一种杆体外壁攀爬越障机器人及其攀爬方法
阅读说明：本技术 一种杆体外壁攀爬越障机器人及其攀爬方法 (Obstacle-crossing robot for climbing outer wall of rod body and climbing method thereof ) 是由 许明 于棠 王冠 于 2021-09-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种杆体外壁攀爬越障机器人及其攀爬方法。该机器人包括环形支架和攀爬机构。多个攀爬机构安装在环形支架内侧的不同位置。所述的攀爬机构包括上下布置的两个攀爬越障单元。所述攀爬越障单元包括连杆、牵引弹簧、攀爬电机、麦克纳姆攀爬轮、越障外板、越障支撑板、短杆、长杆和越障弹簧。本发明利用麦克纳姆轮能够快速进行攀爬,并通过提供具有四杆结构的攀爬越障单元,使得麦克纳姆轮在上升和下降时均能够顺利翻越杆体上的各类障碍物,从而提高攀爬机器人攀爬速度和工作效率。此外,本发明能够实现在杆体外壁上原地左右旋转的功能,相比现有越障机器人更为灵活。(The invention discloses a climbing obstacle-crossing robot for the outer wall of a rod body and a climbing method thereof. The robot comprises an annular support and a climbing mechanism. A plurality of climbing mechanisms are mounted at different locations inside the ring support. The climbing mechanism comprises two climbing obstacle crossing units which are arranged up and down. The climbing obstacle crossing unit comprises a connecting rod, a traction spring, a climbing motor, Mecanum climbing wheels, an obstacle crossing outer plate, an obstacle crossing support plate, a short rod, a long rod and an obstacle crossing spring. The climbing robot can rapidly climb by using the Mecanum wheels, and the climbing obstacle crossing unit with the four-bar structure is provided, so that the Mecanum wheels can smoothly cross various obstacles on the rod body when ascending and descending, and the climbing speed and the working efficiency of the climbing robot are improved. In addition, the robot can realize the function of rotating left and right on the outer wall of the rod body in situ, and is more flexible compared with the existing obstacle crossing robot.)
技术领域
本发明属于杆体外壁攀爬越障机器人技术领域，具体涉及一种圆形杆体外壁攀爬越障机器人的设计研究。
背景技术
