CN106965868B - 一种气动软体爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动软体爬杆机器人，包括软体机器人本体、电磁夹紧装置、驱动控制系统和遥控设备。软体机器人本体为设有开口的环形，且截面为圆形。软体机器人本体设有中心容纳空腔和若干个密闭气腔。软体机器人本体具有三个刚度逐渐递增的材料层，分别为变形层、中间层和约束层。电磁夹紧装置包括设在两个开口端面上的电磁铁A和电磁铁B。驱动控制系统设置在中心容纳空腔内，驱动控制系统包括充气控制阀、气泵、微型控制器和便携电源。便携电源用于向电磁铁A和电磁铁B供电，遥控设备与微型控制器无线连接。本发明采用软体材料构建，具有很强的环境适应能力，能适用于杆状物管内或管外的爬升，以及能攀爬一定程度的弯管。

Description

一种气动软体爬杆机器人

技术领域

本发明涉及一种爬杆机器人，特别是一种气动软体爬杆机器人。

背景技术

现在的电线杆、路灯或拉索等高杆类建筑，长年累月的处在没有保护的空气中，受到来自各种方面的腐蚀和污染。如果采用人工对这些高杆类建筑进行检测和维护是十分麻烦的，而且可能达不到预期效果。因此，可以代替人力的爬杆机器人，得到广泛研究和应用。

然而，传统爬杆机器人都是基于硬质或刚性材料的刚性运动副连接，例如上海交通大学研制的用于拉索检测维护工业机器人，虽然其负载能力很强，能很好地完成大桥拉索的检测、涂装、维护等功能，其技术方案公布在专利号为99252056.8的中国实用新型专利文件中。

上述传统爬杆机器人均存在着如下技术问题：

1.灵活性低，对于未知环境适应能力低，不能任意改变尺寸和大小，在特定环境中应用时需要提供障碍物形状尺寸等先验环境信息。另外，大多采用凸轮机构夹紧，由于凸轮机构的不可伸缩性，一个爬行器只能爬行特定直径的等直径的杆件。这个给实际应用带来了很大的约束，频繁的重新设计和更换设备其设计成本和维护成本较高。

2.只能实现单一的管内或是管外爬升，处在不同的外部环境时必须重新设计和制造，浪费了大量的人力、物力、财力。

3.高杆类建筑，由于生产、加工或后期使用等原因，在日后的使用中产生了形变或是弯曲，具有一定的弯曲度。上述传统刚性爬杆机器人无法实现弯管的攀爬。

4.对于专利99252056.8来讲，拉索检测维护机器人的爬升装置结构外形较大；整机采用有缆供电，其连接电缆的长度必须大于机器人所爬升的大桥拉索的长度，高空作业时受风力影响较明显。另外，该机器人没有设计相关的下降装置，当作业过程中出现意外情况时，是采用连接在机器人上的钢丝绳，从几十甚至几百米的高空用人力拖拽回收机器人。

5.传统刚性爬杆机器人自身重量较大，且夹紧机构是滚轮，在意外故障断电情况下在重力下自行下降，在落地时往往速度过大，很容易造成机器人整个损坏。

6.在爬升的过程中，目前要实现变直径杆的爬行则只能依靠气动蠕行式爬行器来解决，运行相对缓慢，摩擦力过大情况下难以进行爬升。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种气动软体爬杆机器人，该气动软体爬杆机器人采用软体材料构建，结构简单，具有很强的环境适应能力，能适用于杆状物管内或管外的爬升，另外，还能攀爬一定程度的弯管。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种气动软体爬杆机器人，包括软体机器人本体、电磁夹紧装置、驱动控制系统和遥控设备。

软体机器人本体为设置有开口的环形，具有两个开口端面，且软体机器人本体的截面为圆形。

软体机器人本体的中心环线处设置有中心容纳空腔，位于中心容纳空腔外侧的软体机器人本体上均匀设置有若干个密闭气腔，每个密闭气腔内均设置有一根气管。

软体机器人本体具有三个材料层，若干个密闭气腔所在的材料层为中间层，位于中间层外侧的材料层为变形层，位于中间层内侧的材料层为约束层；变形层、中间层和约束层的刚度逐渐递增。

