CN105059417A - 一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人，它涉及一种爬杆机器人。本发明为了解决现有的爬杆机器人存在承受力小、对周围环境影响大、运动稳定性差、适用杆体范围小的问题。本发明的蓄电池安装在弹簧伸缩机构的下端，两个机械手上下平行设置，并分别通过一个曲柄连杆机构与弹簧伸缩机构连接，每个爬杆电机与一个机械手连接，功能组件安装在弹簧伸缩机构上并位于两个机械手之间，弹簧伸缩机构包括上片、下片、盘形凸轮、直流无刷电机、两个直线轴承和两个弹簧，上片和下片上下设置并通过两个直线轴承连接，每个直线轴承上套装有一个弹簧，直流无刷电机安装在上片上，直流无刷电机的输出端穿过上片与盘形凸轮连接。本发明用于电线杆的爬杆清理。

Description

一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人

技术领域

本发明涉及一种爬杆机器人，具体涉及一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人。

背景技术

随着经济的发展，国家对电力的需求不断加大，电网建立的需求也使得电线杆的数量不断上升。由于常年裸露形成的灰尘层对其造成损坏,我们需要定期进行维护清扫工作。目前的维护工作主要由人工和大型设备来完成。其中清洗工人处于一种危险恶劣的工作环境，劳动强度大，工作效率也低，使用的化学试剂既容易对工人身体造成伤害又容易对环境造成污染；高压水枪法能耗较高，成本较高，对使用特效粘剂的纸张无法起效，并且对周边环境易造成直接的影响。现在对爬杆机器人的研究也得到了一定的关注，但是成果却不尽如人意。市场上出现少量使用的气动蠕行式爬行器，成本高，能耗大且常伴有较大的噪音，对居民的生活质量与身体健康造成损害。且因为连接了大量的设备，其体积和活动范围都受到了极大限制。

因此，现有的爬杆机器人存在承受力小、对周围环境影响大、结构稳定性差和成本高的问题。

发明内容

本发明要提供一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人，以解决现有的爬杆机器人存在承受力小、对周围环境影响大、结构稳定性差和成本高的问题。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：带有稳定装置的爬杆机器人包括弹簧伸缩机构、第一机械手、第二机械手、功能组件、第一曲柄连杆机构、第二曲柄连杆机构、第三曲柄连杆机构、第一爬杆电机、第二爬杆电机和蓄电池，

蓄电池安装在弹簧伸缩机构的下端，第一机械手和第二机械手上下平行设置，并分别通过第一曲柄连杆机构和第三曲柄连杆机构与弹簧伸缩机构连接，第一爬杆电机和第二爬杆电机分别与第一机械手和第二机械手连接，功能组件安装在弹簧伸缩机构上并位于第一机械手和第二机械手之间；

弹簧伸缩机构包括上片、下片、盘形凸轮、直流无刷电机、两个直线轴承和两个弹簧，上片和下片上下设置并通过两个直线轴承连接，每个直线轴承上套装有一个弹簧，直流无刷电机安装在上片上，直流无刷电机的输出端穿过上片与盘形凸轮连接。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的伸缩机构通过控制凸轮的旋转以及利用弹簧的回复力，且动作良好的运动特性和操作的稳定性，简单有效地实现了在直线方向的移动。

2、拥有有较大承载力

由夹紧力产生的摩擦力使机械手夹紧在杆体上，由于是环抱式夹持，且始终保证有上、下机械手与稳定装置两个不处于同一平面的部位受力使得机器人在爬行或装载一定重量的功能部件时不至于倾倒或发生变形，在保证机械手表面材质的粗糙度与行进时夹紧的力度时则可以使得机器人不至于滑落，从而实现机器人拥有较大的承载力，如能装配3kg的清洁设备。

3、对周围环境影响小

执行机构的驱动方式主要是气动、电动、液压这三种，液压、气动式夹紧装置需要液源、气源和液压、气动控制系统支持，体积庞大、噪音污染大，易对周边环境造成影响，不便广泛应用于生活区商业区等的杆体，而电动的驱动方式具有降低噪音的优点，且本机器人模型体积较小，不易对周边环境产生影响。