随着移动通讯的迅速发展，需要检测5G网络基础设施；5G网络的普及需要更多的基带、信号塔、电力输送设备；这对信号塔，通讯塔及电力铁塔的建设和维护提出了更高的要求。信号塔的建设和维护是一项非常危险且艰苦的劳动，当前攀爬机器人多为机械抓手抓握杆体步进式爬杆，驻足式爬杆以及蠕动式爬杆，这些爬杆方式速度慢，灵活性低，且很难做到轻易越过障碍。而轮式结构拥有速度快，灵活性高，可以轻易越障等优点，因此设计一种能够利用轮式结构实现攀爬和越障的机器人，可以更好地保护劳动者生命安全，降低劳动强度的同时提升劳动效率，弥补人类身体的局限性，更长时间，更多角度地完成建设和维护工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效便捷的杆体外壁攀爬越障机器人。
本发明一种杆体外壁攀爬越障机器人，包括环形支架和攀爬机构。多个攀爬机构安装在环形支架内侧的不同位置。所述的攀爬机构包括上下布置的两个攀爬越障单元。所述攀爬越障单元包括连杆、牵引弹簧、攀爬电机、麦克纳姆攀爬轮、越障外板、越障支撑板、短杆、长杆和越障弹簧。麦克纳姆攀爬轮支承在越障外板上，并由攀爬电机驱动旋转。短杆、长杆的一端与越障外板的两个不同位置铰接。短杆、长杆的另一端与越障支撑板的两个不同位置铰接。短杆的中部与长杆的中部通过越障弹簧连接。连杆的中部与环形支架转动连接。连杆的外端与越障支撑板固定。连杆的内端与环形支架通过牵引弹簧连接。短杆、长杆与越障外板的铰接点连线，跟短杆、长杆与越障支撑板的铰接点连线交叉设置。同一攀爬机构中两个麦克纳姆攀爬轮的旋向相反。
作为优选，本发明一种杆体外壁攀爬越障机器人，还包括停留自锁装置。所述的停留自锁装置安装在环形支架中部，包括对称设置的两个夹持单元，用于从两侧夹紧被攀爬的杆体。
作为优选，两个夹持单元分别安装在环形支架内的两侧。夹持单元包括弧形卡盘、丝杠、导杆、夹持支架和丝杠电机。夹持支架固定在环形支架的对应连接支架上。丝杠电机固定在夹持支架上。丝杠电机与丝杠连接。弧形卡盘的外侧与导杆的一端固定。导杆与夹持支架滑动连接。丝杠的一端与弧形卡盘的外侧构成转动副。通过驱动丝杠螺旋运动实现弧形卡盘的横向移动。两个夹持单元中的弧形卡盘的内侧相对设置，并朝向环形支架的中心轴线。
作为优选，所述的环形支架包括两个安装环和两个连接支架。两个安装环同轴且间隔设置，并通过两个连接支架固定。两个连接支架对中设置在安装环轴线的两侧。安装环包括两个半圆环和铰链。两个半圆环的一端通过铰链转动连接。两个半圆环的另一端可拆卸固定。
作为优选，所述的攀爬机构包括攀爬越障单元和中间杆。中间杆呈U形，包括一体成型的竖直杆，以及位于竖直杆两端的横杆。中间杆的两端均安装有攀爬越障单元。竖直杆与环形支架固定。
该杆体外壁攀爬越障机器人的攀爬方法如下：
步骤一：将环形支架打开后套置到被攀爬杆体上并重新闭合，使得各麦克纳姆攀爬轮在牵引弹簧的作用下抵住杆体。
步骤二：杆体外壁攀爬越障机器人在杆体上进行爬升、下降或旋转。各麦克纳姆攀爬轮同步同向转动时，带动杆体外壁攀爬越障机器人爬升或下降。当同一攀爬机构上的两个麦克纳姆攀爬轮同步反向转动时，带动杆体外壁攀爬越障机器人绕杆体旋转。
当机器人在爬升运动中遇到障碍时，接触障碍物的麦克纳姆攀爬轮受到障碍物的阻力；该阻力带动越障外板相对于越障支撑板向远离障碍物的一侧运动。越障外板进一步带动短杆和长杆转动，转动的短杆和长杆带动和越障外板麦克纳姆攀爬轮远离杆体，达到越过障碍物的效果。同时，转动的短杆和长杆将拉长越障弹簧；在麦克纳姆攀爬轮越过障碍物后，越障弹簧拉动短杆和长杆复位。
本发明的具体有益效果是：
1.本发明利用麦克纳姆轮能够快速进行攀爬，并通过提供具有四杆结构的攀爬越障单元，使得麦克纳姆轮在上升和下降时均能够顺利翻越杆体上的各类障碍物，从而提高攀爬机器人攀爬速度和工作效率。
2.本发明能够实现在杆体外壁上原地左右旋转的功能，相比现有越障机器人更为灵活。
3.本发明可以通过更换牵引弹簧的长度以及改变圆环固定支撑机构的半径大小，使机器人更方便有效地适应各种尺寸的杆体。
4.本发明通过停留自锁装置，可以在空中夹紧杆体，使机器人在进行其他工作时更稳定地停留。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中环形支架的示意图。
图3为本发明中攀爬机构的结构示意图。
图4为本发明中攀爬越障单元的结构示意图。
图5为本发明中攀爬越障单元向上越过障碍物的过程示意图。
图6为本发明中攀爬越障单元向下越过障碍物的过程示意图。
