CN115285246B - 一种连续驱动式爬绳机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续驱动式爬绳机器人，解决现有的爬绳机器人驱动结构复杂，控制信号要求高的问题。本装置包括前攀爬模块和后攀爬模块，前攀爬模块和后攀爬模块结构相同、前后朝向相反，前攀爬模块设置向前伸出的摆动抱夹机构，后攀爬模块设置向后伸出的摆动抱夹机构，摆动抱夹机构前端设置有夹持缆绳的上夹板和下夹板，前攀爬模块和后攀爬模块内部分别设置有驱动摆动抱夹机构进行连续开合、推拉循环动作的电机，前攀爬模块后端和后攀爬模块前端通过无驱动力的连杆连接。本发明只需两个驱动源，即可实现爬绳机器人前后交替连续驱动爬绳，且只需进行电机的转速同步、半个周期延迟的初始控制，大大减少了控制难度，避免了爬绳过程中频繁的信号传递控制。

Description

一种连续驱动式爬绳机器人

技术领域

本发明属于攀爬机械设备领域，涉及一种连续驱动式爬绳机器人。

背景技术

钢丝绳等高空缆绳需要定期检查、维护、保养，现有的钢丝绳维护作业，多采用人工完成，工作效率低、施工成本高、而且存在一定的危险性。现在有一些模仿虫蠕动的爬绳机器人，可以沿钢丝绳攀爬，代替人工作业。现有的爬绳机器人，多分为两个可相对伸缩的第一模块和第二模块，包括三个执行部件，分别为第一模块抱夹的开合部件，第二模块抱夹的开合部件，两个模块之间的伸缩部件，利用两个模块开合部件的交替夹持，并在交替夹持过程中配合伸缩部件的伸缩，来实现两个模块的交替爬升。

如授权公告号为CN211869536U的一种闸门钢丝绳自动攀爬装置，该装置采用的是圆柱形框架结构，包括可滑动套设在闸门钢丝绳上的外框架和内框架，内外框架通过齿轮齿条传动方式实现相对运动，采用电动控制方式实现装置沿钢丝绳步进式攀爬。上述结构采用外框架和内框架分别作为第一模块和第二模块，外框架和内框架之间采用齿轮齿条实现伸缩，从而实现两个模块的交替爬升。

再如公布号为CN108454723A的一种缆索攀爬机器人，包括第一攀爬机构、第二攀爬机构、驱动结构，该装置的第一攀爬机构、第二攀爬机构分别包括交替抱紧缆索的抱紧机构，驱动结构设置在第一攀爬机构、第二攀爬机构之间，驱动机构同样通过齿轮齿条来实现伸缩。可见，该装置同样采用两个模块，三个驱动部件的配合来实现两个模块交替攀爬。

现有的攀爬机器人，也有通过气缸或者液压机构来实现抱夹和伸缩驱动的，但基本都没有脱离双模块、三驱动部件的范畴。上述双模块、三驱动部件的攀爬结构，虽然较为成熟，但是其驱动结构复杂，而且上述结构为点断式控制，每一轮爬升动作都需要三个部件之间的依次动作配合，对控制信号的传输实时性且准确性要求高，攀爬装置的成本高。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的爬绳机器人多采用双模块、三驱动的结构，驱动结构复杂，控制信号要求高的问题，提供一种连续驱动式爬绳机器人，采用双模块、双电机驱动，通过两个电机初始相位的错位控制，两个电机的连续运转，即可实现双模块的连续交替攀爬。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种连续驱动式爬绳机器人，包括前攀爬模块和后攀爬模块，前攀爬模块和后攀爬模块结构相同、前后朝向相反，前攀爬模块设置向前伸出的摆动抱夹机构，后攀爬模块设置向后伸出的摆动抱夹机构，摆动抱夹机构前端设置有夹持缆绳的上夹板和下夹板，前攀爬模块和后攀爬模块内部分别设置有驱动摆动抱夹机构进行连续开合、推拉循环动作的电机，前攀爬模块后端和后攀爬模块前端通过无驱动力的连杆连接。

