CN106184450B - 一种爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

一种爬杆机器人，包括：左、右夹紧单元、滚珠丝杠、步进电机和至少一个主动轮；左、右夹紧单元均包括平行设置的上、下固定板和垂直于上、下固定板板面的主支撑轴；主支撑轴两端分别与上、下固定板的中后端相连，并分别与上、下固定板形成转动副结构；左、右夹紧单元的主支撑轴之间通过夹板固定连接；滚珠丝杠一端与左夹紧单元或右夹紧单元中的下固定板后端固定，滚珠丝杠上的滑块与另一夹紧单元中的下固定板后端相连；滚珠丝杠由步进电机驱动，通过滑块带动左、右夹紧单元夹紧或松开；每个主动轮配备有一个直流电机；直流电机固定在夹板上，其输出端与对应的主动轮相连，主动轮的外轮圈与杆表面相接触。本发明结构简单，成本较低，易于控制。

Description

一种爬杆机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是一种爬杆机器人。

背景技术

爬升机器人是机器人大家族中的一员,爬升机器人因为需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移动,完成特定条件下的作业,区别于平面移动机器人,故爬升机器人是机器人领域的一个重要研究分支,通常来说,这类机器人大多采用多足来进行移动或是使用腹部的摩擦表层来左右扭动前进。更主要的是,平常的机器人,因为体积或行动方式的影响,不能到一些特殊的地方进行工作,比如说管道,壁面等等特种用途的领域。

目前,国内外提出的一些依附于杆体表面的自动爬行机构主要有电动机械式爬杆机器人、电动液压式爬杆机器人和气动蠕行式爬杆机器人等。电动机械式爬行器是由电动机带动链轮、带轮、齿轮驱动夹紧杆体的前后轮向同一方向转动,依靠行走轮与杆体的摩擦力使爬升器沿杆体上升下降。螺旋运动爬升机器人的爬行动作是由轮子的安装位置决定的,轮子滚动方向与水平面成一定角度,这样轮子转动时它在杆体上形成的是螺旋轨迹,沿此轨迹通过电动机的正反转该机构便可实现上升和下降运动。电动机械式爬杆机器人和螺旋线运动爬杆机器人都是以电动机带动滚轮压紧杆体,依靠此摩擦力带动整个机器人沿杆体上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全运作,且机器人总体机构较复杂。气动蠕行式爬杆机器人用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动,其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为下部汽缸夹紧,上部汽缸松开,提升汽缸活塞杆伸出,上部上升；上部汽缸夹紧,下部汽缸松开,提升气缸体上升,下部上升。如此反复,机器人就可以连续爬行。对于气动蠕行式爬杆机器人,其上升和下降运动的实现由气压控制,需要气源和气动控制系统,因此其设备成本较高。

发明内容

发明目的：为解决上述技术问题，提供一种成本较低，易于控制的爬升机器人，本发明提出一种爬杆机器人。

技术方案：本发明提出的技术方案为：一种爬杆机器人，包括：左、右夹紧单元、滚珠丝杠3、步进电机12和至少一个主动轮6；

左、右夹紧单元均包括平行设置的上、下固定板1、2和垂直于上、下固定板1、2板面的主支撑轴4；主支撑轴4两端分别与上、下固定板1、2的中后端相连，并分别与上、下固定板1、2形成转动副结构；左、右夹紧单元的主支撑轴4之间通过夹板7固定连接；滚珠丝杠3的一端与左夹紧单元或右夹紧单元中的下固定板2后端固定，滚珠丝杠3上的滑块16与另一夹紧单元中的下固定板2后端相连；滚珠丝杠3由步进电机12驱动，通过滑块16带动左、右夹紧单元夹紧或松开；

每个主动轮6配备有一个直流电机15；直流电机15固定在夹板7上，其输出端与对应的主动轮6相连，主动轮6的外轮圈与杆表面相接触；主动轮6在直流电机15的驱动下沿杆的高度方向爬升。

进一步的，所述左、右夹紧单元各包括一根垂直于上、下固定板1、2板面的副支撑轴11，副支撑轴11的两端分别与对应夹紧单元中上、下固定板1、2的前端固定连接。

进一步的，所述爬杆机器人还包括4个从动轮10，4个从动轮10分别设置在左、右夹紧单元中上、下固定板1、2的前端，各从动轮10的外轮圈均与杆表面相接触；每个从动轮分别配备有一个直流电机15；各从动轮10在对应直流电机15驱动下沿杆的高度方向做直线运动。

