CN110228544B - 一种轻型便携式自适应爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻型便携式自适应爬杆机器人，包括运动平台、驱动装置和传动机构，驱动装置的输出轴经减速器减速后通过一联轴器将动力传递到动力输入轴；传动机构包括四套结构相同的爬行轮传动结构，每套爬行轮传动结构包括传动轴、摆臂和旋转轴和摩擦轮；传动轴与运动平台之间为相对转动连接；摆臂的一端与传动轴转动连接，旋转轴的一端与摆臂的另一端转动连接，摩擦轮固定在旋转轴上；四套爬行轮传动结构中的传动轴按照在周向上均布在运动平台的同一圆周上；动力输入轴将动力分为两支，分别带动位于杆体两侧的两个摩擦轮，另外两个摩擦轮为随动。本发明可以满足不同截面和直径变化的直杆或弯管的爬杆维护等作业需求。

Description

一种轻型便携式自适应爬杆机器人

技术领域

本发明涉及一种轻型便携式自适应爬杆机器人，具体地说是一种结构简单，体积轻巧，能够适应不同曲率的杆径和管径，并能够使机器人可以在爬杆或下降的过程中自由调节速度，方便携带且易于现场安装和操作的爬杆机器人。

背景技术

随着社会的进步，愈来愈多危险或者具有一定高度难度的任务需要爬杆机器人来完成，市场上现有的很多爬杆机器人因结构复杂体型笨重且灵活性差而难以投入实际应用。随着工业需求的增加和社会的发展，杆截面形式多种多样，同一杆的直径尺寸存在变化，这给定速爬行的适应性提出了巨大挑战。为解决上述问题，需要爬杆机器人具有结构轻巧，方便携带、适应性强且易于现场操作的特点。

发明内容

本发明为解决现有爬杆机器人中存在的问题而提供一种轻型便携式自适应爬杆机器人，以满足不同截面和直径变化的直杆或弯管的爬杆维护等作业需求。

为了解决现有爬杆机器人体积大、重量大、适应性差等问题，本发明提出的一种轻型便携式自适应爬杆机器人，包括运动平台、驱动装置和传动机构，所述驱动装置包括固定在所述运动平台上的驱动电机，所述驱动电机的输出轴经减速器减速后通过一联轴器将动力传递到动力输入轴；所述传动机构包括四套结构相同的爬行轮传动结构，每套爬行轮传动结构包括传动轴、摆臂和旋转轴和摩擦轮；所述传动轴设置在运动平台上，所述传动轴与所述运动平台之间为相对转动连接；所述摆臂的一端与所述传动轴转动连接，所述旋转轴的一端与所述摆臂的另一端转动连接，所述摩擦轮固定在所述旋转轴上；四套爬行轮传动结构中的传动轴按照在周向上均布在所述运动平台的同一圆周上；四套爬行轮传动结构按照顺时针依次记为第一套爬行轮传动结构、第二套爬行轮传动结构；第三套爬行轮传动结构和第四套爬行轮传动结构；其中，所述动力输入轴与第一套爬行轮传动结构中的旋转轴之间为皮带传动；所述动力输入轴与第一套爬行轮传动结构中的传动轴之间为齿轮传动，第一套爬行轮传动结构中的传动轴与第二套爬行轮传动结构中的传动轴之间为皮带传动，第二套爬行轮传动结构中的传动轴与第二套爬行轮传动结构中的旋转轴之间为皮带传动；所述第一套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端与所述第二套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端之间连接有弹簧张紧机构；所述第三套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端与所述第四套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端之间连接有弹簧张紧机构。

进一步讲，本发明的轻型便携式自适应爬杆机器人，其中，所述传动轴与所述运动平台之间的相对转动连接采用双列轴承，所述运动平台与轴承外圈之间采用卡簧轴向定位，所述传动轴与轴承内圈之间采用套筒轴向定位。

