一種基于仿生蠕動(dòng)原理的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人的制作方法

本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)，尤其涉及一種基于仿生蠕動(dòng)原理的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人，適用于清潔服務(wù)機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代生活中廣告牌、大型路燈、大橋斜拉鋼索、電線桿等大量涌現(xiàn)。這些基礎(chǔ)設(shè)施壁面多數(shù)采用玻璃鋼、鍍層金屬、油漆等材料，在室外的環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間的積累會(huì)形成灰塵層，還會(huì)對(duì)設(shè)施本身形成腐蝕。因此，需要對(duì)這些設(shè)施經(jīng)常進(jìn)行維護(hù)。因此，急需設(shè)計(jì)一款能夠爬桿且能搭載操作機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使該機(jī)構(gòu)作為一種可搭載執(zhí)行機(jī)構(gòu)的平臺(tái)，代替人在高空中作業(yè)，從而將人從這種危險(xiǎn)的工作中解放出來(lái)，同時(shí)還可以大大提高作業(yè)的效率，降低成本，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

中國(guó)專利(cn105688378a)公開的一種氣動(dòng)爬桿機(jī)器人。該機(jī)器人由水平夾緊氣缸、匯流板及電磁閥組件、加強(qiáng)支架、聯(lián)接塊、后頂桿、側(cè)桿、前頂桿、垂直氣缸、支架組成。水平夾緊氣缸前端牢固地安裝在支架上,其活塞的前端通過(guò)聯(lián)接塊與后頂桿相連,后頂桿的兩端有銷子插在側(cè)桿的中間,在水平夾緊氣缸的帶動(dòng)下,后頂桿可前后移動(dòng)。前頂桿通過(guò)螺釘或銷釘與側(cè)桿聯(lián)接,其一端可方便地拆卸,以把機(jī)器人要爬的桿件包攬入內(nèi)。加強(qiáng)支架通過(guò)螺釘與上下四根側(cè)桿、匯流板及電磁閥組件、支架緊固地聯(lián)接起來(lái),構(gòu)成了機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用時(shí),在水平氣缸的作用下,夾具可沿水平導(dǎo)桿夾緊或松開前后頂桿中間的桿件。當(dāng)上部的水平夾緊氣缸夾緊中間的桿件時(shí),垂直氣缸收縮,帶動(dòng)機(jī)器人下部上移然后在下底板上的水平夾緊氣缸伸出,夾具夾緊中間的桿件,機(jī)器人上部的水平夾緊氣缸收縮松開桿件,豎直氣缸伸出,使機(jī)器人上部上移,一個(gè)機(jī)器人上行地完整循環(huán)結(jié)束。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了提供一種基于仿生蠕動(dòng)原理的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：包括底座、設(shè)置在底座端部的主體支架，所述主體支架的一側(cè)設(shè)置有鋼軌、另一側(cè)設(shè)置有爬升驅(qū)動(dòng)氣缸支座，爬升驅(qū)動(dòng)氣缸支座中安裝有爬升驅(qū)動(dòng)氣缸，在鋼軌上安裝有復(fù)合滑車和下滑車，且復(fù)合滑車位于下滑車上方，下滑車和復(fù)合滑車上分別安裝有一手爪支撐架，每個(gè)手爪支撐架鉸接有兩個(gè)手指且兩個(gè)手指對(duì)稱設(shè)置在手爪支撐架的左右兩端，每個(gè)手指包括設(shè)置在手爪支撐架上下兩個(gè)端面的手指片，每個(gè)手指的兩個(gè)手指片之間設(shè)置有橡膠摩擦滾輪，每個(gè)手爪支撐架上的兩個(gè)手指之間設(shè)置有手爪驅(qū)動(dòng)氣缸，所述爬升驅(qū)動(dòng)氣缸的輸出端通過(guò)魚眼軸承與復(fù)合滑車連接，所述主體支架的上下兩端還分別設(shè)置有一定滑輪座，每個(gè)定滑輪座上安裝有兩個(gè)定滑輪，四個(gè)定滑輪上設(shè)置有由鋼絲繩和減震彈簧組成的閉合繩索結(jié)構(gòu)，鋼絲繩穿過(guò)復(fù)合滑車和下滑車并分別與復(fù)合滑車和下滑車固連。

