本发明涉及一种爬杆机构，尤其涉及一种多功能爬杆机器人及其控制方法。
背景技术：
随着城市化进程的快速发展，城市基础建设及建筑物中出现较多与商业或市政工程有关的高杆设施，如路灯、广告牌立柱、建筑物大厅的柱子、道路监控立柱和电线杆等。这些设施需要定期进行清洗与维护，现今多为人力完成工作，效率低、成本高且具有高危险性。因此，人们发明出爬杆机构，采用机械代替人力进行攀爬、高点维修等较危险的工作。其具有高效率和安全性高的优点，因而得到广泛的关注和研究，各行业的应用也越来越广泛。但现有爬杆机构无法在攀爬过程中转位，即只能沿攀爬杆直线运动，导致其应用领域受到限制。如喷漆或清洗时，会因为不能转位而导致无法完成全部的喷漆或清洗任务；或者在遭遇凸起障碍物时无法通过转位避开障碍物。所以需要研发出可以在攀爬中转位的爬杆机构。
中国专利号cn105128969a，公开日2015年12月9日，一种爬杆机器人，其使用弹性卡爪式设计，利用凸轮和曲柄连杆机构驱动卡爪完成抓紧和松开动作，两爪交替动作，带动机构沿杆爬行。其设计结构巧妙，仅使用一个动力源就完成了夹紧、松开和提升的动作，而且可以适应一定范围内的变直径攀爬杆。但是该爬杆机构未能解决爬杆机构在爬杆过程中转位的问题。
技术实现要素：
本发明的目的是解决爬杆机构在爬杆过程中不能转位的问题，提供一种多功能爬杆机器人，通过转位装置的转位动作，解决爬杆机构在爬杆过程中不能转位的问题。
本发明为解决上述问题所采用的技术方案是：一种多功能爬杆机器人，包括转位装置、内圈爬行装置、外圈爬行装置、微处理器、供电装置和支架，所述转位装置包含固定板、转位板和转位电机，所述固定板中部有同心布置的弧形内齿条和滑动槽，所述滑动槽在所述弧形内齿条内侧，所述固定板与所述外圈爬行装置固定连接；所述转位板外侧固定有转位电机，所述转位电机输出端固定一个与所述弧形内齿条啮合的齿轮，所述转位板与所述固定板通过所述滑动槽卡接，所述转位板和所述内圈爬行装置固定连接，所述转位电机受控于所述微处理器。
通过滑动槽卡接的所述转位板和所述固定板可以相对转动，而转动板和固定板各自与一个爬行装置固定连接，具体为：转动板与所述内圈爬行装置固定连接，固定板与所述外圈爬行装置固定连接。当所述外圈爬行装置夹紧攀爬杆且所述内圈爬行装置松开攀爬杆时，内圈爬行装置及转动板处于无负载状态，在所述转位电机的带动下，内圈爬行装置及转动板将相对于外圈爬行装置及固定板有一定角度偏移，而后由内圈爬行装置夹紧攀爬杆，外圈爬行装置松开攀爬杆，此时外圈爬行装置及固定板处于无负载状态，而后所述转位电机反向转动同样角度，内圈爬行装置及转动板将相对于外圈爬行装置及固定板的角度偏移将逐渐恢复，爬杆机构随之完成转位工作。
作为优选，所述内圈爬行装置包含内圈上卡爪、内圈下卡爪、内圈伺服电缸和内圈滑杆，所述内圈上卡爪和所述内圈下卡爪分别固定于所述内圈伺服电缸的两端，所述内圈滑杆一端与所述内圈下卡爪固定连接，所述内圈滑杆另一端穿过所述内圈上卡爪的滑杆孔并形成滑动副；所述外圈爬行装置包含外圈上卡爪、外圈下卡爪、外圈伺服电缸和外圈滑杆，所述外圈上卡爪和所述外圈下卡爪分别固定于所述外圈伺服电缸的两端，所述外圈滑杆一端与所述外圈下卡爪固定连接，所述外圈滑杆另一端穿过所述外圈上卡爪的滑杆孔并形成滑动副，内圈爬行装置与外圈爬行装置结构相似，采用两个卡爪结构使得爬杆机构更稳固地夹紧攀爬杆，并可以携带更多负载。
