CN111232078B - 一种吸附式可越障爬杆仿生机器人 - Google Patents
一种吸附式可越障爬杆仿生机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，包括控制箱、机械臂、夹持装置及控制系统，机械臂有两个，对称设在控制箱的左右两侧。每个机械臂的一端与控制箱的对应侧转动相连，其另一端设有夹持装置。控制箱的两侧分别设有第一舵机，第一舵机驱动同侧的机械臂转动，控制箱的底部也设有一个夹持装置。机械臂包括上臂和前臂，上臂的一端通过肘关节与前臂的一端活动相连，肘关节上设有肘关节驱动机构。夹持装置包括安装架、抱紧机构、吸附机构，抱紧机构有两个，对称设置在安装架的两端。本发明结构布局巧妙能够适用于多种截面或直径的管道、弯折杆，具有较好的越障能力，通用性强，牢固度好，攀爬能力更佳，提高了安全性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及机械技术领域，具体涉及一种吸附式可越障爬杆仿生机器人。
背景技术
爬杆机器人是机器人的一个重要分支，爬杆机器人需要克服重力的作用从而可靠地依附于管道、电线杆、路灯杆、大桥斜拉索等高层杆状物爬升表面上并自由移动，完成特定条件下的检测、维护、清洗等作业，现有的爬杆机器人仅能够适用于直杆或者一定截面、直径的管道、绳索的攀爬，不具备越障能力，无法实现在弯管或弯折杆上攀爬，通用性差，且攀爬过程中牢固性差，易出现打滑导致损坏的状况。因此，需要设计一种利用吸附加辅助夹持可越障爬杆仿生机器人，以适应于不同直径或截面形状直杆、弯管或绳索。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，解决现有爬杆机器人不能实现越障，仅能满足等截面直杆或绳索的使用，通用性差，攀爬过程中牢固性差，易出现打滑导致损坏的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，包括控制箱、机械臂、夹持装置及控制系统，机械臂有两个，对称设在控制箱的左右两侧。
每个机械臂的一端与控制箱的对应侧转动相连，其另一端设有所述夹持装置。
控制箱的两侧分别设有第一舵机，第一舵机驱动同侧的机械臂转动，所述控制箱的底部也设有一个夹持装置。
机械臂包括上臂和前臂，上臂的一端通过肘关节与前臂的一端活动相连，肘关节上设有肘关节驱动机构。
上臂的另一端通过肩关节与控制箱活动相连，前臂的另一端通过腕关节与对应的夹持装置活动相连。
夹持装置包括安装架、抱紧机构、吸附机构，抱紧机构有两个，对称设置在安装架的两端。
吸附机构也有两个，对称设置在安装架的底部。
进一步地，控制箱包括箱体、旋转支撑板及摄像头，箱体是由箱体侧板、箱体顶板及箱体底板围成的方形结构，摄像头通过推杆电机设置在箱体上方。
进一步地，旋转支撑板有两组，对称设置在箱体的左右两侧，每组旋转支撑板包括一上一下布置且与箱体转动相连的两个旋转支撑板。
同组的两个旋转支撑板均与对应的肩关节固定相连，第一舵机通过旋转支撑板驱动同侧的肩关节相对于箱体转动，所述第一舵机的信号端与控制系统电连接。
进一步地，上臂和前臂分别位于肘关节的两侧，上臂的一端与肩关节铰接，其另一端与肘关节的一侧铰接。
前臂的一端与肘关节的另一侧铰接，其另一端与腕关节铰接，所述腕关节与对应的夹持装置固定相连。
所述腕关节上设置有第二舵机，第二舵机的输出端与对应夹持装置的安装架固定相连，所述第二舵机的信号端与控制系统电连接。
进一步地，所述肘关节驱动机构包括第一齿轮、第二齿轮及第一减速电机，第一、第二齿轮设置在肘关节内侧。
第一齿轮设置在上臂的端部，上臂通过第一齿轮的齿轮轴与肘关节铰接，第二齿轮设置在前臂的端部，前臂通过第二齿轮的齿轮轴与肘关节铰接。
第一减速电机设置在肘关节的外侧，其输出端与第一齿轮的齿轮轴固定相连，驱动前臂绕第二齿轮的齿轮轴转动，所述第一减速电机与控制系统电连接。
进一步地，夹持装置还包括驱动机构，所述驱动机构包括直流电机、第三齿轮及双向丝杆，直流电机通过第一电机支架固定安装在安装架的一侧上方，第三齿轮设置在直流电机的输出端，直流电机的信号端与控制系统电连接。
