一种直梯攀爬机构的制作方法

本发明涉及自动化机械设备领域，更具体地，涉及一种直梯攀爬机构。

背景技术：

目前的自动化攀爬机构针对不同的应用环境特点，利用不同的附着原理完成攀爬动作，按作用原理主要种类有吸附式、电磁式、钩爪式等。

吸附式攀爬机构，大多应用负压或真空吸盘作为吸附原理，利用吸附力抵消自身重量，通过多个吸盘的配合收放，实现机构的攀爬；其典型形式如高空玻璃清洗机器人。吸附式攀爬机构在光滑表面上具有良好的工作能力，其负载较大。但对于非光滑表面由于其吸附力很小，所以吸附力无法抵消攀爬机构的重量，因而其适用性受到限制。磁力式攀爬机构，依靠自身的电磁力设备对所攀爬的对象产生磁吸力来抵消自重实现攀爬，该类机器人对所攀爬对象有磁力要求，所以无法完成非磁结构的攀爬。钩爪式攀爬机构，采用仿生式钩爪结构，在其攀爬手抓上设计有多个细小的弯钩，在攀爬的时候利用弯钩卡扣在粗糙表面，如混净土墙壁上抵消自身重力，实现攀爬。但目前该类机构受结构影响，自身有效载荷率较低，无法实现大负载的攀爬动作。

技术实现要素：

本发明为解决以上现有技术的目的，提供了一种直梯攀爬机构，该机构利用固定手臂、攀爬手臂实现在直梯上的向上攀爬和向下攀爬，与现有技术相比，其结构简单，自重小，负载能力强，能够实施大负荷的攀爬动作。

为实现以上发明目的，采用的技术方案是：

一种直梯攀爬机构，包括机架，其特征在于：还包括有设置在机架上的固定手臂、曲柄、连杆、电机、同步带、设置在机架上的滑动平台和设置在滑动平台上的攀爬手臂；所述滑动平台设置在固定手臂的下方，滑动平台能够发生垂直方向上的移动；

所述固定手臂包括第一底板、第一扭簧、第一棘爪、第一棘轮、固定手指和第一棘爪推送元件，其中第一底板与机架连接，第一扭簧、第一棘轮、固定手指和第一棘爪推送元件设置在第一底板上；第一扭簧的一端与第一底板连接，另一端与第一棘轮连接；第一棘爪与第一棘爪推送元件的推送端连接，第一棘爪推送元件用于将第一棘爪推送至第一棘轮所在位置与第一棘轮进行啮合；固定手指的一端与第一棘轮连接；

所述攀爬手臂包括第二底板、第二扭簧、第二棘爪、第二棘轮、攀爬手指和第二棘爪推送元件，其中第二底板设置在滑动平台上，第二扭簧、第二棘轮、攀爬手指和第二棘爪推送元件设置在第二底板上；第二扭簧的一端与第二底板连接，另一端与第二棘轮连接；第二棘爪与第二棘爪推送元件的推送端连接，第二棘爪推送元件用于将第二棘爪推送至第二棘轮所在位置与第二棘轮进行啮合；攀爬手指的一端与第二棘轮连接；

所述电机、曲柄设置在机架上，其中电机与一带轮连接，曲柄与另一带轮连接，电机通过带轮、同步带、另一带轮与曲柄连接；连杆一端与曲柄连接，另一端与滑动平台连接。

在具体实施的时候，由于固定手指、攀爬手指是通过棘轮、扭簧与底板进行连接的，所以在正常的状态下，固定手指、攀爬手指与机架之间是成一定的角度的，棘爪与棘轮啮合的情况下，这个角度保证攀爬机构能够通过固定手指、攀爬手指挂靠在直梯上，而不至于掉落下来。一般来说，固定手指、攀爬手指有三种工作位置，其中正常状态下固定手指、攀爬手指处于工位1状态，即与机架之间沿顺时针方向所成的角度小于90°；工位2状态为向上攀爬过程中固定手指、攀爬手指受梯子横杆作用后顺时针转动至角度最大值处，工位3状态为向下攀爬过程中固定手指、攀爬手指受梯子横杆作用后逆时针转动至角度最大值处。

以下对攀爬机构向上攀爬和向下攀爬的具体原理过程进行描述，攀爬机构在向上攀爬或向下攀爬的过程中，电机轴转动带动曲柄转动，固定手臂与攀爬手臂之间采用曲柄连杆式结构连接，从而使得攀爬手臂能够在竖直方向上发生移动，攀爬机构利用攀爬手臂与固定手臂之间距离的规律变化实现向上或向下的攀爬，其具体过程如下：

