CN108909867B - 一种攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种攀爬机器人，涉及机器人技术领域，其包括铰接的第一攀爬臂和第二攀爬臂，第一攀爬臂和第二攀爬臂的端部均通过蜗轮蜗杆机构转动连接有攀爬爪部组件，攀爬爪部组件包括抓取部和吸附部；第一攀爬臂和第二攀爬臂的中部通过丝杆机构连接，第一攀爬臂上固定连接有挂钩机械臂，挂钩机械臂的端部可控吸附有安全挂钩。解决了现有技术中攀爬机器人攀爬稳定性差、控制难度大的问题。

Description

一种攀爬机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种攀爬机器人。

背景技术

高压电力铁塔普遍存在于复杂的地形环境中，其检修难度大且危险性高。针对目前国内外日益突出的电网维护现状，提出一种能够代替人工用于铁塔检测的攀爬机器人，从而节省劳动力和确保工人的人身安全。

常见的攀爬类机器人有“足式机器人”、“轮式机器人”和“蛇形机器人”。足式机器人采用足式攀爬结构，可以在攀爬表面灵活变向和跨越障碍，但是足式机器人控制复杂，移动速度较慢。轮式攀爬机器人靠着轮子和壁面之间的摩擦力产生前进的动力，行驶速度快，移动灵活，其运动方式采用负压吸附，运动速度高，易于控制，但是它与塔面的接触面积较小，并且机器人在运动过程中需要承载的重量较大，这样一来就使得轮式机器人很难维持稳定攀爬的状态，并且对于越障也十分不利。蛇形机器人采用的“粘附式”运动完成障碍的跨越，具有运动稳定性好、适应地形能力强和牵引力大等特点，但其自由度多，控制困难且速度低。

发明内容

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种攀爬机器人，解决了现有技术中攀爬机器人攀爬稳定性差、控制难度大的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

提供一种攀爬机器人，其包括铰接的第一攀爬臂和第二攀爬臂，第一攀爬臂和第二攀爬臂的端部均通过蜗轮蜗杆机构转动连接有攀爬爪部组件，攀爬爪部组件包括抓取部和吸附部；第一攀爬臂和第二攀爬臂的中部通过丝杆机构连接，第一攀爬臂上固定连接有挂钩机械臂，挂钩机械臂的端部可控吸附有安全挂钩。

进一步地，第一攀爬臂和第二攀爬臂均通过两块间隔固定的侧板构成，侧板上间隔设置有若干贯穿其厚度的直槽孔。攀爬臂采用板式结构，便于连接和安装其他功能模块；直槽孔在保持侧板刚度的同时降低了侧板的重量，利于攀爬机器人的攀爬，节省了驱动能量。

进一步地，丝杆机构包括转动连接于第一攀爬臂上的丝杆电机、同轴连接于丝杆电机输出轴上的丝杆以及转动连接于第二攀爬臂上的丝杆螺母。通过控制丝杆电机的正转和反转来驱动丝杆相对于丝杆螺母的转动方向，从而控制第一攀爬臂相对第二攀爬臂的开合，从而驱动本攀爬机器人向上移动。采用丝杆机构驱动攀爬机器人向上移动具有易于控制、转动角度范围大、更轻便的特点。

进一步地，丝杆电机固定于丝杆电机支架上，丝杆电机支架通过轴承转动套装于丝杆转轴上，丝杆转轴的两端通过轴承转动固定于第一攀爬臂的两块侧板上。通过轴承能够有效防止转动件沿轴向的窜动，并且能够降低转动摩擦力。通过转动连接来保证在第一攀爬臂和第二攀爬臂相对角度变化时，丝杆机构作用在第一攀爬臂和第二攀爬臂上的力始终是垂直的，以保证作用力的功能最大化，保证攀爬机器人攀爬过程的稳定性。

