基于气动肌肉仿人爬杆机器人的制作方法

本发明属于仿人机器人技术领域，涉及一种模拟人爬杆的机器人结构和控制系统。

背景技术：

随着城市的发展，高层建筑和高空杆状城市建筑如电线杆、电线电缆、天然气管道、路灯杆、桥拉索等越来越多，这些建筑的喷漆、清洗、维护工作主要依靠人工“蜘蛛侠”完成和大型设备，对于工人来说不但工作效率低、劳动强度大、危险，而且清洗使用的化学对工人身体也有一定程度的伤害，大型设备则受工作场地范围和资金的限制，因此需要一款能够在杆体和绳索上爬行的机器人。

中国专利201220172033.0、201410656160.1、201510556898.5、201520834209.8、201510492046.4、201520939589.1、201610698791.9、201610007351.4均采用电机驱动爬杆机器人。

中国专利201420188928.2、201410672757.5均采用气缸作为驱动元件设计了爬杆机器人。

电机频繁正反转容易烧，刚性较大、并且在易燃易爆地区不宜使用，液压缸和气缸的同样存在刚性太大的缺点，容易运动过程中刚性的碰撞导致损坏。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有的技术缺陷，提供了一种基于气动肌肉仿人爬杆机器人，不但可以具有刚性的杆还可以爬柔性的绳索，本发明结构紧凑，干净、防爆等。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种基于气动肌肉仿人爬杆机器人，其包括：上端抓紧机构1、提升机构3、多杆伸缩机构4、下端抓紧机构5，所述的提升机构3的两端以及所述的多杆伸缩机构4的两端均分别与所述的上端抓紧机构1和所述的下端抓紧机构5相连，所述的爬杆机器人为左右对称的结构。

进一步的，所述的杆可替换为绳、电缆、天然气管道、路灯杆、桥拉索等细长类物件。

更进一步的，所述的上端抓紧机构1包括上端抓紧板一8、上端抓紧板二9、气动肌肉五38、气动肌肉六39，所述的上端抓紧板一8和所述的上端抓紧板二9的一端有缺口，两个所述的上端抓紧板有缺口的一端相对放置，使两个缺口组成供被爬杆穿过的孔，所述的气动肌肉五38和所述的气动肌肉六39前后设置，其两端均分别与所述的上端抓紧板一8、上端抓紧板二9可转动连接；

所述的下端抓紧机构5包括下端抓紧板一6、下端抓紧板二11、气动肌肉七51、气动肌肉八52，所述的下端抓紧机构5各部件的连接关系与所述的上端抓紧机构1相同；

所述的多杆伸缩机构4为左右对称结构，以右半部分为例介绍其结构：

其包括伸缩杆四18、伸缩杆五24、支撑板26，所述的伸缩杆四18两端分别与所述的支撑板26和所述的上端抓紧板二9可转动连接；

所述的伸缩杆五24两端分别与所述的支撑板26和所述的下端抓紧板二11可转动连接；

所述的多杆伸缩机构4还包括气动肌肉三12和气动肌肉四17，所述的气动肌肉三12和气动肌肉四17前后布置，其两端均与所述的支撑板26可转动连接；

所述的提升机构3包括气动肌肉一7和气动肌肉二10，所述的气动肌肉一7和气动肌肉二10左右布置，所述的气动肌肉一7两端分别与所述的上端抓紧板一8和所述的下端抓紧板一6可转动连接，所述的气动肌肉二10两端分别与所述的上端抓紧板二9和所述的下端抓紧板二11可转动连接。

一种控制上述基于气动肌肉仿人爬杆机器人的系统，该系统还包括计算机40、plc41、消声器42、消声罐43、开关阀44、气动三联体45、保压罐46、行程开关47、48、49、50；

所述的气动三联体45、所述的保压罐46、所述的开关阀44的进气阀、所述的气动肌肉、所述的开关阀的出气阀、所述的消声罐43、所述的消声器42顺次连接，所述的行程开关安装在所述的上端抓紧板9、所述的支撑板26和所述的下端抓紧板11上；所述的plc的输入接口与所述的行程开关相连，所述的plc41的输出接口与开关阀44的输入接口相连，所述的计算机连接所述的plc41。

