CN110789629B - 可越障的爬绳机器人及其越障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可越障的爬绳机器人及其越障方法。该爬绳机器人包括机器人本体，该机器人本体包括外壳、驱动模块、导向模块；外壳纵切成偶数个外壳分体，并按照驱动模块、导向模块在外壳内的安装位置横切分段为对应的驱动壳体段、导向壳体段，导向模块至少有一个，导向壳体段至少有一段，同时外壳内还安装有壳体张开机构；壳体张开机构包括用于张开/合拢导向壳体段的第一壳体张开机构、用于张开/合拢驱动壳体段的第二壳体张开机构。由此可知，本发明所述的爬绳机器人可以自由进行移动并翻越因故障不能运动的故障机器人，从而实现无线传感器监测网络的自主布置和修复，对于检测到的轻微损伤及已出现损伤的位置设置常驻节点进行全天候的监测。

Description

可越障的爬绳机器人及其越障方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种可越障的爬绳机器人及其越障方法。

背景技术

机器人不仅可以完成日常生活中单调且繁琐的工作，使人类的生活更加简单，而且可以代替人们进入人类触不可及的地方完成人类无法完成的工作，比如狭窄纵深环境、无氧环境、高热环境、极寒环境等。因而，利用纵深环境中的钢丝绳作为载体，在钢丝绳上布置多个爬绳机器人组成无线传感器监测网络来完成对钢丝绳的表面和周围的环境的监测、维修等工作。但是当位于钢丝绳上的机器人发生故障不能运动时，会破坏原有的无线传感器监测网络，虽然可以通过调整其他运行正常的机器人来修复无线传感监测网络，但是其修复能力不强且会导致整个控制系统的复杂化，而且若是位于某一巡检区域的多个爬绳机器人均损坏时，则会导致整个无线传感器监测网络的瘫痪，可能会给企业生产和工作人员带来严重的威胁。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种可翻越的爬绳机器人，其可以自由进行移动并翻越因故障不能运动的故障机器人，从而实现无线传感器监测网络的自主布置和修复，对于检测到的轻微损伤及已出现损伤的位置设置常驻节点进行全天候的监测。

为实现上述的技术目的，本发明将采取如下的技术方案：

一种可翻越的爬绳机器人，包括机器人本体，该机器人本体能够沿着导向件攀爬，包括外壳、驱动模块、导向模块；所述外壳两端的中部位置处设置对穿的用于导向件穿过的通孔，驱动模块、导向模块沿着导向件的延伸方向分别安装在外壳内，所述外壳纵切成偶数个外壳分体，并按照驱动模块、导向模块在外壳内的安装位置横切分段为对应的驱动壳体段、导向壳体段，导向模块至少有一个，导向壳体段至少有一段，同时外壳内还安装有壳体张开机构；

所述壳体张开机构，包括用于张开/合拢导向壳体段的第一壳体张开机构、用于张开/合拢驱动壳体段的第二壳体张开机构；

所述的第一壳体张开机构，针对每一段导向壳体段对应的每一个外壳分体，均配装一个；各第一壳体张开机构的配合能够张开/合拢外壳中导向壳体段对应的外壳分体，每一个第一壳体张开机构均包括壳体张开安装平台、记忆合金扭转弹簧；记忆合金扭转弹簧安装在壳体张开安装平台上，且壳体张开安装平台的一端扭臂固定在壳体张开安装平台上，另一端扭臂则固定于与导向壳体段对应的其中一个外壳分体上；

所述的第二壳体张开机构，能够张开/合拢外壳中驱动壳体段对应的两个呈180°设置的外壳分体，包括剪式杆件以及通过同步推动剪式杆件同向移动而实现剪式杆件张开/合拢的调整机构；调整机构包括两个直线驱动机构，两个直线驱动机构的固定部分分别对应安装在所述的呈180°设置的外壳分体内；剪式杆件中的两杆件，每一根杆件的两端，均连接在两个直线驱动机构中的其中一个直线驱动机构的固定部分、另一个直线驱动机构的动力驱动端之间；

壳体张开安装平台与第二壳体张开机构的直线驱动机构的固定部分固定。

进一步地，所述导向模块为两个，分别为第一导向模块、第二导向模块，并沿着导向件的长度延伸方向分设在驱动模块的两侧；

所述外壳横切成三段，依次为第一段壳体、第二段壳体、第三段壳体；

第一段壳体、第三段壳体均为导向壳体段，第一导向模块安装于第一段壳体内，第二导向模块安装于第三段壳体；

第二段壳体为驱动壳体段。

进一步地，所述外壳纵切成4个外壳分体，分别为第一外壳分体、第二外壳分体、第三外壳分体、第四外壳分体。

进一步地，所述的直线驱动机构为丝杠机构，包括步进电机、与步进电机的动力输出端连接的螺旋丝杠以及与螺旋丝杠螺纹配合连接的丝杠螺母；各丝杠机构的螺旋丝杠对应地沿着外壳的长度延伸方向固定在与第二段壳体相应的各外壳分体内；壳体张开安装平台通过螺栓与螺旋丝杠固定。

