的末端便是钻头直柄短麻花钻9，钻机电机1的输出端与圆柱齿轮轴3相连，两者中间配有两个弹性联轴器2，以适应偏差，精确传递扭矩；圆柱齿轮轴3与圆柱齿轮ⅲ4啮合，构成轴齿轮传动机构，圆柱齿轮ⅲ4固定于齿轮轴ⅰ5之上，齿轮轴ⅰ5与直柄短麻花钻9固定连接。
39.作为本实用新型的进一步方案，所述钻机机构29还包括锁紧螺母6、弹簧7、膨胀套8；
40.所述锁紧螺母6设置在齿轮轴ⅰ5与直柄短麻花钻9外面用于锁紧齿轮轴ⅰ5与直柄短麻花钻9，弹簧7位于锁紧螺母6上；锁紧螺母6、弹簧7的外部装有膨胀螺栓顶紧圈34；膨胀螺栓螺母33和膨胀套8安装在直柄短麻花钻9上，膨胀套8与膨胀螺栓螺母33接触，膨胀螺栓螺母33与直柄短麻花钻9螺纹连接。膨胀螺栓螺母33与膨胀螺栓顶紧圈34固定连接。
41.作为本实用新型的进一步说明，所述锁紧螺母6用于锁紧齿轮轴ⅰ5和直柄短麻花钻9，弹簧7位于锁紧螺母6上；锁紧螺母6、弹簧7的外部装有膨胀螺栓顶紧圈34；膨胀螺栓螺母33和膨胀套8安装在直柄短麻花钻9上。工作时，先由直柄短麻花钻9打出一定深度的孔，之后钻机电机1反转，膨胀螺栓螺母33向前进给，将膨胀套8向前推进并使其前端涨大，以达到固定效果。
42.因为直柄短麻花钻9和膨胀螺栓螺母33接触的螺纹方向决定了钻机电机1正转的时候是不会使得膨胀螺栓螺母33向前进的，只会保持原位置。而钻机电机1反转的时候才会使得膨胀螺栓螺母33在螺纹方向产生进给，将膨胀套8向前推进涨大，以达到固定效果，弹簧7一直是保持着一定的压缩状态的，是为了保证膨胀螺栓螺母33能和直柄短麻花钻9上的
螺纹接触，确保在反转的时候33一定能向前进给。
43.本实用新型的具体工作过程如下：
44.本实用新型的行走方式为双足式行走机构，整体结构采用对称设计，单边由第二双轴双连杆转向关节30和单轴旋转关节31以及钻机机构29组成。
45.位于对称设计中心的是第一双轴双连杆转向关节30，作为机器人对称结构的中间部分以此连接双足式设计的双足，其内部选用减速电机24作为动力源，为此部分提供旋转动力，减速电机24的输出端连接联轴套23，联轴套23的另一端连接一组圆锥齿轮啮合机构，由圆锥齿轮ⅰ21、圆锥齿轮ⅱ22组成，实现旋转方向和垂直的转变，圆锥齿轮ⅰ21与齿轮轴ⅱ32相连，将动力进一步传递，由此将减速电机24的旋转动力传递至齿轮轴ⅱ32。工作时，此部分的动力传输路线为：减速电机24——联轴套23——圆锥齿轮传动机构(圆锥齿轮ⅱ22、圆锥齿轮ⅰ21)——齿轮轴ⅱ32。第二双轴双连杆转向关节30为两个完全相同的部分组成，包括双轴双连杆转向关节ⅰ、双轴双连杆转向关节ⅱ，双轴双连杆转向关节ⅰ、双轴双连杆转向关节ⅱ的结构均相同，且关于齿轮轴ⅱ32呈中心对称分布，其中双轴双连杆转向关节ⅰ包括关节架ⅰ20、圆锥齿轮ⅰ21、圆锥齿轮ⅱ22、联轴套23、减速电机24、关节架ⅱ25、开槽盘头螺钉26，双轴双连杆转向关节ⅰ、双轴双连杆转向关节ⅱ的齿轮轴ⅱ32都旋转，则图3的整个结构就能实现弯曲了，配合第一双轴双连杆转向关节30设计以此实现双轴双连杆转向，与人类胯骨相似，起到双足式行走的效果。