进一步的，所述爬杆机器人还包括单片机STM32和六轴运动传感器MPU6050；单片机STM32中自带的电流检测芯片采集步进电机12和直流电机15的输出电流；六轴运动传感器MPU6050获取所述机器人的姿态数据并发送给单片机STM32；单片机STM32根据步进电机12和直流电机15的输出电流以及机器人的姿态数据生成控制指令并发送给各电机，各电机根据控制指令调整对应轮的转速。

有益效果：与现有爬升机器人相比，本发明具有以下优势：

本发明可作沿杆轴线方向的直线运动，可以用来清洗、喷涂或安装杆上部件。该爬杆机器人由人工手动安装在杆底部，其操作结构和方法要直观易于理解，且操作简单安装方便。结构简单有利于制造和降低制造成本。同时本发明适用于不同尺寸杆，只需改动机器人尺寸即可。

附图说明

图1为本发明实施例的主视图；

图2为实施例的左视图；

图3为实施例的俯视图；

图中：1、上固定板，2、下固定板，3、滚珠丝杠，4、主支撑轴，5、车轮轴，6、主动轮，7、夹板，8、车轮座，9、从动轮套，10、从动轮，11、副支撑轴，12、步进电机，13、直流电机支座，14、主动轮轴，15、直流电机，16、滑块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示为本发明的一个实施例结构图，包括：左、右夹紧单元、滚珠丝杠3、步进电机12、两个主动轮6和4个从动轮10；

左、右夹紧单元均包括平行设置的上、下固定板1、2，上、下固定板1、2间设有主支撑轴4和副支撑轴11；主支撑轴4两端分别与上、下固定板1、2的中后端相连，并分别与上、下固定板1、2形成转动副结构；副支撑轴11两端分别与上、下固定板1、2的前端固定连接；左、右夹紧单元的主支撑轴4之间通过两层夹板7固定连接；滚珠丝杠3的一端与左夹紧单元或右夹紧单元中的下固定板2后端固定，滚珠丝杠3上的滑块16与另一夹紧单元中的下固定板2后端相连；滚珠丝杠3由步进电机12驱动，通过滑块16带动左、右夹紧单元夹紧或松开；

每层夹板7上通过直流电机支座13固定有直流电机15，直流电机15的输出端接有主动轮轴14，主动轮轴14上接有主动轮6；主动轮6的外轮圈与杆表面相接触，在直流电机15的驱动下沿杆的高度方向爬升。

4个从动轮10分别通过一个倒U形车轮座8设置在左、右夹紧单元中上、下固定板1、2的前端，车轮座8顶部与左、右夹紧单元中上、下固定板1、2分别形成转动副，转动轴为车轮座8顶部与上、下固定板1、2的连接轴，从动轮10与主动轮6一起将杆抱紧；车轮座8两臂之间设有车轮轴5，从动轮10通过从动轮套9套设在车轮轴5上；各从动轮10的外轮圈均与杆表面相接触；每个从动轮分别配备有一个直流电机15；各从动轮10在对应直流电机15驱动下沿杆的高度方向做直线运动。

本实施例所述的机器人通过单片机STM32和六轴运动传感器MPU6050控制；其控制包括两个方面：

(1)夹紧状态判断

由于采用了滚珠丝杠3推动下固定板2末端实现左、右夹紧单元夹紧的方式，夹紧力的大小由滚珠丝杠3所连接的步进电机12决定。因为通过步进电机12的电流与电机所受的扭矩有关，所以通过测量滚珠丝杠3所连接的步进电机12的电流大小，可以来判断机器人的夹紧状态。通过STM32自带电流检测芯片获取步进电机12的电流大小，通过ADC转换模块将电流检测芯片采集的电流信号转换为电压信号，通过设定阈值，来调节丝杠夹紧力的大小。

(2)姿态调节

机器人向上爬行时需要为其提供驱动力，驱动力的大小受到夹紧力和直流电机15扭矩两方面影响。当机器人在上行时，由于加工误差、重心分布不均、轮胎侧向力等原因，会发生倾覆。当倾覆角度过大时，机器人单个轮胎会脱离管道，导致无法继续爬行，严重时还会导致机器人掉落。因此我们增加了六轴运动传感器MPU6050来进行姿态解算。姿态调节具体过程如下：

