一种爪抱式尺蠖机器人

1.本技术涉及仿生机械的技术领域，尤其涉及一种爪抱式尺蠖机器人。


背景技术：

2.随着社会的发展与科学的进步，在许多领域都出现了机器人的身影，这些机器人在各自的领域发挥着极其重要的作用。在工业领域，机器人可以代替劳动者完成各种危险复杂的工作，减轻劳动者的负担，保证劳动者的安全并提高工作效率；在探测领域，机器人可以深入到人类无法进入的空间或存在安全隐患的场所执行任务；在服务领域，机器人可以代替服务人员进行各种服务工作，如医疗机器人、清洁机器人等；在军事领域，军用机器人能够在远程控制下进行侦查、攻击、救护等行动，从而减少人员伤亡；在海洋开发领域，机器人可以进行深海打捞、海底设施维修、海下电缆铺设等工作，与此同时，随着国家现代化建设与城市绿化建设，农林业、建筑业等领域也将为机器人提供更广阔的应用空间。在这些领域中，很多工作需要在高空中进行，这就导致劳动者面临很大的工作压力，对于这些需要在高空中完成的工作，有些存在安全隐患，如建筑外墙表面的喷漆工作；有些工作劳动强度大、时间长，比如高楼玻璃的清洗，果实的采摘等；有些高空作业则不适合劳动者亲自去完成，如工作环境恶劣或者工作性质枯燥重复的情况。对于这些劳动者不好完成或者根本无法完成的任务，攀爬机器人就成了再合适不过的选择。
3.尺蠖是一种攀爬能力很强的昆虫，是攀爬机器人合适的仿生对象。它“ω”型的躯体能实现很大的步幅，并且能向空间各个方向弯曲。此外，尺蠖的前足和后足都能稳定地附着在环境上。根据生物尺蠖的攀爬动作，研发出一种新型的、结构简单、成本低、操作简便的适用于树木或杆状建筑物间的攀爬机器人，用以替代人类进行高空作业。
4.目前的尺蠖机器人大致分为三种，干沾式，湿沾式，爪刺式。以上三种机器人研究均已发展深入多年，设计方案跟防生案例丰富且完善，各有特色，但也有各的局限性。干沾式尺蠖机器人可以实现在光滑壁面上的稳定攀爬。然而缺乏自洁净功能的仿生干粘附材料对灰尘颗粒等特别敏感，容易被灰尘污染而失效，不适用于粗糙、多灰尘壁面的攀爬。湿沾式尺蠖机器人则是采用材料间的湿沾附力，同样适用于光滑壁面且材料研发难度较大，成本较高。爪刺式尺蠖机器人适用于粗糙环境，适应性更好，但爪刺式深入力过大易对攀爬物体造成损伤。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本技术提供爪抱式尺蠖机器人，以实现灵活自适应的攀爬运动和高空作业，并且适用于管道攀爬和地面爬行两种情景。
6.本技术提供一种抓抱式尺蠖机器人，包括动力躯干和安装在所述动力动力躯干二端的二抓持器，所述动力躯干包括身臂机构和云台机构，所述抓持器包括凸轮机构、爪抱机构、齿轮传动机构、定位机构和身架机构，所述身架机构将凸轮机构、爪抱机构、齿轮传动机构和定位机构装配；
7.所述凸轮机构包括互换性槽凸轮、从动推杆、爪轴限位上夹片、爪轴限位下夹片，互换性槽凸轮与从动推杆配合，从动推杆与爪轴限位上下夹片连接，爪轴限位上下夹片以螺栓连接，互换性槽凸轮与身架机构中长u型架的前端连接，爪轴限位上下夹片配合左右所形成的导槽与下方爪抱机构左右轴分别配合；
8.所述爪抱机构包括多个爪片、右爪轴、左爪轴，其中二抓片与右抓轴配合以螺栓固定，另二爪片与左爪轴配合以螺栓固定；
