CN213320132U - 用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，包括夹持机构、升降机构、转向机构和行走机构；升降机构包括第一丝杆螺母机构；行走机构包括第二丝杆螺母机构，第二丝杆螺母机构的两端分别连接两个升降机构，升降机构的螺母连接夹持机构；转向机构包括法兰联轴器和转向电机及其安装板，转向机构连接行走机构和中间两个机械手。夹持机构包括齿轮齿条机构和机械手，通过齿轮齿条机构实现机械手的开合。根据实际的管道布局情况，采用不同立体交叉管道攀爬机器人运动规划方法，可实现不同场合的攀爬机器人操控，并用于相应的作业任务中。

Description

用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构

技术领域

本实用新型涉及机器人技术领域，具体涉及一种用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构。

背景技术

随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，机器人因为其能代替人类完成任务并且具有一些人类所不具备的特性，所以在许多行业都有着重要的作用。在一些特殊场合和极端环境下，机器人便可以代替人们完成特殊任务，比如拆弹机器人、巡航机器人以及攀爬机器人等。在高层建筑发生火灾等特殊情况时，为了能保障人们的生命安全，可以考虑使用管道攀爬机器人通过屋外管道到达现场，运送一些应急物资如食物、药品或逃生绳索等。

实用新型内容

本实用新型提供一种用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，可在建筑物外的落水管外壁上攀爬行走，具备一定的负载能力。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，包括夹持机构、升降机构、转向机构和行走机构；所述升降机构包括第一丝杆螺母机构；所述行走机构包括第二丝杆螺母机构，第二丝杆螺母机构的两端分别连接两个升降机构，升降机构的螺母连接夹持机构；所述转向机构包括两个伸缩机构、两个夹持机构和转向电机，转向电机的输出端连接法兰联轴器，法兰联轴器的端面固定于行走机构的螺母，两个伸缩机构分别固定于转向电机的两侧，转向电机带动两个夹持机构转动，两个夹持机构分别连接两个伸缩机构的螺母。

进一步的，所述夹持机构包括夹持机构电机、电机安装板、齿轮、两个齿条、两个安装板和机械手；夹持机构电机安装在电机安装板上，其输出轴穿过电机安装板，通过联轴器连接齿轮的轴；两个齿条对称分布在齿轮两侧，在齿轮的带动下同步反向运动；两个安装板分别连接两个齿条；所述机械手分为两部分，分别安装在安装板上；电机安装板连接升降机构的螺母。

进一步的，所述安装板上下安装有两个三角块，形成V型结构，两个安装板及四个三角块构成所述机械手。

进一步的，所述安装板上设有腰型孔，两个安装板上的同一水平面的三角块与腰型孔螺栓螺母连接，通过调节其在腰型孔中的位置可让夹持机构适应不同管径的工作环境。

进一步的，所述齿轮和齿条的外侧设有保护壳，所述电机安装板和保护壳之间连接有两个支架连接并固定，保证夹持机构在运动时不会发生翻转。

进一步的，所述升降机构还包括升降机构安装板，第一丝杆螺母机构的基座安装于升降机构安装板的一侧，升降机构安装板的另一侧设有导向杆基座和导向杆，导向杆穿过夹持机构的电机安装板，保证升降机构动作时机械手不会翻转。

进一步的，所述第一丝杆螺母机构的行程超过落水管外径的两倍，以满足在立体交叉管道上转向的要求。

基于上述机器人的运动规划方法，机器人在竖直管道攀爬时，首尾两个机械手先夹紧落水管，中间两个机械手松开，行走机构的螺母停在靠近尾端的一侧，此时行走机构的电机转动，将螺母抬升，螺母在靠近首端的一侧停下，停下后中间两个机械手夹紧落水管，首尾两个机械手松开，行走机构的电机反转，螺母固定，将其他部分抬升，尾端靠近螺母时停止运动，至此完成一个攀爬的过程，如此往复即可实现连续的攀爬运动。

进一步的，机器人在攀爬平面交叉管道时，如果是经过交叉点后直行，则在中间的两个机械手的间隙对准管道交叉点的时候将行走机构的丝杆电机停下，保证中间机械手在抓紧管道时不会与管道发生干涉；机器人在经过交叉点后直行的过程中，首端机械手先行通过管道交叉点，之后中间的两个机械手和尾端的机械手依次通过管道交叉点；每个机械手经过管道交叉点时都需要将末端的机械手抬升上去，以免被另一根管道挡住行进路线。

