CN113650695B - 一种刚柔耦合的攀爬机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种刚柔耦合的攀爬机器人，包括至少两个用于环抱于被攀爬物的环形气囊、一一对应固定于两环形气囊一端的两个环抱滚轮驱动模块、一一对应固定于两环抱滚轮驱动模块的两个伸缩滚轮驱动模块和连接于两伸缩滚轮驱动模块之间的长条形气囊；环抱滚轮驱动模块设有使穿过其的环形气囊相对移动的辊子对Ⅰ；伸缩滚轮驱动模块设有使穿过其的长条形气囊相对移动的辊子对Ⅱ；本发明采用模块化设计与刚柔耦合原理，通过具有一定形状的气囊设计环抱机构与伸缩机构实现机器人的总体设计，由于充气气囊具有的一定刚度，可在一定程度上提升机器人的负载能力，同时减小机器人体积，实现便携设计，通过气囊的长短组合实现不同杆径与形状杆状物的适应。
Description
技术领域
本发明专利涉及机器人研究领域尤其是攀爬机器人领域，具体涉及一种可用于杆状物攀爬，对管道、电缆等进行检测与检修的便携式模块化刚柔耦合攀爬机器人。
背景技术
管道、线缆、桁架的检修与操作对人而言都是困难且高危的任务，采用攀爬机器人代替人工作业在安全性、稳定性及精确性等方面具有明显优势。
20世纪80年代，美国、日本等发达国家先后开展了攀爬机器人研究工作，早期，日本早稻田大学成功研制woody-1爬树机器人，该机器人通过两个环形夹持器的交替运动使得机器人沿着树干上下移动。以此为基础，大量的刚性杆状物攀爬机器人(如文献《Designof a micro pole-climbing robot》)被研究出来，主要包括环抱式、勾爪式和夹持式三种类型，由于均是采用刚性结构件制造而成，这些机器大都笨重复杂，对杆状物的大小与形状适应性有限，像勾爪式机器人还会损伤攀爬对象。后来软体机器人得到了迅速发展，基于软体结构，研究者们也相继开发了各类气动爬杆机器人，其中以蠕动式运动最为常见，通常采用两个夹持或环抱结构与一套伸缩结构组合(例如论文《The design and development ofBranch Bot:a branch-crawling,caterpillar-inspired,soft robot》与《Soft Rod-Climbing Robot Inspired by Winding Locomotion of Snake》的研究)，从而实现蠕动运动。但这一类软体机器人通常需要通过气泵进行驱动，为机器人的便携性带来了挑战。同时软体机器人自身的刚度不足、负载较差也阻碍了其发展。此外，上述杆状物攀爬机器人的适应性都十分有限，通常只能攀爬少数甚至单一尺寸或形状的杆状物，难以同时满足不同杆径与不同形状杆状物的适应性要求。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对杆状物攀爬机器人的便携性与适应性难题，采用模块化设计与刚柔耦合原理设计便携式模块化刚柔耦合杆状物攀爬机器人，通过可在使用前简易充气的具有一定形状的气囊设计环抱机构与伸缩机构实现机器人的总体设计，由于充气气囊具有的一定刚度，可在一定程度上提升当前软体机器人的负载能力，同时减小机器人体积，实现便携设计。通过气囊的长短组合实现不同杆径与形状杆状物的适应。
本发明的一种刚柔耦合的攀爬机器人，包括至少两个用于环抱于被攀爬物的环形气囊、一一对应固定于两环形气囊一端的两个环抱滚轮驱动模块、一一对应固定于两环抱滚轮驱动模块的两个伸缩滚轮驱动模块和连接于两伸缩滚轮驱动模块之间的长条形气囊；所述环抱滚轮驱动模块设有使穿过其的环形气囊相对移动的辊子对Ⅰ；所述伸缩滚轮驱动模块设有使穿过其的长条形气囊相对移动的辊子对Ⅱ；
