多功能爬杆机器人.pdf

本发明涉及一种多功能爬杆机器人，包括基体、安装在基体上的左臂和右臂以及驱动装置，其特征在于：基体包括上基体、下基体、主螺杆和两导杆，上端设有凸台的主螺杆自上基体的上端面垂直穿过上基体，下端与下基体螺纹连接；驱动装置包括安装在上基体上的主电机，安装在主电机输出轴上的小齿轮，经键安装在主螺杆的上端且与小齿轮啮合的主齿轮，以及分别安装在上基体和下基体上的电机、蜗轮蜗杆机构，其中蜗杆与电机的输出轴固定连接；左臂和右臂结构相同，均包括设有耐磨层的空心臂、下螺母、螺杆、上螺母、上端盖、大齿轮、主动齿轮、驱动电机、上爪杆和下爪杆。本发明具有能在杆截面为任意形状的杆上爬行、能跨越杆上的障碍物爬行、能在平行竖立的多杆上跨杆爬行等特点，工作性能优良。

1、  一种多功能爬杆机器人，包括基体、安装在基体上的左臂和右臂以及驱动装置，其特征在于：
1)基体包括上基体(1)、下基体(2)、连接于上基体(1)与下基体(2)之间的主螺杆(3)和两导杆(4)，其中上基体(1)和下基体(2)的一端侧壁呈弧状，上端设有凸台(5)的主螺杆(3)自上基体(1)的上端面垂直穿过上基体(1)，下端与下基体(2)螺纹连接，上基体(1)的下端面环绕主螺杆(3)向上设有沉孔(6)，主螺杆(3)对应于沉孔(6)处设有螺纹反向的两个螺母(7)，两个螺母(7)上下贴紧间隙安装在沉孔(6)内，并与主螺杆(3)螺纹连接，与主螺杆(3)平行的两导杆(4)分居主螺杆(3)的两侧，上端与上基体(1)螺纹连接，下端轴承穿过下基体(2)，在上基体(1)和下基体(2)弧状侧壁的中间均开有阶梯水平槽(8)，在阶梯水平槽(8)的上下两侧壁同一垂直位置上开有贯穿的孔(9)，上基体(1)开有阶梯水平槽(8)的端部和下基体(2)开有阶梯水平槽(8)的端部分居主螺杆(3)的两侧；
2)驱动装置包括安装在上基体(1)上的主电机(10)，安装在主电机(10)输出轴上的小齿轮(11)，经键(12)安装在主螺杆(3)的上端且与小齿轮(11)啮合的主齿轮(13)，以及分别安装在上基体(1)和下基体(2)上的电机(14)、蜗轮蜗杆机构，其中蜗杆(16)与电机(14)的输出轴固定连接，蜗轮(15)水平安装在阶梯水平槽(8)内，由蜗杆轴(17)穿过阶梯水平槽(8)两壁上的孔(9)和蜗轮(15)中心连为一体，蜗杆轴(17)的上端设有水平销(18)；
3)左臂和右臂结构相同，均包括设有耐磨层(19)的空心臂(20)、下螺母(21)、螺杆(22)、上螺母(23)、上端盖(24)、大齿轮(25)、主动齿轮(26)、驱动电机(27)、设有耐磨层(19)的上爪杆(28)和下爪杆(29)，其中空心臂(20)的下端设有与阶梯水平槽(8)相吻合的水平槽(30)，水平槽(30)的上下两侧壁同一位置上也开有贯穿的孔(31)，左臂和右臂上的水平槽(30)相向对应插入上基体(1)、下基体(2)的阶梯水平槽(8)内，蜗轮(15)水平安装在水平槽(30)与阶梯水平槽(8)构成的空间内与蜗杆(16)啮合，由上端设有水平销(18)的蜗杆轴(17)穿过阶梯水平槽(8)、水平槽(30)和蜗轮(15)中心，将三者轴连为一体；螺杆(22)沿轴向安装在空心臂(20)内，下端与空心臂(20)下端轴承固定，上端轴承穿过位于空心臂(20)顶端的上端盖(24)，与大齿轮(25)固定连接，驱动电机(27)安装在空心臂(20)上，主动齿轮(26)安装在驱动电机(27)的输出轴上，与大齿轮(25)啮合；螺纹方向互相相反的上螺母(23)和下螺母(21)均螺纹安装在螺杆(22)上，上爪杆(28)和下爪杆(29)垂直于螺杆(22)，并对应与上螺母(23)和下螺母(21)固定连接。

