CN108789353B - 越障爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种越障爬杆机器人，包括抱住目标杆的固定基座以及驱动固定基座沿目标杆上升和下降的风机组件；所述固定基座上围绕目标杆的圆周方向设有若干组越障轮组件，其中至少一组越障轮组件通过主动驱动装置向目标杆主动压紧，其余的越障轮组件通过弹性连接件与目标杆被动压紧。本发明的越障爬杆机器人在攀爬时使用涵道风力推进，速度较快，同时U型轮构成的越障轮组件具有跨越一定障碍的能力，且通过摆杆和伸缩杆的配合可实现一定直径范围的目标杆的快速攀爬和锁止定位，同时兼顾了轮式爬杆机器人的爬杆速度和臂式爬杆机器人的越障能力。

Description

越障爬杆机器人

技术领域

本发明属于移动机器人技术，具体涉及一种越障爬杆机器人。

背景技术

在一些高空作业人员难以操作或者人生安全受到较大威胁的情况下，爬杆机器人可以代替高空作业人员完成相应的操作，如电线杆或者竖直安装的较高管件的损伤检测工作等。其可以实现相应操作的辅助设备的安装以及有效降低人员安全事故的发生，提高工作效率。

目前爬杆机器人的研究主要采用轮式、履带式和臂式的机构方式，其中轮式结构的爬杆机器人采用电机驱动摩擦轮实现攀爬，移动速度较快且运动平稳，控制简单易于实现，但是不适用需要越障的爬杆工况；履带式结构类似轮式，其运行更加平稳，但是体积较大、受到目标杆大小的限制且越障较难实现；臂式结构采用驱动机械臂交替夹紧和松开实现攀爬，具有更大的夹紧力，故具有更大的负载能力，且具有越障的功能，但其控制实现复杂且移动速度受到限制。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有的爬杆机器人在移动速度和越障功能之间不能够兼顾的问题，提供一种新型的越障爬杆机器人。

本发明采用如下技术方案实现：

越障爬杆机器人，包括抱住目标杆的固定基座1以及驱动固定基座1沿目标杆上升和下降的风机组件15；

所述固定基座1上围绕目标杆的圆周方向设有若干组越障轮组件，其中至少一组越障轮组件通过主动驱动装置向目标杆主动压紧，其余的越障轮组件通过弹性连接件与目标杆被动压紧。

进一步的，所述越障轮组件包括越障轮中心轴405以及转动装配在越障轮中心轴405上的两组平行连板403，所述连板403之间通过若干组转动装配的U型轮401连成一体，所述U型轮401以越障轮中心轴405的轴线为中心分布在同一圆周轨迹上。

进一步的，所述U型轮401通过单向轴承402与连板403之间单向转动装配，所述连板403通过第一轴承404与越障轮中心轴405之间自由转动装配。

进一步的，所述越障轮组件中的U型轮401为三组，三组U型轮401之间呈等边三角形布置，形成三角越障轮组件。

在本发明的越障爬杆机器人中，所述主动驱动装置包括伸缩杆11以及驱动伸缩杆11的伸缩电机19，所述伸缩杆11与目标杆垂直相交并导向装配在固定基座1上，其一端与越障轮组件之间固定连接，另一端与固定安装于固定基座上的伸缩电机19通过齿轮齿条机构连接，通过伸缩电机19驱动伸缩杆11实现相对固定基座的直线伸缩运动。

进一步的，所述伸缩杆11端部固定设置有安装越障轮组件的支架601，所述越障轮组件的越障轮中心轴两端滑动装配在支架601上，并与支架601之间设置缓冲弹簧605。

进一步的，被动压紧的所述越障轮组件安装在摆杆上，摆杆上的越障轮组件上还设置有控制越障轮组件的连板锁止和翻转的电磁制动器20，所述摆杆与目标杆之间垂直空间交错并摆动铰接在固定基座1之间，并在摆杆和固定基座1之间设置弹簧将摆杆上的越障轮组件压紧在目标杆上。

