CN108297956A - 一种自动攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，可适应上下粗细不均匀且带有法兰障碍的方、圆杆，具体是一种自动攀爬机器人，其特征在于：包括一个可抱合在待爬杆上的纵向伸缩模块、安装在纵向伸缩模块上的若干个伸缩臂模块以及驱动纵向伸缩模块伸缩的曲柄摇杆模块。

Description

一种自动攀爬机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种可适应上下粗细不均匀且带有法兰障碍的方、圆杆的全自动攀爬机器人。

背景技术

当前电厂和变电站中的电杆普遍下粗上细，带有法兰，且周围线路繁多。目前攀爬机器人不能同时适应上下粗细不均匀且带有法兰障碍的方、圆杆的攀爬，如越障爬杆机器人(ZL201110359574.4)、驻足爬杆机器人(ZL200910223463.3)。为了解决这些问题，需要设计一种全自动的、可适应上下粗细不均匀且带有法兰障碍的方杆、圆杆的攀爬机器人，利用机器人来模仿人爬树的动作，完成攀爬过程并具有极强的越障能力，提高社会生产效率。

发明内容

本发明的目的是克服背景技术中的不足，提供一种可适应上下粗细不均匀且带有法兰障碍的方、圆杆的全自动攀爬机器人。

本发明采用的技术方案是：

一种自动攀爬机器人，其特征在于：包括一个可抱合在待爬杆上的纵向伸缩模块、安装在纵向伸缩模块上的若干个伸缩臂模块以及驱动纵向伸缩模块伸缩的曲柄摇杆模块。

所述纵向伸缩模块由两个对称布置的子模块组成，每个子模块包括：

上层半圆环和下层半圆环，两者上下对应；

竖直布置布置的第一、第二、第三圆管；第一圆管布置在上层半圆环和下层半圆环的一端，第二圆管布置在上层半圆环和下层半圆环的中点，第三圆管布置在上层半圆环和下层半圆环的另一端；上层半圆环通过第一移动副、第二移动副和圆柱副依次穿套在第一圆管、第二圆管和第三圆管上；

第一固定帽；用于连接两个子模块的第三圆管的上端；

第二固定帽；用于连接两个子模块的第三圆管的下端，与第一固定帽一起保证上层半圆环在上下滑动时两个子模块的两根第三圆管保持平行；

第一固定块和第二固定块，分别将第一圆管和第二圆管与下层半圆环固定连接；

限制帽；通过顶丝安装在转动副上侧的第三圆管上，约束转动副的纵向运动；

四个手臂安装窗口；其中两个手臂安装窗口分别安装在第一圆管和第二圆管之间的第一、第二半圆环的中点位置，另外两个手臂安装窗口分别安装在第二圆管和第三圆管之间的第一、第二半圆环上的中点位置；

两个开闭锁；分别安装在第一移动副以及第一固定块上，并与另一个子模块的开闭锁逐一配合；

超声波模块；安装在下层半圆环的一个手臂安装窗口的底部。

所述伸缩臂模块包括第一步进电机、电机架、联轴器、丝杠、丝杠螺母、导轨滑块、导轨、舵机、轮叉、胶轮、棘轮、止动爪、弹簧片、耳朵孔和牵连弹簧；

第一步进电机安装在电机架的外端；联轴器将丝杠和第一步进电机的电机输出轴连接在一起；丝杠螺母的纵向螺纹通孔穿在丝杠上，丝杠螺母的横向盲孔-安装在手臂安装窗口中；丝杠螺母固定在导轨滑块上；导轨安装在电机架的下侧，同时与导轨滑块配合；舵机安装在电机架的内端；轮叉安装在舵机输出轴上；胶轮与棘轮固定并安装在轮叉上；止动爪安装在轮叉上，同时与棘轮配合；弹簧片安装在轮叉上，压紧止动爪；牵连弹簧设置在两个子模块中左右相邻的两个伸缩臂模块之间，将相邻伸缩臂模块连接在一起，牵连弹簧的端部钩挂在电机架内端的耳朵孔上。

所述的曲柄摇杆模块由对称布置的两个子模块构成，每个子模块分别驱动一个纵向伸缩模块的子模块，曲柄摇杆模块的每个子模块包括第一直流电机、同步带、曲柄、摇杆；第一直流电机输出轴上的同步带轮通过同步带驱动曲柄周向转动，曲柄通过摇杆与第二移动副连接。

