一種基于仿生蠕動原理的氣動爬桿機器人的制作方法
本發明涉及機器人技術，尤其涉及一種基于仿生蠕動原理的氣動爬桿機器人，適用于清潔服務機器人領域。
背景技術：
現代生活中廣告牌、大型路燈、大橋斜拉鋼索、電線桿等大量涌現。這些基礎設施壁面多數采用玻璃鋼、鍍層金屬、油漆等材料，在室外的環境下長時間的積累會形成灰塵層，還會對設施本身形成腐蝕。因此，需要對這些設施經常進行維護。因此，急需設計一款能夠爬桿且能搭載操作機構的機械結構，使該機構作為一種可搭載執行機構的平臺，代替人在高空中作業，從而將人從這種危險的工作中解放出來，同時還可以大大提高作業的效率，降低成本，創造良好的經濟效益。
中國專利(cn105688378a)公開的一種氣動爬桿機器人。該機器人由水平夾緊氣缸、匯流板及電磁閥組件、加強支架、聯接塊、后頂桿、側桿、前頂桿、垂直氣缸、支架組成。水平夾緊氣缸前端牢固地安裝在支架上,其活塞的前端通過聯接塊與后頂桿相連,后頂桿的兩端有銷子插在側桿的中間,在水平夾緊氣缸的帶動下,后頂桿可前后移動。前頂桿通過螺釘或銷釘與側桿聯接,其一端可方便地拆卸,以把機器人要爬的桿件包攬入內。加強支架通過螺釘與上下四根側桿、匯流板及電磁閥組件、支架緊固地聯接起來,構成了機器人的整體結構。在應用時,在水平氣缸的作用下,夾具可沿水平導桿夾緊或松開前后頂桿中間的桿件。當上部的水平夾緊氣缸夾緊中間的桿件時,垂直氣缸收縮,帶動機器人下部上移然后在下底板上的水平夾緊氣缸伸出,夾具夾緊中間的桿件,機器人上部的水平夾緊氣缸收縮松開桿件,豎直氣缸伸出,使機器人上部上移,一個機器人上行地完整循環結束。
技術實現要素：
本發明的目的是為了提供一種基于仿生蠕動原理的氣動爬桿機器人。
本發明的目的是這樣實現的：包括底座、設置在底座端部的主體支架，所述主體支架的一側設置有鋼軌、另一側設置有爬升驅動氣缸支座，爬升驅動氣缸支座中安裝有爬升驅動氣缸，在鋼軌上安裝有復合滑車和下滑車，且復合滑車位于下滑車上方，下滑車和復合滑車上分別安裝有一手爪支撐架，每個手爪支撐架鉸接有兩個手指且兩個手指對稱設置在手爪支撐架的左右兩端，每個手指包括設置在手爪支撐架上下兩個端面的手指片，每個手指的兩個手指片之間設置有橡膠摩擦滾輪，每個手爪支撐架上的兩個手指之間設置有手爪驅動氣缸，所述爬升驅動氣缸的輸出端通過魚眼軸承與復合滑車連接，所述主體支架的上下兩端還分別設置有一定滑輪座，每個定滑輪座上安裝有兩個定滑輪，四個定滑輪上設置有由鋼絲繩和減震彈簧組成的閉合繩索結構，鋼絲繩穿過復合滑車和下滑車并分別與復合滑車和下滑車固連。
本發明還包括這樣一些結構特征：
1.所述復合滑車是由前滑片、后滑片和兩個側滑片組成的方向結構，在后滑片內表面設置有與鋼軌配合的移動滑塊，前滑片上設置有滾動滑塊，滾動滑塊包括主體板、設置在主體板兩端的軸、安裝在軸上端軸承，且軸承與主體支架的側表面接觸。
2.所述手爪驅動氣缸的缸筒端和活塞桿端均與手指鉸接。
3.每個手指的兩個手指片之間設置有兩個橡膠摩擦滾輪。
與現有技術相比，本發明的有益效果是：(1)本發明的機器人的蠕動式爬升原理的靈感來源于對尺蠖運動運動的研究，爬升過程非常穩定；(2)本發明針對爬升機構設計了閉環滑輪機構，非常富有創新性，使得能夠充分利用機器人豎直方向的高度，大大提高了機器人爬升的速度；(3)本發明的夾持機構和爬升機構均采用氣缸驅動，且驅動源與執行機構之間沒有傳動機構，大大提高了機械傳動效率，從而降低了機器人工作所需的氣壓；(4)本發明的機器人的結構設計簡單緊湊，大大減少了機器人的質量，同時也減少了機器人加工制作的工作量。