本装置中，前攀爬模块和后攀爬模块前后朝向相反，前攀爬模块和后攀爬模块的电机可以驱动对应的摆动抱夹机构呈周期性进行开合、推拉动作。当前攀爬模块和后攀爬模块的摆动抱夹机构错开半个运动周期进行持续输出，前攀爬模块和后攀爬模块的摆动抱夹机构分别在自身的半个夹紧周期内，带动爬绳机器人前行或者后退，实现连续运动。本装置与背景技术中传统爬绳机器人三驱动模式点断式爬绳相比，采用同样结构的前攀爬模块和后攀爬模块，只需两个驱动源，即可实现爬绳机器人前后交替连续驱动爬绳，且本装置两个驱动源电机只需保持转速一致、转向相反、半个周期延时，即可满足连续爬行的需求，只需校正电机初始启动信号，即可完成精确控制，运行过程中只需对电机进行安全监控，大大减少了控制难度，避免了传统的三驱动爬绳机器人爬绳过程中频繁的信号传递控制。

作为优选，所述前攀爬模块包括前后贯通的筒状壳体，所述摆动抱夹机构包括上摆动组件和下摆动组件，

所述下摆动组件在筒状壳体两外侧下部对称设置，下摆动组件在筒状壳体的一侧包括主动齿轮、下摇臂、第一下摆臂、第二下摆臂、第三下摆臂：主动齿轮外环周与下摇臂的后端铰接，第一下摆臂一端与筒状壳体铰接，另一端与下摇臂中部铰接，第二下摆臂的后端与筒状壳体铰接、第二下摆臂的前端与第三下摆臂后端铰接，下摇臂前端与第三下摆臂的中段铰接，第三下摆臂的前端向上倾斜并连接下夹板的端部；

所述上摆动组件在筒状壳体两外侧上部对称设置，上摆动组件在筒状壳体的一侧包括从动齿轮、上摇臂、第一上摆臂、第二上摆臂、第三上摆臂：从动齿轮外环周与上摇臂的后端铰接，第一上摆臂一端与筒状壳体铰接，另一端与上摇臂中部铰接，第二上摆臂的后端与筒状壳体铰接、第二上摆臂的前端与第三上摆臂后端铰接，上摇臂前端与第三上摆臂的中段铰接，第三上摆臂的前端向下倾斜连接上夹板端部；

筒状壳体的内侧下部设置电机，所述电机输出端连接动力轴，主动齿轮安装于动力轴的两端，从动齿轮与主动齿轮大小相同、上下对齐并相互啮合。本装置通过电机驱动下摆动组件和上摆动组件的反向同步运动，实现上夹板和下夹板的开合、推拉周期性运动。必要时，可以在电机输出端与动力轴之间设置减速齿轮组。

作为优选，所述第三下摆臂的前端套设有下伸缩臂，下伸缩臂的后端与第三下摆臂之间设有伸缩弹簧，下伸缩臂前端与下夹板的端部铰接；所述第三上摆臂的前端套设有上伸缩臂，上伸缩臂的后端与第三上摆臂之间设有伸缩弹簧，上伸缩臂前端与上夹板的端部铰接。上夹板和下夹板在周期性开合、推拉的摆动过程中，如果无外力干涉，上夹板和下夹板为弧线运动，下伸缩臂和上伸缩臂的弹性伸缩可以对上夹板和下夹板的弧线运动贴合段进行补偿，使两者夹紧贴合时，通过伸缩弹簧的伸缩对空间进行适应性补偿，同时，也保证上夹板和下夹板能更早进入夹紧状态，后续的位置交叠通过弹性伸缩进行补偿，确保上夹板和下夹板夹紧状态的时长能占到整个循环周期的一半以上。

作为优选，所述上夹板和下夹板的中部对齐设有用于抱夹缆绳的V型槽或U型槽。

作为优选，所述上夹板的两端为固定上夹板、中段为活动上夹板，活动上夹板和固定上夹板可组装/拆卸。上夹板中段设计可拆装结构，方便缆绳放置。

作为优选，筒状壳体的上侧面开设有供缆绳嵌入的开缝，所述筒状壳体的内部环绕缆绳均匀设置若干从径向抵靠缆绳的导向轮。导向轮与筒状壳体之间设置导轮弹簧，保持夹紧状态。

作为优选，所述连杆在前攀爬模块后端和后攀爬模块前端之间的左右两侧各设置一个，所述连杆中段设置可摆动的铰接轴，所述前攀爬模块、后攀爬模块与连杆连接处设置长槽，所述连杆的端部滑动卡设在长槽中，连杆端部与长槽两端之间设有姿态调节弹簧。当缆绳弧形延伸，前攀爬模块和后攀爬模块通过铰接轴实现一定程度的完整转向，姿态调节弹簧对连杆两端进行浮动定位，在前攀爬模块和后攀爬模块夹紧段短暂交叠、导致前攀爬模块和后攀爬模块前后位置存在小幅度不同步时，有一定的伸缩适应量；且当前攀爬模块和后攀爬模块弯折时，对连杆两端实现浮动调节。