（1）向上攀爬：此过程中，攀爬手臂、固定手臂之间的间距经过曲柄连杆结构的带动由初始的最大变到最小，然后由最小再变到最大，从而完成一次攀爬，其具体包括以下步骤：

S11.初始阶段：攀爬手臂、固定手臂的扭簧处于正常的状态下，固定手指、攀爬手指达到工位1状态，其与机架之间沿顺时针方向所成的角度小于90°，攀爬手臂、固定手臂的棘爪与棘轮进行啮合，初始阶段中攀爬机构依靠固定手指、攀爬手指挂靠在直梯；

S12. 攀爬手臂攀爬阶段：电机转动使得攀爬手臂、固定手臂之间的间距逐渐变小，且第二棘爪推送元件带动第二棘爪使其远离第二棘轮，第二棘爪不对第二棘轮进行啮合锁定，使攀爬手指可以发生转动到达工位2状态，从而跨越直梯横杆，当曲柄转动使攀爬手臂、固定手臂之间的间距最小时，此时曲柄带动攀爬手臂向上攀爬n梯，由于第二扭簧带动攀爬手指恢复工位1状态，所以第二棘爪推送元件能够推送第二棘爪使其与第二棘轮进行啮合，第二棘爪对第二棘轮进行锁定，攀爬机构通过攀爬手指挂靠在直梯的横杆上，然后执行步骤S13；

S13. 固定手臂攀爬阶段：此时，第一棘爪推送元件带动第一棘爪使其远离第一棘轮，第一棘爪不对第一棘轮进行锁定则固定手指可以发生转动到达工位2状态，从而跨越直梯横杆，由于攀爬手指已经挂靠在直梯的横杆上，通过电机转动，攀爬手臂、固定手臂之间的间距会逐步增大，然后在电机转动攀爬手臂、固定手臂之间的间距为最大的时候，固定手臂向上攀爬n梯，由于第一扭簧带动攀爬手指恢复工位1状态，所以第一棘爪推送元件推送第一棘爪使其与第一棘轮进行啮合，第一棘爪对第一棘轮进行锁定，攀爬机构通过攀爬手指、固定手指挂靠在直梯的横杆上。

S14.步骤S11~S13为一次攀爬的过程，完成一次攀爬后，在重新执行步骤S11，进入下一次的攀爬，从而实现攀爬机构的向上攀爬。

（2）向下攀爬：此过程中，攀爬手臂、固定手臂之间的间距经过曲柄的带动由初始的最小变到最大，然后由最大再变到最小，从而完成一次攀爬，其具体包括以下步骤：

S21.初始阶段：攀爬手臂、固定手臂的扭簧处于正常的状态下，固定手指、攀爬手指达到工位1状态，其与机架之间沿顺时针方向所成的角度小于90°，攀爬手臂、固定手臂的棘爪与棘轮进行啮合，初始阶段下攀爬机构依靠固定手指、攀爬手指挂靠在直梯；

S22. 攀爬手臂攀爬阶段：电机转动使得攀爬手臂、固定手臂之间的间距逐渐变大，且第二棘爪推送元件带动第二棘爪使其远离第二棘轮，第二棘爪不对第二棘轮进行锁定则攀爬手指可以发生转动，攀爬手指逆时针旋转至工位3状态，从而跨越直梯横杆，当曲柄转动使攀爬手臂、固定手臂之间的间距为最大时，此时曲柄带动攀爬手臂向下攀爬n梯，在第二扭簧的作用下，攀爬手指恢复工位1状态，所以第二棘爪推送元件能够推送第二棘爪使其与第二棘轮进行啮合，第二棘爪对第二棘轮进行锁定，攀爬机构通过攀爬手指挂靠在直梯的横杆上，然后执行步骤S23；

S23. 固定手臂攀爬阶段：此时，第一棘爪推送元件带动第一棘爪使其远离第一棘轮，第一棘爪不对第一棘轮进行锁定则固定手指可以发生转动，由于攀爬手指已经挂靠在直梯的横杆上，电机的转动通过同步带传递，使得曲柄转动，从而令攀爬手臂、固定手臂之间的间距逐步变小，然后在攀爬手臂、固定手臂之间的间距为最小的时候，固定手臂向下攀爬n梯，固定手指逆时针旋转至工位3状态，在第一扭簧的作用下，攀爬手指恢复工位1状态，所以第一棘爪推送元件能够推送第一棘爪使其与第一棘轮进行啮合，第一棘爪对第一棘轮进行锁定，攀爬机构通过攀爬手指、固定手指挂靠在直梯的横杆上。