进一步的，所述固定基座1为具有缺口的C型圆环结构，所述越障轮组件均匀分布于固定基座1的内环。

进一步的，所述风机组件15为涵道风机，所述涵道风机均匀连接在固定基座1的外环。

进一步的，所述固定基座1顶部通过多自由度云台10设置执行装置16。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用涵道风机组件推进作为爬杆机器人的驱动动力，多个涵道风机固定均布于C形开口的固定基座外圈，涵道风机产生向上的驱动力克服机构的重力和越障轮组件夹紧导向产生的摩擦力，实现机器人整体向上攀爬。本发明在攀爬时避免了轮式机构攀爬时须要夹紧机构产生的摩擦力要大于机构重力的情况，此时夹紧机构主要是起到导向作用，可实现快速平稳爬杆且控制易于实现。

2、本发明通过U型轮构成的越障轮组件，本身可以作为爬杆机器人相对目标杆的导向轮，多个U型轮协作同时可以对目标杆上出现的障碍物实现一定障碍翻越。同时三角轮的前端设计的摆杆和伸缩杆，可有效增大越障轮组件之间的空间，以适应对一定直径范围的目标杆的导向和夹紧，使本发明具有快速攀爬和越障两方面的优点。

3、本发明的伸缩杆由伸缩电机实现伸缩，伸缩杆的伸缩移动通过越障轮组件主动作用于目标杆上，带动其他越障轮组件的摆杆被动摆动，摆杆受弹簧反作用力，杆末端的三角轮可实现对目标杆的夹紧与松开，当需要机器人在目标杆上停止进行相应操作任务时，伸缩杆利用伸缩驱动电机自锁及摆杆弹簧的压紧力实现整个机器人对目标杆的夹紧，然后利用越障轮组件的U型轮的单向轴承和电磁制动器实现机器人相对目标杆的锁止定位。

4、本发明的越障轮组件利用设计的摆杆和伸缩杆运动，结合对应的弹簧和缓冲弹簧，实现对目标杆进行夹紧或松开，能满足夹紧条件的同时对伸缩杆传动机构起到缓冲保护作用，提高机器人的使用寿命。

由上所述，本发明的越障爬杆机器人在攀爬时使用涵道风力推进，速度较快，同时U型轮构成的越障轮组件具有跨越一定障碍的能力，且通过摆杆和伸缩杆的配合可实现一定直径范围的目标杆的快速攀爬和锁止定位。

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为实施例中的越障爬杆机器人的整体示意图。

图2为实施例中的越障爬杆机器人的俯视图，为了更加清楚地表示机器人对目标杆的作用，图中隐去了执行装置的部分。

图3为图2中的越障爬杆机器人的仰视图。

图4为实施例中的固定基座结构示意图。

图5为实施例中的风机连接壳体结构示意图。

图6为实施例中的摆杆和越障轮组件结构示意图。

图7为实施例中的伸缩杆和越障轮组件结构示意图。

图中标号：1-固定基座，2-第一摆杆，3-第二摆杆，4-第一越障轮组件，5-第二越障轮组件，6-第三越障轮组件，7-目标杆，8-云台连接板，9-云台底板，10-多自由度云台，11-伸缩杆，12-第一弹簧，13-第二弹簧，14-风机连接壳体，15-风机组件，16-执行装置，17-齿条，18-齿轮，19-伸缩电机，20-电磁制动器401-U型轮，402-单向轴承，403-连板，404-第一轴承，405-越障轮中心轴，601-支架，602-越障轮中心轴，603-螺母，605-缓冲弹簧，606-弹簧预紧调节螺钉。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的越障爬杆机器人为本发明的一种优选方案，具体包括固定基座1、第一摆杆2、第二摆杆3、第一越障轮组件4、第二越障轮组件5、第三越障轮组件6、云台连接板8、云台底板9、多自由度云台10、伸缩杆11、风机组件15和执行装置16。固定基座1为爬杆机器人的本体，第一越障轮组件4、第二越障轮组件5和第三越障轮组件6分别通过第一摆杆2、第二摆杆3和伸缩杆11设置在固定基座1上，对攀爬的目标杆进行导向和夹紧，同时实现对目标杆上的障碍进行翻越，风机组件15连接设置在固定基座1上，提供爬杆机器人沿目标杆上升和下降的驱动力，执行装置16通过多自由度云台10固定在固定基座1上，通过爬杆机器人爬升定位到目标杆的固定位置后进行高空作业。