作为优选，爬绳时前攀爬模块和后攀爬模块的电机以相同的转速、以摆动抱夹机构循环运动周期一半的延时持续运行；向前爬绳时，前攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从前向后牵拉、上夹板和下夹板松开时从后向前展开复位；后攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从前向后推送、上夹板和下夹板松开时从后向前收回复位；

向后爬绳时，前攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从后向前推送、上夹板和下夹板松开时从前向后收回复位；后攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从后向前牵拉、上夹板和下夹板松开时从前向后展开复位。向前爬行时，通过前拉后送实现，向后爬行时，通过前送后拉实现，前攀爬模块、后攀爬模块的电机转向相反，使前攀爬模块、后攀爬模块运行方向保持一致。

作为优选，上夹板和下夹板夹紧时长占摆动抱夹机构循环周期的50%或以上。使前攀爬模块、后攀爬模块的夹紧时长能首尾相接，避免出现前攀爬模块、后攀爬模块均松开的状态，导致机器人滑落。

作为优选，前攀爬模块、后攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧时长相互交替、且夹紧时段首尾相接。

本发明只需两个驱动源，即可实现爬绳机器人前后交替连续驱动爬绳，且只需进行电机的转速同步、半个周期延迟的初始控制，大大减少了控制难度，避免了爬绳过程中频繁的信号传递控制。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明的前攀爬模块结构示意图。

图3是本发明的上摆动组件和下摆动组件结构示意图。

图4是本发明的上夹板和下夹板结构示意图。

图5是本发明的上摆动组件和下摆动组件前端伸缩结构示意图。

图6是本发明的一种内部结构示意图。

图7是本发明的一种电机输出结构示意图。

图8是本发明的一种端面结构示意图。

图9是本发明的一种导向轮结构示意图。

图10是本发明的一种前攀爬模块和后攀爬模块的连杆结构示意图。

图11是本发明的一种向前爬绳的连续运动状态示意图。

图中：1、前攀爬模块，2、后攀爬模块，3、缆绳，4、连杆，5、上摆动组件，6、下摆动组件，7、上夹板，8、下夹板，9、开缝，10、V型槽，11、导向轮，12、伸缩弹簧，13、电机，14、传动齿轮组，15、动力轴，16、导轮座，17、导轮摆动架，18、导轮弹簧，19、长槽，20、姿态调节弹簧。

具体实施方式

下面通过具体实施例并结合附图对本发明进一步说明。

实施例：一种连续驱动式爬绳机器人，如图1所示。本装置包括前攀爬模块和后攀爬模块2，前攀爬模块1和后攀爬模块2结构相同、前后朝向相反，前攀爬模块设置向前伸出的摆动抱夹机构，后攀爬模块设置向后伸出的摆动抱夹机构，摆动抱夹机构前端设置有夹持缆绳3的上夹板7和下夹板8，上夹板7和下夹板8的中部对齐设有用于抱夹缆绳的V型槽或U型槽。前攀爬模块和后攀爬模块内部分别设置有驱动摆动抱夹机构进行连续开合、推拉循环动作的电机13，前攀爬模块后端和后攀爬模块前端通过无驱动力的连杆4连接。

前攀爬模块1和后攀爬模块2结构相同，仅前后朝向相仿，因此，本例以前攀爬模块1进行结构说明。如图2所示，所述前攀爬模块1包括前后贯通的筒状壳体，筒状壳体的上侧面开设有供缆绳嵌入的开缝9，上夹板7的两端为固定上夹板71、中段为活动上夹板72，活动上夹板和固定上夹板可组装/拆卸，缆绳穿过开缝，并在上夹板拆卸状态下完成嵌入，而后将上夹板组装实现对缆绳抱夹。所述筒状壳体的内部环绕缆绳均匀设置若干从径向抵靠缆绳的四个导向轮11。

如图8、9所示，导轮组结构包括与筒状壳体内壁固定的导轮座16，导轮座内端设有导轮摆动架17，导轮摆动架内端架设导向轮11，导轮摆动架和导轮座之间还设有导轮弹簧18，用于将导轮向内顶紧贴靠缆绳3。

