CN108583713B - 一种仿生式立木攀爬机器人及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，公开了一种仿生式立木攀爬机器人及其使用方法，包括：柔性躯干机构以及多个仿生机械爪机构；柔性躯干机构包括多个第一弹簧组件、多个钢丝线、多个第一驱动电机以及多个躯干端盖，所有第一弹簧组件并排设置，每个第一弹簧组件内均穿设一根钢丝线，且相邻两个躯干端盖之间连接有第一弹簧组件，每个第一驱动电机通过绞轮与一根钢丝线连接，用于控制各钢丝线的拉伸状态；每个躯干端盖连接有一个仿生机械爪机构，仿生机械爪机构包括多个仿生机械腿和第二驱动电机，第二驱动电机与仿生机械腿连接，用于驱动仿生机械腿抱紧或松开。本发明能实现复杂的爬树抱树运动，驱动简单，体积小，质量轻，工作效率高。

Description

一种仿生式立木攀爬机器人及其使用方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种仿生式立木攀爬机器人及其使用方法。

背景技术

随着机器人技术的不断完善和提高，仿生机器人的应用渐为广泛，其中仿生爬树机器人在解决工作环境恶劣的高空作业，人类难以完成或过于复杂的任务上有着越来越多的应用，其中爬树机器人在树木病虫害防治，水果采摘，森林环境监测，树木剪枝等领域可以起到很好效果。

现有爬树机器人大多只能实现主杆的定向运动，攀爬不灵活甚至很难完成预定的目标，同时现有的抱紧装置通常对树木直径有较高要求，使用不广泛；且大多数爬树机器人体积庞大，载荷小，质量重，工作效率低。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种仿生式立木攀爬机器人及其使用方法，解决现有技术中的爬树机器人只能沿主杆定向移动，攀爬不灵活甚至很难完成预定的目标，同时现有的抱紧装置通常对树木直径有较高要求，使用不广泛，体积庞大，载荷小，质量重，工作效率低的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种仿生式立木攀爬机器人，包括：柔性躯干机构以及多个仿生机械爪机构；其中，

所述柔性躯干机构包括多个第一弹簧组件、多个钢丝线、多个第一驱动电机以及多个躯干端盖，所有所述第一弹簧组件并排设置，每个所述第一弹簧组件内均穿设一根所述钢丝线，且相邻两个所述躯干端盖之间连接有所述第一弹簧组件，每个所述第一驱动电机通过绞轮与一根所述钢丝线连接，用于控制各所述钢丝线的拉伸状态；

每个所述躯干端盖连接有一个所述仿生机械爪机构，所述仿生机械爪机构包括多个仿生机械腿和第二驱动电机，所述第二驱动电机与所述仿生机械腿连接，用于驱动所述仿生机械腿抱紧或松开。

其中，所述仿生机械爪机构还包括第二弹簧组件、丝杆子机构、牵引板以及推板，所述第二驱动电机的输出轴与所述丝杆子机构的螺杆同轴转动，所述推板固定于所述丝杆子机构的螺母上，所述仿生机械腿的一端铰接于所述推板，所述牵引板通过所述第二弹簧组件与所述仿生机械腿连接，用于牵引所述仿生机械腿抱紧或松开。

其中，所述仿生机械爪机构还包括顶盖和侧板，所述牵引板和所述推板均设于所述顶盖和所述侧板围设成的容纳空间内。

其中，所述仿生机械爪机构还包括限位腿，所述限位腿设于所述侧板的外侧，且所述限位腿设于所述仿生机械腿的两侧，以限制所述仿生机械腿沿垂直方向转动。

其中，所述仿生机械爪机构还包括第二电机固定支架，所述第二驱动电机通过所述第二电机固定支架固定于所述顶盖的顶部；所述柔性躯干机构还包括第一电机固定支架，所述第一驱动电机通过所述第一电机固定支架固定于所述躯干端盖上。