双向丝杆设置在安装架上且与安装架转动配合，双向丝杆的两端伸出安装架外侧，分别配置有一个蜗轮，各蜗轮驱动同侧的抱紧机构运动。
进一步地，各抱紧机构包括蜗杆支架、蜗杆、主动杆、从动杆和连架杆，蜗杆支架位于安装架的下方，且与其对应侧固定相连。
蜗杆设置在主动杆的一端，主动杆通过蜗杆与蜗杆支架转动相连。
主动杆的另一端与从动杆的中部铰接，连架杆的一端与蜗杆支架铰接，其另一端与从动杆的一端铰接，主动杆、从动杆、连架杆和蜗杆支架组成双摇杆机构。
所述主动杆及从动杆的内侧壁均为夹持面，所述夹持面上设置有防滑层。
进一步地，两个吸附机构对称布置在安装架下方，吸附机构包括一个滑块及一组吸盘，所述滑块位于安装架的下方，其上端与安装架横向滑动配合。
每个滑块上均设有一个驱动块，驱动块与对应的滑块固定相连，同时，驱动块套设在双向丝杆上且与双向丝杆螺纹配合，双向丝杆转动时，可驱动两个滑块同步相对运动。
进一步地，每个滑块的外侧均设置有一个第二电机支架，第二电机支架与同侧的滑块固定相连成一体。
所述第二电机支架上设置有一个减速直流电机，减速直流电机的输出端固定安装有主动轮，两个减速直流电机对称布置，减速直流电机的信号端与控制系统电连接。
进一步地，每个所述安装架顶部的前后两侧对称布置有两个直线导轨，滑块上部的前后两侧分别开设有滑槽，并通过滑槽与两个直线导轨滑动配合。
通过采用上述技术方案，本发明的有益技术效果是：本发明在无障碍情况下，通过主动轮加吸附装置进行行走，主动轮通过减速直流电机进行驱动，双摇杆机构起到一个辅助夹持固定作用，使其不会偏离行走路线，机械臂对夹持装置行走速度的提高起到一个辅助作用，从而提高行走速度以及可靠性。在越障情况下，双摇杆机构张开，机械臂通过抬高使夹持装置越过障碍物继续行走。在转弯情况下，机械臂通过舵机驱动旋转支撑板以及夹持装置通过舵机驱动腕关节使其完成转弯。因此，本发明提供的吸附式可越障爬杆仿生机器人行走速度快、越障能力强且可靠性高，可适应于不同截面形状或直径的直杆、弯折杆及绳索。
附图说明
图1是本发明一种吸附式可越障爬杆仿生机器人一种姿态的结构示意图。
图2是本发明一种吸附式可越障爬杆仿生机器人另一种姿态的结构示意图。
图3是图1某一部分的结构示意图，示出的是机械臂。
图4是本发明的夹持装置在夹紧状态下的结构示意图。
图5是本发明的夹持装置在张开状态下的结构示意图。
图6是本发明的夹持装置去除安装架后的局部结构仰视示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
结合图1至图6，一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，包括控制箱1、机械臂2、夹持装置及控制系统，控制箱1包括箱体11、旋转支撑板14及摄像头12，箱体11是由箱体侧板111、箱体顶板112及箱体底板113螺栓固定连接构成的方形结构，箱体底板113的底部固定安装有垫片，垫片起缓冲和减震的目的。箱体11的内部固定安装有推杆电机13，所述摄像头12位于箱体11上方，且固定安装在通过推杆电机13的输出端，推杆电机13控制摄像头12运动，所述摄像头12的信号端与控制系统电连接，控制系统采用现有技术的单片机。所述箱体11的内部还设置有电源，电源优选采用可充电式蓄电池，电源为推杆电机13供电，同时，电源还为吸附式可越障爬杆仿生机器人的其它所有用电部件供电。
旋转支撑板有两组，对称设置在箱体11的左右两侧，每组旋转支撑板包括一上一下布置且与箱体11转动相连的两个旋转支撑板14，具体地，同组的两个旋转支撑板14均通过固定轴与箱体11转动相连。控制箱1的两侧分别设有第一舵机15，第一舵机15驱动同侧的机械臂2转动，所述控制箱1的底部也设有一个夹持装置。第一舵机15的输出端与所述固定轴同轴固定相连，第一舵机15通过固定轴驱动旋转支撑板14水平转动。
