專利名稱：一種智能翻轉式攀爬機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及的是一種機器人，具體地說是一種能夠實現(xiàn)翻轉、攀爬功能的機器人。
(二)
背景技術：
現(xiàn)代生活中，無論是在民用領域還是軍用領域，攀爬技術應用的越來越廣泛。在民 用領域方面，在高空作業(yè)物資運送、管道檢修、樹木防病蟲害、剪枝和環(huán)境監(jiān)測等都有實際 應用；在軍用領域方面，可在戰(zhàn)場上用于隱蔽的軍事偵察任務和物資運送任務等。現(xiàn)有的攀 爬機器人主要是伸縮式，繞爬式，這些爬行方式存在爬行速度慢，負載小，可靠性不高，對爬 行表面要求高，不能在彎曲或者水平的桿狀物上爬行，不能在不同的桿狀物之間進行遷移 爬行，智能化程度不高。
(三)

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種爬行速度快，使用范圍廣，方便靈活，智能化程度高， 安全可靠的一種智能翻轉式攀爬機器人。本發(fā)明主要用于攀爬桿狀物的結構，如管道結構， 樹等。 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 組成包括軀干，安裝在軀干上的兩個翻轉臂，安裝在翻轉臂上的旋轉臂，安裝在旋 轉臂上的夾緊手爪和控制器；所述的軀干包括兩平行支撐桿、傳動軸、上轉動桿和下轉動 桿，支撐桿和兩轉動桿垂直設置且通過滾動軸承相連；翻轉電機通過支撐架和軀干相連，位 于軀干的兩支撐桿之間；翻轉電機的輸出力矩通過傳動裝置輸出帶動翻轉臂和軀干翻轉。
本發(fā)明還可以包括 1、所述傳動裝置包括電機輸出軸齒輪、換向齒輪、下轉動桿齒輪、傳動軸齒輪、第 一帶輪、第二帶輪和同步齒形帶，翻轉電機通過聯(lián)軸器與電機輸出軸齒輪相連，下轉動桿齒 輪安裝在下轉動桿上，換向齒輪通過換向齒輪支承軸安裝在支撐桿上，傳動軸齒輪安裝在 傳動軸的一端，電機輸出軸齒輪與換向齒輪和下轉動桿齒輪嚙合，換向齒輪與傳動軸齒輪 嚙合，第一帶輪安裝在傳動軸的另一端，第二帶輪固定在上轉動桿上，兩帶輪通過同步齒形 帶連接。 2、所述翻轉臂的組成包括翻轉支桿、翻轉基體、后端蓋、旋轉電機、推力軸承和止 動套組成；所述旋轉臂的組成包括旋轉基體、手爪驅動電機、絲杠、限位開關、推桿螺母和手 爪轉動軸；翻轉支桿一端和轉動桿固結，翻轉支桿另一端與翻轉基體固結，止動套位于翻轉 基體外端、由上下兩件套體組成，止動套固定在翻轉基體上，旋轉電機位于翻轉機體內，旋 轉電機前端有推力軸承，旋轉電機輸出軸位于推力軸承內，輸出軸前端與旋轉手臂固結，旋 轉基體上有導向槽，推桿螺母下端位于導向槽內，推桿螺母上端有螺紋孔與絲杠螺紋連接， 限位開關位于絲杠行程末端，手爪驅動電機固定在旋轉基體上，電機輸出軸與絲杠通過聯(lián) 軸器連接。 3、所述夾緊手爪由爪體、壓力傳感器、橡膠層、光電管組成，壓力傳感器位于爪體
3內側、與爪體粘接，橡膠層粘貼在壓力傳感器上，爪體后部設有光電管，最后端有導向槽，推 桿螺母位于導向槽內，爪體能夠繞位于旋轉基體上的手爪轉動軸轉動。 4、所述控制器包括控制模塊和遙控模塊組成，遙控模塊包括無線發(fā)射模塊和無線 接收模塊，控制器粘接在軀干上。 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是該智能翻轉式爬桿機器人運用翻轉式攀 爬方式，爬行速度快，能夠在彎曲的桿狀物和水平的桿狀物上爬行，也能夠在不同的桿狀物 之間進行遷移爬行；通過遙控裝置和智能控制，爬行方式靈活，智能化程度高；通過壓力傳 感器反饋回夾緊力使爬行更加可靠。