46.第一双轴双连杆转向关节30和第二双轴双连杆转向关节30之间连接的是单轴旋转关节31。此部分选用减速电机10作为动力源，工作过程中，减速电机10输出动力，其输出端与圆柱齿轮ⅰ13相连接，两者之间安装有联轴器12用于补偿两轴之间的偏移，同时保证动力传输，圆柱齿轮ⅰ13与圆柱齿轮ⅱ18啮合，构成一组齿轮传动机构，起到改变旋转方向的作用。圆柱齿轮ⅱ18嵌套于关节轴19之上，将动力传递至关节轴19。关节轴19贯穿整个单轴旋转关节，可将从圆柱齿轮传动机构传递过来的动力传递至整个机构，实现整个机构的旋转运动，同时左右两端各配备一个角接触球轴承用于承受径向载荷和轴向载荷。整个单轴旋转关节31机构中的动力传输路线为：减速电机10——联轴器12——圆柱齿轮传动机构(圆柱齿轮ⅰ13、圆柱齿轮ⅱ18)——关节轴19——第一双轴双连杆转向关节30，第一双轴双连杆转向关节30转动带动了图1中右边部分的钻机机构29转动；具体的，当图1中左边的钻机机构29插入墙面后，左边的单轴旋转关节31的关节轴19的转动会带动中间的第一双轴双连杆转向关节30转动，最终带动图1中右边部分第二双轴双连杆转向关节30、钻机机构29转动。第一双轴双连杆转向关节30的末端与连杆27连接，同时连杆27与单轴旋转关节31中的旋转托盘16连接，连接方式采用三个六角螺栓螺母ⅲ28。此部分是第一双轴双连杆转向关节30与单轴旋转关节31的连接方式，此处仅作连接设计，不具备旋转功能，本身不会自我旋转，同时又可以为后续机构提供单轴旋转的自由度。
47.单轴旋转关节31的下端再与第二双轴双连杆转向关节30相连。单轴旋转关节31中的关节外壳17与第二双轴双连杆转向关节30中的关节架ⅰ20采用螺纹连接。此处的第二双轴双连杆转向关节30仍旧起到机构弯曲的作用，效果主要类似于双足的膝盖，用于双足式行走的整体结构弯曲，为后续结果提供弯曲自由度。
48.第二双轴双连杆转向关节30的另一端与钻机机构29相连。该部分仍然选择电机作为动力源，钻机外壳利用几何形状约束原理固定钻机电机1，钻机电机1的输出端与圆柱齿
轮轴3相连，依次将钻机电机1的旋转动力传递出来，为达到适应偏差，精确传递扭矩的效果，两者中间配有两个弹性联轴器2增加系统可靠性。圆柱齿轮轴3与圆柱齿轮ⅲ4啮合，构成轴齿轮传动机构，传递旋转动力，改变旋转方向。圆柱齿轮ⅲ4固定于齿轮轴ⅰ5之上，齿轮轴ⅰ5延伸至钻机末端执行器直柄短麻花钻9，将动力进一步传递，直柄短麻花钻9上配备有锁紧螺母6和弹簧7，以此为直柄短麻花钻9提供轴向位移的活动空间。钻机机构29，其末端便是钻头，也是整个结构的末端执行器。末端执行器中包含膨胀套8和直柄短麻花钻9，由传递过来的动力进行攀岩时的墙面固定工作，适合复杂壁面固定要求，有较高负载能力，可发挥固定机构的作用。故钻机部分的旋转动力传输路线为：钻机电机1——弹性联轴器2——圆柱齿轮轴3——圆柱齿轮ⅲ4——齿轮轴ⅰ5——末端执行器。
49.综上所述，一种双足式行走岩壁攀爬机器人，其工作时各部分均具有独立的电机作为动力源，相互之间不会出现动力交叉而使机构运行出现扭曲破坏。中间的第一双轴双连杆转向关节30类似人类的胯骨，起到张开“双足”，位于“单足”上的单轴旋转关节31可以起到绕单轴旋转的作用，第二双轴双连杆转向关节30类似于人类膝盖，起到“单足”弯曲的作用，同时也可调整转向，满足不同方向的需求。最后，钻机机构29的末端执行器采用膨胀套8和直柄短麻花钻9设计，在钻机电机1提供的动力下进行攀岩时的墙面固定工作，适合复杂壁面固定要求，有较高负载能力，可发挥固定机构的作用，同时给予螺栓一定的负载，进一步提升固定效果。
50.上面结合附图对本实用新型的具体实施例作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下作出各种变化。