CN108909865A - 无人机爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机爬杆机器人，包括抱住攀爬杆件的机器人箱体，所述机器人箱体上设有带动机器人箱体沿攀爬杆件上升和下降的旋翼组件，所述机器人箱体内部设有夹紧攀爬杆件的锁紧机构以及用于沿攀爬杆件升降的导向机构。本发明采用无人机的旋翼升降方式提供爬杆动力，能提供更快的爬杆速度，并且整体装置更为简单，通过U型摩擦轮构成的导向机构自动调节伸出距离从而在一定范围内适应攀爬杆件的杆径变化，通过对置的楔形锁紧块构成的锁紧机构，在重力作用下能够产生一定的自锁力。本发明为爬杆作业提供了一种新的解决方案，整个装置结构合理，操作简单，爬杆速度快，效率高，可以不依靠无人机在任意位置锁紧悬停固定。

Description

无人机爬杆机器人

技术领域

本发明属于移动机器人技术，具体涉及一种无人机爬杆机器人。

背景技术

爬杆机器人作为移动机器人领域的一个重要组成部分，其主要功能是可靠地携带相关设备、传感器等，克服重力的作用依附于管道、电线杆、路灯杆等高层杆件进行爬行，代替人工安全、高效、低成本地完成高空作业任务。

现有爬杆机器人的方式主要有滚动式、夹持式、仿生式、吸附式等方式，其中滚动式爬杆机器人靠摩擦轮与杆件之间的摩擦力作为驱动力，通过电机带动摩擦轮转动实现爬杆功能，在应对直管攀爬上，有较好的稳定性、定位相对精确，但是一般结构复杂，爬行效率不高。而夹持式、仿生式、吸附式等方式虽然在弯管、越障方面优于滚动式，但是就直管攀爬效率而言，这几种方式低于滚动式爬行，而且在仿生材料的研究和吸附装置的研究上还存在着一些问题，导致暂时不能进行相应的工业应用。

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存在的爬行效率不高的缺陷，提供一种新型的无人机爬杆机器人。

本发明采用如下技术方案实现：

无人机爬杆机器人，包括抱住攀爬杆件的机器人箱体5，所述机器人箱体5上设有带动机器人箱体5沿攀爬杆件上升和下降的旋翼组件1，所述机器人箱体5内部设有夹紧攀爬杆件的锁紧机构4。

进一步的，所述旋翼组件1通过连接杆件沿机器人箱体5的周向均匀分布。

进一步的，所述机器人箱体5的侧壁与攀爬杆件的外壁之间形成设置锁紧机构4的楔形空间，所述锁紧机构4包括至少两组对置的楔形锁紧块41；

所述楔形锁紧块41的内侧面为紧贴攀爬杆件外壁的弧面，外侧面为紧贴机器人箱体5内侧壁的斜面；

所述楔形锁紧块41与机器人箱体5底部分别通过同步动作的直线驱动组件42连接，通过直线驱动组件42驱动楔形锁紧块41涨紧在机器人箱体5和攀爬杆件之间的楔形空间。

进一步的，所述楔形锁紧块41上包裹有耐磨软胶。

进一步的，所述直线驱动组件42包括螺母421、套筒422、螺杆423以及驱动电机425，所述螺杆423旋转装配在组件支架上，并与安装在组件支架上的驱动电机425传动连接，所述螺母421螺接在螺杆423上，并通过非圆截面的螺帽周向定位嵌装在套筒422与楔形锁紧块41的一体结构内，通过螺杆和螺母的螺纹传动将驱动电机的旋转运动转换为楔形锁紧块的直线运动。

进一步的，所述直线驱动组件还包括弹簧424，所述套筒422通过弹簧424与组件支架弹性连接，所述螺母421上设置一段延伸结构与套筒422滑动装配，并在套筒422和楔形锁紧块41内设置一段供螺母421轴向滑动的连续孔道。

进一步的，所述直线驱动组件42的组件支架与机器人箱体5的底部铰接固定。

进一步的，所述机器人箱体5内还设有导向机构6，所述导向机构6包括至少两组对置的U型摩擦轮61，所述U型摩擦轮61通过调节弹簧62弹性连接在机器人箱体5内壁的定位槽52中，通过调节弹簧62将U型摩擦轮61上的U型轮槽滚动压紧在攀爬杆件上。

