一种钢丝绳捻向攀爬机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种沿钢丝绳捻向攀爬的机器人。

背景技术：

自1956年机器人产业诞生后，经过60多年的发展，机器人已经被广泛应用在装备制造、新材料、生物医药、智慧新能源等高新产业。机器人不仅可以完成日常生活中单调且繁琐的工作，使人类的生活更加简单，而且可以代替人们进入人类触不可及的地方完成人类无法完成的工作，比如狭窄纵深环境、无氧环境、高热环境、极寒环境等。对于纵深环境，我们提出利用纵深环境中的钢丝绳或者在纵深环境中布置一根钢丝绳，在钢丝绳上布置多个爬绳机器人来完成相关监测、维修等工作。一般用于纵深环境中的钢丝绳都是丝→股→绳的结构，根据钢丝绳捻制结构不同主要分为圆形股钢丝绳、三角股钢丝绳、多层股不旋转钢丝绳、密封半密封钢丝绳和扁绳，不同的钢丝绳结构具有不同的优缺点，其中，圆股钢丝绳是由多根多股钢丝绳围绕一根纤维芯或钢丝绳芯捻制而成的钢丝束，圆形股钢丝绳因为制造简单、价格低的特点被广泛用于各种纵深环境的提升钢丝绳，例如电梯提升钢丝绳和矿井井筒罐笼提升钢丝绳，我们选择常用于提升钢丝绳的直径40mm线接触西鲁型金属绳芯左交互捻钢丝绳。爬绳机器人是一种在钢丝绳上运动的机器人，机器人可以根据需要，搭载不同的传感器，对钢丝绳的表面和周围的环境进行监测。机器人可以自由进行移动，对于检测到的轻微损伤及已出现损伤的位置设置常驻节点进行全天候的监测，例如，对于井筒内壁裂纹的位置和斜拉索桥桥梁变形处等外部环境可以设置常驻节点进行全天性监测。

申请号cn201510381205.3公开了一种沿钢丝绳轴向攀爬的机器人，该机器人攀爬所需要的转矩较高，与钢丝绳表面接触应力集中，且运行速度不稳定，易打滑，对机器人轮体表面的损伤较大。

技术实现要素：

本发明需要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种沿钢丝绳捻向攀爬的机器人，能够解决机器人沿轴向运动时存在的运动不稳定、轮体表面磨损严重等问题以及满足特殊工作环境的要求。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种钢丝绳捻向攀爬机器人，包括若干可沿钢丝绳上下移动的模块，所述模块包含外壳，外壳内设置有六个攀爬装置，分为上下两组，每组的三个攀爬装置等分于外壳内一周，所述攀爬装置包括张紧支架，张紧支架为c形结构，张紧支架外侧具有电机，张紧支架内安装有沿钢丝滚动的滚轮，滚轮外缘一周设有胶皮，电机带动滚轮转动，所述张紧支架的背侧具有轴，靠近轴的外壳上开设有孔，外壳内壁于孔位置安装有直线轴承，张紧支架的轴贯穿直线轴承和孔，位于外壳外的轴上安装有限位防松螺母，所述张紧支架的背侧与外壳内壁之间还设置有弹簧。

作为进一步的优选方案，所述外壳的横截面为六边形结构，外壳的一个侧面为侧盖板，外壳的上端具有上搭载平台，下端具有下搭载平台。

作为进一步的优选方案，所述电机的动力输出端具有电机d型轴，所述滚轮安装在电机d型轴上，所述张紧支架上具有轴承，电机d型轴的末端限位于轴承内；所述轴承与滚轮之间设置有套筒，d型轴贯穿套筒设置。

作为进一步的优选方案，所述张紧支架外侧设置有电机固定支架，所述电机固定于电机固定支架内；所述电机位置安装有减速器。

作为进一步的优选方案，所述外壳内侧还设置有电源模块以及通信控制装置。

作为进一步的优选方案，上下相邻的两个模块之间可固定连接。

与现有技术相比，本发明的一种钢丝绳捻向攀爬机器人，具有以下优点：

（1）机器人沿着股在钢丝绳中捻制的螺旋线方向进行运动，所需的驱动力更小。

（2）机器人的驱动机构为多个独立动力的滚轮，滚轮结构相对于蠕动式和履带式移动方式具有更高的运动效率和运动速度。

（3）机器人的轮子外表面为圆弧，圆弧的直径为钢丝绳股的直径，机器人的滚轮与钢丝绳接触面积大且应力分布均匀、运动稳定；机器人滚轮与钢丝绳之间的正压力由弹簧的弹力和滚轮的吸力提供，摩擦力更大，可靠性更强。

（4）机器人可以根据所需提供的动力由多个相同模块串联组成，多个模块串联可以提供不同的动力，模块也可单独进行工作。使用范围广，承载力强。

（5）机器人控制电路按照本质安全型爆炸性气体环境用电气设备进行设计，能够满足煤矿防爆要求，不仅可实现对矿井井筒环境的监测，还可以应用于所有纵深环境工作场合，实现对周围环境进行实时监测。