进一步地，所述的第一壳体张开机构还包括双头螺柱、弹簧垫片、螺母；

双头螺柱通过两端配装的螺母与壳体张开安装平台固定；

记忆合金扭转弹簧套接在双头螺柱外围；且双头螺柱在记忆合金扭转弹簧的两端或者一端外侧分别配装弹簧垫片。

进一步地，所述驱动模块，设置于外壳内，包括四个小驱动模块，分别为第一小驱动模块、第二小驱动模块、第三小驱动模块、第四小驱动模块；第一小驱动模块、第二小驱动模块、第三小驱动模块、第四小驱动模块分为两层设置在外壳内，

第一小驱动模块、第三小驱动模块构成驱动模块的上层驱动，呈180°分布在第一段壳体、第二段壳体的拼接位置处的同一环面上；第二小驱动模块、第四小驱动模块构成驱动模块的下层驱动，呈180°分布在第二段壳体、第三段壳体的拼接位置处的同一环面上。

进一步地，每一个小驱动模块均包括一个驱动机构平台、直流无刷电机、一个减速机、一级锥齿轮减速器、一根传动轴以及一个磁轮，直流无刷电机、减速机、一级锥齿轮减速器、传动轴分别安装在驱动机构平台上，且直流无刷电机的动力输出端依次经过减速机、一级锥齿轮减速器、传动轴后，与磁轮连。

进一步地，所述的导向模块，均包括四个导向小模块，各导向小模块与壳体的四个外壳分体一一对应布置；每一个导向小模块均包括一个导向机构支架、一根导向机构张紧弹簧以及一个导向轮，导向轮通过导向机构支架定位支撑，而导向机构支架通过导向机构张紧弹簧与外壳固定；导向机构张紧弹簧采用记忆合金材质制成。

进一步地，第一段壳体、第三段壳体均呈圆台形，第二段壳体则呈圆柱形；壳体通过第一段壳体、第二段壳体、第三段壳体的顺序拼接形成一个中间粗、两端渐缩的类橄榄形结构。

本发明的另一个技术目的是提供一种基于上述的可翻越的爬绳机器人的越障方法，当机器人本体感测到运行前方存在故障机器人时，通过控制驱动模块、导向模块、壳体张开机构，促使机器人本体翻越故障机器人，具体包括以下步骤：

（1）当机器人本体收到前方存在故障机器人时，转动步进电机，解除预紧状态；

（2）直流无刷电机转动，带动磁轮转动；此时红外传感器工作，检测前方是否存在故障机器人；

（3）红外传感器检测到故障机器人后，制停驱动模块的直流无刷电机，同时对记忆合金扭转弹簧进行加热；

（4）当记忆合金扭转弹簧加热结束后，直流无刷电机和步进电机共同转动，翻越故障机器人的第三段壳体；第三段壳体翻越结束后，步进电机停止转动；

（5）当磁轮到达故障机器人的第一段壳体时，机器人本体的步进电机回转，收缩剪式杆件；

（6）当机器人本体完全翻越过故障机器人后，步进电机停止转动，直流无刷电机继续转动；

（7）判断机器人达到指定位置，直流无刷电机停止转动，步进电机转动使螺旋丝杠进行预紧。

根据上述的技术方案，可知本发明相对于现有技术，本发明具有如下的优点：

1.本发明首先将机器人本体的外壳纵切成块，并采用特定的张开机构实现机器人本体的张开/合拢，为机器人本体越障作准备；同时还将机器人本体横切成段（导向壳体段、驱动壳体段分段设置），使得越障能够实施，由此可知，本发明机器人不仅可以翻越钢丝绳上的小障碍，还可以翻越自己本身，在组成无线监测网络时，其网络故障自主修复能力更强。

2.机器人可沿着钢丝绳或者杆件的轴向进行运动，其载重更大。

3.机器人的驱动机构为四个独立动力的磁轮，磁轮结构相对于蠕动式和履带式移动方式具有更高的巡检效率；机器人的轮子为磁轮，可提供足够的吸附力，相对于其它弹簧张紧等结构，其可提供的摩擦力更大，机器人性能更好。

附图说明

图1为本发明所述的可越障的爬绳机器人剖视图；

图2为本发明所述的可越障的爬绳机器人驱动模块剖视图；

图3为本发明所述的可越障的爬绳机器人导向机构剖视图；

图4为本发明所述的可越障的爬绳机器人记忆合金机构剖视图；

图5为本发明所述的可越障的爬绳机器人控制流程图；

图1-5中：1、上部导向机构外壳；2、上部导向装置；3、记忆合金机构；4、中部外壳；5、钢丝绳；6、电源放置平台；7、下部导向机构外壳；8、控制器和无线通信设备放置平台；9、螺旋丝杠；10、剪式杆件；11、驱动模块；12、下部导向装置；13、电机；14、减速机；15、磁轮；16、驱动机构平台；17、锥齿轮组；18、传动轴；19、双头螺柱；20、记忆合金扭转弹簧；21、壳体张开安装平台；22、弹簧垫片；23、螺母；24、导向轮；25、导向机构支架；26、导向机构张紧弹簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)。