进一步地，蜗轮蜗杆机构包括蜗杆、带动蜗杆转动的蜗杆电机以及与蜗杆啮合的蜗轮，蜗轮固定安装于攀爬臂上，蜗杆电机固定于攀爬爪部组件上。蜗杆电机驱动蜗杆转动，蜗杆绕着蜗轮旋转，从而带动与蜗杆连为一体的攀爬爪部组件呈一定角度的旋转，从而控制攀爬爪部组件的抓取和吸附。

进一步地，蜗轮固定套装于蜗轮轴上，蜗轮轴两端固定于攀爬臂的两块侧板上，蜗轮的两侧设置有卡簧。卡簧将蜗轮限定于攀爬臂两块侧板的中部，利于保证攀爬机器人在攀爬过程中的平衡。

进一步地，抓取部包括机械爪和驱动机械爪打开或抱合的驱动机构；吸附部为可调节连接于机械爪上。吸附部在机械爪上的位置具有可调节性，可根据实际情况灵活调整吸附部相对于机械爪的位置，以增加本机器人的适用性。

进一步地，机械爪的前端设置有钩部。钩部可增加机械爪的抓取牢固性，可提前固定机械爪的位置，使吸附部能够快速发挥作用，防止因机械爪抓取失效导致机器人掉落。

进一步地，挂钩机械臂为三自由度串联机械臂。具有X、Y、Z三个自由度的机械臂可以灵活、准确地将挂钩挂在指定位置处，增加了本机器人的可靠性。

进一步地，安全挂钩包括具有U型锁口的挂钩外壳，锁口处设有与其配合的锁销，锁销位于外壳内的一端设置有电磁铁。通过控制电磁铁的通断电来控制是否对锁销进行吸附，从而控制锁销对锁口的开合和封闭，实现自动控制安全挂钩的摘取，简单高效。

本发明的有益效果为：本攀爬机器人能够携带安全绳上的安全挂钩爬到高处并将安全挂钩悬挂到指定位置，避免了人工悬挂安全绳的危险性，并且作业时间减少，提高了工作效率。本攀爬机器人采用“蠕虫式”结构，驱动平稳，并且由于结构对称，便于维护更换零部件，且折叠后体积小，易于搬运。

攀爬爪部组件采用机械抓取为主，吸附为辅，攀爬过程更加稳定可靠，环境适应力更强；连接攀爬爪部组件与攀爬臂的腕部结构采用蜗轮蜗杆机构，既为腕部增加了扭矩，又因为蜗轮蜗杆传动的自身特性而实现反向自锁，避免了反向转动损坏电机和造成安全事故，从而增加了本机器人的工作可靠性和安全性。

附图说明

图1为攀爬机器人的正视图。

图2为攀爬机器人的轴测图。

其中，1、第一攀爬臂；11、直槽孔；2、第二攀爬臂；3、攀爬爪部组件；31、抓取部；311、机械爪；3111、钩部；312、驱动机构；32、吸附部；4、蜗轮蜗杆机构；41、蜗杆；42、蜗杆电机；43、蜗轮；44、蜗轮轴；5、挂钩机械臂；51、第一臂节；52、第二臂节；53、第三臂节；6、丝杆机构；61、丝杆电机；62、丝杆；63、丝杆螺母；64、丝杆电机支架；65、丝杆转轴；7、安全挂钩；71、挂钩外壳；72、锁销。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1、图2所示，该攀爬机器人包括铰接的第一攀爬臂1和第二攀爬臂2，第一攀爬臂1和第二攀爬臂2均通过两块间隔固定的侧板构成，板材上间隔设置有若干贯穿其厚度的直槽孔11。第二攀爬臂2的两块侧板位于第一攀爬臂1的两块侧板之间，在第一攀爬臂1和第二攀爬臂2的相交处通过枢轴转动连接。

