CN101695835B - 一种智能翻转式攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种智能翻转式攀爬机器人。组成包括躯干，安装在躯干上的两个翻转臂，安装在翻转臂上的旋转臂，安装在旋转臂上的夹紧手爪和控制器；所述的躯干包括两平行支撑杆、传动轴、上转动杆和下转动杆，支撑杆和两转动杆垂直设置且通过滚动轴承相连；翻转电机通过支撑架和躯干相连，位于躯干的两支撑杆之间；翻转电机的输出力矩通过传动装置输出带动翻转臂和躯干翻转。本发明运用翻转式攀爬方式，爬行速度快，能够在弯曲的杆状物和水平的杆状物上爬行，也能够在不同的杆状物之间进行迁移爬行；通过遥控装置和智能控制，爬行方式灵活，智能化程度高；通过压力传感器反馈回夹紧力使爬行更加可靠。

Description

一种智能翻转式攀爬机器人

(一)技术领域

本发明涉及的是一种机器人，具体地说是一种能够实现翻转、攀爬功能的机器人。

(二)背景技术

现代生活中，无论是在民用领域还是军用领域，攀爬技术应用的越来越广泛。在民用领域方面，在高空作业物资运送、管道检修、树木防病虫害、剪枝和环境监测等都有实际应用；在军用领域方面，可在战场上用于隐蔽的军事侦察任务和物资运送任务等。现有的攀爬机器人主要是伸缩式，绕爬式，这些爬行方式存在爬行速度慢，负载小，可靠性不高，对爬行表面要求高，不能在弯曲或者水平的杆状物上爬行，不能在不同的杆状物之间进行迁移爬行，智能化程度不高。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种爬行速度快，使用范围广，方便灵活，智能化程度高，安全可靠的一种智能翻转式攀爬机器人。本发明主要用于攀爬杆状物的结构，如管道结构，树等。

本发明的目的是这样实现的：

组成包括躯干，安装在躯干上的两个翻转臂，安装在翻转臂上的旋转臂，安装在旋转臂上的夹紧手爪和控制器；所述的躯干包括两平行支撑杆、传动轴、上转动杆和下转动杆，支撑杆和两转动杆垂直设置且通过滚动轴承相连；翻转电机通过支撑架和躯干相连，位于躯干的两支撑杆之间；翻转电机的输出力矩通过传动装置输出带动翻转臂和躯干翻转。

本发明还可以包括：

1、所述传动装置包括电机输出轴齿轮、换向齿轮、下转动杆齿轮、传动轴齿轮、第一带轮、第二带轮和同步齿形带，翻转电机通过联轴器与电机输出轴齿轮相连，下转动杆齿轮安装在下转动杆上，换向齿轮通过换向齿轮支承轴安装在支撑杆上，传动轴齿轮安装在传动轴的一端，电机输出轴齿轮与换向齿轮和下转动杆齿轮啮合，换向齿轮与传动轴齿轮啮合，第一带轮安装在传动轴的另一端，第二带轮固定在上转动杆上，两带轮通过同步齿形带连接。

2、所述翻转臂的组成包括翻转支杆、翻转基体、后端盖、旋转电机、推力轴承和止动套组成；所述旋转臂的组成包括旋转基体、手爪驱动电机、丝杠、限位开关、推杆螺母和手爪转动轴；翻转支杆一端和转动杆固结，翻转支杆另一端与翻转基体固结，止动套位于翻转基体外端、由上下两件套体组成，止动套固定在翻转基体上，旋转电机位于翻转机体内，旋转电机前端有推力轴承，旋转电机输出轴位于推力轴承内，输出轴前端与旋转手臂固结，旋转基体上有导向槽，推杆螺母下端位于导向槽内，推杆螺母上端有螺纹孔与丝杠螺纹连接，限位开关位于丝杠行程末端，手爪驱动电机固定在旋转基体上，电机输出轴与丝杠通过联轴器连接。