如图1至5所示，本发明所述的可翻越的爬绳机器人，包括机器人本体，该机器人本体能够沿着导向件攀爬，包括外壳、驱动模块、导向模块；所述外壳两端的中部位置处设置对穿的用于导向件穿过的通孔，驱动模块、导向模块沿着导向件的延伸方向分别安装在外壳内，所述外壳纵切成偶数个外壳分体，并按照驱动模块、导向模块在外壳内的安装位置横切分段为对应的驱动壳体段、导向壳体段，导向模块至少有一个，导向壳体段至少有一段，同时外壳内还安装有壳体张开机构； 所述壳体张开机构，包括用于张开/合拢导向壳体段的第一壳体张开机构、用于张开/合拢驱动壳体段的第二壳体张开机构；所述的第一壳体张开机构，针对每一段导向壳体段对应的每一个外壳分体，均配装一个；各第一壳体张开机构的配合能够张开/合拢外壳中导向壳体段对应的外壳分体，每一个第一壳体张开机构均包括壳体张开安装平台、记忆合金扭转弹簧；记忆合金扭转弹簧安装在壳体张开安装平台上，且壳体张开安装平台的一端扭臂固定在壳体张开安装平台上，另一端扭臂则固定于与导向壳体段对应的其中一个外壳分体上；所述的第二壳体张开机构，能够张开/合拢外壳中驱动壳体段对应的两个呈180°设置的外壳分体，包括剪式杆件以及通过同步推动剪式杆件同向移动而实现剪式杆件张开/合拢的调整机构；调整机构包括两个直线驱动机构，两个直线驱动机构的固定部分分别对应安装在所述的呈180°设置的外壳分体内；剪式杆件中的两杆件，每一根杆件的两端，均连接在两个直线驱动机构中的其中一个直线驱动机构的固定部分、另一个直线驱动机构的动力驱动端之间；壳体张开安装平台与第二壳体张开机构的直线驱动机构的固定部分固定。

进一步地，所述导向模块为两个，分别为第一导向模块、第二导向模块，并沿着导向件的长度延伸方向分设在驱动模块的两侧；所述外壳横切成三段，依次为第一段壳体、第二段壳体、第三段壳体；第一段壳体、第三段壳体均为导向壳体段，第一导向模块安装于第一段壳体内，第二导向模块安装于第三段壳体；第二段壳体为驱动壳体段。

进一步地，所述外壳纵切成4个外壳分体，分别为第一外壳分体、第二外壳分体、第三外壳分体、第四外壳分体。

进一步地，所述的直线驱动机构为丝杠机构，包括步进电机、与步进电机的动力输出端连接的螺旋丝杠以及与螺旋丝杠螺纹配合连接的丝杠螺母；各丝杠机构的螺旋丝杠对应地沿着外壳的长度延伸方向固定在与第二段壳体相应的各外壳分体内；壳体张开安装平台通过螺栓与螺旋丝杠固定。

进一步地，所述的第一壳体张开机构还包括双头螺柱、弹簧垫片、螺母；双头螺柱通过两端配装的螺母与壳体张开安装平台固定；记忆合金扭转弹簧套接在双头螺柱外围；且双头螺柱在记忆合金扭转弹簧的两端或者一端外侧分别配装弹簧垫片。

进一步地，所述驱动模块，设置于外壳内，包括四个小驱动模块，分别为第一小驱动模块、第二小驱动模块、第三小驱动模块、第四小驱动模块；第一小驱动模块、第二小驱动模块、第三小驱动模块、第四小驱动模块分为两层设置在外壳内，第一小驱动模块、第三小驱动模块构成驱动模块的上层驱动，呈180°分布在第一段壳体、第二段壳体的拼接位置处的同一环面上；第二小驱动模块、第四小驱动模块构成驱动模块的下层驱动，呈180°分布在第二段壳体、第三段壳体的拼接位置处的同一环面上。每一个小驱动模块均包括一个驱动机构平台、直流无刷电机、一个减速机、一级锥齿轮减速器、一根传动轴以及一个磁轮，直流无刷电机、减速机、一级锥齿轮减速器、传动轴分别安装在驱动机构平台上，且直流无刷电机的动力输出端依次经过减速机、一级锥齿轮减速器、传动轴后，与磁轮连。

