CN107161231A - 一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，它包括控制平台、机身、四条机械臂和四个机械爪，四个机械臂两两安装在所述机身的左右两侧，四个机械爪分别安装在四条机械臂的末端，所述机身两侧分别对应四条机械臂设置四个水平安装的步进电机导轨，各所述机械臂安装在对应位置的步进电机导轨上，所述控制平台连接各步进电机导轨按照左前、右后、右前、左后或右前、左后、左前、右后的顺序启动，所述机身的底部安装距离传感器，根据距离传感器的感应信号，所述控制平台控制四条所述机械臂伸展或弯曲。该仿生攀爬机器人具有设计科学、攀爬能力强、具有自主越障能力、仿生攀爬的优点。

Description

一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人

技术领域

本发明涉及一种仿生机器人，具体的说，涉及了一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人。

背景技术

现有的拉索桥索塔及缆索攀爬机器人，通常采用环抱式结构前进，对于攀爬物的直径要求高；另外，在遇到障碍物时，大多无法越障，即便有越障能力，也是通过旋转绕过障碍物所在的面进行越障，就缆索而言，除了表面的裂缝鼓泡可能会给机器人攀爬构成障碍，缆索上固定的路灯或限速摄像等仪器会完全阻隔这种环抱式移动上升的机器人，导致这类机器人越障能力极差，对工作环境的要求较高，实用性差。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种设计科学、攀爬能力强、具有自主越障能力、仿生攀爬的一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，它包括控制平台、机身、四条仿生设置的机械臂和四个仿生设置的机械爪，四个机械臂两两安装在所述机身的左右两侧，四个机械爪分别安装在四条机械臂的末端，所述机身两侧分别对应四条机械臂设置四个水平安装的步进电机导轨，各所述机械臂安装在对应位置的步进电机导轨上，所述控制平台连接各步进电机导轨按照左前、右后、右前、左后或右前、左后、左前、右后的顺序启动，所述机身的底部安装距离传感器，根据距离传感器的感应信号，所述控制平台控制四条所述机械臂伸展或弯曲。

基上所述，所述机械臂包括第一舵机、上肢连杆、第二舵机、下肢连杆和第三舵机，所述第一舵机通过舵机连接件安装在所述步进电机导轨上，所述上肢连杆的两端分别连接所述第一舵机和所述第二舵机，所述下肢连杆的两端分别连接所述第二舵机和所述第三舵机，所述第三舵机通过连接件连接所述机械爪，所述控制平台分别连接所述第一舵机、所述第二舵机和所述第三舵机并控制其动作。

基上所述，所述第一舵机、所述第二舵机和所述第三舵机的力矩方向均与所述步进电机导轨的行走方向平行。

基上所述，所述上肢连杆、所述下肢连杆和所述连接件均由U形连接板相互连接形成，各U形连接板之间通过螺钉固定。

基上所述，所述机械爪上安装第四舵机，所述第四舵机通过所述连接件连接所述第三舵机，所述第四舵机驱动所述机械爪的开合，所述控制平台控制连接所述第四舵机。

基上所述，所述机身包括前机身和后机身，对应前肢的两机械臂安装在前机身上，对应后肢的两机械臂安装在后机身上，所述前机身和所述后机身之间通过合页结构连接，该合页结构包括第五舵机和两扇叶片，两扇叶片分别固定在所述前机身上和所述后机身上，所述控制平台控制所述第五舵机的转动。

基上所述，所述控制平台控制各舵机，使得四条机械臂在行进过程中，两前足处的机械臂始终位于所述机身前方，两后足处的机械臂始终位于所述机身后方。

基上所述，所述第一舵机和所述第二舵机的力矩方向均与所述步进电机导轨的行走方向平行，所述第三舵机的力矩方向与所述步进电机导轨的行走方向垂直。

基上所述，所述控制平台为arduino开源电子原型平台，该arduino开源电子原型平台连接有调压电路和电机驱动电路，所述arduino开源电子原型平台控制各舵机进行动作。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明采用步进电机导轨配合机械臂的方式行进，使得机械臂仅需要一个的自由度即可完成爬行动作，大大简化了机械臂结构；四条机械臂按照生物特性顺次抬腿，采用该顺序抬腿，仿生机器人的稳定性最好、移动速度也较快；在机身内表面安装距离传感器，根据与障碍物之间的间距，调整机械臂的长度，从而调整机身与障碍物之间的间距进行越障，越障能力极强。