作为优选，所述内圈上卡爪、内圈下卡爪、外圈上卡爪和外圈下卡爪均包括机械卡爪、机械卡爪支架、驱动连杆和驱动电动推杆，所述机械卡爪支架前端中部固定有铰接杆，所述机械卡爪支架前端两侧加工有与所述内/外圈滑杆配合的滑杆孔，所述机械卡爪有两条边且呈钝角，所述机械卡爪较短边与所述驱动连杆前端铰接，所述机械卡爪转折处加工有铰接孔，所述铰接孔与所述机械卡爪支架前端中部铰接杆铰接，所述机械卡爪较长边呈弧形，内侧镶有橡胶层，所述驱动连杆尾端铰接于所述驱动电动推杆上，卡爪结构允许攀爬杆在一定范围内变直径，方便从攀爬杆上取下和放置，并允许攀爬杆截面为类圆形如椭圆。
作为优选，所述机械卡爪内侧工作面嵌有压力传感器，所述压力传感器检测所述机械卡爪内侧受力值，所述压力传感器连接于所述微型控制器，所述微型控制器可以通过对所述压力传感器信号的分析判断爬杆机构是否已夹紧、已松开或发生了故障。
作为优选，所述驱动电动推杆是带有自锁功能的电动推杆，使得爬杆机构在突然断电时不坠落，以及停留在攀爬杆上时不因夹紧消耗电能。
作为优选，所述机械卡爪支架上至少有两对间距不同的铰接杆，在必要时可以更改与所述机械爪铰接的铰接杆，获得不同的夹持范围。
作为优选，所述固定板上固定有故障显示器，所述故障显示器连接到所述微处理器。当微处理器检测到机器人当前出现故障时，将在故障显示器上显示故障代码，并发出声光警报，协助操作员判定和排出故障。
作为优选，所述微处理器通过无线连接有一个遥控器，可以现场控制爬杆机构，扩大爬杆机构的应用领域。
作为优选，所述微处理器连接有一个摄像头，所述遥控器带有显示屏，在爬杆机构攀爬较高时，可以通过显示屏察看爬杆机构工作状况，方便爬杆机构的操作。
本发明的有益效果为：通过转位装置的转位动作，实现爬杆机构在攀爬过程中的转位动作，从而能够完成对整个攀爬杆的遍历，并且能够通过转位避开凸起障碍物。
附图说明
图1为多功能爬杆机器人结构图。
图2为多功能爬杆机器人斜仰视结构图。
图3为内圈上卡爪结构图。
图4为转位装置的第二个实施例结构图。
图5为多功能爬杆机器人的第三个实施例结构图。
图6为多功能爬杆机器人的第三个实施例斜仰视结构图。
其中：1、外圈上卡爪，2、内圈上卡爪，3、内圈滑杆，4、内圈伺服电缸，5、内圈下卡爪，6、外圈下卡爪，7、外圈上卡爪驱动电动推杆，8、内圈上卡爪驱动电动推杆，9、外圈滑杆，10、外圈伺服电缸，11、转位伺服电机，12、转位装置转位板，13、转位装置固定板，14、内圈下卡爪驱动电动推杆，15、转位齿轮，16、弧形内齿条，17、压力传感器，18、机械卡爪，19、小直径铰接杆，20、大直径铰接杆，21、驱动连杆，22、机械卡爪支架，23、驱动电动推杆，24、固定板，25、转位板，26、减速电机，27、限位开关，28、外圈上卡爪，29、内圈上卡爪，30、内圈支撑杆，31、内圈下卡爪，32、外圈下卡爪，33、外圈支撑杆，34、转位电机，35、转位板，36、固定板，37、伺服电缸，38、转位齿轮，39、弧形内齿条。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