所述的导向模块，均包括四个导向小模块，各导向小模块与壳体的四个外壳分体一一对应布置；每一个导向小模块均包括一个导向机构支架、一根导向机构张紧弹簧以及一个导向轮，导向轮通过导向机构支架定位支撑，而导向机构支架通过导向机构张紧弹簧与外壳固定；导向机构张紧弹簧采用记忆合金材质制成。进一步地，第一段壳体、第三段壳体均呈圆台形，第二段壳体则呈圆柱形；壳体通过第一段壳体、第二段壳体、第三段壳体的顺序拼接形成一个中间粗、两端渐缩的类橄榄形结构。

本发明的另一个技术目的是提供一种基于上述的可翻越的爬绳机器人的越障方法，当机器人本体感测到运行前方存在故障机器人时，通过控制驱动模块、导向模块、壳体张开机构，促使机器人本体翻越故障机器人，具体包括以下步骤：

（1）当机器人本体收到前方存在故障机器人时，转动步进电机，解除预紧状态；

（2）直流无刷电机转动，带动磁轮转动；此时红外传感器工作，检测前方是否存在故障机器人；

（3）红外传感器检测到故障机器人后，制停驱动模块的直流无刷电机，同时对记忆合金扭转弹簧进行加热；

（4）当记忆合金扭转弹簧加热结束后，直流无刷电机和步进电机共同转动，翻越故障机器人的第三段壳体；第三段壳体翻越结束后，步进电机停止转动；

（5）当磁轮到达故障机器人的第一段壳体时，机器人本体的步进电机回转，收缩剪式杆件；

（6）当机器人本体完全翻越过故障机器人后，步进电机停止转动，直流无刷电机继续转动；

（7）判断机器人达到指定位置，直流无刷电机停止转动，步进电机转动使螺旋丝杠进行预紧。

实施例

以下将结合附图详细地说明本发明的一个具体实施例。如图1至5所示，本发明所述的可越障的爬绳机器人，包括机器人本体，该机器人本体包括外壳、外壳张开机构、驱动模块以及导向模块；其中：

所述外壳，两端（图1所示为上、下两端）的中部位置处设置对穿的通孔，用于钢丝绳、直杆等导向件穿过，使得机器人本体在正常的工作状况下，能够利用通常呈竖直置放的导向件（比如钢丝绳、直杆等部件），在驱动模块的动力驱动下，导向模块的辅助导向下，沿着前述的导向件攀爬。

为使得本发明所述的机器人本体在攀爬过程中，当前述的导向件上存在障碍物（主要是在导向件的长度方向上布置若干个机器人本体，某一机器人本体存在故障而不能沿着导向件攀爬时，就会成为后方爬行的其他机器人本体的障碍物）时，能够翻越该障碍物，本发明首先将所述的外壳纵切成2个以上的分体，图1所示的外壳，均匀纵切成4个外壳分体，分别为第一外壳分体、第二外壳分体、第三外壳分体、第四外壳分体；第一外壳分体、第二外壳分体、第三外壳分体、第四外壳分体按序能够围合形成所述的外壳。由此，可以通过在壳体内设置壳体张开机构，以将各外壳的分体从内向外推开，实现壳体打开的目的，则在翻越障碍物时，机器人本体的各分体能够处于障碍物的外围，即障碍物包覆在机器人本体的外壳内。

本发明中，所述的驱动模块设置在壳体内腔的中部位置，导向模块具有两个，分别为第一、第二导向模块，对称地分设在驱动模块的两端，附图中，第一导向模块位于驱动模块的上端，第二导向模块位于驱动模块的下端。驱动模块所具有的驱动轮能够沿着导向件攀爬，而导向模块所具有的导向轮也能够沿着导向件移动。

由于机器人本体沿着导向件的攀爬运动是逐步的，如果将通长的外壳分体打开，必然将第一导向模块的导向轮、驱动模块的驱动轮以及第二导向模块的导向轮同时拉离导向件，由此，驱动模块的驱动轮在未抵达障碍物时，就脱离导向件，从而无法进行驱动。因此，本发明将所述的壳体横切成三段，依次为第一段壳体、第二段壳体、第三段壳体，按照图1所示方向，第一段壳体位于上方，第三段壳体位于下方，第二段壳体位于第一段壳体、第三段壳体之间。此时，外壳的四个外壳分体，在与第一段壳体对应的位置处，分别为第一段外壳分体a、第一段外壳分体b、第一段外壳分体c、第一段外壳分体d；在与第二段壳体对应的位置处，分别为第二段外壳分体a、第二段外壳分体b、第二段外壳分体c、第二段外壳分体d；在与第三段壳体对应的位置处，分别为第三段外壳分体a、第三段外壳分体b、第三段外壳分体c、第三段外壳分体d；所述的第一段外壳分体a、第二段外壳分体a、第三段外壳分体a能够拼接形成通长的第一外壳分体；所述的第一段外壳分体b、第二段外壳分体b、第三段外壳分体b能够拼接形成通长的第二外壳分体；所述的第一段外壳分体c、第二段外壳分体c、第三段外壳分体c能够拼接形成通长的第三外壳分体；所述的第一段外壳分体d、第二段外壳分体d、第三段外壳分体d能够拼接形成通长的第四外壳分体。