本发明的有益效果是：

1.本发明利用多根柔性气动肌肉与四杆机构配合，能够实现系统的上升和下降，取代仅仅能以电机、液压缸、气缸等刚性原件驱动实现上升和下降的传统观点；

2.本发明利用气动肌肉驱动具有较大的功率/质量比、质量轻、刚性小、结构紧凑等优点；

3.本发明既可以用于爬刚性的杆状物体，又可以爬柔性的绳索，可以实现上升和下降动作的自由切换。

附图说明

图1是气动肌肉爬杆机器人结构图；

图2是提升机构爆炸图；

图3是多杆伸缩机构一爆炸图；

图4是气动肌肉安装配件爆炸图；

图5是多杆伸缩机构二爆炸图；

图6是上端抓紧机构爆炸图；

图7是气动系统工作原理图；

图中：上端抓紧机构1、被爬杆2、提升机构3、多杆伸缩机构4、下端抓紧机构5、下端抓紧板一6、气动肌肉一7、上端抓紧板一8、上端抓紧板二9、气动肌肉二10、下端抓紧板二11、气动肌肉三12、左右伸缩气动肌肉安装配件一13、伸缩杆一14、伸缩杆二15、伸缩杆三16、气动肌肉四17、伸缩杆四18、左右伸缩气动肌肉安装配件二19、m4螺帽20、螺柱21、左右伸缩气动肌肉安装板22、m6螺栓一23、伸缩杆五24、m6螺栓二25、支撑板26、m6螺栓三27、m6螺栓四28、支撑座一29、m3螺栓一30、支撑座二31、m3螺栓二32、支撑座三33、支撑座四34、m3螺栓三35、m6螺栓四36、气动肌肉安装板一37、气动肌肉五38、气动肌肉六39、计算机40、plc41、消声器42、消声罐43、开关阀44、气动三联体45、保压罐46、行程开关一47、行程开关二48、行程开关三49、行程开关四50、气动肌肉七51、气动肌肉八52。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、6、7所示，本发明基于气动肌肉仿人爬杆机器人系统包括：上端抓紧机构1、被爬杆2、提升机构3、多杆伸缩机构4、下端抓紧机构5、下端抓紧板一6、气动肌肉一7、上端抓紧板一8、上端抓紧板二9、气动肌肉二10、下端抓紧板二11、气动肌肉三12、左右伸缩气动肌肉安装配件一13、伸缩杆一14、伸缩杆二15、伸缩杆三16、气动肌肉四17、伸缩杆四18、左右伸缩气动肌肉安装配件二19、m4螺帽20、螺柱21、左右伸缩气动肌肉安装板22、m6螺栓一23、伸缩杆五24、m6螺栓二25、支撑板26、m6螺栓三27、m6螺栓四28、支撑座一29、m3螺栓一30、支撑座二31、m3螺栓二32、支撑座三33、支撑座四34、m3螺栓三35、m6螺栓四36、气动肌肉安装板一37、气动肌肉五38、气动肌肉六39、计算机40、plc41、消声器42、消声罐43、开关阀44、气动三联体45、保压罐46、行程开关一47、行程开关二48、行程开关三49、行程开关四50、气动肌肉七51、气动肌肉八52。气动肌肉爬杆机器人主要包括上端抓紧机构1、提升机构3、多杆伸缩机构4、下端抓紧机构5共四个部分。

其中，气动肌肉一7两端分别连接下端抓紧板一6、上端抓紧板一8，气动肌肉二10两端分别连接上端抓紧板二9、下端抓紧板二11，气动肌肉一7和气动肌肉二10带动上端抓紧板一8、上端抓紧板二9下降或者下端抓紧板一6、下端抓紧板二11上升。

以伸缩杆一14、伸缩杆二15、伸缩杆三16、伸缩杆四18为例说明多杆伸缩机构4左右伸缩构件的固定和连接方式，如图3所示，气动肌肉三12、气动肌肉四17两端分别连接左右伸缩气动肌肉安装配件一13、左右伸缩气动肌肉安装配件二19，驱动伸缩杆一14、伸缩杆二15、伸缩杆三16、伸缩杆四18实现左右收缩，进一步驱动上端抓紧板一8、上端抓紧板二9下降或者下端抓紧板一6、下端抓紧板二11上升。

以左右伸缩气动肌肉安装配件一13为例说明左右伸缩气动肌肉安装配件一13、左右伸缩气动肌肉安装配件二19的组成，如图4所示，其包括m4螺帽20、螺柱21、左右伸缩气动肌肉安装板22。螺柱21一端通过m4螺帽20与伸缩杆一14、伸缩杆二15、伸缩杆三16、伸缩杆四18连接，另一端通过螺纹与左右伸缩气动肌肉安装板22连接，左右伸缩气动肌肉安装板22通过螺纹与气动肌肉三12、气动肌肉四17连接。

以伸缩杆四18、伸缩杆五24、支撑板26为例说明多杆伸缩机构4上下蠕动伸缩构件的固定和连接方式，如图5所示，支撑座一29一端通过m3螺栓一30与上端抓紧板二9连接，另一端通过m6螺栓四28与伸缩杆四18连接；支撑座二31一端通过m6螺栓三27与伸缩杆四18连接，另一端通过m3螺栓二32与支撑板26连接；支撑座三33一端通过m3螺栓二32与支撑板26连接，另一端通过m6螺栓二25与伸缩杆五24连接；支撑座四34一端通过m6螺栓一23与伸缩杆五24连接，另一端通过m3螺栓三35与下端抓紧板二11连接。

