一种可避障的斜拉索攀爬机器人及其避障控制方法

技术领域

本发明属于攀爬机器人技术领域，尤其涉及一种斜拉索攀爬机器人。

背景技术

目前的爬杆机器人或爬斜拉索机器人，主要包括滚轮式和夹钳式两种，滚轮式攀爬机器人结构紧凑、运动速度快，但轮子与杆或斜拉索摩擦系数小、易打滑，负载能力较小，很难跨越障碍物；夹钳式攀爬机器人利用两个或多个夹钳，交替抱紧实现交替前行，可靠性高，效率较低。

如公告号为CN106112993B的专利中公开的一种交替式爬杆机器人，依靠两个杆体夹紧机构交替进行夹紧、放松、上升，机器人即可向电杆27高处攀爬；依靠上杆体夹紧机构和下杆体夹紧机构分别退离横担28实现越障；依靠旋转电机14带动正压轮13在电杆27上沿周向转动，正压轮13与电杆27之间的摩擦力即可带动侧压轮24、整个机器人绕电杆27作360°水平旋转。

上述现有技术中机器人自身旋转是采用驱动压轮实现。而压轮旋转存在打滑的问题，特别是在极端环境中更容易出现。另外，该交替式爬杆机器人是通过夹紧机构与电杆27之间的距离大于横担28的高度的方式，跨越横担28而越过横担28这个障碍的，对于所攀爬通过位置的不规则障碍或者高度大于夹紧机构与电杆27之间的距离的障碍，则无法完成避障通过。

故需要一种新的技术方案解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种可避障的斜拉索攀爬机器人，用以解决现有技术中存在的攀爬机器人运动中易打滑、遇到较高障碍物避障能力不强等问题。

为达到上述目的，本发明可避障的斜拉索攀爬机器人可采用如下技术方案：

一种可避障的斜拉索攀爬机器人，包括第一夹爪机构、第二夹爪机构及屈伸机构；所述屈伸机构包括承载第一夹爪机构的第一支架、承载第二夹爪机构的第二支架及连接第一支架与第二支架的屈伸装置，该屈伸装置驱使第一支架与第二支架相互靠近或者相互远离；所述第一夹爪机构包括第一安装座、可相互开闭的第一夹板及第二夹板；所述第二夹爪机构包括第二安装座、可相互开闭的第三夹板及第四夹板；所述第二安装座背面设有滑块、旋转电机、安装于旋转电机输出端的齿轮；所述第二支架的内表面为内凹的圆弧面，该圆弧面上设有沿圆弧面横向延伸的弧形滑槽及沿圆弧面横向延伸的弧形齿条；所述第二夹爪机构的滑块安装于该弧形滑槽中，齿轮与弧形齿条啮合，当旋转电机驱动齿轮转动时，第二夹爪机构沿弧形齿条转动。

进一步的，所述第一夹爪机构还包括第一电机座、连接第一安装座与第一夹板的第一过渡段、连接第一电机座与第二夹板的第二过渡段、第一连接轴；所述第一过渡段与第二过渡段交叉设置且第一连接轴的两端分别铰接第一过渡段与第二过渡段；所述第一电机座上安装有第一缠绕电机、同轴连接于第一缠绕电机输出端的第一缠绕轴、缠绕于第一缠绕轴上的第一绳索，该第一绳索一端固定于第一安装座上；所述第一过渡段与第二过渡段之间设有第一复位弹性件；当第一缠绕电机驱动第一缠绕轴正转时，第一绳索持续缠绕于第一缠绕轴上而拉动第一安装座靠近第一电机座，并使第一夹板向第二夹板靠近，此时第一复位弹性件被压缩；当第一缠绕电机驱动第一缠绕轴反转时，第一绳索持续脱离第一缠绕轴，第一复位弹性件通过复位弹性力使第一夹板与第二夹板相互远离。

进一步的，所述第二夹爪机构还包括第二电机座、连接第二安装座与第三夹板的第三过渡段、连接第二电机座与第四夹板的第四过渡段、第二连接轴；所述第三过渡段与第四过渡段交叉设置且第二连接轴的两端分别铰接第三过渡段与第四过渡段；所述第二电机座上安装有第二缠绕电机、同轴连接于第二缠绕电机输出端的第二缠绕轴、缠绕于第二缠绕轴上的第二绳索，该第二绳索一端固定于第二安装座上；所述第三过渡段与第四过渡段之间设有第二复位弹性件；当第二缠绕电机驱动第二缠绕轴正转时，第二绳索持续缠绕于第二缠绕轴上而拉动第二安装座靠近第二电机座，并使第三夹板向第四夹板靠近，此时第二复位弹性件被压缩；当第二缠绕电机驱动第二缠绕轴反转时，第二绳索持续脱离第二缠绕轴，第二复位弹性件通过复位弹性力使第三夹板与第四夹板相互远离。