电磁夹紧装置包括电磁铁A和电磁铁B，电磁铁A和电磁铁B分别设置在软体机器人本体的两个开口端面上。

驱动控制系统设置在中心容纳空腔内，驱动控制系统包括充气控制阀、气泵、微型控制器和便携电源；充气控制阀的一端与密闭气腔内的每根气管相连接，充气控制阀的另一端与气泵相连接；气泵和便携电源分别与微型控制器相连接；便携电源用于向电磁铁A和电磁铁B供电。

遥控设备通过无线通讯组件与驱动控制系统中的微型控制器实现无线连接。

每根气管沿长度方向均匀布置有若干个气孔。

变形层、中间层和约束层的刚度通过填充不同硬度颗粒的方法进行调节实现。

相邻两个密闭气腔之间的中间层形成一块肋板，每块肋板内均嵌入有布状织物结构，所有布状织物结构均沿软体机器人本体的截面圆的径向布置。

变形层的外部涂覆有防刺破保护层。

每个密闭气腔的形状均为圆形、扇形、弧形、半圆形或扇形中的一种。

中心容纳空腔的截面为圆形，每个密闭气腔的形状均为扇形。

驱动控制系统还包括驱动系统控制板，充气控制阀、气泵、微型控制器和便携电源均设置在驱动系统控制板上。

本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：

(1)整个机器人都采用软体材料构成，一方面从根本上克服了刚性材料大而笨重的缺点，采用无缆式驱动，无需连接很长笨重的电缆。另一方面克服了传统刚性材料灵活度欠缺的局限性。本申请的软体爬杆机器人具有充分的柔顺性、适应性或无限自由度，对压力有很小的阻抗，能通过柔顺变形的方式与障碍物相容，从而具有前所未有的适应性，灵敏度和敏捷性，能够完全弯曲或者高曲率扭曲，能在有限的空间内灵活使用，能更好的适应环境。

具体表现形式为：

a.能够翻越多种障碍，如具有些崎岖不平的管面、比较狭窄的空间、以及表面带螺旋线或压凹坑的拉索。

b.能够攀爬一定程度的弯管，而以往的刚性爬杆机器人只能在直杆上爬行。

(2)能够通过自身变形产生动力进行运动，和传统的硬性材料爬杆机器人相比可以拥有大量的自由度。软体机器人是由可承受大应变的软体材料组成，具有分布式连续变形能力，在非结构化环境中应用前景广泛。它可以通过不同构型，使末端执行器到达三维工作空间的任意一点。

(3)软体爬杆机器人能通过柔顺变形的方式与障碍物相容，因而能够大幅度降低接触力，从而使软体机器人方便搬运柔软或易碎的物品。采用适当的方式操纵对象改变形状来适应环境，适应凹凸不平的表面。

(4)在实际使用过程中，能适应多种直径的杆，通过简单的更换电磁夹紧装置即可以实现管内和管外爬升的灵活切换，无需重新设计、制造。

(5)反向充气即可以实现机器人的下降回收工作，无需在结束后从几十米或是几百米高中人力拉回。

(6)另外，在自身重力作用下能自行下降，在下落过程中时滑落运动，摩擦力较大，落地速度可以得到控制。当在出现故障断电的情况下可以在重力作用下，自行下降回收。而且由于机器人自身由软体弹性材料可塑性和空腔结构设计，在落地时对整个机器人内部装置形成一定缓冲和保护作用。

(7)整个机器人的设计很简单，工作原理简明易懂，在实际应用中可以做到原料价格低廉，制作工艺简单易实现。

(8)通过对密闭气腔充气即可实现爬升，这是一种清洁低价易于实现的驱动方式，并且在使用过后不会对环境造成任何损害。另外，采用气动滚动式爬升，摩擦力对整个机构爬升影响会小得多。