3、所述夹紧手爪由爪体、压力传感器、橡胶层、光电管组成，压力传感器位于爪体内侧、与爪体粘接，橡胶层粘贴在压力传感器上，爪体后部设有光电管，最后端有导向槽，推杆螺母位于导向槽内，爪体能够绕位于旋转基体上的手爪转动轴转动。

4、所述控制器包括控制模块和遥控模块组成，遥控模块包括无线发射模块和无线接收模块，控制器粘接在躯干上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该智能翻转式爬杆机器人运用翻转式攀爬方式，爬行速度快，能够在弯曲的杆状物和水平的杆状物上爬行，也能够在不同的杆状物之间进行迁移爬行；通过遥控装置和智能控制，爬行方式灵活，智能化程度高；通过压力传感器反馈回夹紧力使爬行更加可靠。

(四)附图说明

图1是本发明的总体结构图；

图2是躯干示意图；

图3是翻转臂示意图；

图4是手爪示意图；

图5是初始抱杆示意图；

图6是翻转状态一示意图；

图7是翻转状态二示意图；

图8是翻转状态三示意图；

图9是在不同杆状物之间爬行状态一；

图10是在不同杆状物之间爬行状态二；

图11是手爪在杆状物上固定主视图；

图12是手爪在杆状物上固定俯视图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

智能翻转式攀爬机器人的构成包括躯干、翻转臂、旋转臂、夹紧手爪及其控制器。

躯干的基本构架包括传动轴9、两平行支撑杆21、上转动杆22和下转动杆15，两平行支撑杆21和两转动杆垂直设置且通过滚动轴承相连；翻转电机10通过支撑架11和躯干相连，位于躯干的两支撑杆之间；翻转电机10的输出力矩通过传动装置输出带动翻转臂和躯干翻转，传动装置包括齿轮传动装置和同步齿形带传动装置；齿轮传动装置包括电机输出轴齿轮27、换向齿轮18、换向齿轮支承轴28、下转动杆齿轮26和传动轴齿轮19，各传动齿轮均通过键连接分别固定在各传动轴和支承轴上，翻转电机10通过联轴器16与电机输出轴齿轮27相连，传动轴9在支撑杆21内侧一端设有传动齿轮19，另一端设有带轮7，带轮7与传动轴9通过键连接固定，另一带轮7通过键连接固定上转动杆22上，两带轮通过同步齿形带8连接。

翻转臂和旋转臂均由上下两臂组成，两臂结构相同，两翻转臂均由翻转支杆12、翻转基体31、后端盖30、旋转电机34、推力轴承33、紧定螺钉24、连接螺栓29和止动套6组成；两旋转臂均由旋转基体13、手爪驱动电机5、丝杠4、限位开关25、推杆螺母2和手爪转动轴3组成；翻转支杆12一端和转动杆固结，另一端与翻转基体31通过连接螺栓29固结，止动套6位于翻转基体31外端，由上下两件套体组成，通过螺钉24固定在翻转基体31上，旋转电机34位于翻转机体31内，电机后端由后端盖30定位，电机前端有推力轴承33，电机输出轴位于推力轴承33内，输出轴前端通过键连接与旋转手臂固结，旋转基体13上有导向槽，推杆螺母2下端位于导向槽内，上端有螺纹孔与丝杠4螺纹连接，限位开关25位于丝杠4行程末端，手爪驱动电机5固定在旋转基体13上，电机输出轴与丝杠4通过联轴器38连接。

夹紧手爪由爪体1、压力传感器35、橡胶层36、光电管37组成、压力传感器35位于爪体1内侧，与爪体粘接、橡胶层36粘贴在压力传感器35上，爪体1后部设有光电管37，最后端有导向槽，推杆螺母2位于导向槽内，爪体1能够绕位于旋转基体13上的手爪转动轴3转动。