所述摆臂的一端与所述传动轴之间的转动连接及所述摆臂的另一端与所述旋转轴的一端的转动连接均采用双列轴承，轴承内圈的轴向定位采用卡簧定位，轴承外圈的定位采用轴承盖定位。

所有的皮带传动的传动比为1:1；所述齿轮传动的传动比为1:1。

皮带传动及齿轮传动中，皮带轮与轴之间、齿轮与轴之间均采用顶丝进行固定。

所述弹簧张紧机构采用拉伸弹簧或是扭转弹簧或是两种的结合。

所述摩擦轮的外回转面与要爬行的杆件的外回转面形状相适应。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用了多个摆臂和多个摩擦轮以及弹簧张紧机构，使得本发明的爬杆机器人可自动适应不同直径尺寸范围的杆件，同时对于一定曲率的弯曲杆件亦有一定的适应性。

(2)通过合理的几何参数设计和摩擦轮廓形设计，本发明的爬杆机器人可适应多种复杂截面形状的杆件。

(3)本发明所设计爬杆机器人的结构简单，零部件重量轻，易于制造和装配，成本较低。

(4)本发明所设计的爬杆机器人安装操作方便，便于快速拆装和携带，运动平台上可安装清洗、喷涂、监视、机械臂等各种执行工作单元，方便野外和现场作业。

附图说明

图1为本发明轻型便携式自适应爬杆机器人爬升状态的俯视图：

图2为图1所示轻型便携式自适应爬杆机器人整体爬升示意图。

图中：1-第一主动摩擦轮，2-第二主动摩擦轮，3-第一套爬行轮传动结构中的旋转轴，4-第一摆臂，5-动力输入轴，6-第一套爬行轮传动结构中的传动轴，7-运动平台，8-第二套爬行轮传动结构中的传动轴，9-第二摆臂，10-第二套爬行轮传动结构中的旋转轴，11-第四套爬行轮传动结构中的传动轴，12-第三套爬行轮传动结构中的旋转轴，13-第三摆臂，14-第四套爬行轮传动结构中的旋转轴，15-第四摆臂，16-第四套爬行轮传动结构中的传动轴，21-第一随动摩擦轮，22-第二随动摩擦轮。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

如图1和图2所示，本发明提出的一种轻型便携式自适应爬杆机器人，包括运动平台、驱动装置和传动机构，所述驱动装置包括固定在所述运动平台上的驱动电机，所述驱动电机的输出轴经减速器减速后通过一联轴器将动力传递到动力输入轴5。

所述传动机构包括四套结构相同的爬行轮传动结构，每套爬行轮传动结构包括传动轴、摆臂和旋转轴和摩擦轮；所述传动轴设置在运动平台上，所述传动轴与所述运动平台之间为相对转动连接，所述传动轴与所述运动平台之间的相对转动连接采用双列轴承，所述运动平台与轴承外圈之间采用卡簧轴向定位，所述传动轴与轴承内圈之间采用套筒轴向定位。

所述摆臂的一端与所述传动轴转动连接，所述旋转轴的一端与所述摆臂的另一端转动连接，所述摆臂的一端与所述传动轴之间的转动连接及所述摆臂的另一端与所述旋转轴的一端的转动连接均采用双列轴承，轴承内圈的轴向定位采用卡簧定位，轴承外圈的定位采用轴承盖定位。所述摩擦轮固定在所述旋转轴上。

如图2所示，四套爬行轮传动结构中的传动轴按照在周向上均布在所述运动平台的同一圆周上。四套爬行轮传动结构按照顺时针依次记为第一套爬行轮传动结构、第二套爬行轮传动结构、第三套爬行轮传动结构和第四套爬行轮传动结构。本发明中，所述动力输入轴5与第一套爬行轮传动结构中的旋转轴3之间为皮带传动；所述动力输入轴5与第一套爬行轮传动结构中的传动轴6之间为齿轮传动，第一套爬行轮传动结构中的传动轴6与第二套爬行轮传动结构中的传动轴8之间为皮带传动，第二套爬行轮传动结构中的传动轴8与第二套爬行轮传动结构中的旋转轴10之间为皮带传动；所有的皮带传动的传动比为1:1；所述齿轮传动的传动比为1:1。皮带传动及齿轮传动中，皮带轮与轴之间、齿轮与轴之间均采用顶丝进行固定。