(9)在高空作业过程中，由于机器人本身圆环流线型设计，受风力影响较小，夹紧装置的存在也可以风力等外界因素影响变得微乎其微。通过自身控制可以实现爬升和下降，

总之，本发明采用能够实现沿着杆状物的爬升操作，突破了以往软体机器人只进行仿生运动的局限，开创了一种全新的运动机制。并且交替式对软管充气进行爬升这种爬升原理也是一种很好的开拓。

附图说明

图1显示了本发明一种气动软体爬杆机器人的立体结构示意图。

图2显示了软体机器人本体在密闭气腔未充气变形前的截面图。

图3显示了软体机器人本体在其中一个密闭气腔充气后变形时的截面图。

图4显示了将软体机器人本体拉伸成圆柱体后，沿圆柱体中轴线的剖面视图。

图5显示了遥控设备的结构框图。

图6显示了本发明一种气动软体爬杆机器人在爬杆管外爬升的示意图。

图7显示了本发明一种气动软体爬杆机器人在爬杆管内爬升的示意图。

图8显示了软体机器人本体中三个材料层的结构示意图。

图9显示了密闭气腔的不同形状示意图。

图10显示了单个密闭气腔充气后的力学平面分析图。

其中有：

1.软体机器人本体；

11.中心容纳空腔；12.变形层；13.中间层；14.约束层；15.密闭气腔；16.气管；161.气孔；

21.电磁铁A；22.电磁铁B；

31.驱动系统控制板；32.充气控制阀；33.气泵；34.微型控制器；35.便携电源；

4.遥控设备；41.无线通讯组件；42.能源管理器；43.交换器；44.微处理器；

5.爬杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种气动软体爬杆机器人，包括软体机器人本体1、电磁夹紧装置、驱动控制系统和遥控设备4。

软体机器人本体1为设置有开口的环形，具有两个开口端面，且软体机器人本体的截面为如图2所示的圆形。

当将环形的软体机器人本体拉直后，软体机器人本体呈圆柱体结构。

软体机器人本体1的软硅胶或橡胶等，优选为三元乙丙橡胶。

软体机器人本体的中心环线处设置有中心容纳空腔11，中心容纳空腔的截面优选呈圆形。

位于中心容纳空腔外侧的软体机器人本体上均匀设置有若干个密闭气腔15。

上述中心容纳空腔11和若干个密闭气腔15均沿软体机器人本体的长度方向设置。

密闭气腔15的截面形状如图9所示，可以为9-1所示的圆形，也可以为9-2所示的弧形，或9-3所示的半圆形，或9-4所示的扇形等。

密闭气腔15的数量可以为3个、4个、5个或多个，具体根据需要进行设置。

本发明中，密闭气腔15均优选设计为如图1或图2所示的扇形，且密闭气腔的数量优选为5个。由于密闭气腔密闭，当密闭气腔充气后，能产生膨胀变形，扇形结构可以使形变发生得更加明显，与爬杆或拉索等表面之间能形成更强烈挤压。

每个密闭气腔内均设置有一根软性材料制成的气管16，每根气管沿长度方向均匀布置有若干个气孔。这样，能使每个密闭气腔内的充放气速度更快，充放气更为均匀，爬杆机器人爬升更为平稳。

如图8所示，软体机器人本体具有三个材料层，若干个密闭气腔所在的材料层为中间层13，位于中间层外侧的材料层为变形层12，位于中间层内侧的材料层为约束层14。

变形层、中间层和约束层的刚度逐渐递增。变形层、中间层和约束层的刚度优选通过填充不同硬度颗粒的方法进行调节实现。

也即，当每个密闭气腔呈扇形时，扇形密闭气腔的外弧面为变形层的一部分，扇形密闭气腔的内弧面为约束层的一部分，扇形密闭气腔的两条侧边则为中间层的一部分。

相邻两个密闭气腔之间的中间层形成一块肋板，每块肋板内均优选嵌入有布状织物结构，所有布状织物结构均沿软体机器人本体的截面圆的径向布置。

当给密闭气腔充气后，密闭气腔充压膨胀，上述变形层受密闭气腔内压力的影响最大，率先产生如图3所示的较大形变，从而能与爬杆或拉索等表面挤压，提供爬杆机器人的攀爬力。

上述中间层由于应用中等刚度的软体材料，起到支撑上述变形层的作用，上述肋板中布状织物结构的设置，使中间层只能受压变形，不能受拉力伸长，有利于提高爬杆机器人的整体稳定性，满足柔顺越障功能。

