CN101475031A - 机器人爬梯装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人爬梯装置，包括气动回路系统、导轮机构、磁铁吸附装置和单片机电控系统，其特征在于：还包括由长矩形双活塞双作用气缸、单活塞双作用气缸、动轴转钩、动轴转钩拉杆、拉杆接头共同构成的升降机构；由短矩形双活塞双作用气缸、后推架、后推架拉杆、定轴转钩拉杆、竖拉杆、定轴转钩共同构成的保持联杆机构。所述升降机构起推进器作用，驱动机器人沿梯子推进；所述保持联杆机构用来完成固定转钩的转动，保持机器人在爬动过程中的暂停。在单片机电路系统的控制下，以气动为动力，驱动机器人完成爬上爬下的所有动作。该装置设计合理、结构紧凑可靠、模块集成度高，实现了系统自锁、控制方便灵活，安全性好。

Description

机器人爬梯装置

技术领域

本发明涉及一种机器人爬梯子装置，具体地说是以压缩空气作为动力，以单片机电控系统控制电磁阀使气缸有效工作，结合机械连杆机构，实现机器人自动沿梯子直上直下爬动的一种装置。

背景技术

机器人爬梯装置，主要用作消防机器人，旨在作为特种消防设备代替消防队员接近火场实施有效的灭火救援和火场侦察。它的应用将提高消防部队扑灭特大恶性火灾的实战能力，所以得到了比较广泛的利用。但现在的消防机器人是以履带式或轮式的地面作业消防机器人为主，在高层建筑发生火灾时难以进行有效的灭火作业。而现代城市中高层建筑越来越多。当高层建筑发生火灾时，都是消防员亲临现场进行高空消防作业，在高空、高温和浓烟等一系列恶劣的环境下，消防员很难进行有效的消防作业。如果把这样的工作交给机器人来完成，情景就会有很大的改观。于是机器人爬梯子消防装置便应运而生了。这种爬梯子消防机器人可在高空、高温和浓烟等一系列恶劣的环境下有效地实施消防工作，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡将产生重要的作用。

发明内容

本发明的目的在于针对上述技术中的不足，提供了一种用简单原理使机器人实现复杂的爬梯子动作，并在高空有效作业，完成消防任务的机器人爬梯装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

利用压缩空气作为动力源，采用单片机和电磁阀来控制和切换气源，驱动单出杆双作用气缸，使机器人爬梯装置实现沿梯子直上直下爬动的动作，完成高空消防任务。

机器人爬梯装置由机器人、梯子、空气压缩气泵组成。机器人系统最重要的部分就是机器人机身，其特征在于：机器人机身由4个电磁换向阀、2个矩形双活塞杆双作用气缸、1个单活塞双作用气缸、机身架、定轴转钩、动轴转钩、联杆装置、磁铁吸附装置、导向轮装置、单片机控制电路和接触开关及其他辅助机械零件装配而成。具体装配关系如下：在机身架正面中间位置用两个螺钉将长矩形双活塞杆双作用气缸纵向固定，气缸活塞伸出口向前；用两个螺钉将短矩形双活塞杆双作用气缸固定在长矩形双活塞杆双作用气缸上面，气缸活塞伸出口向后；将四个二位五通电磁换向阀各用两个螺钉分别对称固定在气缸两边的机身上，一边两个，同侧换向阀前后放置；在机身后两侧分别安装一个磁铁吸附装置并用螺钉固定好；机身两侧前后左右分别安装导轮轴架、导轮轴、导轮，用螺钉固定，导轮与导轮轴间隙配合，使导轮能够自由转动；长矩形双活塞杆双作用气缸的活塞挡板上安装前推架和单活塞双作用气缸架，在活塞挡板前部安装开关架，在活塞挡板两侧用螺钉轴连接动轴转构，螺钉轴与动轴转构间隙配合，螺钉用两个螺母旋紧，两螺母自锁，螺钉头与螺母之间留一定距离，使动轴转构能绕螺钉轴自由转动；将单活塞双作用气缸装入气缸架，用螺钉固定，将拉杆接头接气缸一端用螺母固定，另一端与气缸拉杆用螺钉轴连接，拉杆另一端与动轴转构中部用螺钉轴连接，螺钉轴连接处均为间隙配合且用两螺母自锁，确保螺钉轴处可以绕轴转动；在机身背面，将定轴转钩拉杆放入拉杆架内，并将拉杆架用螺钉固定在机身背面，同时应使拉杆可沿拉杆架方向运动，将后推架拉杆一端用螺钉紧固在后推架上，另一端与定轴转钩拉杆一端通过公母扣连接，在定轴转钩拉杆另一端通过竖拉杆将定轴转钩与其连接起来，三者之间均用螺钉轴连接，把定轴转钩安装在定轴转钩轴架上，并将定轴转钩轴架用螺钉紧固在机身前部，后推架、后推架拉杆、定轴转钩拉杆、竖拉杆、定轴转钩共同构成了保持联杆机构，来完成固定转钩的转动；接好压缩空气泵、气缸、气管之间的气管，确保气路的畅通和密封；将单片机集成电路板固定在机身上，接好各个开关并将开关固定到指定的位置，确保电路控制部分可以正常工作；最后安装其他辅助零件，完成机器人的装配。