进一步的，机器人在攀爬立体交叉管道时，当中间机械手到达管道交叉点处并夹紧时，首尾两个机械手松开并抬升，之后转向机构电机转动，将机器人除中间两个机械手之外的其他部分相对旋转一定角度，当行走机构与另一根管道平行时转向机构电机停转；此时首尾机械手和管道不在同一平面，首尾升降机构的电机继续运动使首尾机械手到达另一根管道所在的位置，之后首尾机械手抓紧管道，中间两个机械手松开，中间两个升降机构同步动作将机械手抬升离开原先管道所在平面，使中间两个机械手完成复位；之后中间两个升降机构同步动作，带动中间两个机械手到达另一根管道所在的位置并抓紧管道；至此就完成了在立体交叉管道交叉点处转向的动作，之后中间机械手和尾端机械手再依次通过交叉点，此过程中机械手通过管道交叉点时也要抬升以免接触管道影响运动。

有益效果：落水管立体交叉管道攀爬机器人，能代替人类完成指定任务并且具有一些人类所不具备的特性。在高层建筑发生火灾等特殊情况时，人们无法正常进入受灾房屋，可以考虑利用攀爬机器人通过屋外落水管接近现场，通过携带的摄像头，为消防人员提供可靠的信息，作出科学营救决策；同时可以携带一些紧急救援物资，如包扎带、药物等，以帮助受灾人员进行医护急救；另外还可以携带用于逃生的绳索，以帮助受困人员脱离危险区域，通过逃生绳索达到下面安全楼层区域。除此之外，立体交叉管道攀爬机器人还可以用于管道的检修作业、管道异物清除作业等场合，代替人在恶劣环境下完成指定作业，大大降低了劳动强度和作业风险。结合实际的管道布局情况，提出立体交叉管道攀爬机器人运动规划方法，可实现不同场合的攀爬机器人操控，并用于相应的作业任务中。该立体交叉管道攀爬机器人对于机器人行业的发展起到了一定的推动作用，一定程度上推动了现代化建设，其在高空救援、管路运输、管道检测领域有着重要的意义。

附图说明

图1是管道攀爬机器人总体结构示意图；1为行走机构，2为夹持机构，3为升降机构，4为转向机构，5为电池盒和控制柜；

图2是夹持机构示意图；2.1为夹持机构电机，2.2为电机安装板，2.3为定向支架，2.4为齿轮，2.5为齿条，2.6为保护壳，2.7为三角块，2.8为安装板；

图3是升降机构示意图；3.1为升降机构安装板，3.2为升降机构电机，3.3为第一丝杆螺母机构的丝杆基座，3.4为第一丝杆螺母机构的丝杆，3.5为第一丝杆螺母机构的螺母，3.6为导向杆基座，3.7为导向杆；

图4是行走机构示意图；1.1为前板，1.2为导向杆，1.3为中间板，1.4为第二丝杆螺母机构的丝杆，1.5为后板，1.6为行走机构电机；

图5(a)中(1)、(2)、(3)、(4)依次为攀爬竖直管道的顺序，图5(b) 中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)、(7)依次为直行通过平面交叉管道的顺序，图5(c)中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)依次为平面交叉管道转向的顺序，图5(d)中(1)、(2)、(3)、(4)、(5)依次为立体交叉管道转向的顺序。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做更进一步的解释。

1攀爬机器人结构设计

1.1总体结构

综合分析建筑物外落水管的布置情况，所设计的立体交叉管道攀爬机器人总体结构由四部分组成，即：夹持机构2、升降机构3、转向机构4和行走机构1，如图1所示为该攀爬机器人总体结构示意图。

夹持机构就是图上的机械手，每个机械手都通过四块三角形的块和管道接触，每侧的两个三角形块安装在同一块板上，安装板的另一端和齿条固定在一起，跟随齿条一起运动。两个齿条对称分布在齿轮两侧，齿轮所在的轴通过联轴器与电机的输出轴相连。通过齿轮的正反转实现手爪的开合，从而使机械手夹紧或松开管道。

