CN103043132B - 钩爪抓取式振动壁面爬升机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钩爪抓取式振动壁面爬升机器人，包括第一本体结构，第二本体结构以及驱动第一本体结构和第二本体结构交替爬升的爬升驱动装置，第一本体结构上设置有四个抓取钩爪，第二本体结构上也设置有四个抓取钩爪，在第一本体结构上铰接有第一连接杆和第二连接杆，第一连接杆和第二连接杆的另一端则铰接在第二本体结构上，第一连接杆、第二连接杆与所述第一本体结构和第二本体结构形成的四个铰接点形成一个平行四边形，爬升驱动装置的输出端连接在所述的第二连接杆上。发明结构简单合理，维修方便，可有较高的爬升速度，可应用于大型斜拉桥索塔的检测工作，也可用于偏远山区危险环境下高架桥墩的壁面检测工作。

Description

钩爪抓取式振动壁面爬升机器人

技术领域

本发明专利涉及一种钩爪式粗糙混凝土壁面检测机器人，具体的说，是涉及一种用于高空中振动的粗糙混凝土墙壁、水刷石墙壁检测的爬壁机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

随着我国交通事业的迅速发展，斜拉桥和危险高空建筑物在我国已经得到了广泛的应用。在组成斜拉桥的三部分（索塔、拉索和主梁）中，除主梁可应用专用的养护工程车检测外，高达几百米的索塔和斜拉索都存在一个难以检查的现实，桥梁养护工程师很难近距离观察他们的每一处，甚至根本无法接近需要检查的部位，这种现状已经持续多年，至今仍未改变。随着更大跨度桥梁的不断出现，人工检测的周期将更长、危险性更高、难度更大，开发用于桥梁索塔和偏远山区高架桥桥墩安全检测的自动化装置，成为必然要求。

在实际的工程应用中，爬壁机器人应具有吸附和移动两大基本功能，目前的吸附方式主要有磁吸附、真空吸附、负压吸附和仿生粘性吸附等方式。磁吸附方式吸力较大，噪音小，控制也比较方便，但要求壁面为导磁材料；真空和负压吸附方式不受壁面材料限制，但当壁面存在较大裂缝、凹凸不平时，吸盘容易发生气体泄漏现象，导致吸附力不足，此类机器人较难应用于岩石、水刷石的表面。近年来，通过研究壁虎、蟑螂等爬行动物脚掌的粘性、抓取吸附机理，国内外学者研制出高分子合成的粘性吸附材料，这些材料利用分子之间的范德华力，在很小的接触面积上就可获得较大的吸附力，具有吸附力与表面材料特性无关的优点，但目前这些材料存在受壁面灰尘影响较大，加工较困难，使用寿命较短，使用一定次数之后就失去粘性等缺点，仍要进一步研究。

由于混凝土墙壁的裂缝容易导致吸盘的漏气，表面不确定的灰尘对仿生粘结剂吸附有较大影响，传统的吸附方式难以满足在带有裂缝的混凝土、水刷石、砖块和岩石等多孔或粗糙的表面上爬升的要求。特别是斜拉桥索塔和偏远山区的高架桥桥墩，表面积灰严重，受高空风载影响较大，加之过往车辆引起索塔的随机振动，导致机器人爬升时随索塔一起振动，这对机器人的吸附装置提出了更高的要求。

针对此类振动壁面的特殊性，哈尔滨工程大学所提出的钩爪式爬壁机器人，利用钩刺挂附于粗糙墙壁表面通过对手臂伸缩实现爬行，其技术方案公布在专利号为200710072237.0 的专利文件中。东南大学提出了抓取钩爪的斜拉桥混凝土索塔表面检测机器人，利用一根软轴驱动微小尖钩抓取墙壁实现吸附，其技术方案公布在专利号为201110030032.2 的专利文件中，当曲柄滑块机构的曲柄和连杆重合时，产生急回特性，会引起机器人的振动现象，钩爪抓取壁面时，对软轴的刚性要求较高，导致机器人本体结构、费用较高。所提出的钩爪抓取式爬壁机器人，应用索驱动方式带动钩爪运动，其技术方案公布在专利号为201010290721.2 的专利文件中，本专利的套索驱动机构本体过于复杂，套索和套管较多，套索驱动易受套管的摩擦影响，路径不确定与壁面突起容易刮擦、干涉，传动特性较难实现精确控制。

