CN109250006A - 一种连杆式爬杆机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种连杆式爬杆机器人，包括夹持部分和机架爬升部分，所述夹持部分夹紧杆件并为机器人的上爬提供支点，所述机架爬升部位提供机器人上爬的动力；所述夹持部分包括上夹持部分和下夹持部分，所述上夹持部分和下夹持部分的结构完全一致，所述上夹持部分包括卡爪、卡爪连接支架、连杆、三角推板、底板、直线轴承固定板、直线轴承座、滑动导杆、夹持传动齿轮、夹持电机和夹持电机固定板，所述机架爬升部分包括滑动轴承座、滑动杆、机架板、下提升电机、下提升电机固定板、下提升齿轮、下提升齿条、上提升电机、上提升电机固定板、上提升齿轮和上提升齿条，本发明结构简单紧凑，生产成本低，可靠性高，具有很好的适应性和连续性。
Description
技术领域
本发明涉及移动机器人领域，更具体地说，尤其涉及一种连杆式爬杆机器人。
背景技术
爬杆机器人作为移动机器人领域一个重要组成部分，其主要功能是可靠地携带相关清洗与检修设备，克服重力的作用依附于管道、电线杆、路灯杆、大桥斜拉索和变电站避雷针等高层杆件进行爬行，代替人工安全、高效和低成本地完成清洗、维护和检测等相关任务。随着经济的迅猛发展以及城市现代化建设步伐的加快，随之矗立起来愈来愈多各类集实用性与美观于一体的市政、商业工程等高层建筑，对爬杆机构工作条件和适应性提出了更高的要求，此外，爬杆机器人的使用也大大降低了高层杆状建筑物的清洗和维护成本，改善了人工的劳动环境，提高了劳动生产率，将带来一次清洗和检修行业的革命，故新型爬杆机构的研制成为当前爬杆机器人研究的一个热点话题。
按照攀爬方式的不同，可将爬杆机器人可分为滚动式爬杆机器人、夹持式爬杆机器人、吸附式爬杆机器人和仿生式爬杆机器人等。但是目前已知的这些爬杆机器人都有着或多或少的缺陷，例如目前已经研制成功的滚动式爬杆机器人虽然能实现连续性运动，但是连续性差；夹持式爬杆机器人转弯或者越障时占用空间较大，同时抓手尺寸限制了机器人的适应性；吸附式爬杆机器人可适应杆件与壁面，但越障和负载能力差，无法承担相应的清洗和检修任务，仿生式爬杆机器人由于技术复杂导致研究成果仅限于试验验证。连杆式爬杆机构具有良好的连续性和力链传递特性被广泛应用于夹持式爬杆机器人中，但是仍然具有结构复杂、自由度多和控制方式复杂等问题，故连杆式爬杆机器人的设计还存在很大修改与优化的空间。
发明内容
本发明的目的在于针对现有爬杆机器人结构复杂、自由度多等问题，提供一种结构简单、可靠性好、自由度少、且爬杆适应性好的连杆式爬杆机器人。
本发明的技术方案是这样实现的：一种连杆式爬杆机器人，包括夹持部分和机架爬升部分，所述夹持部分夹紧杆件并为机器人的上爬提供支点，所述机架爬升部位提供机器人上爬的动力；
所述夹持部分包括上夹持部分和下夹持部分，所述上夹持部分和下夹持部分的结构完全一致，所述上夹持部分包括卡爪、卡爪连接支架、连杆、三角推板、底板、直线轴承固定板、直线轴承座、滑动导杆、夹持传动齿轮、夹持电机和夹持电机固定板，所述直线轴承座固定连接在竖直设置在直线轴承固定板上，直线轴承固定板上设置有通孔，滑动导杆穿过直线轴承座和直线轴承固定板上的通孔，滑动导杆的后端设置有轮齿；所述夹持电机固定板沿竖直方向设置且垂直安装在所述直线轴承固定板上，夹持电机固定在夹持电机固定板上，夹持传动齿轮安装在夹持电