进一步的，所述第一安装座背面也设有滑块、旋转电机、安装于旋转电机输出端的齿轮；所述第一支架的内表面同样为两端高于中间的圆弧面，该第一支架的内表面上也设有沿横向延伸的弧形滑槽及沿圆弧面横向延伸并与第一安装座背部齿轮啮合的弧形齿条；所述第一夹爪机构的背面同样设有安装于该弧形滑槽中的滑块，当第一安装座背面的旋转电机驱动齿轮转动时，第一夹爪机构沿第一支架的弧形齿条转动。

进一步的，所述第一支架与第二支架之间的距离通过屈伸装置的驱动变大或变小，所述旋转电机与该距离分别位于第二安装座的两端，第二缠绕电机同样与该距离分别位于第二电机座的两端。

进一步的，所述第一支架与第二支架之间的距离通过屈伸装置的驱动变大或变小，第一缠绕电机与该距离分别位于第一电机座的两端。

进一步的，所述屈伸装置包括第一屈伸臂、第二屈伸臂、屈伸电机、与屈伸电机输出轴同轴连接的转轴，所述第二屈伸臂的一端与第二支架背部铰接，第二屈伸臂的另一端设有两个平行延伸的安装架；所述第一屈伸臂的一端与第一支架背部铰接，第一屈伸臂的另一端位于两个安装架之间，所述转轴穿过两个安装架及第一屈伸臂，且转轴与第一屈伸臂固定，屈伸电机安装于一个安装架外侧并与该安装架固定，屈伸电机带动转轴正转时，第一屈伸臂与第二屈伸臂之间的夹角变大，第一支架与第二支架相互远离，屈伸电机带动转轴反转时，第一屈伸臂与第二屈伸臂之间的夹角变小，第一支架与第二支架相互靠近。

进一步的，所述第一支架内表面同样为内凹的圆弧面，该圆弧面上设有沿圆弧面横向延伸的弧形固定槽；所述第一夹爪机构的背面设有固定块安装于该弧形固定槽中；所述弧形固定槽的横截面为T形槽，固定块同样为T形并卡在该弧形固定槽中。

进一步的，还设有导杆；所述第一支架背部两侧设有第一导筒；第二支架背部两侧设有第二导筒；导杆自上而下穿过第一导筒及第二导筒。

本发明还提供了上述斜拉索攀爬机器人的避障控制方法，当机器人遇到障碍物时，机器人第一夹爪机构松开斜拉索，第二夹爪机构抓紧斜拉索；依据障碍物的相对位置，第二夹爪机构的旋转电机工作，通过齿轮传动后，驱动第二支架相对第二夹爪机构旋转并带动第一夹爪机构、屈伸机构同步相对于第二夹爪机构旋转，旋转至第一夹爪机构绕开障碍物所在位置后再将第一夹爪机构夹紧斜拉索；然后将第二夹爪机构松开斜拉索，旋转电机再次启动，驱动第二夹爪机构旋转绕开障碍物所在位置后再将第二夹爪机构夹紧斜拉索；此时第一夹爪机构、第二夹爪机构均绕开障碍物后，结合第一夹爪机构、第二夹爪机构及屈伸机构的配合做攀爬动作而越过障碍物。

有益效果：相对于现有技术，本发明通过夹爪的结构特点实现对斜拉索直径尺寸的自适应，不易打滑。交替执行夹爪机构对斜拉索的抱紧动作，配合屈伸臂的屈伸动作，实现机器人整体向上或向下运行，运行过程中机器人整体竖直方向处于自由状态，功耗较小；通过设置旋转电机及齿轮传动，实现机器人本体绕斜拉索的任意旋转，可完成跨越障碍物或任意姿态固定的任务。配合不同的末端执行工具，机器人可完成如清洗、刷漆、打磨、修复等作业。

