CN115158504B - 轮式爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提出的轮式爬杆机器人，在轮式爬杆机器人中设有夹紧装置，包括上夹紧装置，以及下夹紧装置，上夹紧装置和下夹紧装置均包括底座、光杆、正反丝杆、夹紧电机、夹臂；底座为U型板，底座的两侧板均设有光杆安装孔和正反丝杆安装孔，光杆和正反丝杆平行地安装在底座上，夹紧电机位于底座外侧并通过联轴器与正反丝杆的一端相连接，夹臂的后端位于底座内侧并与光杆和正反丝杆套接，夹臂上设有夹持轮组。通过对其中的夹紧装置进行改进，使得轮式爬杆机器人能够相对稳定的固定在线杆上进行检测，提升了爬杆机器人在线杆上行进的稳定性。

Description

轮式爬杆机器人

技术领域

本申请涉及轮式爬杆机器人领域，尤其涉及轮式爬杆机器人。

背景技术

传统人力登杆作业，作业地点离散，时间随机，难以对作业人员进行有效的临场督导以确保作业流程的标准化和规范化。为了实现登作业现场的智能化安全督导，采用轮式爬杆机器人已成为新的检测形式。

随着轮式爬杆机器人技术的不断进步，其在医疗器械、电力巡检、农业生产等行业的应用也越来越广泛。但轮式爬杆机器人在实际使用过程中还是存在容易从线杆脱落的缺陷。

发明内容

本申请实施例提出了轮式爬杆机器人，通过对其中的夹紧装置进行改进，使得轮式爬杆机器人能够相对稳定的固定在线杆上进行检测，提升了爬杆机器人在线杆上行进的稳定性。

具体的，本申请实施例提出的轮式爬杆机器人，在轮式爬杆机器人中设有夹紧装置，包括：

上夹紧装置，以及下夹紧装置，上夹紧装置和下夹紧装置均包括底座、光杆、正反丝杆、夹紧电机、夹臂：

其中，底座为U型板，底座的两侧板均设有光杆安装孔和正反丝杆安装孔，光杆和正反丝杆平行地安装在底座上，夹紧电机位于底座外侧并通过联轴器与正反丝杆的一端相连接，夹臂的后端位于底座内侧并与光杆和正反丝杆套接，夹臂上设有夹持轮组；

夹臂由左右对称设置的两个单臂组成，两个单臂均包括端部垂直连接的前肢和后肢，两个后肢的后端均设有供与光杆滑动连接的通孔和供与正反丝杆螺纹连接的内螺纹孔。

可选的，所述夹紧装置，包括：

在上夹紧装置以及下夹紧装置中，设有安装在梯形正反丝杆上的夹紧电机，对称安装在正反丝杆和光杆上的左、右单臂实现主动夹紧和松开，基于梯形丝杆螺母传动实现自锁功能。

可选的，所述夹紧装置包括翻转单元，翻转单元包括翻转架和线性致动器，翻转架包括两块上连接板、两块下连接板、两个用于连接上连接板和下连接板的平行四边形连杆机构，两块上连接板、下连接板平行固定在上或下夹持单元底座横板的中部，线性致动器的伸缩端、底端分别通过销钉固定在两块上连接板、两块下连接板上；

平行四边形连杆机构包括两根长连杆和两根短连杆，两根长连杆的中部铰接，两根长连杆一端分别与上连接块和下连接块铰接，两根长连杆的另一端分别与两根短连杆的一端铰接，位于上放的短连杆、下方的短连杆与未连接的长连杆平行并用其另一端与上或下连接板铰接，通过线性致动器的伸长或缩短实现双平行四边形连杆机构的转动。

可选的，所述夹紧装置包括丝杠，所述丝杠为正反牙梯形丝杠，当丝杠被电机驱动时，丝杠左旋部分以及右旋部分的夹臂后肢会同时相向或反向运动。

可选的，还包括：

当后肢相向运动时，两单臂逐渐靠近，给管道施加压力，轮式爬杆机器人夹紧管道；当后肢反向运动时，两单臂远离，轮式爬杆机器人逐渐松开管道；

在下夹紧装置夹紧管道上夹紧装置、下夹紧装置松开管道过程中，上夹紧装置、下夹紧装置的丝杆与底座简化为简支梁，在两单臂之间的丝杆受到纯弯曲和扭转，且两单臂之间的距离越近，该段的弯矩越大，受到的弯曲应力越大。

