CN103273500A

CN103273500A - 一种双伸缩臂翻转攀爬机器人

Info

Publication number: CN103273500A
Application number: CN2013101724631A
Authority: CN
Inventors: 刘少刚; 王飞; 郭云龙; 赵丹; 舒海生; 陈璐; 鱼展; 曹虎辰; 周钊; 赵华鹤
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2033-05-10
Also published as: CN103273500B

Abstract

一种异侧双伸缩臂翻转攀爬机器人，采用双手抓握、手臂伸缩和空间翻转的方式带动躯体进行攀爬，其中，每只手的开合是借助电机驱动一根加工有正、反扣的丝杠使之沿两根导向轴左右移动来实现；手臂的伸缩也是借助电机驱动一根单扣丝杠使之沿两根伸缩管上下移动来实现；而空间翻转则是借助十字形电机安装结构来完成；双手、手臂和空间翻转各自组成的单元顺序连接后借助支架固装在躯体（即车体）上，进而实现抓握式攀爬对躯体的带动。本发明结构简单，机动性强，通过不同的控制方式和搭载不同的传感器等，能够实现相应的执行现场任务的技术应用需求。

Description

一种双伸缩臂翻转攀爬机器人

技术领域

一种双伸缩臂翻转攀爬机器人，适用从事运输、探测、救援以及军事侦察等作业，属于在倾斜或铅垂表面上运动的爬行机械领域。

技术背景

攀爬机器人在军事、消防、灾难救援等领域已经开始得到应用，作为地震、火灾等灾害的救援机器人，用于灾后辅助搜救被困人员等，以及作为现代城市战争里的军事机器人等，用于完成侦查、探测等任务。除此之外，在农业、林业以及建筑业等大量需要空中作业的行业也具有广阔的应用前景，例如：果实采摘、树木喷洒农药，树枝修剪、树木砍伐，为高空作业人员运送工具及物资、危险环境的管道检修、高层管道的喷涂、清洗和维护等。因此，攀爬机器人要具有攀爬树干、杆架或者桁架的功能。而具体现场环境复杂，需要攀爬机器人具有良好的机动性和越障能力，对不同的被抓持件也需要具有很好的适应能力。但是目前的攀爬机器人，大多数只能适应二维甚至一维的攀爬环境，而适应三维攀爬环境的攀爬机器人在攀爬姿态上又缺乏较好的避障能力。而对被抓持件的抓持上，目前的攀爬机器人对被抓持件的适应能力非常有限，无法在不同形状的被抓持件上进行抓持攀爬。

发明内容

本发明的目的是公开一种双伸缩臂翻转攀爬机器人，采用双手抓握、手臂伸缩和空间翻转的方式带动躯体进行攀爬，其中，每只手的开合是借助电机驱动一根加工有正、反扣的丝杠使之沿两根导向轴左右移动来实现；手臂的伸缩也是借助电机驱动一根单扣丝杠使之沿两根伸缩管上下移动来实现；而空间翻转则是借助十字形电机机构来完成；双手、手臂和空间翻转各自组成的单元顺序连接后借助支架固装在躯体（即车体）上，进而实现抓握式攀爬对躯体的带动。本发明结构简单，机动性强，通过不同的控制方式和搭载不同的传感器等，能够实现相应的执行现场任务的技术应用需求，

一种双伸缩臂翻转攀爬机器人本体为对称式结构，手爪锁紧部分I与手爪锁紧部分II、伸缩臂部分I与伸缩臂部分II、空间翻转部分I与空间翻转部分II结构相同。包括四个锁紧手爪、四个手抓导向轴、两根手爪丝杠、两台手爪锁紧电机、八个伸缩机构、两根伸缩臂丝杠、两个伸缩管连架、两台伸缩电机、两个伸缩电机架、两个翻转电机架、四台翻转电机、车体架构成。

所述的手爪夹紧部分I由锁紧手爪I、锁紧手爪II、手爪丝杠I和锁紧电机I组成。锁紧手爪I和锁紧手爪II与手爪导向轴I、手爪导向轴II采取滑动配合的安装方式。锁紧电机架I与外伸缩管I和外伸缩管II固连。锁紧电机I安装于锁紧电机架I中心处并与手爪丝杠I通过联轴器固连。锁紧手爪I、锁紧手爪II分别与手爪丝杠I以螺旋传动相连接，但旋向相反。当锁紧电机I驱动螺纹旋向一定的手爪丝杠I转动时，锁紧手爪I与锁紧手爪II的运动方向相反，可实现手爪的锁紧和松开动作。