结合参见图2和图3，本实施例在固定基座1上设置三组越障轮组件实现对目标杆的导向和夹紧，其中第一越障轮组件4和第二越障轮组件5分别通过第一摆杆2和第二摆杆3连接在固定基座1上，第一摆杆2和第二摆杆3分别通过销轴铰接设置在固定基座1的安装槽位中，第一摆杆2和第二摆杆3能够自由摆动，通过第一摆杆2和第二摆杆3的摆动调整分别将第一越障轮组件4和第二越障轮组件5与目标杆7接触。同时在第一摆杆2和第二摆杆3与固定基座1之间分别设置有第一弹簧12和第二弹簧13设置，通过第一弹簧12和第二弹簧13的弹力，施加第一摆杆2和第二摆杆3均向目标杆7摆动的趋势，将第一越障轮组件4和第二越障轮组件5压紧在目标杆上，保持第一越障轮组件4和第二越障轮组件5上的滚轮始终与目标杆保持压紧接触。

第一越障轮组件4和第二越障轮组件5是通过弹簧的弹力保持被动压紧在目标杆7上，为了实现爬杆机器人对目标杆的夹紧和放松的控制，本实施例将第三越障轮组件6设置为主动控制，通过主动驱动装置驱动第三越障轮组件6相对目标杆的主动运动。

具体的，本实施例将第三越障轮组件6与一伸缩杆11连接，通过伸缩杆11连接在固定基座1上，本实施例中的伸缩杆11的“伸缩”是指相对于固定基座1伸出和收回。在伸缩杆11上通过燕尾槽导轨导向穿过固定基座1，可相对于固定基座的中心轴线垂直运动，燕尾槽配合的导轨能够防止伸缩杆11发生自转。伸缩杆11靠近固定基座1内圈的一端与第三越障轮组件6固定连接，另外一端则与固定安装于固定基座1上的伸缩电机19传动连接，通过伸缩电机19驱动伸缩杆11。伸缩电机19的电机轴连接齿轮18，齿轮18与设置在伸缩杆11上的齿条17啮合，利用齿轮齿条机构将电机的旋转运动转换为伸缩杆的直线运动，进而实现伸缩杆11相对固定基座1的直线伸缩运动，以达到控制第三越障轮组件6向目标杆压紧和松开的主动控制。

在爬杆机器人实际应用过程中，通过控制第三越障轮组件6向目标杆压紧，可以进一步实现对第一越障轮组件4和第二越障轮组件5随第一摆杆2和第二摆杆3摆动，然后带动第一弹簧12和第二弹簧13变形，使得三组越障轮组件均能够压紧在目标杆上，保证爬杆机器人在攀爬目标杆过程中的导向可靠性；相反，通过控制第三越障轮组件6向目标杆远离松开，第一越障轮组件4和第二越障轮组件5在弹簧的弹力作用下回摆，最终使得三个越障轮组件均与目标杆松开，便于将爬杆机器人从目标杆上取下。

为了保持爬杆机器人的越障轮组件对目标杆的夹持均匀性，应当尽量保证三组越障轮组件均匀地分布在目标组件的周边。在实际应用中，也可根据固定基座的大小设置不同数量的越障轮组件，不过必须要保证至少有一组越障轮组件通过伸缩杆主动控制。

