CN111688837A - 一种基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人，包括上机体、下机体和用于驱动所述上机体和下机体相互夹紧的夹紧机构；所述下机体包括下机架、设置于所述下机架的滚轮和用于驱动所述滚轮转动的滚轮驱动电机；所述上机体包括上机架和设置于所述上机架底部的辊筒；所述辊筒与滚轮之间形成用于夹持攀爬带的缝隙；所述夹紧机构包括连接于所述上机架与下机架之间的丝杠螺母机构和用于驱动丝杠转动的丝杠驱动电机；本发明的机器人能适应复杂自然环境，具有多功能、良好攀爬性能、高效率、高负载、高稳定性、结构紧凑的优点，解决攀爬机器人适应复杂环境能力差、攀爬性能、稳定性及承载能力等问题。

Description

一种基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人

技术领域

本发明涉及一种可用于太空电梯研究的轮式连续爬升机器人。具体的，涉及通过研究具有多运动模式的高承载能力、高运动速度、高稳定性的爬升机构，以及复杂环境适应性稳定控制的方法，以为太空电梯机器人在运动可靠性、适应复杂自然环境能力、提高续航能力等关键技术研究提供理论支撑。

背景技术

实现太空电梯功能的一个重要组成部分，就是作为运输主体的太空电梯机器人的设计。其主要由爬升机构、供能系统、环境支持系统、姿态控制系统等组成。利用太空电梯机器人的爬升机构完成货物运输的任务，要求其能够实现沿攀爬带缆快速稳定上升、具备较强的环境适应能力。太空电梯要求的应用环境为自然条件下的非结构化复杂环境，包括大气层内不同程度的雨雪等恶劣天气，且这类非结构化复杂环境多伴随着强对流环境。不规律的恶劣自然环境给机器人的爬升带来困难，要求机器人的爬升机构具有较强的环境适应性和爬升稳定性；因此，太空电梯机器人爬升机构的高承载能力、高运动速度、高稳定性研究是太空电梯机器人研究的首要任务和重点。

目前的太空电梯机器人可采用的爬升机构均存在爬升速度慢、环境适应能力单一以及稳定性不高等的缺点，只能适应无风的环境，且大多数爬升机构仍停留在概念样机阶段，距实际应用还存在较远距离。而国外大多数针对太空电梯的研究，主要集中在攀爬带缆材料的研制，太空电梯整体系统的规划等方面展开。少部分涉及机器人爬升机构的研究中，采用的行进方式均比较单一。而针对复杂自然环境中爬绳机器人移动性能问题的研究仍不够深入。

发明内容

本发明的目的是研制一种能适应复杂自然环境、多功能、良好攀爬性能、高效率、高负载、高稳定性、结构紧凑的小型攀爬机器人，探索解决攀爬机器人适应复杂环境能力差、攀爬性能、稳定性及承载能力等问题。

本发明的基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人，包括上机体、下机体和用于驱动所述上机体和下机体相互夹紧的夹紧机构；所述下机体包括下机架、设置于所述下机架的滚轮和用于驱动所述滚轮转动的滚轮驱动电机；所述上机体包括上机架和设置于所述上机架底部的辊筒；所述辊筒与滚轮之间形成用于夹持攀爬带的缝隙；所述夹紧机构包括连接于所述上机架与下机架之间的丝杠螺母机构和用于驱动丝杠转动的丝杠驱动电机。

进一步的，所述滚轮驱动电机为无刷直流电机，其输出轴通过同步带传动机构驱动所述滚轮转动；所述滚轮、滚轮驱动电机和同步带传动机构为四组并对称分布于所述下机架。

进一步的，所述夹紧机构还包括固定于所述下机架侧壁的导向框架；所述导向框架底部固定有至少两个导柱；所述丝杠螺母机构的螺母固定于螺母固定片，所述导柱穿过螺母固定片并可与之相对滑动；所述丝杠螺母机构的丝杠上端通过丝杠固定座以可自转的方式连接于所述上机架，其下端贯穿所述导向框架与所述螺母螺接；所述导向框架内设有压紧所述螺母固定片的压缩弹簧；所述丝杠驱动电机通过锥齿轮副驱动所述丝杠转动。

进一步的，所述下机体前后两端分别设有两组用于引导攀爬带的导向轮组；所述导向轮组包括两平行设置的导向轮安装板和通过轴承支承于两导向轮安装板之间的四个导向轮。

进一步的，所述上机架侧壁固定设有导向轴；所述下机架侧壁固定有与所述导向轴配合的直线轴承。

进一步的，所述螺母固定片设有用于采集所述压缩弹簧压力的压力传感器；所述上机架固定设有控制板、电子调速器和蓝牙通讯模块；所述控制板的信号接收端连接于压力传感器和蓝牙通讯模块，其信号输出端连接于所述电子调速器；所述控制板基于PID同步耦合控制实现对各个所述滚轮驱动电机和丝杠驱动电机的同步控制。