其中，所述第一弹簧组件包括拉簧组和压簧组，所述拉簧组嵌套于所述压簧组内部。

其中，所述柔性躯干机构还包括躯干支撑架，所述躯干支撑架固定于所述第一弹簧组件上，用于连接和支撑各第一弹簧组件。

其中，还包括连接块，所述仿生机械爪机构通过连接块安装于所述躯干端盖上。

其中，所述躯干端盖和所述仿生机械爪机构的数量均为两个，所述仿生机械腿的数量为四个，并呈四边形形状布置，所述第一弹簧组件的数量为三个，并呈三角形形状布置。

本发明还公开一种仿生式立木攀爬机器人的使用方法，包括：

处于上方的仿生机械腿由其第二驱动电机驱动，抱紧树干，处于下方的仿生机械腿松开树干；

当需要上下移动时，所有第一驱动电机正向等速运转，使第一弹簧组件收缩，处于下方的仿生机械腿移动到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干，处于上方的仿生机械腿由其第二驱动电机驱动，松开树干，所有第一驱动电机反向等速运转，使第一弹簧组件恢复原位，处于上方的仿生机械腿移动到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干；

当需要向某一侧向攀爬时，第一驱动电机差速运转，使处于不同位置的第一弹簧组件处于不同的拉伸和压缩状态，处于下方的仿生机械腿向某一方向偏移到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干，处于上方的仿生机械腿由其第二驱动电机驱动，松开树干，第一驱动电机差速运转，使第一弹簧组件恢复原位，处于上方的仿生机械腿向某一方向偏移到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干。

(三)有益效果

本发明提供的一种仿生式立木攀爬机器人及其使用方法，仿生机械爪机构和柔性躯干机构在驱动电机的协同作用下，能实现复杂的爬树抱树运动，驱动简单，体积小，质量轻，工作效率高；利用仿生型机械爪，克服了以往环抱式对于树木直径的限制，可灵活适应不同直径树木；通过柔性躯干的变形性，不仅能够上下攀爬，还实现了爬树机器人由只能攀爬主杆到侧枝的功能延伸，增强了其适用性、功能性和灵活性，从而更好地完成实际工作中的需要。

附图说明

图1为本发明一种仿生式立木攀爬机器人的结构图；

图2为本发明仿生机械爪机构的结构示意图；

图3为本发明上身仿生机械腿的结构示意图；

图4为本发明上身仿生机械腿的仰视图；

图5为本发明仿生机械腿张开状态的示意图；

图6为本发明仿生机械腿抱紧状态的示意图；

图7为本发明柔性躯干机构的结构示意图；

图8为本发明一种仿生式立木攀爬机器人处于伸长运动状态的示意图；

图9为本发明一种仿生式立木攀爬机器人处于收缩运动状态的示意图；

图10为本发明一种仿生式立木攀爬机器人处于转向状态的示意图。

图中，1、第二电机固定支架；2、上身驱动电机；3、躯干第二端盖；4、钢丝线；5、拉簧组；6、躯干支撑架；7、压簧组；8、躯干第一端盖；9、绞轮；10、第一电机固定支架；11、躯干第一驱动电机；12、躯干第二驱动电机；13、躯干第三驱动电机；14、下身驱动电机；15、连接块；16、限位腿；17、侧板；18、下身第一机械腿；19、下身第二机械腿；20、下身第四机械腿；21、下身第三机械腿；22、上身第一机械腿；23、上身第二机械腿；24、上身第四机械腿；25、上身第三机械腿；26、顶盖；27、上身第一拉簧；28、上身中心牵引板；29、上身第二拉簧；30、下身第一拉簧；31、下身中心牵引板；32、推板；33、下身第二拉簧；34、下身第三拉簧；35、下身第四拉簧；36、上身第三拉簧；37、上身第四拉簧；38、第一弹簧组件；39、第二弹簧组件；40、牵引板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1：

如图1-图9所示，本发明公开一种仿生式立木攀爬机器人，包括：柔性躯干机构以及多个仿生机械爪机构；其中，

所述柔性躯干机构包括多个第一弹簧组件38、多个钢丝线4、多个第一驱动电机以及多个躯干端盖，所有所述第一弹簧组件38并排设置，每个所述第一弹簧组件38内均穿设一根所述钢丝线4，且相邻两个所述躯干端盖之间连接有所述第一弹簧组件38，每个所述第一驱动电机通过绞轮9与一根所述钢丝线4连接，用于控制各所述钢丝线4的拉伸状态；

每个所述躯干端盖连接有一个所述仿生机械爪机构，所述仿生机械爪机构包括多个仿生机械腿和第二驱动电机，所述第二驱动电机与所述仿生机械腿连接，用于驱动所述仿生机械腿抱紧或松开。