如图1-2所示，内圈上卡爪２和内圈下卡爪５分别固定在内圈伺服电缸４的两端，内圈下卡爪驱动电动推杆14与内圈下卡爪５后端铰接，并驱动内圈下卡爪５工作松开和工作夹紧，内圈下卡爪５与内圈滑杆３底端固定相连，内圈上卡爪驱动电动推杆8与内圈上卡爪２后端铰接，并驱动内圈上卡爪２工作松开和工作夹紧，内圈上卡爪２被内圈滑杆３通过铰接孔穿过，形成滑动副，从而使内圈上卡爪２可在内圈伺服电缸４的带动下，沿内圈滑杆３上下滑动。由内圈上卡爪２、内圈滑杆３、内圈伺服电缸４和内圈下卡爪５组成内圈爬行装置。内圈下卡爪５同时又固定在转位装置转位板12上，从而使内圈爬行装置与转位装置转位板12形成固定连接。外圈上卡爪驱动电动推杆7与外圈上卡爪1后端铰接，并驱动外圈上卡爪1工作松开和工作夹紧，外圈上卡爪1和外圈下卡爪6分别固定在外圈伺服电缸10的两端，外圈下卡爪6与外圈滑杆9的底端固定连接，外圈上卡爪1被外圈滑杆9通过铰接孔穿过，形成滑动副，从而使外圈上卡爪1可以在外圈伺服电缸10的带动下，沿外圈滑杆9上下滑动。由外圈上卡爪1、外圈下卡爪6、外圈滑杆9和外圈伺服电缸10组成外圈爬行装置。外圈下卡爪6同时又固定在转位装置固定板13上，从而使外圈爬行装置与转位装置固定板13形成固定连接。转位装置转位板12上固定有转位伺服电机11，转位伺服电机11的输出端连接转位齿轮15，转位装置固定板13上固定有弧形内齿条16，弧形内齿条16与转位齿轮15啮合。转位装置转位板12和转位装置固定板13通过滑动槽卡接，可以相对转动，用于实现爬杆机构的转位工作。爬杆机构的工作台或负载固定在转位装置固定板13上。
图3为内圈上卡爪结构图，图中驱动连杆21两端分别与机械卡爪18和驱动电动推杆23铰接，机械卡爪支架22上固定有两组铰接杆，分别是小直径铰接杆19和大直径铰接杆20，机械卡爪18中部可以与小直径铰接杆19铰接，适合攀爬较小直径的攀爬杆，也可以与大直径铰接杆20铰接，此时适合攀爬较大直径的攀爬杆。驱动电动推杆23在微处理器的控制下工作伸出和工作收缩时，将推动机械卡爪18夹紧和松开。压力传感器17包裹于橡胶防滑条中并镶嵌于机械卡爪18的内侧，检测机械卡爪18内侧的受力值。压力传感器17连接于微处理器，将机械卡爪夹紧力数据输入至微处理器，从而使微处理器能够判断爬杆机构是否已夹紧攀爬杆，防止爬杆机构因未夹紧攀爬杆而跌落，并能在爬杆机构出现故障无法夹紧攀爬杆时及时报警。内圈下卡爪、外圈上卡爪和外圈下卡爪结构与内圈上卡爪结构相同，在此不作重复描述。