进一步，所述环抱滚轮驱动模块包括连接外壳Ⅰ、安装于连接外壳Ⅰ内的两组辊子对Ⅰ、驱动电机Ⅰ和用于将驱动电机Ⅰ的动力传递至辊子对Ⅰ的传动机构；
进一步，所述伸缩滚轮驱动模块包括连接外壳Ⅱ、安装于连接外壳内的两组辊子对Ⅱ、驱动电机Ⅱ和用于将驱动电机Ⅱ的动力传递至辊子对Ⅱ的传动机构；
进一步，所述传动机构包括连接于驱动电机输出轴与其中一个辊子之间的一级带传动机构、连接于两辊子对中任一辊子之间的二级带传动机构和固定于辊子对的两辊子端部且相互啮合的齿轮；
进一步，连接壳体外可拆卸连接有用于为驱动电机供电的电源和控制驱动电机运动的控制器；
进一步，所述环形气囊和长条形气囊上设有充气孔和排气孔。
本发明的有益效果：
1.模块化设计，使得机器人可以根据应用需求进行组装，气囊充气前体积很小，可方便携带。
2.机器人组成结构简单，控制方便，成本低，性价比高。
3.气囊具有刚柔结合的特性，机器人可以实现较大负载，可以实现被动弯曲以适应弯曲杆状物。
4.气囊实现的环抱机构可以实现小于最大气囊环抱尺寸以下所有尺寸与形状各异的杆状物环抱，使机器人适应变杆径、变形状的管状物攀爬探测。
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为本发明的整体结构示意图；
图2(a)为本发明的伸缩滚轮驱动模块的外部示意图；
图2(b)为本发明的伸缩滚轮驱动模块的内部示意图；
图3(a)为本发明的环抱滚轮驱动模块的外部示意图；
图3(b)为本发明的环抱滚轮驱动模块的内部示意图；
图4为本发明的机器人通过弯曲杆状物处的运动示意图。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的一种刚柔耦合的攀爬机器人，包括两个用于环抱于被攀爬物的环形气囊4、一一对应固定于两环形气囊4一端的两个环抱滚轮驱动模块3、一一对应固定于两环抱滚轮驱动模块3的两个伸缩滚轮驱动模块2和连接于两伸缩滚轮驱动模块2之间的长条形气囊1；所述环抱滚轮驱动模块3设有使穿过其的环形气囊4相对移动的辊子对Ⅰ3-3；所述伸缩滚轮驱动模块2设有使穿过其的长条形气囊1相对移动的辊子对Ⅱ2-3。
如图1所示，环形气囊4一端固定在环抱滚轮驱动模块3的连接外壳上，环形气囊4环抱杆状物5后穿过环抱滚轮驱动模块3内的两个辊子对Ⅰ3-3，实现对杆状物的环抱抓紧。长条形气囊1将两个伸缩滚轮驱动模块2连接在一起，从而使两个环抱结构(包括环形气囊4与环抱滚轮驱动模块3)连接在一起。
所述伸缩滚轮驱动模块2包括连接外壳2-1、传动机构2-2、两辊子对Ⅱ2-3及驱动电机Ⅱ2-4。通过控制驱动电机Ⅱ2-4转动，经过传动机构2-2，驱动辊子对Ⅱ2-3转动，每对辊子对Ⅱ2-3中的两个辊子相向转动，可以使经过其间的充气囊袋产生运动。
所述环抱滚轮驱动模块3包括连接外壳Ⅰ3-1、传动机构3-2、两对辊子对Ⅰ3-3及驱动电机Ⅰ3-4。通过控制驱动电机Ⅰ3-4转动，经过传动机构3-2，辊子对Ⅰ3-3转动，每对辊子对Ⅰ3-3中的两个辊子相向转动，可以使经过其间的充气囊袋产生运动。
控制电机运动的控制器、电池等组件可以安装到伸缩滚轮驱动模块2/环抱滚轮驱动模块3的外壳外侧，通过魔术贴或及其他连接方式实现安装。
长条形气囊1与环形气囊4均为高韧性材料制成的具有设计形状的气囊，其上留有充/排气口，可以实现对气囊的充气与放气。未充气时可折叠至小体积携带。
