CN111216819A - 攀爬机器及其移动方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种攀爬机器及其移动方法，攀爬机器包括机器本体、机械臂、至少两条绳索，每条绳索的一端与悬挂机构相连接，其另一端与机器本体相连接，悬挂机构连接或是脱开对象结构体，悬挂机构和机器本体之间的绳索长度可变，悬挂机构通过绳索拉拽和牵引使机器本体在对象结构体上移动，在机械臂的前端设置有抓持机构，机械臂的末端安装在机器本体上，抓持机构在机械臂的带动下具有空间移动和/或角度调整的能力，且能够抓持任意一个悬挂机构并将其移动，也能够与抓持的悬挂机构脱开。本发明带动机器本体移动时不存在干涉，安全性高，不仅能够在平滑的表面上而且能够在镂空表面和弯折表面上牵引机器本体，具有结构简单，适用范围广等特点。

Description

攀爬机器及其移动方法

技术领域

本发明属于复杂结构体的移动技术领域，特别涉及一种攀爬机器及其移动方法。

背景技术

攀爬机器人是一种重要的高空作业特种机器人。例如，大型路桥或是大型油罐及船体的检测机器人，需要一个能攀附在壁面上并进行移动的机构，检测仪器安装在该移动机器人上。该移动机构通常安装有吸附机构。吸附机构和壁面之间产生吸附力，吸附力使机器人和壁面之间产生摩擦力。摩擦力克服机器人的重力，同时还为机器人的移动提供驱动力。吸附机构通常采用真空吸附或是磁力吸附。然而，这样的机器人存在如下问题：

1）无论机器人采用真空吸附还是磁力吸附，被吸附的对象表面都必须是一个完整表面。如果被吸附的对象表面是镂空表面，例如，铁丝网、钢架、木头栅栏等，显然，真空吸附会产生严重的真空泄漏，磁力吸附机构也会因为没有足够的吸附面积来产生足够的磁力。

2）如果攀爬的对象不是一个平面，而是具有复杂形状的结构，例如具有表面M和表面N的弯折表面，现有的竖直立面移动机器人（轮驱结构）无法从表面M移动至表面N。因为在从表面M移动至表面N的过程中，吸附机构的吸附力会发生失效的情况。例如，吸附机构在吸附弯折的对象表面时，无法贴合对象表面，这会导致吸附失效。

3）把机器人设计成多关节多足的机器人，理论上可以实现弯折表面的跨越。但是，设计这样的机器人是非常困难的。因为多关节、多足的设计会导致机器人的机构变得非常复杂，并且需要很多关节电机，这会大幅增加机器人的重量。机器人重量变大对于攀爬竖直立面是非常不利的，对吸附机构的吸附力要求很高，增加了掉落的风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种攀爬机器及其移动方法，攀爬机器不仅能够在平滑的表面上移动，而且能够在镂空表面的复杂结构体（例如铁塔、铁丝网、钢架等）上移动，而且，结构简单，适用范围广，攀爬机器移动时不存在干涉，安全性高。

本发明是这样实现的，提供一种攀爬机器，包括机器本体、机械臂、至少两条绳索，每条绳索的一端与悬挂机构相连接，其另一端与机器本体相连接，悬挂机构连接或是脱开对象结构体，悬挂机构和机器本体之间的绳索的长度可变，悬挂机构通过绳索拉拽和牵引使机器本体能够在对象结构体上移动，机械臂具有一个或以上的自由度，在机械臂的前端设置有抓持机构，机械臂的末端安装在机器本体上，抓持机构在机械臂的带动下具有空间移动和/或角度调整的能力，且能够抓持任意一个悬挂机构并将其移动，也能够与抓持的悬挂机构脱开。

