用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构及运动规划方法技术

本发明专利技术提供一种用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构及运动规划方法，机器人结构包括夹持机构、升降机构、转向机构和行走机构；升降机构包括第一丝杆螺母机构；行走机构包括第二丝杆螺母机构，第二丝杆螺母机构的两端分别连接两个升降机构，升降机构的螺母连接夹持机构；转向机构包括法兰联轴器和转向电机及其安装板，转向机构连接行走机构和中间两个机械手。夹持机构包括齿轮齿条机构和末端手爪，通过齿轮齿条机构实现机械手的开合。根据实际的管道布局情况，采用不同立体交叉管道攀爬机器人运动规划方法，可实现不同场合的攀爬机器人操控，并用于相应的作业任务中。

【技术实现步骤摘要】
用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构及运动规划方法
本专利技术涉及机器人
，具体涉及一种用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构及运动规划方法。
技术介绍
随着科学技术的发展和人民生活水平的提高，机器人因为其能代替人类完成任务并且具有一些人类所不具备的特性，所以在许多行业都有着重要的作用。在一些特殊场合和极端环境下，机器人便可以代替人们完成特殊任务，比如拆弹机器人、巡航机器人以及攀爬机器人等。在高层建筑发生火灾等特殊情况时，为了能保障人们的生命安全，可以考虑使用管道攀爬机器人通过屋外管道到达现场，运送一些应急物资如食物、药品或逃生绳索等。
技术实现思路
本专利技术提供一种用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构及运动规划方法，可在建筑物外的落水管外壁上攀爬行走，具备一定的负载能力。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，包括夹持机构、升降机构、转向机构和行走机构；所述升降机构包括第一丝杆螺母机构；所述行走机构包括第二丝杆螺母机构，第二丝杆螺母机构的两端分别连接两个升降机构，升降机构的螺母连接夹持机构；所述转向机构包括两个伸缩机构、两个夹持机构和转向电机，转向电机的输出端连接法兰联轴器，法兰联轴器的端面固定于行走机构的螺母，两个伸缩机构分别固定于转向电机的两侧，转向电机带动两个夹持机构转动，两个夹持机构分别连接两个伸缩机构的螺母。进一步的，所述夹持机构包括夹持机构电机、电机安装板、齿轮、两个齿条、两个安装板和机械手；夹持机构电机安装在电机安装板上，其输出轴穿过电机安装板，通过联轴器连接齿轮的轴；两个齿条对称分布在齿轮两侧，在齿轮的带动下同步反向运动；两个安装板分别连接两个齿条；所述机械手分为两部分，分别安装在安装板上；电机安装板连接升降机构的螺母。进一步的，所述安装板上下安装有两个三角块，形成V型结构，两个安装板及四个三角块构成所述机械手。进一步的，所述安装板上设有腰型孔，两个安装板上的同一水平面的三角块与腰型孔螺栓螺母连接，通过调节其在腰型孔中的位置可让夹持机构适应不同管径的工作环境。进一步的，所述齿轮和齿条的外侧设有保护壳，所述电机安装板和保护壳之间连接有两个支架连接并固定，保证夹持机构在运动时不会发生翻转。进一步的，所述升降机构还包括升降机构安装板，第一丝杆螺母机构的基座安装于升降机构安装板的一侧，升降机构安装板的另一侧设有导向杆基座和导向杆，导向杆穿过夹持机构的电机安装板，保证升降机构动作时机械手不会翻转。进一步的，所述第一丝杆螺母机构的行程超过落水管外径的两倍，以满足在立体交叉管道上转向的要求。基于上述机器人的运动规划方法，机器人在竖直管道攀爬时，首尾两个机械手先夹紧落水管，中间两个机械手松开，行走机构的螺母停在靠近尾端的一侧，此时行走机构的电机转动，将螺母抬升，螺母在靠近首端的一侧停下，停下后中间两个机械手夹紧落水管，首尾两个机械手松开，行走机构的电机反转，螺母固定，将其他部分抬升，尾端靠近螺母时停止运动，至此完成一个攀爬的过程，如此往复即可实现连续的攀爬运动。进一步的，机器人在攀爬平面交叉管道时，如果是经过交叉点后直行，则在中间的两个机械手的间隙对准管道交叉点的时候将行走机构的丝杆电机停下，保证中间机械手在抓紧管道时不会与管道发生干涉；机器人在经过交叉点后直行的过程中，首端机械手先行通过管道交叉点，之后中间的两个机械手和尾端的机械手依次通过管道交叉点；每个机械手经过管道交叉点时都需要将末端的机械手抬升上去，以免被另一根管道挡住行进路线。进一步的，机器人在攀爬立体交叉管道时，当中间机械手到达管道交叉点处并夹紧时，首尾两个机械手松开并抬升，之后转向机构电机转动，将机器人除中间两个机械手之外的其他部分相对旋转一定角度，当行走机构与另一根管道平行时转向机构电机停转；此时首尾机械手和管道不在同一平面，首尾升降机构的电机继续运动使首尾机械手到达另一根管道所在的位置，之后首尾机械手抓紧管道，中间两个机械手松开，中间两个升降机构同步动作将机械手抬升离开原先管道所在平面，使中间两个机械手完成复位；之后中间两个升降机构同步动作，带动中间两个机械手到达另一根管道所在的位置并抓紧管道；至此就完成了在立体交叉管道交叉点处转向的动作，之后中间机械手和尾端机械手再依次通过交叉点，此过程中机械手通过管道交叉点时也要抬升以免接触管道影响运动。有益效果：落水管立体交叉管道攀爬机器人，能代替人类完成指定任务并且具有一些人类所不具备的特性。在高层建筑发生火灾等特殊情况时，人们无法正常进入受灾房屋，可以考虑利用攀爬机器人通过屋外落水管接近现场，通过携带的摄像头，为消防人员提供可靠的信息，作出科学营救决策；同时可以携带一些紧急救援物资，如包扎带、药物等，以帮助受灾人员进行医护急救；另外还可以携带用于逃生的绳索，以帮助受困人员脱离危险区域，通过逃生绳索达到下面安全楼层区域。除此之外，立体交叉管道攀爬机器人还可以用于管道的检修作业、管道异物清除作业等场合，代替人在恶劣环境下完成指定作业，大大降低了劳动强度和作业风险。结合实际的管道布局情况，提出立体交叉管道攀爬机器人运动规划方法，可实现不同场合的攀爬机器人操控，并用于相应的作业任务中。该立体交叉管道攀爬机器人对于机器人行业的发展起到了一定的推动作用，一定程度上推动了现代化建设，其在高空救援、管路运输、管道检测领域有着重要的意义。附图说明图1是管道攀爬机器人总体结构示意图；1为行走机构，2为夹持机构，3为升降机构，4为转向机构，5为电池盒和控制柜；图2是夹持机构示意图；2.1为夹持机构电机，2.2为电机安装板，2.3为定向支架，2.4为齿轮，2.5为齿条，2.6为保护壳，2.7为三角块，2.8为安装板；图3是升降机构示意图；3.1为升降机构安装板，3.2为升降机构电机，3.3为第一丝杆螺母机构的丝杆基座，3.4为第一丝杆螺母机构的丝杆，3.5为第一丝杆螺母机构的螺母，3.6为导向杆基座，3.7为导向杆；图4是行走机构示意图；1.1为前板，1.2为导向杆，1.3为中间板，1.4为第二丝杆螺母机构的丝杆，1.5为后板，1.6为行走机构电机；图5是攀爬步态示意图，其中(a)攀爬竖直管道，(b)直行通过平面交叉管道，(c)平面交叉管道转向，(d)立体交叉管道转向。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。1攀爬机器人结构设计1.1总体结构综合分析建筑物外落水管的布置情况，所设计的立体交叉管道攀爬机器人总体结构由四部分组成，即：夹持机构2、升降机构3、转向机构4和行走机构1，如图1所示为该攀爬机器人总体结构示意图。夹持机构就是图上的机械手，每个机械手都通过四块三角形的块和管道接触，每侧的两个三角形块安装在同一块板上，安装板的另一端和齿条固定在一起，跟随齿条一起运动。两个齿条对称分布在齿轮两侧，齿轮所在的轴通过联轴器与电机的输出轴相连。通过齿轮的正反转实现手爪的开合，从而使机械手夹紧或松开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，包括夹持机构、升降机构、转向机构和行走机构；所述升降机构包括第一丝杆螺母机构；所述行走机构包括第二丝杆螺母机构，第二丝杆螺母机构的两端分别连接两个升降机构，升降机构的螺母连接夹持机构；所述转向机构包括两个伸缩机构、两个夹持机构和转向电机，转向电机的输出端连接法兰联轴器，法兰联轴器的端面固定于行走机构的螺母，两个伸缩机构分别固定于转向电机的两侧，转向电机带动两个夹持机构转动，两个夹持机构分别连接两个伸缩机构的螺母。/n