进一步的，所述上机架和下机架均为铝合金框架结构。

本发明的有益效果：

1.本发明的机器人中驱动系统采用滚轮+辊筒+攀爬带的攀爬方案，该结构一方面可以增加滚轮攀爬带接触面积，减少打滑情况；另一方面可以提高机器人可以沿攀爬带上升稳定性。

2.本发明的机器人通过四个直流电机驱动滚轮转动，四个电机驱动使机器人在具有高速移动性能同时兼具高负载优点。

3.本发明的机器人主动夹紧装置可实现滚轮和攀爬带之间的摩擦力调节以及机器人减速、悬停等操作，从而提高机器人在复杂的自然条件下的适应性。同时机器人可在加速、减速、匀速运动过程中，切换不同夹紧大小，可达到节能的效果。

4.本发明的机器人采用铝合金框架，有效减小轴承座、同步带轮、联轴器等传动部件占用空间，采用电机外部方式有效地避免了机器人空间体积较大、质量较重等问题。机器人整体对称的结构有效地提高了机器人运行的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明的仰视图；

图2为本发明的轴测图；

图3为本发明的左视图。

附图标记：1—无刷直流电机；2—联轴器；3—轴承座；4—小同步带轮；5—大同步带轮；7—直线轴承座；8—下机架；9—滚轮；10—电子调速器Ⅰ；11—电子调速器Ⅱ；12—STM32控制板；13—蓝牙通讯模块；14—无刷直流减速电机；15—电机安装座；16—主动锥齿轮；17—从动锥齿轮；18—丝杠螺母座；19—丝杠固定座；20—丝杠；21—上机架；22—导向装置方管；23—导向轮；24—导向轴；25—导向轴安装座；26—导向轮安装板；27—轴承；28—弹簧；29—丝杠螺母座；30—螺母固定片；31—导向框架；32—辊筒安装钣金；33—辊筒。

具体实施方式

本实施例的基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人，包括上机体、下机体和用于驱动所述上机体和下机体相互夹紧的夹紧机构；

如图2所示，所述下机体包括下机架8、设置于所述下机架8的滚轮9和用于驱动所述滚轮9转动的滚轮驱动电机；其中，滚轮9和滚轮驱动电机均为四个，四个滚轮9呈矩形阵列分布于下机架8底部，四个滚轮驱动电机固定于下机架8的侧壁，滚轮驱动电机为无刷直流电机1，其输出轴通过同步带传动机构驱动所述滚轮9转动；同步带传动机构包括通过联轴器2连接于滚轮驱动电机输出轴的小同步带轮4和同轴固定连接于滚轮9的大同步带轮5，大同步带轮5、小同步带轮4之间通过同步带连接；本机器人采用四个无刷直流电机1提供机器人攀爬时所需动力，四个电机驱动使机器人在具有高速移动性能同时兼具高负载优点。采用联轴器、同步带传动有效提高机器人的动力传递效率。

所述上机体包括上机架21和设置于所述上机架21底部的辊筒33；所述辊筒33与滚轮9之间形成用于夹持攀爬带的缝隙；所述夹紧机构包括连接于所述上机架21与下机架8之间的丝杠螺母机构和用于驱动丝杠20转动的丝杠驱动电机；如图3所示，辊筒33为两对，每对辊筒33通过辊筒安装钣金32安装于上机架21底部，每对辊筒33与一个滚轮9相对；夹紧机构为两个，其分设于上、下机架8的两侧，所述夹紧机构还包括固定于所述下机架8侧壁的导向框架31；所述导向框架31底部固定有至少两个导柱；所述丝杠螺母机构的螺母固定于螺母固定片30，所述导柱穿过螺母固定片30并可与之相对滑动；所述丝杠螺母机构的丝杠20上端通过丝杠固定座19以可自转的方式连接于所述上机架21，其下端贯穿所述导向框架31与所述螺母螺接；所述导向框架31内设有压紧所述螺母固定片30的压缩弹簧28；所述丝杠驱动电机通过锥齿轮副驱动所述丝杠20转动，丝杠驱动电机采用无刷直流减速电机14，其通过电机安装座15固定于上机架21，该电机输出轴固定安装主动锥齿轮16，丝杠20上端固定安装与之啮合的从动锥齿轮17；机器人攀爬时，无刷直流减速电机14通过锥齿轮副带动丝杠20转动，螺母和螺母固定片30沿轴向移动，通过弹簧28推动导向框架31和下机架8靠近上机架21，使滚轮9和辊筒33靠近从而夹紧攀爬带；所述螺母固定片30设有用于采集所述压缩弹簧28压力的压力传感器；所述上机架21固定设有控制板12、电子调速器(10、11)和蓝牙通讯模块13；所述控制板12的信号接收端连接于压力传感器和蓝牙通讯模块13，其信号输出端连接于所述电子调速器(电子调速器为两个分别控制滚轮驱动电机和丝杠驱动电机)；所述控制板12基于PID同步耦合控制实现对各个所述滚轮驱动电机和丝杠驱动电机的同步控制，压力传感器对压紧装置压力数据实时测量，实现数据反馈，利用PID控制电机来实现上下机架8时刻保持平行状态，保证机器人在爬升过程中不会发生偏移。

