CN105109571A - 一种折叠伸缩式爬树机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种折叠伸缩式爬树机器人，包括机械模块、舵机组、主控制器和电源模块；所述主控制器、机械模块分别与所述舵机组相连；所述电源模块为所述主控制器和舵机组供电；主控制器将控制指令发送给舵机组，舵机组接收所述控制指令后控制机械模块完成攀爬动作；本发明所提供的一种折叠伸缩式爬树机器人，能够利用机器人代替人完成高空作业的工作，避免了人在攀爬过程中的危险。

Description

一种折叠伸缩式爬树机器人

技术领域

本发明属于机器人研究领域，具体涉及一种折叠伸缩式爬树机器人。

背景技术

哈尔滨工业大学正在研发爬桁架的机器人，其主要目的是面向桥梁、体育场馆、塔等基础设施的检测和维修。北京航空航天大学和德国汉堡大学合作，研制了仿毛毛虫的多关节微小型机器人，能在平整光洁的表面上爬行。中国科学院沈阳自动化研究所研制了一种5自由度爬壁机器人，可以通过两个吸盘的交替吸附和各个关节的配合灵活地实现尺蠖式爬行和转向，并且能够在一定夹角范围的壁面之间实现过渡。

不仅国内如此，国外也有类似的研究。日本早稻田大学已经开展了爬树机器人的研制，在2005年爱知国际博览会上展出了其原型机WOODY-1。西班牙开发了基于并联机器人的爬树机器CPR。这两种机器人都由上下两个相同的环形部分组成，其中一个环抱着树干时，另一个环可松开，由连杆驱动顺着树干作上下移动，如此往复交替，使整个系统升降；伊朗研制了一种爬杆机构UT-PCR，该机构由三角形支架和端头安装有轮子的连杆组成，适用于圆柱杆件的攀爬；美国卡内基梅隆大学等几所大学提出了另一种思路，从仿生学角度开展爬树机器人项目RiSE的研究，其样机为六足机器人，能像蟑螂一样贴着树干爬行。麻省理工学院研制了一种能爬窗梁的机器人Shady3D，能顺着窗架爬行移动。

具有攀爬功能的机器人可以解决高空作业时工作环境复杂恶劣，危险性高，工作量大，消耗的时间长等问题。在农业生产，军事勘察及应对自然灾害等方面有广阔的应用前景。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种折叠伸缩式爬树机器人，能够利用机器人代替人完成高空作业的工作，避免了人在攀爬过程中的危险。

实现本发明的技术方案如下：

一种折叠伸缩式爬树机器人，包括机械模块、舵机组、主控制器和电源模块；

所述主控制器、机械模块分别与所述舵机组相连；所述电源模块为所述主控制器和舵机组供电；

主控制器将控制指令发送给舵机组，舵机组接收所述控制指令后控制机械模块完成攀爬动作；

所述舵机组，包括：

舵机I，舵机II，舵机III，舵机IV，舵机V和舵机VI；

所述机械模块，包括：前爪、L型支架、前臂、上臂、中轴、下臂、后臂和后爪；前爪包括左前爪和右前爪，后爪包括左后爪和右后爪；

左前爪、右前爪分别固连在舵机Ⅰ、舵机Ⅱ的舵盘上，舵机Ⅰ、舵机Ⅱ的机壳均固连前臂的一端，前臂的另一端通过L型支架固连上臂的一端，上臂的另一端固连在舵机Ⅲ的舵盘上，舵机Ⅲ的机壳固连中轴的一端，中轴的另一端固连在舵机Ⅳ的舵盘上，舵机Ⅳ的机壳固连下臂的一端，下臂的另一端通过L型支架固连后臂的一端，后臂的另一端与舵机Ⅴ、舵机Ⅵ的机壳固连在一起，舵机Ⅴ、舵机Ⅵ的舵盘分别与左后爪、右后爪固连。