有益效果：

轮式爬杆机器人两手爪交替攀爬管道，机构灵活性高，越障能力好。翻转装置是登杆轮式爬杆机器人的重要部件，提升了轮式爬杆机器人的强度、刚度及空间运动性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提出的夹紧装置的结构示意图；

图2为本申请实施例提出的翻转装置的结构示意图；

图3为本申请实施例提出的瓦特型机构图；

图4为本申请实施例提出的六连杆机构矢量图。

具体实施方式

为使本申请的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的结构作进一步地描述。

如图1所示，在上夹紧装置、下夹紧装置中，通过驱动安装在梯形正反丝杆上的夹紧电机，对称安装在正反丝杆和光杆上的左、右单臂可以实现主动夹紧和松开，因为该夹紧装置是梯形丝杆螺母传动，因此轮式爬杆机器人的夹紧装置具有自锁功能。

登杆轮式爬杆机器人若要有良好的越障能力，就必须具备翻转功能。如第一章中以华南理工大学为代表的关节式登杆轮式爬杆机器人，手爪与手臂通过腕关节相连，手臂通过翻转关节与爬升部分之间相连，爬升部分由回转关节构成，可配合机构做出复杂的空间运动。在翻转关节、腕关节、回转关节的协调配合下，轮式爬杆机器人两手爪交替攀爬管道，机构灵活性高，越障能力好。翻转装置是登杆轮式爬杆机器人的重要部件，其强度、刚度及空间运动性能共同决定登杆轮式爬杆机器人翻转功能的实现，对整个轮式爬杆机器人的设计至关重要。

翻转装置的整体结构如图2所示，翻转单元包括翻转架和线性致动器，翻转架包括两块上连接板、两块下连接板和两个用于连接上连接板和下连接板的平行四边形连杆机构，两块上或下连接板平行固定在上或下夹持单元底座横板的中部，线性致动器的伸缩端、底端分别通过销钉固定在两块上连接板、两块下连接板上。平行四边形连杆机构包括两根长连杆和两根短连杆，两根长连杆的中部铰接，两根长连杆一端分别与上连接块和下连接块铰接，两根长连杆的另一端分别与两根短连杆的一端铰接，位于上或下方的短连杆与未连接的长连杆平行并用其另一端与上或下连接板铰接。通过线性致动器的伸长或缩短实现双平行四边形连杆机构的转动。因为翻转装置连接上、下夹紧装置，进而可实现上、下夹紧装置的翻转，最终轮式爬杆机器人可越过例如T型管道、十字交叉管道等多种类型管道障碍。

丝杠为正反牙梯形丝杠，当丝杠被电机驱动时，丝杠左(右)旋部分的夹臂后肢会同时相向或反向运动。当后肢相向运动时，两单臂逐渐靠近，给管道施加压力，轮式爬杆机器人夹紧管道；当后肢反向运动时，两单臂远离，轮式爬杆机器人逐渐松开管道。为避免梯形丝杠受力后变形严重，在设计轮式爬杆机器人的夹紧机构时，可以采取的措施：选择刚度较大的梯形丝杠；或夹臂的工作区间应靠近轴承。

在下(上)夹紧装置夹紧管道上夹紧装置、下夹紧装置松开管道过程中，根据材料力学可知，上夹紧装置、下夹紧装置的丝杆与底座可简化为简支梁，在两单臂之间的丝杆受到纯弯曲和扭转，且两单臂之间的距离越近，该段的弯矩越大，受到的弯曲应力越大，并且弯曲应力与底座轴承到夹臂之间的距离成正比，轮式爬杆机器人夹持管道的范围理论上越广越好，但同时也要考虑到丝杆的选材和所受弯曲应力的影响。综上，正反牙梯形丝杆螺母的材料选择45号钢，直径为10mm，螺距为2mm长度为180mm。

