专利名称：仿尺蠖步态式攀爬机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人，尤其是涉及一种攀爬机器人。
背景技术：
随着机器人技术的发展，我国农业、林业和建筑业等领域将成为机器人应用的广 阔天地。高空危险作业、环境恶劣、工作量大等特点一直是这些领域内的工作者所要面临的 问题。因此，人们迫切希望需要机器人来帮助人们从危险、恶劣的工作环境，繁重的工作中 解放出来。因此，开发攀爬机器人代替人工去从事这些高空危险作业将有重要意义。
目前，国内外提出的一些依附于杆体表面自动爬行的机构主要通过气动、液动及 电动传动来提供动力。。浙江大学陈俊龙教授设计的气动爬杆机器人，及在专利申请号为 200420041989. 2的专利文件中公开的“管外爬杆机器人抓紧装置”均属于气动蠕行式爬杆 机器人，用气缸驱动机构实现交替夹紧和移动，其向上爬行时气缸动作一个周期的过程为 下部气缸夹紧，上部气缸松开，提升气缸活塞杆伸出，上部上升；上部气缸夹紧，下部气缸松 开，提升气缸体上升，下部上升。如此反复，机器人就可以连续爬行。鉴于其上升和下降运 动实现均由气压控制，需要气源和气动控制系统，结构复杂，设备成本较高。除此之外，还要 求机器人爬到很远的距离必须有足够长的管子来支持，这样限制了机器人的活动范围。
北京理工大学研发的一种步进式管、线爬行机构。该机构由两个爪、臂装置和机 体组成，通过转动关节和滑动关节连接，可以避越法兰障碍。机体间有侧向滑轨，在爬行过 程中可以通过两机体间的侧向滑轨纠正爬杆姿态，但是其侧向滑轨的姿态纠正作用是被动 的，不具有主动性，不能实现真正地灵活运动。还有纪小刚、专利申请号为200910031199. 3 的专利文件中提供了一种可以做直线运动及旋转运动、适用范围和领域更广的多姿态爬杆 机器人。但此机器人采用轮式攀爬方式，虽然控制方便，移动速度快，但越障能力差，易打 滑。发明内容
本发明的目的在于提供一种可以攀爬一定直径范围的杆状建筑物及表面较粗糙 的树木，运动灵活、平稳、控制方便，且结构简单、操作方便，易拆易换的仿尺蠖步态式攀爬 机器人。
本发明的目的是这样实现的
主要包括躬曲部分、转弯部分、前爪部分及后爪部分；
所述的躬曲部分包括三节，每一节主要包括机架、躬曲电机、转轴、传动机构和连 接架，躬曲电机固定在机架上，转轴的两端通过轴承安装在机架上且伸出机架，躬曲电机与 转轴由传动机构传动，连接架与转轴的两端固连；第一节和第二节的连接架分别与转弯部 分固连，第二节的连接架与第三节的机架固连；
所述转弯部分主要包括固定在电机座上的转弯电机、第一法兰盘、转动轴和转动 架，第一法兰盘与转弯电机连接，转动架的一端与第一法兰盘固定、另一端套在转动轴上，转动轴固定在电机座上；
所述前爪部分主要包括前爪驱动电机、第二法兰盘、第二连杆、前机械手，前爪驱 动电机通过连接架固定在第一节躬曲部分的机架上，第二法兰盘与前爪驱动电机连接，第 二连杆的与一端第二法兰盘铰接、另一端连接前机械手；
所述后爪部分主要包括后抓驱动电机、第三法兰盘、第一连杆、驱动轴、两个相同 的后机械手，后爪驱动电机通过连接架固定在第三节躬曲部分的机架上，第三法兰盘与后 抓驱动电机连接，第一连杆的一端与第三法兰盘铰接、另一端连接驱动轴，两个后机械手安 装在所述驱动轴上。
本发明还可以包括
1、前机械手与后机械手的结构相同主要包括结构相同的四个手指、结构相同的八 个机械手连杆、一个推杆、一个导向槽和一个支座，导向槽及支座呈正十字架形状，推杆的 一端位于导向槽中、另一端与支座连接，每个手指的顶端与导向槽的正十字架的一个端点 铰接，每个手指的中间与两根机械手连杆的一端铰接，机械手连杆的另一端与支座的正十 字架的一个端点铰接。
2、所述的机架包括U型架与连接于U型架的U型的两个臂上的侧架，还包括L型 支架，L型支架固定在U型架上，躬曲电机固定在L型支架上。