圖l是本發(fā)明的總體結構圖；圖2是軀干示意圖；圖3是翻轉臂示意圖；圖4是手爪示意圖；圖5是初始抱桿示意圖；圖6是翻轉狀態(tài)一示意圖；圖7是翻轉狀態(tài)二示意圖；圖8是翻轉狀態(tài)三示意圖；圖9是在不同桿狀物之間爬行狀態(tài)一 ；圖10是在不同桿狀物之間爬行狀態(tài)二圖11是手爪在桿狀物上固定主視圖；圖12是手爪在桿狀物上固定俯視圖。
具體實施例方式
下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述 智能翻轉式攀爬機器人的構成包括軀干、翻轉臂、旋轉臂、夾緊手爪及其控制器。
軀干的基本構架包括傳動軸9、兩平行支撐桿21、上轉動桿22和下轉動桿15，兩平 行支撐桿21和兩轉動桿垂直設置且通過滾動軸承相連；翻轉電機10通過支撐架11和軀干 相連，位于軀干的兩支撐桿之間；翻轉電機10的輸出力矩通過傳動裝置輸出帶動翻轉臂和 軀干翻轉，傳動裝置包括齒輪傳動裝置和同步齒形帶傳動裝置；齒輪傳動裝置包括電機輸 出軸齒輪27、換向齒輪18、換向齒輪支承軸28、下轉動桿齒輪26和傳動軸齒輪19，各傳動 齒輪均通過鍵連接分別固定在各傳動軸和支承軸上，翻轉電機10通過聯(lián)軸器16與電機輸 出軸齒輪27相連，傳動軸9在支撐桿21內側一端設有傳動齒輪19，另一端設有帶輪7，帶 輪7與傳動軸9通過鍵連接固定，另一帶輪7通過鍵連接固定上轉動桿22上，兩帶輪通過 同步齒形帶8連接。 翻轉臂和旋轉臂均由上下兩臂組成，兩臂結構相同，兩翻轉臂均由翻轉支桿12、翻 轉基體31、后端蓋30、旋轉電機34、推力軸承33、緊定螺釘24、連接螺栓29和止動套6組 成；兩旋轉臂均由旋轉基體13、手爪驅動電機5、絲杠4、限位開關25、推桿螺母2和手爪轉 動軸3組成；翻轉支桿12 —端和轉動桿固結，另一端與翻轉基體31通過連接螺栓29固結，
4止動套6位于翻轉基體31外端，由上下兩件套體組成，通過螺釘24固定在翻轉基體31上，旋轉電機34位于翻轉機體31內，電機后端由后端蓋30定位，電機前端有推力軸承33，電機輸出軸位于推力軸承33內，輸出軸前端通過鍵連接與旋轉手臂固結，旋轉基體13上有導向槽，推桿螺母2下端位于導向槽內，上端有螺紋孔與絲杠4螺紋連接，限位開關25位于絲杠4行程末端，手爪驅動電機5固定在旋轉基體13上，電機輸出軸與絲杠4通過聯(lián)軸器38連接。 夾緊手爪由爪體1、壓力傳感器35、橡膠層36、光電管37組成、壓力傳感器35位于爪體1內側，與爪體粘接、橡膠層36粘貼在壓力傳感器35上，爪體1后部設有光電管37，最后端有導向槽，推桿螺母2位于導向槽內，爪體1能夠繞位于旋轉基體13上的手爪轉動軸3轉動。 控制器20包括控制模塊和遙控模塊組成，遙控模塊包括無線發(fā)射模塊和無線接收模塊，控制器20粘接在軀干上。 為了便于理解本發(fā)明，下面結合附圖對本發(fā)明的原理及動作過程作進一步的描述。 —、攀爬機器人在桿狀物上固定的原理 攀爬機器人在不規(guī)則形狀的桿狀物上固定的主視圖如圖11所示，俯視圖如圖12
所示，當手爪抓住桿狀物時，手爪前端和后端伸出部分卡在桿狀物的表面上，在機器人自身
的重力作用下，力矩在爪子與桿的接觸部位產(chǎn)生壓力，然后在接觸位置形成向上的摩擦力。
以達到平衡自身重力的功能。 二、基本動作綜述 1、抱桿動作 接通電源，手爪驅動電機正轉，通過絲杠螺母機構，推動推桿螺母在導槽里前進，帶動手爪由兩側向中間移動，抱住桿狀物，同時壓力傳感器反饋壓力信號，達到設定閾值時，控制系統(tǒng)切斷電機的電源，使驅動電機停止。
2、放桿動作 接通電源，手爪驅動電機反轉，帶動絲杠螺母反轉，通過絲杠母機構推動推桿螺母使手爪向兩端張開，開始放桿動作；當推桿螺母后退到極限位置觸發(fā)限位開關，反饋回位置信號，控制系統(tǒng)切斷手爪驅動電機的電源，使驅動電機停止，完成放桿動作。