机的电机头上，夹持传动齿轮与滑动导杆后端的轮齿相啮合，夹持电机运动时，位于电机头上的夹持传动齿轮转动，通过夹持传动齿轮和滑动导杆后端轮齿的配合带动滑动导杆沿着直线轴承座水平滑动；所述底板水平安装在所述直线轴承固定板上，三角推板的一个顶点铰接在滑动导杆的的前端，三角推板的另外两个顶点分别与结构形状完全一致的两根连杆的一端铰接；所述卡爪设有左右对称的一对，每个卡爪固定安装在一根卡爪连接支架一端的内侧，两根卡爪连接支架的另一端分别向内外两侧凸起，两根卡爪连接支架向内侧的凸起分别铰接在两根连杆的另一端，两根卡爪连接支架向外侧的凸起分别交接在底板远离直线轴承固定板一侧的两个顶点处；夹持电机带动滑动导杆沿直线往复运动时，带动三角推板直线往复运动，通过两根连杆带动两根卡爪连接支架绕其与底板的铰接处旋转，进而实现卡爪的夹紧与松开；
所述机架爬升部分包括滑动轴承座、滑动杆、机架板、下提升电机、下提升电机固定板、下提升齿轮、下提升齿条、上提升电机、上提升电机固定板、上提升齿轮和上提升齿条，所述上夹持部分和下夹持部分的底板上均安装有两个水平设置的滑动轴承座，机架板上设置有两个螺纹孔，两个滑动杆的中部也设置有螺纹，两根滑动杆分别穿过机架板上的两个螺纹孔并通过滑动杆中部的螺纹与螺纹孔内螺纹的配合固定在机架板上；两根滑动杆的上下两端分别套装在上夹持部分和下夹持部分的底板上的四个滑动轴承座内，两根滑动杆的上下两端能够在四个滑动轴承座内自由的上下滑动；所述上提升电机固定板竖直安装在所述机架板的上方，所述上提升电机水平安装在所述上提升电机固定板上，上提升齿轮固定在上提升电机的电机头上，上夹持部分的直线轴承固定板的侧面安装有竖直设置的上提升齿条，上提升电机的电机头上的上提升齿轮与上夹持部分上的上提升齿条相啮合，上提升电机运动时带动上提升齿轮转动，通过上提升齿轮与上提升齿条的啮合使上夹持部分整体沿着滑动杆上下运动；所述下提升电机固定板竖直安装在所述机架板的下方，所述下提升电机水平安装在所述下提升电机固定板上，下提升齿轮固定在下提升电机的电机头上，下夹持部分的直线轴承固定板的侧面安装有竖直设置的下提升齿条，下提升电机的电机头上的下提升齿轮与下夹持部分上的下提升齿条相啮合，下提升电机运动时带动下提升齿轮转动，通过下提升齿轮与下提升齿条的啮合使下夹持部分整体沿着滑动杆上下运动。
进一步的，所述卡爪整体呈长方体形状，所述卡爪远离卡爪连接支架的侧面整体呈弧形，卡爪和卡爪连接支架上设置有多个位置相对应的螺纹孔，卡爪和卡爪连接支架通过螺栓固定连接。螺栓连接使得卡爪可以方便的拆除与更换，通过更换不同尺寸以及不同弧度不同的卡爪即可实现各种不同的场合，增加了本装置对不同杆件的适应性。
进一步的，所述卡爪采用橡胶材料制成。采用橡胶材料制成卡爪具有较强的夹持摩擦力，增加夹持时的稳定性。
进一步的，所述底板呈U型，底板的底面通过螺栓固定安装在直线轴承固定板上，U型的底板的两条侧边的端部为底板与卡爪连接支架向外侧凸起相连接的铰接点。卡爪连接支架向内侧的凸起的受到连杆驱动进行转动时，内侧的凸起在U型板的U型凹槽以及底板外侧的空间范围内转动，不会触碰到底板上U型凹槽的边缘以及底板的外侧边。
进一步的，所述夹持电机固定板上设置有中心圆孔，夹持电机的输出轴穿出夹持电机固定板上的中心圆孔且夹持传动齿轮通过螺钉固定在夹持电机的输出轴的端部。