在第一攀爬臂1和第二攀爬臂2的自由端通过轴承固定有蜗轮轴44，蜗轮轴44的中部通过键连接固定有蜗轮43，蜗轮43的两侧通过卡簧限位。蜗轮43的外侧啮合有蜗杆41，蜗杆41同轴连接在蜗杆电机42的输出轴上，蜗杆电机42通过蜗杆电机支架被固定于攀爬爪部组件3上。蜗杆电机42为直流无刷电机，蜗杆电机42驱动蜗杆41转动，由于蜗轮43固定，蜗杆41绕着蜗轮43的轴心旋转，从而改变与蜗杆41连为一体的机械爪311转动。

第一攀爬臂1和第二攀爬臂2的中部均通过轴承固定有一根转轴，第一攀爬臂1上的转轴上通过套装有深沟球轴承连接有丝杆电机支架，丝杆电机61固定于丝杆电机支架上，丝杆62穿过丝杆电机支架同轴连接于丝杆电机61的输出轴上。第二攀爬臂2的转轴上一体加工有丝杠螺母63，丝杠螺母63上设置有贯穿其厚度的螺纹孔，螺纹孔内壁的螺纹与丝杆62的螺纹对应，该螺纹为梯形螺纹。丝杠螺母63套装在丝杆62上。丝杆电机61驱动丝杆62转动，由于丝杆62固定，丝杆螺母63会沿着丝杆移动，随着丝杆电机61的正转和反转，丝杆螺母63沿丝杆62上下移动，从而带动第一攀爬臂1和第二攀爬臂2的张合，实现攀爬机器人向上攀登。

丝杆电机61为57直线丝杠电机，通过该种电机作为丝杆机构6的驱动源，相比传动的力矩电机，增大了力臂，降低了电机工作负载，且具有自锁功能。可以将丝杆电机61设置在第一攀爬臂1两侧板的中部，丝杆电机支架的两端通过轴套来限位，降低了控制难度，且增加了本机器人的运动稳定性。

攀爬爪部组件3包括抓取部31和吸附部32，抓取部31包括机械爪311和驱动机械爪311打开或抱合的驱动机构312。机械爪311的结构类似于人类的手指，在关节处通过转动连接，在每个“指节”上通过转动连接的连杆与驱动机构312连接，在“指尖”处固定设置有钩部3111，钩部3111用于在攀爬过程中勾住电力铁塔的脚钉，固定机械爪311的位置，使吸附部32发挥作用。上文所述的“转动连接”可以采用枢轴和轴孔配合的方式，也可采用其他能够实现转动连接的现有技术中常用的方式。

驱动机构312包括驱动电机，驱动电机驱动齿轮转动，齿轮带动齿条作直线往复运动，齿条连接于“指节”上，通过控制驱动电机的转速和转动方向即可控制“指节”的运动，从而控制机械爪311的打开或抱合。驱动机构312也可采用其他现有技术中将转动转化为直线往复运动的机构。

吸附部32包括电磁铁，固定电磁铁的电磁铁固定架，以及将固定架安装在抓取部上的调节支架。电磁铁固定架的截面呈L型，在两个相互垂直的内侧面上固定两块电磁铁，使电磁铁可以紧紧吸附在电力铁塔的角钢棱面上。调节支架上设置有多排固定电磁铁固定架的安装孔，可一定范围内调整电磁铁固定架的安装位置，从而调整电磁铁的吸附位置。

第一攀爬臂1上固定连接有挂钩机械臂5，挂钩机械臂5的端部可控吸附有安全挂钩7。挂钩机械臂5为三自由度串联机械臂。在挂钩机械臂5的底部有一与第一攀爬臂1连接的底板，在底板中部的通孔中安装有一个推力球轴承，挂钩机械臂5的第一臂节51穿过推力球轴承并与安装在底板上的第一减速电机同轴连接，第一减速电机控制驱动整个挂钩机械臂5的旋转。