上述约束层由于应用具有较大刚度的软体材料(但非刚性材料)，从而能够支撑驱动控制系统，基本不受密闭气腔内压力影响，不产生变形。

此外，由于上述约束层的存在，使得只有与爬杆或拉索等相接触的变形层产生变形，而不是整个变形层膨胀变形，导致不能驱动爬杆机器人爬升的现象。

当只对其中一个密闭气腔充气，单个密闭气腔产生如图10所示的膨胀变形，对爬杆或拉索等管壁表面形成挤压。假设对管壁的挤压力为F，与管壁之间的夹角为α，同时管壁会给机器人反作用力N。N＝Fsinα(沿着管壁和机器人接触面的公法线方向向右)，设原接触点为p，变形后延伸到p′，p′到圆心o的垂直距离为l，即作用力N对机器人的力臂为l，转动力矩M＝Fsinα*l(逆时针方向)。此力矩是机器人产生逆时针转动的驱动力。

管壁与机器人的接触面都不是光滑的，在夹紧力的作用下，管壁会产生摩擦力f阻止机器人发生自转，我们假设挤压变形后的半径不变，那么只有当f大于管壁和机器人之间的静摩擦力时，才能实现滚动式爬升，假设其动摩擦影响忽略不计情况下，爬升力矩约等于M。

假设p′到圆心o的水平距离为R，那么可以写成转动力矩为

当充入气体的压强变时候，相应部分曲率也变大，即膨胀变形更大。也就是pp′之间的距离变大，力臂l变大。由上式可知，R不变，我们假设爬升时作用力F不变时，转动力矩M变大。

进一步，变形层的外部涂覆有防刺破保护层，该防刺破保护层优选为具有自我修复功能的聚氨酯涂层。防刺破保护层的作用是保护机器人在向上爬升过程中，不会被管道外颗粒或是凸起等硬物刺破。

电磁夹紧装置包括电磁铁A21和电磁铁B 22，电磁铁A和电磁铁B分别设置在软体机器人本体的两个开口端面上。

驱动控制系统设置在中心容纳空腔内。

驱动控制系统包括充气控制阀32、气泵33、微型控制器34和便携电源35。微型控制器34优选采用基于ATmega1280的Arduino Mega微控制器。

充气控制阀的一端与密闭气腔内的每根气管相连接，充气控制阀能对所有密闭气腔的充放气状态进行控制。

充气控制阀的另一端与气泵相连接；气泵和便携电源分别与微型控制器相连接。

便携电源用于向电磁铁A和电磁铁B供电。

进一步，驱动控制系统还优选包括驱动系统控制板，充气控制阀、气泵、微型控制器和便携电源均设置在驱动系统控制板上。

机器人本身材料具有一定弹性，使用电磁夹紧装置，通过导线组和驱动系统控制板上的便携电源连接，导线组优选由AB组成，通过微型控制器控制实现通过导线A正向通电，那么两对应极板上极性相同，同性相斥提供如图7所示的管内爬升的扩张力。当一端通过导线A正向通电，另一端通过导线B反向通电，则两极板极性相反，异性相吸提供夹紧力适用于如图6所示的管外爬升。