进一步地，主控制器包括微处理器模块、时钟模块和复位模块；所述主控制器将控制指令发送给舵机组，具体为：主控制器通过复位模块复位后，时钟模块产生恒定频率的时钟脉冲信号，时钟模块与微处理器模块中的定时器相连，定时器通过对时钟模块传送的时钟脉冲信号进行计数来定时，当定时器计时满后，定时器自动清零重新计数，同时触发微处理器模块中预设的定时中断函数，产生不同占空比的PWM脉冲信号，发送给舵机组。

进一步地，所述折叠伸缩式爬树机器人向上攀爬的过程为：

在微处理器模块的控制下，舵机I和舵机II控制前爪夹紧，舵机V和舵机VI控制后爪松开，舵机III顺时针旋转180度、舵机IV逆时针旋转180度使机器人上臂、中轴与下臂均折叠在一起；然后，舵机V和舵机VI控制后爪夹紧，舵机I和舵机II控制前爪松开，舵机III逆时针旋转180度、舵机IV8顺时针旋转180度使机器人回到初始状态，即完成一个完整的向上攀爬动作；

所述折叠伸缩式爬树机器人向下攀爬的过程为：

在微处理器模块的控制下，舵机V和舵机VI控制后爪夹紧，舵机I和舵机II控制前爪松开，舵机III逆时针旋转180度、舵机IV顺时针旋转180度使机器人上臂、中轴与下臂均折叠在一起；然后，舵机I和舵机II控制前爪夹紧，舵机V和舵机VI控制后爪松开，舵机III顺时针旋转180度、舵机IV8逆时针旋转180度使机器人回到初始状态，即完成一个完整的向下攀爬动作。

有益效果：

本发明通过中断函数产生稳定的脉冲方波来控制舵机组，通过爬树机器人的前爪和后爪的开合及中轴上、下两个关节的转动而完成折叠式伸缩的上、下爬行动作。本发明提供了一种新的攀爬功能机器人的机械结构设计及攀爬动作设计方案，解决了现有技术中当需要高空作业时，由机器人代替人去攀爬到高处的问题，避免了人在攀爬过程中的危险。

附图说明

图1为本发明折叠伸缩式爬树机器人的结构示意图。

图2为本发明折叠伸缩式爬树机器人的机械结构设计图。

图3为本发明折叠伸缩式爬树机器人向上攀爬的控制流程图。

图4为本发明折叠伸缩式爬树机器人上臂、中轴和下臂展开后的状态示意图。

图5为本发明折叠伸缩式爬树机器人上臂、中轴和下臂折叠后的状态示意图。

其中，1-前爪，2-舵机Ⅰ，3-舵机Ⅱ，4-前臂，5-上臂，6-舵机Ⅲ，7-中轴，8-舵机Ⅳ，9-下臂，10-后臂，11-舵机Ⅴ，12-舵机Ⅵ，13-后爪。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种折叠伸缩式爬树机器人，包括机械模块、舵机组、主控制器和电源模块；

所述主控制器、机械模块分别与所述舵机组相连；所述电源模块为所述主控制器和舵机组供电；

主控制器将控制指令发送给舵机组，舵机组接收所述控制指令后控制机械模块完成攀爬动作。

所述舵机组，包括：舵机I2，舵机II3，舵机III6，舵机IV8，舵机V11和舵机VI12，每个舵机输出线共有3条，分别为地线、电源线和控制信号线；舵机的工作电压范围为3.0V-7.2V。

所述机械模块，包括：前爪1、L型支架、前臂4、上臂5、中轴7、下臂9、后臂10和后爪13；前爪1包括左前爪和右前爪，后爪13包括左后爪和右后爪；

左前爪、右前爪分别固连在舵机Ⅰ2、舵机Ⅱ3的舵盘上，舵机Ⅰ2、舵机Ⅱ3的机壳固连在前臂4的一端，前臂4的另一端通过L型支架固连在上臂5的一端，上臂5的另一端固连在舵机Ⅲ6的舵盘上，舵机Ⅲ6的机壳固连在中轴7的一端，中轴7的另一端固连在舵机Ⅳ8的舵盘上，舵机Ⅳ8的机壳固连在下臂9的一端，下臂9的另一端通过L型支架固连在后臂10的一端，后臂10的另一端与舵机Ⅴ11、舵机Ⅵ12的机壳固连在一起，舵机Ⅴ11、舵机Ⅵ12的舵盘分别与左后爪、右后爪固连。