进一步的，所述机器人箱体5为分体式结构，分体式箱体的一侧边通过合页3转动拼接，另外一侧边通过可拆式锁紧件锁定；所述锁紧机构4和导向机构6均对半分布在分体式箱体上。

在本发明的无人机爬杆机器人中，所述机器人箱体5的顶部还设有承载平台8。

本发明相对现有技术具有如下有益效果：

1.采用无人机的旋翼升降方式提供爬杆动力，该方式相对于现有的电机驱动摩擦轮的驱动方式，能提供更快的爬杆速度，旋翼的驱动马达等结构都可以设置在机器人箱体外部，整体装置更为简单。

2.由一对U型摩擦轮构成的导向机构，通过与机器人箱体之间的调整弹簧，可以自动调节伸出距离从而在一定范围内适应杆径的变化。

3.由一对楔形锁紧块构成的锁紧机构，在重力作用下能够产生一定的自锁力，进一步在具有弹簧的直线驱动组件的作用下，会在机器人箱体内壁和杆件表面产生挤压，从而可以在攀爬到指定作业位置后，将整个爬杆机器人锁紧在攀爬杆件上。

由上所述，本发明提供的无人机爬杆机器人采用无人机的旋翼组件提供爬杆动力，速度快，效率高，加上锁紧机构可以不依靠无人机在任意位置锁紧悬停固定，整个装置结构合理，操作简单，为爬杆作业提供了一种新的解决方案。

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为实施例中的无人机爬杆机器人的整体示意图。

图2为实施例中的机器人箱体及内部导向机构的结构示意图。

图3为实施例中的机器人箱体及内部锁紧机构的结构示意图。

图4为实施例中的直线驱动组件的结构示意图。

图中标号。

1-旋翼组件；

2-攀爬杆件；

3-合页；

4-锁紧机构，41-楔形锁紧块，42-直线驱动组件；421-螺母，422-套筒，423-螺杆，424-弹簧，425-驱动电机，426-传动齿轮组，427-组件支架；

5-机器人箱体，51-铰支座，52-定位槽，53-连接座；

6-导向机构，61-U型摩擦轮，62-调节弹簧，63-限定螺钉；

7-蝶形螺母；

8-承载平台。

具体实施方式

实施例

参见图1，图示中的无人机爬杆机器人为本发明的优选方案，具体包括旋翼组件1、合页3、锁紧机构4、机器人箱体5、导向机构6、蝶形螺母7以及承载平台8。其中机器人箱体5在攀爬过程中环抱攀爬杆件2；机器人箱体5为了便于抱住攀爬杆件2和分离，通过合页3和蝶形螺母7设置成可打开和合围的分体结构；若干组旋翼组件1与机器人箱体5连接，提供机器人箱体5上升和下降的动力；在机器人箱体5的顶部或下方设置有用于搭载工作载体的承载平台8；设置在机器人箱体5内部的导向机构6保证机器人箱体沿攀爬杆件2上升和下降过程中的导向，并可在一定范围内自适应攀爬杆件的杆径变化；设置在机器人箱体5内部的锁紧机构4用于机器人攀爬到设定高度时的悬停锁定。

以上初步说明了图1中各部分部件或机构的作用，以下详细说明机器人的具体结构。

结合参见图2，机器人箱体5整体为圆锥台结构，上下两端面分别设有供攀爬杆件2贯穿的通孔，机器人箱体5内部设置安装锁紧机构4和导向机构6的空间。在机器人箱体5的外表面沿圆周方向均匀设置四组连接座53，四组旋翼组件1通过连接杆件固定在机器人箱体5上的连接座53内，四组旋翼组件1沿机器人箱体5的周向均匀分布，与机器人箱体5整体形成一个四旋翼无人机的飞行器，利用旋翼组件1的升力带动机器人箱体5沿攀爬组件2上升和下降。