南京航空航天大学的仿生结构与材料防护研究所，还对大黄蜂、甲虫等昆虫脚爪的微结构与其生存环境表面形貌进行了研究，设计了仿生脚掌，其脚爪前端的尖爪能钩到粗糙壁面上的凹凸点，将机器人挂在墙壁上，实现爬升动作。

另外，国外也有一些关于钩爪式爬壁机器人的报道，如：

1. Sintov A，Avramovich T， Shapiro A. Design and motion planning of an autonomous climbing robot with claws. Robotics and Autonomous Systems, 2011,59(11): 1008-1019.

2. M. J. Spenko，G. C. Haynes，J. A. Saunders. Biologically Inspired Climbing with a Hexapedal Robot [J]. Journal of Field Robotics, 2008, 25(4-5):223–242.

3. Asbeck A T，Kim S，Cutkosky M R， Provancher W R，M. Lanzetta. Scaling

hard vertical surfaces with compliant microspine array [J]. International

Journal of Robotics Research，2006，25(12): 1165-1179.

随着斜拉桥的跨度越来越大，索塔高度不断增大，检测的安全性受风振的影也响越来越大，以苏通大桥为例，其索塔高达300m，对拉索和索塔的检测均越来越困难。针对斜拉桥拉索的检测工作，本课题组已经申请过多种检测机器人（申请号为200810019166.2，200810142308.4，2006101576019.9，200620016413.X）。本发明主要针对偏远危险的混凝土、水刷石壁面，如斜拉桥桥墩、斜拉桥索塔、偏远山区的高架桥桥墩等高空建筑，设计一种新型钩爪式爬壁机器人，使钩爪在抓取墙壁的同时，对墙壁的作用力形成了形封闭和力封闭，壁面的粗糙突起提供给机器人一个指向壁面的“吸力”，增加了壁面对机器人的约束，有效地克服了高空风载，壁面振动对机器人爬升性能的影响。本专利主要针对粗糙的索塔混凝土壁面设计了专用检测机构，机构同样适用于高架桥桥墩，普通建筑的混凝土壁面的检测工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对以上所提爬壁机器人不足，应用微小钩爪抓取墙壁粗糙物的吸附方案，提出一种结构简单，适合于振动的斜拉桥索塔和高架桥桥墩的高空作业壁面检测机器人。

本发明采用如下技术方案：一种钩爪抓取式振动壁面爬升机器人，包括第一本体结构，第二本体结构以及驱动所述第一本体结构和第二本体结构交替爬升的爬升驱动装置，所述的第一本体结构上设置有四个抓取钩爪，所述的第二本体结构上也设置有四个抓取钩爪，其特征在于：在所述的第一本体结构上铰接有第一连接杆和第二连接杆，所述的第一连接杆和第二连接杆的另一端则铰接在所述的第二本体结构上，所述的第一连接杆、第二连接杆与所述第一本体结构和第二本体结构形成的四个铰接点形成一个平行四边形，所述的爬升驱动装置的输出端连接在所述的第二连接杆上。

所述的抓取钩爪包括一套钩爪驱动装置、第一钩爪盒和第二钩爪盒，以及设置在第一钩爪盒和第二钩爪盒中的至少三个微小尖钩和三个拉伸弹簧，所述钩爪驱动装置包括钩爪驱动舵机以及相互啮合传动的两个驱动轴，所述的第一钩爪盒和第二钩爪盒均成L型，第一钩爪盒和第二钩爪盒的中部分别连接在一个驱动轴上，第一钩爪盒和第二钩爪盒的两个自由端分别连接在微小尖钩的中部和非钩端；所述的微小尖钩包括钩尖和钩身，应用扭簧将钩尖和钩身铰接在一起，在钩尖和钩身均设有使钩尖和钩身可在预设的微小范围内相对转动的限位槽。

