CN109515545A - 蠕动式爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种蠕动式爬杆机器人，包括可相互移动的第一手爪组件与第二手爪组件，以及分别穿过第一手爪组件与第二手爪组件的杆；所述第一手爪组件与第二手爪组件采用相同的构造。该机器人整体上呈现上下两组手爪设计，每个卡爪则通过电机驱动实现对杆件的夹紧和松开。为使手爪夹持稳定，本设计采用左右两个夹爪线性向中心靠拢的形式，既稳定可靠，也有一个循序渐进的过程。线性位移通过丝杆螺母机构转换而得，通过一个主动锥齿轮、左右两个从动锥齿轮的传动实现从一个主电机的运动获得左右两个夹爪的运动。上下两组手爪之间通过电机驱动配合以曲柄滑块机构驱动上部的手爪做上下往复运动，模拟人的爬杆动作，实现蠕动式爬升。

Description

蠕动式爬杆机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体而言涉及一种蠕动式爬杆机器人。

背景技术

目前市政工程中有大量的安装、清洁及维修等工作需要爬杆作业。对于较粗的杆件，人工攀爬和工程车作业都比较方便。但是对于直径较细、强度较小的杆件比如路灯杆甚至更细的杆件，人为攀爬比较困难，也非常危险。而应用带升降机的工程车作业，会无形中增加成本。

目前市面上的机器人有的结构繁琐，运动复杂；有的携带庞大的液压、气压装置，不仅对作业环境和空间要求较高，而且成本也很高；有的运动速度低，实际应用工作效率低下。这些不可忽视的缺点，限制了这些爬杆机器人得到广泛应用的进一步发展。

发明内容

本发明目的在于针对现有的爬杆机器人的不足，提供一种结构简单、运用丝杆螺母机构与曲柄滑块机构的结合，使运动形式易于实现、质量及体积在可承受范围内、且成本低廉。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种蠕动式爬杆机器人，包括可相互移动的第一手爪组件与第二手爪组件，以及限定了第一手爪组件与第二手爪组件移动方向并分别穿过第一手爪组件与第二手爪组件的杆；

所述第一手爪组件与第二手爪组件采用相同的构造，并且均包括：

构造成U形的手爪支架，具有支撑部以及垂直地安装于支撑部两侧的翼部，分别为第一翼部和第二翼部；

固定在支撑部的电机；

设置在支撑部的、由电机驱动的主动锥齿轮；

在两个翼部分别设置的从动锥齿轮，分别为第一从动锥齿轮以及第二从动锥齿轮，第一从动锥齿轮以及第二从动锥齿轮均啮合到所述主动锥齿轮，在所述电机旋转时，通过主动锥齿轮带动所述第一从动锥齿轮以及第二从动锥齿轮转动；

分别设置在两个翼部、并与第一从动锥齿轮以及第二从动锥齿轮共轴线安装的从动轴，所述从动轴内部沿其纵长方向开有螺纹；

分别设置在两个翼部、并与所述从动轴内的螺纹形成丝杠副的丝杆，两个丝杆相对的端部均设置有夹爪，与丝杆保持同步相向或者相对运动；

其中，所述第一翼部和第二翼部还分别安装有相对方向的具有导槽的导轨、可在导槽内滑动的滑轨以及固定装置，所述导槽方向垂直于支撑部所限定的平面，所述滑轨上装有橡胶轮，所述固定装置被设置成用于当滑轨位于下述位置时锁紧滑轨：滑轨被沿着所述导槽推至使得橡胶轮与被攀爬的对象相接触的位置。

进一步的，所述固定装置包括具有螺母的固定块，通过螺母拧紧以锁紧所述滑轨以限制其从所在的位置移动。

进一步的，所述具有导槽的导轨整体呈L形形状，其一边固定在手爪支架上对应的翼部，另一边与对应翼部所限定的平面平行。

进一步的，所述具有导槽的导轨的另一边至少部分地延伸到所述对应翼部的从动锥齿轮的端面上方。

进一步的，所述丝杆包括螺纹部以及与螺纹部连接的后端部，螺纹部被设置成与所述从动轴形成螺纹配合，所述后端部的截面成三角形或者正多边形。

进一步的，所述从动轴内部的螺纹为T型螺纹。

进一步的，所述夹爪内均设置有压力传感器，被设置用于检测夹持攀爬的对象的压力。

进一步的，所述第一手爪组件与第二手爪组件之间还设置有第二电机以及由第二电机驱动的曲柄滑块运动机构，曲柄滑块运动机构的一端与第二电机的输出轴连接，另一端连接到第一手爪组件上，在第二电机旋转时通过曲柄滑块运动机构驱动第一手爪组件相对于第二手爪组件做往复运动。