4、运动稳定性高

当其中一个机械手处于夹紧状态时，其承受力可能不足以支撑其机器人整个结构。尤其当只有下方的机械手夹持时，机器人结构易不稳定。针对这一情况，设计一个由弹簧拉紧的圆环，内部装上小轮减小摩擦的稳定装置。如图，左右两半圆环不处于同一平面，由弹簧拉紧，保证始终夹紧杆体，维持稳定。始终保证有上(下)机械手与稳定装置两个不处于同一平面的部位受力使得机器人在爬行或装载一定重量的功能部件时不至于倾倒或发生变形。

5、能适应一定直径范围的杆体

根据仿生的理念，将上下机械手设计为张合的运动方式，可以适应一定直径范围的杆体的夹持。且将稳定装置设计左右两半圆环不处于同一平面，可以进一步扩大适应杆体的直径范围，保证始终夹紧。

6、能适应各种作业

机器人作为一个载体，可以在功能区装载一些设备通过连接件固定于通孔，也可在上片下片装载较大设备，使得机器人的功能应用多样化。

附图说明

图1是本发明的弹簧伸缩机构结构示意图；图2是本发明的整体结构示意图；图3是机械手的结构示意图；图4是稳定装置的结构示意图；图5是功能组件的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式包括弹簧伸缩机构、第一机械手7-1、第二机械手7-2、功能组件8、第一曲柄连杆机构9-1、第二曲柄连杆机构9-2、第三曲柄连杆机构9-3、第一爬杆电机10-1、第二爬杆电机10-2和蓄电池11，

蓄电池11安装在弹簧伸缩机构的下端，第一机械手7-1和第二机械手7-2上下平行设置，并分别通过第一曲柄连杆机构9-1和第三曲柄连杆机构9-3与弹簧伸缩机构连接，第一爬杆电机10-1和第二爬杆电机10-2分别与第一机械手7-1和第二机械手7-2连接，功能组件8安装在弹簧伸缩机构上并位于第一机械手7-1和第二机械手7-2之间；

弹簧伸缩机构包括上片1、下片2、盘形凸轮3、直流无刷电机6、两个直线轴承4和两个弹簧5，上片1和下片2上下设置并通过两个直线轴承4连接，每个直线轴承4上套装有一个弹簧5，直流无刷电机6安装在上片1上，直流无刷电机6的输出端穿过上片1与盘形凸轮3连接。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的第一机械手7-1和第二机械手7-2结构相同，第一机械手7-1包括左手爪1-1、右手爪1-2、行走滑块1-3、连接件1-4和丝杠1-5，