匀速运行时，

T₁＝(F_aI)/(2πn)

式中：T1：驱动扭矩(Nm)；Fa：轴向负载(N)(F_a＝F+μmg，F：丝杠的轴向切削力(N)，F为0；μ：导向件的综合摩擦系数，μ为0.15；m：移动物体质量；I：丝杠导程(m)；n1：进给丝杠的正效率，n₁＝0.8。

水平使用梯形丝杠时驱动扭矩及电机功率计算：

式中T：实际驱动扭矩(N.m)；T₂：加速时的驱动扭矩(N.m)；e：裕量系数；J：对电机施加的惯性转矩(kg.m²)；W：电机的角加速度(rad/s²)；

为了使轮式爬杆机器人平稳地夹紧管道，避免运动过程中出现大的晃动，故选用匀速夹紧管道的方式，算得T₁＝0.16N.m。

功率计算公式：

p＝TN/9549；

P：功率(KW)；T：转矩(N.m)，N：转速(r/min)。

连杆机构通过线性致动器与上或下连接板铰接，上或下连接板与上或下底座焊接，线性致动器的伸长或缩短使上夹紧装置、下夹紧装置翻转。因此，通过分析连杆机构的运动学确定翻转装置的翻转功能。由机械原理可知该翻转装置自由度为：

F＝3n-(2p_l+p_h)＝3×5-(2×7+0)＝1；

机构运动分析的方法是通过原动件的运动规律及已知机构的运动简图，进而求解其他构件的运动参数。其中，图解法较为简便、直观，在一般工程应用中较准确但效率较低，随着计算机的普及，解析法应用较广泛。解析法通常是根据机构的封闭条件建立相应的位置方程，然后对位置方程求一阶、二阶导数分别得到速度方程、加速度方程。运动分析的解析法有很多种，如复数矢量法、封闭矢量多边形投影法、旋转矩阵法等。其中，复数矢量法在运算中矢量的大小及方向表示明确，故本论文采用复数矢量法进行分析。

单自由六杆机构的运动链是复闭链，闭链数等于2，运动链基本结构型包括：瓦特型和斯蒂文森型。本文翻转装置采用瓦特型机构，其原理如图3所示。对于该六连杆机构，通过两个四连杆矢量环求解得到其运动学分析，如图3.4所示，由两个矢量环计算得到输出角位移。第一个矢量环的位移输出可以作为第二个矢量环的输入，进而确定其运动关系。因为两个闭环都是平行四边形机构且每个四边形的邻边相等，故分析其中一个四边形的运动学参数即可得到第二个四边形的相关运动学参数。

图4中，I₁～I₈分别为在某一时刻两个矢量环对应杆的位置矢量，I₁～I₈为每个杆的杆长且相等，分别为位置矢量对应的角度且/>为常量。以A为圆点，Ax为实轴，将Ax逆时针方向转90度得虚轴Ay。第一个矢量环的封闭矢量方程为：

I₁+I₂＝I₃+I₄；

以复数形式表示为：

按欧拉公式展开消去后得：

式中

将下列三角函数变换公式：

对此，可以解出连杆3的角位移

同时解的连杆2的角位移：

I₁＝I₂＝I₃＝I₄＝80mm，的变化范围为16°～136°，带入/>得到杆7与杆8所形成的夹角变化范围为54°～164°，杆8一直平行于地面，故杆7可以实现90度的翻转，该机构具有翻转功能。

轮式爬杆机器人若要实现轴向运动、周向运动，需要对相关电机进行控制。通过翻转运动跨越L形管、T形管、十字交叉管等复杂管道障碍时，需要更加精确地控制电机。因此，轮式爬杆机器人配备完整的传感与控制***才能有良好的越障能力。

本文所述适用于轮式爬杆机器人有6个电机和1个线性致动器。6个电机中包括两个夹紧电机、两个转向电机、两个驱动电机，电机的选择对轮式爬杆机器人性能至关重要，同时轮式爬杆机器人本体的设计也会考虑电机的性能和重量以及安装位置，综合考虑最终选择蜗杆蜗轮直流减速电机：A58SW-31ZY。有以下原因：在同等情况下，可输出大扭矩，并且体积小巧；可承受高频率正反转，制动能力强；内部含有蜗杆蜗轮结构，具有自锁功能。