机械臂2有两个，两个机械臂2对称设在控制箱1的左右两侧，同组的两个旋转支撑板14均与对应的机械臂2的一端螺栓固定连接在一起，第一舵机15通过同组的两个旋转支撑板14驱动同侧的机械臂2相对于箱体11转动，所述第一舵机15的信号端与控制系统电连接。每个机械臂2的一端与控制箱1的对应侧转动相连，其另一端设有所述夹持装置，所述第一舵机15可驱动机械臂2绕固定轴转动，调节机械臂2的角度以及该机械臂2上的夹持装置的位置。
所述机械臂2包括上臂21和前臂22，上臂21的一端通过肘关节23与前臂22的一端活动相连，肘关节23上设有肘关节驱动机构24。所述肘关节驱动机构24包括第一齿轮241、第二齿轮242及第一减速电机243，第一齿轮241、第二齿轮242设置在肘关节23的内侧，且与肘关节23转动相连。第一齿轮241设置在上臂21的端部，上臂21通过第一齿轮241的齿轮轴与肘关节23铰接，第二齿轮242设置在前臂22的端部，前臂22通过第二齿轮242的齿轮轴与肘关节23铰接，所述第一齿轮241与第二齿轮242啮合。第一减速电机243固定安装在肘关节23的外侧，其输出端与第一齿轮241的齿轮轴固定相连，驱动前臂22绕第二齿轮242的齿轮轴转动，第一齿轮241与其齿轮轴为一体结构，第二齿轮242与其齿轮轴也为一体结构，所述第一减速电机243与控制系统电连接，第一减速电机243通过第一齿轮241和第二齿轮242调节上臂21和前臂22之间的夹角以及夹持装置的位置。
上臂21的另一端通过肩关节26与控制箱1活动相连，前臂22的另一端通过腕关节25与对应的夹持装置活动相连。上臂21和前臂22分别位于肘关节23的两侧，上臂21的一端与肩关节26铰接，其另一端与肘关节23的一侧铰接，所述肩关节26与其同侧的两个旋转支撑板14均螺栓固定相连，第一舵机15通过旋转支撑板调整肩关节26的角度。前臂22的一端与肘关节23的另一侧铰接，其另一端与腕关节25铰接，所述腕关节25与对应的夹持装置固定相连。所述腕关节25上设置有第二舵机251，第二舵机251的输出端与对应夹持装置的安装架3固定相连，所述第二舵机251的信号端与控制系统电连接，所述第二舵机251的输出端驱动对应的夹持装置转动，以调节所述夹持装置的姿态。
夹持装置包括安装架3、抱紧机构4、吸附机构5，抱紧机构4有两个，对称设置在安装架3的两端。夹持装置还包括驱动机构6，所述驱动机构6包括直流电机61、第三齿轮62及双向丝杆63，直流电机61通过第一电机支架611固定安装在安装架3的一侧上方，第三齿轮62同轴固定安装在直流电机61的输出端，直流电机61的信号端与控制系统电连接。双向丝杆63设置在安装架3上，双向丝杆63的两端分别通过轴承与安装架3转动配合，双向丝杆63的两端伸出安装架3外侧，且分别同轴固定安装有一个蜗轮64，双向丝杆63其中一端的蜗轮64与第三齿轮62啮合，直流电机61通过第三齿轮62和双向丝杆63驱动两个蜗轮64同步转动，每个蜗轮64分别与同侧的抱紧机构4齿轮连接，并能驱动两个抱紧机构4同步运动，实现夹紧或张开。
各抱紧机构4包括蜗杆支架41、蜗杆42、主动杆43、从动杆44和连架杆45，蜗杆支架41位于安装架3的下方，且与其对应侧固定相连。蜗杆42与主动杆43的一端固定相连，同时，蜗杆42与同侧的蜗杆支架41转动相连，蜗轮64驱动蜗杆42转动，蜗轮64与蜗杆42为非自锁，主动杆43通过蜗杆42与蜗杆支架41转动相连。主动杆43的另一端与从动杆44的中部铰接，连架杆45的一端与蜗杆支架41铰接，其另一端与从动杆44的一端铰接，主动杆43、从动杆44、连架杆45和蜗杆支架41组成双摇杆机构。
所述主动杆43及从动杆44的内侧壁均为夹持面，所述夹持面上设置有防滑层46，所述蜗杆42与对应的蜗轮64啮合，蜗轮64通过蜗杆42驱动主动杆43转动，从动杆44随主动杆43一起运动，同时，从动杆44在连架杆45的作用下绕主动杆43转动，实现两个主动杆43和两个从动杆44之间的角度调节，从而使两个抱紧机构4夹紧或张开。
吸附机构5也有两个，两个吸附机构5对称设置在安装架3的底部，吸附机构5包括一个滑块51及一组吸盘52，所述滑块51位于安装架3的下方，其上端与安装架3横向滑动配合。一组吸盘52包括规则排布的至少两个吸盘52，所述吸盘52均与设置在控制箱1内的气泵相连。具体地，每个所述安装架3顶部的前后两侧对称布置有两个直线导轨31，滑块51上部的前后两侧分别开设有滑槽，并通过滑槽与两个直线导轨31滑动配合。