另外，为便于所述的爬绳机器人翻越障碍物（前方故障的爬绳机器人），本发明将所述的壳体设置成类橄榄形，具体地，第一段壳体、第三段壳体均呈圆台形，且第一段壳体的窄端在上、宽端在下，第三段壳体的宽端在上、窄端在下，而第二段壳体则呈圆柱形，第一段壳体的窄端、第三段壳体的窄端设置贯穿的通孔，便于导向件的穿设。由此，壳体通过第一段壳体、第二段壳体、第三段壳体的顺序拼接，可以形成一个中间粗、两端渐缩的类橄榄形结构。

本发明所述的壳体张开机构包括两类，分别是第一、第二壳体张开机构，第一壳体张开机构具有两个，分别为第一壳体张开机构a、第一壳体张开机构b，分别用于打开对应的第一段壳体、第三段壳体，且第一壳体张开机构a对应第一段壳体、第二段壳体的拼接位置处设置于外壳内，用于张开/合拢第一段壳体；第一壳体张开机构b对应于第二段壳体、第三段壳体的拼接位置处设置于外壳内，用于张开/合拢第三段壳体。第二壳体张开机构设置于第二段壳体内，用于张开/合拢第二段壳体。其中：

所述的第二壳体张开机构，包括丝杠机构以及剪式杆件；丝杠机构包括步进电机、与步进电机的动力输出端连接的螺旋丝杠以及与螺旋丝杠螺纹配合连接的丝杠螺母。

针对每一个第二段外壳的外壳分体，均配置一个丝杠机构。由于本发明所述的外壳分体有4个（第二段外壳分体a、第二段外壳分体b、第二段外壳分体c、第二段外壳分体d），则丝杠机构的数量为4个，对应为第一、第二、第三、第四丝杠机构。

各丝杠机构的螺旋丝杠对应地沿着外壳的长度延伸方向固定在与第二段壳体相应的各外壳分体内，即：第一丝杠机构的螺旋丝杠对应地固定在与第二段壳体相应的第一外壳分体内，第二丝杠机构的螺旋丝杠对应地固定在与第二段壳体相应的第二外壳分体内，第三丝杠机构的螺旋丝杠对应地固定在与第二段壳体相应的第三外壳分体内，第四丝杠机构的螺旋丝杠对应地固定在与第二段壳体相应的第四外壳分体内。

所述的剪式杆件的数量为两个，分别为第一、第二剪式杆件；各剪式杆件均包括两根杆件，分别为杆件a、杆件b；其中：第一剪式杆件的杆件a的一端与第一丝杠机构的螺旋丝杠的杆端固定连接，而第一剪式杆件的杆件a的另一端则与第三丝杠机构的丝杠螺母固定连接；第一剪式杆件的杆件b的一端与第三丝杠机构的螺旋丝杠的杆端固定连接，而第一剪式杆件的杆件b的另一端则与第一丝杠机构的丝杠螺母固定连接。由此可知，当第三丝杠机构的步进电机启动时，第一剪式杆件的杆件a能够通过第三丝杠机构的丝杠螺母沿着第三丝杠机构的螺纹丝杠移动，当第一丝杠机构的步进电机启动时，第一剪式杆件的杆件a能够通过第一丝杠机构的丝杠螺母沿着第一丝杠机构的螺纹丝杠移动，因此，可以带动对应于第三段壳体的第一外壳分体（与第一丝杠机构固定的第一外壳分体）、第三外壳分体（与第三丝杠机构固定）相向或者相背运动。同理，第二剪式杆件的杆件a的一端与第二丝杠机构的螺旋丝杠的杆端固定连接，而第二剪式杆件的杆件a的另一端则与第四丝杠机构的丝杠螺母固定连接；第二剪式杆件的杆件b的一端与第四丝杠机构的螺旋丝杠的杆端固定连接，而第二剪式杆件的杆件b的另一端则与第二丝杠机构的丝杠螺母固定连接。由此可知，当第四丝杠机构的步进电机启动时，第二剪式杆件的杆件a能够通过第四丝杠机构的丝杠螺母沿着第四丝杠机构的螺纹丝杠移动；当第二丝杠机构的步进电机启动时，第二剪式杆件的杆件a能够通过第二丝杠机构的丝杠螺母沿着第二丝杠机构的螺纹丝杠移动，因此，可以带动对应于第三段壳体的第二外壳分体（与第二丝杠机构固定）、第四外壳分体（与第四丝杠机构固定）相向或者相背运动。综上所述，四个丝杠机构的步进电机的协同工作，可以同步打开/合拢第三段壳体对应位置处的各外壳分体。