所述的爬升驱动装置包括爬升驱动舵机，控制电路板，舵机固定板和舵机输出轴，所述的舵机固定板固定在所述的第二本体结构上，所述的舵机输出轴与所述的第二连接杆连接。

所述的机器人本体连接架上还设有锂电池，壁面检测仪器等。

与现有技术相比，本发明爬壁机器人具有如下优点：

1、本发明所提出的平行四加形机构实质上是平面铰链四连杆机构的衍生机械，平面铰链四连杆机构的机架一般固定，多用于平面传动，其具有运行平衡、可靠的优点。本发明所提出的四边形爬升机构，类似于交替变换固定机架的四连杆机构，使其保留了运动平稳性和可靠性的同时，成为一个沿壁面移动的平面铰链四连杆机构。由于始终都有一个连杆“固定”在墙面上，所以本发明所提出的机构比专利号为201110030032.2（当曲柄滑块机构的曲柄和连杆重合时，产生急回特性，会引起机器人的振动现象，钩爪抓取壁面时，对软轴的刚性要求较高，导致机器人本体结构、费用较高。）和201010290721.2（套索驱动机构本体过于复杂，套索和套管较多，套索驱动易受套管的摩擦影响，路径不确定与壁面突起容易刮擦、干涉，传动特性较难实现精确控制）所述机器人更为稳定、可靠。

2、本发明应用一个拉伸弹簧连接钩爪的微小尖钩与钩爪盒，并且每个微小钩爪与钩爪盒通过铰链连接，钩尖与钩身通过扭簧连接，在抓取过程中，钩爪均可在拉伸弹簧的行程范围内，在钩爪扭簧作用下寻找合适的抓取点。当其中一个微小尖钩抓到墙壁突起时，在拉伸弹簧和扭簧的联合作用下，保持抓取力的同时，其它微小尖钩可继续运动，以保证每个尖钩寻找到可抓取点；一旦在此范围没有搜寻到合适的可抓取的突起点，可通过四边形机构调整机器人的步态行程使可抓取范围更大，确保搜索稳定、抓取可靠。

3、本发明采用抓取钩爪作为爬壁机器人的吸附方式，可完成“抓取”和“挂取”两种动作。每个钩爪设置有多个微小尖钩，用于钩取水刷石或粗糙混凝土壁面的微小突起，能有效克服壁面振动、墙面灰尘、墙壁裂缝对吸附方式稳定性能的影响，使爬壁机器人的适应范围更加广泛。机器人的抓取采用成对的尖钩完成，尖钩的弯曲方向相对，在抓取时形成一个合力，在整个手爪尖钩与墙壁的突起相互作用过程中，墙壁的突起作用于微小尖钩的摩擦力的竖直方向分力支撑机器人自身重量。摩擦力水平方向的分力，指向壁面，此分力可有效地防止机器人运行过程中脱离壁面造成事故，使机构运动更稳定，有效地克服了墙壁振动和高空风载等外界扰动因素对机器人稳定性的影响。机器人在整个运行过程中，可采取“抓取”和“挂取”两种方式，可越过较大的障碍，适应岩石等具有较大的凸起的壁面，使机器人遇到裂缝和较大突起时选择合适的抓取位置，不会脱离壁面。另外，由于多个钩爪均能形成力封闭和形封闭，可提供指向壁面的分力，本机器人也可信偿试应用于室内顶篷的检测工作。