如图2、3所示，摆动抱夹机构包括上摆动组件5和下摆动组件6。所述下摆动组件在筒状壳体两外侧下部对称设置，下摆动组件在筒状壳体的一侧包括主动齿轮61、下摇臂62、第一下摆臂63、第二下摆臂64、第三下摆臂65：主动齿轮61环周齿面上与下摇臂62的后端铰接，第一下摆臂63一端与筒状壳体铰接，另一端与下摇臂62中部铰接，第二下摆臂64的后端与筒状壳体铰接、第二下摆臂64的前端与第三下摆臂65后端铰接，下摇臂62前端与第三下摆臂65的中段铰接。如图4、5所示，第三下摆臂的前端向上倾斜，第三下摆臂65的前端套设有下伸缩臂，下伸缩臂的后端与第三下摆臂之间设有伸缩弹簧12，下伸缩臂前端与下夹板7的端部铰接。

所述上摆动组件在筒状壳体两外侧上部对称设置，上摆动组件在筒状壳体的一侧包括从动齿轮51、上摇臂52、第一上摆臂53、第二上摆臂54、第三上摆臂55：从动齿轮51环周齿面上与上摇臂52的后端铰接，第一上摆臂53一端与筒状壳体铰接，另一端与上摇臂52中部铰接，第二上摆臂54的后端与筒状壳体铰接、第二上摆臂54的前端与第三上摆臂55后端铰接，上摇臂52前端与第三上摆臂55的中段铰接。如图4、5所示，第三上摆臂的前端向下倾斜，第三上摆臂55的前端套设有上伸缩臂56，上伸缩臂的后端与第三上摆臂之间设有伸缩弹簧12，上伸缩臂前端与上夹板的端部铰接。

如图6、7所示，筒状壳体的内侧下部设置电机13，所述电机输出端通过传动齿轮组向动力轴15输出驱动力，主动齿轮61安装于动力轴的两端，从动齿轮51与主动齿轮61大小相同、上下对齐并相互啮合。

如图1、10所示，连杆4在前攀爬模块1后端和后攀爬模块前端之间的左右两侧中部各设置一个，所述连杆中段设置可摆动的铰接轴，所述前攀爬模块、后攀爬模块与连杆连接处设置长槽19，所述连杆的端部滑动卡设在长槽中，连杆端部与长槽两端之间设有姿态调节弹簧20。当缆绳弧形延伸，前攀爬模块和后攀爬模块通过铰接轴实现一定程度的完整转向，姿态调节弹簧对连杆两端进行浮动定位，在前攀爬模块和后攀爬模块夹紧段短暂交叠、导致前攀爬模块和后攀爬模块前后位置存在小幅度不同步时，有一定的伸缩适应量；且当前攀爬模块和后攀爬模块弯折时，对连杆两端与长槽的连接点实现浮动调节。

机器人爬绳时前攀爬模块和后攀爬模块的电机以相同的转速、以摆动抱夹机构循环运动周期一半的延时持续运行。

机器人向前爬绳时，如图11所示，前攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从前向后牵拉、上夹板和下夹板松开时从后向前展开复位；后攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从前向后推送、上夹板和下夹板松开时从后向前收回复位；前攀爬模块、后攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧时长相互交替、且夹紧时段首尾相接。从图11a可见，运行时，从同一侧看，前攀爬模块、后攀爬模块的从动齿轮均为顺时针，主动齿轮均为逆时针，结合图6中可见的，前攀爬模块、后攀爬模块电机朝向相反，因此前攀爬模块、后攀爬模块的电机转向是相反的，转速保持一致，且保持半个循环周期的延时。

从图11可逆向推理出，机器人向后爬绳时，前攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从后向前推送、上夹板和下夹板松开时从前向后收回复位；后攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从后向前牵拉、上夹板和下夹板松开时从前向后展开复位。

Claims (9)

1.一种连续驱动式爬绳机器人，包括前攀爬模块和后攀爬模块，其特征在于：前攀爬模块（1）和后攀爬模块（2）结构相同、前后朝向相反，前攀爬模块设置向前伸出的摆动抱夹机构，后攀爬模块设置向后伸出的摆动抱夹机构，摆动抱夹机构前端设置有夹持缆绳（3）的上夹板（7）和下夹板（8），前攀爬模块和后攀爬模块内部分别设置有驱动摆动抱夹机构进行连续开合、推拉循环动作的电机（13），前攀爬模块后端和后攀爬模块前端通过无驱动力的连杆（4）连接；