具体的，本发明的柔性躯干机构的第一驱动电机驱动钢丝线4，带动第一弹簧组件38拉伸，实现驱动端盖的上下移动或侧向移动，进而带动仿生机械爪机构，同时，第二驱动电机驱动多个仿生机械腿，使其抱紧或松开，配合第一驱动电机协同工作。

其中，所述仿生机械爪机构还包括第二弹簧组件39、丝杆子机构、牵引板40以及推板32，所述第二驱动电机的输出轴与所述丝杆子机构的螺杆同轴转动，所述推板32固定于所述丝杆子机构的螺母上，所述仿生机械腿的一端铰接于所述推板32，所述牵引板40通过所述第二弹簧组件39与所述仿生机械腿连接，用于牵引所述仿生机械腿抱紧或松开。本实施例中的仿生机械腿通过推板32与仿生机械腿的铰接点以及弹簧与仿生机械腿的连接点这两个支点进行往复运动。丝杆子机构将第二驱动电机输出的转矩转换为推板32的上下线性运动。而，仿生机械腿的中间部分由弹簧与牵引板40相互牵引，使仿生机械腿始终处于紧绷状态，可以进行回弹。当第二驱动电机驱动推板32向下运动时，仿生机械腿张开；当第二驱动电机驱动推板32向上运动时，仿生机械腿收缩抱紧。优选地，丝杆子机构选用滚珠丝杆。优选地，第二弹簧组件39可选用拉簧组5。

其中，所述仿生机械爪机构还包括顶盖26和侧板17，所述牵引板40和所述推板32均设于所述顶盖26和所述侧板17围设成的容纳空间内。

优选地，所述仿生机械爪机构还包括限位腿16，所述限位腿16设于所述侧板17的外侧，且所述限位腿16设于所述仿生机械腿的两侧，以限制所述仿生机械腿沿垂直方向转动，保证其不会发生偏移，导致抓取不稳固的问题。

优选地，所述仿生机械爪机构还包括第二电机固定支架1，所述第二驱动电机通过所述第二电机固定支架1固定于所述顶盖26的顶部；所述柔性躯干机构还包括第一电机固定支架10，所述第一驱动电机通过所述第一电机固定支架10固定于所述躯干端盖上。

其中，本实施例中的第一弹簧组件38包括拉簧组5，利用拉簧完成机器人的上下移动和侧向转向。

其中，柔性躯干机构还包括躯干支撑架6，所述躯干支撑架6固定于所述第一弹簧组件38上，用于连接和支撑各第一弹簧组件38，避免在弹簧拉伸的时候偏移，增加本机器人的稳定性。

其中，还包括连接块15，所述仿生机械爪机构通过连接块15安装于所述躯干端盖上。

本实施例中的躯干端盖和所述仿生机械爪机构的数量均为两个，所述仿生机械腿的数量为四个，并呈四边形形状布置，所述第一弹簧组件38的数量为三个，并呈三角形形状布置。根据具体实际需要，可任意选择仿生机械爪机构的数量，例如三个或四个等；可任意选择仿生机械腿的数量以及其形状，例如四个，并呈正方形形状布置；可任意选择第一弹簧组件38的数量以及形状。

如图1-图9所示，本实施例中的仿生机械爪机构为两个，分为上身仿生机械爪机构和下身仿生机械爪机构，躯干端盖为两个，分为躯干第一端盖8上和躯干第二端盖3，上身仿生机械爪机构通过连接块15固定在躯干第二端盖3上，下身仿生机械爪机构通过连接块15固定在躯干第一端盖8上。上身仿生机械爪机构设置有上身驱动电机2，下身仿生机械爪机构设置有下身驱动电机14。所述第一弹簧组件38的数量为三个，并呈三角形形状布置，分别由固定在躯干第一端盖8的躯干第一驱动电机11、躯干第二驱动电机12和躯干第三驱动电机13驱动。所述仿生机械腿的数量为四个，并呈四边形形状布置，上身仿生机械爪机构包括上身第一机械腿22、上身第二机械腿23、上身第三机械腿25以及上身第四机械腿24，并分别由上身第一拉簧27、上身第二拉簧29、上身第三拉簧36以及上身第四拉簧37牵引。下身仿生机械爪机构包括下身第一机械腿18、下身第二机械腿19、下身第三机械腿21以及下身第四机械腿20，并分别由下身第一拉簧30、下身第二拉簧33、下身第三拉簧34以及下身第四拉簧35牵引。牵引板为两块，分为上身中心牵引板28和下身中心牵引板31，上身第一拉簧27、上身第二拉簧29、上身第三拉簧36以及上身第四拉簧37由上身中心牵引板28牵引，下身第一拉簧30、下身第二拉簧33、下身第三拉簧34以及下身第四拉簧35由下身中心牵引板31牵引。