所述的第一壳体张开机构，以记忆合金扭转弹簧为主体，具体包括双头螺柱、记忆合金扭转弹簧、壳体张开安装平台、弹簧垫片、螺母；

针对每一个外壳分体，均分别配装一个第一壳体张开机构a、一个第一壳体张开机构b；由于本发明所述的外壳分体有4个（第一、第二、第三、第四外壳分体），则第一壳体张开机构的数量为8个（四个为第一壳体张开机构a、四个为第一壳体张开机构b）。四个第一壳体张开机构a，分别为第一壳体张开机构a1、第一壳体张开机构a2、第一壳体张开机构a3、第一壳体张开机构a4；四个第一壳体张开机构a，一端均通过各自的壳体张开安装平台与四个丝杠机构的螺纹丝杠一一对应固定连接，另一端则通过记忆合金扭转弹簧与对应于第一段壳体设置的四个外壳分体一一对应连接；具体地，每一个第一壳体张开机构a中，壳体张开安装平台通过螺栓与螺旋丝杠固定，记忆合金扭转弹簧套接在双头螺柱外围，且记忆合金扭转弹簧的一端扭臂固定在壳体张开安装平台上，另一端扭臂则固定于与第一段壳体对应的其中一个外壳分体上。双头螺柱通过两端配装的螺母与壳体张开安装平台固定，另外，双头螺柱上也在记忆合金扭转弹簧的两端或者一端外侧分别配装弹簧垫片。本发明采用螺旋丝杠的原因是其具有自锁的功能，这样在悬停时不需要电机驱动，在电机故障断电时不会出现节点系统坠落事故。

所述驱动模块，设置于外壳内，包括四个小驱动模块，每一个小驱动模块均包括一个驱动机构平台、直流无刷电机、一个减速机、一级锥齿轮减速器、一根传动轴以及一个磁轮，直流无刷电机、减速机、一级锥齿轮减速器、传动轴分别安装在驱动机构平台上，且直流无刷电机的动力输出端依次经过减速机、一级锥齿轮减速器、传动轴后，与磁轮连接，动力源从直流无刷电机输出后，经过减速机的减速增矩后，再经过一级锥齿轮减速器减速后，将动力输出到传动轴上，带动传动轴上的磁轮进行转动，以驱动机器人本体沿着导向件攀爬，机器人与导向件之间的吸附力由磁轮提供。

四个小驱动模块，分别为第一小驱动模块、第二小驱动模块、第三小驱动模块、第四小驱动模块；第一小驱动模块、第二小驱动模块、第三小驱动模块、第四小驱动模块分为两层设置在外壳内，其中：第一小驱动模块、第三小驱动模块构成驱动模块的上层驱动，呈180°分布在第一段壳体、第二段壳体的拼接位置处的同一环面上；第二小驱动模块、第四小驱动模块构成驱动模块的下层驱动，呈180°分布在第二段壳体、第三段壳体的拼接位置处的同一环面上。具体地，如附图1所示，第一小驱动模块、第三小驱动模块布置在第二段壳体内腔的上端，且第一小驱动模块的驱动机构平台与第一丝杠上端的端头固定，第三小驱动模块的驱动机构平台则与第三丝杠上端的端头固定；第二小驱动模块、第四小驱动模块布置在第二段壳体内腔的下端，且第二小驱动模块的驱动机构平台与第二丝杠下端的端头固定，第四小驱动模块的驱动机构平台则与第四丝杠下端的端头固定。第一丝杠下端的端头、第三丝杠下端的端头、第二丝杠上端的端头、第四丝杠上端的端头均安装有用于安装电源的电源放置平台以及用于安装控制器及其通信设备的通信-控制设备放置平台。另外，所述的第二壳体张开机构位于上层驱动、下层驱动之间。所述电源为本安型电源，可提供多路电压为驱动结构、传感器及其它电气元件供电。所述通信控制装置为一块集成电路板，具有无线通信、GPS定位、PID调速、传感器信号采集和处理的功能。通信控制装置不是本方案的重点，在此不做详述。

所述的导向模块，主要起导向作用，具有两个，分别为第一导向模块、第二导向模块，其中，第一导向模块布置在第一段壳体中，第二导向模块则布置在第三段壳体中。第一导向模块、第二导向模块均包括四个导向小模块，各导向小模块与壳体的四个外壳分体一一对应布置，可采用胶水粘接或者焊接，也可采用螺栓进行连接；每一个导向小模块均包括一个导向机构支架、一根导向机构张紧弹簧以及一个导向轮，导向轮通过导向机构支架定位支撑，而导向机构支架通过导向机构张紧弹簧与外壳固定，通过导向机构张紧弹簧提供一定的张紧力，使得导向轮不会脱离钢丝绳（导向件）。导向机构张紧弹簧采用记忆合金材质制成，在不翻越已发生故障机器人时，导向机构张紧弹簧不作用；当需要翻越时，给导向机构张紧弹簧通电，使得导向机构张紧弹簧作用，在扭矩的作用下将第一段壳体/第二段壳体打开，做好翻越准备。

