具有電磁夾緊裝置的氣動(dòng)軟體機(jī)器人的制作方法

本實(shí)用新型涉及一種爬桿機(jī)器人，特別是一種具有電磁夾緊裝置的氣動(dòng)軟體機(jī)器人。

背景技術(shù)：

現(xiàn)在的電線桿、路燈或拉索等高桿類建筑，長年累月的處在沒有保護(hù)的空氣中，受到來自各種方面的腐蝕和污染。如果采用人工對這些高桿類建筑進(jìn)行檢測和維護(hù)是十分麻煩的，而且可能達(dá)不到預(yù)期效果。因此，可以代替人力的爬桿機(jī)器人，得到廣泛研究和應(yīng)用。

然而，傳統(tǒng)爬桿機(jī)器人都是基于硬質(zhì)或剛性材料的剛性運(yùn)動(dòng)副連接，例如上海交通大學(xué)研制的用于拉索檢測維護(hù)工業(yè)機(jī)器人，雖然其負(fù)載能力很強(qiáng)，能很好地完成大橋拉索的檢測、涂裝、維護(hù)等功能，其技術(shù)方案公布在專利號為99252056.8的中國實(shí)用新型專利文件中。

上述傳統(tǒng)爬桿機(jī)器人均存在著如下技術(shù)問題：

1.靈活性低，對于未知環(huán)境適應(yīng)能力低，不能任意改變尺寸和大小，在特定環(huán)境中應(yīng)用時(shí)需要提供障礙物形狀尺寸等先驗(yàn)環(huán)境信息。另外，大多采用凸輪機(jī)構(gòu)夾緊，由于凸輪機(jī)構(gòu)的不可伸縮性，一個(gè)爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的桿件。這個(gè)給實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的約束，頻繁的重新設(shè)計(jì)和更換設(shè)備其設(shè)計(jì)成本和維護(hù)成本較高。

2.只能實(shí)現(xiàn)單一的管內(nèi)或是管外爬升，處在不同的外部環(huán)境時(shí)必須重新設(shè)計(jì)和制造，浪費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力。

3.高桿類建筑，由于生產(chǎn)、加工或后期使用等原因，在日后的使用中產(chǎn)生了形變或是彎曲，具有一定的彎曲度。上述傳統(tǒng)剛性爬桿機(jī)器人無法實(shí)現(xiàn)彎管的攀爬。

4.對于專利99252056.8來講，拉索檢測維護(hù)機(jī)器人的爬升裝置結(jié)構(gòu)外形較大；整機(jī)采用有纜供電，其連接電纜的長度必須大于機(jī)器人所爬升的大橋拉索的長度，高空作業(yè)時(shí)受風(fēng)力影響較明顯。另外，該機(jī)器人沒有設(shè)計(jì)相關(guān)的下降裝置，當(dāng)作業(yè)過程中出現(xiàn)意外情況時(shí)，是采用連接在機(jī)器人上的鋼絲繩，從幾十甚至幾百米的高空用人力拖拽回收機(jī)器人。

5.傳統(tǒng)剛性爬桿機(jī)器人自身重量較大，且夾緊機(jī)構(gòu)是滾輪，在意外故障斷電情況下在重力下自行下降，在落地時(shí)往往速度過大，很容易造成機(jī)器人整個(gè)損壞。

6.在爬升的過程中，目前要實(shí)現(xiàn)變直徑桿的爬行則只能依靠氣動(dòng)蠕行式爬行器來解決，運(yùn)行相對緩慢，摩擦力過大情況下難以進(jìn)行爬升。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種具有電磁夾緊裝置的氣動(dòng)軟體機(jī)器人，該具有電磁夾緊裝置的氣動(dòng)軟體機(jī)器人采用軟體材料構(gòu)建，結(jié)構(gòu)簡單，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，能適用于桿狀物管內(nèi)或管外的爬升，另外，還能攀爬一定程度的彎管。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：

一種具有電磁夾緊裝置的氣動(dòng)軟體機(jī)器人，包括軟體機(jī)器人本體、電磁夾緊裝置、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和遙控設(shè)備。

軟體機(jī)器人本體為設(shè)置有開口的環(huán)形，具有兩個(gè)開口端面，且軟體機(jī)器人本體的截面為圓形。

軟體機(jī)器人本體的中心環(huán)線處設(shè)置有中心容納空腔，位于中心容納空腔外側(cè)的軟體機(jī)器人本體上均勻設(shè)置有若干個(gè)密閉氣腔，每個(gè)密閉氣腔內(nèi)均設(shè)置有一根氣管。