本发明还公开一种仿生式立木攀爬机器人的使用方法，包括：

处于上方的仿生机械腿由其第二驱动电机驱动，抱紧树干，处于下方的仿生机械腿松开树干；

当需要上下移动时，所有第一驱动电机正向等速运转，使第一弹簧组件38收缩，处于下方的仿生机械腿移动到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干，处于上方的仿生机械腿由其第二驱动电机驱动，松开树干，所有第一驱动电机反向等速运转，使第一弹簧组件38恢复原位，处于上方的仿生机械腿移动到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干；反之向下运动也可以实现，重复上述步骤即可实现机器人的上下运动；

当需要向某一侧向攀爬时，第一驱动电机差速运转，使处于不同位置的第一弹簧组件38处于不同的拉伸和压缩状态，处于下方的仿生机械腿向某一方向偏移到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干，处于上方的仿生机械腿由其第二驱动电机驱动，松开树干，第一驱动电机差速运转，使第一弹簧组件38恢复原位，处于上方的仿生机械腿向某一方向偏移到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干。

本发明提供的一种仿生式立木攀爬机器人及其使用方法，仿生机械爪机构和柔性躯干机构在驱动电机的协同作用下，能实现复杂的爬树抱树运动，驱动简单，体积小，质量轻，工作效率高；利用仿生型机械爪，克服了以往环抱式对于树木直径的限制，可灵活适应不同直径树木；通过柔性躯干的变形性，不仅能够上下攀爬，还实现了爬树机器人由只能攀爬主杆到侧枝的功能延伸，增强了其适用性、功能性和灵活性，从而更好地完成实际工作中的需要。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

本实施例的第一弹簧组件38包括拉簧组5和压簧组7，所述拉簧组5嵌套于所述压簧组7内部。具体的，处于原始状态的拉簧组5的长度可以短于压簧组7的长度，拉簧组5的一端与钢丝线4连接，另一端与躯干端盖连接。当需要上下移动时，电机等速运转，而压簧组7处于回弹和压缩两种状态的往复运动时，拉簧组5基本处于不动或者拉伸和回弹两种状态的往复运动。当机器人向侧向移动时，电机差速运转，外侧的拉簧组5处于拉伸状态，内侧的拉簧组5处于基本不动的状态，使整个柔性躯干机构发生弯曲，进而带动整个机器人实现侧向移动。其中，本实施例中压簧组7的存在一方面是为了支撑主体部分，另一方面是为了省力复位的作用。另外，在侧向移动时，也可以利用能够承受弯矩的弹簧进行代替，以实现整个柔性躯干机构发生弯曲。

实施例3：

本实施例与实施例2基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例2相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例2不同之处：

本实施例的第一弹簧组件38包括拉簧组5和压簧组7，拉簧组5和压簧组7串接而成为第一弹簧组件38。当需要上下移动时，电机等速运转，压簧组7处于回弹和压缩两种状态的往复运动，拉簧组5基本处于不动的状态；或电机等速运转，拉簧组5处于回弹和拉伸两种状态的往复运动时，压簧组7基本处于不动的状态。当机器人向侧向移动时，电机差速运转，外侧的拉簧组5处于拉伸状态，内侧的拉簧组5处于基本不动的状态，压簧组7基本处于不动的状态；或外侧的压簧组7处于基本不动的状态，内侧的压簧组7处于压缩状态，拉簧组5基本处于不动的状态，使整个柔性躯干机构发生弯曲，进而带动整个机器人实现侧向移动。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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 (9)