进一步地，机器本体包括卷绳机构，卷绳机构收、放绳索来改变机器本体和悬挂机构之间的绳索的长度，使机器本体能够在对象结构体上移动。

进一步地，悬挂机构包括卷绳机构，卷绳机构收、放绳索来改变悬挂机构和机器本体之间的绳索的长度，使机器本体能够在对象结构体上移动。

进一步地，抓持机构包括磁性吸附器，在悬挂机构上设有被磁性吸附的导磁表面，磁性吸附器能够吸附或脱开悬挂机构。

进一步地，抓持机构包括机械爪，机械爪开合来抓住或是脱开悬挂机构。

进一步地，悬挂机构包括挂钩，挂钩钩住或脱开对象结构体，实现悬挂机构与对象结构体之间的连接或脱开。

进一步地，悬挂机构包括吸盘，通过吸盘吸附或脱开对象结构体，实现悬挂机构与对象结构体之间的吸附或脱开。

进一步地，在机器本体上设置一个或多个阻尼机构，阻尼机构能够利用空气的流动来产生阻尼力。

进一步地，阻尼机构包括旋翼装置，旋翼装置利用旋翼在空气中旋转时所产生的力来减少机器本体处于悬挂状态时的晃动。

进一步地，所述的阻尼机构包括喷气装置，喷气装置利用喷气的反推力来减少机器本体处于悬挂状态时的晃动。

进一步地，机器本体上设置有晃动状态检测装置，晃动状态检测装置能够检测机器本体的晃动状态。

进一步地，在机器本体上设置有若干轮子。

本发明是这样实现的，提供一种如前所述的攀爬机器的移动方法，包括如下步骤：

第一步、机械臂将抓持机构移动至其中一个悬挂机构，抓持机构连接该悬挂机构；增长该悬挂机构和机器本体之间的绳索的长度，使该绳索处于松弛状态；机械臂把该悬挂机构放置到对象结构体的适当位置，然后，该悬挂机构连接对象结构体；抓持机构脱开该悬挂机构；

第二步、根据实际需要，重复第一步，把其它的悬挂机构放置到对象结构体上的适当位置并与对象结构体连接；

第三步、缩短每个悬挂机构和机器本体之间的绳索的长度，绳索牵引机器本体在对象结构体上移动；

第四步、循环执行第一步、第二步、第三步，机器本体就能够在对象结构体上移动。

与现有技术相比，本发明的攀爬机器及其移动方法，攀爬机器包括机器本体、机械臂、至少两条绳索，每条绳索的一端与悬挂机构相连接，其另一端与机器本体相连接，悬挂机构连接或是脱开对象结构体，悬挂机构和机器本体之间的绳索的长度可变，悬挂机构通过绳索来拉拽和牵引机器本体在对象结构体上移动，在机械臂的前端设置有抓持机构，抓持机构在机械臂的带动下具有空间移动和/或角度调整的能力，能够抓持任意一个悬挂机构并将其移动，也能够与抓持的悬挂机构脱开。本发明带动机器本体移动时不存在干涉，安全性高，不仅能够在平滑的表面上牵引机器本体，而且能够在镂空表面（例如铁丝网、木头栅栏等）和复杂的结构体（例如钢架、铁塔、树枝等）上牵引机器本体；本发明具有结构简单，适用范围广等特点。

附图说明

图1为本发明攀爬机器的第一种实施例的结构原理平面示意图；

图2a为第一种实施例中挂钩与支架的组合状态时的结构示意图，图2b为第一种实施例中真空吸盘与吸附平面的吸附状态下的结构示意图；

图3为本发明攀爬机器的第二种实施例的结构原理平面示意图；

图4为本发明攀爬机器的第三种实施例的结构原理平面示意图；

图5为本发明攀爬机器的第四种实施例的结构原理平面示意图；

图6为图5的攀爬机器的轮子通过突起物时的状态示意图；

图7a、图7b、图7c、图7d、图7e和图7f分别为本发明攀爬机器进行绳牵引移动过程的分步骤的示意图；

图8为现有技术的多臂移动机构的结构原理示意图；

图9为本发明攀爬机器与图9的结构对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1所示，本发明攀爬机器的较佳实施例，包括机器本体1、机械臂2、至少两条绳索3，每条绳索的一端与悬挂机构4相连接，其另一端与机器本体1相连接。悬挂机构4连接或脱开对象结构体P。悬挂机构4和机器本体1之间的绳索3的长度可变，悬挂机构4通过绳索3来拉拽和牵引机器本体1，使机器本体1能够在对象结构体P上移动。