本发明与现有技术相比，具有下述优点：机器人由气动系统、保持机构、升降机构、联杆机构、磁铁吸附装置、导向轮装置、单片机控制电路有机结合而成，该设计体现了用简单的设计原理来完成复杂动作的理念；设计合理，结构紧凑稳定可靠，模块集成度高，控制方便灵活，安全性好；利用气压的特点，实现了系统的自锁，与其他驱动方式比较，气动还具有成本低廉、工作效率高、清洁无污染等优点。与普通消防机器人相比较，本发明的爬梯子消防机器人能够借助伸缩保持机构和升降机构从梯子上爬到一定高度对火场进行有效的灭火作业，弥补了以往消防机器人只能在地面工作的不足。

附图说明

本发明共有六幅附图，其中：

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的仰视图；

图3是本发明的右视图；

图4是本发明的轴测图；

图5是本发明的升降机构轴测图；

图6是本发明的保持机构轴测图。

图中：1.长矩形双活塞杆双作用气缸，2.二位五通电磁换向阀I，3.磁铁吸附装置，4.后推架，5.导向轮，6.调速阀，7.短矩形双活塞杆双作用气缸，8.机身架，9.定轴转钩轴架，10.定轴转钩，11.单活塞单作用气缸，12.开关架，13.动轴转钩，14.后推架拉杆，15.定轴转钩拉杆，16.拉杆架，17.前推架，18.竖拉杆，19.气缸拉杆，20.拉杆接头，21.通气管接头，22.消音器，23.磁铁架，24.圆柱磁铁，25.后轮，26.梯子，27.电磁阀II，28.电磁阀III，29.电磁阀IV。

具体实施方式

如图1.2.3.4.5.6所示的一种机器人爬梯装置其结构是将长、短2个矩形双活塞杆双作用气缸1用螺钉紧固在机身架8的中间位置并使两活塞口方向相反，将4个电磁换向阀I2、II27、III28、IV29对称安装在气缸两侧的机身架上，接好压缩空气泵、气缸、电磁阀之间的气管，确保气路的畅通和密封，形成完整的气动系统回路；机身架8两侧前后左右分别安装导轮轴架、导轮轴、导向轮5，用螺钉固定，导向轮5与导轮轴间隙配合，使导轮能够自由转动，形成导轮机构；长矩形双活塞杆双作用气缸1的活塞挡板上安装前推架17和单活塞双作用气缸架，在活塞挡板两侧用螺钉轴连接动轴转钩13，螺钉轴与动轴转钩13间隙配合，螺钉用两个螺母旋紧，两螺母自锁，螺钉头与螺母之间留一定距离，使动轴转钩13能绕螺钉轴自由转动；将单活塞双作用气缸11装入所述气缸架，用螺钉固定，将拉杆接头20的接气缸活塞一端用螺母固定，另一端与动轴转钩拉杆用螺钉轴连接，拉杆另一端与动轴转钩13中部用螺钉轴连接，所述长矩形双活塞双作用气缸1、单活塞双作用气缸11、动轴转钩13、动轴转钩拉杆19、拉杆接头20共同构成升降机构；在机身架8背面，将定轴转钩拉杆15放入拉杆架16内，并将拉杆架16用螺钉固定在机身背面，同时应使拉杆15可沿拉杆架16方向运动，将后推架拉杆14一端用螺钉紧固在后推架4上，另一端与定轴转钩拉杆15一端通过公母扣连接，在定轴转钩拉杆15另一端通过竖拉杆18将定轴转钩10与其连接起来，三者之间均用螺钉轴连接，把定轴转钩10安装在定轴转钩轴架9上，并将定轴转钩轴架9用螺钉紧固在机身架8前部，后推架4、后推架拉杆14、定轴转钩拉杆15、竖拉杆16、定轴转钩10共同构成了保持联杆机构，来完成定轴转钩的转动；磁铁吸附装置3由圆柱磁铁24、后轮25、磁铁架23用螺钉连接组成，安装在机身尾部两侧；将单片机集成电路板固定在机身上，接好各个开关并将开关固定到指定的位置，确保电路控制部分可以正常工作，构成单片机电路控制系统；最后安装其他一些辅助零件，形成整个机器人机身。