进一步的，所述上提升电机固定板上设置有中心圆孔，上提升电机的输出轴穿过上提升电机固定板上的中心圆孔且上提升齿轮通过螺钉固定在上提升电机的输出轴的端部；所述下提升电机固定板上设置有中心圆孔，下提升电机的输出轴穿过下提升电机固定板上的中心圆孔且下提升齿轮通过螺钉固定在下提升电机的输出轴的端部。
本发明的有益效果在于：
1、本发明结构简单紧凑，生产成本低，爬杆过程中始终有一对卡爪抓紧杆件，保证爬杆机器人不会掉落，提高了使用可靠性。
2、本发明的卡爪与卡爪连接支架通过螺栓连接，通过螺栓的拧紧和松开可以实现卡爪的快速更换与拆卸，因为可以通过便捷的更换不同尺寸的卡爪来适应不同尺寸的杆件，从而提升了本装置对各种不同场合的适应性。
3、本发明的卡爪采用橡胶类材料制成，橡胶类材料增加了卡爪的夹持摩擦力，有效增加了爬杆机器人的载荷。
4、本发明采用结构完全相同的上夹持部分和下夹持部分进行夹持，二者交错夹持并通过机架爬升部分实现爬杆机器人的连续运动，增加了整体装置的连续性。
5、本发明的夹持部分利用卡爪夹持杆件，卡爪松开后具有很大的空间范围，可以轻松绕过障碍夹持杆件的其他部分，提高了整体的越障能力。
6、本发明的机架爬升部分采用了一对滑动杆作为上下滑动的导向杆，并利用上提升齿轮和上提升齿条以及下提升齿轮与下提升齿条的配合实现整体装置的爬升，提升了爬升时的稳定性。
附图说明
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明一种连杆式爬杆机器人的轴测图。
图2是本发明一种连杆式爬杆机器人的俯视图。
图中，1-卡爪、2-卡爪连接支架、3-连杆、4-铰接轴、5-三角推板、6-直线轴承固定板、7-夹持电机、8-夹持电机固定板、9-夹持传动齿轮、10-滑动导杆、11-下提升齿条、12-下提升齿轮、13-下提升电机固定板、14-下提升电机、15-机架板、16-滑动杆、17-滑动轴承座、18-上提升电机、19-上提升齿轮、20-上提升齿条、21-直线轴承座、22-底板、23-上提升电机固定板。
具体实施方式
参阅图1和图2所示，一种连杆式爬杆机器人，包括夹持部分和机架爬升部分，所述夹持部分夹紧杆件并为机器人的上爬提供支点，所述机架爬升部位提供机器人上爬的动力。
所述夹持部分包括上夹持部分和下夹持部分，所述上夹持部分和下夹持部分的结构完全一致，所述上夹持部分包括卡爪1、卡爪连接支架2、连杆3、三角推板5、底板22、直线轴承固定板6、直线轴承座21、滑动导杆10、夹持传动齿轮9、夹持电机7和夹持电机固定板8，所述直线轴承座21固定连接在竖直设置在直线轴承固定板6上，直线轴承固定板6上设置有通孔，滑动导杆10穿过直线轴承座21和直线轴承固定板6上的通孔，滑动导杆10的后端设置有轮齿；所述夹持电机固定板8沿竖直方向设置且垂直安装在所述直线轴承固定板6上，夹持电机7固定在夹持电机固定板8上，夹持传动齿轮9安装在夹持电机7的电机头上，夹持传动齿轮9与滑动导杆10后端的轮齿相啮合，夹持电机7运动时，位于电机头上的夹持传动齿轮9转动，通过夹持传动齿轮9和滑动导杆10后端轮齿的配合带动滑动导杆10沿着直线轴承座21水平滑动；所述底板22水平安装在所述直线轴承固定板6上，三角推板5的一个顶点铰接在滑动导杆10的的前端，三角推板5的另外两个顶点分别与结构形状完全一致的两根连杆3的一端铰接；所述卡爪1设有左右对称的一对，每个卡爪1固定安装在一根卡爪连接支架2一端的内侧，两根卡爪连接支架2的另一端分别向内外两侧凸起，两根卡爪连接支架2向内侧的凸起分别铰接在两根连杆3的另一端，两根卡爪连接支架2向外侧的凸起分别交接在底板22远离直线轴承固定板6一侧的两个顶点处；夹持电机7带动滑动导杆10沿直线往复运动时，带动三角推板5直线往复运动，通过两根连杆3带动两根卡爪连接支架2绕其与底板22的铰接处旋转，进而实现卡爪1的夹紧与松开。