作为另一种可选择的安装形式，机器本体1包括卷绳机构5。每条绳索3的一端与悬挂机构4连接，另一端与机器本体1上的卷绳机构5相连接。卷绳机构5收、放绳索3来改变机器本体1和悬挂机构4之间的绳索的长度，使机器本体1能够在对象结构体P上移动。

作为另一种可选择的安装形式，悬挂机构4包括卷绳机构5。每条绳索3的一端与机器本体1连接，另一端与悬挂机构4上的卷绳机构5相连接。卷绳机构5收、放绳索3来改变悬挂机构4和机器本体1之间的绳索的长度，使机器本体1能够在对象结构体P上移动。

悬挂机构4可连接在对象结构体P上，也可以脱开对象结构体P。悬挂机构4通过绳索3来拉拽和牵引机器本体1在对象结构体P上移动。对象结构体P可以是平滑的墙面、玻璃面，也可以是镂空表面，例如铁丝网、钢架、铁塔、木头栅栏、树枝等，既可以是平面结构（例如铁丝网、墙面等），也可也是立体结构（例如铁塔等），因此，本发明的适用范围广。

机械臂2具有一个或以上的自由度。在机械臂2的前端设置有抓持机构6。机械臂2的末端安装在机器本体1上，抓持机构6在机械臂2的带动下具有空间移动和/或角度调整的能力，能够抓持任意一个悬挂机构4并将其移动，也能够与被抓持的悬挂机构4脱开。

下面结合具体实施例来进一步说明本发明攀爬机器的各种不同结构。

实施例1

请再参照图1所示，本发明攀爬机器的第一种实施例。攀爬机器设有一个机械臂1以及三条绳索3以及与其连接的悬挂机构4。三条绳索3分别称为第一绳索31、第二绳索32和第三绳索33，对应地，三个卷绳机构5分别称为第一卷绳机构51、第二卷绳机构52和第三卷绳机构53，三个悬挂机构4分别称为第一悬挂机构41、第二悬挂机构42和第三悬挂机构43。在实施例中，一个机械臂1和一个抓持机构6依次操控三条绳索3以及与其连接的悬挂机构4。

作为一种实施例，抓持机构6可以是磁性吸附器。在悬挂机构4上设有被磁性吸附的导磁表面，磁性吸附器能够吸附或脱开悬挂机构。在本实施例中，磁性吸附器为电磁铁。当电磁铁通电产生磁场并靠近悬挂机构4，悬挂机构4就会被吸住；电磁铁断电，磁力消失，悬挂机构4就脱开。

作为又一种实施例，抓持机构6是机械爪，机械爪开合来抓住或是脱开悬挂机构4。悬挂机构4为挂钩44。对象结构体P是一种由很多钢条7搭建而成的钢架结构。挂钩44挂在钢条7上，挂钩44和钢条7相互连接；挂钩44从钢条7上取下来，挂钩44和钢条7相互脱开。如图2a所示。

作为另一实施例，悬挂机构4还可以为吸盘45，通过吸盘45吸附或脱开对象结构体P以实现悬挂机构4与对象结构体P之间的吸附或脱开。如图2b所示。

在本实施例中，机械臂2设有第一杆臂22和第二杆臂23，杆臂转动副21连接的第一杆臂22和第二杆臂23，第一杆臂22的另一端与机器本体1通过本体转动副24连接。杆臂转动副21和本体转动副24分别通过电机控制。通过控制电机的转角就能通过机械臂2控制悬挂机构4的位置和角度。通过增加关节数量或是增加每个关节的自由度来实现悬挂机构4的任意空间位置和任意角度的控制。

