一种越障爬杆机器人及其工作方法

本发明属于一种移动机器人技术，具体涉及了一种越障爬杆机器人及其工作方法。

背景技术：

1、机器人的越障爬杆技术，是机器人研究领域中的一项重要技术。障碍物的越过和爬升是机器人在实际工作中经常需要完成的任务之一。在工业、军事、医疗等领域，机器人的使用范围越来越广泛。在一些高空作业人员难以操作或者人生安全受到较大威胁的情况下，爬杆机器人可以代替高空作业人员完成相应的操作，如电线杆或者竖直安装的较高管件的损伤检测工作等。其可以实现相应操作的辅助设备的安装以及有效降低人员安全事故的发生，提高工作效率。

2、越障爬杆机器人的结构种类很多，目前的研究主要采用轮式、履带式和臂式等机构方式，其中轮式结构的爬杆机器人采用电机驱动摩擦轮实现攀爬，移动速度较快且运动平稳，控制简单易于实现，但是不适用需要越障的爬杆工况；履带式结构类似轮式，其运行更加平稳，但是体积较大、受到目标杆大小的限制且越障较难实现；臂式结构采用驱动机械臂交替夹紧和松开实现攀爬，具有更大的夹紧力，故具有更大的负载能力，且具有越障的功能，但其控制实现复杂且移动速度受到限制；履带式结构类似轮式，其运行更加平稳，但是传统履带式结构体积较大、受到目标杆大小的限制且越障较难实现。

技术实现思路

1、针对上述情况，为克服现有技术的缺陷，本发明提供一种简易结构的越障爬杆机器人，根据爬杆装置容易损伤杆体表面的问题，采用履带爬升的方式，相比于传统履带，本发明采用了内置电机的小型履带，相对独立的结构便于越障，同时，履带条上分布着大量弹性单元，在夹紧杆体时，弹性单元受压收缩，使履带条表面对杆体的贴合度更高，相对于传统履带，对杆体表面有更小的单位面积压力，但整体摩擦力更大，解决了爬升时压力既要大(爬升时的支持力要足够大保证机器人不会滑落)又要小(避免对杆体表面的压力过大影响杆体使用寿命)的矛盾型技术问题；同时，支撑臂上可伸缩的结构与履带和支架的弹性裕度可以适应更多不同的杆体环境。

2、本发明采取的技术方案如下：本发明由履带驱动机构，支撑系统，控制模块，传感检测模块组成。

3、本发明所述履带驱动机构由2组共6个内置电机的自适应地形履带构成，每个履带由履带条，履带骨架，驱动电机，传动轴锥齿轮系统，主动齿轮组，从动齿轮组构成。

4、本发明所述履带条由基本齿条1与齿条2交替安装构成，其中两种齿条上安装着基本弹性单元，每个弹性元件由弹簧限制筒，弹簧底座构成；

5、所述齿条2由齿条主体，齿条垫板以及两个齿条螺母构成；

6、安装时，每个齿条2的齿条主体两侧的安装杆分别插入两个齿条1的安装杆安装口，每个齿条1都有左右两个安装杆安装口，之后安装齿条垫板，并安装齿条螺母，齿条1和齿条2交替安装，最后首尾安装闭合，构成履带条的主体；

7、所述齿条1与齿条2上均匀分布着弹性件安装口，从每个弹性件安装口的下方插入弹簧套筒，再放入弹簧底座，弹簧底座卡在齿条1与齿条2底部的卡口，完成固定，安装好每一个弹性件，完成履带条的安装；

8、所述履带条套在履带骨架上，驱动电机内置于骨架，通过传动轴锥齿轮系统传动至履带的主动齿轮组，主动齿轮组与从动齿轮组的齿条卡在相邻的两个齿条垫板之间，随着主动齿轮组的转动，履带条也随之转动，从而完成履带驱动。

9、在机器人正常攀爬工作时，履带条上的弹性件会受压收缩，使履带条整体更加贴合表面，增大接触面积，爬升更加稳定的同时，也保护了杆体表面。

10、本发明所述支撑系统由第一支撑臂组，主架，第二支撑臂组构成，第一与第二支撑臂组的结构相同，安装于主架两端。

11、第一支撑臂组由两个支撑臂，1个从动支架机构，2个弹性履带支架，主动齿轮与从动齿轮构成。

12、支撑臂由前端直支架与后端60度角支架组成，二者由伸缩齿条连接；由臂上的调档旋钮控制齿条外露长度，从而控制支撑臂的长度；两支撑臂分别安装于主动齿轮与从动齿轮上，安装点位于前端直支架，主动齿轮与从动齿轮安装于主架一端的齿轮架上。

13、本发明所述从动支架机构由连接支架1，连接支架2，两根旋转支架以及两根履带侧向连接支架构成。连接支架1与连接支架2中心轴绞接，一端铰接在两根支撑臂的前端直支架的安装点，安装点对称，另一端绞接旋转支架，旋转支架绞接履带侧向连接支架；履带侧向连接支架安装在一个履带的两侧。