主控制器包括微处理器模块、时钟模块和复位模块；微处理器模块、时钟模块和复位模块均连接在51最小系统模块中，所述主控制器将控制指令发送给舵机组，具体为：主控制器通过复位模块复位后，时钟模块产生恒定的频率为11.0592M的时钟脉冲信号，时钟模块与微处理器模块中的定时器相连，定时器通过对时钟模块传送的时钟脉冲信号进行计数来定时，当定时器计时满后，定时器自动清零重新计数，同时触发微处理器模块中预设的定时中断函数，产生不同占空比的PWM脉冲，发送给舵机组，从而舵机组带动机械模块动作。

主控制器的复位模块进行初始复位后，相应地，主控制器将初始复位信号发送给舵机组，舵机组带动机械模块动作，即前爪1和后爪13呈夹紧状态，上臂5、中轴7和下臂9呈伸展状态，如图2所示即为初始复位之后的攀爬机器人的状态。图4为初始复位之后的攀爬机器人的状态示意简图。

本实施例提供的微处理器模块为STC89C52，其引脚P0.0至P0.5作为信号输出端口分别与6个舵机(舵机I至舵机VI)的控制信号线相连。微处理器模块预先写入两种模式的控制程序：向上攀爬的控制模式和向下攀爬的控制模式，当选定某种模式后，微处理器就会根据该种模式的定时中断函数产生相应占空比的PWM脉冲，发送给舵机组。在本实施例中，通过定时中断函数产生比较稳定精确的PWM方波信号。通过改变所述PWM方波信号的占空比来控制舵机顺时针、逆时针和不同角度旋转。所诉定时器设定中断周期为0.5ms,控制程序每执行40个中断函数即产生一个周期为20ms的脉冲方波。

如图3所示，攀爬机器人向上攀爬的过程为：

初始复位后的机器人上臂5、中轴7与下臂9展开成一铅垂线，在微处理器模块的控制下，舵机I2、舵机II3分别控制左前爪、右前爪闭合，使得前爪1夹紧，然后微处理器模块判断前爪1是否夹紧，如果夹紧执行下一步，如果未夹紧则执行上一步：控制舵机I2、舵机II3使得前爪1夹紧；前爪1夹紧后，舵机V11、舵机VI12分别控制左后爪、右后爪张开，使得后爪13松开，舵机III6顺时针旋转180度、舵机IV8逆时针旋转180度使机器人上臂5、中轴7与下臂9均折叠在一起。如图5所示，为机器人上臂、中轴和下臂折叠后的状态示意图。然后，舵机V11和舵机VI12控制后爪13夹紧，然后微处理器模块判断后爪13是否夹紧，如果夹紧执行下一步，如果未夹紧执行上一步：舵机V11和舵机VI12控制后爪13夹紧；后爪13夹紧后，舵机I2和舵机II3控制前爪1松开，舵机III6逆时针旋转180度、舵机IV8顺时针旋转180度使机器人回到初始状态，即完成一个完整的向上攀爬动作，然后，微处理器模块判断是否接收到终止信号，如果接收到终止信号，则控制结束，如果未接受到终止信号，则循环执行下一个完整的向上攀爬动作。

攀爬机器人向下攀爬：

初始复位后的机器人上臂5、中轴7与下臂9展开成一铅垂线，在微处理器模块的控制下，舵机V11和舵机VI12控制后爪13夹紧，然后微处理器模块判断后爪13是否夹紧，如果夹紧执行下一步，如果未夹紧执行上一步：舵机V11和舵机VI12控制后爪13夹紧；后爪13夹紧后，舵机I2和舵机II3控制前爪1松开，舵机III6逆时针旋转180度、舵机IV8顺时针旋转180度使机器人上臂5、中轴7与下臂9均折叠在一起。然后，舵机I2和舵机II3控制前爪1夹紧，然后微处理器模块判断前爪1是否夹紧，如果夹紧执行下一步，如果未夹紧则执行上一步：控制舵机I2、舵机II3使得前爪1夹紧；前爪1夹紧后，舵机V11和舵机VI12控制后爪13松开，舵机III6顺时针旋转180度、舵机IV8逆时针旋转180度使机器人回到初始状态，即完成一个完整的向下攀爬动作；然后，微处理器模块判断是否接收到终止信号，如果接收到终止信号，则控制结束，如果未接受到终止信号，则循环执行下一个完整的向上攀爬动作。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种折叠伸缩式爬树机器人，其特征在于，包括机械模块、舵机组、主控制器和电源模块；