2、  如权利要求1所述的多功能爬杆机器人，其特征在于：主电机(10)和电机(14)对应经电机座(33)和支撑座(34)安装在上基体(1)上，主螺杆(3)的底部设有止位螺母(32)。

多功能爬杆机器人
技术领域
本发明涉及一种多功能爬杆机器人，属于机器人类技术领域。
背景技术
爬杆机械人是当今社会研究的热门话题，如专利文件200710115905.3爬杆机器人、200620088771.1一种气动爬杆机器人、200420041989.2管外爬杆机器人所述，都是围绕圆杆来设计的，而对于杆截面为非圆的杆、杆中间有障碍物时的情况，当前社会上已经设计成形的爬杆机器人却不能实现爬杆动作。
发明内容
本发明的目的是提供一种能克服上述缺陷、爬行性能好、耗电低的多功能爬杆机器人。
其技术方案为：
包括基体、安装在基体上的左臂和右臂以及驱动装置，其特征在于：
1)基体包括上基体、下基体、连接于上基体与下基体之间的主螺杆和两导杆，其中上基体和下基体的一端侧壁呈弧状，上端设有凸台的主螺杆自上基体的上端面垂直穿过上基体，下端与下基体螺纹连接，上基体的下端面环绕主螺杆向上设有沉孔，主螺杆对应于沉孔处设有螺纹反向的两个螺母，两个螺母上下贴紧间隙安装在沉孔内，并与主螺杆螺纹连接，与主螺杆平行的两导杆分居主螺杆的两侧，上端与上基体螺纹连接，下端轴承穿过下基体，在上基体和下基体弧状侧壁的中间均开有阶梯水平槽，在阶梯水平槽的上下两侧壁同一垂直位置上开有贯穿的孔，上基体开有阶梯水平槽的端部和下基体开有阶梯水平槽的端部分居主螺杆的两侧；
2)驱动装置包括安装在上基体上的主电机，安装在主电机输出轴上的小齿轮，经键安装在主螺杆的上端且与小齿轮啮合的主齿轮，以及分别安装在上基体和下基体上的电机、蜗轮蜗杆机构，其中蜗杆与电机的输出轴固定连接，蜗轮水平安装在阶梯水平槽内，由蜗杆轴穿过阶梯水平槽两壁上的孔和蜗轮中心连为一体，蜗杆轴的上端设有水平销；
3)左臂和右臂结构相同，均包括设有耐磨层的空心臂、下螺母、螺杆、上螺母、上端盖、大齿轮、主动齿轮、驱动电机、设有耐磨层的上爪杆和下爪杆，其中空心臂的下端设有与阶梯水平槽相吻合的水平槽，水平槽的上下两侧壁同一位置上也开有贯穿的孔，左臂和右臂上的水平槽相向对应插入上基体、下基体的阶梯水平槽内，蜗轮水平安装在水平槽与阶梯水平槽构成的空间内与蜗杆啮合，由上端设有水平销的蜗杆轴穿过阶梯水平槽、水平槽上的孔和蜗轮中心，将三者轴连为一体；螺杆沿轴向安装在空心臂内，下端与空心臂下端轴承固定，上端轴承穿过位于空心臂顶端的上端盖，与大齿轮固定连接，驱动电机安装在空心臂上，主动齿轮安装在驱动电机的输出轴上，与大齿轮啮合；螺纹方向互相相反的上螺母和下螺母均螺纹安装在螺杆上，上爪杆和下爪杆垂直于螺杆，并对应与上螺母和下螺母固定连接。
所述的多功能爬杆机器人，主电机和电机对应经电机座和支撑座安装在上基体上，主螺杆的底部设有止位螺母。
工作原理为：
一、基本动作综述
1、抱杆动作(以左臂为例)
接通电机电源，使电机正传，带动蜗杆、蜗轮正传，通过蜗杆轴带动空心臂向杆靠拢，当空心臂靠到杆上时，断开电机电源，再启动驱动电机使其反转，通过主动齿轮、大齿轮驱动螺杆反转，下螺母、上螺母向螺杆的中间相向移动，使上爪杆、下爪杆向中间靠拢，抱住杆后，断开驱动电机的电源，使驱动电机停止运转。
2、放杆动作(以左臂为例)
接通驱动电机电源，使驱动电机正转，通过主动齿轮、大齿轮驱动螺杆正转，下螺母、上螺母向螺杆的两端相向移动，使上爪杆、下爪杆向两端分开，松开杆，然后断开驱动电机的电源，使驱动电机停止运转。接通电机电源，使电机反传，带动蜗杆、蜗轮反传，通过蜗杆轴带动空心臂与杆分离，当空心臂远离杆一定距离时，断开电机电源。
右臂抱杆、放杆动作同左臂
3、上基体上移动作