如图5所示，所述机器人沿着在纵深环境中布置的钢丝绳5上工作。机器人会有三种运行状态：第一种，不需要运动，悬停在钢丝绳上作为通信节点使用；第二种，仅需要在与其相邻的两个机器人之间运动；第三种，需要越过故障机器人。针对以上三种情况，毫无疑问，第一种情况不需要对机器人进行运动控制，可不考虑；第二种情况只需要考虑直流无刷电机13的驱动（攀爬），较为简单，可在第三种情况中进行研讨；第三种情况最为复杂，其控制相对较为复杂，其中包括了直流无刷电机13的控制（攀爬）、步进电机的控制（越障）、记忆合金扭转弹簧20的控制（越障准备）以及对红外传感器（障碍物感测）的控制。因而此处我们仅对第三种情况进行软件控制设计。

控制流程可分为以下步骤：

（1）当布置于钢丝绳上的爬绳机器人组成的无线传感网络无法正常工作时，系统会根据故障状态对爬绳机器人进行控制，在悬停时步进电机处于预紧状态，当爬绳机器人收到越障的信号时，步进电机转动解除预紧状态；

（2）此时直流无刷电机转动，带动磁轮转动，此时红外传感器工作，检测前方是否存在已发生故障的机器人；

（3）红外传感器检测到故障机器人后，直流无刷电机停止转动，同时对记忆合金扭转弹簧进行加热；

（4）当加热结束后，直流无刷电机和步进电机共同转动，进行对故障机器人的下部导向机构外壳翻越，翻越结束后，步进电机停止转动；

（5）当磁轮到达故障机器人上部导向机构外壳（第一段外壳）部位时，步进电机回转，收缩剪式杆件；

（6）当完全翻越过故障机器人后，步进电机停止转动，直流无刷电机继续转动；

（7）判断机器人达到指定位置，直流无刷电机停止转动，步进电机转动使螺旋丝杠进行预紧；

（8）爬绳机器人整个运动过程结束。

本发明可越障的爬绳机器人的使用方法：

第一步，安装阶段。首先根据钢丝绳的直径确定磁轮外表面圆弧曲面的直径并选择好需要搭载的传感器，并将传感器和摄像头固定在机器人的搭载平台上，按要求完成电路的连接。先将驱动模块、张开机构、导向模块、外壳、电源模块、通信模块先组装好，然后先将机器人的中部按照上述步骤安装在钢丝绳上，然后按照相同方法将机器人上、下两个部分分别与中部外壳模块相连。

第二步，调试阶段。连接电源模块、通信控制模块和驱动模块，测试驱动模块和传感器是否正常工作，测试机器人在钢丝绳上正常上爬、悬停、下行以及越障功能，保证机器人磁轮在运行中不会脱离钢丝绳。

第三步，正式运行阶段。地面控制中心发送启动及行走命令，由通信控制模块接收并控制机器人按照设定的速度进行攀爬，同时，地面控制中心查看各个传感器传输回来的数据比，如检测电源模块的剩余电量、机器人是否工作正常、井筒内部的温度和湿度等信息。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可翻越的爬绳机器人，包括机器人本体，该机器人本体能够沿着导向件攀爬，包括外壳、驱动模块、导向模块；所述外壳两端的中部位置处设置对穿的用于导向件穿过的通孔，驱动模块、导向模块沿着导向件的延伸方向分别安装在外壳内，其特征在于，所述外壳纵切成偶数个外壳分体，并按照驱动模块、导向模块在外壳内的安装位置横切分段为对应的驱动壳体段、导向壳体段，导向模块至少有一个，导向壳体段至少有一段，同时外壳内还安装有壳体张开机构；

所述壳体张开机构，包括用于张开/合拢导向壳体段的第一壳体张开机构、用于张开/合拢驱动壳体段的第二壳体张开机构；

所述的第一壳体张开机构，针对每一段导向壳体段对应的每一个外壳分体，均配装一个；各第一壳体张开机构的配合能够张开/合拢外壳中导向壳体段对应的外壳分体，每一个第一壳体张开机构均包括壳体张开安装平台、记忆合金扭转弹簧；记忆合金扭转弹簧安装在壳体张开安装平台上，且壳体张开安装平台的一端扭臂固定在壳体张开安装平台上，另一端扭臂则固定于与导向壳体段对应的其中一个外壳分体上；

所述的第二壳体张开机构，能够张开/合拢外壳中驱动壳体段对应的两个呈180°设置的外壳分体，包括剪式杆件以及通过同步推动剪式杆件同向移动而实现剪式杆件张开/合拢的调整机构；调整机构包括两个直线驱动机构，两个直线驱动机构的固定部分分别对应安装在所述的呈180°设置的外壳分体内；剪式杆件中的两杆件，每一根杆件的两端，均连接在两个直线驱动机构中的其中一个直线驱动机构的固定部分、另一个直线驱动机构的动力驱动端之间；