MPU6050以数字输出6轴或9轴的旋转矩阵、四元数、欧拉角格式的融合演算数据。具有131LSBs/°/sec敏感度与全格感测范围为±250、±500、±1000与±2000°/sec的3轴角速度感测器(陀螺仪)以及可编程式控制、且控制范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速器。移除加速器与陀螺仪轴间敏感度，降低设定给予的影响与感测器的飘移。数字运动处理引擎可减少复杂的融合演算数据、感测器同步化、姿势感应等的负荷。为了方便使用，我们直接通过MPU6050自带的DMP中获取数据融合得到的四元数进行姿态解算。四元数是由实数加上三个虚数单位i、j、k组成，而且它们有如下的关系：i^2＝j^2＝k^2＝-1，i^0＝j^0＝k^0＝1,每个四元数都是1、i、j和k的线性组合，即是四元数一般可表示为a+bk+cj+di，其中a、b、c、d是实数。对于i、j、k本身的几何意义可以理解为一种旋转，其中i旋转代表X轴与Y轴相交平面中X轴正向向Y轴正向的旋转，j旋转代表Z轴与X轴相交平面中Z轴正向向X轴正向的旋转，k旋转代表Y轴与Z轴相交平面中Y轴正向向Z轴正向的旋转，-i、-j、-k分别代表i、j、k旋转的反向旋转。因此，当我们得到四元数后，可以很方便的求解机器人的空间姿态。具体公式如下：

pitch＝asin(-2*q₁*q₃+2*q₀*q₂)*57.3；

roll＝atan(2*q₂*q₃+2*q₀*q₁,-2*q₁*q₁-2*q₂*q₂+1)*57.3；

yaw＝atan(2*(q₁*q₂+q₀*q₃),q₀*q₀+q₁*q₁-q₂*q₂-q₃*q₃)*57.3；

其中，q₀、q₁、q₂、q₃分别为通过MPU6050自带的DMP中获取数据融合得到的四元数，我们主要关注的为pitch轴角度与roll轴角度。得到角度数据之后，各电机的转速分别通过PID算法得出，由于积分项在调节时会影响调节速度，故此处仅用到PD控制：SPEED＝GSPEED+KPp*Pitch+KDp*pagv+KPr*Roll+KDr*ragv其中，GSPEED为爬行速度设定值，KPp为pitch轴的比例系数，Pitch为pitch轴角度；KDp为pitch轴的微分系数，pagv为pitch轴角速度；KPr为roll轴的比例系数，Roll为roll轴角度；KDr为roll轴的微分系数，roll为roll轴角速度。通过上述计算，得到各轮转速，调节PD的参数大小，最终得到稳定爬行时的参数值。

单片机STM32根据步进电机12和直流电机15的输出电流以及机器人的姿态数据生成控制指令并发送给各电机，各电机根据控制指令调整对应轮的转速。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种爬杆机器人，其特征在于，包括：左、右夹紧单元、滚珠丝杠(3)、步进电机(12)和至少一个主动轮(6)；

左、右夹紧单元均包括平行设置的上、下固定板(1,2)和垂直于上、下固定板(1,2)板面的主支撑轴(4)；主支撑轴(4)两端分别与上、下固定板(1,2)的中后端相连，并分别与上、下固定板(1,2)形成转动副结构；左、右夹紧单元的主支撑轴(4)之间通过夹板(7)固定连接；滚珠丝杠(3)一端与左夹紧单元或右夹紧单元中的下固定板(2)后端固定，滚珠丝杠(3)上的滑块(16)与另一夹紧单元中的下固定板(2)后端相连；滚珠丝杠(3)由步进电机(12)驱动，通过滑块(16)带动左、右夹紧单元夹紧或松开；

每个主动轮(6)配备有一个直流电机(15)；直流电机(15)固定在夹板(7)上，其输出端与对应的主动轮(6)相连，主动轮(6)的外轮圈与杆表面相接触；主动轮(6)在直流电机(15)的驱动下沿杆的高度方向做直线运动。

2.根据权利要求1所述的一种爬杆机器人，其特征在于，所述左、右夹紧单元各包括一根垂直于上、下固定板(1,2)板面的副支撑轴(11)，副支撑轴(11)的两端分别与对应夹紧单元中上、下固定板(1,2)的前端固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种爬杆机器人，其特征在于，还包括4个从动轮(10)，4个从动轮(10)分别设置在左、右夹紧单元中上、下固定板(1,2)的前端，各从动轮(10)的外轮圈均与杆表面相接触；每个从动轮分别配备有一个直流电机(15)，各从动轮(10)在对应直流电机(15)驱动下沿杆的高度方向做直线运动。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的一种爬杆机器人，其特征在于，还包括单片机STM32和六轴运动传感器MPU6050；单片机STM32中自带的电流检测芯片采集步进电机(12)和直流电机(15)的输出电流；六轴运动传感器MPU6050获取所述机器人的姿态数据并发送给单片机STM32；单片机STM32根据步进电机(12)和直流电机(15)的输出电流以及机器人的姿态数据生成控制指令并发送给各电机，各电机根据控制指令调整对应轮的转速。