1.一种仿生式立木攀爬机器人，其特征在于，包括：柔性躯干机构以及多个仿生机械爪机构；其中，

所述柔性躯干机构包括多个第一弹簧组件(38)、多个钢丝线(4)、多个第一驱动电机以及多个躯干端盖，所有所述第一弹簧组件(38)并排设置，每个所述第一弹簧组件(38)内均穿设一根所述钢丝线(4)，且相邻两个所述躯干端盖之间连接有所述第一弹簧组件(38)，每个所述第一驱动电机通过绞轮(9)与一根所述钢丝线(4)连接，用于控制各所述钢丝线(4)的拉伸状态；

每个所述躯干端盖连接有一个所述仿生机械爪机构，所述仿生机械爪机构包括多个仿生机械腿和第二驱动电机，所述第二驱动电机与所述仿生机械腿连接，用于驱动所述仿生机械腿抱紧或松开；

所述仿生机械爪机构还包括第二弹簧组件(39)、丝杆子机构、牵引板(40)以及推板(32)，所述第二驱动电机的输出轴与所述丝杆子机构的螺杆同轴转动，所述推板(32)固定于所述丝杆子机构的螺母上，所述仿生机械腿的一端铰接于所述推板(32)，所述牵引板(40)通过所述第二弹簧组件(39)与所述仿生机械腿连接，用于牵引所述仿生机械腿抱紧或松开。

2.如权利要求1所述的仿生式立木攀爬机器人，其特征在于，所述仿生机械爪机构还包括顶盖(26)和侧板(17)，所述牵引板(40)和所述推板(32)均设于所述顶盖(26)和所述侧板(17)围设成的容纳空间内。

3.如权利要求2所述的仿生式立木攀爬机器人，其特征在于，所述仿生机械爪机构还包括限位腿(16)，所述限位腿(16)设于所述侧板(17)的外侧，且所述限位腿(16)设于所述仿生机械腿的两侧，以限制所述仿生机械腿沿垂直方向转动。

4.如权利要求2所述的仿生式立木攀爬机器人，其特征在于，所述仿生机械爪机构还包括第二电机固定支架(1)，所述第二驱动电机通过所述第二电机固定支架(1)固定于所述顶盖(26)的顶部；所述柔性躯干机构还包括第一电机固定支架(10)，所述第一驱动电机通过所述第一电机固定支架(10)固定于所述躯干端盖上。

5.如权利要求1所述的仿生式立木攀爬机器人，其特征在于，所述第一弹簧组件(38)包括拉簧组(5)和压簧组(7)，所述拉簧组(5)嵌套于所述压簧组(7)内部。

6.如权利要求1所述的仿生式立木攀爬机器人，其特征在于，所述柔性躯干机构还包括躯干支撑架(6)，所述躯干支撑架(6)固定于所述第一弹簧组件(38)上，用于连接和支撑各第一弹簧组件(38)。

7.如权利要求1所述的仿生式立木攀爬机器人，其特征在于，还包括连接块(15)，所述仿生机械爪机构通过连接块(15)安装于所述躯干端盖上。

8.如权利要求1-7中任意一项所述的仿生式立木攀爬机器人，其特征在于，所述躯干端盖和所述仿生机械爪机构的数量均为两个，所述仿生机械腿的数量为四个，并呈四边形形状布置，所述第一弹簧组件(38)的数量为三个，并呈三角形形状布置。

9.一种如权利要求1-8中任意一项所述的仿生式立木攀爬机器人的使用方法，其特征在于，包括：

处于上方的仿生机械腿由其第二驱动电机驱动，抱紧树干，处于下方的仿生机械腿松开树干；

当需要上下移动时，所有第一驱动电机正向等速运转，使第一弹簧组件收缩，处于下方的仿生机械腿移动到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干，处于上方的仿生机械腿由其第二驱动电机驱动，松开树干，所有第一驱动电机反向等速运转，使第一弹簧组件恢复原位，处于上方的仿生机械腿移动到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干；

当需要向某一侧向攀爬时，第一驱动电机差速运转，使处于不同位置的第一弹簧组件处于不同的拉伸和压缩状态，处于下方的仿生机械腿向某一方向偏移到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干，处于上方的仿生机械腿由其第二驱动电机驱动，松开树干，第一驱动电机差速运转，使第一弹簧组件恢复原位，处于上方的仿生机械腿向某一方向偏移到位后，由其第二驱动电机驱动，抱紧树干。