三角推板5的另外两个顶点与两根连杆3的一端、两根连杆3的另一端与两根卡爪连接支架2的向内侧凸起以及两根卡爪连接支架2的向内侧凸起与底板22之间均通过铰接轴4连接。
所述机架爬升部分包括滑动轴承座17、滑动杆16、机架板15、下提升电机14、下提升电机固定板13、下提升齿轮12、下提升齿条11、上提升电机18、上提升电机固定板23、上提升齿轮19和上提升齿条20，所述上夹持部分和下夹持部分的底板22上均安装有两个水平设置的滑动轴承座17，机架板15上设置有两个螺纹孔，两个滑动杆16的中部也设置有螺纹，两根滑动杆16分别穿过机架板15上的两个螺纹孔并通过滑动杆16中部的螺纹与螺纹孔内螺纹的配合固定在机架板15上；两根滑动杆16的上下两端分别套装在上夹持部分和下夹持部分的底板22上的四个滑动轴承座17内，两根滑动杆16的上下两端能够在四个滑动轴承座17内自由的上下滑动；所述上提升电机固定板23竖直安装在所述机架板15的上方，所述上提升电机18水平安装在所述上提升电机固定板23上，上提升齿轮19固定在上提升电机18的电机头上，上夹持部分的直线轴承固定板6的侧面安装有竖直设置的上提升齿条20，上提升电机18的电机头上的上提升齿轮19与上夹持部分上的上提升齿条20相啮合，上提升电机18运动时带动上提升齿轮19转动，通过上提升齿轮19与上提升齿条20的啮合使上夹持部分整体沿着滑动杆16上下运动；所述下提升电机固定板13竖直安装在所述机架板15的下方，所述下提升电机14水平安装在所述下提升电机固定板13上，下提升齿轮12固定在下提升电机14的电机头上，下夹持部分的直线轴承固定板6的侧面安装有竖直设置的下提升齿条11，下提升电机14的电机头上的下提升齿轮12与下夹持部分上的下提升齿条11相啮合，下提升电机14运动时带动下提升齿轮12转动，通过下提升齿轮12与下提升齿条11的啮合使下夹持部分整体沿着滑动杆16上下运动。
所述卡爪1整体呈长方体形状，所述卡爪1远离卡爪连接支架2的侧面整体呈弧形，卡爪1和卡爪连接支架2上设置有多个位置相对应的螺纹孔，卡爪1和卡爪连接支架2通过螺栓固定连接。
所述卡爪1采用橡胶材料制成。
所述底板22呈U型，底板22的底面通过螺栓固定安装在直线轴承固定板6上，U型的底板22的两条侧边的端部为底板22与卡爪连接支架2向外侧凸起相连接的铰接点。
所述夹持电机固定板8上设置有中心圆孔，夹持电机7的输出轴穿出夹持电机固定板8上的中心圆孔且夹持传动齿轮9通过螺钉固定在夹持电机7的输出轴的端部。
所述上提升电机固定板23上设置有中心圆孔，上提升电机18的输出轴穿过上提升电机固定板23上的中心圆孔且上提升齿轮19通过螺钉固定在上提升电机18的输出轴的端部；所述下提升电机固定板13上设置有中心圆孔，下提升电机14的输出轴穿过下提升电机固定板13上的中心圆孔且下提升齿轮12通过螺钉固定在下提升电机14的输出轴的端部。
本发明的具体工作流程如下：夹持部分的上夹持部分和下夹持部分依次夹持杆件，上夹持部分夹持杆件时下夹持部分松开并且在机架爬升部分的作用下向上爬升，下夹持部分夹持杆件时上夹持部分松开并且在机架爬升部分的作用下向上爬升。
