CN110194228B - 一种压力吸附式爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

一种压力吸附式爬杆机器人，属于机器人设计领域。本发明是为了解决现有的爬杆机器人存在结构复杂、不易控制、重量大和故障率高的问题。一种压力吸附式爬杆机器人包括机身、电控系统、两个驱动机构和两个吸附机构，两个驱动机构并排横向相对设置在机身的前端，爬杆机器人通过两个驱动机构实现前进、后退和转向，机身两侧的凹槽里分别设置一个吸附机构，爬杆机器人通过两个吸附机构吸附在杆或竖直面上，电控系统设置在机身上，用以控制两个驱动机构和两个吸附机构。本发明主要用于高层杆状物表面的爬行。

Description

一种压力吸附式爬杆机器人

技术领域

本发明属于机器人设计领域，尤其涉及一种压力吸附式爬杆机器人。

背景技术

移动机器人是机器人的一个重要分支，应用非常广泛且发展潜力巨大。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状物表面进行爬行，代替人工安全、高效、低成本地完成清洗、检测、维护等相关任务。它将地面移动技术拓展到杆件表面，充实了机器人的应用范围。现有的爬杆机器人大致有以下四类：①滚动式爬杆机器人；②夹持式爬杆机器人；③仿生式爬杆机器人；④吸附式爬杆机器人。现有的爬杆机器人存在结构复杂、不易控制、重量大和故障率高的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有的爬杆机器人存在结构复杂、不易控制、重量大和故障率高的问题。现提供一种压力吸附式爬杆机器人。

本发明采用的技术方案是：

所述的一种压力吸附式爬杆机器人包括机身17、电控系统、两个驱动机构和两个吸附机构，两个驱动机构并排横向相对设置在机身17的前端，机身17两侧的凹槽里分别设置一个吸附机构，电控系统设置在机身17上。

进一步地，每个驱动机构包括舵机9、舵机臂10、法兰盘15、驱动轴11、驱动轮16和舵机支架6，机身17的前端中间位置设置有轴承座26，轴承座26内并排设置有两个轴承，舵机9通过舵机支架6安装在机身17的下端面上，舵机9通过舵机臂10与法兰盘15固定连接，驱动轮16套装在驱动轴11上，驱动轴11的一端与法兰盘15固定连接，驱动轴11的另一端设置在轴承的内圈中。

进一步地，所述的驱动轮16为球形轮。

进一步地，所述的驱动轮16为球形橡胶轮。

进一步地，在机身17的下端面处还设置一个万向轮32。

进一步地，每个吸附机构包括涵道风扇1、风扇固定架2和无刷电机，涵道风扇1通过风扇固定架2固定在机身17的凹槽里，无刷电机驱动涵道风扇1转动。

进一步地，所述的吸附机构还包括一个橡胶圈22，橡胶圈22套装在涵道风扇1的外涵道上。

进一步地，所述的电控系统包括stm32核心板20、多功能串口信号转换器28、航模遥控器、航模电池21、航模接收机31、两个降压模块和两个电子调速器29，stm32核心板20、多功能串口信号转换器28、航模电池21和航模接收机31设置在机身17的上端面上，两个电子调速器29设置在机身17的下端面上；

航模遥控器向航模接收机31发射指令，航模接收机31将接收的指令转换为PWM信号并向stm32核心板20输出，stm32核心板20将接收的一部分PWM信号向多功能串口信号转换器28输出,用以控制舵机9，stm32核心板20将接收的另一部分PWM信号分别向两个电子调速器29输出，用以分别控制两个涵道风扇1；

航模电池21分别向两个电子调速器29供电，两个电子调速器29在stm32核心板20的控制下分别向两个无刷电机提供驱动电流，航模电池21通过其中一个降压模块向舵机9供电，航模电池21通过另一个降压模块分别向航模接收机31和stm32核心板20供电。

进一步地，所述的航模电池的电压为14.8V，所述的其中一个降压模块输出的电压为6V，所述的另一个降压模块输出的电压为5V。

本发明与现有技术相比产生的有益效果是：

1)、结构简单：与滚动式的多轮环抱结构不同，吸附式爬杆机器人将驱动机构与吸附机构组合起来，这两种机构结构相对简单，易于实现；

2)、易于控制：与多模块的夹持式爬杆机器人相比，不需要实现蠕动、翻转和扭曲等三种攀爬步态，只需通过控制吸附机构的吸力变化和驱动机构的运动实现爬杆功能，控制得到大量的简化；