所述的伸缩臂部分I由内伸缩管I、外伸缩管I、内伸缩管II、外伸缩管II、伸缩管连架I、伸缩电机I、伸缩电机架I和伸缩丝杠I组成。内伸缩管I、内伸缩管II与伸缩电机架I固连，外伸缩管I与外伸缩管II通过伸缩管连架I固连为一体，且外伸缩管I和外伸缩管II又分别与锁紧电机架I固连。伸缩电机I安装于伸缩电机架I上。伸缩管连架I与伸缩丝杠I为螺纹传动配合。根据以上连接关系，伸缩电机I驱动伸缩丝杠I输出的回转运动即可转化为伸缩管连架I的直线运动，从而实现机器人臂I的伸缩动作。

所述的空间翻转部分I由伸缩电机架I、翻转电机I、翻转电机架I、翻转电机II和车体架组成。翻转电机I输出端与翻转电机架I固连，翻转电机I机体与伸缩电机架I固连。翻转电机II输出端与车体架固连，翻转电机II机体与翻转电机架I固连。当手爪机构夹紧目标并固定时，轴线正交的翻转电机I和翻转电机II转动时可驱动机器人实现水平和垂直两个方向的翻转动作。

本发明具有如下优点：

1.采用双臂结构设计，使机器人在有限空间内作出更多的姿态变换，提高了机器人的灵活性。

2.采用双伸缩臂结构设计，增大了机器人的移动作业范围，提高了机器人的攀爬越障能力。

3.采用十字形电机安装结构的空间翻转机构，可以令机器人实现多方向、大角度的翻转动作，极大地提高了机器人的机动性，使机器人具备更好的地形适应能力。

4.机器人一端的单侧夹紧手爪采用锁紧手爪I和锁紧手爪II采用双层、半六边形、异面构型设计，即相对于过锁紧电机架I轴线的铅垂平面，锁紧手爪I与该平面一侧夹角为30度，而锁紧手爪II则与该平面另一侧的夹角为30度，使手爪呈立体交错形。此种设计具有以下优点：第一，半六边形立体手爪设计方式令手爪部分在攀附物表面不平整的情况下也能够提供较大的夹持力，极大地提高了机器人的越障能力。第二，此设计减小了机器人翻转时的纵向位移、提高了稳定性与精度。第三，半六边形立体手爪构型可适应杆状物截面为圆面、椭圆面、矩形面的攀爬环境，令机器人具备更好的地形适应能力。

附图说明

图1一种双伸缩臂翻转攀爬机器人传动关系全剖示意图。

图2一种双伸缩臂翻转攀爬机器人的三维建模示意图Ⅰ

图3一种双伸缩臂翻转攀爬机器人的三维建模示意图Ⅱ

图4一种双伸缩臂翻转攀爬机器人攀爬动作Ⅰ过程示意图

图5一种双伸缩臂翻转攀爬机器人攀爬动作Ⅱ过程示意图

图6一种双伸缩臂翻转攀爬机器人攀爬动作Ⅲ过程示意图

图7一种双伸缩臂翻转攀爬机器人攀爬动作Ⅳ过程示意图

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式并结合附图加以说明。

附图中：1.锁紧手爪Ⅰ，2.手爪导向轴Ⅰ，3.手爪丝杠Ⅰ，4.手爪导向轴Ⅱ，5.锁紧电机架I，6.外伸缩管I，7.内伸缩管I，8.伸缩电机I，9.伸缩电机架I，10.翻转电机I，11.翻转电机架I，12.翻转电机II，13.车体架，14.伸缩丝杠I，15.伸缩管连架I，16.内伸缩管II，17.外伸缩管II，18.锁紧电机I，19.锁紧手爪II，20.锁紧手爪III，21.手爪导向轴III，22.手爪丝杠II，23.手爪导向轴Ⅳ，24.锁紧电机架II，25.外伸缩管III，26.内伸缩管III，27.伸缩电机II，28.伸缩电机架II，29.翻转电机III，30.翻转电机架，31.翻转电机Ⅳ，32伸缩丝杠II，33.伸缩管连架II，34.内伸缩管Ⅳ，35.外伸缩管Ⅳ，36.锁紧电机II，37.锁紧手爪Ⅳ，38.竖杆I，39.大障碍物，40.竖杆II，41.横杆。