所述的气动系统由空气压缩泵、二位五通电磁换向阀、气缸、气管组成，空气压缩泵、二位五通电磁换向阀和气缸之间用气管、通气管接头连接，形成密封顺畅的驱动气动回路，使气源与气缸接通，从而控制气缸工作；所述的单片机电路控制系统由单片机、集成电路板、外围电路及控制开关用导线连接组成，并将机器人运动控制程序嵌入单片机，机器人运动过程中通过各个开关产生输入信号，输入信号通过单片机处理，发出输出信号经电磁换向阀控制三个气缸有序工作；所述保持机构由短矩形双活塞杆双作用气缸7、后推架4、后推架拉杆14、定轴转钩拉杆15、定轴转钩轴架9、定轴转钩10、竖拉杆18构成，气缸活塞的伸缩带动后推架4、后推架拉杆14、定轴转钩拉杆15前后运动，定轴转钩拉杆15前后运动带动竖拉杆18运动并使定轴转钩10绕定轴架9完成抬起和落下运动，使机器人保持停歇状态；所述的升降机构由长矩形双活塞杆双作用气缸1、单活塞单作用气缸11、前推架17、拉杆接头20、动轴转钩拉杆19、动轴转钩13构成。单活塞单作用气缸11伸出，通过拉杆接头20、动轴转钩拉杆19带动动轴转钩13绕前推架17上的轴转动，使钩抬起并脱离梯子横梁；气缸1伸出带动前推架上的零件向前运动；单活塞单作用气缸11伸出，通过拉杆接头20、动轴转钩拉杆19带动动轴转钩13绕前推架17上的轴转动，使钩落下并钩住梯子横梁；气缸1收缩带动机身整体向前运动；完成向上爬梯子动作，向下爬梯子同理，因此实现升降机构的动作。所述的磁铁吸附装置3由圆柱磁铁24、后轮25、磁铁架23用螺钉连接组成，安装在机身尾部两侧；当转钩钩在梯子横梁上，气缸通气带动机身向上或向下爬动时钩子与梯子横梁接触点处对两个前导向轮5轮轴产生转矩，使机身尾部翘起并脱离梯子26，安装磁铁吸附装置3后，机身8尾部与梯子产生磁力，此力对前导向轮轮轴产生转矩，与前转矩相抵消，使机器人平稳在梯子上爬动；所述导向轮装置由导向轮5、导向轮架、导向轮轴组成，通过螺钉固定在机身背面四角，导向轮设计成T字圆台形，使机身即能沿梯子上下运动又能阻止机身沿左右方向移动，爬升时一个周期的动作可分解为：

1.向上爬梯子动作：

(1)将机器人爬梯装置放在梯子下方；长矩形双活塞杆双作用气缸呈伸出状态，单活塞单作用气缸呈收缩状态，短矩形双活塞杆双作用气缸伸出，保持联杆机构保持机器人钩住梯子横梁，此为机器人初始状态；启动空气压缩泵，接通气源，气动系统工作，此时正向通气气缸活塞伸出，反向通气气缸活塞收缩；

(2)单片机控制系统控制电磁阀III使短矩形双活塞杆双作用气缸反向接通气源，其活塞收缩，控制保持与联杆系统的定轴转钩抬起；

(3)控制电磁阀II使长矩形双活塞杆双作用气缸反向接通气源，其活塞收缩带动机身向上运动；

(4)控制电磁阀III换向使短矩形双活塞杆双作用气缸正向接通气源，其活塞伸出使保持与联杆系统的定轴转钩落下，钩住横梁，机身整体停留在爬动到的位置；

(5)控制电磁阀IV使单活塞单作用气缸正向接通气源，活塞伸出，带动动轴转钩抬起；

(6)控制电磁阀II换向使长矩形双活塞杆双作用气缸正向接通气源，其活塞伸出，带动动轴转钩向上运动；

(7)控制电磁阀IV换向使单活塞单作用气缸反向接通气源，活塞收缩，带动动轴转钩落下并钩住横梁；

(8)重复第2步动作，完成向上爬梯子动作。

2.向下爬梯子动作：

(1)机器人在梯子顶部，单活塞单作用气缸、长矩形双活塞杆双作用气缸呈收缩状态，短矩形双活塞杆双作用气缸呈伸出状态，使保持与联杆机构保持机器人钩住梯子横梁；

(2)单片机控制系统控制电磁阀III使短矩形双活塞杆双作用气缸反向接通气源，其活塞收缩，控制保持与联杆机构的定轴转钩抬起；

(3)控制电磁阀II使长矩形双活塞杆双作用气缸正向接通气源，其活塞伸出，由于重力作用，带动机身向下运动；

(4)控制电磁阀III换向，使短矩形双活塞杆双作用气缸正向接通气源，其活塞伸出，使保持与联杆机构的定轴转钩落下，钩住横梁，机身整体停留在爬动到的位置；

(5)控制电磁阀IV使单活塞单作用气缸正向接通气源，活塞伸出，带动动轴转钩抬起；

(6)控制电磁阀II换向，使长矩形双活塞杆双作用气缸反向接通气源，其活塞收缩，带动动轴转钩向下运动；

(7)控制电磁阀IV换向，使单活塞单作用气缸反向接通气源，活塞收缩，带动动轴转钩落下并钩住横梁；

(8)重复第2步动作，完成向下爬梯子动作。

Claims (5)