升降机构利用丝杆螺母机构来完成升降的动作，丝杆螺母的基座和行走机构固连，电机和丝杆通过基座上的挡板固定安装在基座上并通过联轴器相连，螺母通过夹持电机安装板和夹持机构固连。电机安装板的另一侧通过一根导向杆，导向杆的基座同样和行走机构固连，配合丝杆螺母机构运动。

转向机构位于中间两个机械手之间，起转向作用的电机自身和中间一对机械手固连，电机输出端连接一个法兰联轴器，法兰联轴器端面固定在行走机构的中间板上。

行走机构也是一个丝杆螺母机构，首尾两块板是丝杆的固定端，丝杆通过轴承和轴承端盖固定在两块板上，中间板是螺母所在的板，丝杆的一端和行走电机输出轴通过联轴器在尾板处相连。与丝杆平行的导向杆通过垫片螺母固定在首尾两块板上。

此外，在行走机构的两侧预留了电池和控制部分的位置，由对称的两个箱体组成。

1.2夹持机构

机器人的夹持动作由齿轮齿条机构实现，结构如图2所示，机械手的安装板2.8上有两个三角块2.7，形成V型结构，其中下方的三角块2.7固定在安装板2.8上，上方的三角块2.7和安装板2.8通过腰型孔固定，通过调节其在腰型孔中的位置可以让夹持机构适应不同管径的工作环境。两块安装板2.8又分别和两个齿条2.5固连，齿条2.5对称分布在齿轮2.4两侧，在齿轮2.4的带动下同步反向运动，通过控制齿轮2.4的正反转实现机械手的张合。电机安装板2.2和齿轮齿条的保护壳2.6通过两个定向支架2.3连接并固定，保证夹持机构在运动时不会发生翻转。

1.3升降机构

本实用新型中升降机构采用升降距离可调节的丝杆螺母机构，首尾两个升降机构同步运动，中间升降机构也保持同步运动，通过四个升降机构的配合实现越障和转向运动。当四个丝杆螺母升降机构都处于中间状态时，四个机械手到机器人本体的距离都相同，即四个机械手的中心点在一条线上。第一丝杆螺母机构的行程超过管道外径的两倍，这样就可以满足在立体交叉管道上转向的要求。第一丝杆螺母机构的螺母与夹持机构的电机安装板2.2连接。升降机构安装板3.1的一侧安装第一丝杆螺母机构的丝杆基座3.3，另一侧安装导向杆基座3.6，导向杆3.7穿过电机安装板2.2，配合丝杆螺母，保证升降机构动作时机械手不会翻转。

1.4行走机构

行走机构主要由固定机械手的三块板和一根丝杆1.4以及一根导向杆1.2构成，与丝杆1.4配合的螺母在中间板1.3上。该机构的主要作用是通过丝杆螺母的运动实现整体机构在管道上的攀爬。丝杆1.4在行走机构电机1.6的带动下转动，通过控制电机的正反转，螺母所在的中间板1.3就可以在前板1.1和后板1.5间往复运动。当首尾两个机械手爪抓紧管道时，中间手爪处于松开状态，中间板在丝杆的带动下升至最高点，之后中间手爪抓紧管道，首尾机械手松开，丝杆1.4反转，中间板1.3固定不动，除中间板 1.3和中间两个机械手之外的其他部分上升，当后板1.5接近中间板1.3时停止，机器人完成复位。至此行走机构完成一个工作流程，机器人上升一个行程，如此往复实现连续的攀爬运动。在此过程中为了防止三块板发生转动而偏移，在与丝杆平行的位置设计有一光杆作为导向，保证机构在运动时不会发生翻转，同时增加机构的稳定性。

2、运动步态分析

机器人攀爬的管道可以分为3种情况，对应的步态如图5(a)-5(d)所示。

机器人在竖直管道攀爬时，首尾两组机械手先夹紧管道，中间手爪松开，行走机构中间板停在靠近后板一侧。此时行走机构的驱动电机转动，将中间部分抬升，中间板在靠近前板处停下，中间两组机械手跟随中间板上升，停下后中间两组机械手夹紧管道，首尾机械手松开管道。行走机构驱动电机反转，机器人中间部分固定，将其他部分抬升，后板靠近中间板时停止运动，至此完成一个攀爬的过程，如此往复即可实现连续的攀爬运动。