上夹持部分和下夹持部分的夹持原理如下：夹持电机7运动，带动夹持电机7输出轴端部的夹持传动齿轮9转动，由于夹持传动齿轮9和滑动导杆10后端轮齿相啮合，带动滑动导杆10沿着直线轴承座21水平滑动；进而带动三角推板5直线往复运动，通过两根连杆3带动两根卡爪连接支架2绕其与底板22的铰接处旋转，进而实现卡爪1的夹紧与松开。
机架爬升部分的工作原理如下：此部分运动时将上夹持部分和下夹持部分分别作为一个整体来看待，上提升电机18运动时带动上提升齿轮19转动，通过上提升齿轮19与上提升齿条20的啮合使上夹持部分整体沿着滑动杆16上下运动；下提升电机14运动时带动下提升齿轮12转动，通过下提升齿轮12与下提升齿条11的啮合使下夹持部分整体沿着滑动杆16上下运动。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (6)
1.一种连杆式爬杆机器人，其特征在于：包括夹持部分和机架爬升部分，所述夹持部分夹紧杆件并为机器人的上爬提供支点，所述机架爬升部位提供机器人上爬的动力；
所述夹持部分包括上夹持部分和下夹持部分，所述上夹持部分和下夹持部分的结构完全一致，所述上夹持部分包括卡爪（1）、卡爪连接支架（2）、连杆（3）、三角推板（5）、底板（22）、直线轴承固定板（6）、直线轴承座（21）、滑动导杆（10）、夹持传动齿轮（9）、夹持电机（7）和夹持电机固定板（8），所述直线轴承座（21）固定连接在竖直设置在直线轴承固定板（6）上，直线轴承固定板（6）上设置有通孔，滑动导杆（10）穿过直线轴承座（21）和直线轴承固定板（6）上的通孔，滑动导杆（10）的后端设置有轮齿；所述夹持电机固定板（8）沿竖直方向设置且垂直安装在所述直线轴承固定板（6）上，夹持电机（7）固定在夹持电机固定板（8）上，夹持传动齿轮（9）安装在夹持电机（7）的电机头上，夹持传动齿轮（9）与滑动导杆（10）后端的轮齿相啮合，夹持电机（7）运动时，位于电机头上的夹持传动齿轮（9）转动，通过夹持传动齿轮（9）和滑动导杆（10）后端轮齿的配合带动滑动导杆（10）沿着直线轴承座（21）水平滑动；所述底板（22）水平安装在所述直线轴承固定板（6）上，三角推板（5）的一个顶点铰接在滑动导杆（10）的的前端，三角推板（5）的另外两个顶点分别与结构形状完全一致的两根连杆（3）的一端铰接；所述卡爪（1）设有左右对称的一对，每个卡爪（1）固定安装在一根卡爪连接支架（2）一端的内侧，两根卡爪连接支架（2）的另一端分别向内外两侧凸起，两根卡爪连接支架（2）向内侧的凸起分别铰接在两根连杆（3）的另一端，两根卡爪连接支架（2）向外侧的凸起分别交接在底板（22）远离直线轴承固定板（6）一侧的两个顶点处；夹持电机（7）带动滑动导杆（10）沿直线往复运动时，带动三角推板（5）直线往复运动，通过两根连杆（3）带动两根卡爪连接支架（2）绕其与底板（22）的铰接处旋转，进而实现卡爪（1）的夹紧与松开；