进一步的，所述曲柄滑块运动机构包括与第二电机连接并由其驱动的联轴器、具有连杆的主动齿轮以及铰接连杆，主动齿轮与联轴器固定并同步转动，铰接连杆的一端固定到第一手爪组件的手爪支架上，另一端与主动齿轮的连杆铰接，第二电机被配置用于驱动所述联轴器与主动齿轮的正反转从而带动所述铰接连杆上下往复运动，使得第一手爪组件上下往复运动。

进一步的，所述曲柄滑块运动机构还包括与主动齿轮啮合的从动齿轮、设置在从动齿轮上的从动齿轮连杆以及从动齿轮铰接连杆，从动齿轮铰接连杆的一端与从动齿轮连杆铰接，另一端固定到第一手爪组件。

综上所述，本发明的蠕动式爬杆机器人，基于主从锥齿轮实现单电机驱动两个卡爪的运动，并结合曲柄滑块机构实现上下蠕动式的竖直爬升或者水平爬杆运动，模拟人爬树的动作，实现原理简单，运动控制简便，并且充分考虑在竖直爬杆时的因为自身重力的问题，设计了增强的防滑结构，使得机器人在爬杆运动过程中更加稳定和可靠。

同时，本发明的爬杆机器人的质量体积小，成本低廉，更易于在狭小空间内进行作业。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1是本发明实施例的蠕动式爬杆机器人的整体示意图。

图2是本发明实施例的蠕动式爬杆机器人另一方向的整体示意图。

图3是本发明实施例的蠕动式爬杆机器人的俯视图。

图4是本发明实施例的蠕动式爬杆机器人的手爪组件的结构示意图。

图5是本发明实施例的蠕动式爬杆机器人的后视图。

图6是本发明实施例的蠕动式爬杆机器人的侧视图。

图7是本发明实施例的蠕动式爬杆机器人的防滑机构的示意图。

图8是本发明实施例的蠕动式爬杆机器人的防滑机构的俯视图。

图9是本发明实施例的蠕动式爬杆机器人的的曲柄滑块运动机构的结构图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是应为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

本发明旨在借鉴人爬树的原理，即两腿夹紧树干，身体上移，然后两手抱紧树干，收腿提脚上移，继续夹紧树干，如此循环，一步一步向上爬，呈现一个蠕动的过程，为此提出一种蠕动式爬杆机器人，设计了上下两组手爪组件，通过上下两组手爪组件进行交替式重复进行抓杆与松开的动作，其间配合伸缩动作，呈现出蠕动运动的状态，实现爬杆功能。

如图1-图9所示示例的蠕动式爬杆机器人，整体上呈现上下两组手爪设计，每个卡爪则通过电机驱动实现对杆件的夹紧和松开，手爪运动即是手爪的张开和闭合。为使手爪夹持稳定，本设计采用左右两个夹爪线性向中心靠拢的形式，既稳定可靠，也有一个循序渐进的过程。线性位移通过丝杆螺母机构转换而得，通过一个主动锥齿轮、左右两个从动锥齿轮的传动实现从一个主电机的运动获得左右两个夹爪的运动。

上下两组手爪之间通过电机驱动配合以曲柄滑块机构驱动上部的手爪做上下往复运动，模拟人的爬杆动作，实现蠕动式爬升。

下面结合图1-图9更加具体的说明本发明的较佳实施例的实现。

结合图示公开的蠕动式爬杆机器人100，包括可相互移动的第一手爪组件110与第二手爪组件120。第一手爪组件110与第二手爪组件120优选采用相同的结构和设计。

蠕动式爬杆机器人100还包括了一个限定了第一手爪组件110与第二手爪组件120移动方向并分别穿过第一手爪组件与第二手爪组件的杆21。优选地，杆21为空心圆杆。

为了保证连接的传动的有效性与稳定性，蠕动式爬杆机器人100采用两个平行设置的杆21的组合，依次穿过第一手爪组件110与第二手爪组件120，与第一手爪组件110采用形成间隙配合。