軟體機(jī)器人本體具有三個(gè)材料層，若干個(gè)密閉氣腔所在的材料層為中間層，位于中間層外側(cè)的材料層為變形層，位于中間層內(nèi)側(cè)的材料層為約束層；變形層、中間層和約束層的剛度逐漸遞增。

電磁夾緊裝置包括電磁鐵A和電磁鐵B，電磁鐵A和電磁鐵B分別設(shè)置在軟體機(jī)器人本體的兩個(gè)開口端面上。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置在中心容納空腔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括充氣控制閥、氣泵、微型控制器和便攜電源；充氣控制閥的一端與密閉氣腔內(nèi)的每根氣管相連接，充氣控制閥的另一端與氣泵相連接；氣泵和便攜電源分別與微型控制器相連接；便攜電源用于向電磁鐵A和電磁鐵 B供電。

遙控設(shè)備通過無線通訊組件與驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的微型控制器實(shí)現(xiàn)無線連接。

每根氣管沿長度方向均勻布置有若干個(gè)氣孔。

變形層、中間層和約束層的剛度通過填充不同硬度顆粒的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

相鄰兩個(gè)密閉氣腔之間的中間層形成一塊肋板，每塊肋板內(nèi)均嵌入有布狀織物結(jié)構(gòu)，所有布狀織物結(jié)構(gòu)均沿軟體機(jī)器人本體的截面圓的徑向布置。

變形層的外部涂覆有防刺破保護(hù)層。

每個(gè)密閉氣腔的形狀均為圓形、弧形、半圓形或扇形中的一種。

中心容納空腔的截面為圓形，每個(gè)密閉氣腔的形狀均為扇形。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)還包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制板，充氣控制閥、氣泵、微型控制器和便攜電源均設(shè)置在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制板上。

本實(shí)用新型采用上述結(jié)構(gòu)后，具有如下有益效果：

(1)整個(gè)機(jī)器人都采用軟體材料構(gòu)成，一方面從根本上克服了剛性材料大而笨重的缺點(diǎn)，采用無纜式驅(qū)動(dòng)，無需連接很長笨重的電纜。另一方面克服了傳統(tǒng)剛性材料靈活度欠缺的局限性。本申請的軟體爬桿機(jī)器人具有充分的柔順性、適應(yīng)性或無限自由度，對壓力有很小的阻抗，能通過柔順變形的方式與障礙物相容，從而具有前所未有的適應(yīng)性，靈敏度和敏捷性，能夠完全彎曲或者高曲率扭曲，能在有限的空間內(nèi)靈活使用，能更好的適應(yīng)環(huán)境。

具體表現(xiàn)形式為：

a.能夠翻越多種障礙，如具有些崎嶇不平的管面、比較狹窄的空間、以及表面帶螺旋線或壓凹坑的拉索。

b.能夠攀爬一定程度的彎管，而以往的剛性爬桿機(jī)器人只能在直桿上爬行。

(2)能夠通過自身變形產(chǎn)生動(dòng)力進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，和傳統(tǒng)的硬性材料爬桿機(jī)器人相比可以擁有大量的自由度。軟體機(jī)器人是由可承受大應(yīng)變的軟體材料組成，具有分布式連續(xù)變形能力，在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中應(yīng)用前景廣泛。它可以通過不同構(gòu)型，使末端執(zhí)行器到達(dá)三維工作空間的任意一點(diǎn)。

(3)軟體爬桿機(jī)器人能通過柔順變形的方式與障礙物相容，因而能夠大幅度降低接觸力，從而使軟體機(jī)器人方便搬運(yùn)柔軟或易碎的物品。采用適當(dāng)?shù)姆绞讲倏v對象改變形狀來適應(yīng)環(huán)境，適應(yīng)凹凸不平的表面。

(4)在實(shí)際使用過程中，能適應(yīng)多種直徑的桿，通過簡單的更換電磁夾緊裝置即可以實(shí)現(xiàn)管內(nèi)和管外爬升的靈活切換，無需重新設(shè)計(jì)、制造。

(5)反向充氣即可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的下降回收工作，無需在結(jié)束后從幾十米或是幾百米高中人力拉回。

(6)另外，在自身重力作用下能自行下降，在下落過程中時(shí)滑落運(yùn)動(dòng)，摩擦力較大，落地速度可以得到控制。當(dāng)在出現(xiàn)故障斷電的情況下可以在重力作用下，自行下降回收。而且由于機(jī)器人自身由軟體彈性材料可塑性和空腔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在落地時(shí)對整個(gè)機(jī)器人內(nèi)部裝置形成一定緩沖和保護(hù)作用。