3、所述传动机构由第一直齿圆柱齿轮、第二直齿圆柱齿轮和传动轴构成,传动轴 的一端通过轴承支撑在一侧架上、另一端与躬曲电机连接，第一直齿圆柱齿轮固连在传动 轴上，第二直齿圆柱齿轮固连在转轴上，第一直齿圆柱齿轮与第二直齿圆柱齿轮相哨合。
4、转弯电机通过压盖固定在电机座上，转弯电机与电机座之间设置有橡胶。
本发明的仿尺蠖步态式攀爬机器人主要包括躬曲部分1、转弯部分I1、前爪部分 III及后爪部分IV四部分。攀爬过程主要靠这四部分协调运动来实现。
本发明的现实意义和优点在于
本发明公开的仿尺蠖步态式攀爬机器人，结构简单，操作方便，运动灵活；设有转 弯机构，使机器人既能沿杆直线运动，又可跨越斜杆运动。基于模块化设计理念，该机器人 易拆易换，功能多样，能攀爬一定直径范围的杆状建筑物和表面较粗糙的树木。
图1是本发明的仿尺蠖步态式攀爬机器人的总装图。
图2是躬曲部分结构图。
图3是转弯部分结构图。
图4是前爪部分结构图。
图5是沿图1中D-D线的机械手剖视图。
图6是后爪部分结构图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
结合图1，本发明的机器人主要由躬曲部分1、转弯部分I1、前爪部分III及后爪部 分IV四部分组成。机器人的攀爬过程主要靠这四部分协调运动来实现。
结合图2，躬曲部分包括三节，机构主要包括三个固定在L型支架9上的躬曲电 机，三个U型架，三个传动轴5和三个转轴16，三个直齿圆柱齿轮传动机构。传动轴5 —端 通过平键6与躬曲电机连接、一端由深沟球轴承26进行周向定位。第一圆柱直齿轮2通过 第一平键3与传动轴5连接，第二圆柱直齿轮4通过第二平键7与转轴16连接，第一圆柱 直齿轮2、第二圆柱直齿轮4分别通过第一轴套15、第二轴套13与轴肩进行轴向定位，转轴 16由底端一对深沟球轴承11进行周向定位。第一圆柱直齿轮、第二圆柱直齿轮和传动轴组 成传动机构，通过齿轮传动机构带动转轴16转动。第一节的机架由U型架1、侧架DlO和 侧架C27构成，第二节的机架由U型架22、侧架B14和侧架A20构成，第三节的机架由U型 架1、侧架17和侧架19构成。侧架A20、侧架B14和架12通过键连接与转轴16固连。三 个躬曲电机分别通过一个第一 U型架1、两个第二 U型架22与侧架19、侧架17、侧架20、侧 架14、侧架27和侧架10固定。在攀爬过程中，协调驱动三个躬曲电机，第一躬曲电机8带 动架12转过一定角度a，从而使转弯部分相对前爪部分有个角度a，第三躬曲电机18带动 侧架20和侧架14转过相同角度a，同时在第二躬曲电机23的配合下，前爪与后爪之间的距 离缩短，实现机器人仿尺蠖行走弓形姿态。
躬曲部分I与转弯部分II用两个结构相同的连接板24固连。前爪部分III通过爪 固定板52、连接架B44与侧架27和侧架10固连。后爪部分IV通过两个相同的爪固定板61 和一个连接架A58与侧架19和侧架17固连。为了保证机器人在攀爬过程中，不至于因机 器人头部重量较大而造成整体倾覆，后爪部分采用两个机械手，保证机器人运动的平稳性。
结合图3，转弯部分机构主要包括固定在Z型电机座38上的转弯电机28，第一法 兰盘36、转动轴32、转动架34和第二连接架35。为了防止机器人在攀爬过程中，由于电机 自身重量造成机器人运动不平稳，转弯电机28与Z型电机座38之间用四个内六角螺栓把 压盖29与Z型电机座38固定，电机底部用橡胶30固定支撑。第一法兰盘36通过免键轴 衬37与转弯电机28连接，第二连接架35用四个均匀分布的螺栓与第一法兰盘36固定，转 动轴32底端固定在横板31上，通过一对圆锥滚子轴承33与转动架34形成相对转动，转动 架34与第二连接架35用六个分布均匀的螺栓固定。驱动转弯电机28，带动第二连接架35 和转动架34转动，实现机器人头部转弯运动。