所述第一套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端与所述第二套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端之间连接有弹簧张紧机构；所述第三套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端与所述第四套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端之间连接有弹簧张紧机构。以保证摩擦轮与要爬升的杆件之间有充足的摩擦，所述弹簧张紧机构采用拉伸弹簧或是扭转弹簧或是两种的结合。

所述驱动装置包括电源、控制器、驱动电机组成，固定安装于所述运动平台7上，电源接通后，通过红外线等远程控制方式控制控制器，以调节驱动电机的转动方向及转动速度，从而调控机器人的运动方向和运动速度。本发明中共有四条摆臂，包括第一摆臂4、第二摆臂9、第三摆臂15和第四摆臂16，且每条摆臂的一端均分别通过旋转轴转动的连接一摩擦轮，每条摆臂的另一端分别转动连接于所述运动平台7，每条摆臂的两端以及运动平台7上各采用一对有一定跨距的双列轴承以改善装置受力状况，运动平台7上的轴承采用阶梯孔和卡簧进行定位轴承外圈，阶梯轴和套筒定位内圈，实现轴与运动平台的轴向固定，摆臂与轴之间的轴承采用阶梯孔和轴承盖定位轴承外圈，套筒、阶梯轴和卡簧定位轴承内圈，实现轴与摆臂的轴向固定，摆臂的另一端轴承采用阶梯孔定位轴承外圈，阶梯轴和卡簧定位轴承内圈，实现轴与摆臂的轴向固定。

本发明中，所述驱动装置通过所述传动机构驱动四条摆臂其中的两个摩擦轮，为了改善机器人整体的平衡状况，两个主动摩擦轮位于要爬行的杆件的两侧，所述摩擦轮的外回转面与要爬行的杆件的外回转面形状相适应。图2中上方的两个摩擦轮即为第一主动摩擦轮1和第二主动摩擦轮2，两个主动摩擦轮产生相反的旋转运动(向上爬升或是向下爬行)，而下面的两个摩擦轮是随动的，即第一随动摩擦轮21和第二随动摩擦轮22。在第一套爬行轮传动结构中的旋转轴3与第二套爬行轮传动结构中的旋转轴10之间以及第三套爬行轮传动结构中的旋转轴12与第四套爬行轮传动结构中的旋转轴14之间各安装有两组弹簧张紧机构，安装位置分别位于旋转轴的自由端或是旋转轴上摩擦轮的两侧。所述弹簧张紧机构建议采用拉伸弹簧，其拉伸弹簧的两端分别转动连接于一对对应摩擦轮的一端。

如图2所示，本发明的传动过程是：接通电源后，驱动电机经减速器减速后通过联轴器将动力传递到动力输入轴5，随后，动力分为两支，一支通过皮带传动由动力输入轴5传递至第一套爬行轮传动结构中的旋转轴3，从而带动第一主动摩擦轮1转动，另一支经过齿轮传动由动力输入轴5传递至第一套爬行轮传动结构中的传动轴6，再采用皮带传动经第二套爬行轮传动结构中的传动轴8将动力传递至第二套爬行轮传动结构中的旋转轴10，从而带动第二主动摩擦轮2转动，由于齿轮传动充当传动介轮的作用，因此，第二主动摩擦轮2余第一主动摩擦轮1的转向相反，通过控制驱动电机的转向，控制爬杆机器人沿杆件上行或是下行。本发明轻型便携式自适应爬杆机器人的工作原理为：爬杆机器人的摆臂和摩擦轮分布在杆件两侧，通过弹簧张紧机构使分布在杆件两侧的摩擦轮抱紧杆件，并依靠摩擦轮的主动旋转运动及其与杆件间的摩擦力产生爬行运动。依靠弹簧机构的适应性和摆臂的自适应摆动，该爬杆机器人能自动适应杆件截面形状和尺寸变化。通过启停、变向及调速控制，可方便调节爬杆机器人爬杆方向和速度。