14、通过连接支架1，连接支架2，与两根旋转支架的铰接配合，使得支撑臂组张开时，履带仅仅沿支撑臂组的角平分线方向运动，从而带动履带离开杆体。

15、弹性履带支架由连接底座，弹簧压力伸缩机构以及履带连接支架构成；其中连接底座分别安装在支撑臂的后端60度角支架，安装点对称于角平分线，每个弹性履带支架安装一个履带，履带位置位于支撑臂的后端60度角支架的角平分线上。

16、正常工作时，支撑臂组为等边三角形，履带沿角平分线分布，两支撑臂由主动齿轮和从动齿轮连接，主动齿轮与从动齿轮安装在主架两端的齿轮架上，主动齿轮通过主动轴连接伺服电机，伺服电机位于主架上，从动齿轮通过从动轴连接主架上的旋转基座；通过伺服电机带动主动齿轮传动做到两臂同步旋转张开，从动支架机构带动连接的履带沿角平分线方向抬起，从而做到三履带同时离开杆体。

17、本发明所述两个视觉传感器配合工作，当视觉传感器1检测到杆体前部存在环形障碍时，控制电路控制驱动电机停止，同时伺服电机1工作，两臂张开，第一支撑臂组上的三履带同时离开杆体，由第二支撑臂组上的履带驱动；单组驱动时，视觉传感机1与视觉传感器2检测运动状态；待检测到第一支撑臂组完全通过环形障碍，而第二支撑臂组未到达障碍时，驱动电机停止，伺服电机1工作，第一支撑臂组复位夹紧；第二支撑臂组的越障步骤与第一支撑臂组同理。当视觉传感器2检测到杆体前部存在环形障碍时，越障方式同理。

18、整个越障过程中，同时蓝牙模块会实时传输传感器信息至地面计算机，在工作时做到对工作状态的远程实时监控与实时控制。

19、所述臂上伸缩，在面对圆柱形的目标杆时，档位需要调节一致，当面对不规则物体攀爬时，可以根据情况调节左右不同档位。

20、本发明所述电源为控制电路，视觉传感器，伺服电机和履带内置驱动电机提供能源。

21、本发明具有有益效果：本发明通过两组履带驱动机构的设置，以及具有的臂上夹紧以及臂伸缩功能，既能实现机器人对不同直径杆体的爬升作业，也能实现对杆体上环形障碍、较突出障碍的越障爬升作业，同时保留了垂直爬升作业的能力。

技术特征：

1.越障爬杆机器人，其特征在于：履带驱动机构(1)，支撑系统(2)，传感检测模块(3)，控制模块(4)；

2.根据权利要求1所述的越障爬杆机器人，所述履带条(101)套在履带骨架(102)上，驱动电机(405)内置于骨架，连接传动轴锥齿轮系统(103)，驱动主动齿轮(105)，由主动齿轮组(105)带动履带条(101)，完成履带驱动。

3.根据权利要求1所述的越障爬杆机器人，所述履带条(101)的长度即齿条1(10101)与齿条2(10102)的个数根据履带骨架(102)的尺寸而改变。

4.根据权利要求1所述的越障爬杆机器人，所述弹簧底座(10103)的底板卡在弹性件安装口(101a)底部的卡槽内，将弹簧套筒(10104)限制在弹性件安装口(101a)内。

5.根据权利要求1所述的越障爬杆机器人，所述传感检测模块(3)由视觉传感器1(301)与视觉传感器2(302)构成。

6.根据权利要求1所述的越障爬杆机器人，所述控制模块(4)由控制电路(401)，电源(402)，蓝牙模块(406)，伺服电机1(403)，伺服电机2(404)以及6个内置于履带的驱动电机(405)构成。

7.根据权利要求1所述的越障爬杆机器人及其工作方法，其特征如下：

技术总结
本发明公开了一种越障爬杆机器人及其越障方法，机构主体由两个支撑臂组与支撑主架构成，每个支撑臂组由两个支撑臂构成，支撑臂长度可以调节；支撑臂组上通过从动支架机构与弹性履带支架连接驱动履带，每组连接三个驱动履带，以等边三角形分布；履带条上分布弹性元件，工作时，臂上夹紧使之形变贴合曲面，保护杆体的同时更易攀爬；每组支撑臂组各连接一个伺服电机，通过控制电路控制支撑臂组的张开与放下；本发明通过两组履带驱动机构的设置，以及臂上夹紧、臂伸缩等功能的设置，既能实现机器人对不同直径杆体的爬升作业，也能实现对杆体上环形障碍、较突出障碍的越障爬升作业，同时保留了垂直爬升作业的能力。

技术研发人员：王向红,舒佳,胡宏伟,徐晓强,何知义,吕铎
受保护的技术使用者：长沙理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14