壳体张开安装平台与第二壳体张开机构的直线驱动机构的固定部分固定；

所述导向模块为两个，分别为第一导向模块、第二导向模块，并沿着导向件的长度延伸方向分设在驱动模块的两侧；

所述外壳横切成三段，依次为第一段壳体、第二段壳体、第三段壳体；

第一段壳体、第三段壳体均为导向壳体段，第一导向模块安装于第一段壳体内，第二导向模块安装于第三段壳体；

第二段壳体为驱动壳体段；

所述驱动模块，设置于外壳内，包括四个小驱动模块，分别为第一小驱动模块、第二小驱动模块、第三小驱动模块、第四小驱动模块；第一小驱动模块、第二小驱动模块、第三小驱动模块、第四小驱动模块分为两层设置在外壳内，

第一小驱动模块、第三小驱动模块构成驱动模块的上层驱动，呈180°分布在第一段壳体、第二段壳体的拼接位置处的同一环面上；第二小驱动模块、第四小驱动模块构成驱动模块的下层驱动，呈180°分布在第二段壳体、第三段壳体的拼接位置处的同一环面上。

2.根据权利要求1所述的可翻越的爬绳机器人，其特征在于，所述外壳纵切成4个外壳分体，分别为第一外壳分体、第二外壳分体、第三外壳分体、第四外壳分体。

3.根据权利要求2所述的可翻越的爬绳机器人，其特征在于，所述的直线驱动机构为丝杠机构，包括步进电机、与步进电机的动力输出端连接的螺旋丝杠以及与螺旋丝杠螺纹配合连接的丝杠螺母；各丝杠机构的螺旋丝杠对应地沿着外壳的长度延伸方向固定在与第二段壳体相应的各外壳分体内；壳体张开安装平台通过螺栓与螺旋丝杠固定。

4.根据权利要求3所述的可翻越的爬绳机器人，其特征在于，所述的第一壳体张开机构还包括双头螺柱、弹簧垫片、螺母；

双头螺柱通过两端配装的螺母与壳体张开安装平台固定；

记忆合金扭转弹簧套接在双头螺柱外围；且双头螺柱在记忆合金扭转弹簧的两端或者一端外侧分别配装弹簧垫片。

5.根据权利要求4所述的可翻越的爬绳机器人，其特征在于，每一个小驱动模块均包括一个驱动机构平台、直流无刷电机、一个减速机、一级锥齿轮减速器、一根传动轴以及一个磁轮，直流无刷电机、减速机、一级锥齿轮减速器、传动轴分别安装在驱动机构平台上，且直流无刷电机的动力输出端依次经过减速机、一级锥齿轮减速器、传动轴后，与磁轮连。

6.根据权利要求5所述的可翻越的爬绳机器人，其特征在于，所述的导向模块，均包括四个导向小模块，各导向小模块与壳体的四个外壳分体一一对应布置；每一个导向小模块均包括一个导向机构支架、一根导向机构张紧弹簧以及一个导向轮，导向轮通过导向机构支架定位支撑，而导向机构支架通过导向机构张紧弹簧与外壳固定；导向机构张紧弹簧采用记忆合金材质制成。

7.根据权利要求2所述的可翻越的爬绳机器人，其特征在于，第一段壳体、第三段壳体均呈圆台形，第二段壳体则呈圆柱形；壳体通过第一段壳体、第二段壳体、第三段壳体的顺序拼接形成一个中间粗、两端渐缩的类橄榄形结构。

8.一种基于权利要求1所述的可翻越的爬绳机器人的越障方法，其特征在于，当机器人本体感测到运行前方存在故障机器人时，通过控制驱动模块、导向模块、壳体张开机构，促使机器人本体翻越故障机器人，具体包括以下步骤：

（1）当机器人本体收到前方存在故障机器人时，转动步进电机，解除预紧状态；

（2）直流无刷电机转动，带动磁轮转动；此时红外传感器工作，检测前方是否存在故障机器人；

（3）红外传感器检测到故障机器人后，制停驱动模块的直流无刷电机，同时对记忆合金扭转弹簧进行加热；

（4）当记忆合金扭转弹簧加热结束后，直流无刷电机和步进电机共同转动，翻越故障机器人的第三段壳体；第三段壳体翻越结束后，步进电机停止转动；

（5）当磁轮到达故障机器人的第一段壳体时，机器人本体的步进电机回转，收缩剪式杆件；

（6）当机器人本体完全翻越过故障机器人后，步进电机停止转动，直流无刷电机继续转动；

（7）判断机器人达到指定位置，直流无刷电机停止转动，步进电机转动使螺旋丝杠进行预紧。

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