实施例2

请同时参照图1和图3所示，本发明攀爬机器的第二种实施例。本实施例与第一种实施例的主要区别在于：该攀爬机器设有两个机械臂2和四条绳索3以及与其连接的悬挂机构4，其中，机械臂2的数量少于绳索3以及与其连接的悬挂机构4的数量。与第一种实施例中一个机械臂2依次操作三个悬挂机构4的情况相比，两个机械臂2可以分别同时操作两个悬挂机构4，能够减少放置悬挂机构4的时间，提高机构整体的移动效率。

其它结构和功能与第一种实施例的相同，不再赘述。

实施例3

请同时参照图1和图4所示，本发明攀爬机器的第三种实施例。本实施例与第一种实施例相比，其主要区别在于：在机器本体1上设置一个或多个阻尼机构8，阻尼机构8能够利用空气的流动来产生阻尼力。例如，阻尼机构8是一个或多个喷气装置，利用喷气的反推力来产生阻尼力来减少机器本体1处于悬挂状态时的晃动。又例如，阻尼机构8是一个或多个旋翼装置。旋翼装置利用旋翼在空气中旋转时所产生的力来减少机器本体1处于悬挂状态时的晃动。

机器本体1处于被柔性绳索3吊挂的状态时，机械臂2的动作会使机器本体1发生晃动。此外，外力的干扰（例如横风的影响）也会使机器本体1发生晃动。机器本体1晃动会导致机械臂2的操作难度增加，严重的话甚至会导致机械臂2失控。因此，在工作过程中，抑制机器本体1的晃动是非常有必要的。

通过设置本实施例的一个或多个旋翼装置，可以有效地减少机器本体处于悬挂状态时的晃动。具体实施方式是：在机器本体1上设置晃动状态检测装置，实时检测机器人本体1的运动状态（加速度、速度等）。例如，在晃动状态检测装置里设置多轴加速度传感器，检测机器本体1的在空间方向上的晃动频率和加速度，并对加速度积分得到速度及其时间变化。然后，阻尼机构8的旋翼装置和晃动状态检测装置构成一个控制系统，即，根据晃动状态检测装置反馈的机器本体1晃动状态，控制旋翼装置的力的大小和方向，从而产生抑制机器本体1晃动的阻尼效果。

其它结构和功能与第一种实施例的相同，不再赘述。

实施例4

请同时参照图1和图5所示，本发明攀爬机器的第四种实施例。在机器本体1上安装若干轮子9。设置轮子9的好处有：（1）轮子使整个机构能够在水平的地面上高效地移动；（2）如图6所示，卷绳机构5通过收绳来使机器本体1和悬挂机构4之间的绳索长度变短，于是机器本体1向上移动。当对象结构体P上存在较大突起物N时，如果没有轮子9，机器本体1就会被卡在突起物N上，导致向上移动受阻，严重的话还会导致机构被拉坏。设置轮子9就能很好地解决这个问题。驱动轮子9转动，轮子9和突起物N之间就能形成摩擦力（如图中箭头所示）。摩擦力能带动机器本体1越过突起物N。

其它结构和功能与第一种实施例的相同，不再赘述。

请同时参照图1、图7a至图7f所示，本发明还公开一种如前所述的攀爬机器的移动方法，包括如下步骤：

第一步、机械臂2将抓持机构6移动至其中一个悬挂机构4，抓持机构6连接该悬挂机构4；增长该悬挂机构4和机器本体1之间的绳索3的长度，使该绳索3处于松弛状态并具有适量的长度；机械臂2把该悬挂机构4放置到对象结构体P的适当位置，然后，该悬挂机构4连接对象结构体P；抓持机构6脱开该悬挂机构4。

第二步、根据实际需要，重复第一步，把其它的悬挂机构4放置到对象结构体P上的适当位置并与对象结构体P连接。

第三步、然后，缩短每个悬挂机构4和机器本体1之间的绳索3的长度，绳索3牵引机器本体1在对象结构体P上移动。

第四步、循环执行第一步、第二步、第三步，机器本体1就能够在对象结构体P上移动。

下面以该攀爬机器设有一个机械臂2以及三条绳索3以及与其连接的悬挂机构4为例进行更具体的说明。

如图7a所示，图7a是初始状态，三条绳索3分别称为第一绳索31、第二绳索32和第三绳索33，对应地，三个卷绳机构5分别称为第一卷绳机构51、第二卷绳机构52和第三卷绳机构53，三个悬挂机构4分别称为第一悬挂机构41、第二悬挂机构42和第三悬挂机构43。