结合图4、图5和图6，前爪部分机构主要包括前爪驱动电机43，第二法兰盘41， 第二连杆39，机械手A，第二法兰盘41通过免键轴衬42与前爪驱动电机43连接，第二连杆 39 一端通过偏心块40与第二法兰盘41铰接，一端通过开口销53与推杆A50铰接。机械手 的传动机构为曲柄滑块机构，动力源为前爪驱动电机43，第二法兰盘41相当于曲柄，推杆 A50为滑块。机械手结构与曲柄滑块机构类似，控制机械手开闭的主动件为推杆A50，从动 件为四个手指46，各个转动关节通过开口销45铰接。后爪部分机构主要包括后爪驱动电 机57,第二法兰盘56,第一连杆54,驱动轴64,两个相同机械手B,第二法兰盘56通过免键 轴衬与后爪驱动电机57连接。第一连杆54 —端通过偏心块55与第二法兰盘56铰接,一 端通过两个螺栓与驱动轴64连接，第一连杆54与驱动轴64间有相对转动。两机械手B通 过推杆B60末端的圆孔与驱动轴64固定，为了防止机械手松动，驱动杆两端用锁紧螺母59 固定死。后爪两个机械手B用一个动力源即可实现同步运动。前机械手与后机械手的结构 相同主要包括结构相同的四个手指46、结构相同的八个机械手连杆47、一个推杆50、一个 导向槽51和一个支座48,导向槽及支座呈正十字架形状,推杆的一端位于导向槽中、另一端与支座连接，每个手指的顶端与导向槽的正十字架的一个端点铰接，每个手指的中间与 两根机械手连杆的一端铰接，机械手连杆的另一端与支座的正十字架的一个端点铰接。
结合图1、图2、图3、图4、图5和图6，对仿尺蠖步态式攀爬机器人的攀爬过程进行 以下说明静止状态，机器人的前爪机构与后爪机构同时抱紧杆；上升过程，前爪抱紧杆， 后爪两个机械手B用驱动轴64连接，并固定在爪固定板61上，后爪驱动电机57驱动第二 法兰盘56转动，上面的偏心块55带动第一连杆54，使得驱动轴64上下运动，从而带动推 杆B60沿导向槽62上下同步运动，带动两个机械手B的4个手指63绕各自的转轴转动，实 现后爪的松开。与此同时，第三躬曲电机18顺时针转动(面向电机看)带动与电机输出端固 定连接的第一直齿圆柱齿轮2，带动第二直齿圆柱齿轮4转动，实现侧架20转过一定的角 度a，使侧架20和侧架19之间有一个相对转动的角度a。第一躬曲电机8逆时针转动(面 向电机看)，和电机输出端固定连接的第一直齿圆柱齿轮2带动第一直齿圆柱齿轮4转动， 从而带动架12转过一定角度a，使侧架27与转弯机构之间有一个相对转动角度a。同时在 第二躬曲电机23的协调配合下，完成仿尺蠖式的等腰三角形的躬曲形状，前爪与后爪之间 距离缩短，实现上升运动。后爪抱紧杆，前爪驱动电机43驱动第二法兰盘41转动，上面的 偏心块40带动第二连杆39，从而带动推杆A50沿导向槽51上下运动，使得4个手指46绕 各自的转轴转动，实现前爪的松开。与此同时，第三躬曲电机18逆时针转动(面向电机看) 带动与电机输出端固定连接的第一直齿圆柱齿轮2，从而带动第二直齿圆柱齿轮4转动，实 现侧架20转过一定的角度b，使侧架20和侧机架19之间有一个相对转动的角度b。第一 躬曲电机8顺时针转动(面向电机看)，和电机输出端固定连接的第一直齿圆柱齿轮2带动 第二直齿圆柱齿轮4转动，从而带动架12转过一定角度a，侧架27与转弯机构之间夹角为 180°。同时在第二躬曲电机23的协调配合下，侧架14与转弯机构之间的夹角也为180°， 躬曲部分完全伸展开，前爪抬起。此时转弯机构电机28驱动第一法兰盘36转动，第二连接 架35及转动架34与第一法兰盘36固定连接在一起，转动轴32 —端固定在横板31上，相 对后爪机构静止不动，转动架34与转动轴32通过一对圆锥滚子轴承33实现相对转动，从 而带动前爪机构水平转动，实现机器人的转弯运动。第三躬曲电机18逆时针转动(面向电 机看)带动与电机输出端固定连接的第一直齿圆柱齿轮2，从而带动第二直齿圆柱齿轮4转 动，使得侧架20回到初始状态。前爪驱动电机43驱动第二法兰盘41转动，上面的偏心块 40带动第二连杆39，从而带动推杆A50沿导向槽51上下运动，使得4个手指46绕各自的 转轴转动，实现前爪的夹持。至此，机器人完成了一个攀爬过程，周期运动下去，即可实现机 器人仿尺蠖步态式的攀爬。