（6）张紧机构由弹簧张紧，具有沿轴向的自由度，使得机器人具有一定的缓冲越障能力和抗干扰能力。

（7）机器人的滚轮结构和搭载平台可以根据需要进行更换，增大了机器人对钢丝绳直径的适用范围和对环境的监测范围，具有普适性和多功能性。

（8）电控装置能够实时计算机器人在井筒中的坐标，有利于工作人员对损伤位置进行定位以及机器人失效后的位置进行定位。

（9）机器人的pid调速模块可以实时调节机器人的运行速度，满足不同工况下所需的不同巡检速度的要求。

（10）机器人模块间依靠安装搭载平台时的螺栓孔进行螺栓连接，安装方便，可靠性强。

附图说明

图1为本发明每个模块的结构示意图；

图2为模块内部结构示意图；

图3为模块剖视图；

图4为张紧结构半剖视图；

图5为本发明机器人轴测图

图6为本发明中多个模块协同作业图；

图7为本发明电控装置控制原理示意图。

图中，1、钢丝绳；2、上搭载平台；3、下搭载平台；4、固定螺栓；5、外壳；6、直线轴承；7、张紧支架；8、限位防松螺母；9、侧盖板；10、减速器；11、电机固定支架；12、电机；13、滚轮；14、胶皮；15、轴承；16、电机d型轴；17、弹簧；18、电源模块；19、通信控制装置；20、套筒。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

如图1和5所示，本发明的钢丝绳捻向攀爬机器人包含多个模块，钢丝绳1由多股钢丝螺旋捻制而成，模块的数量根据需要搭载负载的重量确定。每个模块包括防爆外壳、张紧机构、驱动机构、滚轮机构、电源模块和通信控制装置。模块间依靠安装搭载平台时的螺栓孔进行螺栓连接，根据负载的重量设置不同的模块个数，每个模块独立供能，模块的速度由p1d控制器进行控制。所述防爆外壳包括上搭载平台2、下搭载平台3、外壳5、和侧盖板9。上搭载平台2和下搭载平台3对称设置在外壳5两端，外壳5与上搭载平台2、下搭载平台3、侧盖板9均通过螺栓4连接。

如图2和3所示，每个张紧支架上均固定有一个驱动机构和一个滚轮机构，每个模块包含六个张紧支架7，分为上下两组，每组包含3个，间隔120°均匀布置在钢丝绳的周围。所述驱动机构包括减速器10、电机12和电机固定支架11。电机d形输出轴16穿过滚轮13，与滚轮过渡配合，电机12的动力通过减速器10减速后传输到滚轮上。所述滚轮机构包括滚轮13、胶皮14、轴承15、电机d型轴16。胶皮14包裹在滚轮13上，滚轮13为磁铁材质，对钢丝绳具有一定吸附力。滚轮13与电机d形输出轴过渡配合。

如图4所示，所述张紧机构包括限位防松螺母8，直线轴承6、张紧支架7和弹簧17。弹簧17套在张紧支架7的轴上，一侧与张紧支架7的表面接触，一侧与外壳5接触，张紧支架7的轴穿过固定在外壳5上的直线轴承6并可以沿轴线方向移动。

如图6所示，所述机器人的通信控制装置包含一个位于机器人外壳内侧的通讯模块，通讯模块接收相应的指令可以与gps定位模块通信从而确定机器人所在的位置，可以与pid控制器通信控制机器人的运动速度。还可以接收传感器的信号并传输回远程控制终端，电压转换模块将电池的电压转换成不同的电压为机器人的不同模块供电。

如图7所示，所述机器人在纵深环境中布置的钢丝绳上工作。根据巡检监测任务的需求，在钢丝绳上布置有m个机器人，每个机器人有n个模块组成，每个机器人负责一定区域的的监测工作形成一个监测节点，节点按照一定的策略精心布置，使得监测网络覆盖整个纵深环境，对于较容易发生损坏或已经发生损坏的位置设置常驻节点，并且节点之间的工作可以相互替代。机器人工作的纵深环境被无线网络覆盖，机器人的运动位置由自带gps模块进行定位由通信模块发送和接收，通过无线网络与地面控制中心通信，机器人的部署在地面控制中心完成。机器人的传感器信号同样由通信模块发送和接收，通过无线网络与地面控制中心通信，地面控制中心对传感器信号进行处理和分析得出被检测物体的工作状态。

电源模块包括锂离子电池和多路电压转换模块。

本发明钢丝绳捻向攀爬机器人的使用方法：

第一步，安装阶段。首先确定好组成机器人的模块数量，根据钢丝绳1股的直径确定滚轮外表面圆弧曲面的直径并选择好需要搭载的传感器，并将传感器和摄像头固定在机器人的搭载平台上，按要求完成电路的连接。将所有张紧支架上的限位防松螺母8收紧使得张紧支架沿轴的方向向外伸出，使滚轮机构靠近机器人的外壳5，打开机器人侧盖板9，将机器人沿着外壳5缺口方向套进钢丝绳上，安装机器人侧盖板9并松开机器人的限位防松螺母8，使滚轮结构在弹簧17作用下压紧钢丝绳1，旋紧张紧机构的限位螺母调节张紧结构的预紧力。

第二步，调试阶段。连接电源模块18和通信控制模块19和驱动机构，测试传感器和摄像头是否正常工作，测试机器人在钢丝绳上正常上爬、悬停、下行，保证机器人滚轮在运行中不会脱离钢丝绳绳股，在测试机器人能够正常上爬下行后安装机器人搭载平台。

第三步，正式运行阶段。地面控制中心发送启动及行走命令，由通信控制模块19接收并控制机器人按照设定的速度进行攀爬，在地面控制中心查看各个传感器传输回来的数据。通信控制模块19可以检测电源模块的剩余电量，根据其在井筒中的坐标判断在该位置剩余电量能否保证机器人返回到初始安装位置，如果不能，控制器则会向地面控制中心发出警报，若接收到地面控制中心回程命令，机器人则返回初始安装位置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。