本机器人采用夹紧机构自动调节攀爬带与滚轮之间的夹紧力，可提高机器人在不同自然条件下的稳定性；通过增大压紧力可以实现机器人减速以及悬停；由于弹簧28的具有可压缩性，当机器人在运动过程中遇到攀爬带厚度变化或者扭曲，可自动压缩弹簧28调节压紧力，避免由于压紧力过大出现卡死，同时还可起到减震作用，提高机器人运动稳定性。

本实施例中，所述下机体前后两端分别通过方管22固定设有两组用于引导攀爬带的导向轮组；所述导向轮组包括两平行设置的导向轮安装板26和通过轴承27支承于两导向轮安装板26之间的四个导向轮23，导向轮23上下对称布置，攀爬带可从两对导向轮23间穿过，保证机器人运动的稳定性，防止机器人在运行过程发生偏转。

本实施例中，所述上机架21侧壁固定设有导向轴24；所述下机架8侧壁固定有与所述导向轴配合的直线轴承7，四个导向轴24通过导向轴安装座25固定于上机架21四角处并与上机架21相互垂直，通过导向轴24和直线轴承7可以进一步确保上机架21和下机架8相互平行。

本实施例中，所述上机架21和下机架8均为对称铝合金框架结构，有效地避免了机器人空间体积较大、质量较重等问题。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人，其特征在于：包括上机体、下机体和用于驱动所述上机体和下机体相互夹紧的夹紧机构；

所述下机体包括下机架、设置于所述下机架的滚轮和用于驱动所述滚轮转动的滚轮驱动电机；

所述上机体包括上机架和设置于所述上机架底部的辊筒；所述辊筒与滚轮之间形成用于夹持攀爬带的缝隙；

所述夹紧机构包括连接于所述上机架与下机架之间的丝杠螺母机构和用于驱动丝杠转动的丝杠驱动电机。

2.根据权利要求1所述的基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人，其特征在于：所述滚轮驱动电机为无刷直流电机，其输出轴通过同步带传动机构驱动所述滚轮转动；所述滚轮、滚轮驱动电机和同步带传动机构为四组并对称分布于所述下机架。

3.根据权利要求2所述的基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人，其特征在于：所述夹紧机构还包括固定于所述下机架侧壁的导向框架；所述导向框架底部固定有至少两个导柱；所述丝杠螺母机构的螺母固定于螺母固定片，所述导柱穿过螺母固定片并可与之相对滑动；所述丝杠螺母机构的丝杠上端通过丝杠固定座以可自转的方式连接于所述上机架，其下端贯穿所述导向框架与所述螺母螺接；所述导向框架内设有压紧所述螺母固定片的压缩弹簧；所述丝杠驱动电机通过锥齿轮副驱动所述丝杠转动。

4.根据权利要求3所述的基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人，其特征在于：所述下机体前后两端分别设有两组用于引导攀爬带的导向轮组；所述导向轮组包括两平行设置的导向轮安装板和通过轴承支承于两导向轮安装板之间的四个导向轮。

5.根据权利要求4所述的基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人，其特征在于：所述上机架侧壁固定设有导向轴；所述下机架侧壁固定有与所述导向轴配合的直线轴承。

6.根据权利要求5所述的基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人，其特征在于：所述螺母固定片设有用于采集所述压缩弹簧压力的压力传感器；所述上机架固定设有控制板、电子调速器和蓝牙通讯模块；所述控制板的信号接收端连接于压力传感器和蓝牙通讯模块，其信号输出端连接于所述电子调速器；所述控制板基于PID同步耦合控制实现对各个所述滚轮驱动电机和丝杠驱动电机的同步控制。

7.根据权利要求6所述的基于主动夹紧装置的高速攀爬机器人，其特征在于：所述上机架和下机架均为铝合金框架结构。

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