在第一臂节51远离底板的一端依次通过U型材依次枢轴连接有第二臂节52和第三臂节53。在第二臂节52与第一臂节51的枢轴连接处设置第二减速电机，第二减速电机安装于第一臂节51上，第二减速电机的输出轴连接于第二臂节52上，通过第二减速电机驱动第二臂节52绕其与第一臂节51连接处的枢轴旋转。第三臂节53与第二臂节52连接处设置有第三减速电机，第三减速电机的连接、驱动方式与第二减速电机相同，不再赘述。

在第三臂节53远离第二臂节52的一端连接有电磁铁，该电磁铁用于吸附安全挂钩7，可通过控制电磁铁的通断电来控制安全挂钩7的吸附和脱离，使得控制方式简单高效。

安全挂钩7包括具有U型锁口的挂钩外壳71，锁口处设有与其配合的锁销72，邻近锁销72位于外壳71内的一端设置有电磁铁。该电磁铁通电时吸附锁销72，使安全挂钩7的锁口打开；该电磁铁断电时，锁销72没有磁力吸附，在弹簧的作用下弹回封住锁口，使安全绳可靠地挂于安全位置。

Claims (8)

1.一种攀爬机器人，其特征在于，包括铰接的第一攀爬臂（1）和第二攀爬臂（2），所述第一攀爬臂（1）和第二攀爬臂（2）的端部均通过蜗轮蜗杆机构（4）转动连接有攀爬爪部组件（3），所述攀爬爪部组件（3）包括抓取部（31）和吸附部（32）；所述第一攀爬臂（1）和第二攀爬臂（2）的中部通过丝杆机构（6）连接，所述第一攀爬臂（1）上固定连接有挂钩机械臂（5），所述挂钩机械臂（5）的端部可控吸附有安全挂钩（7）；

所述丝杆机构（6）包括转动连接于第一攀爬臂（1）上的丝杆电机（61）、同轴连接于丝杆电机（61）输出轴上的丝杆（62）以及转动连接于第二攀爬臂（2）上的丝杆螺母（63）；

所述抓取部（31）包括机械爪（311）和驱动所述机械爪（311）打开或抱合的驱动机构（312）；所述吸附部（32）可调节连接于所述机械爪（311）上，且吸附部在机械爪上的位置具有可调节性。

2.根据权利要求1所述的攀爬机器人，其特征在于，所述第一攀爬臂（1）和第二攀爬臂（2）均通过两块间隔固定的侧板构成，所述侧板上间隔设置有若干贯穿其厚度的直槽孔（11）。

3.根据权利要求1所述的攀爬机器人，其特征在于，所述丝杆电机（61）固定于丝杆电机支架（64）上，所述丝杆电机支架（64）通过轴承转动套装于丝杆转轴（65）上，丝杆转轴（65）的两端通过轴承转动固定于所述第一攀爬臂（1）的两块侧板上。

4.根据权利要求2所述的攀爬机器人，其特征在于，所述蜗轮蜗杆机构（4）包括蜗杆（41）、带动蜗杆转动的蜗杆电机（42）以及与蜗杆啮合的蜗轮（43），所述蜗轮（43）固定安装于攀爬臂上，所述蜗杆电机（42）固定于攀爬爪部组件（3）上。

5.根据权利要求4所述的攀爬机器人，其特征在于，所述蜗轮（43）固定套装于蜗轮轴（44）上，所述蜗轮轴（44）两端固定于攀爬臂的两块侧板上，所述蜗轮（43）的两侧设置有卡簧。

6.根据权利要求1所述的攀爬机器人，其特征在于，所述机械爪（311）的前端设置有钩部（3111）。

7.根据权利要求1所述的攀爬机器人，其特征在于，所述挂钩机械臂（5）为三自由度串联机械臂。

8.根据权利要求1所述的攀爬机器人，其特征在于，所述安全挂钩（7）包括具有U型锁口的挂钩外壳（71），所述锁口处设有与其配合的锁销（72），所述锁销（72）位于所述外壳（71）内的一端设置有电磁铁。