旋翼组件1的结构和控制方案可参考现有无人机飞行器的技术方案，每个旋翼组件1外面可带防护圈，飞行器的控制模块设置在机器人箱体5的内部，在实际应用过程中还可根据机器人的尺寸大小以及承载重量涉及不同数量的旋翼组件，如六旋翼组件或八旋翼组件，根据不同数量的旋翼组件在机器人箱体5上增加不同数量的连接座53固定旋翼组件，本实施例在此不一一赘述。

整个机器人箱体5沿中轴平面分为两半，两半箱体的一侧边通过合页3拼接在一起，两半箱体的另外一侧边通过蝶形螺母7锁定，蝶形螺母7作为可拆卸的连接件，可将机器人箱体5固定连接成一个整体并抱住攀爬杆件2，也可将机器人箱体5拆开来用于机器人箱体5相对攀爬杆件的连接。锁紧机构4和导向机构6均采用的是对置的分布方式，分别对半分布在分体式箱体上。

如图2中所示，导向机构6包括U型摩擦轮61、调节弹簧62、限定螺钉63以及设置在机器人箱体5内壁的定位槽52。导向机构6采用两组对置的U型摩擦轮61，U型摩擦轮61分别对称分布在机器人箱体5的中轴线两侧，U型摩擦轮61具有U型轮槽，通过U型轮槽实现沿着攀爬杆件2导向。U型摩擦轮61的两端轴端通过支架安装到机器人箱体5内部的定位槽52内，调节弹簧62设置在定位槽52内部，将U型摩擦轮61始终向定位槽外侧挤压，提供U型摩擦轮61相对攀爬杆件2滚动的压紧力，并且还可在一定范围内自适应攀爬杆件2的杆径变化。U型摩擦轮61的轴端设有螺孔，限定螺钉63固定安装在U型摩擦轮61轴端的螺孔内，同时还在定位槽52上的导向槽内滑动，限定U型摩擦轮61的最大伸出距离，并且防止U型摩擦轮61从定位槽52内脱出，还可限定U型摩擦轮61适应攀爬杆件的杆径变化范围。

结合参见图3和图4，锁紧机构4包括楔形锁紧块41、直线驱动组件42以及设置在机器人箱体5内部的铰支座51，本实施例的锁紧机构4采用楔形涨紧的方式进行机器人攀爬过程中的悬停定位。机器人箱体5采用圆锥台结构，其侧壁与攀爬杆件2的外壁之间形成设置锁紧机构4的楔形空间，该楔形及空间上窄下宽，锁紧机构4在该楔形空间内设置的两组对置的楔形锁紧块41，楔形锁紧块41同样采用上窄下宽的结构，并且楔形锁紧块41的内侧面为紧贴攀爬杆件外壁的弧面，外侧面为紧贴机器人箱体5内侧壁的斜面。这样在机器人箱体5失去上升动力产生向下落的趋势时，楔形锁紧块41相对机器人箱体5具有向上的趋势，并通过楔形作用涨紧在机器人箱体5和攀爬杆件2之间的楔形空间内，利用楔面之间的涨紧摩擦实现机器人箱体5相对攀爬杆件2的锁定，将爬杆机器人自锁定位在攀爬杆件上。在楔形锁紧块41上包裹有耐磨软胶，提高楔形锁紧块41与机器人箱体5和攀爬杆件2之间的摩擦系数，提高在涨紧时的摩擦力，以保证锁紧整个攀爬机器人稳定可靠。

楔形锁紧块41与直线驱动组件42的顶部固定连接，并在直线驱动组件42的作用下与攀爬杆件2表面和机器人箱体5内侧面保持接触。

与导向机构相同，锁紧机构4采用两组对置的楔形锁紧块41同时抱紧攀爬杆件，两组楔形锁紧块41与机器人箱体5底部分别通过同步动作的直线驱动组件42连接，通过可控制的直线驱动组件42驱动楔形锁紧块41在机器人箱体5和攀爬杆件之间的楔形空间涨紧或分离，实现锁紧机构4定位机器人箱体的自动控制。