9.所述齿轮传动机构包括上不完全齿轮、中右内齿轮、中右外齿轮、中左齿轮、下右齿轮、下左齿轮、中右齿轮轴、中左齿轮轴、下右齿轮轴、下左齿轮轴、第一导杆转动件和第二导杆转动件，上不完全齿轮与中右内齿轮配合，中右内齿轮、中右外齿轮、中右齿轮轴螺栓连接，中右外齿轮与中左齿轮配合，中右外齿轮与下右齿轮配合，下右齿轮与下右齿轮轴键连接，中左齿轮与下左齿轮配合，下左齿轮与下左齿轮轴键连接，下右齿轮轴与第一导杆转动件螺栓连接，下左齿轮轴与第二导杆转动件螺栓连接，上不完全齿轮与身架机构中长u型架后端连接，所述第一导杆转动件和第二导杆转动件分别与爪抱机构中左右轴槽配合。
10.可选地，所述身臂机构包括垫柱、后半臂长板、后半臂横板、第一短u型架、第二短u型架、第三短u型架、前半臂短板、法兰盘、第一双轴舵机、第二双轴舵机、第三双轴舵机，第一短u型架连接在第一双轴舵机的轴端二侧，法兰盘与后半臂长板尾端用螺栓同时相连，两块后半臂长板中间以三根垫柱两端与两板用螺栓分别连接，两块后半臂长板前端与后半臂横板榫卯结合，后半臂横板与第二短u型架相连，第二短u型架连接在第二双轴舵机的轴端两侧，法兰盘与前半臂短板尾端用螺栓同时相连，两块后臂短板中间通过三根垫柱与两板用螺栓连接，第三双轴舵机轴端两侧，法兰盘与前半臂短板前端用螺栓同时相连，第三双轴舵机和第三短u型架相连。
11.可选地，所述的云台机构包括单轴舵机、法兰盘、方板、圆形大轴承、铜柱、圆板，单轴舵机、法兰盘以螺栓相连，方板与圆形大轴承外圈相连，圆形大轴承内圈与身臂机构中顶板以螺栓连接，方板与圆板之间以铜柱连接，圆板与上方的身臂机构中短u型架或以螺栓连接，云台机构的法兰盘与身臂机构的顶板螺栓连接。
12.可选地，所述身架机构包括导槽前板、后板、顶板、左侧板、右侧板、双轴舵机、短u型架、法兰盘、长u型架、轴承，导槽前板与顶板、左右侧板分别以螺栓连接，后板与顶板、左右侧板分别以螺栓连接，轴承与后板上孔位过盈配合，顶板与左右侧板榫卯连接，顶板与短u型架相连，双轴舵机与短u型架相连，双轴舵机、法兰盘、长u型架同时连接。
13.可选地，所述上不完全齿轮开有角度为120度的缺口。
14.可选地，所述爪片内侧贴有3mm厚的条纹橡胶片。
15.可选地，所述定位机构包括齿轮轴定位板、定位板插销、轴承滚子、轴承滚子梁、轴承，齿轮定位板与定位板插销配合，二轴承滚子与轴承滚子梁两端连接，轴承与齿轮定位板、轴承滚子梁过盈配合，齿轮定位板横贯身架机构中左右侧板，二定位板插销与左右侧板分别以螺栓连接，轴承分别与齿轮传动机构中所有轴一一配合。
16.因此，本技术具有如下有益效果：
17.1.本技术采用了包括动力躯干和二抓持器，动力躯干包括身臂机构和云台机构，抓持器包括凸轮机构、爪抱机构、齿轮传动机构、定位机构以及将上述机构联接的身架机构，工作可靠简单，仿生程度高，适应情景多元化
18.2.本技术中凸轮机构，可以让爪抱机构伸出，回缩至内部，大大提高本技术的仿生程度，其中互换性槽凸轮可以更换以适应不同粗细的管道，增广适用范围。
19.3.本技术中的爪抱机构，其中爪片内侧贴有3mm厚的条纹橡胶增大摩擦力，增大抓持力，使行进过程更加稳固可靠。
20.4.本技术中的定位机构，以轴承滚子作螺栓固定轴承滚子梁，轴承滚子今本技术在地面爬行得以实现。
21.5.本技术中身架机构中的长u型架两端分别与凸轮机构中互换性槽凸轮和齿轮传动机构中上不完全齿轮配合，即舵机带动互换性槽凸轮和上不完全齿轮同时转动，即单一动力源完成复杂动作，实现抓抱机构的伸出与回缩以及抓抱机构的抱紧动作。