S24.步骤S21~S23为一次攀爬的过程，完成一次攀爬后，在重新执行步骤S21，进入下一次的攀爬，从而实现攀爬机构的向下攀爬。

上述方案中，利用攀爬手指、固定手指能够将攀爬机构牢固地固定在直梯上，所以攀爬机构的负载能力与现有技术提供的设备相比，得到了极大的提高。

在具体实施的过程中，若在直梯攀爬机构上只设置一条固定手臂和一条攀爬手臂，那么攀爬机构的负重能力及自身的平衡能力是十分有限的，为此，可以针对固定手臂、攀爬手臂的数量及其布置位置做专门的设置来克服这种缺陷：

所述直梯攀爬机构包括两条对称的固定手臂，两条固定手臂的第一底板设置在同一水平线上，且两条固定手臂分别设置于机架的左右两侧。

所述直梯攀爬机构包括两条攀爬手臂，两条攀爬手臂的第二底板分别与滑动平台的左右两端连接，两条攀爬手臂的第二底板设置在同一水平线上。

上述方案中，通过在机架上的左上、右上、左下、右下四个区域布置两条固定手臂和两条攀爬手臂来使得攀爬机构的负重能力及平衡能力得到提高。

优选地，所述曲柄设置在固定手臂与攀爬手臂之间的区域上，曲柄所做圆周运动使与连杆末端连接的滑动平台能够做垂直方向上的往返运动。

优选地，所述第一棘爪推送元件、第二棘爪推送元件为电磁铁。

优选地，为了保证攀爬过程中方向的准确性，所述机架的左右两端设置有导向轮。设置在机架左右两端的导向轮用于与直梯的竖杆进行接触，通过导向轮在竖杆上的引导作用使得攀爬机构按照既定的方向攀爬所述导向轮为万向轮组件。

优选地，所述机架的左右两端设置有辅助轮。所述辅助轮为万向轮组件。

优选地，所述机架的左右两端分别设置有一阻拦件，阻拦件垂直于机架的所在面设置，阻拦件的外侧镶嵌有万向球，阻拦件用于与直梯的竖杆进行接触，限制了攀爬机构在水平方向上的位移，从而在竖杆上具有引导作用使得攀爬机构按照既定的方向攀爬。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1）本发明提供的攀爬机构与现有技术提供的攀爬设备相比，由于其结构精简、自重较小，因而能够负载更多的物件，其负重能力得到了提高。

2）利用攀爬手指、固定手指能够将攀爬机构牢固地固定在直梯上，所以攀爬机构的负载能力与现有技术提供的设备相比，得到了极大的提高。

3）攀爬机构与攀爬策略的配合使直梯的自动攀爬成为可能，其中阻拦件机构能自动调整攀爬的方向，本发明可倚靠电机在单一转向下的连续运转实现连续攀爬，其攀爬速度和效率都得到了提高。

4）本发明提供的攀爬机构为针对直梯的结构特点所设计，使用范围广泛。

附图说明

图1为攀爬机构的结构示意图。

图2为固定手臂的结构示意图。

图3为攀爬机构的结构示意图。

图4为攀爬手指、固定手指的三工位示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。

实施例1

如图1、图2、图3所示，直梯攀爬机构包括机架1和设置在机架1上的固定手臂2、曲柄3、连杆、电机4、同步带、设置在机架上的滑动平台6和设置在滑动平台6上的攀爬手臂5；所述滑动平台6设置在固定手臂2的下方，滑动平台6能够发生垂直方向上的移动；

如图2所示，其中固定手臂2包括有第一底板21、第一扭簧、第一棘爪23、第一棘轮24、固定手指25和第一棘爪推送元件26，其中第一底板21与机架1连接，第一扭簧、第一棘轮24、固定手指25和第一棘爪推送元件26设置在第一底板21上；第一扭簧的一端与第一底板21连接，另一端与第一棘轮24连接；第一棘爪23与第一棘爪推送元件26的推送端连接，第一棘爪推送元件26用于将第一棘爪23推送至第一棘轮24所在位置与第一棘轮24进行啮合；固定手指25的一端与第一棘轮24连接；