控制器20包括控制模块和遥控模块组成，遥控模块包括无线发射模块和无线接收模块，控制器20粘接在躯干上。

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的原理及动作过程作进一步的描述。

一、攀爬机器人在杆状物上固定的原理

攀爬机器人在不规则形状的杆状物上固定的主视图如图11所示，俯视图如图12所示，当手爪抓住杆状物时，手爪前端和后端伸出部分卡在杆状物的表面上，在机器人自身的重力作用下，力矩在爪子与杆的接触部位产生压力，然后在接触位置形成向上的摩擦力。以达到平衡自身重力的功能。

二、基本动作综述

1、抱杆动作

接通电源，手爪驱动电机正转，通过丝杠螺母机构，推动推杆螺母在导槽里前进，带动手爪由两侧向中间移动，抱住杆状物，同时压力传感器反馈压力信号，达到设定阈值时，控制***切断电机的电源，使驱动电机停止。

2、放杆动作

接通电源，手爪驱动电机反转，带动丝杠螺母反转，通过丝杠母机构推动推杆螺母使手爪向两端张开，开始放杆动作；当推杆螺母后退到极限位置触发限位开关，反馈回位置信号，控制***切断手爪驱动电机的电源，使驱动电机停止，完成放杆动作。

3、向上翻转动作

上爪抱住杆，下爪放开，躯干上的翻转电机正转，经过齿轮传动装置和同步齿形带传动装置，将电机的运动传递至两侧翻转臂，翻转臂正转实现机体的向上翻转运动。当下爪到达应该抓杆的位置时，手爪上的光电管被杆状物遮住，反馈回位置信号，控制***切断翻转电机电源，上翻动作完成。

4、向下翻转动作

下爪抱住杆，上爪放开，躯干上的翻转电机反转，经过齿轮传动装置和同步齿形带传动装置，将电机的转动传递至两侧翻转臂，翻转臂反转实现躯干的向下翻转运动。当上爪到达应该抓杆的位置时，手爪上的光电管被杆状物遮住，反馈回位置信号，控制***切断翻转电机电源，下翻动作完成。

5、爪的旋转动作

爬行过程中遇到需要从竖杆到横杆变化时，旋转臂上的旋转电机正转，驱动手爪，当手爪与杆平时，控制***切断旋转电机电源，电机停转。

三、攀爬机器人爬行过程综述

1、攀爬机器人爬行前在杆状物上固定

攀爬机器人在爬行前，上、下手爪上的驱动电机的正转，使杆状物处于爪之间，并抱住杆状物，完成上、下爪的抱杆动作，使爬树机器人固定在杆状物上。

2、攀爬机器人上爬过程

由控制模块发出向上爬的信号，首先，接通下部手爪驱动电机的电源，使驱动电机反转，通过丝杆螺母机构，带动推杆螺母在旋转基体上的导槽里向后滑行，驱动下部手爪张开，推杆螺母回到丝杠最大行程处时，通过限位开关的反馈，控制***控制驱动电机，使之停止，控制***接着使下部手爪驱动电机停转，控制躯干上的翻转电机正转，通过齿轮传动和同步齿形带传动，使两侧的旋转臂正向旋转，机器人向上翻转，当下部手爪达到抓取位置时，手爪上的光电管反馈回位置信号，控制***控制躯干翻转电机停转，同时控制下部手爪上手爪驱动电机正转，通过丝杆螺母机构，推动推杆螺母前进，使下部手爪闭合，同时控制***接收压力反馈信号，达到设定阈值时，使下爪驱动电机停转。此时，上爪、下爪均处于抱住杆的状态，至此，攀爬机器人的一个上爬过程完成。

3、攀爬机器人下爬过程

当完成若干个攀爬周期后，双爪均抓紧杆状物。利用遥控模块选择下爬功能，根据控制模块计数判断出位于最上面的是上爪还是下爪，并控制该爪的驱动电机反转，松开手爪，当推杆螺母达到丝杠的形成末端时，驱动电机停转，此时控制躯干上的翻转电机反转，翻转电机的反转带动两侧的齿轮和同步齿形带反转，攀爬机器人实现向下翻转的动作；在翻转后位于下部的手爪达到抓杆位置时，光电管反馈回该爪的位置信号，控制***使翻转电机停转，同时使该爪的手爪驱动电机正转，夹紧杆状物，至此，完成一个下爬动作循环周期。