【技术特征摘要】
1.用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，包括夹持机构、升降机构、转向机构和行走机构；所述升降机构包括第一丝杆螺母机构；所述行走机构包括第二丝杆螺母机构，第二丝杆螺母机构的两端分别连接两个升降机构，升降机构的螺母连接夹持机构；所述转向机构包括两个伸缩机构、两个夹持机构和转向电机，转向电机的输出端连接法兰联轴器，法兰联轴器的端面固定于行走机构的螺母，两个伸缩机构分别固定于转向电机的两侧，转向电机带动两个夹持机构转动，两个夹持机构分别连接两个伸缩机构的螺母。


2.根据权利要求1所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述夹持机构包括夹持机构电机、电机安装板、齿轮、两个齿条、两个安装板和机械手；夹持机构电机安装在电机安装板上，其输出轴穿过电机安装板，通过联轴器连接齿轮的轴；两个齿条对称分布在齿轮两侧，在齿轮的带动下同步反向运动；两个安装板分别连接两个齿条；所述机械手分为两部分，分别安装在安装板上；电机安装板连接升降机构的螺母。


3.根据权利要求2所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述安装板上下安装有两个三角块，形成V型结构，两个安装板及四个三角块构成所述机械手。


4.根据权利要求3所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述安装板上设有腰型孔，两个安装板上的同一水平面的三角块与腰型孔螺栓螺母连接，通过调节其在腰型孔中的位置可让夹持机构适应不同管径的工作环境。


5.根据权利要求2所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述齿轮和齿条的外侧设有保护壳，所述电机安装板和保护壳之间连接有两个支架连接并固定，保证夹持机构在运动时不会发生翻转。


6.根据权利要求2所述的用于落水管立体交叉管道攀爬机器人结构，其特征在于，所述升降机构还包括升降机构安装板，第一丝杆螺母机构的基座安装于升降机构安装板的一侧，升降机构安装板的另一侧设有导向杆基座和导向杆，导向杆穿过夹持机构的电机安装板，保证升降机构动作时机械手不会翻...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴国，陆金霞，胡晓彤，骆杨，
申请(专利权)人：南通大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32