如图3所示，所述攀爬手臂5包括第二底板51、第二扭簧、第二棘爪53、第二棘轮54、攀爬手指55和第二棘爪推送元件56；第二扭簧、第二棘轮54和第二棘爪推送元件56设置在第二底板51上；第二底板51设置在滑动平台6上，第二扭簧的一端与第二底板51连接，另一端与第二棘轮54连接；第二棘爪53与第二棘爪推送元件56的推送端连接，第二棘爪推送元件56用于将第二棘爪53推送至第二棘轮54所在位置与第二棘轮54进行啮合；攀爬手指55的一端与第二棘轮54连接；

所述曲柄3、电机4设置在机架1上，其中电机4与一带轮连接，曲柄3与另一带轮连接，电机4通过带轮、同步带、另一带轮与曲柄3连接；连杆一端与曲柄3连接，另一端与滑动平台6连接。

在具体实施的时候，由于固定手指25、攀爬手指55是通过棘轮、扭簧与底板进行连接的，所以在正常的状态下，固定手指25、攀爬手指55与机架1之间是成一定的角度的，棘爪与棘轮啮合的情况下，这个角度能够保证攀爬机构通过固定手指25、攀爬手指55挂靠在直梯上，而不至于掉落下来。一般来说，如图4所示，固定手指、攀爬手指有三种工作位置，其中正常状态下固定手指25、攀爬手指55处于工位1状态，即与机架1之间沿顺时针方向所成的角度小于90°；工位2状态为向上攀爬过程中固定手指25、攀爬手指55受梯子横杆作用后顺时针转动至角度最大值处，工位3状态为向下攀爬过程中固定手指、攀爬手指受梯子横杆作用后逆时针转动角度最大值处。

以下对攀爬机构向上攀爬和向下攀爬的具体原理过程进行描述，攀爬机构在向上攀爬或向下攀爬的过程中，电机4轴转动带动曲柄3转动，固定手臂2与攀爬手臂5之间采用曲柄连杆式结构连接，从而使得攀爬手臂5在竖直方向上发生移动，攀爬机构利用攀爬手臂5的移动实现向上或向下的攀爬，其具体过程如下：

（1）向上攀爬：此过程中，攀爬手臂5、固定手臂2之间的间距经过曲柄3的带动由初始的最大变到最小，然后由最小再变到最大，从而完成一次攀爬，其具体包括以下步骤：

S11.初始阶段：攀爬手臂5、固定手臂2的扭簧处于正常的状态下，固定手指25、攀爬手指55达到工位1状态，其与机架1之间沿顺时针方向所成的角度小于90°，攀爬手臂5、固定手臂2的棘爪与棘轮进行啮合，初始阶段下攀爬机构依靠固定手指25、攀爬手指55挂靠在直梯；

S12. 攀爬手臂5攀爬阶段：电机4转动使得攀爬手臂5、固定手臂2之间的间距逐渐变小，且第二棘爪推送元件56带动第二棘爪53使其远离第二棘轮54，第二棘爪53不对第二棘轮54进行啮合锁定，使攀爬手指55可以发生转动，到达工位2状态，从而跨越直梯横杆，当曲柄3转动使攀爬手臂5、固定手臂2之间的间距最小时，此时曲柄3带动攀爬手臂5向上攀爬n梯，由于第二扭簧带动攀爬手指恢复工位1状态，所以第二棘爪推送元件56能够推送第二棘爪53使其与第二棘轮54进行啮合，第二棘爪53对第二棘轮54进行锁定，攀爬机构通过攀爬手指55挂靠在直梯的横杆上，然后执行步骤S13；

S13. 固定手臂2攀爬阶段：此时，第一棘爪推送元件26带动第一棘爪23使其远离第一棘轮24，第一棘爪23不对第一棘轮24进行锁定则固定手指25可以发生转动到达工位2状态，从而跨越直梯横杆，，由于攀爬手指55已经挂靠在直梯的横杆上，在电机4转动的情况下，攀爬手臂5、固定手臂2之间的间距会逐步增大，然后在电机4转动攀爬手臂5、固定手臂2之间的间距为最大的时候，固定手臂2向上攀爬n梯，由于第一扭簧带动攀爬手指恢复工位1状态，所以第一棘爪推送元件26推送第一棘爪23使其与第一棘轮24进行啮合，第一棘爪23对第一棘轮24进行锁定，攀爬机构通过攀爬手指55、固定手指25挂靠在直梯的横杆上。