(7)整個(gè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)很簡單，工作原理簡明易懂，在實(shí)際應(yīng)用中可以做到原料價(jià)格低廉，制作工藝簡單易實(shí)現(xiàn)。

(8)通過對密閉氣腔充氣即可實(shí)現(xiàn)爬升，這是一種清潔低價(jià)易于實(shí)現(xiàn)的驅(qū)動(dòng)方式，并且在使用過后不會對環(huán)境造成任何損害。另外，采用氣動(dòng)滾動(dòng)式爬升，摩擦力對整個(gè)機(jī)構(gòu)爬升影響會小得多。

(9)在高空作業(yè)過程中，由于機(jī)器人本身圓環(huán)流線型設(shè)計(jì)，受風(fēng)力影響較小，夾緊裝置的存在也可以風(fēng)力等外界因素影響變得微乎其微。通過自身控制可以實(shí)現(xiàn)爬升和下降，

總之，本實(shí)用新型采用能夠?qū)崿F(xiàn)沿著桿狀物的爬升操作，突破了以往軟體機(jī)器人只進(jìn)行仿生運(yùn)動(dòng)的局限，開創(chuàng)了一種全新的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。并且交替式對軟管充氣進(jìn)行爬升這種爬升原理也是一種很好的開拓。

附圖說明

圖1顯示了本實(shí)用新型一種具有電磁夾緊裝置的氣動(dòng)軟體機(jī)器人的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2顯示了軟體機(jī)器人本體在密閉氣腔未充氣變形前的截面圖。

圖3顯示了軟體機(jī)器人本體在其中一個(gè)密閉氣腔充氣后變形時(shí)的截面圖。

圖4顯示了將軟體機(jī)器人本體拉伸成圓柱體后，沿圓柱體中軸線的剖面視圖。

圖5顯示了遙控設(shè)備的結(jié)構(gòu)框圖。

圖6顯示了本實(shí)用新型一種具有電磁夾緊裝置的氣動(dòng)軟體機(jī)器人在爬桿管外爬升的示意圖。

圖7顯示了本實(shí)用新型一種具有電磁夾緊裝置的氣動(dòng)軟體機(jī)器人在爬桿管內(nèi)爬升的示意圖。

圖8顯示了軟體機(jī)器人本體中三個(gè)材料層的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9顯示了密閉氣腔的不同形狀示意圖。

圖10顯示了單個(gè)密閉氣腔充氣后的力學(xué)平面分析圖。

其中有：

1.軟體機(jī)器人本體；

11.中心容納空腔；12.變形層；13.中間層；14.約束層；15.密閉氣腔；16.氣管；161.氣孔；

21.電磁鐵A；22.電磁鐵B；

31.驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制板；32.充氣控制閥；33.氣泵；34.微型控制器；35.便攜電源；

4.遙控設(shè)備；41.無線通訊組件；42.能源管理器；43.交換器；44.微處理器；

5.爬桿。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體較佳實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。

如圖1所示，一種具有電磁夾緊裝置的氣動(dòng)軟體機(jī)器人，包括軟體機(jī)器人本體1、電磁夾緊裝置、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和遙控設(shè)備4。

軟體機(jī)器人本體1為設(shè)置有開口的環(huán)形，具有兩個(gè)開口端面，且軟體機(jī)器人本體的截面為如圖2所示的圓形。

當(dāng)將環(huán)形的軟體機(jī)器人本體拉直后，軟體機(jī)器人本體呈圓柱體結(jié)構(gòu)。

軟體機(jī)器人本體1的軟硅膠或橡膠等，優(yōu)選為三元乙丙橡膠。

軟體機(jī)器人本體的中心環(huán)線處設(shè)置有中心容納空腔11，中心容納空腔的截面優(yōu)選呈圓形。

位于中心容納空腔外側(cè)的軟體機(jī)器人本體上均勻設(shè)置有若干個(gè)密閉氣腔15。

上述中心容納空腔11和若干個(gè)密閉氣腔15均沿軟體機(jī)器人本體的長度方向設(shè)置。

密閉氣腔15的截面形狀如圖9所示，可以為9-1所示的圓形，也可以為9-2所示的弧形，或9-3所示的半圓形，或9-4所示的扇形等。

密閉氣腔15的數(shù)量可以為3個(gè)、4個(gè)、5個(gè)或多個(gè)，具體根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)置。