所述主控制器、机械模块分别与所述舵机组相连；所述电源模块为所述主控制器和舵机组供电；

主控制器将控制指令发送给舵机组，舵机组接收所述控制指令后控制机械模块完成攀爬动作；

所述舵机组，包括：

舵机I(2)，舵机II(3)，舵机III(6)，舵机IV(8)，舵机V(11)和舵机VI(12)；

所述机械模块，包括：前爪(1)、L型支架、前臂(4)、上臂(5)、中轴(7)、下臂(9)、后臂(10)和后爪(13)；前爪(1)包括左前爪和右前爪，后爪(13)包括左后爪和右后爪；

左前爪、右前爪分别固连在舵机Ⅰ(2)、舵机Ⅱ(3)的舵盘上，舵机Ⅰ(2)、舵机Ⅱ(3)的机壳固连前臂(4)的一端，前臂(4)的另一端通过L型支架固连上臂(5)的一端，上臂(5)的另一端固连在舵机Ⅲ(6)的舵盘上，舵机Ⅲ(6)的机壳固连中轴(7)的一端，中轴(7)的另一端固连在舵机Ⅳ(8)的舵盘上，舵机Ⅳ(8)的机壳固连下臂(9)的一端，下臂(9)的另一端通过L型支架固连后臂(10)的一端，后臂(10)的另一端与舵机Ⅴ(11)、舵机Ⅵ(12)的机壳固连在一起，舵机Ⅴ(11)、舵机Ⅵ(12)的舵盘分别与左后爪、右后爪固连。

2.如权利要求1所示的一种折叠伸缩式爬树机器人，其特征在于，主控制器包括微处理器模块、时钟模块和复位模块；所述主控制器将控制指令发送给舵机组，具体为：主控制器通过复位模块复位后，时钟模块产生恒定频率的时钟脉冲信号，时钟模块与微处理器模块中的定时器相连，定时器通过对时钟模块传送的时钟脉冲信号进行计数来定时，当定时器计时满后，定时器自动清零重新计数，同时触发微处理器模块中预设的定时中断函数，产生相应占空比的PWM脉冲，发送给舵机组。

3.如权利要求2所示的一种折叠伸缩式爬树机器人的攀爬方法，其特征在于，所述折叠伸缩式爬树机器人向上攀爬的过程为：

在微处理器模块的控制下，舵机I(2)和舵机II(3)控制前爪(1)夹紧，舵机V(11)和舵机VI(12)控制后爪(13)松开，舵机III(6)顺时针旋转180度、舵机IV(8)逆时针旋转180度使机器人上臂(5)、中轴(7)与下臂(9)均折叠在一起；然后，舵机V(11)和舵机VI(12)控制后爪(13)夹紧，舵机I(2)和舵机II(3)控制前爪(1)松开，舵机III(6)逆时针旋转180度、舵机IV(8)顺时针旋转180度使机器人回到初始状态，即完成一个完整的向上攀爬动作；

所述折叠伸缩式爬树机器人向下攀爬的过程为：

在微处理器模块的控制下，舵机V(11)和舵机VI(12)控制后爪(13)夹紧，舵机I(2)和舵机II(3)控制前爪(1)松开，舵机III(6)逆时针旋转180度、舵机IV(8)顺时针旋转180度使机器人上臂(5)、中轴(7)与下臂(9)均折叠在一起；然后，舵机I(2)和舵机II(3)控制前爪(1)夹紧，舵机V(11)和舵机VI(12)控制后爪(13)松开，舵机III(6)顺时针旋转180度、舵机IV(8)逆时针旋转180度使机器人回到初始状态，即完成一个完整的向下攀爬动作。