攀爬机器进行如下移动。首先，如图7b所示，机械臂2将抓持机构6移动至悬挂机构42并与其连接；卷绳机构52通过放绳来增长该悬挂机构42和机器本体1之间的绳索32的长度，使绳索32处于松弛状态并具有适量的长度；机械臂2把该悬挂机构42放置到对象结构体P的适当位置，然后，该悬挂机构42连接对象结构体P；抓持机构6脱开该悬挂机构43。该过程相当于上述步骤的第一步。

此时，三个悬挂机构4都连接了对象结构体P。然后，如图7c所示，三个卷绳机构5收绳，缩短三个悬挂机构4和机器本体1之间的绳索的长度，绳索牵引机器本体1在对象结构体P上移动。该过程相当于上述步骤的第三步。

至此，机器本体完成了一次移动。在这次移动中，上述步骤的第二步不是必须步骤。

接下来，在图7c的状态下，再讲解下一个移动过程。

首先，如图7d所示，机械臂2将抓持机构6移动至悬挂机构41并与其连接；增长该悬挂机构41和机器本体1之间的绳索31的长度，使绳索31处于松弛状态并具有适量的长度；机械臂2把该悬挂机构41放置到对象结构体P的适当位置，然后，该悬挂机构41连接对象结构体P；抓持机构6脱开该悬挂机构41。该过程相当于上述步骤的第一步。

接着，如图7e所示，机械臂2将抓持机构6移动至悬挂机构43并与其连接；增长该悬挂机构43和机器本体1之间的绳索33的长度，使绳索33处于松弛状态并具有适量的长度；机械臂2把该悬挂机构43放置到对象结构体P的适当位置，然后，该悬挂机构43连接对象结构体P；抓持机构6脱开该悬挂机构43。该过程相当于上述步骤的第二步，即，重复第一步的过程来放置其他悬挂机构。

然后，如图7f所示，三个卷绳机构5收绳，缩短三个悬挂机构4和机器本体1之间的绳索的长度，牵引机器本体1在对象结构体P上移动。该过程相当于上述步骤的第三步。

循环执行上述操作，机器本体就能够在对象结构体P上移动。请同时参照图8和图9所示，本发明的攀爬机器与现有的多臂移动机器相比，具有以下优点。

1）如图8所示，现有的多臂移动机器在机器本体1'上设置的机械臂2'数量和悬挂机构4'的数量相同，导致机构的整体重量大。当机械臂2'的自由度越多，关节越多，关节驱动电机也就越多，整体重量会急剧上升。而本发明只需要一个机械臂2就能够移动多个悬挂机构4。本发明通过减少机械臂2的数量和采用重量极轻的绳索3来大幅减轻了移动机构的整体重量。

2）现有的多臂移动机构的每个机械臂2'的前端与悬挂机构4'是不可脱开的，导致机械臂2'的功能单一。而本发明的机械臂2与悬挂机构4是可脱开的，因此，机械臂2还能发挥其他的作用，例如，机械臂2脱开悬挂机构4后抓持摄像头，实施拍摄工作。又例如，机械臂2脱开悬挂机构4后抓持检测装置，实施检测作业。