本發(fā)明還包括這樣一些結(jié)構(gòu)特征：

1.所述復(fù)合滑車是由前滑片、后滑片和兩個(gè)側(cè)滑片組成的方向結(jié)構(gòu)，在后滑片內(nèi)表面設(shè)置有與鋼軌配合的移動(dòng)滑塊，前滑片上設(shè)置有滾動(dòng)滑塊，滾動(dòng)滑塊包括主體板、設(shè)置在主體板兩端的軸、安裝在軸上端軸承，且軸承與主體支架的側(cè)表面接觸。

2.所述手爪驅(qū)動(dòng)氣缸的缸筒端和活塞桿端均與手指鉸接。

3.每個(gè)手指的兩個(gè)手指片之間設(shè)置有兩個(gè)橡膠摩擦滾輪。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明的機(jī)器人的蠕動(dòng)式爬升原理的靈感來(lái)源于對(duì)尺蠖運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的研究，爬升過(guò)程非常穩(wěn)定；(2)本發(fā)明針對(duì)爬升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了閉環(huán)滑輪機(jī)構(gòu)，非常富有創(chuàng)新性，使得能夠充分利用機(jī)器人豎直方向的高度，大大提高了機(jī)器人爬升的速度；(3)本發(fā)明的夾持機(jī)構(gòu)和爬升機(jī)構(gòu)均采用氣缸驅(qū)動(dòng)，且驅(qū)動(dòng)源與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間沒(méi)有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，大大提高了機(jī)械傳動(dòng)效率，從而降低了機(jī)器人工作所需的氣壓；(4)本發(fā)明的機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單緊湊，大大減少了機(jī)器人的質(zhì)量，同時(shí)也減少了機(jī)器人加工制作的工作量。

本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一種穩(wěn)定可靠的爬桿機(jī)器人與國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)不同，它基于仿生蠕動(dòng)原理，爬行方式的設(shè)計(jì)借鑒自然界中一種昆蟲尺蠖的肢體機(jī)構(gòu),能夠?qū)崿F(xiàn)立式桿體的爬行運(yùn)動(dòng),搭載不同的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成檢測(cè)、清洗、維護(hù)等作業(yè)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的基于仿生蠕動(dòng)原理的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人三維圖；

圖2是本發(fā)明的基于仿生蠕動(dòng)原理的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人左視圖；

圖3是本發(fā)明的基于仿生蠕動(dòng)原理的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人主視圖；

圖4a是本發(fā)明的基于仿生蠕動(dòng)原理的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人中的復(fù)合滑車結(jié)構(gòu)圖，圖4b是滾動(dòng)滑塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明的基于仿生蠕動(dòng)原理的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人工作過(guò)程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。

本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種基于仿生蠕動(dòng)原理的氣動(dòng)爬桿機(jī)器人，具體說(shuō)是能攀爬直徑一定范圍內(nèi)桿體的機(jī)器人。本發(fā)明是一種基于仿生蠕動(dòng)的氣動(dòng)的爬桿機(jī)器人，它仿照尺蠖式蠕動(dòng)爬行方式，蠕動(dòng)式爬行其實(shí)是一種基于仿生學(xué)的設(shè)計(jì)，也叫尺蠖式蠕動(dòng)爬行。這種爬行方式的靈感來(lái)源于自然界中的一種昆蟲——尺蠖，這種昆蟲的爬行過(guò)程如下：軀體伸展，前后爪抓緊地面；后爪松開，軀體彎曲收縮至最短；后爪抓緊地面，前爪松開，軀體伸展至最長(zhǎng)；前爪抓緊地面，后爪松開，軀體收縮；所以本爬桿機(jī)器人蠕動(dòng)爬升在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的動(dòng)作如下：軀干處最長(zhǎng)狀態(tài)，上部爪夾緊；下部爪松開；軀干收縮，直至軀干最短；下部爪夾緊；上部爪松開，軀干伸長(zhǎng)至最長(zhǎng)；