如图1、2、3所示，一种双伸缩臂翻转攀爬机器人本体为对称式结构，包括：手爪锁紧部分I与手爪锁紧部分II、伸缩臂部分I与伸缩臂部分II、空间翻转部分I与空间翻转部分II结构相同。以下仅对锁紧部分I、伸缩臂部分I和翻转部分I的结构组成做出详细说明：

所述的手爪夹紧部分I由锁紧手爪I1、锁紧手爪II19、手爪丝杠I3和锁紧电机I18组成。锁紧手爪I1和锁紧手爪II19与手爪导向轴I2、手爪导向轴II4采取了滑动配合的安装方式。锁紧电机架I5与外伸缩管I6和外伸缩管II17固连。锁紧电机I18安装于锁紧电机架I5中心处并与手爪丝杠I3通过联轴器固连。锁紧手爪I1、锁紧手爪II19分别与手爪丝杠I3以螺旋传动相连接，但旋向相反。当锁紧电机I18驱动螺纹旋向一定的手爪丝杠I3转动时，锁紧手爪I1与锁紧手爪II19的运动方向相反，可实现手爪的锁紧和松开动作。

所述的伸缩臂I部分由内伸缩管I7、外伸缩管I6、内伸缩管II16、外伸缩管II17、伸缩管连架I15、伸缩电机I8、伸缩电机架I9和伸缩丝杠I14组成。内伸缩管I7、内伸缩管II16与伸缩电机架I9固连，外伸缩管I6与外伸缩管II17通过伸缩管连架I15固连为一体，且外伸缩管I6和外伸缩管II17又分别与锁紧电机架I5固连。伸缩电机I8安装于伸缩电机架I9上。伸缩管连架I15与伸缩丝杠I14为螺纹传动配合。根据以上连接关系，伸缩电机I8驱动伸缩丝杠I14输出的回转运动即可转化为伸缩管连架I15的直线运动，从而实现机器人臂I的伸缩动作。

所述的空间翻转I部分由伸缩电机架I9、翻转电机I10、翻转电机架I11、翻转电机II12和车体架13组成。翻转电机I10输出端与翻转电机架I11固连，翻转电机I10机体与伸缩电机架I11固连。翻转电机II12输出端与车体架13固连，翻转电机II12机体与翻转电机架I11固连。当手爪机构夹紧目标并固定时，翻转电机I10和翻转电机II12转动可驱动机器人实现水平和垂直两个方向的翻转动作。

下面结合附图说明本发明沿竖杆攀爬、攀爬越障、遇到横杆翻转攀爬以及沿两平行的竖杆攀爬等四种情况下的动作过程。

如图3所示，对机器人在沿竖杆I38攀爬时的情况进行说明。首先，锁紧手爪I1与锁紧手爪II19实现夹紧动作夹紧竖杆I38，同时，锁紧电机II36驱动锁紧手爪Ⅲ20与锁紧手爪Ⅳ37实现手爪张开动作脱离竖杆I38，此时，伸缩电机Ⅱ27驱动机器人臂II开始收缩，将机器人臂II移动至合适位置。其次，翻转电机III(29)驱动臂II转动，将臂II离开竖杆I38至适当距离。再次，翻转电机Ⅱ12和翻转电机Ⅳ31共同驱动车体架13转动，通过前文所述固连关系令机器人实现除机器人臂I外整体沿杆38移动。当机器人臂II移动至合适位置时，翻转电机III(29)驱动臂II转动，将臂II调整至合适角度，伸缩电机Ⅱ27驱动机器人臂II开始伸出，将机器人臂II移动至合适位置，锁紧电机II36驱动锁紧手爪Ⅲ20与锁紧手爪Ⅳ37实现夹紧动作夹紧竖杆I38。机器人臂I重复此前动作，最后，机器人处于起始位置状态。至此，机器人完成了一个周期的攀爬动作I。重复上述攀爬动作I过程即可完成连续的翻转攀爬动作。当机器人运动过程中遇到较小障碍物，在不阻碍机器人前进的情况下，也可以通过攀爬动作I进行越障前进。