每个滑块51上均设有一个驱动块53，每个驱动块53均与对应的滑块51固定相连，同时，驱动块53套设在双向丝杆63上且与双向丝杆63螺纹配合，双向丝杆63转动时，可驱动两个滑块51同步相对运动。每个滑块51的外侧均设置有一个第二电机支架71，第二电机支架71与同侧的滑块51固定相连成一体。所述第二电机支架71上设置有一个减速直流电机72，减速直流电机72的输出端固定安装有主动轮73，两个减速直流电机72对称布置，减速直流电机72的信号端与控制系统电连接。所述双向丝杆63转动时，通过驱动块53驱动两个滑块51沿直线导轨31同步靠近或远离。
本发明的工作过程如下：
吸附式可越障爬杆仿生机器人的行走过程分两步进行，首先，控制箱1底部的夹持装置的主动杆43及从动杆44处于夹紧状态，实现其在杆件上的固定。两个机械臂2端部的夹持装置分别位于控制箱1的两侧，位于机械臂2端部的两个夹持装置的主动杆43及从动杆44与杆件表面分离，并保持在杆件的外侧，在吸盘52的作用下主动轮73贴紧在杆件的外壁上，减速直流电机72驱动主动轮73行走。根据行走方向，控制箱1一侧的夹持装置沿远离控制箱1的方向运动，控制箱1另一侧的夹持装置沿靠近控制箱1的方向运动，控制箱1两侧夹持装置的运动是由肘关节驱动机构24驱动对应的机械臂2实现，具体地，两个机械臂通过第一齿轮241、第二齿轮242实现上臂21和前臂22的姿态调节。
其次，控制箱1两侧夹持装置运动到位后停止运动，两个机械臂2两侧的两个夹持装置主动杆43及从动杆44夹紧杆件，同时，控制箱1底部的夹持装置的主动杆43及从动杆44松开杆件，与杆件表面分离，并保持在杆件的外侧，控制箱1底部的夹持装置在吸盘52的作用下主动轮73贴紧在杆件的外壁上，减速直流电机72驱动主动轮73同时吸盘工作向行进方向一侧行走，同时，根据行走方向，控制箱1底部的夹持装置向行进方向一侧运动，控制箱1底部夹持装置的运动是由肘关节驱动机构24驱动对应的机械臂2实现，两个机械臂2协同配合，控制箱1底部夹持装置运动到位后停止，控制箱1底部夹持装置重新抱紧在杆件上，控制箱1两侧的两个夹持装置恢复到初始状态。上述两个过程依次交替进行，实现吸附式可越障爬杆仿生机器人在直杆、弯折杆或绳索上连续攀爬。
该发明在越障情况下，当在正常情况行走遇到障碍时，夹持装置的驱动机构6控制其主动杆43及从动杆44张开，肘关节驱动机构24调节机械臂的姿态使其端部的夹持装置抬高越过障碍物，然后恢复到正常情况下再次保持在杆件的外部，继续进行行走。
该发明在转弯情况下，首先，位于行进方向一侧的机械臂2端部的夹持装置张开，该机械臂2由设置在控制箱1位于行进方向一侧的第一舵机15通过旋转支撑板14驱动其转动一定角度后，机械臂2底部的夹持装置通过设置在腕关节25处的第二舵机251驱动旋转一定角度使其完成转向，该机械臂2端部的夹持装置张开重新夹紧杆件，并继续进行行走。
本发明中未述及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，包括控制箱、机械臂、夹持装置及控制系统，其特征在于，机械臂有两个，对称设在控制箱的左右两侧；
每个机械臂的一端与控制箱的对应侧转动相连，其另一端设有所述夹持装置；
控制箱的两侧分别设有第一舵机，第一舵机驱动同侧的机械臂转动，所述控制箱的底部也设有一个夹持装置；
机械臂包括上臂和前臂，上臂的一端通过肘关节与前臂的一端活动相连，肘关节上设有肘关节驱动机构；
上臂的另一端通过肩关节与控制箱活动相连，前臂的另一端通过腕关节与对应的夹持装置活动相连；
夹持装置包括安装架、抱紧机构、吸附机构，抱紧机构有两个，对称设置在安装架的两端；
吸附机构也有两个，对称设置在安装架的底部。
2.根据权利要求1所述的一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，其特征在于，控制箱包括箱体、旋转支撑板及摄像头，箱体是由箱体侧板、箱体顶板及箱体底板围成的方形结构，摄像头通过推杆电机设置在箱体上方。