以上端抓紧机构1为例说明上端抓紧机构1、下端抓紧机构5的固定和连接方式，如图6所示，气动肌肉安装板一37一端通过m6螺栓四36与上端抓紧板一8连接，另一端通过螺纹与气动肌肉五38、气动肌肉六39连接。

基于气动肌肉仿人爬杆机器人控制系统工作原理，如图7所示，气动三联体45的出气口连接保压罐46的进气口，保压罐46的出气口连接开关阀44进气阀的进气口，开关阀44进气阀的出气口分别连接气动肌肉一7、气动肌肉二10、气动肌肉三12、气动肌肉四17、气动肌肉五38、气动肌肉六39、气动肌肉七51、气动肌肉八52的进气口，开关阀44出气阀的出气口一起连接消声罐43的进气口、消声罐43的出气口连接消声器42，plc41的输入接口分别与行程开关一47、行程开关二48、行程开关三49、行程开关四50相连，plc41的输出接口与开关阀44的输入接口相连，plc41与计算机40相连，行程开关一47、行程开关二48、行程开关三49、行程开关四50分别安装在下端抓紧板11、支撑板26、上端抓紧板9、下端抓紧板11上。

本发明的工作过程如下：

在爬升过程中，将气动三联体45的进气口连接气源，气体通过气动三联体45的出气口进入保压罐46，打开计算机34和gxdeveloper编写的控制程序，把gxdeveloper编写的控制程序下载到plc41，然后打开vc++编写的控制程序，点击上升按钮，一开始plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉五38、气动肌肉六39充气，气动肌肉五38、气动肌肉六39拉伸，夹紧被爬杆2，行程开关三49输出开关量给plc41输入接口；首先plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉一7、气动肌肉二10充气，气动肌肉一7、气动肌肉二10收缩，实现系统的第一次整体爬升，行程开关一47输出开关量给plc41输入接口；接着plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉七51、气动肌肉八52充气，气动肌肉七51、气动肌肉八52拉伸，夹紧被爬杆2，行程开关四50输出开关量给plc41输入接口；然后plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉五38、气动肌肉六39放气，气动肌肉五38、气动肌肉六39恢复到初始不充气的状态，行程开关三49输出开关量给plc41输入接口；再然后plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉三12、气动肌肉四17，气动肌肉三12、气动肌肉四17收缩，实现多杆伸缩机构4的提升，行程开关二48输出开关量给plc41输入接口；最后plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉五38、气动肌肉六39充气，气动肌肉五38、气动肌肉六39拉伸，夹紧被爬杆2，行程开关三49输出开关量给plc41输入接口；plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉七51、气动肌肉八52充气，气动肌肉七51、气动肌肉八52收缩，恢复到初始不充气的状态，行程开关四50输出开关量给plc41输入接口；如此循环。

在下降过程中，将气动三联体45的进气口连接气源，气体通过气动三联体45的出气口进入保压罐46，打开计算机34和gxdeveloper编写的控制程序，把gxdeveloper编写的控制程序下载到plc41，然后打开vc++编写的控制程序，点击下降按钮，一开始plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉七51、气动肌肉八52充气，气动肌肉七51、气动肌肉八52收缩，系统依靠自身的重力下降，行程开关四50输出开关量给plc41输入接口；首先plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉五38、气动肌肉六39充气，气动肌肉五38、气动肌肉六39拉伸，夹紧被爬杆2，行程开关三49输出开关量给plc41输入接口；接着plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉七51、气动肌肉八52放气，气动肌肉七51、气动肌肉八52收缩，恢复到初始不充气的状态，行程开关四50输出开关量给plc41输入接口，然后plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉三12、气动肌肉四17，气动肌肉三12、气动肌肉四17收缩，实现多杆伸缩机构4的下降，行程开关二48输出开关量给plc41输入接口；再然后plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉五38、气动肌肉六39充气，气动肌肉五38、气动肌肉六39拉伸，夹紧被爬杆2，行程开关三49输出开关量给plc41输入接口；最后plc41输出的开关量控制开关阀44给气动肌肉五38、气动肌肉六39放气，气动肌肉五38、气动肌肉六39恢复到初始不充气的状态，行程开关三49输出开关量给plc41输入接口；如此循环。

所述的杆可替换为绳、电缆、天然气管道、路灯杆、桥拉索等细长类物件。

本发明，通过控制各模拟人体肌肉的气动肌肉，实现仿人爬杆机器人的控制，可以动态形象的模拟人爬杆的动作，本发明拥有其他气动肌肉仿人爬杆机器人无法比拟的优势。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式中的一种，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。