本實(shí)用新型中，密閉氣腔15均優(yōu)選設(shè)計(jì)為如圖1或圖2所示的扇形，且密閉氣腔的數(shù)量優(yōu)選為5個(gè)。由于密閉氣腔密閉，當(dāng)密閉氣腔充氣后，能產(chǎn)生膨脹變形，扇形結(jié)構(gòu)可以使形變發(fā)生得更加明顯，與爬桿或拉索等表面之間能形成更強(qiáng)烈擠壓。

每個(gè)密閉氣腔內(nèi)均設(shè)置有一根軟性材料制成的氣管16，每根氣管沿長度方向均勻布置有若干個(gè)氣孔。這樣，能使每個(gè)密閉氣腔內(nèi)的充放氣速度更快，充放氣更為均勻，爬桿機(jī)器人爬升更為平穩(wěn)。

如圖8所示，軟體機(jī)器人本體具有三個(gè)材料層，若干個(gè)密閉氣腔所在的材料層為中間層 13，位于中間層外側(cè)的材料層為變形層12，位于中間層內(nèi)側(cè)的材料層為約束層14。

變形層、中間層和約束層的剛度逐漸遞增。變形層、中間層和約束層的剛度優(yōu)選通過填充不同硬度顆粒的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

也即，當(dāng)每個(gè)密閉氣腔呈扇形時(shí)，扇形密閉氣腔的外弧面為變形層的一部分，扇形密閉氣腔的內(nèi)弧面為約束層的一部分，扇形密閉氣腔的兩條側(cè)邊則為中間層的一部分。

相鄰兩個(gè)密閉氣腔之間的中間層形成一塊肋板，每塊肋板內(nèi)均優(yōu)選嵌入有布狀織物結(jié)構(gòu)，所有布狀織物結(jié)構(gòu)均沿軟體機(jī)器人本體的截面圓的徑向布置。

當(dāng)給密閉氣腔充氣后，密閉氣腔充壓膨脹，上述變形層受密閉氣腔內(nèi)壓力的影響最大，率先產(chǎn)生如圖3所示的較大形變，從而能與爬桿或拉索等表面擠壓，提供爬桿機(jī)器人的攀爬力。

上述中間層由于應(yīng)用中等剛度的軟體材料，起到支撐上述變形層的作用，上述肋板中布狀織物結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使中間層只能受壓變形，不能受拉力伸長，有利于提高爬桿機(jī)器人的整體穩(wěn)定性，滿足柔順越障功能。

上述約束層由于應(yīng)用具有較大剛度的軟體材料(但非剛性材料)，從而能夠支撐驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，基本不受密閉氣腔內(nèi)壓力影響，不產(chǎn)生變形。

此外，由于上述約束層的存在，使得只有與爬桿或拉索等相接觸的變形層產(chǎn)生變形，而不是整個(gè)變形層膨脹變形，導(dǎo)致不能驅(qū)動(dòng)爬桿機(jī)器人爬升的現(xiàn)象。

當(dāng)只對其中一個(gè)密閉氣腔充氣，單個(gè)密閉氣腔產(chǎn)生如圖10所示的膨脹變形，對爬桿或拉索等管壁表面形成擠壓。假設(shè)對管壁的擠壓力為F，與管壁之間的夾角為α，同時(shí)管壁會給機(jī)器人反作用力N。N＝Fsinα(沿著管壁和機(jī)器人接觸面的公法線方向向右)，設(shè)原接觸點(diǎn)為p，變形后延伸到p′，p′到圓心o的垂直距離為l，即作用力N對機(jī)器人的力臂為l，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M＝Fsinα*l(逆時(shí)針方向)。此力矩是機(jī)器人產(chǎn)生逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力。

管壁與機(jī)器人的接觸面都不是光滑的，在夾緊力的作用下，管壁會產(chǎn)生摩擦力f阻止機(jī)器人發(fā)生自轉(zhuǎn)，我們假設(shè)擠壓變形后的半徑不變，那么只有當(dāng)f大于管壁和機(jī)器人之間的靜摩擦力時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)式爬升，假設(shè)其動(dòng)摩擦影響忽略不計(jì)情況下，爬升力矩約等于M。

假設(shè)p′到圓心o的水平距離為R，那么可以寫成轉(zhuǎn)動(dòng)力矩為

當(dāng)充入氣體的壓強(qiáng)變時(shí)候，相應(yīng)部分曲率也變大，即膨脹變形更大。也就是pp′之間的距離變大，力臂l變大。由上式可知，R不變，我們假設(shè)爬升時(shí)作用力F不變時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩M變大。