如图4所示，对机器人在沿竖杆I38攀爬时遇到高大障碍物39的攀爬越障情况进行说明。当机器人在沿竖杆I38攀爬时遇到高大障碍物39，无法通过正面越过高大障碍物39前进，所以采用进行横向移动至高大障碍物39背面再从高大障碍物39背面继续前进的方法。首先，锁紧手爪I1与锁紧手爪II19实现夹紧动作夹紧竖杆I38，同时，锁紧电机II36驱动锁紧手爪Ⅲ20与锁紧手爪Ⅳ37实现手爪张开动作脱离竖杆I38，此时，伸缩电机Ⅱ27驱动机器人臂II开始收缩至合适位置。同时，翻转电机Ⅰ10通过翻转电机架I11驱动车体架13转动，翻转电机Ⅲ29驱动臂Ⅱ转动，通过前文所述固连关系令机器人实现除机器人臂I外的整体移动至障碍物39侧面。其次，伸缩电机Ⅱ27驱动机器人臂II开始伸出，将机器人臂II移动至合适位置，锁紧电机II36驱动锁紧手爪Ⅲ20与锁紧手爪Ⅳ37实现夹紧动作夹紧竖杆I38。再次，锁紧电机I18驱动锁紧手爪I1与锁紧手爪II19实现手爪张开动作脱离竖杆I38，伸缩电机I8驱动机器人臂I开始收缩，将机器人臂I移动至合适位置，此时，翻转电机I10驱动机器人臂I转动，翻转电机III29通过翻转电机架II30驱动车体架13转动，通过前文所述固连关系令机器人实现除机器人臂II外整体移动至障碍物39背面。最后，伸缩电机I8驱动机器人臂I开始伸出，将机器人臂I移动至合适位置，锁紧电机I18驱动锁紧手爪I1与锁紧手爪II19实现夹紧动作夹紧竖杆I38。至此，机器人完成了攀爬动作Ⅱ，机器人实现由面对障碍物移动至障碍物背面，然后继续攀爬动作I即可越过高大障碍物39继续前进。

如图5所示，对机器人在竖杆I38上攀爬时遇到横杆41的翻转攀爬情况进行说明。首先，锁紧电机II36驱动锁紧手爪Ⅲ20与锁紧手爪Ⅳ37实现夹紧动作夹紧竖杆I38。锁紧电机I18驱动锁紧手爪I1与锁紧手爪II19实现手爪张开动作脱离竖杆I38，伸缩电机I8驱动机器人臂I开始收缩，将机器人臂I移动至合适位置。同时，翻转电机I10驱动机器人臂I转动，翻转电机II12和翻转电机Ⅳ29共同驱动车体架13转动，翻转电机III29通过前文所述固连关系令机器人实现除机器人臂II外的机器人整体转动，将机器人臂I移动至与横杆41合适角度。伸缩电机I8驱动机器人臂I开始伸出，将机器人臂I移动至合适位置，锁紧电机I18驱动锁紧手爪I1与锁紧手爪II19实现手爪夹紧动作锁紧横杆41。其次，锁紧电机II36驱动锁紧手爪III20与锁紧手爪Ⅳ37实现手爪张开动作脱离竖杆I38，伸缩电机II27驱动机器人臂II开始收缩，将机器人臂II移动至合适位置。同时，翻转电机III12驱动机器人臂II转动，翻转电机II12和翻转电机Ⅳ31共同驱动车体架13转动，翻转电机I10通过前文所述固连关系实现令机器人除机器人臂I外的整体转动，将机器人臂II移动至与横杆41合适角度。最后，伸缩电机II27驱动机器人臂I开始伸出，将机器人臂I移动至合适位置，锁紧电机II36驱动锁紧手爪III20与锁紧手爪Ⅳ37实现手爪夹紧动作夹紧横杆41。至此，机器完成了攀爬动作Ⅲ，然后继续攀爬动作I即可继续前进。

如图6所示，对机器人在沿两平行的竖杆I38和竖杆II40攀爬时的情况进行说明。首先，锁紧手爪I1与锁紧手爪II19实现夹紧动作夹紧竖杆I38，同时，锁紧电机II36驱动锁紧手爪Ⅲ20与锁紧手爪Ⅳ37实现手爪张开动作脱离竖杆II40，此时，伸缩电机Ⅱ27驱动机器人臂II开始收缩，将机器人臂II移动至合适位置。其次，翻转电机Ⅳ(31)驱动臂II转动，将臂II离开竖杆I38至适当距离。再次，翻转电机Ⅱ12和翻转电机Ⅳ31共同驱动车体架13转动，通过前文所述固连关系令机器人实现除机器人臂I外整体沿杆II40移动。当机器人臂II移动至合适位置时，翻转电机Ⅳ(31)驱动臂II转动，将臂II调整至合适角度，伸缩电机Ⅱ27驱动机器人臂II开始伸出，将机器人臂II移动至合适位置，锁紧电机II36驱动锁紧手爪Ⅲ20与锁紧手爪Ⅳ37实现夹紧动作夹紧竖杆II40。机器人臂I重复此前动作，最后，机器人处于起始位置状态。至此，机器人完成了一个周期的攀爬动作Ⅳ。重复上述动作过程即可实现机器人在平行杆上的连续攀爬动作。