另外，当机器人出现故障断电后，可以在重力的作用下自行下降，由于本身即为软体材料，可以实现安全回收。夹紧力或是扩张力用了防止机器人在爬升力矩的作用下原地打滑空转。

遥控设备优选包括无线通讯组件41、能源管理器42、交换器43、以及微处理器44。

遥控设备中的微处理器44通过无线通讯组件与驱动控制系统中的微型控制器实现无线连接。无线通讯组优选为蓝牙或无线信号等，实现在地面对整个机器人进行控制和数据处理。

能源管理器42和交换器作用，能源管理器42用来调节对各个密闭气腔内的充气量。交换器用于控制充气管道。

微处理器也优选采用基于ATmega1280的Arduino Mega微控制器。

遥控设备是一个开放的平台，能够用来操纵和控制气泵充气时间和充气量，以及对对应序号的气管充气，包括断开和闭合充气控制阀的时间，对电磁夹紧装置正向或反向通电。经过微处理器的处理，遥控设备可以手动控制，也可以通过自动控制，通过对各个密闭气腔中充气顺序和充气时间的设定，实现整个爬杆机器人的爬升。

本发明爬杆机器人爬升工作原理：密闭气腔通过气管连于驱动控制系统，通过气管对相应位置的密闭气腔进行充气，由于本身为软体材料，随着密闭气腔内部气体压强变大，对应部分的变形层会产生膨胀形变，与管壁形成挤压，机器人与管壁之间挤压的作用力为机器人爬升提供动力，充入气体压强越大，相应的作用力越大，那么爬升效果越明显。对密闭气腔依次进行充气，并循环反复，从而实现攀爬动作。如需进行向下运动可进行对相应空腔顺序反向充气即可。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种气动软体爬杆机器人，其特征在于：包括软体机器人本体、电磁夹紧装置、驱动控制系统和遥控设备；

软体机器人本体为设置有开口的环形，具有两个开口端面，且软体机器人本体的截面为圆形；

软体机器人本体的中心环线处设置有中心容纳空腔，位于中心容纳空腔外侧的软体机器人本体上均匀设置有若干个密闭气腔，每个密闭气腔内均设置有一根气管；

软体机器人本体具有三个材料层，若干个密闭气腔所在的材料层为中间层，位于中间层外侧的材料层为变形层，位于中间层内侧的材料层为约束层；变形层、中间层和约束层的刚度逐渐递增；

电磁夹紧装置包括电磁铁A和电磁铁B，电磁铁A和电磁铁B分别设置在软体机器人本体的两个开口端面上；

驱动控制系统设置在中心容纳空腔内，驱动控制系统包括充气控制阀、气泵、微型控制器和便携电源；充气控制阀的一端与密闭气腔内的每根气管相连接，充气控制阀的另一端与气泵相连接；气泵和便携电源分别与微型控制器相连接；便携电源用于向电磁铁A和电磁铁B供电；

遥控设备通过无线通讯组件与驱动控制系统中的微型控制器实现无线连接。

2.根据权利要求1所述的气动软体爬杆机器人，其特征在于：每根气管沿长度方向均匀布置有若干个气孔。

3.根据权利要求1所述的气动软体爬杆机器人，其特征在于：变形层、中间层和约束层的刚度通过填充不同硬度颗粒的方法进行调节实现。

4.根据权利要求1所述的气动软体爬杆机器人，其特征在于：相邻两个密闭气腔之间的中间层形成一块肋板，每块肋板内均嵌入有布状织物结构，所有布状织物结构均沿软体机器人本体的截面圆的径向布置。

5.根据权利要求1所述的气动软体爬杆机器人，其特征在于：变形层的外部涂覆有防刺破保护层。

6.根据权利要求1所述的气动软体爬杆机器人，其特征在于：每个密闭气腔的形状均为圆形或弧形中的一种。

7.根据权利要求6所述的气动软体爬杆机器人，其特征在于：中心容纳空腔的截面为圆形，每个密闭气腔的形状均为扇形。

8.根据权利要求1所述的气动软体爬杆机器人，其特征在于：驱动控制系统还包括驱动系统控制板，充气控制阀、气泵、微型控制器和便携电源均设置在驱动系统控制板上。