3、向上翻轉動作 上爪抱住桿，下爪放開，軀干上的翻轉電機正轉，經(jīng)過齒輪傳動裝置和同步齒形帶傳動裝置，將電機的運動傳遞至兩側翻轉臂，翻轉臂正轉實現(xiàn)機體的向上翻轉運動。當下爪到達應該抓桿的位置時，手爪上的光電管被桿狀物遮住，反饋回位置信號，控制系統(tǒng)切斷翻轉電機電源，上翻動作完成。
4、向下翻轉動作 下爪抱住桿，上爪放開，軀干上的翻轉電機反轉，經(jīng)過齒輪傳動裝置和同步齒形帶傳動裝置，將電機的轉動傳遞至兩側翻轉臂，翻轉臂反轉實現(xiàn)軀干的向下翻轉運動。當上爪到達應該抓桿的位置時，手爪上的光電管被桿狀物遮住，反饋回位置信號，控制系統(tǒng)切斷翻轉電機電源，下翻動作完成。
5、爪的旋轉動作
爬行過程中遇到需要從豎桿到橫桿變化時，旋轉臂上的旋轉電機正轉，驅動手爪，
當手爪與桿平時，控制系統(tǒng)切斷旋轉電機電源，電機停轉。 三、攀爬機器人爬行過程綜述 1 、攀爬機器人爬行前在桿狀物上固定 攀爬機器人在爬行前，上、下手爪上的驅動電機的正轉，使桿狀物處于爪之間，并抱住桿狀物，完成上、下爪的抱桿動作，使爬樹機器人固定在桿狀物上。
2、攀爬機器人上爬過程 由控制模塊發(fā)出向上爬的信號，首先，接通下部手爪驅動電機的電源，使驅動電機反轉，通過絲桿螺母機構，帶動推桿螺母在旋轉基體上的導槽里向后滑行，驅動下部手爪張開，推桿螺母回到絲杠最大行程處時，通過限位開關的反饋，控制系統(tǒng)控制驅動電機，使之停止，控制系統(tǒng)接著使下部手爪驅動電機停轉，控制軀干上的翻轉電機正轉，通過齒輪傳動和同步齒形帶傳動，使兩側的旋轉臂正向旋轉，機器人向上翻轉，當下部手爪達到抓取位置時，手爪上的光電管反饋回位置信號，控制系統(tǒng)控制軀干翻轉電機停轉，同時控制下部手爪上手爪驅動電機正轉，通過絲桿螺母機構，推動推桿螺母前進，使下部手爪閉合，同時控制系統(tǒng)接收壓力反饋信號，達到設定閾值時，使下爪驅動電機停轉。此時，上爪、下爪均處于抱住桿的狀態(tài)，至此，攀爬機器人的一個上爬過程完成。
3、攀爬機器人下爬過程 當完成若干個攀爬周期后，雙爪均抓緊桿狀物。利用遙控模塊選擇下爬功能，根據(jù)控制模塊計數(shù)判斷出位于最上面的是上爪還是下爪，并控制該爪的驅動電機反轉，松開手爪，當推桿螺母達到絲杠的形成末端時，驅動電機停轉，此時控制軀干上的翻轉電機反轉，翻轉電機的反轉帶動兩側的齒輪和同步齒形帶反轉，攀爬機器人實現(xiàn)向下翻轉的動作；在翻轉后位于下部的手爪達到抓桿位置時，光電管反饋回該爪的位置信號，控制系統(tǒng)使翻轉電機停轉，同時使該爪的手爪驅動電機正轉，夾緊桿狀物，至此，完成一個下爬動作循環(huán)周期。 四、兩平行桿狀物之間的爬行 機器人需要從一根桿狀物爬向平行的另外一根狀物時，初始動作和上爬過程一樣，在上翻的過程中，通過遙控人工控制翻轉電機的翻轉角度，使上翻的手爪靠近平行位置的桿狀物，并且控制旋轉電機和翻轉電機的角度使上翻手爪抓住桿狀物，在手爪到達抓取位置時，光電管反饋系統(tǒng)反饋回位置信號，翻轉電機和旋轉電機停轉，驅動翻轉手爪的驅動電機正轉抓緊桿狀物，當壓力傳感器達到設定壓力閾值時，手爪驅動電機停轉，同時另一個手爪驅動電機反轉，松開手爪，人工遙控翻轉電機使軀干上翻，完成桿狀物之間的爬行。
權利要求
一種智能翻轉式攀爬機器人，其特征是組成包括軀干，安裝在軀干上的兩個翻轉臂，安裝在翻轉臂上的旋轉臂，安裝在旋轉臂上的夾緊手爪和控制器；所述的軀干包括兩平行支撐桿、傳動軸、上轉動桿和下轉動桿，支撐桿和兩轉動桿垂直設置且通過滾動軸承相連；翻轉電機通過支撐架和軀干相連，位于軀干的兩支撐桿之間；翻轉電機的輸出力矩通過傳動裝置輸出帶動翻轉臂和軀干翻轉。