3)、总重较小、体积较小：此机器人结构紧凑，简化了机械结构和电控系统，此机器人的总重和体积得到大幅降低，拓宽了机器人的适应范围，使之可以在空间狭窄的环境中工作；

4)、适应性强：相对于仿生式爬杆机器人，不存在材料应用上的问题，对于所爬的杆类条件要求较低，应用范围更广；

5)、安全性强：相比于其他爬杆机器人，此机器人电机数量少，故障率低，故障率减少了50％，模块少，控制错误率低，易于检修，结构紧凑，减少因碰撞外物或其它意外事件而损坏的风险。

附图说明

图1为压力吸附式爬杆机器人的主视图；

图2为压力吸附式爬杆机器人的俯视图；

图3为压力吸附式爬杆机器人的左视图；

图4为压力吸附式爬杆机器人的仰视图；

图5为压力吸附式爬杆机器人的轴测图；

图6为电控系统结构示意图；

图7为供电设计图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式中，所述的一种压力吸附式爬杆机器人包括机身17、电控系统、两个驱动机构和两个吸附机构，两个驱动机构并排横向相对设置在机身17的前端，爬杆机器人通过两个驱动机构实现前进、后退和转向，机身17两侧的凹槽里分别设置一个吸附机构，爬杆机器人通过两个吸附机构吸附在杆或竖直面上，电控系统设置在机身17上，用以控制两个驱动机构和两个吸附机构。

本发明通过涵道风扇产生的推力吸附和控制驱动机构的运动实现爬杆功能，电控系统得到大量简化，结构相对简单，易于实现。

具体实施方式二：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式中，每个驱动机构包括舵机9、舵机臂10、法兰盘15、驱动轴11、驱动轮16和舵机支架6，机身17的前端中间位置设置有轴承座26，轴承座26内并排设置有两个深沟球轴承，舵机9通过舵机支架6安装在机身17的下端面上，舵机9上装上舵机臂10，舵机臂10与法兰盘15通过自攻螺钉固定连接，驱动轮16套装在驱动轴11上，并用一个薄螺母锁紧，法兰盘15与驱动轴11的一端通过一个M1.4的螺钉固定连接，驱动轴11的另一端插在深沟球轴承中。

其中，舵机选用的是FEETECH 9g小舵机，质量轻但能提供4.5kg的扭力，它的电机模式可以实现360度连续旋转，机器人通过舵机驱动驱动轮前进或后退，并且根据脉宽调速原理可改变舵机的转速，机器人通过两驱动轮的差速控制实现转弯，机器人的驱动和转向合二为一，使得结构紧凑，重量得到较大减小。

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式中，所述的驱动轮16为球形轮。

车轮采用球状，这样可以适应杆的弧度，对杆的直径也有一定的适应性。

其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：本实施方式中，所述的驱动轮16为球形橡胶轮。

将驱动轮设置成橡胶材质，可以增加摩擦系数，提高吸附能力。

其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式中，在机身17的下端面处还设置一个万向轮32，用以起到支撑和换向的作用。

其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式中，每个吸附机构包括涵道风扇1、风扇固定架2和无刷电机，涵道风扇1通过风扇固定架2固定在机身17的凹槽里，无刷电机驱动涵道风扇1转动。

涵道风扇在电控系统的控制下实现转动，涵道风扇在高速旋转下产生推力，将整个机身压在杆或者竖直面上，然后杆或竖直面给机器人的驱动轮和万向轮提供一个支持力，驱动轮产生静摩擦力来克服机身的重力，将整个机器人吸附在杆或竖直面上。

涵道风扇压力吸附式对环境要求不高，结构简单，便于控制，在同等重量下吸附力更大。

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式中，所述的吸附机构还包括一个橡胶圈22，橡胶圈22套装在涵道风扇1的外涵道上。

涵道风扇选用的是暴风55mm 11叶涵道，该风扇总重77克，能提供950克的推力，它的外涵道的材质是塑料，由于结构上没有可固定的部分，通过在外涵道上套一个橡胶圈，然后紧固在风扇固定架2与机身17的凹槽里。

其它组成和连接方式与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图6和图7说明本实施方式，本实施方式中，所述的电控系统包括stm32核心板20、多功能串口信号转换器28、航模遥控器、航模电池21、航模接收机31、两个降压模块和两个电子调速器29，stm32核心板20、多功能串口信号转换器28、航模电池21和航模接收机31设置在机身17的上端面上，其中stm32核心板20和多功能串口信号转换器28自带通孔，可以用螺钉和螺母固定在机身上，两个电子调速器29设置在机身17的下端面上，对于航模电池21、两个电子调速器29和航模接收机31等，可以通过胶粘的方式固定在车身。将电子调速器29放置在机身下部，使得结构紧凑。