考虑到适用于轮式爬杆机器人的两个驱动轮互相独立，不需要复杂的传动分路，并且轮式爬杆机器人的维护要简单易操作，因此减速电机与L形板通过螺钉连接，轮胎的转轴与电机的输出轴通过联轴器连接，该连接方式简单、可靠。在该传动方式下，轮胎的速度可以任意切换。

在夹紧装置中，夹紧电机通过螺钉固定在U型板上，电机与丝杆通过联轴器相连。电机正转或反转，丝杆也会随着正转或反转，夹持爪就可以实现对管道夹紧或者松开。同时，轮架的末端与固定在单臂上的转向电机通过螺纹连接，随着转向电机的转动，轮架与轮胎也随着一起转动，从而轮式爬杆机器人可以做轴向运动或周向运动。

线性致动器也叫电动推杆、伸缩杆等。相比伺服电机，线性致动器具有更加安全，易安装等特点，同时它具有更大的灵活性，可以输出很大的推力，并且线性致动器稳定易控制，故可以实现轮式爬杆机器人稳定的翻转。

以上所述仅为本申请的实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.轮式爬杆机器人，在轮式爬杆机器人中设有夹紧装置，其特征在于，包括：

上夹紧装置，以及下夹紧装置，上夹紧装置和下夹紧装置均包括底座、光杆、正反丝杆、夹紧电机、夹臂；

其中，底座为U型板，底座的两侧板均设有光杆安装孔和正反丝杆安装孔，光杆和正反丝杆平行地安装在底座上，夹紧电机位于底座外侧并通过联轴器与正反丝杆的一端相连接，夹臂的后端位于底座内侧并与光杆和正反丝杆套接，夹臂上设有夹持轮组；

夹臂由左右对称设置的两个单臂组成，两个单臂均包括端部垂直连接的前肢和后肢，两个后肢的后端均设有供与光杆滑动连接的通孔和供与正反丝杆螺纹连接的内螺纹孔；

所述夹紧装置还包括：

在上夹紧装置以及下夹紧装置中，设有安装在梯形正反丝杆上的夹紧电机，对称安装在正反丝杆和光杆上的左、右单臂实现主动夹紧和松开，基于梯形丝杆螺母传动实现自锁功能；

所述夹紧装置还包括翻转单元，翻转单元包括翻转架和线性致动器，翻转架包括两块上连接板、两块下连接板、两个用于连接上连接板和下连接板的平行四边形连杆机构，两块上连接板、下连接板平行固定在上或下夹持单元底座横板的中部，线性致动器的伸缩端、底端分别通过销钉固定在两块上连接板、两块下连接板上；

平行四边形连杆机构包括两根长连杆和两根短连杆，两根长连杆的中部铰接，两根长连杆一端分别与上连接块和下连接块铰接，两根长连杆的另一端分别与两根短连杆的一端铰接，位于上放的短连杆、下方的短连杆与未连接的长连杆平行并用其另一端与上或下连接板铰接，通过线性致动器的伸长或缩短实现双平行四边形连杆机构的转动。

2.根据权利要求1所述的轮式爬杆机器人，其特征在于，所述夹紧装置包括丝杠，所述丝杠为正反牙梯形丝杠，当丝杠被电机驱动时，丝杠左旋部分以及右旋部分的夹臂后肢会同时相向或反向运动。

3.根据权利要求2所述的轮式爬杆机器人，其特征在于，还包括：

当后肢相向运动时，两单臂逐渐靠近，给管道施加压力，轮式爬杆机器人夹紧管道；当后肢反向运动时，两单臂远离，轮式爬杆机器人逐渐松开管道；

在下夹紧装置夹紧管道上夹紧装置、下夹紧装置松开管道过程中，上夹紧装置、下夹紧装置的丝杆与底座简化为简支梁，在两单臂之间的丝杆受到纯弯曲和扭转，且两单臂之间的距离越近，该段的弯矩越大，受到的弯曲应力越大。