如图4和图5所示，本实施例的固定基座1采用一个具有缺口的C型圆环结构，其缺口结构用于横向将目标杆通过，再调整可摆动的越障轮组件将目标杆置于整个固定基座1的中心位置。在固定基座1的圆环实体结构上设置有对应安装第一摆杆2和第二摆杆3的对应槽位，以及设置有对应安装伸缩杆11的燕尾槽导向孔，所有的越障轮组件均通过摆杆或伸缩杆分布于固定基座1的内环。在固定基座1的外环上固定连接设置三组风机组件15。风机组件15集成设置在一体成型的风机连接壳体14上，风机连接壳体14具有与固定基座1相同的C型主体，并在扣合主体上设有对应摆杆槽位以及伸缩杆导向孔的槽口，以及固定伸缩电机的安装板，风机连接壳体14与固定基座1重叠扣合固定后，将安装好的摆杆和伸缩电机固定。本实施例中的风机组件15采用涵道风机，即在风机叶轮的外周设置一圈涵道，涵道风机的涵道与风机连接壳体14的C型主体一体成型，并且均匀分布在风机连接壳体14的外圈，风机采用锂电池供电，锂电池可集成设置在固定基座1上，风机的叶轮与涵道内壁的缝隙在不发生干涉的前提下，尽可能的小，这样能够提供更加强劲的升力。风机组件15的控制可参考现有多旋翼无人机的控制方式，本实施例在此不做赘述。

再次参见图1，本实施例的固定基座1的实体结构顶部固定设置云台连接板8，在云台连接板8上设置多自由度云台10的云台底板9，利用多自由度云台10设置需要进行高空作业的执行装置16，通过多自由度云台10可满足检测装置的多自由度移动，以完成对杆或者管件的损伤检测任务。多自由度云台10属于常见的云台结构，执行装置16包括但不限于探伤、拍摄等设备，根据不同的操作任务进行选择搭放，本实施例在此不进行一一赘述。

以上部分说明了爬杆机器人在风机组件15的驱动下，利用越障轮组件实现沿目标杆导向攀爬方式，以下结合图6和图7详细说明越障轮组件实现障碍翻越的具体方式。

第一摆杆2和第二摆杆3以及第一越障轮组件4和第二越障轮组件5的结构相同，以下以第一摆杆2和第一越障轮组件4为例来进行说明。如图6所示，第一越障轮组件4安装在第一摆杆2的端部，第一越障轮组件4包括U型轮401、单向轴承402、连板403、第一轴承404和越障轮中心轴405，越障轮中心轴405固定在第一摆杆2的端部，两组平行的连板403通过第一轴承404转动装配在越障轮中心轴405上，连板403之间通过三组U型轮401连成一体，并且U型轮401相对于越障轮中心轴405平行设置，三组U型轮401之间呈等边三角形布置，形成三角越障轮组件。第一摆杆2的轴线方向与目标杆7的轴线方向在空间垂直交错，第一越障轮组件4的越障轮中心轴405以及U型轮401的轴线沿摆杆的轴线方向设置，通过摆动力矩将第一越障轮组件4压紧在目标杆7上，保证总有两组U型轮401的U型槽与目标杆的外表面圆柱导向接触，在第一越障轮组件4上升过程中遇到目标杆7上的障碍时，通过连板403的转动，能够将转动第一越障轮组件4将U型轮翻转越过障碍继续保持对目标杆的导向接触。