附图说明
22.下面结合附图，通过对本技术的具体实施方式详细描述，将使本技术的技术方案及其它有益效果显而易见。
23.图1为本技术实施例提供抓抱式尺蠖机器人的整体结构图。
24.图2为本技术实施例提供动力躯干的结构图。
25.图3为本技术实施例提供抓持器的一视角的结构图。
26.图4为本技术实施例提供抓持器另一视角的结构图。
27.其中，图中元件标识如下：
28.1-垫柱；2-后半臂长板；3-后半臂横板；4-短u型架；5-前半臂短板；6-法兰盘；7-双轴舵机；8-单轴舵机；9-方板；10-圆形大轴承；11-铜柱；12-圆板；13-导槽前板；14-后板；15-顶板；16-左侧板；17-右侧板；18-长u型架；19-轴承；20-互换性槽凸轮；21-从动推杆；22-爪轴限位上夹片；23-爪轴限位下夹片；24-爪片；25-右爪轴；26-左爪轴；27-上不完全齿轮；28-中右内齿轮；29-中右外齿轮；30-中左齿轮；31-下右齿轮；32-下左齿轮；33-中右齿轮轴；34-中左齿轮轴；35-下右齿轮轴；36-下左齿轮轴；37-键；38-导杆转动件；39-齿轮轴定位板；40-定位板插销；41-轴承滚子；42-轴承滚子梁。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.在本技术的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
31.在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术
人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
32.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本技术的不同结构。为了简化本技术的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本技术。此外，本技术可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本技术提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
33.在介绍本技术的技术方案之前，有必要阐述下本技术的发明创造的创立背景。
34.已为普遍存在的是，相关技术中，尺蠖机器人攀爬或爬行作业的灵活自适应性不够理想。具体而言，干沾式尺蠖机器人可以实现在光滑壁面上的稳定攀爬。然而缺乏自洁净功能的仿生干粘附材料对灰尘颗粒等特别敏感，容易被灰尘污染而失效，不适用于粗糙、多灰尘壁面的攀爬。湿沾式尺蠖机器人则是采用材料间的湿沾附力，同样适用于光滑壁面且材料研发难度较大，成本较高。爪刺式尺蠖机器人适用于粗糙环境，适应性更好，但爪刺式深入力过大易对攀爬物体造成损伤。
35.基于上述发明人意识上述难题，本发明人提出了，处于管道攀爬状态时，本发明后抓持器中的舵机带动凸轮机构将爪抱机构沿夹片导槽，前板导槽下行至最低端，即爪抱机构伸出；齿轮传动机构将动力传递至抓抱机构，爪抱机构抱紧管道，身臂机构带动前抓持器伸出指定距离，在此过程中云台机构转动调整前进方向以及前抓持器下落位置，前爪抓持器重复后抓持器动作抱紧管道，后抓持器中舵机反转由齿轮传动机构传至抓抱机构松开管道，继续转动凸轮机构将爪抱机构回收，后抓持器在身臂机构带动下向前行进，完成一个周期的行进动作，如此往复实现本发明在管道上的攀爬。