图7为本发明中停留自锁装置的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，一种杆体外壁攀爬越障机器人，包括环形支架1、攀爬机构2和停留自锁装置3。环形支架1用于固定攀爬机构2；攀爬机构2共有四个；四个攀爬机构2沿环形支架1轴线的周向均布，是直接的攀爬部件；停留自锁装置3安装在环形支架1中部，包括对称设置的两个夹持单元，用于从两侧夹紧杆体，保证杆体外壁攀爬越障机器人在停留时的稳定性。
如图2所示，环形支架1包括两个安装环和两个连接支架。两个安装环同轴且间隔设置，并通过两个连接支架固定。两个连接支架对中设置在安装环轴线的两侧。安装环包括两个半圆环1-1和铰链1-2。两个半圆环1-1的一端通过铰链1-2转动连接，可以使环形支架1在安装与拆卸过程中形成用于套上杆体的开口，使得整个装置的安装与拆卸更灵活便捷。两个半圆环1-1的另一端通过螺栓螺母固定连接。
如图3所示，攀爬机构2包括攀爬越障单元2-1和中间杆2-4。中间杆2-4呈U形，包括一体成型的竖直杆，以及位于竖直杆两端的横杆。中间杆2-4的两端均安装有攀爬越障单元2-1。攀爬越障单元2-1包括连杆2-2、牵引弹簧2-3、攀爬电机2-1-1、麦克纳姆攀爬轮2-1-2、越障外板2-1-3、越障支撑板2-1-4、短杆2-1-5、长杆2-1-6和越障弹簧2-1-7。麦克纳姆攀爬轮2-1-2支承在越障外板2-1-3上，并由固定在越障外板2-1-3上的攀爬电机2-1-1驱动旋转。短杆2-1-5、长杆2-1-6的一端与越障外板2-1-3的两个不同位置铰接。短杆2-1-5、长杆2-1-6的另一端与越障支撑板2-1-4的两个不同位置铰接。短杆2-1-5的中部与长杆2-1-6的中部通过越障弹簧2-1-7连接。连杆2-2的中部与中间杆2-4对应横杆的外端铰接。连杆2-2的外端与越障支撑板2-1-4固定。连杆2-2的内端与中间杆2-4上的竖杆通过牵引弹簧2-3连接。短杆2-1-5、长杆2-1-6与越障外板2-1-3的铰接点连线，跟短杆2-1-5、长杆2-1-6与越障支撑板2-1-4的铰接点连线交叉设置。长杆2-1-6位于短杆2-1-5远离中间杆2-4的一侧。
同一攀爬机构2中两个麦克纳姆攀爬轮2-1-2的旋向相反(即两个麦克纳姆攀爬轮2-1-2分别为左旋轮、右旋轮)。攀爬越障单元2-1中的麦克纳姆攀爬轮2-1-2朝向环形支架1的中心轴线。连杆2-2与中间杆2-4的铰接点作为支点使连杆2-2两端形成杠杆原理，使牵引弹簧2-3可以通过连杆2-2的杠杆原理对越障支撑板2-1-4进行有效地牵引，进而使得麦克纳姆攀爬轮2-1-2紧密贴合在杆体上。
如图5所示，当机器人在爬升运动中遇到障碍时，接触障碍物的麦克纳姆攀爬轮2-1-2受到障碍物的阻力；该阻力带动越障外板2-1-3相对于越障支撑板2-1-4向远离障碍物的一侧运动。越障外板2-1-3进一步带动短杆2-1-5和长杆2-1-6以相反的方向转动(以图4中箭头方向为攀爬越障单元2-1的行进方向，遇到障碍物时，短杆2-1-5相对于图4的视角顺时针旋转，长杆2-1-6相对于图4的视角逆时针旋转)，转动的短杆2-1-5和长杆2-1-6带动麦克纳姆攀爬轮2-1-2远离杆体，从而达到越过障碍物的效果。同时，转动的短杆2-1-5和长杆2-1-6将拉长越障弹簧2-1-7；在麦克纳姆攀爬轮2-1-2越过障碍物后，越障弹簧2-1-7拉动短杆2-1-5和长杆2-1-6复位。
如图6所示，当机器人在下降运动中遇到障碍时，接触障碍物的麦克纳姆攀爬轮2-1-2受到障碍物的阻力；该阻力带动越障外板2-1-3相对于越障支撑板2-1-4向远离障碍物的一侧运动。越障外板2-1-3进一步带动短杆2-1-5和长杆2-1-6以相反的方向转动(以图4中箭头的反方向为攀爬越障单元2-1的行进方向，遇到障碍物时，短杆2-1-5相对于图4的视角逆时针旋转，长杆2-1-6相对于图4的视角顺时针旋转)，转动的短杆2-1-5和长杆2-1-6带动麦克纳姆攀爬轮2-1-2远离杆体，从而达到越过障碍物的效果。同时，转动的短杆2-1-5和长杆2-1-6将拉长越障弹簧2-1-7；在麦克纳姆攀爬轮2-1-2越过障碍物后，越障弹簧2-1-7拉动短杆2-1-5和长杆2-1-6复位。
机器人共有八个麦克纳姆攀爬轮2-1-2；装置顶部和底部各自分布四个麦克纳姆攀爬轮2-1-2；当攀爬电机2-1-1驱动顶部与底部的麦克纳姆攀爬轮2-1-2同向转动时，杆体外壁上的机器人被麦克纳姆攀爬轮2-1-2带动向上或向下进行直线运动；当位于顶部的四个麦克纳姆攀爬轮2-1-2与位于底部的四个麦克纳姆攀爬轮2-1-2以相反的方向转动时，麦克纳姆攀爬轮2-1-2带着杆体外壁上的攀爬越障机器人绕杆体正向或反向转动；进而使得攀爬越障机器人具有很大的运动灵活性。