具体的，直线驱动组件42包括螺母421、套筒422、螺杆423、弹簧424以及驱动电机425，螺杆423通过轴承旋转装配在组件支架427上，只能够进行转动而不会轴向移动，螺杆423与安装在组件支架上的驱动电机425通过传动齿轮组426传动连接，驱动电机425通过传动齿轮组426带动螺杆423转动，螺母421螺接在螺杆423上，螺母421并通过其非圆截面的螺帽周向定位嵌装在套筒422上，楔形锁紧块41与套筒422一体固定连接，螺母421通过嵌装在楔形空间内的楔形锁紧块限定转动，通过螺杆和螺母的螺纹传动将驱动电机的旋转运动转换为楔形锁紧块41的直线运动，带动楔形锁紧块41对攀爬杆件进行抱紧或分离。

套筒422通过弹簧424与组件支架弹性连接，螺母421同轴设置一段延伸的光筒段，套筒422滑动套装在螺母421的该段结构上，并在套筒422和楔形锁紧块41内设置一段供螺母421轴向滑动的连续孔道，这样利用螺母421滑动的连续孔道，为弹簧424提供了一段自由伸缩控制楔形锁紧块41的空间。这样，套筒422外套弹簧424，内孔可以沿螺母421的延伸段外表面滑动，并且套筒422的内孔顶部开方形沉孔与螺母421的方形螺帽头部配合，使得螺杆423在旋转过程中，螺母421不会发生旋转运动，达到螺母421只有上下运动的目的。同样的，在楔形锁紧块41中也有方形孔和套筒424内孔顶部的方形孔对接，形成螺母421升降滑动的连续孔道。

直线驱动组件42与机器人箱体5的底部铰接固定。在机器人箱体5内部的底面上设置铰支座51，组件支架427的底部与铰支座51通过销轴铰接，直线驱动组件42可以根据楔形锁紧块41的位置绕铰支座51进行转动自适应调节，保证楔形锁紧块41在机器人箱体5内侧面和攀爬杆件2的外表面表面充分接触。

直线驱动组件42的驱动电机425具有无线通信模块，与无人机飞行器的旋翼组件1一样，可通过遥控器控制。

本实施例中的锁紧组件4中对置的楔形锁紧块41和导向机构6中的U型摩擦轮61可以根据攀爬杆件的直径大小设置多组，锁紧机构4与导向机构6在机器人箱体内壁交叉排列，可在杆件任意位置锁紧机器人。

本实施例中的爬杆机器人顶部承载平台8搭载的工作载体包括但不限于云台、各类传感器等各类工作载体。

以下详细说明本实施例的具体操作：

使用本实例的无人机爬杆机器人时，通过无线遥控器控制旋翼组件1和直线驱动组件42；实际工作时，人工将机器人环抱在杆件2上，通过蝶形螺母7锁紧机器人箱体，达到一个无人机飞行的初始状态。

通过无线遥控器发出指令，使旋翼组件1旋转，通过控制产生向上的升力，带动整个爬杆机器人在攀爬杆件2上快速运动；向上运动时，导向机构6的两个U型摩擦轮61提供导向作用，使飞行稳定可靠；锁紧机构4的楔形锁紧块41在向上运动过程中产生的摩擦力作用下，会压缩下面的弹簧装置，此时不会在机器人箱体内表面和杆件表面之间发生涨紧，从而不会锁紧机器人，保证了向上运动的可靠性。

如有必要，控制机器人向上爬杆运动时，可以给直线驱动组件42一个向下收缩的信号，驱动电机425旋转，通过传动齿轮组426带动螺杆423旋转，使与之配合的螺母421向下运动，带动套筒422向下压缩弹簧424，楔形锁紧块41与套筒422固定连接，从而楔形锁紧块41会被向下拉，保证机器人在向上运动的过程中不会受到楔形锁紧块41的影响。

当机器人到达指定位置需要悬停时，控制旋翼组件1停止工作，整个机器人在重力作用下会有一个向下掉的趋势，此时由于楔形锁紧块41有较大摩擦力的原因，会相对于机器人箱体5向上运动，涨紧在机器人箱体5内表面和杆件2表面之间的楔形空间内，从而将整个机器人锁紧在杆件上。

如有必要，悬停时可以给控制直线驱动组件42一个向上运动的信号，驱动电机425旋转，通过传动齿轮组426带动螺杆423旋转，使与之配合的螺母421向上运动，套筒422和楔形锁紧块41在弹簧的作用下也会被向上推，直到楔形锁紧块41在机器人箱体5的内侧面和杆件2表面之间涨紧卡紧，产生较大的摩擦力使得机器人得以悬停。