36.处于地面爬行状态时，定位机构装有轴承滚子。后抓持器爪抱机构接触地面，身臂机构转动使前抓持器向上微抬20
°
仰角使轴承滚子接触地面，后端滑动摩擦，前端滚动摩擦造成前后摩擦力之差，后抓持器不动身臂机构前伸带动前抓持器向前滑动伸出一段距离，后前抓持器回转20
°
，前抓持器抓抱机构接触地面，后抓持器向上微抬20
°
仰角使轴承滚子接触地面，前抓持器不动，身臂机构带动后抓持器向前收缩，完成一个周期运动，不断重复执行此周期运动，使本发明实现在地面上的爬行。本发明相较于传统同类型仿生机械仿生程度更高，适用情景更加多元化。由此，创立了本发明创造。
37.参考图1至图4所示，本技术的爪抱式尺蠖机器人包括动力躯干和二抓持器(基于说明需要，以前抓持器和后抓持器进行区分)两大部分，动力躯干包括身臂机构和云台机构，抓持器包括凸轮机构、爪抱机构、齿轮传动机构、定位机构以及将上述机构联接的身架机构。处于管道攀爬状态时，本技术后抓持器中的双轴舵机7带动凸轮机构将爪抱机构沿爪轴限位上夹片25和抓轴限位下夹片26配合所形成的导槽，导槽前板13中的导槽下行至最低端，即爪抱机构伸出，此时齿轮传动机构中上不完全齿轮27处于无齿状态，即上不完全齿轮27不与中右内齿轮28啮合。抓抱机构完全伸出后，双轴舵机7继续转动不完全齿轮27无齿角度行程转动完毕，开始与中右内齿轮28啮合，齿轮传动机构将动力传递至抓抱机构，齿轮传动机构中导杆转动件38转动带动左右爪轴转动，爪抱机构抱紧管道，身臂机构带动前抓持器伸出指定距离，在此过程中云台机构中单轴舵机8转动调整前进方向以及前抓持器下落位置，前抓持器重复后抓持器动作抱紧管道，后抓持器中双轴舵机7反转松开管道并且将抓
抱机构回缩至后抓持器内部，后抓持器在动力躯干带动下向前行进，完成一个周期的行进动作，如此往复实现本技术在管道上的攀爬。处于地面爬行状态时，定位机构装有轴承滚子41。后抓持器爪抱机构中爪片20接触地面，身臂机构中前抓持器上方双轴舵机7转动使前抓持器向上微抬20度仰角使轴承滚子41接触地面，后端滑动摩擦，前端滚动摩擦造成前后摩擦力之差，后抓持器不动，身臂机构前伸带动前抓持器向前滑动伸出一段距离，前抓持器回转20度，前抓持器抓抱机构中爪片20接触地面，身臂机构中后抓持器上方的双轴舵机7转动使后抓持器向上微抬20仰角今轴承滚子41接触地面，前抓持器不动，身臂机构带动后抓持器向前收缩，至此完成一个周期运动，不断重复执行此周期运动，使本技术实现在地面上的爬行。
38.如图2所示，本技术的身臂机构包括50mm垫柱1、后半臂长板2、后半臂横板3、短u型架4、前半臂短板5、法兰盘6、双轴舵机7，短u型架4-1与第一双轴舵机7相连，第一双轴舵机7轴端两侧，法兰盘6与后半臂长板2尾端用螺栓同时相连，两块后半臂长板2中间以三根垫柱1两端与两板用螺栓分别连接，两块后半臂长板2前端与后半臂横板3榫卯结合，后半臂横板3与第二短u型架4相连，第二短u型架4和第二双轴舵机7相连，第二双轴舵机7轴端两侧，法兰盘6与前半臂短板5尾端用螺栓同时相连，两块前半臂短板5中间以三根垫柱2两端与两板用螺栓分别连接，第三双轴舵机7轴端两侧，法兰盘6与前半臂短板前端用螺栓同时相连，第三双轴舵机7和第三短u型架4相连。