1、一种机器人爬梯装置，包括机身架(8)，其正面装置两位五通电磁换向阀I(2)、II(27)、III(28)、IV(29)、电控装置和磁铁吸附装置，所述电控装置由内嵌操作程序的单片机构成，其背面装有导向轮装置(5)，所述的电控装置与所述的电磁换向阀I、II、III、IV保持电连接，其特征在于：机身架的中央装有长矩形双活塞双作用气缸(1)，在其上部装有短矩形双活塞双作用气缸(7)，所述长矩形气缸(1)的活塞出口与短矩形气缸(7)的活塞出口方向相反，但与所述电磁阀及压缩空气泵有气路连接，其中所述的长矩形气缸(1)与单活塞单作用气缸(11)、开关架(12)、动轴转钩(13)、前推架(17)、气缸拉杆(19)和拉杆接头(20)共同构成了升降机构；所述的短矩形气缸(7)、机身架(8)、定轴转钩轴架(9)、定轴转钩(10)、后推架拉杆(14)、定轴转钩拉杆(15)、拉杆架(16)和竖拉杆(18)共同构成了保持与连杆机构，在该机构中，短矩形气缸(7)的活塞杆连接后推架(4)、后推架(4)与后推架拉杆(14)连接，其另一端与定轴转钩拉杆(15)公母扣连接；所述转钩拉杆(15)通过固定于机身架上的拉杆架(16)与竖拉杆(18)活动连接，竖拉杆(18)则与定轴转钩(10)铰接；在所述保持与连杆机构中，长矩形气缸(1)的活塞杆与前推架(17)固定连接，前推架(17)上有气缸架，用于固定单作用气缸(11)，该气缸的活塞杆连接拉杆接头(20)，拉杆接头的另一端与气缸拉杆(19)螺钉轴连接，其另一端则与动轴转钩(13)的中部螺钉轴连接；在电控装置的控制下，分别由电磁控制阀I、II、III、IV驱动长矩形双活塞双作用气缸(1)、短矩形双活塞双作用气缸(7)、单活塞单作用气缸(11)依程序动作，实现定轴转钩(10)绕定轴架(9)的抬起与落下运动，使机器人保持停歇状态和/或实现动轴转钩(13)绕前推架(17)上的轴转动，使钩子落下并钩住梯子(26)的横梁，进而使长矩形气缸(1)收缩，带动机身整体向前运动，完成爬梯动作，反之亦然，即可完成爬上爬下的全部动作。

2、根据权利要求1所述的机器人爬梯装置，其特征在于：所述的气动回路由空气压缩泵、二位五通电磁换向阀、气缸和气管组成，空气压缩泵、二位五通电磁换向阀和气缸之间用气管、通气管接头连接，形成密封顺畅的驱动气动回路，使气源与气缸接通，从而控制气缸工作。

3、根据权利要求2所述的机器人爬梯装置，其特征在于：所述的电控装置由单片机、外围电路及控制开关组成，单片机中内嵌机器人运动控制程序，机器人运动过程中通过各个开关产生输入信号，经单片机处理，发出输出信号经电磁换向阀控制三个气缸有序工作。

4、根据权利要求3所述的机器人爬梯装置，其特征在于：所述的磁铁吸附装置(3)由圆柱磁铁(24)、后轮(25)、磁铁架(23)用螺钉连接组成，安装在机身尾部两侧；当转钩钩在梯子横梁上，气缸通气带动机身向上或向下爬动时钩子与梯子横梁接触点处对两个前导向轮(5)轮轴产生转矩，使机身尾部翘起并脱离梯子(26)，安装磁铁吸附装置(3)后，机身架(8)尾部与梯子产生磁力，此力对前导向轮轮轴产生转矩，与前转矩相抵消，使机器人平稳的在梯子上爬动。

5、根据权利要求4所述的机器人爬梯装置，其特征在于：所述导向轮装置由导向轮(5)、导向轮架、导向轮轴组成，通过螺钉固定在机身架(8)背面四角，导向轮设计成T字圆台形，使机身既能沿梯子上下运动又能阻止机身沿左右方向移动。

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