航模遥控器向航模接收机31发射出四种指令，分别为油门、顺/逆时针自旋、前进/后退和左进/右进，航模接收机31将接收的四种指令转换为四路PWM信号，并向stm32核心板20输出，通过stm32核心板20识别输入PWM信号的占空比可以判断航模遥控器的控制指令，之后stm32核心板20根据占空比计算出无刷电机和舵机应进行的动作，stm32核心板20将接收的两路PWM信号向多功能串口信号转换器28输出,用以控制舵机9，stm32核心板20将接收的一路PWM信号分别向两个电子调速器29输出，用以分别控制两个涵道风扇1；

航模电池21分别向两个电子调速器29供电，两个电子调速器29在stm32核心板20的控制下分别向两个无刷电机提供驱动电流，航模电池21通过两个降压模块分别向航模接收机31、stm32核心板20和舵机9供电，其中一个降压模块输出5V的电压用于驱动航模接收机31和stm32核心板20，另一个降压模块输出6V的电压用于驱动舵机9。

其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式中，所述的航模电池的电压为14.8V，所述的其中一个降压模块输出的电压为6V，所述的另一个降压模块输出的电压为5V。

其它组成和连接方式与具体实施方式八相同。

Claims (5)

1.一种压力吸附式爬杆机器人，其特征在于：它包括机身(17)、电控系统、两个驱动机构和两个吸附机构，两个驱动机构并排横向相对设置在机身(17)的前端，机身(17)两侧的凹槽里分别设置一个吸附机构，电控系统设置在机身(17)上；

每个驱动机构包括舵机(9)、舵机臂(10)、法兰盘(15)、驱动轴(11)、驱动轮(16)和舵机支架(6)，机身(17)的前端中间位置设置有轴承座(26)，轴承座(26)内并排设置有两个轴承，舵机(9)通过舵机支架(6)安装在机身(17)的下端面上，舵机(9)通过舵机臂(10)与法兰盘(15)固定连接，驱动轮(16)套装在驱动轴(11)上，驱动轴(11)的一端与法兰盘(15)固定连接，驱动轴(11)的另一端设置在轴承的内圈中；所述的驱动轮(16)为球形轮；

在机身(17)的下端面处还设置一个万向轮(32)；

所述的电控系统包括stm32核心板(20)、多功能串口信号转换器(28)、航模遥控器、航模电池(21)、航模接收机(31)、两个降压模块和两个电子调速器(29)，stm32核心板(20)、多功能串口信号转换器(28)、航模电池(21)和航模接收机(31)设置在机身(17)的上端面上，两个电子调速器(29)设置在机身(17)的下端面上；

航模遥控器向航模接收机(31)发射指令，航模接收机(31)将接收的指令转换为PWM信号并向stm32核心板(20)输出，stm32核心板(20)将接收的一部分PWM信号向多功能串口信号转换器(28)输出,用以控制舵机(9)，stm32核心板(20)将接收的另一部分PWM信号分别向两个电子调速器(29)输出，用以分别控制两个涵道风扇(1)；

航模电池(21)分别向两个电子调速器(29)供电，两个电子调速器(29)在stm32核心板(20)的控制下分别向两个无刷电机提供驱动电流，航模电池(21)通过其中一个降压模块向舵机(9)供电，航模电池(21)通过另一个降压模块分别向航模接收机(31)和stm32核心板(20)供电。

2.根据权利要求1所述的一种压力吸附式爬杆机器人，其特征在于：所述的驱动轮(16)为球形橡胶轮。

3.根据权利要求2所述的一种压力吸附式爬杆机器人，其特征在于：每个吸附机构包括涵道风扇(1)、风扇固定架(2)和无刷电机，涵道风扇(1)通过风扇固定架(2)固定在机身(17)的凹槽里，无刷电机驱动涵道风扇(1)转动。

4.根据权利要求3所述的一种压力吸附式爬杆机器人，其特征在于：所述的吸附机构还包括一个橡胶圈(22)，橡胶圈(22)套装在涵道风扇(1)的外涵道上。

5.根据权利要求1所述的一种压力吸附式爬杆机器人，其特征在于：所述的航模电池的电压为14.8V，所述的其中一个降压模块输出的电压为6V，所述的另一个降压模块输出的电压为5V。

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