39.如图2所示，本技术的云台机构包括单轴舵机8、法兰盘6、方板9、圆形大轴承10、铜柱11、圆板12，单轴舵机8、法兰盘6以螺栓相连，方板9与圆形大轴承10外圈相连，圆形大轴承10内圈与身臂机构中顶板15以螺栓连接，方板9与圆板12之间以铜柱11连接，圆板12与上方的身臂机构中短u型架4-1或4-3以螺栓连接，云台机构中法兰盘6与身臂机构中顶板15以螺栓连接。本技术在管道攀爬过程中，后抓持器抱紧管道，后抓持器上方连接的云台机构中单轴舵机8转动此时单轴舵机8轴不动，单轴舵机8机身带动身臂机构和前抓持器在水平方向上转动，对前进方向进行粗调，使前抓持器中心点处于下一步需要攀爬管道轴线的上方。后抓持器上方的云台机构中单轴舵机8转动，此时单轴舵8机机身不动，单轴舵机8的轴转动带动前抓持器旋转，使前抓持器轴线与管道轴线平行。
40.如图3所示，本技术的身架机构包括导槽前板13、后板14、顶板15、左侧板16、右侧板17、双轴舵机7、短u型架4、法兰盘6、长u型架18、轴承19，导槽前板13与顶板14、左侧板16、右侧板17分别以螺栓连接，后板14与顶板15、左侧板16、右侧板17分别以螺栓连接，轴承19与后板14上孔位过盈配合，顶板15与左侧板16、右侧板17榫卯连接，顶板15与短u型架4相连，双轴舵机7与短u型架4相连，双轴舵机7、法兰盘6、长u型架18同时连接在一起。
41.如图3所示，本技术的凸轮机构包括互换性槽凸轮20、从动推杆21、爪轴限位上夹片22、爪轴限位下夹片23，互换性槽凸轮20与从动推杆21配合，从动推杆21与爪轴限位上夹片22、爪轴限位下夹片23连接，爪轴限位上夹片22与爪轴限位下夹片23以螺栓连接，互换性槽凸轮20与身架机构中长u型架18前端连接，爪轴限位上夹片22与爪轴限位下夹片23配合所形成的左右导槽与下方爪抱机构左爪轴26、右爪轴25分别配合。凸轮机构用于实现抓抱机构的伸出与收回，初始状态互换性槽凸轮20处于近休止角，身架机构中双轴舵机7转动互换性槽凸轮20进入推程运动角，从动推杆21在凸轮作用下竖直向下运动，从动推杆21所连接的爪轴限位上夹片22与爪轴限位下夹片23配合所形成的左右导槽中的左爪轴26、右爪轴
25向下伸出，推程运动角结束互换性槽凸轮20进入远休止角，此时左爪轴26、右爪轴25处于最低端并在之后的抱紧运动中保持该位置。抓抱机构的收回则是其逆运动。互换性槽凸轮20与其配合的从动推杆21具有可互换性，通过更换这两个零部件可实现爪子向下伸出的距离以更好适应不同粗细的管道。
42.如图3所示，本技术爪抱机构包括爪片24、右爪轴25、左爪轴26，第一爪片24和第二爪片24与右抓轴25配合以螺栓固定，第三爪片24和第四爪片24与左爪轴26配合以螺栓固定。
43.如图4所示，本技术的齿轮传动机构包括上不完全齿轮27、中右内齿轮28、中右外齿轮29、中左齿轮30、下右齿轮31、下左齿轮32、中右齿轮轴33、中左齿轮轴34、下右齿轮轴35、下左齿轮轴36、键37、导杆转动件38，上不完全齿轮27与中右内齿轮28啮合，中右内齿轮28、中右外齿轮29、中右齿轮轴35以螺栓连接，中右外齿轮29与中左齿轮30啮合，中右外齿轮29与下右齿轮31啮合，下右齿轮31与下右齿轮轴35以键37-1连接，中左齿轮30与下左齿轮32啮合，下左齿轮32与下左齿轮轴36以键37-2连接二者相对固定，下右齿轮轴35与第一导杆转动件38螺栓连接，下左齿轮轴36与第二导杆转动件38螺栓连接，上不完全齿轮27与身架机构中长u型架18后端连接，中右齿轮轴33，中左齿轮轴34的两端分别与身架机构中后板与定位机构中齿轮轴定位板上的轴承间隙配合。