在经过交叉点后继续直行的情况下，需要在中间两组机械手的间隙对准管道交叉点的时候控制行走机构的驱动电机停下，这样保证中间机械手在抓紧管道时不会与管道发生干涉。停下后另一根管道位于中间两组机械手的间隙中，之后中间机械手抓紧当前管道，行走机构带动首尾机械手上升，前端机械手先行通过管道交叉点，之后中间的两组机械手和末端的机械手依次通过管道交叉点。此外，每组机械手经过管道交叉点时都需要将末端的手爪抬升，以免手爪和另一根管道发生干涉。

如果在平面交叉管道交叉点处需要转向到另一根管道，则还需要转向机构的配合。当中间两组机械手在管道交叉点处夹紧管道时，首尾两组机械手松开并抬升，之后转向机构驱动电机转动，将机器人除中间两组机械手之外的其他部分旋转一定角度，当行走机构与另一根管道平行时转向电机停下。首尾两组机械手放下并抓紧另一根管道，中间两组机械手松开并抬升，转向机构驱动电机反转，机器人整体恢复原来的姿态，继续在另一根管道上运动。

攀爬立体交叉管道时，在经过交叉点直行的情况下，机器人运动路径一般不会与管道发生干涉，可以看作在竖直管道攀爬，如有必要也可以使用攀爬平面交叉管道的方法通过。如果需要在交叉点转向，则需要注意空间管道的位置，这里可能出现两种情况，转向后的管道可能在距离机器人更近或者更远的位置。当中间机械手到达管道交叉点处并夹紧，首尾两组机械手松开并抬升，之后连接法兰的转向机构驱动电机转动，将机器人除中间两组机械手之外的其他部分旋转一定角度，当行走机构与另一根管道平行时停下。此时首尾机械手和管道不在同一高度，升降机构驱动电机需要继续运动使机械手到达另一根管道所在的高度，之后首尾机械手抓紧管道，中间两组机械手松开，升降机构运动将夹持机构抬升离开原先管道所在高度，这样就有空间让中间两组机械手完成复位。中间机械手转到另一根管道上方后，升降机构的电机再动作，带动机械手到达管道所在高度。

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

Claims (7)

1.用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，包括夹持机构、升降机构、转向机构和行走机构；所述升降机构包括第一丝杆螺母机构；所述行走机构包括第二丝杆螺母机构，第二丝杆螺母机构的两端分别连接两个升降机构，升降机构的螺母连接夹持机构；所述转向机构包括两个伸缩机构、两个夹持机构和转向电机，转向电机的输出端连接法兰联轴器，法兰联轴器的端面固定于行走机构的螺母，两个伸缩机构分别固定于转向电机的两侧，转向电机带动两个夹持机构转动，两个夹持机构分别连接两个伸缩机构的螺母。

2.根据权利要求1所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述夹持机构包括夹持机构电机、电机安装板、齿轮、两个齿条、两个安装板和机械手；夹持机构电机安装在电机安装板上，其输出轴穿过电机安装板，通过联轴器连接齿轮的轴；两个齿条对称分布在齿轮两侧，在齿轮的带动下同步反向运动；两个安装板分别连接两个齿条；所述机械手分为两部分，分别安装在安装板上；电机安装板连接升降机构的螺母。

3.根据权利要求2所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述安装板上下安装有两个三角块，形成V型结构，两个安装板及四个三角块构成所述机械手。

4.根据权利要求3所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述安装板上设有腰型孔，两个安装板上的同一水平面的三角块与腰型孔螺栓螺母连接，通过调节其在腰型孔中的位置可让夹持机构适应不同管径的工作环境。

5.根据权利要求2所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述齿轮和齿条的外侧设有保护壳，所述电机安装板和保护壳之间连接有两个支架连接并固定，保证夹持机构在运动时不会发生翻转。

6.根据权利要求2所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述升降机构还包括升降机构安装板，第一丝杆螺母机构的基座安装于升降机构安装板的一侧，升降机构安装板的另一侧设有导向杆基座和导向杆，导向杆穿过夹持机构的电机安装板，保证升降机构动作时机械手不会翻转。

7.根据权利要求1所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述第一丝杆螺母机构的行程超过落水管外径的两倍，以满足在立体交叉管道上转向的要求。

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