本发明的有益效果如下：

1、本发明能适应上下粗细不匀的杆，无论其是否有障碍，无论其是方杆还是圆杆，都可以全自动攀爬；

2、本发明利用棘轮自锁实现机构的行进与停止转换，使机构更加简化可靠；

3、本发明利用重力下滑，节省能源；

4、本发明利用牵连弹簧和八个伸缩臂模块相对圆环运动实现越障，构思巧妙。

附图说明

图1是本发明的曲柄摇杆模块主视图；

图2是本发明的纵向伸缩模块主视图；

图3是本发明的纵向伸缩模块立体图；

图4是本发明的伸缩臂立体图；

图5是本发明的整体结构立体图之一(上下层半圆环的伸缩臂内端均在水平以下)；

图6是本发明的整体结构立体图之二(下层半圆环上的伸缩臂内端在水平以上，上层半圆环上的伸缩臂内端在水平以下)；

图7是本发明的整体结构立体图之三(下层半圆环上的伸缩臂内端在水平以下，上层半圆环上的伸缩臂内端在水平以上)；

图8是本发明的俯视图；

图9是本发明的伸缩臂模块中丝杠螺母的立体图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

本发明包括曲柄摇杆模块A、纵向伸缩模块B和伸缩臂模块C。所述的曲柄摇杆模块主要由曲柄、摇杆和第一直流电机组成；所述的纵向伸缩模块主要由上、下两层圆环和六根竖直圆管组成；所述的伸缩臂模块C分别通过手臂安装窗口B3连接在上下两层圆环上。

(一)曲柄摇杆模块

如图1所示，所述的曲柄摇杆模块A由对称布置的两个子模块构成，每个曲柄摇杆模块A的每个子模块包括第一直流电机A1、同步带A2、曲柄A3、摇杆A4。第一直流电机A1输出轴上的同步带轮通过同步带驱动曲柄A3周向转动，曲柄A3与摇杆A4连接。

(二)纵向伸缩模块

如图1到图3、图5到图8所示，所述的纵向伸缩模块由两个对称布置的子模块组成，两个子模块可合拢或打开。每个纵向伸缩模块的子模块包括上层半圆环B1、下层半圆环B2、手臂安装窗口B3、第一固定帽B4、第二固定帽B5、圆柱副B6、限制帽B7、转动副B8、第一移动副B9、第二移动副B10、开闭锁B11、超声波模块B12、第一圆管B13、第二圆管B14和第三圆管B15。

第一圆管B13、第二圆管B14和第三圆管B15分布如图8，第一圆管B13和第二圆管B14分别与下层半圆环B2通过第一固定块B16、第二固定块B17固定连接，第三圆管B15分别固定在第二固定帽B5上；上层半圆环B1通过第一移动副B9、第二移动副B10和圆柱副B6分别穿套在第一圆管B13、第二圆管B14和第三圆管B15上；上、下层半圆环B1、B2各分布着两个手臂安装窗口B3，如图2、图3所示，其中两个手臂安装窗口分别安装在第一圆管和第二圆管之间的第一、第二半圆环B1、B2的中点位置，另外两个手臂安装窗口分别安装在第二圆管和第三圆管之间的第一、第二半圆环上B1、B2的中点位置；第一固定帽B4固定在两个子模块的两个第三圆管B15的上端，用于保证上层半圆环B1在上下滑动时两个子模块的的两根第三圆管B15保持平行关系；圆柱副B6用于使上、下层半圆环B1、B2在开闭锁B11(上、下层半圆环都有开闭锁)开启的条件下实现旋转以在起初时可以套装在待爬杆上；限制帽B7通过顶丝安装在转动副B8上侧，用来约束转动副B8的纵向运动；超声波模块B12安装在下层半圆环B2的一个手臂安装窗口B3的下侧。

上、下层半圆环B1、B2与两个曲柄摇杆模块A连接，具体是：曲柄摇杆模块A的摇杆A4与第二移动副B10连接，曲柄摇杆模块A的第一直流电机A1分别安装在第二圆管B14下端，如图2、图3所示。

(三)伸缩臂模块

如图2、3、8、9所示，所述的伸缩臂模块包括第一步进电机C1、电机架C2、联轴器C3、丝杠C4、丝杠螺母C5、导轨滑块C6、导轨C7、舵机C8、轮叉C9、胶轮C10、棘轮C11、止动爪C12、弹簧片C13、耳朵孔C14和牵连弹簧C15。