4、本发明的每个手爪的驱动装置均由相应的舵机，拉伸弹簧和扭簧组成，可很容易的设置在驱动四边形的两条边上，方便调整、平衡倾翻力矩，使机器人爬升更稳定。

5、实施本壁面检测机器人时，其舵机驱动装置，检测设备均采用锂电池的供电方式，而不采用有源电缆供电，更适合高空作业环境，使机器人受风力影响较小，运行更可靠。

附图说明

图1 是本发明机器人的整体结构示意图；

图2 是整个钩爪结构示意图；

图3 是本发明的单个尖钩结构；

图4 键传动示意图；

图5 是单个尖钩抓取示意图；

图6 单个尖钩可抓取范围示意图；

图7 机器人纵向运动步态示意图，其中a 起始状态，bBC 边向上爬升，cAD 边向上爬升；

图8 机器人横向运动步态示意图，其中a 起始状态，bAD 边向上爬升，cBC 边向上爬升,dAD 边爬升，eBC 边向上爬升。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做详细说明：

如图1 所示为本发明的一种钩爪抓取式振动壁面爬升机器人，包括机器人的爬升驱动装置1，第一本体结构2，第二本体结构3、第一连接杆4、第二连接杆14。其中，爬升驱动装置1，第一本体结构2，第二本体结构3、第一连接杆4 与第二连接杆14 组成一个平行四边形机构ABCD。爬升驱动装置1 设置在该平行四边形的CD 边上，第一本体结构2 设置在该平行四边形的BC 边上，第二本体结构3 设置在该平行四边形的AD 边上。爬升驱动装置1 上设置有主驱动电机11 ；第一本体结构2 上设置有第一抓取钩爪21，第二抓取钩爪22，第三抓取钩爪23，第四抓取钩爪24 ；第二本体结构3 上设置有第五抓取钩爪31，第六抓取钩爪32，第七抓取钩爪33，第八抓取钩爪34。每个钩爪包括至少两个钩爪盒，分别为第一钩爪盒212 和第二钩爪盒213。

如图1 所示，爬升驱动装置1 包括驱动舵机11，控制电路板12，舵机固定板13 和舵机输出轴。

如图2 所示，所述的八个钩爪结构相同，每套钩爪都包含了一套钩爪驱动装置211，两个钩爪盒，第一钩爪盒212 和第二钩爪盒213，以及设置在第一钩爪盒中的至少三个微小尖钩和三个拉伸弹簧，分别为第一微型尖钩2121、第二微型尖钩2122、第三微型尖钩2123，第一拉伸弹簧2124、第二拉伸弹簧2125、第三拉伸弹簧2126（其中2125 和2126 在平面示意图中未画出）；设置在第二钩爪盒中的至少三个微型尖钩和和三个拉伸弹簧，分别为第四微型尖钩2131、第五微型尖钩2132、第六微型尖钩2133，第四拉伸弹簧2134、第五拉伸弹簧2135、第六拉伸弹簧2136（其中2135 和2136 在平面示意图中未画出）。该成对的两个微型尖钩的尖钩弯曲方向相对，所述的钩爪驱动装置用以将钩爪打开、闭合或抓取。

如图3 所示，每个尖钩都包括了钩尖2127 和钩身2129，应用扭簧2128 将钩尖和钩身铰接在一起，在钩尖和钩身均设有限位槽，使钩尖和钩身可在预设的微小范围内相对转动。

如图2 所示，钩爪驱动装置211 包括了一个钩爪驱动舵机2111，一个连轴器2112，第一驱动轴2113，第二驱动轴2114，第一齿轮2115 和第二齿轮2116。

如图5 和图6 所示，钩爪盒212 和213 设计成“L”形。 “L”形钩爪盒212 和213 的上端与微型尖钩2121 中部铰接， “L”形钩爪盒212 和213 的右下端通过拉伸弹簧2124 与微小尖钩2121 下端连接。由图4 可见， “L”形钩爪盒212 和213 的中部设有圆孔2117，并开设键槽2118，能过传动键2119 与驱动轴2112 和2113 相连。