3.根据权利要求2所述的一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，其特征在于，旋转支撑板有两组，对称设置在箱体的左右两侧，每组旋转支撑板包括一上一下布置且与箱体转动相连的两个旋转支撑板；
同组的两个旋转支撑板均与对应的肩关节固定相连，第一舵机通过旋转支撑板驱动同侧的肩关节相对于箱体转动，所述第一舵机的信号端与控制系统电连接。
4.根据权利要求1所述的一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，其特征在于，上臂和前臂分别位于肘关节的两侧，上臂的一端与肩关节铰接，其另一端与肘关节的一侧铰接；
前臂的一端与肘关节的另一侧铰接，其另一端与腕关节铰接，所述腕关节与对应的夹持装置固定相连；
所述腕关节上设置有第二舵机，第二舵机的输出端与对应夹持装置的安装架固定相连，所述第二舵机的信号端与控制系统电连接。
5.根据权利要求4所述的一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，其特征在于，所述肘关节驱动机构包括第一齿轮、第二齿轮及第一减速电机，第一、第二齿轮设置在肘关节内侧；
第一齿轮设置在上臂的端部，上臂通过第一齿轮的齿轮轴与肘关节铰接，第二齿轮设置在前臂的端部，前臂通过第二齿轮的齿轮轴与肘关节铰接；
第一减速电机设置在肘关节的外侧，其输出端与第一齿轮的齿轮轴固定相连，驱动前臂绕第二齿轮的齿轮轴转动，所述第一减速电机与控制系统电连接。
6.根据权利要求1所述的一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，其特征在于，夹持装置还包括驱动机构，所述驱动机构包括直流电机、第三齿轮及双向丝杆，直流电机通过第一电机支架固定安装在安装架的一侧上方，第三齿轮设置在直流电机的输出端，直流电机的信号端与控制系统电连接；
双向丝杆设置在安装架上且与安装架转动配合，双向丝杆的两端伸出安装架外侧，分别配置有一个蜗轮，各蜗轮驱动同侧的抱紧机构运动。
7.根据权利要求1所述的一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，其特征在于，各抱紧机构包括蜗杆支架、蜗杆、主动杆、从动杆和连架杆，蜗杆支架位于安装架的下方，且与其对应侧固定相连；
蜗杆设置在主动杆的一端，主动杆通过蜗杆与蜗杆支架转动相连；
主动杆的另一端与从动杆的中部铰接，连架杆的一端与蜗杆支架铰接，其另一端与从动杆的一端铰接，主动杆、从动杆、连架杆和蜗杆支架组成双摇杆机构；
所述主动杆及从动杆的内侧壁均为夹持面，所述夹持面上设置有防滑层。
8.根据权利要求6所述的一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，其特征在于，两个吸附机构对称布置在安装架下方，吸附机构包括一个滑块及一组吸盘，所述滑块位于安装架的下方，其上端与安装架横向滑动配合；
每个滑块上均设有一个驱动块，驱动块与对应的滑块固定相连，同时，驱动块套设在双向丝杆上且与双向丝杆螺纹配合，双向丝杆转动时，可驱动两个滑块同步相对运动。
9.根据权利要求8所述的一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，其特征在于，每个滑块的外侧均设置有一个第二电机支架，第二电机支架与同侧的滑块固定相连成一体；
所述第二电机支架上设置有一个减速直流电机，减速直流电机的输出端固定安装有主动轮，两个减速直流电机对称布置，减速直流电机的信号端与控制系统电连接。
10.根据权利要求8所述的一种吸附式可越障爬杆仿生机器人，其特征在于，每个所述安装架顶部的前后两侧对称布置有两个直线导轨，滑块上部的前后两侧分别开设有滑槽，并通过滑槽与两个直线导轨滑动配合。
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