S14.步骤S11~S13为一次攀爬的过程，完成一次攀爬后，在重新执行步骤S11，进入下一次的攀爬，从而实现攀爬机构的向上攀爬。

（2）向下攀爬：此过程中，攀爬手臂5、固定手臂2之间的间距经过曲柄3的带动由初始的最小变到最大，然后由最大再变到最小，从而完成一次攀爬，其具体包括以下步骤：

S21.初始阶段：攀爬手臂5、固定手臂2的扭簧处于正常的状态下，固定手指25、攀爬手指55与机架1之间沿顺时针方向所成的角度小于90°，攀爬手臂5、固定手臂2的棘爪与棘轮进行啮合，初始阶段下攀爬机构依靠固定手指25、攀爬手指55挂靠在直梯；

S22. 攀爬手臂5攀爬阶段：电机4转动使得攀爬手臂5、固定手臂2之间的间距逐渐变大，且第二棘爪推送元件56带动第二棘爪53使其远离第二棘轮54，第二棘爪53不对第二棘轮54进行锁定则攀爬手指55可以发生转动，当曲柄3转动使攀爬手臂5、固定手臂2之间的间距为最大时，此时曲柄3带动攀爬手臂5向下攀爬n梯，攀爬手指逆时针旋转至工位3状态，由于第二扭簧带动攀爬手指恢复工位1状态，所以第二棘爪推送元件56能够推送第二棘爪53使其与第二棘轮54进行啮合，第二棘爪53对第二棘轮54进行锁定，攀爬机构通过攀爬手指55挂靠在直梯的横杆上，然后执行步骤S23；

S23. 固定手臂2攀爬阶段：此时，第一棘爪推送元件26带动第一棘爪23使其远离第一棘轮24，第一棘爪23不对第一棘轮24进行锁定则固定手指25可以发生转动，由于攀爬手指55已经挂靠在直梯的横杆上，在电机4的转动通过同步带传递，使得曲柄转动，从而令攀爬手臂5、固定手臂2之间的间距逐步变小，然后在攀爬手臂5、固定手臂2之间的间距为最小的时候，固定手臂2向下攀爬n梯，攀爬手指逆时针旋转至工位3状态，由于第二扭簧带动攀爬手指恢复工位1状态，所以第一棘爪推送元件26能够推送第一棘爪23使其与第一棘轮24进行啮合，第一棘爪23对第一棘轮24进行锁定，攀爬机构通过攀爬手指55、固定手指25挂靠在直梯的横杆上。

S24.步骤S21~S23为一次攀爬的过程，完成一次攀爬后，在重新执行步骤S21，进入下一次的攀爬，从而实现攀爬机构的向下攀爬。

上述方案中，利用攀爬手指55、固定手指25能够将攀爬机构牢固地固定在直梯上，所以攀爬机构的负载能力与现有技术提供的设备相比，得到了极大的提高。

实施例2

实施例1提供的攀爬机构并没有对固定手臂2及攀爬手臂5的数量进行限定，所以可以认为实际上攀爬机构只包含有一条固定手臂2和一条攀爬手臂5，但是，若在直梯攀爬机构上只设置一条固定手臂2和一条攀爬手臂5，那么攀爬机构的负重能力及自身的平衡能力是十分有限的。

本实施例正是出于这种考虑，对攀爬机构的固定手臂2、攀爬手臂5的数量及其布置位置进行了专门的设置，具体如图 1所示，直梯攀爬机构包括两条固定手臂2，两条固定手臂2的第一底板21设置在同一水平线上，且两条固定手臂2分别设置于机架1的左右两侧；直梯攀爬机构包括两条攀爬手臂5，滑动平台6水平设置，两条攀爬手臂5的第二底板51分别与滑动平台6的左右两端连接，曲柄3的连杆与滑动平台6连接。

上述方案中，通过在机架1上的左上、右上、左下、右下四个区域布置两条固定手臂2和两条攀爬手臂5来使得攀爬机构的负重能力及平衡能力得到提高。

实施例3

实施例1及实施例2的攀爬机构在攀爬的过程中，容易因为直梯不是垂直设置而在攀爬方向上发生改变，从而使得攀爬机构不能顺利的爬上指定的高度。为此，如图1所示，本实施例的攀爬机构在实施例1和实施例2的基础上，设置了导向轮7、辅助轮8和阻拦件9，其中， 导向轮7、辅助轮8分别设置在机架1的左右两端，阻拦件9垂直于机架1的所在面设置，阻拦件9的外侧镶嵌有万向球。

上述方案中，设置在机架1左右两端的导向轮7、辅助轮8和阻拦件9用于与直梯的竖杆进行接触，通过导向轮7、辅助轮8和阻拦件9在竖杆上的引导作用使得攀爬机构在攀爬的过程中不至于发生攀爬方向错误的情况。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。