左手爪1-1和右手爪1-2相对设置，且左手爪1-1的内侧和右手爪1-2的内侧均开设内凹坑，左手爪1-1和右手爪1-2的同一侧外侧壁上连接有连接件1-4，行走滑块1-3安装在连接件1-4内，丝杠1-5穿过行走滑块1-3安装在连接件1-4上，第一曲柄连杆机构9-1的一端与左手爪1-1和右手爪1-2的同一侧外侧壁连接，第一曲柄连杆机构9-1的另一端与行走滑块1-3连接，第一曲柄连杆机构9-1铰接在连接件1-4上，连接件1-4上固定于上片1，第一爬杆电机10-1与第一机械手7-1的丝杠1-5连接。如此设置，手爪内侧凹坑的存在使得机械手对杆体的夹持更加有效；行走滑块与丝杠之间采用螺纹连接，通过爬杆电机带动丝杠的转动，丝杠将回转运动转化为直线运动，从而实现滑块的直线移动，滑块为原动件，通过连杆进行传动带动曲柄实现手爪的张开闭合。其它连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式的功能组件8包括左工具架4-1、右工具架4-2、工作滑块4-3、工作丝杠4-4和工作连接架4-5，左工具架4-1和右工具架4-2均为半圆弧形工具架，左工具架4-1和右工具架4-2的同一侧面通过工作连接架4-5连接，工作滑块4-3安装在工作连接架4-5内，工作丝杠4-4穿过工作滑块4-3安装在工作连接架4-5上，第二曲柄连杆机构9-2的一端安装在工作滑块4-3上，第二曲柄连杆机构9-2的另一端与左工具架4-1和右工具架4-2连接。如此设置，工作滑块与工作丝杠之间采用螺纹连接，手动带动丝杠的转动，丝杠将回转运动转化为直线运动，从而实现滑块的直线移动，滑块为原动件，通过连杆进行传动带动曲柄实现左右工具架的张开闭合，使功能组件8能适应更大直径范围的杆体。其它连接方式与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式的左工具架4-1和右工具架4-2上均开设多个通孔4-6。如此设置，在功能组件8的左工具架4-1和右工具架4-2装载一些设备通过连接件固定于通孔，通孔的存在使得机器人的功能设备装载更加方便。其它连接方式与具体实施方式一或具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图4说明本实施方式，本实施方式还包括稳定装置，稳定装置包括连接弹簧2-4和两个二分之一稳定组件，两个二分之一稳定组件相对设置并通过连接弹簧2-4连接组成稳定装置，每个二分之一稳定组件均包括带有凹槽的二分之一外壳2-1、滚动轴2-2、连接杆2-5和多个轮子2-3，滚动轴2-2安装在带有凹槽的二分之一外壳2-1内，滚动轴2-2上套装有多个轮子2-3，连接杆2-5的一端安装在带有凹槽的二分之一外壳2-1的外部，连接杆2-5的另一端与直线伸缩机构连接。带有凹槽的二分之一外壳2-1为两半圆环，左右两半圆环不在同一平面可扩大可使用杆体直径范围。由弹簧拉紧，保证始终夹紧杆体。装有滚轮减小摩擦。其它连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图4说明本实施方式，本实施方式的多个轮子2-3的数量为3-6个。如此设置，稳定装置由弹簧拉紧后与杆体的接触点在三个以上，通过对轮子合理的位置调整，可使稳定装置能环抱式夹紧杆体，并使轮子能更有效的减小稳定装置与杆体间的摩擦。其它连接方式与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图4说明本实施方式，本实施方式的带有凹槽的二分之一外壳2-1为带有凹槽的弧形二分之一外壳。如此设置，弧形外壳使得稳定装置的形状更贴近杆体横截面，使稳定装置能更有效地夹紧杆体；凹槽的存在使得轮子的装配更加合理，使稳定装置的大小减小与重量减轻的同时对轮子起到保护作用，防止轮子的运动受到异物干扰。其它连接方式与具体实施方式六相同。

本发明通过一个电源对三套电动机独立供电，其中一个电机驱动凸轮作用使仿生爬杆机器人上升配合弹簧装置带动整体上升以及双曲柄组成的夹持机构有序的松紧保证机器人平稳升降。可设计简单的无线遥控装置对一定距离的攀爬实现方便操控。

本发明的伸缩机构能够在直线方向快速地前进。弹簧的特点决定了其在直线方向无法稳定。因此，在两个弹簧内部装入直线轴承，其在直线方向不承受力，起限位作用，防止结构无法稳定。

该伸缩机构一般与能实现抓持或夹持固定的机构配合使用，当下方的抓持夹持装置处于固定状态时，凸轮的旋转使弹簧伸长，上面部分上升；弹簧伸长长度最大时，上方的装置固定同时下方松开，利用弹簧弹性形变拉动下面部分上升。下降同上升，只需改变方向。从而实现双向移动操作。

该凸轮的动作由一个直流无刷电机驱动，电机通过用适当大小的螺丝通过基座的安装孔固定在上片上，输出轴通过上片的孔固定于上片，并且另一端与凸轮固连。选取适宜弹性系数和强韧度的弹簧固定在凸轮装置的两侧，连接上下两片，其中还固定有直线轴承，竖直方向上运动，同时在水平方向能够固定弹簧使机构快速而稳定伸缩。

Claims (7)