如图7所示，停留自锁装置3内的两个夹持单元分别安装在环形支架1的两个连接支架1-1上。夹持单元包括弧形卡盘3-1、丝杠3-2、导杆3-3、夹持支架和丝杠电机3-7。夹持支架固定在环形支架1的对应连接支架上。丝杠电机3-7固定在夹持支架上。丝杠电机3-7与丝杠3-2连接，驱动丝杠3-2进行螺旋运动。弧形卡盘3-1的外侧与导杆3-3的一端固定。导杆3-3与夹持支架滑动连接。丝杠3-2的一端与弧形卡盘3-1的外侧构成转动副。通过驱动丝杠3-2螺旋运动实现弧形卡盘3-1的横向移动。两个夹持单元中的弧形卡盘3-1的内侧相对设置，并朝向环形支架1的中心轴线。
夹持支架包括前支撑板3-4、后支撑板3-6、丝杠固定座3-8和直线轴承3-5。前支撑板3-4、后支撑板3-6分别固定在连接支架的内、外两侧。连接支架和前支撑板3-4安装有丝杠固定座3-8；丝杠固定座3-8用以支撑丝杠3-2。后支撑板3-6、前支撑板3-4和支撑固定板3-5上安装有直线轴承3-5，直线轴承3-5用以连接导杆3-3，使导杆3-3可以直线运动，并在自锁时承担机器人重量，通过丝杠电机3-7的转动带动丝杠3-2来控制弧形卡盘3-1完成对杆体进行夹紧和放松。
该杆体外壁攀爬越障机器人的攀爬方法如下：
步骤一：将环形支架2上的螺栓螺母打开后套置到杆体上，使得各麦克纳姆攀爬轮2-1-2在牵引弹簧2-3的作用下抵住杆体；再将环形支架2闭合后安装螺栓螺母，完成该杆体外壁攀爬越障机器人与杆体的连接。
步骤二：杆体外壁攀爬越障机器人在杆体上进行爬升、下降或旋转。
杆体外壁攀爬越障机器人在杆体上进行爬升及越障的过程如下：
(1)八个攀爬电机2-1-1同时启动同向转动，带动相连的八个麦克纳姆攀爬轮2-1-2同步同向转动，杆体外壁攀爬越障机器人开始爬升。
(2)当机器人在爬升运动中遇到障碍时，接触障碍物的麦克纳姆攀爬轮2-1-2受到障碍物的阻力；该阻力带动越障外板2-1-3相对于越障支撑板2-1-4向远离障碍物的一侧运动。越障外板2-1-3进一步带动短杆2-1-5和长杆2-1-6以相反的方向转动(以图4中箭头方向为攀爬越障单元2-1的行进方向，遇到障碍物时，短杆2-1-5相对于图4的视角顺时针旋转，长杆2-1-6相对于图4的视角逆时针旋转)，转动的短杆2-1-5和长杆2-1-6带动麦克纳姆攀爬轮2-1-2远离杆体，从而达到越过障碍物的效果。同时，转动的短杆2-1-5和长杆2-1-6将拉长越障弹簧2-1-7；在麦克纳姆攀爬轮2-1-2越过障碍物后，越障弹簧2-1-7拉动短杆2-1-5和长杆2-1-6复位。
(3)当机器人达到预计高度时，八个攀爬电机2-1-1停转，爬升运动停止。
机器人转向过程如下：
假设机器人向上爬升时攀爬电机2-1-1旋转方向为正方向，又设位于顶部的四个麦克纳姆攀爬轮2-1-2选用右旋轮，位于底部的四个麦克纳姆攀爬轮2-1-2选用左旋轮，否则以下电机旋转方向相反。
(1)当位于顶部的四个攀爬电机2-1-1正向旋转，位于底部的四个攀爬电机2-1-1反向旋转，此时机器人围绕杆体向右旋转。
(2)当位于顶部的四个攀爬电机2-1-1反向旋转，位于底部的四个攀爬电机2-1-1正向旋转，此时机器人围绕杆体向左旋转。
杆体外壁攀爬越障机器人在杆体上进行下降及越障的过程如下：
(1)八个攀爬电机2-1-1同时启动同步反向转动，带动相连的八个麦克纳姆攀爬轮2-1-2同步反向转动，杆体外壁攀爬越障机器人开始下降。
(2)当机器人在下降运动中遇到障碍时，接触障碍物的麦克纳姆攀爬轮2-1-2受到障碍物的阻力；该阻力带动越障外板2-1-3相对于越障支撑板2-1-4向远离障碍物的一侧运动。越障外板2-1-3进一步带动短杆2-1-5和长杆2-1-6以相反的方向转动，转动的短杆2-1-5和长杆2-1-6带动麦克纳姆攀爬轮2-1-2远离杆体，从而达到越过障碍物的效果。同时，转动的短杆2-1-5和长杆2-1-6将拉长越障弹簧2-1-7；在麦克纳姆攀爬轮2-1-2越过障碍物后，越障弹簧2-1-7拉动短杆2-1-5和长杆2-1-6复位。
(3)当机器人达到预计高度时，八个攀爬电机2-1-1停转，下降运动停止。
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