一种多功能爬杆机器人的微型控制器安装有报警器、弹性触角压力传感器和遥控器。弹性触角压力传感器用于感应障碍物、地面或天花板，报警器用于报警。遥控器通过无线与微型控制器通信，从而能够对爬杆机构进行现场指挥操作。爬杆机构在微型控制器的控制下进行攀爬工作的流程为：1)外圈上卡爪1、外圈下卡爪6、内圈上卡爪2和内圈下卡爪5均夹紧，爬杆机构附着在攀爬杆上；2)外圈上卡爪1和内圈上卡爪2松开，内圈伺服电缸4和外圈伺服电缸10工作伸长，推动外圈上卡爪1和内圈上卡爪2向上移动一定距离后，内圈伺服电缸4和外圈伺服电缸10停止伸长；3)外圈上卡爪1和内圈上卡爪2夹紧，微处理器接收压力传感器17的信号判断是否已夹紧，如未夹紧则等待，如果等待超时则判断爬杆机构故障，此时开启报警器报警，并在故障显示面板显示对应故障代码，如判断已夹紧则进入步骤4；4)外圈下卡爪6和内圈下卡爪5松开，内圈伺服电缸4和外圈伺服电缸10工作收缩，拉动爬杆机构向上攀升与步骤3相等距离后，内圈伺服电缸4和外圈伺服电缸10停止收缩；5)外圈下卡爪6和内圈下卡爪5夹紧，微处理器接收到压力传感器17的信号判断是否已夹紧，如已夹紧则重复步骤1-5，不断攀爬，如判断无法夹紧，则判断爬杆机构故障，此时开启报警器报警，并在故障显示面板显示对应故障代码。
爬杆机构在微型控制器的控制下进行转位工作的流程为：1)外圈上卡爪1、外圈下卡爪6、内圈上卡爪2和内圈下卡爪5均夹紧，爬杆机构附着在攀爬杆上；2)内圈上卡爪2和内圈下卡爪5松开，微型控制器控制转位伺服电机11转动一定角度，此时爬杆机构的内圈爬行装置与外圈爬行装置之间有一定角度；3)内圈上卡爪2和内圈下卡爪5夹紧，微处理器接收到压力传感器17的信号判断是否已夹紧，如未夹紧则等待，如果等待超时则开启报警器报警，如判断已夹紧则进入步骤4；4)外圈上卡爪1和外圈下卡爪6松开，微型控制器控制转位伺服电机11反向转动与步骤2相同的角度，将内圈爬行装置与外圈爬行装置之间的角度恢复，此时爬杆机构负载及工作台已经随转位装置固定板13完成了转位动作；5)外圈上卡爪1和外圈下卡爪6夹紧，微处理器接收到压力传感器17的信号判断是否已夹紧，如未夹紧则等待，如果等待超时则开启报警器报警，并在故障显示面板显示对应故障代码，如判断已夹紧则判断是否已转位到目标位置，如未到达目标位置，则重复步骤1-5不断进行转位，如已到达目标位置则退出转位工作流程。
如图4所示转位装置的另一个实施例中，固定板24与转位板25通过滑动槽卡接，可以相对转动。转位板25固定有减速电机26，减速电机26末端装有转位齿轮15，与固定板24上的弧形内齿条16相啮合，在减速电机26的带动下转位齿轮15与弧形内齿条16产生相对运动，从而带动转位板25与固定板24产生相对转动。减速电机26受控于微处理器，而微处理器通过无线连接一个遥控器，从而可以通过遥控器直接控制减速电机26的启停和正反转。在固定板24上安装有限位开关27，防止转动超程发生碰撞。在此实施例中，微型控制器可以控制爬杆机构的攀爬工作，但需要人工控制爬杆机构的转位工作，其工作流程为：1)外圈上卡爪1、外圈下卡爪6、内圈上卡爪2和内圈下卡爪5均夹紧，爬杆机构附着在攀爬杆上，通过遥控器将爬杆机构切换到人工控制状态；2)通过遥控器指令内圈上卡爪2和内圈下卡爪5松开，通过遥控器指令减速电机26转动，此时爬杆机构的内圈爬行装置与外圈爬行装置之间逐渐偏移一定角度；3)通过遥控器指令减速电机26停止转动；4)通过遥控器指令内圈上卡爪2和内圈下卡爪5夹紧，人工观察判断已夹紧则进入步骤5；5)通过遥控器指令外圈上卡爪1和外圈下卡爪6松开，通过遥控器指令减速电机26反向转动，爬杆机构的内圈爬行装置与外圈爬行装置之间偏移角度逐渐恢复，此时爬杆机构负载及工作台已经随固定板24完成了转位动作；6)通过遥控器指令外圈上卡爪1和外圈下卡爪6夹紧，人工观察判断已夹紧后判断是否已转位到目标位置，如未到达目标位置，则重复步骤1-6不断进行转位，如已到达目标位置则通过遥控器指令退出人工控制。