3）以图8所示的现有多臂移动机构为例，第一悬挂机构的悬挂点、第一机械臂的各关节、第二悬挂机构的悬挂点、第二机械臂的各关节组合构成了多边形ABCDEFGH。因为机械臂2'所有的关节都是电机驱动的关节，在移动的过程中，所有关节是相互干涉的，所以，所有的关节都必须严格地协调联动，这是一个高难度的控制。如果一个关节的动作出了问题，多边形ABCDEFGH就会卡死，进而导致电机烧毁、机构断裂等严重问题。本发明使用的绳索3具有柔软性，不会出现机构卡死、机构干涉的问题。以图9为例来说明，第一悬挂机构41的悬挂点、第一卷绳机构51、第二悬挂机构42的悬挂点和第二卷绳机构52构成一个梯形ABCD。在两个卷绳机构5收、放绳索3的过程中，两根柔软的绳索3使梯形结构任意变形，两个卷绳机构5不需要严格的协调控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种攀爬机器，其特征在于，包括机器本体、机械臂、至少两条绳索，每条绳索的一端与悬挂机构相连接，其另一端与机器本体相连接，悬挂机构连接或是脱开对象结构体，悬挂机构和机器本体之间的绳索的长度可变，悬挂机构通过绳索拉拽和牵引使机器本体能够在对象结构体上移动，机械臂具有一个或以上的自由度，在机械臂的前端设置有抓持机构，机械臂的末端安装在机器本体上，抓持机构在机械臂的带动下具有空间移动和/或角度调整的能力，且能够抓持任意一个悬挂机构并将其移动，也能够与被抓持的悬挂机构脱开。

2.如权利要求1所述的攀爬机器，其特征在于，机器本体包括卷绳机构，卷绳机构收、放绳索来改变机器本体和悬挂机构之间的绳索的长度，使机器本体能够在对象结构体上移动。

3.如权利要求1所述的攀爬机器，其特征在于，悬挂机构包括卷绳机构，卷绳机构收、放绳索来改变悬挂机构和机器本体之间的绳索的长度，使机器本体能够在对象结构体上移动。

4.如权利要求1或2或3所述的攀爬机器，其特征在于，抓持机构包括磁性吸附器，在悬挂机构上设有被磁性吸附的导磁表面，磁性吸附器能够吸附或脱开悬挂机构。

5.如权利要求1或2或3所述的攀爬机器，其特征在于，抓持机构包括机械爪，机械爪开合来抓住或脱开悬挂机构。

6.如权利要求1或2或3所述的攀爬机器，其特征在于，悬挂机构包括挂钩，挂钩钩住或脱开对象结构体，实现悬挂机构与对象结构体之间的连接或脱开。

7.如权利要求1或2或3所述的攀爬机器，其特征在于，悬挂机构包括吸盘，通过吸盘吸附或脱开对象结构体，实现悬挂机构与对象结构体之间的吸附或脱开。

8.如权利要求1所述的攀爬机器，其特征在于，在机器本体上设置一个或多个阻尼机构，阻尼机构能够利用空气的流动来产生阻尼力。

9.如权利要求8所述的攀爬机器，其特征在于，所述的阻尼机构包括旋翼装置，旋翼装置利用旋翼在空气中旋转时所产生的力来减少机器本体处于悬挂状态时的晃动。

10.如权利要求8所述的攀爬机器，其特征在于，所述的阻尼机构包括喷气装置，喷气装置利用喷气的反推力来减少机器本体处于悬挂状态时的晃动。

11.如权利要求8或9或10所述的攀爬机器，其特征在于，机器本体上设置有晃动状态检测装置，晃动状态检测装置能够检测机器本体的晃动状态。

12.如权利要求1或2或3或8所述的攀爬机器，其特征在于，在机器本体上设置有若干轮子。

13.一种如权利要求1至12中任意一项所述的攀爬机器的移动方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步、机械臂将抓持机构移动至其中一个悬挂机构，抓持机构连接该悬挂机构；增长该悬挂机构和机器本体之间的绳索的长度，使该绳索处于松弛状态；机械臂把该悬挂机构放置到对象结构体的适当位置，然后，该悬挂机构连接对象结构体；抓持机构脱开该悬挂机构；

第二步、根据实际需要，重复第一步，把其它的悬挂机构放置到对象结构体上的适当位置并与对象结构体连接；

第三步、缩短每个悬挂机构和机器本体之间的绳索的长度，绳索牵引机器本体在对象结构体上移动；

第四步、循环执行第一步、第二步、第三步，机器本体就能够在对象结构体上移动。

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