结合图示，蠕动式爬杆机器人100具有一个主体支架22，第二手爪组件120固定在主体支架22上，前述的杆21穿过该主体支架22并与其底部以过盈配合的方式固定连接。

结合图1-图4，第一手爪组件110与第二手爪组件120采用相同的构造，并且均包括构造成U形的手爪支架、安装到手爪支架上的电机、由电机驱动的主动锥齿轮、与主动锥齿轮啮合的两个从动锥齿轮、内部设置螺纹的从动轴、与从动轴配合实现移动丝杠副的丝杆以及设置在丝杆上的、可随着丝杆运动而相对或者相向运动的卡爪。通过电机驱动主动锥齿轮(正转和反转，以带动从动锥齿轮和从动轴运动，通过从动轴驱动丝杠移动，最终使得卡爪随着丝杠而相对或者相向运动，实现对攀爬的杆件的夹紧和放松。

结合图1-图4，构造成U形的手爪支架，具有支撑部1A以及垂直地安装于支撑部两侧的翼部，分别为第一翼部1B和第二翼部1C。

支撑部固定有电机14，作为驱动源。

在支撑部还设置有由电机14驱动的主动锥齿轮16。

在两个翼部分别设置有从动锥齿轮，分别为第一从动锥齿轮5A以及第二从动锥齿轮5B，第一从动锥齿轮以及第二从动锥齿轮均啮合到主动锥齿轮16，在电机旋转时，通过主动锥齿轮带动所述第一从动锥齿轮以及第二从动锥齿轮转动。

在两个翼部还分别设置有与第一从动锥齿轮5A以及第二从动锥齿轮5B共轴线安装的从动轴6。每个从动锥齿轮以键连接形式与从动轴6的一端连接，一端依靠轴肩固定，一端依靠圆螺母10锁紧，保证从动锥齿轮的轴向固定和周向固定。

从动轴6另一端安装深沟球轴承2，同时承受径向载荷和一定的轴向载荷，并且在对应的翼部外侧通过从动轴端盖3压住深沟球轴承2的外圈，并用螺钉固定连接在手爪支架的对应翼部上。

从动轴6内部沿其纵长方向开有螺纹，优选的是T型螺纹。

在两个翼部分别设置有与从动轴6内的螺纹形成丝杠副的丝杆4，两个丝杆相对的端部均设置通过转接板7安装有夹爪9，夹爪9与丝杆4保持同步相向或者相对运动。

在电机驱动下，主动锥齿轮16转动，带动左右两从动锥齿轮5A、5B转动，从而驱动丝杆4以及夹爪9线性移动。两丝杆4完全相同，两从动锥齿轮转动方向相反，使得左右两个夹爪同时张开或夹紧。

优选的，两夹爪9内侧均装有压力传感器8，当夹持杆件压力超过设定数值时，停止电机转动，视为夹紧。在可选的例子中，夹爪内的压力传感器与对应的驱动卡爪运动的电机的驱动电路连接，驱动电路可根据压力传感器传回的压力信号来控制对应电机的转动与停止，也就是说在爬杆过程中，当压力达到设定值时停止电机转动。

更加优选的，丝杆4包括螺纹部以及与螺纹部连接的后端部，螺纹部被设置成与从动轴6形成螺纹配合，后端部的截面成三角形或者正多边形，穿出从动轴端盖3以外，从动轴端盖3中也开有与后端部的截面相同的孔，用以约束丝杆4的周向旋转运动，从而保证当从动锥齿轮做纯旋转运动时，丝杆4带动夹爪9做纯线性运动。

图示的示例中，丝杆4的后端部设计为长方体状，截面成正四边形。

结合图3、4所示，图中的主动锥齿轮16以与从动锥齿轮和从动轴的装配方式相同的方式安装固定在主动轴11上，另一端用联轴器15连接电机14，电机14固定在电机固定板13上，保证稳定性，其中电机固定板13固定到手爪支架的支撑部1A。