本发明的一个优选实施例是，如图1 所示，驱动舵机11 和控制电路板12 均设置在舵机固定板13 上，舵机输出轴与平行四边形的CD 边紧固在一起，通过舵机轴的摆动行为，驱动四边行机构沿壁面运动。

本发明的又一个优选实施例是，如图2 所示，每套钩爪都包含了一套钩爪驱动装置211，钩爪驱动舵机2111 通过连轴器2112 与第一驱动轴2113 相连，第一钩爪盒212 设置在第一驱动轴2113 上，通过传动键2117 将动力传递给设置在第一钩爪盒212 中的微小尖钩。通过设置在第一驱动轴2113 上的第一齿轮2115 和设置在第二驱动轴2114 上的第二齿轮2116，将驱动舵机2111 的动力同时传递给第二钩爪盒213，通过传动键将动力传递给设置在第二钩爪盒213 中的微小尖钩。

本发明的再一个优选实施例是，如图5 所示，每套钩爪都包含了两个钩爪盒，第一钩爪盒212 和第二钩爪盒213。从图2 和图5 中可见，在第一钩爪盒中设置有至少三个微小尖钩和三个拉伸弹簧，分别为第一微型尖钩2121、第二微型尖钩2122、第三微型尖钩2123，第一拉伸弹簧2124、第二拉伸弹簧2125、第三拉伸弹簧2126。通过连轴器2112 和第一驱动轴2113，钩爪驱动舵机2111 驱动第一钩爪盒212 贴近墙壁，在钩爪驱动舵机2111 的驱动力和第一拉伸弹簧2124、第二拉伸弹簧2125、第三拉伸弹簧2126 共同作用下，所述的第一微型尖钩2121、第二微型尖钩2122、第三微型尖钩2123，同时在墙壁上寻找可抓取点。

本发明的另一个优选实施例是，从图2 和图5 中可见，在第二钩爪盒中设置有至少三个微小尖钩和三个拉伸弹簧，分别为第四微型尖钩2131、第五微型尖钩2132、第六微型尖钩2133，第四拉伸弹簧2134、第五拉伸弹簧2135、第六拉伸弹簧2136。通过连轴器2112、第一驱动轴2113、第一齿轮2115、第二齿轮2116 和第二驱动轴2114，驱动舵机2111 的动力可被传递给第二钩爪盒213，在钩爪驱动舵机2111 的驱动力和第四拉伸弹簧2134、第五拉伸弹簧2135、第六拉伸弹簧2136 共同作用下，所述的第四微型尖钩2131、第五微型尖钩2132、第六微型尖钩2133，同时在墙壁上寻找可抓取点。

本发明的又一个优选实施例是，从图5 和图6 中可见，每个尖钩均可以在行程为“S”的范围内寻找可抓取点，当在一个行程范围内没有搜寻到合适凸起时，需控制驱动舵机11，调整平行四边形的运动步态，在其它的墙壁范围内继续抓取爬升。

本发明的另一个优选实施例是，从图3 可见，为增加微小尖钩的柔性，避免当一个尖钩寻找到可抓取点后，与其它尖钩成钢性，互相限制可抓取的位置，所有尖钩均增加一个转动自由度，即应用扭簧2129 将钩尖2127 和钩身2128，钩尖和钩身铰接在一起，在钩尖和钩身均设有限位槽，使钩尖和钩身可在相对转动，当其中一个钩尖抓到壁面凸起时，其扭簧可产生变形，从而其它钩尖可在壁面上继续运动，寻找可抓取的墙壁凸起。

本发明的再一个优选实施例是，从图6 中可见，每个尖钩均可以在行程为“S”的范围内寻找可抓取点，当在一个行程范围内没有搜寻到合适凸起时，需控制驱动舵机11，调整平行四边形ABCD 的运动步态，在其它的墙壁范围内继续抓取爬升。