所述前攀爬模块（1）包括前后贯通的筒状壳体，所述摆动抱夹机构包括上摆动组件（5）和下摆动组件（6），

所述下摆动组件在筒状壳体两外侧下部对称设置，下摆动组件在筒状壳体的一侧包括主动齿轮（61）、下摇臂（62）、第一下摆臂（63）、第二下摆臂（64）、第三下摆臂（65）：主动齿轮（61）外环周与下摇臂（62）的后端铰接，第一下摆臂（63）一端与筒状壳体铰接，另一端与下摇臂（62）中部铰接，第二下摆臂（64）的后端与筒状壳体铰接、第二下摆臂（64）的前端与第三下摆臂（65）后端铰接，下摇臂（62）前端与第三下摆臂（65）的中段铰接，第三下摆臂的前端向上倾斜并连接下夹板（8）的端部；

所述上摆动组件在筒状壳体两外侧上部对称设置，上摆动组件在筒状壳体的一侧包括从动齿轮（51）、上摇臂（52）、第一上摆臂（53）、第二上摆臂（54）、第三上摆臂（55）：从动齿轮（51）外环周与上摇臂（52）的后端铰接，第一上摆臂（53）一端与筒状壳体铰接，另一端与上摇臂（52）中部铰接，第二上摆臂（54）的后端与筒状壳体铰接、第二上摆臂（54）的前端与第三上摆臂（55）后端铰接，上摇臂（52）前端与第三上摆臂（55）的中段铰接，第三上摆臂的前端向下倾斜连接上夹板（7）端部；

筒状壳体的内侧下部设置电机（13），所述电机输出端连接动力轴（15），主动齿轮（61）安装于动力轴的两端，从动齿轮（51）与主动齿轮（61）大小相同、上下对齐并相互啮合。

2.根据权利要求1所述的一种连续驱动式爬绳机器人，其特征在于：所述第三下摆臂（65）的前端套设有下伸缩臂，下伸缩臂的后端与第三下摆臂之间设有伸缩弹簧（12），下伸缩臂前端与下夹板的端部铰接；所述第三上摆臂（55）的前端套设有上伸缩臂（56），上伸缩臂的后端与第三上摆臂之间设有伸缩弹簧（12），上伸缩臂前端与上夹板的端部铰接。

3.根据权利要求1或2所述的一种连续驱动式爬绳机器人，其特征在于：所述上夹板和下夹板的中部对齐设有用于抱夹缆绳的V型槽或U型槽。

4.根据权利要求1或2所述的一种连续驱动式爬绳机器人，其特征在于：所述上夹板（7）的两端为固定上夹板（71）、中段为活动上夹板（72），活动上夹板和固定上夹板可组装/拆卸。

5.根据权利要求1或2所述的一种连续驱动式爬绳机器人，其特征在于：筒状壳体的上侧面开设有供缆绳嵌入的开缝（9），所述筒状壳体的内部环绕缆绳均匀设置若干从径向抵靠缆绳的导向轮（11）。

6.根据权利要求1或2所述的一种连续驱动式爬绳机器人，其特征在于：所述连杆（4）在前攀爬模块（1）后端和后攀爬模块前端之间的左右两侧各设置一个，所述连杆中段设置可摆动的铰接轴，所述前攀爬模块、后攀爬模块与连杆连接处设置长槽（19），所述连杆的端部滑动卡设在长槽中，连杆端部与长槽两端之间设有姿态调节弹簧（20）。

7.根据权利要求1或2所述的一种连续驱动式爬绳机器人，其特征在于：爬绳时前攀爬模块和后攀爬模块的电机以相同的转速、以摆动抱夹机构循环运动周期一半的延时持续运行；向前爬绳时，前攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从前向后牵拉、上夹板和下夹板松开时从后向前展开复位；后攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从前向后推送、上夹板和下夹板松开时从后向前收回复位；

向后爬绳时，前攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从后向前推送、上夹板和下夹板松开时从前向后收回复位；后攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧缆绳时从后向前牵拉、上夹板和下夹板松开时从前向后展开复位。

8.根据权利要求7所述的一种连续驱动式爬绳机器人，其特征在于：上夹板和下夹板夹紧时长占摆动抱夹机构循环周期50%或以上。

9.根据权利要求8所述的一种连续驱动式爬绳机器人，其特征在于：前攀爬模块、后攀爬模块的上夹板和下夹板夹紧时长相互交替、且夹紧时段首尾相接。