结合图5、6以及图9所示，第一手爪组件110与第二手爪组件120之间还设置有第二电机28以及由第二电机驱动的曲柄滑块运动机构，曲柄滑块运动机构的一端与第二电机28的输出轴连接，另一端连接到第一手爪组件110上，在第二电机旋转时通过曲柄滑块运动机构驱动第一手爪组件110相对于第二手爪组件120做往复运动。

结合图1、图9，本发明公开的曲柄滑块运动机构包括与第二电机28连接并由其驱动的联轴器33、具有连杆23的主动齿轮31以及铰接连杆25，主动齿轮31与联轴器33固定并同步转动，铰接连杆25的一端固定到第一手爪组件的手爪支架上，另一端与主动齿轮的连杆23铰接，第二电机被配置用于驱动联轴器33与主动齿轮31的正反转从而带动铰接连杆25上下往复运动，使得第一手爪组件上下往复运动。

结合图9所示，为了更加稳定的传动，曲柄滑块运动机构还包括与主动齿轮31啮合的从动齿轮32、设置在从动齿轮上的从动齿轮连杆24以及从动齿轮铰接连杆36，从动齿轮铰接连杆36的一端与从动齿轮连杆24铰接，另一端固定到第一手爪组件。

如图所示，从动齿轮32上位于第二电机的一侧还设置有一垫片34，以保持从动齿轮32和主动齿轮31在同一个高度。

结合图5-6以及图9所示，主体支架22上固定第二电机28以及下手爪组件120。两根光滑的空心圆杆21依次穿过第一手爪组件110、主体支架22、第二手爪组件120，并与主体支架22底部用过盈配合固定连接，而与第一手爪组件110形成间隙配合，便于第一手爪组件110的运动。如此，形成曲柄滑块运动机构，当第二电机28转动时，通过齿轮连杆的传动，使得第一手爪组件在圆杆上相对于第二手爪组件做上下运动。

由于干涉问题和蠕动运动，主动齿轮31以及从动齿轮32均不完全运动以及防止出现运动死点，所以运动中第二电机28只转动小角度旋转即可，且往复运动。

结合图1、图2以及图7、图8，当机器人攀爬竖直杆时，需克服自身重力，此时调节压力传感器节点数值即可。当机器人爬水平杆时，也参照人爬杆的运动，采用靠两个手爪吊在水平杆上慢慢蠕动的运动形式。

由于上下手爪组件(即第一手爪组件110、第二手爪组件120)跨度较大，当单个手爪松开时，会因为手爪重力而有下坠倾向，导致下一次夹紧会有错位，为此我们在整个设计中加入了防滑机构，包括在第一翼部和第二翼部还分别安装有相对方向的具有导槽17A的导轨17、可在导槽内滑动的滑轨18以及固定装置20，每个导轨上的导槽17A优选的设置有2条，导槽17A的方向垂直于支撑部的平面。滑轨18上装有橡胶轮19，固定装置被设置成用于当滑轨位于下述位置时锁紧滑轨：滑轨被沿着导槽推至使得橡胶轮与被攀爬的对象相接触的位置。

优选的，固定装置20包括具有螺母的固定块，通过螺母拧紧以锁紧所述滑轨以限制其从所在的位置移动。如此，爬杆之前我们可以将滑轨18推至最前，使橡胶轮19与需要攀爬的对象例如杆件接触，并用固定块上的螺母锁紧。如此，在手爪松开时，橡胶轮19会给予相应的约束，使手爪不下坠。

结合图1、图2以及图7，具有导槽的导轨17整体呈L形形状，其一边固定在手爪支架上对应的翼部，另一边与对应翼部所限定的平面平行，并且所述具有导槽的导轨的另一边至少部分地延伸到所述对应翼部的从动锥齿轮的端面上方。

综上技术方案可见，本发明的蠕动式爬杆机器人，采用主从锥齿轮实现单电机驱动两个卡爪的运动的方式，并结合曲柄滑块机构实现上下蠕动式的竖直爬升或者水平爬杆运动，模拟人爬树的动作，不仅可攀爬竖直杆件，也可攀爬水平杆件；通过卡爪内的压力传感器的感应作用，在压力达到设定值时才会停止电机转动，由此机器人可以攀爬一定范围内的变直径杆件。