附图说明

图1是本发明攀爬机器人在斜拉索上攀爬状态的示意图。

图2是本发明攀爬机器人展示正面的立体图。

图3是本发明攀爬机器人展示背面的立体图。

图4是本发明攀爬机器人中第二夹爪机构相对第二支架转动以避障的状态示意图。

图5是第一夹爪机构展示正面的立体图。

图6是第一夹爪机构展示背面的立体图。

图7是第一夹爪机构的立体分解图。

图8是第二夹爪机构展示正面的立体图。

图9是第二夹爪机构展示背面的立体图。

图10是屈伸机构展示正面的立体图。

图11是屈伸机构展示背面的立体图。

具体实施方式

实施例一

参阅图1所示，为本发明公开一种可避障的斜拉索攀爬机器人，用于在斜拉索5上进行攀爬。

参阅图2至图4所示，包括第一夹爪机构1、第二夹爪机构2及屈伸机构3、导杆4。

再结合图10与图11所示，所述屈伸机构3包括承载第一夹爪机构1的第一支架31、承载第二夹爪机构2的第二支架32及连接第一支架31与第二支架32的屈伸装置。该屈伸装置驱使第一支架31与第二支架32相互靠近或者相互远离以配合第一夹爪机构1、第二夹爪机构2实现攀爬动作。在本实施方式中，所述屈伸装置包括第一屈伸臂33、第二屈伸臂34、屈伸电机35、与屈伸电机35输出轴同轴连接的转轴36。所述第二屈伸臂34的一端与第二支架32背部铰接，而第二屈伸臂34的另一端设有两个平行延伸的安装架341。所述第一屈伸臂33的一端与第一支架31背部铰接，而第一屈伸臂33的另一端位于两个安装架341之间以与两个安装架341实现铰接关系。所述转轴36穿过两个安装架341及第一屈伸臂33，且转轴36通过销钉361与第一屈伸臂33固定。屈伸电机35安装于一个安装架341外侧并与该安装架341固定。这样，当屈伸电机35带动转轴36正转时，第一屈伸臂33与第二屈伸臂34之间的夹角变大，即第一支架31与第二支架32相互远离，从而可带动第一夹爪机构1与第二夹爪机构2相互远离。屈伸电机35带动转轴36反转时，第一屈伸臂33与第二屈伸臂34之间的夹角变小，即第一支架31与第二支架32相互靠近，从而可带动第一夹爪机构1与第二夹爪机构2相互靠近。前述的攀爬动作为，第一夹爪机构1与第二夹爪机构2其中一个抓紧斜拉索另一个松开斜拉索，通过屈伸机构带动第一夹爪机构1与第二夹爪机构2相互靠近后，两夹爪机构将抓紧状态与松开状态互换，再通过屈伸机构带动第一夹爪机构1与第二夹爪机构2相互远离，重复上述动作实现在斜拉索上持续的攀爬。

参阅图5至图7所示，在本实施方式中，所述第一夹爪机构1包括第一安装座11、可相互开闭的第一夹板12及第二夹板13、第一电机座14、连接第一安装座11与第一夹板12的第一过渡段15、连接第一电机座14与第二夹板13的第二过渡段16、第一连接轴17。所述第一过渡段15与第二过渡段16交叉设置且第一连接轴17的两端分别铰接第一过渡段15与第二过渡段16。所述第一电机座14上安装有第一缠绕电机141、同轴连接于第一缠绕电机141输出端的第一缠绕轴142、缠绕于第一缠绕轴142上的第一绳索143(上下两条)，该第一绳索143一端固定于第一安装座11上。在本实施方式中，由于第一缠绕轴142与第一安装座11分别位于第一电机座14的两侧，故在第一电机座14上开孔使第一缠绕轴142穿过以与第一安装座11连接固定。所述第一过渡段15与第二过渡段16之间设有复位扭簧18作为第一复位弹性件。该复位扭簧18缠绕于第一连接轴17上且两端分别抵靠第一过渡段15及第二过渡段16。当第一缠绕电机141驱动第一缠绕轴142正转时，第一绳索143持续缠绕于第一缠绕轴142上而拉动第一安装座11靠近第一电机座14，并通过杠杆原理使第一夹板12向第二夹板13靠近，此时复位扭簧18被压缩，第一夹板12与第二夹板13可实现对斜拉索的抓紧动作。当第一缠绕电机141驱动第一缠绕轴142反转时，第一绳索143持续脱离第一缠绕轴142，此时第一绳索143不再对第一安装座11产生拉力，复位扭簧18通过复位弹性力使第一夹板12与第二夹板13相互远离，第一夹板12与第二夹板13可实现松开斜拉索的动作。第一夹板12与第二夹板13均为中间弯折的板体，且板体内表面可进行粗糙处理以提高摩擦力，防止打滑。

第一夹爪机构1通过背部设有固定块101，而第一支架31内表面为内凹的圆弧面。该圆弧面上设有沿圆弧面横向延伸的弧形固定槽311。所述固定块101安装于该弧形固定槽311中；所述弧形固定槽311的横截面为T形槽，固定块101同样为T形并卡在该弧形固定槽311中。

参阅图8与图9所示，所述第二夹爪机构2包括第二安装座21、可相互开闭的第三夹板22及第四夹板23。所述第二安装座21背面设有滑块211、旋转电机212、安装于旋转电机输出端的齿轮213。而与第二夹爪机构2配合的第二支架32的内表面为内凹的圆弧面。该圆弧面上设有沿圆弧面横向延伸的弧形滑槽321及沿圆弧面横向延伸的弧形齿条322。该弧形齿条322与弧形滑槽321平行延伸设置。滑块211安装于该弧形滑槽321中，齿轮213与弧形齿条322啮合。当旋转电机212驱动齿轮213转动时，第二夹爪机构2沿弧形齿条322转动。