結(jié)合圖1至圖5，本發(fā)明的爬桿機(jī)器人的動(dòng)力源是氣缸，氣缸同時(shí)也是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是上下兩個(gè)手爪。本爬桿機(jī)器人主要由底座1、下手爪左手指片2、魚眼軸承3、滑車4、鋼軌5、爬升驅(qū)動(dòng)氣缸i支座6、爬升驅(qū)動(dòng)氣缸7、主體支架8、上手爪左手指片9、上手爪驅(qū)動(dòng)氣缸10、復(fù)合滑車11、下手爪右手指片12、橡膠摩擦輪13、下手爪驅(qū)動(dòng)氣缸14、下手爪支撐架15、上手爪右手指片16、橡膠摩擦輪17、魚眼軸承18、上手爪支撐架19、定滑輪座20、爬升驅(qū)動(dòng)氣缸ii支座21、魚眼軸承22、上定滑輪23、鋼絲繩24、減震彈簧25、下定滑輪26等組成。底座1與主體軀干支架8固連成為整體支架，軀干支架8的前側(cè)安裝有鋼軌5，另一側(cè)安裝有氣缸支座6，氣缸支座6與爬升驅(qū)動(dòng)氣缸7固連。手爪由左右對(duì)稱的手爪指片2、12、9、16組成，雙層手爪片間分別有兩個(gè)增加摩擦力的橡膠輪13、17，手爪驅(qū)動(dòng)氣缸14、10的尾部用螺栓和軸承與手爪以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，手爪驅(qū)動(dòng)氣缸14、10的活塞桿頂端安裝有配套的魚眼軸承3、18，也再用螺栓和軸承將魚眼軸承和手爪片以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，兩個(gè)手爪片用螺栓和軸承與手爪支架15、19以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。整個(gè)下手爪用螺栓與滑車4相連?；?與鋼軌5是配套成品。上手爪的結(jié)構(gòu)和下手爪一模一樣，用螺栓連接在復(fù)合滑車11上。復(fù)合滑車11的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)見圖4，由前滑片11-1，側(cè)滑片11-2，后滑片11-3，移動(dòng)滑塊11-4和滾動(dòng)滑塊11-5組成。其中的組件滾動(dòng)滑塊由深溝球軸承11-5-1、主體11-5-2和軸11-5-3構(gòu)成。滾動(dòng)滑塊11-5上的四個(gè)深溝球軸承可在主體支架的壁上滑動(dòng)以減小摩擦力和改善受力情況。復(fù)合滑車11與爬升驅(qū)動(dòng)氣缸7用魚眼軸承22連接。；兩個(gè)滑車用鋼絲繩24連接形成一個(gè)封閉的矩形回路，如圖3所示，上手爪上的復(fù)合滑車固接矩形回路的右側(cè)，下手爪上的滑車固接在矩形回路的左側(cè)?；芈飞系膹椈?5主要用來(lái)減震。

工作原理：爬桿機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程如圖5所示，主要分為以下三個(gè)階段：

(i)軀干處于最長(zhǎng)狀態(tài)，上部爪夾緊；

爬升驅(qū)動(dòng)氣缸處于推程，將軀干推至最大長(zhǎng)度。上部爪氣缸為回程，帶動(dòng)手爪閉合，使摩擦輪緊貼桿壁。此時(shí)的下部爪驅(qū)動(dòng)氣缸處于推程，手爪處于張開狀態(tài)，與桿分離。

(ii)軀干收縮

爬升驅(qū)動(dòng)氣缸為回程，由于上手爪抓緊在桿壁上，所以氣缸的拉力將使下部爪和機(jī)體向上運(yùn)動(dòng)到極限位置，同時(shí)由于閉合鋼絲繩的作用，上部爪會(huì)向相反方向運(yùn)動(dòng)(即向下運(yùn)動(dòng))至極限位置。

(iii)下部爪夾緊，上部爪松開，軀干伸長(zhǎng)至最長(zhǎng)。

下部爪驅(qū)動(dòng)氣缸處于回程，下部爪夾緊。爬升驅(qū)動(dòng)氣缸處于推程，氣缸推動(dòng)上手爪向上運(yùn)動(dòng)到上極限位置。同時(shí)在閉合鋼絲繩作用下，下手爪向相反的方向運(yùn)動(dòng)(即向下運(yùn)動(dòng))至極限位置。此時(shí)爬桿機(jī)構(gòu)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期結(jié)束，爬升高度為s。