权利要求
1.一种仿尺蠖步态式攀爬机器人，主要包括躬曲部分、转弯部分、前爪部分及后爪部分；其特征是所述的躬曲部分包括三节，每一节主要包括机架、躬曲电机、转轴、传动机构和连接架， 躬曲电机固定在机架上，转轴的两端通过轴承安装在机架上且伸出机架，躬曲电机与转轴由传动机构传动，连接架与转轴的两端固连；第一节和第二节的连接架分别与转弯部分固连，第二节的连接架与第三节的机架固连；所述转弯部分主要包括固定在电机座上的转弯电机、第一法兰盘、转动轴和转动架，第一法兰盘与转弯电机连接，转动架的一端与第一法兰盘固定、另一端套在转动轴上，转动轴固定在电机座上；所述前爪部分主要包括前爪驱动电机、第二法兰盘、第二连杆、前机械手，前爪驱动电机通过连接架固定在第一节躬曲部分的机架上，第二法兰盘与前爪驱动电机连接，第二连杆的与一端第二法兰盘铰接、另一端连接前机械手；所述后爪部分主要包括后抓驱动电机、第三法兰盘、第一连杆、驱动轴、后机械手，后爪驱动电机通过连接架固定在第三节躬曲部分的机架上，第三法兰盘与后抓驱动电机连接， 第一连杆的一端与第三法兰盘铰接、另一端连接驱动轴，后机械手安装在所述驱动轴上。
2.根据权利要求1所述的仿尺蠖步态式攀爬机器人，其特征是前机械手与后机械手的结构相同主要包括结构相同的四个手指、结构相同的八个机械手连杆、一个推杆、一个导向槽和一个支座，导向槽及支座呈正十字架形状，推杆的一端位于导向槽中、另一端与支座连接，每个手指的顶端与导向槽的正十字架的一个端点铰接，每个手指的中间与两根机械手连杆的一端铰接，机械手连杆的另一端与支座的正十字架的一个端点铰接。
3.根据权利要求1或2所述的仿尺蠖步态式攀爬机器人，其特征是所述传动机构由第一直齿圆柱齿轮、第二直齿圆柱齿轮和传动轴构成，传动轴的一端通过轴承支撑在机架上、另一端与躬曲电机连接，第一直齿圆柱齿轮固连在传动轴上，第二直齿圆柱齿轮固连在转轴上，第一直齿圆柱齿轮与第二直齿圆柱齿轮相哨合。
4.根据权利要求1或2所述的仿尺蠖步态式攀爬机器人，其特征是所述的机架包括 U型架与连接于U型架的U型的两个臂上的侧架，还包括L型支架，L型支架固定在U型架上，躬曲电机固定在L型支架上。
5.根据权利要求3所述的仿尺蠖步态式攀爬机器人，其特征是所述的机架包括U型架与连接于U型架的U型的两个臂上的侧架，还包括L型支架，L型支架固定在U型架上， 躬曲电机固定在L型支架上。
6.根据权利要求1或2所述的仿尺蠖步态式攀爬机器人，其特征是转弯电机通过压盖固定在电机座上，转弯电机与电机座之间设置有橡胶。
7.根据权利要求3所述的仿尺蠖步态式攀爬机器人，其特征是转弯电机通过压盖固定在电机座上，转弯电机与电机座之间设置有橡胶。
8.根据权利要求4所述的仿尺蠖步态式攀爬机器人，其特征是转弯电机通过压盖固定在电机座上，转弯电机与电机座之间设置有橡胶。
9.根据权利要求5所述的仿尺蠖步态式攀爬机器人，其特征是转弯电机通过压盖固定在电机座上，转弯电机与电机座之间设置有橡胶。
全文摘要
本发明提供的是一种仿尺蠖步态式攀爬机器人。主要包括躬曲部分、转弯部分、前爪部分及后爪部分。躬曲部分与转弯部分通过两个结构相同的连接板固连在一起。前爪部分通过爪固定板、连接架与躬曲部分第一节的两侧架固连在一起。后爪部分通过两个相同的爪固定板和一个连接架与躬曲部分第三节的两侧架固连在一起。机器人的攀爬过程主要靠这四部分协调运动来实现。该机器人结构简单，动作灵活，操作方便；机器人既可以沿杆直线运动，又可实现斜杆之间的跨越。由于其特殊的机械手结构设计，还可以实现在树木上的攀爬，使攀爬机器人适应更广阔的范围与领域。
文档编号B25J11/00GK103056882SQ20131001281
公开日2013年4月24日 申请日期2013年1月14日 优先权日2013年1月14日
发明者姚建均, 高爽, 狄多涛, 姜贵林, 严寒, 王洪光, 王茂林, 张满慧, 张保平 申请人:哈尔滨工程大学