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種智能翻轉式攀爬機器人，其特征是所述傳動裝置包括 電機輸出軸齒輪、換向齒輪、下轉動桿齒輪、傳動軸齒輪、第一帶輪、第二帶輪和同步齒形 帶，翻轉電機通過聯(lián)軸器與電機輸出軸齒輪相連，下轉動桿齒輪安裝在下轉動桿上，換向齒 輪通過換向齒輪支承軸安裝在支撐桿上，傳動軸齒輪安裝在傳動軸的一端，電機輸出軸齒 輪與換向齒輪和下轉動桿齒輪嚙合，換向齒輪與傳動軸齒輪嚙合，第一帶輪安裝在傳動軸 的另一端，第二帶輪固定在上轉動桿上，兩帶輪通過同步齒形帶連接。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種智能翻轉式攀爬機器人，其特征是所述翻轉臂的 組成包括翻轉支桿、翻轉基體、后端蓋、旋轉電機、推力軸承和止動套；所述旋轉臂的組成包 括旋轉基體、手爪驅動電機、絲杠、限位開關、推桿螺母和手爪轉動軸；翻轉支桿一端和轉 動桿固結，翻轉支桿另一端與翻轉基體固結，止動套位于翻轉基體外端、由上下兩件套體組 成，止動套固定在翻轉基體上，旋轉電機位于翻轉機體內，旋轉電機前端有推力軸承，旋轉 電機輸出軸位于推力軸承內，輸出軸前端與旋轉手臂固結，旋轉基體上有導向槽，推桿螺母 下端位于導向槽內，推桿螺母上端有螺紋孔與絲杠螺紋連接，限位開關位于絲杠行程末端， 手爪驅動電機固定在旋轉基體上，電機輸出軸與絲杠通過聯(lián)軸器連接。
4. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種智能翻轉式攀爬機器人，其特征是所述夾緊手爪 由爪體、壓力傳感器、橡膠層、光電管組成，壓力傳感器位于爪體內側、與爪體粘接，橡膠層 粘貼在壓力傳感器上，爪體后部設有光電管，最后端有導向槽，推桿螺母位于導向槽內，爪 體能夠繞位于旋轉基體上的手爪轉動軸轉動。
5. 根據(jù)權利要求3所述的一種智能翻轉式攀爬機器人，其特征是所述夾緊手爪由爪 體、壓力傳感器、橡膠層、光電管組成，壓力傳感器位于爪體內側、與爪體粘接，橡膠層粘貼 在壓力傳感器上，爪體后部設有光電管，最后端有導向槽，推桿螺母位于導向槽內，爪體能 夠繞位于旋轉基體上的手爪轉動軸轉動。
6. 根據(jù)權利要求1或2所述的一種智能翻轉式攀爬機器人，其特征是所述控制器包 括控制模塊和遙控模塊，遙控模塊包括無線發(fā)射模塊和無線接收模塊，控制器粘接在軀干 上。
7. 根據(jù)權利要求3所述的一種智能翻轉式攀爬機器人，其特征是所述控制器包括控 制模塊和遙控模塊，遙控模塊包括無線發(fā)射模塊和無線接收模塊，控制器粘接在軀干上。
8. 根據(jù)權利要求4所述的一種智能翻轉式攀爬機器人，其特征是所述控制器包括控 制模塊和遙控模塊，遙控模塊包括無線發(fā)射模塊和無線接收模塊，控制器粘接在軀干上。
9. 根據(jù)權利要求5所述的一種智能翻轉式攀爬機器人，其特征是所述控制器包括控 制模塊和遙控模塊，遙控模塊包括無線發(fā)射模塊和無線接收模塊，控制器粘接在軀干上。
全文摘要
本發(fā)明提供的是一種智能翻轉式攀爬機器人。組成包括軀干，安裝在軀干上的兩個翻轉臂，安裝在翻轉臂上的旋轉臂，安裝在旋轉臂上的夾緊手爪和控制器；所述的軀干包括兩平行支撐桿、傳動軸、上轉動桿和下轉動桿，支撐桿和兩轉動桿垂直設置且通過滾動軸承相連；翻轉電機通過支撐架和軀干相連，位于軀干的兩支撐桿之間；翻轉電機的輸出力矩通過傳動裝置輸出帶動翻轉臂和軀干翻轉。本發(fā)明運用翻轉式攀爬方式，爬行速度快，能夠在彎曲的桿狀物和水平的桿狀物上爬行，也能夠在不同的桿狀物之間進行遷移爬行；通過遙控裝置和智能控制，爬行方式靈活，智能化程度高；通過壓力傳感器反饋回夾緊力使爬行更加可靠。
文檔編號B25J11/00GK101695835SQ200910073108
公開日2010年4月21日 申請日期2009年10月29日 優(yōu)先權日2009年10月29日
發(fā)明者史冬巖, 李芳 , 石先杰, 鄧波, 陸玉婷 申請人:哈爾濱工程大學;