下基体相对固定的情况下，接通主电机电源，使主电机反转，主电机通过小齿轮、主齿轮带动主螺杆反转，主螺杆带动上基体上升，实现上基体的上移。
4、上基体下移动作
下基体相对固定的情况下，接通主电机电源，使主电机正转，主电机通过小齿轮、主齿轮带动主螺杆正转，主螺杆带动上基体下移，实现上基体的下移。
5、下基体上移动作
上基体相对固定的情况下，接通主电机电源，使主电机正转，主电机通过小齿轮、主齿轮带动主螺杆正转，主螺杆带动下基体上升，实现下基体的上移。
6、下基体下移动作
上基体相对固定的情况下，接通主电机电源，使主电机反转，主电机通过小齿轮、主齿轮带动主螺杆反转，主螺杆带动下基体下移，实现下基体的下移。
二、爬杆机器人爬杆过程综述
1、爬杆机器人爬杆前在杆上固定过程：
爬杆机器人爬杆前，要完成上基体下移动作或下基体上移动作，使下基体与上基体靠拢在一起；然后，左臂要完成左臂放杆动作、右臂完成右臂放杆动作；最后，搬动爬杆机器人到杆体旁，使杆体处于左臂、右臂及四个爪杆的中间位置，完成左臂抱杆动作、右臂抱杆动作，使爬杆机器人固定在杆体上。
2、爬杆机器人爬升过程：
爬杆机器人在杆上完成初步的固定状态后，进行左臂放杆动作、上基体上移动作、左臂抱杆动作，这三个动作完成后，使上基体沿着杆体上升了一段距离并抓紧了杆体；然后完成右臂放杆动作、下基体上移动作、右臂抱杆动作，这三个动作完成后，使爬杆机器人回复到在杆上的初始固定姿态，但整个爬杆机器人却沿着杆体上升了不大于主螺杆长度的一段距离，完成了一个完整的爬杆周期。如此反复，爬杆机器人就会沿着杆体越爬越高。
3、爬杆机器人下杆过程：
当完成若干个爬杆周期后，上基体和下基体互相靠拢，左臂和右臂同时抱杆。下杆时，完成右臂放杆动作、完成下基体下移动作、右臂抱杆动作，这三个动作完成后，下基体沿杆体下移了一段距离，并抓紧了杆体；然后，完成左臂放杆动作、上基体下移动作、左臂抱杆动作，这三个动作完成后，上基体和下基体重新靠拢在一起。此时，爬杆机器人沿杆体下降了不大于主螺杆长度的一段距离，完成了一个完整的下杆周期。如此反复，爬杆机器人就会沿着杆体下降直到杆体底部。
4、爬杆机器人从杆上搬移过程：
爬杆机器人经过若干个下杆周期后，到达杆体底部，然后依次完成左臂放杆动作、右臂放杆动作后，就可以人工搬离杆体。
三、爬杆机器人在杆上固定的原理及分析：
爬杆机器人在杆上固定时，上爪杆、下爪杆、空心臂都靠拢在杆体上，组成一个稳固的平面，使爬杆机器人不会侧旋、翻转；爬杆机器人在杆上固定时，上爪杆、下爪杆不在同一个水平面内，上爪杆、下爪杆将爬杆机器人自身的重量及携带物体的重量部分转化为垂直于杆体的正压力，在这个正压力及上爪杆、下爪杆与杆体的摩擦作用下产生了摩擦力，上爪杆、下爪杆外的耐磨层增加了摩擦性，促使摩擦力大于由于爬杆机器人自身重量及携带物体重量产生的下落力，使爬杆机器人能够不用外加动力而稳固的固定在杆体上。
四、爬杆机器人跨越杆上障碍物的过程：
在爬杆机器人沿杆体爬升或下降过程中，如果杆体中间有障碍物，本发明涉及的爬杆机器人可以跨越障碍爬升或下降。跨越障碍物的主要部件是固定在上基体、下基体上的电机、涡轮蜗杆机构、涡轮轴。遇到障碍物时，左臂、右臂可以在电机的带动下，可以分别实现最大为180°的水平旋转而有效避开障碍物，继续上升或下降的动作，待完成上升或下降的动作后再恢复到旋转前左臂、右臂的原来姿态，完成后续的抓杆或放杆动作。
本发明与现有技术相比，爬杆机器人具有能在杆截面为任意形状的杆上爬行、能跨越杆上的障碍物爬行、能在平行竖立的多杆上跨杆爬行等特点，在杆上静止不动时，依靠摩擦力固定而不依靠外加动力固定，只有在爬杆过程中消耗电力、节省能源，工作性能优良。
附图说明
图1是本发明实施例整体的结构示意图；