本发明爬杆机器人可自动适应不同直径尺寸范围的杆件，同时对于一定曲率的弯曲杆件亦有一定的适应性。通过合理的几何参数设计和摩擦轮廓形设计，本发明的爬杆机器人可适应多种复杂截面形状的杆件。本发明爬杆机器人结构简单，零部件重量轻，易于制造和装配，成本较低。本发明机器人安装操作方便，便于快速拆装和携带，运动平台上可安装清洗、喷涂、监视、机械臂等各种执行工作单元，方便野外和现场作业。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明的应用空间并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，具有典型性，却并不是限制性的，在爬杆领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明原理宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出多种变化形式，增加多种附带功能，如清洗、维护等，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种轻型便携式自适应爬杆机器人，包括运动平台、驱动装置和传动机构，其特征在于：

所述驱动装置包括固定在所述运动平台上的驱动电机，所述驱动电机的输出轴经减速器减速后通过一联轴器将动力传递到动力输入轴(5)；

所述传动机构包括四套结构相同的爬行轮传动结构，每套爬行轮传动结构包括传动轴、摆臂和旋转轴和摩擦轮；所述传动轴设置在运动平台上，所述传动轴与所述运动平台之间为相对转动连接；所述摆臂的一端与所述传动轴转动连接，所述旋转轴的一端与所述摆臂的另一端转动连接，所述摩擦轮固定在所述旋转轴上；

四套爬行轮传动结构中的传动轴按照在周向上均布在所述运动平台的同一圆周上；

四套爬行轮传动结构按照顺时针依次记为第一套爬行轮传动结构、第二套爬行轮传动结构、第三套爬行轮传动结构和第四套爬行轮传动结构；

其中，所述动力输入轴(5)与第一套爬行轮传动结构中的旋转轴(3)之间为皮带传动；所述动力输入轴(5)与第一套爬行轮传动结构中的传动轴(6)之间为齿轮传动，第一套爬行轮传动结构中的传动轴(6)与第二套爬行轮传动结构中的传动轴(8)之间为皮带传动，第二套爬行轮传动结构中的传动轴(8)与第二套爬行轮传动结构中的旋转轴(10)之间为皮带传动；

所述第一套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端与所述第二套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端之间连接有弹簧张紧机构；

所述第三套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端与所述第四套爬行轮传动结构的旋转轴的自由端之间连接有弹簧张紧机构。

2.根据权利要求1所述轻型便携式自适应爬杆机器人，其特征在于，所述传动轴与所述运动平台之间的相对转动连接采用双列轴承，所述运动平台与轴承外圈之间采用卡簧轴向定位，所述传动轴与轴承内圈之间采用套筒轴向定位。

3.根据权利要求1所述轻型便携式自适应爬杆机器人，其特征在于，所述摆臂的一端与所述传动轴之间的转动连接及所述摆臂的另一端与所述旋转轴的一端的转动连接均采用双列轴承，轴承内圈的轴向定位采用卡簧定位，轴承外圈的定位采用轴承盖定位。

4.根据权利要求1所述轻型便携式自适应爬杆机器人，其特征在于，所有的皮带传动的传动比为1:1；所述齿轮传动的传动比为1:1。

5.根据权利要求1所述轻型便携式自适应爬杆机器人，其特征在于，皮带传动及齿轮传动中，皮带轮与轴之间、齿轮与轴之间均采用顶丝进行固定。

6.根据权利要求1所述轻型便携式自适应爬杆机器人，其特征在于，所述弹簧张紧机构采用拉伸弹簧或是扭转弹簧或是两种的结合。

7.根据权利要求1所述轻型便携式自适应爬杆机器人，其特征在于，所述摩擦轮的外回转面与要爬行的杆件的外回转面形状相适应。

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