本發(fā)明適用的爬桿直徑為左右，機(jī)器人樣機(jī)每個(gè)周期能夠爬升350mm,實(shí)驗(yàn)用爬桿高度可為2100mm，需要完成6個(gè)周期的動(dòng)作才能攀爬到頂端。

此機(jī)器人選用亞德客(airtac)4v100系列電磁閥(夾持機(jī)構(gòu)與爬升機(jī)構(gòu)均選用該型號(hào))，型號(hào)為4v110-06b。該雙支點(diǎn)夾鉗式夾持機(jī)構(gòu)的手指回轉(zhuǎn)處安裝有推力球軸承，目的是減小回轉(zhuǎn)處的摩擦力，減少磨損。此機(jī)器人選用的是上海新甌軸承有限公司生產(chǎn)的fm微型平面軸承，型號(hào)為f4—10m。

機(jī)器人的操作步驟是機(jī)器人在剛通電時(shí)，機(jī)器人處于初始狀態(tài)，兩個(gè)手爪驅(qū)動(dòng)氣缸14、10處于推程，使雙爪均處于張開狀態(tài)，爬升驅(qū)動(dòng)氣缸7處于回程，軀干處于收縮狀態(tài)。操作人員先將機(jī)器人置于爬桿的底端，使機(jī)器人的雙爪14、10處于適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｔ儆|發(fā)機(jī)器人的電路控制開關(guān)，機(jī)器人按程序設(shè)定的順序開始爬桿。主要分為以下三個(gè)階段：

(a)軀干處于最長(zhǎng)狀態(tài)，上部爪夾緊；

具體為爬升驅(qū)動(dòng)氣缸7處于推程，氣缸推桿端部連接的魚眼軸承22帶動(dòng)復(fù)合滑車11沿鋼軌5向上運(yùn)動(dòng)，使上部爪向上運(yùn)動(dòng)至極限位置。接著上部爪驅(qū)動(dòng)氣缸10回程，與上部爪驅(qū)動(dòng)氣缸推桿連接的魚眼軸承18給上手爪閉合的拉力，上部爪的左右手指片9、16繞處于上部爪支架19上的轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)，使上部爪摩擦輪17緊貼桿壁。此時(shí)的下部爪驅(qū)動(dòng)氣缸14處于推程，與下部爪驅(qū)動(dòng)氣缸推桿連接的魚眼軸承3給下手爪張開的推力，下手爪處于張開狀態(tài)，下部爪摩擦輪13與桿分離。

(b)軀干收縮

爬升驅(qū)動(dòng)氣缸7回程，將與爬升驅(qū)動(dòng)氣缸7固聯(lián)的機(jī)體和下部爪沿鋼軌5上拉至極限位置，同時(shí)由于閉合鋼絲繩24的作用，上部爪會(huì)向沿鋼軌5相反方向運(yùn)動(dòng)至極限位置。

(c)下部爪夾緊，上部爪松開，軀干伸長(zhǎng)至最長(zhǎng)。

下部爪驅(qū)動(dòng)氣缸14回程，與下部爪驅(qū)動(dòng)氣缸推桿連接的魚眼軸承3給下手爪閉合的拉力，下部爪的左右手指片2、12繞處于下部爪支架15上的轉(zhuǎn)動(dòng)副轉(zhuǎn)動(dòng)，使下部爪摩擦輪13緊貼桿壁。爬升驅(qū)動(dòng)氣缸7再次變成推程，氣缸推桿端部連接的魚眼軸承22帶動(dòng)復(fù)合滑車11沿鋼軌5上運(yùn)動(dòng)，使上部爪向上運(yùn)動(dòng)至極限位置。同時(shí)在閉合鋼絲繩24的作用下，下手爪向相反的方向運(yùn)動(dòng)(即向下運(yùn)動(dòng))至極限位置。此時(shí)爬桿機(jī)構(gòu)的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期結(jié)束，行程為爬升氣缸驅(qū)動(dòng)7推程的2倍。

本發(fā)明的實(shí)施的過(guò)程和結(jié)果能夠說(shuō)明此機(jī)器人能穩(wěn)定快速地按設(shè)定的程序爬上給定的爬桿，具有一定的攜帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)等負(fù)載的能力，在機(jī)器人上安裝執(zhí)行機(jī)構(gòu)、搭載平臺(tái)等，完成檢測(cè)、清洗、維護(hù)等作業(yè)。