同时，为了避免爬杆机器人在定位锁止过程中，因为U型轮的转动或越障轮组件翻转而向下溜滑，本实施例将U型轮401与连板403之间通过单向轴承402单向转动装配，单向轴承402在装配过程中，应当注意使越障轮组件在机器人上升爬杆过程中能够自由转动，而在反向可以保持锁止；同时还在摆杆上的越障轮组件设置有电磁制动器20，电磁制动器20安装在越障轮中心轴405和连板403之间，电磁制动器20在机器人爬升过程中保持通电状态，此时不影响连板403和越障轮中心轴405的自由转动装配关系，越障轮组件处于正常的工作状态，能够进行翻转越障，当机器人攀爬到位需要锁止时，控制电磁制动器20失电制动，此时将连板403和越障轮中心轴405之间锁止，可防止越障轮组件整体翻转。这样通过单向轴承402的单向锁止功能以及电磁制动器20的电磁制动功能就能够实现越障轮组件相对目标杆的夹紧锁止定位。

电磁制动器20可利用风机组件15的电源进行供电，并且可与风机组件共用通信通道，实现对电磁制动器20通电和断电的遥控控制。有关电路通电和断电的遥控控制方式为常见的电气控制技术，本实施例在此不做赘述。

第二越障轮组件5的结构与第一越障轮组件4相同，本实施例在此不重复赘述。越障轮组件的U型轮可根据尺寸大小设置不同数量，但是应当要保证同一越障轮组件中的所有U型轮401以越障轮中心轴的转轴为中心分布在同一圆周轨迹上。

结合参见图7，第三越障轮组件6安装在伸缩杆11的端部，第三越障轮组件6的结构构成与第一越障轮组件4相同，不同的是，第三越障轮组件6通过一个支架601连接设置在伸缩杆11的端部，伸缩杆11的轴线方向与目标杆7的轴线方向在同一平面内垂直相交设置，第三越障轮组件6的越障轮中心轴602的轴线以及对应U型轮的轴线垂直于伸缩杆11的轴线设置，通过伸缩杆11相对固定基座1的伸缩直线运动将第三越障轮组件6主动压紧到目标杆7上。

支架601为一个U型支架，伸缩杆11的端部固定连接在支架601的底板上，并通过螺母603轴向锁定。在支架601的侧板上设置有沿伸缩杆11轴向的滑槽，第三越障轮组件6的越障轮中心轴602两端分别滑动安装在支架601的滑槽内，保证第三越障轮组件6自由转动的同时，能够在滑槽内滑动。同时在滑槽内设置缓冲弹簧605，缓冲弹簧605连接在第三越障轮组件6的越障轮中心轴602和支架601之间，能够在伸缩杆11向目标杆移动至夹紧目标杆时提供缓冲。在支架601的前端上还设有弹簧预紧调节螺钉606，弹簧预紧调节螺钉606一端伸入到支架601的滑槽内，通过调节伸入滑槽内的部分，可将缓冲弹簧605进一步压缩或放松，以达到调整缓冲弹簧的目的。

伸缩杆11驱动通过设置在固定基座1上的伸缩电机实现，该伸缩电机采用带遥控模块的伺服电机，当爬杆机器人爬升到一定高度后，通过地面的遥控器实现对伸缩电机的启动控制。有关电机的遥控技术为常见的无线电通信控制技术，本实施例在此不对其原理和工作方式进行赘述。

以下详细说明本实施例的爬杆机器人在进行爬杆时的工作步骤。

(1)通过移动设备移动机器人，使得目标杆7从固定基座1的开口端进入，此时可通过调整伸缩杆的伸缩和摆杆的摆动适应一定范围的杆直径；

(2)将目标杆7相对位于固定基座1内部三组越障轮组件的中间，伸缩杆11由伸缩电机驱动，伸缩杆11的伸缩移动作用于目标杆7上，带动其余两组摆杆摆动，摆杆受弹簧反作用力，三根杆末端的越障轮组件可实现对目标杆7的一定程度的夹紧，此时夹紧力不大，只起到导向作用；