所述的第一步进电机C1安装在电机架C2的外端；联轴器C3将丝杠C4和第一步进电机C1的电机输出轴连接在一起；丝杠螺母C5的纵向螺纹通孔C5-1穿在丝杠C4上，丝杠螺母C5的两个横向盲孔C5-2安装在手臂安装窗口B3中，安装窗口通过螺钉与两个横向盲孔连接固定，对丝杠螺母C5定位,如图9；丝杠螺母C5固定在导轨滑块C6上；导轨C7安装在电机架C2的下侧，同时与导轨滑块C6配合；舵机C8安装在电机架C2的内端；轮叉C9安装在舵机C8输出轴上；胶轮C10与棘轮C11固定并安装在轮叉C9上；止动爪C12安装在轮叉C9上，同时与棘轮C11配合；弹簧片C13安装在轮叉C9上，压住止动爪C12；牵连弹簧C15设置在两个子模块中左右相邻的两个伸缩臂模块C之间，将相邻伸缩臂模块C连接在一起，牵连弹簧的端部钩挂在电机架C2内端的耳朵孔C14上。

伸缩臂模块C分别通过丝杠螺母C5安装在上下两层半圆环B1、B2的手臂安装窗口B3中。

本发明的工作原理如下：

(一)套装在杆上的过程

打开开闭锁，将上下两层圆环旋转开套在待爬的杆上，封死两个子模块的开闭锁。

(二)上爬过程

八个伸缩手臂模块C内端均在相应圆环水平面以下，如图5，由于棘轮C11限制胶轮C10只能单向转动，此时舵机C8旋转到只允许胶轮C10沿着待爬杆向上爬时能够旋转，而无法沿待爬杆向下旋转。由于重力作用该机器人自锁在待爬杆上。通过安装在下层半圆环B2上的第一直流电机A1，驱动曲柄摇杆机构A，由于曲柄摇杆A可以使上下两层圆环B1、B2间的距离发生周期性远近程变化，使上下层半圆环B1、B2交替自锁，进而在曲柄摇杆A的作用下使上层半圆环B1向上提下层半圆环B2，下层半圆环B2向上顶上层半圆环B1，实现整个机构向上爬升；

上爬遇障时，整个机构运动和正常上爬一样，因为伸缩臂模块C倾斜向下且装有牵连弹簧C15的缘故，如图7，上下两组伸缩臂模块C各自在跨越障碍物时，都会被障碍物撑开，从而跨过障碍物。

(三)下滑过程

a.当没有突出的障碍时，八个伸缩臂模块C内端均在相应圆环水平面以下，如图5，(此时上层四个胶轮C10的轴线处于竖直状态且下层四个胶轮C10的轴线处于水平状态或上层四个胶轮C10的轴线处于水平状态且下层四个胶轮C10的轴线处于竖直状态，即保证只允许一层圆环在竖直方向运动，而另一层圆环则自锁在待爬杆上)通过上四只伸缩臂模块C内端的舵机C8和下四只伸缩臂模块内端的舵机C8同时旋转90度，即保证上下层半圆环B1、B2交替自锁在所下滑的杆上，进而靠重力实现下滑。

b.当遇到法兰时，通过下层半圆环B2上的两个伸缩臂模块C(整个圆环上是四个伸缩臂模块C，半圆环上是两个)外端的第一步进电机C1，驱动伸缩臂模块C以自身与下层半圆环B2的安装点为支点，先转动至水平，再在曲柄摇杆A的配合下完成相对下层半圆环B2的翻转运动，如图6。然后舵机C8旋转使胶轮C10可以沿杆向下转动，利用重力和曲柄摇杆A使伸缩臂模块C越障，之后再通过下层半圆环B2上的4只伸缩臂C外端的第一步进电机C1，驱动伸缩臂模块C以自身与圆环的安装点为支点，先转动至水平，再在曲柄摇杆A的配合下完成相对下层半圆环的翻转运动，状态又变为如图5所示，实现下层半圆环越障，此时舵机旋转90度使下层半圆环自锁在杆上；上层半圆环越障同理。下滑遇障时，如果机器人的状态如图5时，单靠重力不能撑开杆件，则超声波模块B12反馈给控制板主板，控制上下两层圆环上的第一直流电机工作，附加一个力使伸缩臂模块组撑开，从而顺利下滑越障。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种自动攀爬机器人，其特征在于：包括一个可抱合在待爬杆上的纵向伸缩模块(B)、安装在纵向伸缩模块上的若干个伸缩臂模块(C)以及驱动纵向伸缩模块伸缩的曲柄摇杆模块(A)。