本发明的另一个优选实施例是，从图7 可见，当机器人竖直爬升时，起始状态见图7-a，平行四边形机构ABCD 分为两步完成，（1）当AD 边，即第五抓取钩爪31，第六抓取钩爪32，第七抓取钩爪33，第八抓取钩爪34，抓紧壁面时，BC 边脱离壁面向上运动，见图7-b ；（2）随后，BC 边，即第一抓取钩爪21，第二抓取钩爪22，第三抓取钩爪23，第四抓取钩爪24，抓紧壁面，AD 边脱离壁面向上运动，见图7-c，完成竖直爬升运动。

本发明的另一个优选实施例是，从图8 可见，当机器人横向爬行时，平行四边形机构ABCD 分为四步完成，（1）首先，BC 边，即第一抓取钩爪21，第二抓取钩爪22，第三抓取钩爪23，第四抓取钩爪24，抓紧壁面，AD 边脱离壁面向上运动，见图8-b ；（2）随后，AD 边，即第五抓取钩爪31，第六抓取钩爪32，第七抓取钩爪33，第八抓取钩爪34，抓紧壁面时，BC 边脱离壁面向上运动，见图8-c ；（3）接下来，BC 边，即第一抓取钩爪21，第二抓取钩爪22，第三抓取钩爪23，第四抓取钩爪24，抓紧壁面，AD 边脱离壁面向上运动，见图8-d ；（4）最后，AD 边，即第五抓取钩爪31，第六抓取钩爪32，第七抓取钩爪33，第八抓取钩爪34，抓紧壁面，BC 边脱离壁面向上运动，见图8-e。经过以上四步，机器人完成横向爬升运动。

总之，上述实施例所描述的几种实施方式，并不代表本发明所有的实现方式；以上实施例不是对本机器人的具体限定，比如，机器人也可适用于爬升混凝土、水刷石壁面、房屋顶篷，电线杆和岩石等大曲率曲面等不规则表面，完成相关的检测维护工作。

Claims (2)

1.一种钩爪抓取式振动壁面爬升机器人，包括第一本体结构（2），第二本体结构（3）以及驱动所述第一本体结构（2）和第二本体结构（3）交替爬升的爬升驱动装置（1），所述的第一本体结构上设置有四个抓取钩爪（21，22，23，24），所述的第二本体结构上也设置有四个抓取钩爪（31，32，33，34），其特征在于：在所述的第一本体结构（2）上铰接有第一连接杆（4）和第二连接杆（14），所述的第一连接杆和第二连接杆的另一端则铰接在所述的第二本体结构（3）上，所述的第一连接杆（4）、第二连接杆（14）与所述第一本体结构（2）和第二本体结构（3）形成的四个铰接点形成一个平行四边形，所述的爬升驱动装置的输出端连接在所述的第二连接杆（14）上；所述的抓取钩爪包括一套钩爪驱动装置（211）、第一钩爪盒（212）和第二钩爪盒（213），以及设置在第一钩爪盒和第二钩爪盒中的至少三个微小尖钩和三个拉伸弹簧，所述钩爪驱动装置（211）包括钩爪驱动舵机（2111）以及相互啮合传动的两个驱动轴，所述的第一钩爪盒（212）和第二钩爪盒（213）均成L 型，第一钩爪盒（212）和第二钩爪盒（213）的中部分别连接在一个驱动轴上，第一钩爪盒（212）和第二钩爪盒（213）的两个自由端分别连接在微小尖钩的中部和非钩端；所述的微小尖钩包括钩尖（2127）和钩身（2129），应用扭簧（2128）将钩尖和钩身铰接在一起，在钩尖和钩身均设有使钩尖和钩身可在预设的微小范围内相对转动的限位槽。

2.根据权利要求1 所述的钩爪抓取式振动壁面爬升机器人，其特征在于：所述的爬升驱动装置（1）包括爬升驱动舵机（11），控制电路板（12），舵机固定板（13）和舵机输出轴，所述的舵机固定板（13）固定在所述的第二本体结构（3）上，所述的舵机输出轴与所述的第二连接杆（14）连接。