进一步的，机械臂包括三个舵机，拥有三个自由度，可弯曲变形能力更强，适应各种复杂环境的能力也更强。

进一步的，三个舵机均用于实现机械臂的侧摆，最大范围的调整四肢之间的行进宽度，或者第一舵机和第二舵机实现机械臂的侧摆，用于调整四肢之间的行进宽度，第三舵机实现机械臂的前后摆动，用于实现四肢小范围内角度的调整。

进一步的，机械臂的连接部分采用U形连接板，U形连接板的与舵机的安装更加方便；进一步的，机械爪由第四舵机驱动，实现机械爪的张合。

进一步的，机身包括前后两段，两段间通过合页结构连接，在遇到有转角时，车身可翻折相同角度，通过这种模块化的机身设计，可以适应索塔及缆索交叉处的各种角度。

进一步的，四条机械臂采用前足向前弯，后足向后弯的方式设置，可增大落足所构多边形的面积，有利于增加机器人的稳定性。

附图说明

图1是本发明中机器人的整体结构示意图之一。

图2是本发明中机器人的主视图。

图3是图2的左视图。

图4是图2的俯视图。

图5是本发明中机器人的整体结构示意图之二。

图6是本发明中机器人的电路控制原理图。

图中：1.前机身；2.机械臂；3.机械爪；4.步进电机导轨；5.U形连接板；7.第一舵机；8.第二舵机；9.第三舵机；11.第五舵机；12.叶片；13.后机身；14.舵机连接件。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1-5所示，一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，它包括控制平台、前机身1、后机身13、四条仿生设置的机械臂2和四个仿生设置的机械爪3，四个机械臂2对应前肢的两机械臂安装在前机身1的左右两侧，对应后肢的两机械臂安装在后机身13的左右两侧，四个机械爪3分别安装在四条机械臂2的末端，所述前机身1和后机身13的两侧分别对应四条机械臂2设置四个水平安装的步进电机导轨4，各所述机械臂2安装在对应位置的步进电机导轨4上，机械臂2由步进电机导轨4带动，可顺着步进电机导轨4的方向做前后快速移动。

所述控制平台连接各步进电机导轨4按照左前、右后、右前、左后或右前、左后、左前、右后的顺序启动，使得四条机械臂2也按照这样的顺序启动，采用该顺序抬腿，仿生机器人的稳定性最好、移动速度也较快。在前机身1和/或后机身13的底部安装距离传感器，根据距离传感器的感应信号，所述控制平台控制四条机械臂2伸展或弯曲。

传感器可采用超声波类或磁感类的传感器：测量机身与所加持缆索之间的距离，如检测到缆索上出现较大的障碍物，可使机械臂做拉伸，与障碍物保持安全距离的同时有效的越过障碍；根据应用不同，可根据需要装配检测不同指标的传感器。

所述机械臂2包括第一舵机7、上肢连杆、第二舵机8、下肢连杆1和第三舵机9，所述第一舵机7通过舵机连接件14安装在所述步进电机导轨4上的滑块位置，所述上肢连杆的两端分别连接所述第一舵机7和所述第二舵机8，所述下肢连杆的两端分别连接所述第二舵机8和所述第三舵机9，所述第三舵机9通过连接件连接所述机械爪3，所述控制平台分别连接所述第一舵机7、所述第二舵机8和所述第三舵机9并控制其动作。第一舵机对应仿生“髋关节”，第二舵机对应仿生“膝关节”，第三舵机对应仿生“裸关节”，从而使得每条仿生机械臂具有3个自由度，共四条仿生机械臂，机器人整体具有12个自由度，活动能力更强。

其中，所述第一舵机7、所述第二舵机8和所述第三舵机9的力矩方向均与所述步进电机导轨4的行走方向平行，即可以由内向外摆动，调整机械臂2之间的跨度，满足各种不同需求。

所述上肢连杆、所述下肢连杆和所述连接件均由U形连接板5相互连接形成，各U形连接板5之间通过螺钉固定，可调整关节的长度、角度，也方便连接舵机。使用U形连接板，模块化设计，使得整个装置的加工、组装方便，整体质量较轻，易于步态规划。

所述机械爪3上安装第四舵机，所述第四舵机通过所述连接件连接所述第三舵机9，所述第四舵机驱动所述机械爪3的开合，所述控制平台控制连接所述第四舵机。机械爪的大小根据使用场景的不同进行调整，适应不同直径的缆索。

所述前机身1和所述后机身13之间通过合页结构连接，该合页结构包括第五舵机11和两扇叶片12，两扇叶片12分别固定在所述前机身1上和所述后机身13上，所述控制平台控制所述第五舵机11的转动。如遇到比如90度直角的缆索交叉位置，前后机身可翻折相同角度，通过这种模块化的机身设计，可以适应索塔及缆索交叉处的各种角度。