本发明采用锥齿轮传动和丝杆螺母机构来使夹爪运动，使夹持更稳定可靠，且通过关闭电机获得自锁，即使出现夹持失误也不会出现突然下坠等危险情况。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种蠕动式爬杆机器人，其特征在于，包括可相互移动的第一手爪组件与第二手爪组件，以及限定了第一手爪组件与第二手爪组件移动方向并分别穿过第一手爪组件与第二手爪组件的杆；

所述第一手爪组件与第二手爪组件采用相同的构造，并且均包括：

构造成U形的手爪支架，具有支撑部以及垂直地安装于支撑部两侧的翼部，分别为第一翼部和第二翼部；

固定在支撑部的电机；

设置在支撑部的、由电机驱动的主动锥齿轮；

在两个翼部分别设置的从动锥齿轮，分别为第一从动锥齿轮以及第二从动锥齿轮，第一从动锥齿轮以及第二从动锥齿轮均啮合到所述主动锥齿轮，在所述电机旋转时，通过主动锥齿轮带动所述第一从动锥齿轮以及第二从动锥齿轮转动；

分别设置在两个翼部、并与第一从动锥齿轮以及第二从动锥齿轮共轴线安装的从动轴，所述从动轴内部沿其纵长方向开有螺纹；

分别设置在两个翼部、并与所述从动轴内的螺纹形成丝杠副的丝杆，两个丝杆相对的端部均设置有夹爪，与丝杆保持同步相向或者相对运动；

其中，所述第一翼部和第二翼部还分别安装有相对方向的具有导槽的导轨、可在导槽内滑动的滑轨以及固定装置，所述导槽方向垂直于支撑部所限定的平面，所述滑轨上装有橡胶轮，所述固定装置被设置成用于当滑轨位于下述位置时锁紧滑轨：滑轨被沿着所述导槽推至使得橡胶轮与被攀爬的对象相接触的位置。

2.根据权利要求1所述的蠕动式爬杆机器人，其特征在于，所述固定装置包括具有螺母的固定块，通过螺母拧紧以锁紧所述滑轨以限制其从所在的位置移动。

3.根据权利要求1所述的蠕动式爬杆机器人，其特征在于，所述具有导槽的导轨整体呈L形形状，其一边固定在手爪支架上对应的翼部，另一边与对应翼部所限定的平面平行。

4.根据权利要求1所述的蠕动式爬杆机器人，其特征在于，所述具有导槽的导轨的另一边至少部分地延伸到所述对应翼部的从动锥齿轮的端面上方。

5.根据权利要求1所述的蠕动式爬杆机器人，其特征在于，所述丝杆包括螺纹部以及与螺纹部连接的后端部，螺纹部被设置成与所述从动轴形成螺纹配合，所述后端部的截面成三角形或者正多边形。

6.根据权利要求1所述的蠕动式爬杆机器人，其特征在于，所述从动轴内部的螺纹为T型螺纹。

7.根据权利要求1所述的蠕动式爬杆机器人，其特征在于，所述夹爪内均设置有压力传感器，被设置用于检测夹持攀爬的对象的压力。

8.根据权利要求1所述的蠕动式爬杆机器人，其特征在于，所述第一手爪组件与第二手爪组件之间还设置有第二电机以及由第二电机驱动的曲柄滑块运动机构，曲柄滑块运动机构的一端与第二电机的输出轴连接，另一端连接到第一手爪组件上，在第二电机旋转时通过曲柄滑块运动机构驱动第一手爪组件相对于第二手爪组件做往复运动。

9.根据权利要求8所述的蠕动式爬杆机器人，其特征在于，所述曲柄滑块运动机构包括与第二电机连接并由其驱动的联轴器、具有连杆的主动齿轮以及铰接连杆，主动齿轮与联轴器固定并同步转动，铰接连杆的一端固定到第一手爪组件的手爪支架上，另一端与主动齿轮的连杆铰接，第二电机被配置用于驱动所述联轴器与主动齿轮的正反转从而带动所述铰接连杆上下往复运动，使得第一手爪组件上下往复运动。

10.根据权利要求9所述的蠕动式爬杆机器人，其特征在于，所述曲柄滑块运动机构还包括与主动齿轮啮合的从动齿轮、设置在从动齿轮上的从动齿轮连杆以及从动齿轮铰接连杆，从动齿轮铰接连杆的一端与从动齿轮连杆铰接，另一端固定到第一手爪组件。