1.一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人，其特征在于：它包括弹簧伸缩机构、第一机械手(7-1)、第二机械手(7-2)、功能组件(8)、第一曲柄连杆机构(9-1)、第二曲柄连杆机构(9-2)、第三曲柄连杆机构(9-3)、第一爬杆电机(10-1)、第二爬杆电机(10-2)和蓄电池(11)，

蓄电池(11)安装在弹簧伸缩机构的下端，第一机械手(7-1)和第二机械手(7-2)上下平行设置，并分别通过第一曲柄连杆机构(9-1)和第三曲柄连杆机构(9-3)与弹簧伸缩机构连接，第一爬杆电机(10-1)和第二爬杆电机(10-2)分别与第一机械手(7-1)和第二机械手(7-2)连接，功能组件(8)安装在弹簧伸缩机构上并位于第一机械手(7-1)和第二机械手(7-2)之间；

弹簧伸缩机构包括上片(1)、下片(2)、盘形凸轮(3)、直流无刷电机(6)、两个直线轴承(4)和两个弹簧(5)，上片(1)和下片(2)上下设置并通过两个直线轴承(4)连接，每个直线轴承(4)上套装有一个弹簧(5)，直流无刷电机(6)安装在上片(1)上，直流无刷电机(6)的输出端穿过上片(1)与盘形凸轮(3)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人，其特征在于：第一机械手(7-1)和第二机械手(7-2)结构相同，第一机械手(7-1)包括左手爪(1-1)、右手爪(1-2)、行走滑块(1-3)、连接件(1-4)和丝杠(1-5)，

左手爪(1-1)和右手爪(1-2)相对设置，且左手爪(1-1)的内侧和右手爪(1-2)的内侧均开设内凹坑，左手爪(1-1)和右手爪(1-2)的同一侧外侧壁上连接有连接件(1-4)，行走滑块(1-3)安装在连接件(1-4)内，丝杠(1-5)穿过行走滑块(1-3)安装在连接件(1-4)上，第一曲柄连杆机构(9-1)的一端与左手爪(1-1)和右手爪(1-2)的同一侧外侧壁连接，第一曲柄连杆机构(9-1)的另一端与行走滑块(1-3)连接，第一曲柄连杆机构(9-1)铰接在连接件(1-4)上，连接件(1-4)上固定于上片(1)，第一爬杆电机(10-1)与第一机械手(7-1)的丝杠(1-5)连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人，其特征在于：功能组件(8)包括左工具架(4-1)、右工具架(4-2)、工作滑块(4-3)、工作丝杠(4-4)和工作连接架(4-5)，左工具架(4-1)和右工具架(4-2)均为半圆弧形工具架，左工具架(4-1)和右工具架(4-2)的同一侧面通过工作连接架(4-5)连接，工作滑块(4-3)安装在工作连接架(4-5)内，工作丝杠(4-4)穿过工作滑块(4-3)安装在工作连接架(4-5)上，第二曲柄连杆机构(9-2)的一端安装在工作滑块(4-3)上，第二曲柄连杆机构(9-2)的另一端与左工具架(4-1)和右工具架(4-2)连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人，其特征在于：左工具架(4-1)和右工具架(4-2)上均开设多个通孔(4-6)。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人，其特征在于：它还包括稳定装置，稳定装置包括连接弹簧(2-4)和两个二分之一稳定组件，两个二分之一稳定组件相对设置并通过连接弹簧(2-4)连接组成稳定装置，每个二分之一稳定组件均包括带有凹槽的二分之一外壳(2-1)、滚动轴(2-2)、连接杆(2-5)和多个轮子(2-3)，滚动轴(2-2)安装在带有凹槽的二分之一外壳(2-1)内，滚动轴(2-2)上套装有多个轮子(2-3)，连接杆(2-5)的一端安装在带有凹槽的二分之一外壳(2-1)的外部，连接杆(2-5)的另一端与直线伸缩机构连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人，其特征在于：多个轮子(2-3)的数量为3-6个。

7.根据权利要求6所述的一种基于弹簧伸缩机构的爬杆机器人，其特征在于：带有凹槽的二分之一外壳(2-1)为带有凹槽的弧形二分之一外壳。