进一步如有必要，可以继续控制驱动电机425旋转，调节螺母421继续向上运动，通过螺母421的上表面直接推动楔形锁紧块41向上运动，增大与机器人箱体5内侧面和杆件2表面之间的涨紧压力，从而增大摩擦力，保证悬停可靠。

机器人向下运动时，需要控制无人机向下运动，同时将直线驱动组件42向下拉(直线驱动组件42的运动过程与无人机向上运动时下拉楔形锁紧块的运动过程类似)，保证楔形锁紧块41不会受涨紧而产生大的摩擦力，保证机器人在旋翼组件1的作用下顺利下降。

工作时，机器人箱体5顶部或底部可以搭建承载平台8，可以安装不同传感器或者其它装置进行高层杆件作业，适应不同的高空作业任务。

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 (10)

1.无人机爬杆机器人，其特征在于：包括抱住攀爬杆件的机器人箱体(5)，所述机器人箱体(5)上设有带动机器人箱体(5)沿攀爬杆件上升和下降的旋翼组件(1)，所述机器人箱体(5)内部设有夹紧攀爬杆件的锁紧机构(4)。

2.根据权利要求1所述的无人机爬杆机器人，所述旋翼组件(1)通过连接杆件沿机器人箱体(5)的周向均匀分布。

3.根据权利要求2所述的无人机爬杆机器人，所述机器人箱体(5)的侧壁与攀爬杆件的外壁之间形成设置锁紧机构(4)的楔形空间，所述锁紧机构(4)包括至少两组对置的楔形锁紧块(41)；

所述楔形锁紧块(41)的内侧面为紧贴攀爬杆件外壁的弧面，外侧面为紧贴机器人箱体(5)内侧壁的斜面；

所述楔形锁紧块(41)与机器人箱体(5)底部分别通过同步动作的直线驱动组件(42)连接，通过直线驱动组件(42)驱动楔形锁紧块(41)涨紧在机器人箱体(5)和攀爬杆件之间的楔形空间。

4.根据权利要求3所述的无人机爬杆机器人，所述楔形锁紧块(41)上包裹有耐磨软胶。

5.根据权利要求3所述的无人机爬杆机器人，所述直线驱动组件(42)包括螺母(421)、套筒(422)、螺杆(423)以及驱动电机(425)，所述螺杆(423)旋转装配在组件支架上，并与安装在组件支架上的驱动电机(425)传动连接，所述螺母(421)螺接在螺杆(423)上，并通过非圆截面的螺帽周向定位嵌装在套筒(422)与楔形锁紧块(41)的一体结构内，通过螺杆和螺母的螺纹传动将驱动电机的旋转运动转换为楔形锁紧块的直线运动。

6.根据权利要求5所述的无人机爬杆机器人，所述直线驱动组件还包括弹簧(424)，所述套筒(422)通过弹簧(424)与组件支架弹性连接，所述螺母(421)上设置一段延伸结构与套筒(422)滑动装配，并在套筒(422)和楔形锁紧块(41)内设置一段供螺母(421)轴向滑动的连续孔道。

7.根据权利要求3所述的无人机爬杆机器人，所述直线驱动组件(42)的组件支架与机器人箱体(5)的底部铰接固定。

8.根据权利要求2所述的无人机爬杆机器人，所述机器人箱体(5)内还设有导向机构(6)，所述导向机构(6)包括至少两组对置的U型摩擦轮(61)，所述U型摩擦轮(61)通过调节弹簧(62)弹性连接在机器人箱体(5)内壁的定位槽(52)中，通过调节弹簧(62)将U型摩擦轮(61)上的U型轮槽滚动压紧在攀爬杆件上。

9.根据权利要求7所述的无人机爬杆机器人，所述机器人箱体(5)为分体式结构，分体式箱体的一侧边通过合页(3)转动拼接，另外一侧边通过可拆式锁紧件锁定；所述锁紧机构(4)和导向机构(6)均对半分布在分体式箱体上。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的无人机爬杆机器人，所述机器人箱体(5)的顶部还设有承载平台(8)。