進(jìn)一步，變形層的外部涂覆有防刺破保護(hù)層，該防刺破保護(hù)層優(yōu)選為具有自我修復(fù)功能的聚氨酯涂層。防刺破保護(hù)層的作用是保護(hù)機(jī)器人在向上爬升過程中，不會被管道外顆?；蚴峭蛊鸬扔参锎唐?。

電磁夾緊裝置包括電磁鐵A21和電磁鐵B 22，電磁鐵A和電磁鐵B分別設(shè)置在軟體機(jī)器人本體的兩個(gè)開口端面上。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)置在中心容納空腔內(nèi)，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)用于控制每根氣管的充放氣以及電磁鐵A和電磁鐵B的充放電。

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)包括充氣控制閥32、氣泵33、微型控制器34和便攜電源35。微型控制器 34優(yōu)選采用基于ATmega1280的Arduino Mega微控制器。

充氣控制閥的一端與密閉氣腔內(nèi)的每根氣管相連接，充氣控制閥能對所有密閉氣腔的充放氣狀態(tài)進(jìn)行控制。

充氣控制閥的另一端與氣泵相連接；氣泵和便攜電源分別與微型控制器相連接。

便攜電源用于向電磁鐵A和電磁鐵B供電。

進(jìn)一步，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)還優(yōu)選包括驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制板，充氣控制閥、氣泵、微型控制器和便攜電源均設(shè)置在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制板上。

機(jī)器人本身材料具有一定彈性，使用電磁夾緊裝置，通過導(dǎo)線組和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制板上的便攜電源連接，導(dǎo)線組優(yōu)選由AB組成，通過微型控制器控制實(shí)現(xiàn)通過導(dǎo)線A正向通電，那么兩對應(yīng)極板上極性相同，同性相斥提供如圖7所示的管內(nèi)爬升的擴(kuò)張力。當(dāng)一端通過導(dǎo)線 A正向通電，另一端通過導(dǎo)線B反向通電，則兩極板極性相反，異性相吸提供夾緊力適用于如圖6所示的管外爬升。

另外，當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)故障斷電后，可以在重力的作用下自行下降，由于本身即為軟體材料，可以實(shí)現(xiàn)安全回收。夾緊力或是擴(kuò)張力用了防止機(jī)器人在爬升力矩的作用下原地打滑空轉(zhuǎn)。

遙控設(shè)備優(yōu)選包括無線通訊組件41、能源管理器42、交換器43、以及微處理器44。

遙控設(shè)備中的微處理器44通過無線通訊組件與驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)中的微型控制器實(shí)現(xiàn)無線連接。無線通訊組優(yōu)選為藍(lán)牙或無線信號等，實(shí)現(xiàn)在地面對整個(gè)機(jī)器人進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理。

能源管理器42和交換器作用，能源管理器42用來調(diào)節(jié)對各個(gè)密閉氣腔內(nèi)的充氣量。交換器用于控制充氣管道。

微處理器也優(yōu)選采用基于ATmega1280的Arduino Mega微控制器。

遙控設(shè)備是一個(gè)開放的平臺，能夠用來操縱和控制氣泵充氣時(shí)間和充氣量，以及對對應(yīng)序號的氣管充氣，包括斷開和閉合充氣控制閥的時(shí)間，對電磁夾緊裝置正向或反向通電。經(jīng)過微處理器的處理，遙控設(shè)備可以手動(dòng)控制，也可以通過自動(dòng)控制，通過對各個(gè)密閉氣腔中充氣順序和充氣時(shí)間的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)整個(gè)爬桿機(jī)器人的爬升。

本實(shí)用新型爬桿機(jī)器人爬升工作原理：密閉氣腔通過氣管連于驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，通過氣管對相應(yīng)位置的密閉氣腔進(jìn)行充氣，由于本身為軟體材料，隨著密閉氣腔內(nèi)部氣體壓強(qiáng)變大，對應(yīng)部分的變形層會產(chǎn)生膨脹形變，與管壁形成擠壓，機(jī)器人與管壁之間擠壓的作用力為機(jī)器人爬升提供動(dòng)力，充入氣體壓強(qiáng)越大，相應(yīng)的作用力越大，那么爬升效果越明顯。對密閉氣腔依次進(jìn)行充氣，并循環(huán)反復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)攀爬動(dòng)作。如需進(jìn)行向下運(yùn)動(dòng)可進(jìn)行對相應(yīng)空腔順序反向充氣即可。

以上詳細(xì)描述了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本實(shí)用新型并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。