图2是图1中安装有驱动装置的基体的结构示意图；
图3是图1中左臂的结构示意图；
图4是图1中主螺杆与上基体连接的结构示意图；
图5是本发明左臂抱方杆的工作状况示意图；
图6是本发明左臂抱方杆的工作状况俯视图；
图7是本发明左臂抱圆杆的工作状况示意图；
图8是本发明左臂抱圆杆的工作状况俯视图；
图9是本发明左臂抱三杆的工作状况示意图；
图10是本发明左臂抱三杆的工作状况俯视图；
图11是本发明左臂抱二杆的工作状况示意图；
图12是本发明左臂抱二杆的工作状况俯视图；
图13是本发明左臂抱六棱柱的工作状况示意图；
图14是本发明左臂抱六棱柱的工作状况俯视图；
图15是本发明跨越障碍开始时的工作状况示意图；
图16是本发明跨越障碍结束时的工作状况示意图。
图中：1、上基体  2、下基体  3、主螺杆  4、导杆  5、凸台  6、沉孔  7、螺母  8、阶梯水平槽  9、孔  10、主电机  11、小齿轮  12、键  13、主齿轮  14、电机  15、蜗轮  16、蜗杆  17、蜗杆轴  18、水平销  19、耐磨层  20、空心臂  21、下螺母  22、螺杆  23、上螺母  24、上端盖  25、大齿轮  26、主动齿轮  27、驱动电机  28、上爪杆  29、下爪杆  30、水平槽  31、孔  32、止位螺母  33、电机座  34、支撑座
具体实施方式
在图1-4所示的实施例中：
上基体1和下基体2的一端侧壁呈弧状，上端设有凸台5的主螺杆3自上基体1的上端面垂直穿过上基体1，下端与下基体2螺纹连接，主螺杆3的底部设有止位螺母32。上基体1的下端面环绕主螺杆3向上设有沉孔6，主螺杆3对应于沉孔6处设有螺纹反向的两个螺母7，两个螺母7上下贴紧间隙安装在沉孔6内，并与主螺杆3螺纹连接，与主螺杆3平行的两导杆4分居主螺杆3的两侧，上端与上基体1螺纹连接，下端轴承穿过下基体2，在上基体1和下基体2弧状侧壁的中间均开有阶梯水平槽8，在阶梯水平槽8的上下两侧壁同一垂直位置上开有贯穿的孔9，上基体1开有阶梯水平槽8的端部和下基体2开有阶梯水平槽8的端部分居主螺杆3的两侧；
驱动装置包括经电机座33安装在上基体1上的主电机10，安装在主电机10输出轴上的小齿轮11，经键12安装在主螺杆3的上端且与小齿轮11啮合的主齿轮13，以及分别安装在上基体1和下基体2上的电机14、蜗轮蜗杆机构，其中蜗杆16与电机14的输出轴固定连接，蜗轮15水平安装在阶梯水平槽8内，由蜗杆轴穿过阶梯水平槽两壁上的孔和蜗轮中心连为一体，蜗杆轴的上端设有水平销；
左臂和右臂结构相同，均包括设有耐磨层19的空心臂20、下螺母21、螺杆22、上螺母23、上端盖24、大齿轮25、主动齿轮26、驱动电机27、设有耐磨层19的上爪杆28和下爪杆29，其中空心臂20的下端设有与阶梯水平槽8相吻合的水平槽30，水平槽30的上下两侧壁同一位置上也开有贯穿的孔31，左臂和右臂上的水平槽30相向对应插入上基体1、下基体2的阶梯水平槽8内，蜗轮15水平安装在水平槽30与阶梯水平槽8构成的空间内与蜗杆16啮合，由上端设有水平销18的蜗杆轴17穿过阶梯水平槽8、水平槽30上的孔31和蜗轮15中心，将三者轴连为一体；螺杆22沿轴向安装在空心臂20内，下端与空心臂20下端轴承固定，上端轴承穿过位于空心臂20顶端的上端盖24，与大齿轮25固定连接，驱动电机27安装在空心臂20上，主动齿轮26安装在驱动电机27的输出轴上，与大齿轮25啮合；螺纹方向互相相反的上螺母23和下螺母21均螺纹安装在螺杆22上，上爪杆28和下爪杆29垂直于螺杆22，并对应与上螺母23和下螺母21固定连接。
图5-14是本发明抱杆的工作状况示意图。
图15-16是本发明跨越障碍时的工作状况示意图。