(3)启动风机组件15，提供攀爬上升的驱动力，此时越障轮组件上的U型轮沿目标杆滚动，实现攀爬移动；

(4)当遇到目标杆上一定高度的障碍物时，越障轮组件前端的U型轮受阻，在爬升驱动力不间断的情况下，越障轮组件的接触目标杆的U型轮实现翻转，越过障碍物；

(5)达到目标杆7上的目标点时，进一步控制伸缩电机驱动伸缩杆11向目标杆7移动，实现对目标杆的进一步夹紧，利用伺服电机的自锁功能实现夹紧自锁，同时利用越障轮组件的U型轮与目标杆7之间的摩擦以及单向轴承402和电磁制动器20制动实现机构在目标杆任意位置上的停留，此时风机组件15可停止工作；

(6)控制多自由度云台10及执行装置16在需要停留的位置上完成相应的操作任务后，风机组件启动，控制伸缩电机驱动伸缩杆11移动逐渐松开目标杆7，利用风机组件的升力和越障轮组件的U型轮与目标杆的导向配合，实现爬杆机器人沿目标杆的慢速滑降。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.越障爬杆机器人，其特征在于：包括抱住目标杆的固定基座(1)以及驱动固定基座(1)沿目标杆上升和下降的风机组件(15)；

所述固定基座(1)上围绕目标杆的圆周方向设有若干组越障轮组件，其中至少一组越障轮组件通过主动驱动装置向目标杆主动压紧，其余的越障轮组件通过弹性连接件与目标杆被动压紧；

所述主动驱动装置包括伸缩杆(11)以及驱动伸缩杆(11)的伸缩电机(19)，所述伸缩杆(11)与目标杆垂直相交并导向装配在固定基座(1)上，其一端与越障轮组件之间固定连接，另一端与固定安装于固定基座上的伸缩电机(19)通过齿轮齿条机构连接，所述伸缩电机(19)驱动伸缩杆(11)相对固定基座直线伸缩运动将对应越障轮组件向目标杆主动压紧。

2.根据权利要求1所述的越障爬杆机器人，所述越障轮组件包括越障轮中心轴(405)以及转动装配在越障轮中心轴(405)上的两组平行连板(403)，所述连板(403)之间通过若干组转动装配的U型轮(401)连成一体，所述U型轮(401)以越障轮中心轴(405)的轴线为中心分布在同一圆周轨迹上。

3.根据权利要求2所述的越障爬杆机器人，所述U型轮(401)通过单向轴承(402)与连板(403)之间单向转动装配，所述连板(403)通过第一轴承(404)与越障轮中心轴(405)之间自由转动装配。

4.根据权利要求2或3所述的越障爬杆机器人，所述越障轮组件中的U型轮(401)为三组，三组U型轮(401)之间呈等边三角形布置，形成三角越障轮组件。

5.根据权利要求2所述的越障爬杆机器人，所述伸缩杆(11)端部固定设置有安装越障轮组件的支架(601)，所述越障轮组件的越障轮中心轴两端滑动装配在支架(601)上，并与支架(601)之间设置缓冲弹簧(605)。

6.根据权利要求1所述的越障爬杆机器人，被动压紧的所述越障轮组件安装在摆杆上，摆杆上的越障轮组件上还设置有控制越障轮组件的连板锁止和翻转的电磁制动器(20)，所述摆杆与目标杆之间垂直空间交错并摆动铰接在固定基座(1)之间，并在摆杆和固定基座(1)之间设置弹簧将摆杆上的越障轮组件压紧在目标杆上。

7.根据权利要求1所述的越障爬杆机器人，所述固定基座(1)为具有缺口的C型圆环结构，所述越障轮组件均匀分布于固定基座(1)的内环。

8.根据权利要求7所述的越障爬杆机器人，所述风机组件(15)为涵道风机，所述涵道风机均匀连接在固定基座(1)的外环。

9.根据权利要求8所述的越障爬杆机器人，所述固定基座(1)顶部通过多自由度云台(10)设置执行装置(16)。

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