2.根据权利要求1所述的一种自动攀爬机器人，其特征在于：所述纵向伸缩模块(B)由两个对称布置的子模块组成，每个子模块包括：

上层半圆环(B1)和下层半圆环(B2)，两者上下对应；

竖直布置布置的第一、第二、第三圆管(B13、B14、B15)；第一圆管(B13)布置在上层半圆环(B1)下和层半圆环(B2)的一端，第二圆管(B14)布置在上层半圆环(B1)和下层半圆环(B2)的中点，第三圆管(B15)布置在上层半圆环(B1)和下层半圆环(B2)的另一端；上层半圆环(B1)通过第一移动副((B9))、第二移动副(B10)和圆柱副(B6)依次穿套在第一圆管(B13)、第二圆管(B14)和第三圆管(B15)上；

第一固定帽(B4)；用于连接两个子模块的第三圆管(B15)的上端；

第二固定帽(B5)；用于连接两个子模块的第三圆管(B15)的下端，与第一固定帽(B4)一起保证上层半圆环(B1)在上下滑动时两个子模块的两根第三圆管(B15)保持平行；

第一固定块(B16)和第二固定块(B17)，分别将第一圆管(B13)和第二圆管(B14)与下层半圆环(B2)固定连接；

限制帽(B7)；通过顶丝安装在转动副(B8)上侧的第三圆管(B15)上，约束转动副(B8)的纵向运动；

四个手臂安装窗口(B3)；其中两个手臂安装窗口(B3)分别安装在第一圆管(B13)和第二圆管(B14)之间的第一、第二半圆环(B1、B2)的中点位置，另外两个手臂安装窗口(B3)分别安装在第二圆管(B14)和第三圆管(B15)之间的第一、第二半圆环上(B1、B2)的中点位置；

两个开闭锁(B11)；分别安装在第一移动副(B9)以及第一固定块上，并与另一个子模块的开闭锁逐一配合；

超声波模块(B12)；安装在下层半圆环(B2)的一个手臂安装窗口(B3)的底部。

3.根据权利要求2所述的一种自动攀爬机器人，其特征在于：所述伸缩臂模块(C)包括第一步进电机(C1)、电机架(C2)、联轴器(C3)、丝杠(C4)、丝杠螺母(C5)、导轨滑块(C6)、导轨(C7)、舵机(C8)、轮叉(C9)、胶轮(C10)、棘轮(C11)、止动爪(C12)、弹簧片(C13)、耳朵孔(C14)和牵连弹簧(C15)；

第一步进电机(C1)安装在电机架(C2)的外端；联轴器(C3)将丝杠(C4)和第一步进电机(C1)电机输出轴连接在一起；丝杠螺母(C5)的纵向螺纹通孔(C5-1)穿在丝杠(C4)上，丝杠螺母(C5)的横向盲孔(C5-2)安装在手臂安装窗口(B3)中；丝杠螺母(C5)固定在导轨滑块(C6)上；导轨(C7)安装在电机架(C2)的下侧，同时与导轨滑块(C6)配合；舵机(C8)安装在电机架(C2)的内端；轮叉(C9)安装在舵机(C8)输出轴上；胶轮(C10)与棘轮(C11)固定并安装在轮叉(C9)上；止动爪(C12)安装在轮叉(C9)上，同时与棘轮(C11)配合；弹簧片(C13)安装在轮叉(C9)上，压紧止动爪(C12)；牵连弹簧(C15)设置在两个子模块中左右相邻的两个伸缩臂模块(C)之间，将相邻伸缩臂模块(C)连接在一起，牵连弹簧(C15)的端部钩挂在电机架(C2)内端的耳朵孔(C14)上。

4.根据权利要求2或3所述的一种自动攀爬机器人，其特征在于：所述的曲柄摇杆模块(A)由对称布置的两个子模块构成，每个子模块分别驱动一个纵向伸缩模块(B)的子模块，曲柄摇杆模块(A)的每个子模块包括第一直流电机(A1)、同步带(A2)、曲柄(A3)、摇杆(A4)；第一直流电机(A1)输出轴上的同步带轮通过同步带驱动曲柄(A3)周向转动，曲柄(A3)通过摇杆(A4)与第二移动副(B10)连接。