所述控制平台控制各舵机，使得四条机械臂在行进过程中，两前足处的机械臂始终位于所述机身前方，两后足处的机械臂始终位于所述机身后方，容易实现四足仿生昆虫机器人的步行平稳、协调、可靠运行。具体实施时，可以通过控制舵机的动作角度、范围，或者通过限位开关、程序控制等方法实现。

如图6所示，所述控制平台为arduino开源电子原型平台，该arduino开源电子原型平台连接有调压电路和两组电机驱动电路，所述arduino开源电子原型平台控制8个舵机进行动作。

工作过程：控制平台控制步进电机导轨4和各舵机，按照左前、右后、右前、左后或右前、左后、左前、右后的顺序启动，即模拟昆虫的抬腿顺序，保证整体的稳定性，便于提升速度，行进过程中，依次控制各机械爪张合，通过卡在缆索的侧部，向前行进，当遇到障碍物时，距离感应器感应到障碍物存在，通过髋关节、膝关节和踝关节的联动调节机身与障碍物及缆索之间的距离轻松越过，当遇到缆索交叉位置时，控制合页结构翻转，调整前后机身之间的角度，顺利通过。

本发明整体结构简单，设计合理，通过大扭力舵机作为驱动元件，简化了驱动机构、性能稳定、轻便、造价低、动作柔软，在驱动的过程中无污染和噪音，提高了机器人对环境的适应性，符合仿生的概念。

在其它实施例中，所述第一舵机和所述第二舵机的力矩方向均与所述步进电机导轨的行走方向平行，所述第三舵机的力矩方向与所述步进电机导轨的行走方向垂直。即可以调整机械臂之间的跨度，也可以调整机械爪的角度，调整能力更强。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (9)

1.一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，它包括控制平台、机身、四条仿生设置的机械臂和四个仿生设置的机械爪，四个机械臂两两安装在所述机身的左右两侧，四个机械爪分别安装在四条机械臂的末端，其特征在于：所述机身两侧分别对应四条机械臂设置四个水平安装的步进电机导轨，各所述机械臂安装在对应位置的步进电机导轨上，所述控制平台连接各步进电机导轨按照左前、右后、右前、左后或右前、左后、左前、右后的顺序启动，所述机身的底部安装距离传感器，根据距离传感器的感应信号，所述控制平台控制四条所述机械臂伸展或弯曲。

2.根据权利要求1所述的一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述机械臂包括第一舵机、上肢连杆、第二舵机、下肢连杆和第三舵机，所述第一舵机通过舵机连接件安装在所述步进电机导轨上，所述上肢连杆的两端分别连接所述第一舵机和所述第二舵机，所述下肢连杆的两端分别连接所述第二舵机和所述第三舵机，所述第三舵机通过连接件连接所述机械爪，所述控制平台分别连接所述第一舵机、所述第二舵机和所述第三舵机并控制其动作。

3.根据权利要求2所述的一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述第一舵机、所述第二舵机和所述第三舵机的力矩方向均与所述步进电机导轨的行走方向平行。

4.根据权利要求2或3所述的一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述上肢连杆、所述下肢连杆和所述连接件均由U形连接板相互连接形成，各U形连接板之间通过螺钉固定。

5.根据权利要求4所述的一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述机械爪上安装第四舵机，所述第四舵机通过所述连接件连接所述第三舵机，所述第四舵机驱动所述机械爪的开合，所述控制平台控制连接所述第四舵机。

6.根据权利要求5所述的一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述机身包括前机身和后机身，对应前肢的两机械臂安装在前机身上，对应后肢的两机械臂安装在后机身上，所述前机身和所述后机身之间通过合页结构连接，该合页结构包括第五舵机和两扇叶片，两扇叶片分别固定在所述前机身上和所述后机身上，所述控制平台控制所述第五舵机的转动。

7.根据权利要求5所述的一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述控制平台控制各舵机，使得四条机械臂在行进过程中，两前足处的机械臂始终位于所述机身前方，两后足处的机械臂始终位于所述机身后方。

8.根据权利要求2所述的一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述第一舵机和所述第二舵机的力矩方向均与所述步进电机导轨的行走方向平行，所述第三舵机的力矩方向与所述步进电机导轨的行走方向垂直。

9.根据权利要求7所述的一种适用于拉索桥索塔及缆索的仿生攀爬机器人，其特征在于：所述控制平台为arduino开源电子原型平台，该arduino开源电子原型平台连接有调压电路和电机驱动电路，所述arduino开源电子原型平台控制各舵机进行动作。