所述机架爬升部分包括滑动轴承座（17）、滑动杆（16）、机架板（15）、下提升电机（14）、下提升电机固定板（13）、下提升齿轮（12）、下提升齿条（11）、上提升电机（18）、上提升电机固定板（23）、上提升齿轮（19）和上提升齿条（20），所述上夹持部分和下夹持部分的底板（22）上均安装有两个水平设置的滑动轴承座（17），机架板（15）上设置有两个螺纹孔，两个滑动杆（16）的中部也设置有螺纹，两根滑动杆（16）分别穿过机架板（15）上的两个螺纹孔并通过滑动杆（16）中部的螺纹与螺纹孔内螺纹的配合固定在机架板（15）上；两根滑动杆（16）的上下两端分别套装在上夹持部分和下夹持部分的底板（22）上的四个滑动轴承座（17）内，两根滑动杆（16）的上下两端能够在四个滑动轴承座（17）内自由的上下滑动；所述上提升电机固定板（23）竖直安装在所述机架板（15）的上方，所述上提升电机（18）水平安装在所述上提升电机固定板（23）上，上提升齿轮（19）固定在上提升电机（18）的电机头上，上夹持部分的直线轴承固定板（6）的侧面安装有竖直设置的上提升齿条（20），上提升电机（18）的电机头上的上提升齿轮（19）与上夹持部分上的上提升齿条（20）相啮合，上提升电机（18）运动时带动上提升齿轮（19）转动，通过上提升齿轮（19）与上提升齿条（20）的啮合使上夹持部分整体沿着滑动杆（16）上下运动；所述下提升电机固定板（13）竖直安装在所述机架板（15）的下方，所述下提升电机（14）水平安装在所述下提升电机固定板（13）上，下提升齿轮（12）固定在下提升电机（14）的电机头上，下夹持部分的直线轴承固定板（6）的侧面安装有竖直设置的下提升齿条（11），下提升电机（14）的电机头上的下提升齿轮（12）与下夹持部分上的下提升齿条（11）相啮合，下提升电机（14）运动时带动下提升齿轮（12）转动，通过下提升齿轮（12）与下提升齿条（11）的啮合使下夹持部分整体沿着滑动杆（16）上下运动。
2.根据权利要求1所述的一种连杆式爬杆机器人，其特征在于：所述卡爪（1）整体呈长方体形状，所述卡爪（1）远离卡爪连接支架（2）的侧面整体呈弧形，卡爪（1）和卡爪连接支架（2）上设置有多个位置相对应的螺纹孔，卡爪（1）和卡爪连接支架（2）通过螺栓固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种连杆式爬杆机器人，其特征在于：所述卡爪（1）采用橡胶材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种连杆式爬杆机器人，其特征在于：所述底板（22）呈U型，底板（22）的底面通过螺栓固定安装在直线轴承固定板（6）上，U型的底板（22）的两条侧边的端部为底板（22）与卡爪连接支架（2）向外侧凸起相连接的铰接点。
5.根据权利要求1所述的一种连杆式爬杆机器人，其特征在于：所述夹持电机固定板（8）上设置有中心圆孔，夹持电机（7）的输出轴穿出夹持电机固定板（8）上的中心圆孔且夹持传动齿轮（9）通过螺钉固定在夹持电机（7）的输出轴的端部。
6.根据权利要求1所述的一种连杆式爬杆机器人，其特征在于：所述上提升电机固定板（23）上设置有中心圆孔，上提升电机（18）的输出轴穿过上提升电机固定板（23）上的中心圆孔且上提升齿轮（19）通过螺钉固定在上提升电机（18）的输出轴的端部；所述下提升电机固定板（13）上设置有中心圆孔，下提升电机（14）的输出轴穿过下提升电机固定板（13）上的中心圆孔且下提升齿轮（12）通过螺钉固定在下提升电机（14）的输出轴的端部。
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