第一导杆转动件38、第二导杆转动件38分别与爪抱机构中右爪轴25、左爪轴26上的槽口配合。齿轮传动机构用于爪抱机构的抱紧与松开，齿轮传动机构与凸轮机构用一个双轴舵机同时驱动。凸轮机构中互换性槽凸轮20处近休止角以及推程运动角时，上不完全齿轮27为无齿部分在转动过程中未与中右内齿轮28啮合。当互换性槽凸轮20进入远休止角时，上不完全齿轮27与中右内齿轮28开始啮合。此时抓抱机构中左爪轴25、右爪轴26下降至最低端，中轴线与分别与下左齿轮轴36、下右齿轮轴35的中轴线重合。此时在齿轮传动机构的作用下将双轴舵机8的动力传递至左爪轴25、右爪轴26，使爪抱机构抱紧管道，抓抱机构的松开则是其逆运动。
44.如图4所示，本技术的定位机构包括齿轮轴定位板39、定位板插销40、轴承滚子41、轴承滚子梁42、轴承19，齿轮定位板39与定位板插销40-1、40-2配合，轴承滚子41-1、41-2与轴承滚子梁42两端连接，轴承19与齿轮定位板39、轴承滚子梁42过盈配合，齿轮定位板39横贯身架机构中左侧板16、右侧板17，第一定位板插销40、第二定位板插销40与左侧板16、右侧板17分别以螺栓连接，轴承19分别与齿轮传动机构中所有轴一一配合。定位机构中齿轮轴定位板39与轴承滚子梁42上开有定位孔与身架机构中后板14对应的定位孔处于同一轴线上保证齿轮传动机构中各轴的相对位置使传动平稳可靠，且定位孔都中装有轴承19与轴间隙配合使传动更丝滑。轴承滚子41有两大作用，一是其上有螺栓可与螺母配合固定轴承滚子梁42，二是在地面爬行时提供滚动摩擦。
45.本技术的工作过程如下：处于管道攀爬状态时，前抓持器中凸轮机构将爪抱机构向下推至最低端，齿轮传动机构将动力传递至抓抱机构，抓抱机构旋转抱紧管道，云台机构调整方向，身臂机构向前伸出，后抓持器中凸轮机构将爪抱机构向下推至最低端，齿轮传动机构将动力传递至抓抱机构，抓抱机构旋转抱紧管道，前抓持中凸轮机构反转齿轮传动机构将动力传递至抓抱机构，抓抱机构旋转松开管道，凸轮机构将爪抱机构向上回收至最高端，云台机构调整方向，身臂机构向前收缩，完成一个周期运动，不断重复执行此周期运动，使本技术实现在管道上的爬行。处于地面爬行状态时，后抓持器中爪抱机构中爪片接触地
面为滑动摩擦，身臂机构转动使前抓持器向上微抬20
°
仰角，定位机构中轴承滚子接触地面为滚动摩擦，身臂机构向前伸出，前后由于摩擦力之差，后抓持器不动，前抓持器向前伸出，身臂机构转动使使前抓持器向下回转20度使前抓持器中爪抱机构中爪片接触地面为滑动摩擦，身臂机构转动使后抓持器向上微抬20仰角，定位机构中轴承滚子接触地面为滚动摩擦，身臂机构向前伸出，前后由于摩擦力之差，前抓持器不动，后抓持器向前回缩，完成一个周期运动，不断重复执行此周期运动，使本技术实现在地面上的爬行，在此过程中云台机构可以调整方向实现向任意方向的爬行。
46.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。