如果在转位过程中转位板25触发了安装在固定板24上的限位开关27，则爬杆机构只会响应反方向转动的指令，同时启动报警提示操作人转动位置已经超限。
如图5-6所示的另一个实施例中，内圈爬行装置由内圈上卡爪29、内圈支撑杆30和内圈下卡爪31组成，内圈上卡爪29固定在内圈支撑杆30上端，内圈下卡爪31固定在内圈支撑杆30下端，内圈下卡爪31与转位板35固定连接，使内圈爬行装置固定在转位板35上。固定板36与转位板35通过中部滑动槽卡接，可以相互转动，固定板36中部滑动槽外侧固定有弧形内齿条39，转位电机34固定在转位板35外侧，末端连接转位齿轮38，转位齿轮38与弧形内齿条39啮合。固定板36外侧底部与伺服电缸37上端固定连接，伺服电缸37下端与外圈下卡爪32固定连接，外圈支撑杆33下端固定在外圈下卡爪32上，并穿过固定板36外侧的铰接孔后固定到外圈上卡爪28上，外圈支撑杆33与固定板36外侧的铰接孔铰接，并可以相对固定板36上下滑动。外圈上卡爪28、外圈支撑杆33和外圈下卡爪32组成外圈爬行装置。爬杆机构负载或工作台固定在固定板36上。此实施例中，爬杆机构进行攀爬工作的流程为：1)内圈上卡爪29、内圈下卡爪31、外圈上卡爪28和外圈下卡爪32均夹紧，爬杆机构附着在攀爬杆上；2)外圈上卡爪28和外圈下卡爪32松开，伺服电缸37工作收缩，带动外圈爬行装置向上移动一定距离后，伺服电缸37停止收缩；3)外圈上卡爪28和外圈下卡爪32夹紧，等待微型控制器判断已夹紧后，内圈上卡爪29和内圈下卡爪31松开，伺服电缸37工作伸长，带动内圈爬行装置及负载向上移动与步骤2相等的距离后，伺服电缸37停止伸长；4)内圈上卡爪29和内圈下卡爪31夹紧，等待微型控制器判断已夹紧后，判断是否到达目标位置，如未到达目标位置，则重复步骤1-4不断攀爬，如到达目标位置则退出攀爬工作流程。在此实施例中，爬杆机构进行转位工作的流程为：1)内圈上卡爪29、内圈下卡爪31、外圈上卡爪28和外圈下卡爪32均夹紧，爬杆机构附着在攀爬杆上；2)内圈上卡爪29和内圈下卡爪31松开，转位电机34启动，带动转动板35相对固定板36转动一定角度后，转位电机34关闭；3)内圈上卡爪29和内圈下卡爪31夹紧，等待微型控制器判断已夹紧后，外圈上卡爪28和外圈下卡爪32松开，转位电机34反向转动，转动板35相对固定板36的角度逐渐恢复后，转位电机34关闭；4)外圈上卡爪28和外圈下卡爪32夹紧，等待微型控制器判断已夹紧后，判断是否已到达目标位置，如果未到达目标位置，则重复步骤1-4，不断转位，如果已经到达目标位置，则退出转位工作流程。
以上所述的实施例只是本发明较佳的实施方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。