所述第二夹爪机构2还包括第二电机座24、连接第二安装座21与第三夹板22的第三过渡段25、连接第二电机座24与第四夹板23的第四过渡段26、第二连接轴27。所述第三过渡段25与第四过渡段26交叉设置且第二连接轴27的两端分别铰接第三过渡段25与第四过渡段26。所述第二电机座24上安装有第二缠绕电机241、同轴连接于第二缠绕电机输出端的第二缠绕轴242、缠绕于第二缠绕轴242上的第二绳索243。该第二绳索243一端固定于第二安装座21上。所述第三过渡段25与第四过渡段26之间也设有复位扭簧作为第二复位弹性件。该第三夹板22、第四夹板23之间的开合操作与第一夹板12、第二夹板13的开合操作方式相同，均通过绳索的拉力和复位弹性件的复位弹性力实现。当第二缠绕电机241驱动第二缠绕轴242正转时，第二绳索243持续缠绕于第二缠绕轴242上而拉动第二安装座21靠近第二电机座24，并使第三夹板22向第四夹板23靠近，此时第二复位弹性件被压缩。当第二缠绕电机241驱动第二缠绕轴242反转时，第二绳索243持续脱离第二缠绕轴242，第二复位弹性件通过复位弹性力使第三夹板22与第四夹板23相互远离。

如图11所示，所述第一支架31背部两侧设有第一导筒312；第二支架32背部两侧设有第二导筒323。导杆4设有两个，每个导杆4自上而下穿过第一导筒312及第二导筒323。当第一支架31相对第二支架32靠近或者远离时，导杆4起到稳定限位作用。

所述第一支架31与第二支架32之间的距离通过屈伸装置的驱动变大或变小。所述旋转电机212与该距离分别位于第二安装座21的两端，第二缠绕电机241同样与该距离分别位于第二电机座24的两端，第一缠绕电机141与该距离分别位于第一电机座14的两端。使第一缠绕电机141、旋转电机212、第二电机座24不会对第一支架31与第二支架32之间的相对运动造成干涉。

请结合图1所示，当该机器人在斜拉索5上攀爬遇到障碍物6时，第一夹爪机构1松开斜拉索5，第二夹爪机构2抓紧斜拉索5。依据障碍物6的相对位置，第二夹爪机构2的旋转电机212工作，通过齿轮213传动后，驱动第二支架32相对第二夹爪机构2旋转并带动第一夹爪机构1、屈伸机构3同步相对于第二夹爪机构2旋转(可参阅如图4中的状态，此时第二夹爪机构2沿弧形齿条322旋转至弧形齿条322一端)。直至旋转至第一夹爪机构1绕开障碍物6所在位置后再将第一夹爪机构1夹紧斜拉索5。然后将第二夹爪机构2松开斜拉索5，旋转电机212再次启动，驱动第二夹爪机构2旋转绕开障碍物6所在位置后再将第二夹爪机构2夹紧斜拉索5。此时第一夹爪机构1、第二夹爪机构2均绕开障碍物6后，结合第一夹爪机构1、第二夹爪机构2及屈伸机构3的配合做攀爬动作而越过障碍物6。

本实施例提供的该斜拉索攀爬机器人的优势在于能够连续攀爬斜拉索，能耗小，可跨越斜拉索上的障碍物，带上不同工具可实现多种用途，如清洗、刷漆、打磨、修复斜拉索等。

实施例二

该实施例二提出的斜拉索攀爬机器人结构与实施例一中结构大致相同，不同的是可以将第一夹爪机构替换为与实施例一中的第二夹爪机构相同的结构，即该第一夹爪机构中，第一安装座背面也设有滑块、旋转电机、安装于旋转电机输出端的齿轮；所述第一支架的内表面同样为两端高于中间的圆弧面，该第一支架的内表面上也设有沿横向延伸的弧形滑槽及沿圆弧面横向延伸并与第一安装座背部齿轮啮合的弧形齿条；所述第一夹爪机构的背面同样设有安装于该弧形滑槽中的滑块，当第一安装座背面的旋转电机驱动齿轮转动时，第一夹爪机构沿第一支架的弧形齿条转动。故实施例二中的第一夹爪机构与第二夹爪机构均能够在支架上移动，进一步提高整体结构的避障效果。

本发明的斜拉索攀爬机器人结构简单，功能丰富。通过绳索带动夹爪闭合，可适应各种尺寸的斜拉索的攀爬任务，在不需要避障时，电机放开，不工作。则该斜拉索攀爬机器人在重力作用下自由垂下。如果空中有风载荷，重力与风载荷平衡，斜拉索攀爬机器人整体处于偏摆状态。这样就不需要输出功率来抵抗风载荷。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。