机器人工作前，根据工作对象的要求，选择合适尺寸的组件，在未充气时，首先将环形气囊4的一端固定在环抱滚轮驱动模块3上，环形气囊4绕过杆状物对象5，穿过辊子对Ⅰ3-3，而后对环形气囊4进行充气，使环形气囊4与环抱滚轮驱动模块3之间产生作用力。其次，以同样的方式将长条形气囊1穿过两个伸缩滚轮驱动模块2，而后对长条形气囊1进行充气。最后将伸缩滚轮驱动模块2安装到环抱滚轮驱动模块3上，并连接各模块的电路。
机器人工作时，以机器人实现如图1中的向上运动为例，通过控制环抱滚轮驱动模块3的电机运动，实现上部环形气囊4的抱紧，下部环形气囊4的松开。驱动伸缩滚轮驱动模块2的电机，实现长条形气囊1产生相对于上部伸缩滚轮驱动模块2的向上移动，同时保持长条形气囊1与下部伸缩滚轮驱动模块2相对静止，从而实现长条形气囊1向上运动而带动整个下部的结构(包括下部环形气囊4、下部伸缩滚轮驱动模块2)向上运动。之后再次控制环抱滚轮驱动模块3的电机运动，实现下部环形气囊4的抱紧，上部环形气囊4的松开。再一次驱动伸缩滚轮驱动模块2的电机，实现上部伸缩滚轮驱动模块2产生相对于长条形气囊1的向上移动，同时保持长条形气囊1与下部伸缩滚轮驱动模块2相对静止，从而实现上部伸缩滚轮驱动模块2向上运动而带动上部环形气囊4向上运动。如此重复，实现机器人的蠕动式向上运动。向下运动或其他倾斜角度杆状物上的攀爬运动参照类似控制方法。
当机器人运动到弯曲位置时，如图4所示，长条形气囊1在向前运动时由于遇到阻碍，基于其具有一定的柔软特性，将产生被动弯曲，从而实现机器人在弯曲管状物处的运动。由于环形气囊4与环抱滚轮驱动模块2配合可以实现类似扎带捆扎的抱紧运动，因此机器人可以在具有变杆径和不规则形状的杆状物上进行环抱。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化；凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种刚柔耦合的攀爬机器人，其特征在于：包括至少两个用于环抱于被攀爬物的环形气囊、一一对应固定于两环形气囊一端的两个环抱滚轮驱动模块、一一对应固定于两环抱滚轮驱动模块的两个伸缩滚轮驱动模块和连接于两伸缩滚轮驱动模块之间的长条形气囊；所述环抱滚轮驱动模块设有使穿过其的环形气囊相对移动的辊子对Ⅰ；所述伸缩滚轮驱动模块设有使穿过其的长条形气囊相对移动的辊子对Ⅱ。
2.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合的攀爬机器人，其特征在于：所述环抱滚轮驱动模块包括连接外壳Ⅰ、安装于连接外壳Ⅰ内的两组辊子对Ⅰ、驱动电机Ⅰ和用于将驱动电机Ⅰ的动力传递至辊子对Ⅰ的传动机构。
3.根据权利要求2所述的一种刚柔耦合的攀爬机器人，其特征在于：所述伸缩滚轮驱动模块包括连接外壳Ⅱ、安装于连接外壳内的两组辊子对Ⅱ、驱动电机Ⅱ和用于将驱动电机Ⅱ的动力传递至辊子对Ⅱ的传动机构。
4.根据权利要求3所述的一种刚柔耦合的攀爬机器人，其特征在于：所述传动机构包括连接于驱动电机输出轴与其中一个辊子之间的一级带传动机构、连接于两辊子对中任一辊子之间的二级带传动机构和固定于辊子对的两辊子端部且相互啮合的齿轮。
5.根据权利要求4所述的一种刚柔耦合的攀爬机器人，其特征在于：连接壳体外可拆卸连接有用于为驱动电机供电的电源和控制驱动电机运动的控制器。
6.根据权利要求5所述的一种刚柔耦合的攀爬机器人，其特征在于：所述环形气囊和长条形气囊上设有充气孔和排气孔。
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