四、两平行杆状物之间的爬行

机器人需要从一根杆状物爬向平行的另外一根状物时，初始动作和上爬过程一样，在上翻的过程中，通过遥控人工控制翻转电机的翻转角度，使上翻的手爪靠***行位置的杆状物，并且控制旋转电机和翻转电机的角度使上翻手爪抓住杆状物，在手爪到达抓取位置时，光电管反馈***反馈回位置信号，翻转电机和旋转电机停转，驱动翻转手爪的驱动电机正转抓紧杆状物，当压力传感器达到设定压力阈值时，手爪驱动电机停转，同时另一个手爪驱动电机反转，松开手爪，人工遥控翻转电机使躯干上翻，完成杆状物之间的爬行。

Claims (5)

1.一种智能翻转式攀爬机器人，其特征是：组成包括躯干，安装在躯干上的两个翻转臂，安装在翻转臂上的旋转臂，安装在旋转臂上的夹紧手爪和控制器；所述的躯干包括两平行支撑杆、传动轴、上转动杆和下转动杆，支撑杆和两转动杆垂直设置且通过滚动轴承相连；翻转电机通过支撑架和躯干相连，位于躯干的两支撑杆之间；翻转电机的输出力矩通过传动装置输出带动翻转臂和躯干翻转；所述翻转臂的组成包括翻转支杆、翻转基体、后端盖、旋转电机、推力轴承和止动套；所述旋转臂的组成包括旋转基体、手爪驱动电机、丝杠、限位开关、推杆螺母和手爪转动轴；翻转支杆一端和转动杆固结，翻转支杆另一端与翻转基体固结，止动套位于翻转基体外端、由上下两件套体组成，止动套固定在翻转基体上，旋转电机位于翻转机体内，旋转电机前端有推力轴承，旋转电机输出轴位于推力轴承内，输出轴前端与旋转手臂固结，旋转基体上有导向槽，推杆螺母下端位于导向槽内，推杆螺母上端有螺纹孔与丝杠螺纹连接，限位开关位于丝杠行程末端，手爪驱动电机固定在旋转基体上，电机输出轴与丝杠通过联轴器连接。

2.根据权利要求1所述的一种智能翻转式攀爬机器人，其特征是：所述传动装置包括电机输出轴齿轮、换向齿轮、下转动杆齿轮、传动轴齿轮、第一带轮、第二带轮和同步齿形带，翻转电机通过联轴器与电机输出轴齿轮相连，下转动杆齿轮安装在下转动杆上，换向齿轮通过换向齿轮支承轴安装在支撑杆上，传动轴齿轮安装在传动轴的一端，电机输出轴齿轮与换向齿轮和下转动杆齿轮啮合，换向齿轮与传动轴齿轮啮合，第一带轮安装在传动轴的另一端，第二带轮固定在上转动杆上，两带轮通过同步齿形带连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种智能翻转式攀爬机器人，其特征是：所述夹紧手爪由爪体、压力传感器、橡胶层、光电管组成，压力传感器位于爪体内侧、与爪体粘接，橡胶层粘贴在压力传感器上，爪体后部设有光电管，最后端有导向槽，推杆螺母位于导向槽内，爪体能够绕位于旋转基体上的手爪转动轴转动。

4.根据权利要求1或2所述的一种智能翻转式攀爬机器人，其特征是：所述控制器包括控制模块和遥控模块，遥控模块包括无线发射模块和无线接收模块，控制器粘接在躯干上。

5.根据权利要求3所述的一种智能翻转式攀爬机器人，其特征是：所述控制器包括控制模块和遥控模块，遥控模块包括无线发射模块和无线接收模块，控制器粘接在躯干上。

Images