该攀爬机器人用途广泛，通过不同的控制方式和搭载不同的传感器等，能够实现相应的执行现场任务的技术应用需求，如：为高空作业人员运送工具及物资、危险环境的管道检修、高层管道的喷涂、清洗和维护等。除此外本发明还可作为地震、火灾等灾害的救援机器人，用于灾后辅助搜救被困人员等，以及作为现代城市战争里的军事机器人等，用于完成侦查、探测等任务，具有良好的研究和应用发展前景。

Claims

1.一种双伸缩臂翻转攀爬机器人，其特征在于：采用双手抓握、手臂伸缩和空间翻转的方式带动躯体进行攀爬，本体为对称式结构，包括手爪锁紧部分I与手爪锁紧部分II、伸缩臂部分I与伸缩臂部分II、空间翻转部分I与空间翻转部分II，且每两部分的结构相同；其中，手爪锁紧部分I与手爪锁紧部分II的开合是借助电机驱动一根加工有正、反扣的丝杠使之沿两根导向轴左右移动来实现；伸缩臂部分I与伸缩臂部分II也是借助电机驱动一根单扣丝杠使之沿两根伸缩管上下移动来实现；而空间翻转部分I与空间翻转部分II则是借助十字形电机机构来完成；双手、手臂和空间翻转各自组成的单元顺序连接后借助支架固装在车体上。

2.如权利要求1所述的一种双伸缩臂翻转攀爬机器人，其特征在于：所述的手爪锁紧部分I由锁紧手爪I（1）、锁紧手爪II（19）、手爪丝杠I（3）和锁紧电机I（18）组成；其中，锁紧手爪I（1）和锁紧手爪II（19）与手爪导向轴I（2）、手爪导向轴II（4）采取了滑动配合的安装方式；锁紧电机架I（5）与外伸缩管I（6）和外伸缩管II（17）固连；锁紧电机I（18）安装于锁紧电机架I（5）端部并与手爪丝杠I（3）通过联轴器固连；锁紧手爪I（1）、锁紧手爪II（19）分别与手爪丝杠I（3）以正、反扣螺旋传动连接；锁紧手爪I（1）和锁紧手爪II（19）采用双层、半六边形、异面构型设计，即相对于过锁紧电机架I（5）轴线的铅垂平面，锁紧手爪I（1）与该平面一侧夹角为30度，而锁紧手爪II（19）则与该平面另一侧的夹角为30度，使手爪呈立体交错状。

3.如权利要求1所述的一种双伸缩臂翻转攀爬机器人，其特征在于：所述的伸缩臂部分I由内伸缩管I（7）、外伸缩管I（6）、内伸缩管II（16）、外伸缩管II（17）、伸缩管连架I（15）、伸缩电机I（8）、伸缩电机架I（9）和伸缩丝杠I（14）组成；其中，内伸缩管I（7）、内伸缩管II（16）与伸缩电机架I（9）固连，外伸缩管I（6）与外伸缩管II（17）通过伸缩管连架I（15）固连为一体，且外伸缩管I（6）和外伸缩管II（17）又分别与锁紧电机架I（5）固连；伸缩电机I（8）安装于伸缩电机架I（9）上；伸缩管连架I（15）与伸缩丝杠I（14）在中轴线处螺纹传动配合。

4.如权利要求1所述的一种双伸缩臂翻转攀爬机器人，其特征在于：所述的空间翻转部分I由伸缩电机架I（9）、翻转电机I（10）、翻转电机架I（11）、翻转电机II（12）和车体架（13）组成；翻转电机I（10）输出端与翻转电机架I（11）固连，翻转电机I（10）机体与伸缩电机架I（11）固连；翻转电机II（12）输出端与车体架（13）固连，翻转电机II（12）机体与翻转电机架I（11）固连；所述的空间翻转部分I采用十字形电机安装结构，即翻转电机I（10）的轴线与翻转电机II（12）的轴线正交。