本發明所設計的一種穩定可靠的爬桿機器人與國內外相關技術不同，它基于仿生蠕動原理，爬行方式的設計借鑒自然界中一種昆蟲尺蠖的肢體機構,能夠實現立式桿體的爬行運動,搭載不同的執行機構，完成檢測、清洗、維護等作業。
附圖說明
圖1是本發明的基于仿生蠕動原理的氣動爬桿機器人三維圖；
圖2是本發明的基于仿生蠕動原理的氣動爬桿機器人左視圖；
圖3是本發明的基于仿生蠕動原理的氣動爬桿機器人主視圖；
圖4a是本發明的基于仿生蠕動原理的氣動爬桿機器人中的復合滑車結構圖，圖4b是滾動滑塊的結構示意圖；
圖5是本發明的基于仿生蠕動原理的氣動爬桿機器人工作過程圖。
具體實施方式
下面結合附圖與具體實施方式對本發明作進一步詳細描述。
本發明的目的是設計一種基于仿生蠕動原理的氣動爬桿機器人，具體說是能攀爬直徑一定范圍內桿體的機器人。本發明是一種基于仿生蠕動的氣動的爬桿機器人，它仿照尺蠖式蠕動爬行方式，蠕動式爬行其實是一種基于仿生學的設計，也叫尺蠖式蠕動爬行。這種爬行方式的靈感來源于自然界中的一種昆蟲——尺蠖，這種昆蟲的爬行過程如下：軀體伸展，前后爪抓緊地面；后爪松開，軀體彎曲收縮至最短；后爪抓緊地面，前爪松開，軀體伸展至最長；前爪抓緊地面，后爪松開，軀體收縮；所以本爬桿機器人蠕動爬升在一個運動周期內的動作如下：軀干處最長狀態，上部爪夾緊；下部爪松開；軀干收縮，直至軀干最短；下部爪夾緊；上部爪松開，軀干伸長至最長；
結合圖1至圖5，本發明的爬桿機器人的動力源是氣缸，氣缸同時也是傳動機構，執行機構是上下兩個手爪。本爬桿機器人主要由底座1、下手爪左手指片2、魚眼軸承3、滑車4、鋼軌5、爬升驅動氣缸i支座6、爬升驅動氣缸7、主體支架8、上手爪左手指片9、上手爪驅動氣缸10、復合滑車11、下手爪右手指片12、橡膠摩擦輪13、下手爪驅動氣缸14、下手爪支撐架15、上手爪右手指片16、橡膠摩擦輪17、魚眼軸承18、上手爪支撐架19、定滑輪座20、爬升驅動氣缸ii支座21、魚眼軸承22、上定滑輪23、鋼絲繩24、減震彈簧25、下定滑輪26等組成。底座1與主體軀干支架8固連成為整體支架，軀干支架8的前側安裝有鋼軌5，另一側安裝有氣缸支座6，氣缸支座6與爬升驅動氣缸7固連。手爪由左右對稱的手爪指片2、12、9、16組成，雙層手爪片間分別有兩個增加摩擦力的橡膠輪13、17，手爪驅動氣缸14、10的尾部用螺栓和軸承與手爪以轉動副連接，手爪驅動氣缸14、10的活塞桿頂端安裝有配套的魚眼軸承3、18，也再用螺栓和軸承將魚眼軸承和手爪片以轉動副連接，兩個手爪片用螺栓和軸承與手爪支架15、19以轉動副連接。整個下手爪用螺栓與滑車4相連。滑車4與鋼軌5是配套成品。上手爪的結構和下手爪一模一樣，用螺栓連接在復合滑車11上。復合滑車11的細節結構見圖4，由前滑片11-1，側滑片11-2，后滑片11-3，移動滑塊11-4和滾動滑塊11-5組成。其中的組件滾動滑塊由深溝球軸承11-5-1、主體11-5-2和軸11-5-3構成。滾動滑塊11-5上的四個深溝球軸承可在主體支架的壁上滑動以減小摩擦力和改善受力情況。復合滑車11與爬升驅動氣缸7用魚眼軸承22連接。；兩個滑車用鋼絲繩24連接形成一個封閉的矩形回路，如圖3所示，上手爪上的復合滑車固接矩形回路的右側，下手爪上的滑車固接在矩形回路的左側。回路上的彈簧25主要用來減震。
工作原理：爬桿機構的工作過程如圖5所示，主要分為以下三個階段：
(i)軀干處于最長狀態，上部爪夾緊；
爬升驅動氣缸處于推程，將軀干推至最大長度。上部爪氣缸為回程，帶動手爪閉合，使摩擦輪緊貼桿壁。此時的下部爪驅動氣缸處于推程，手爪處于張開狀態，與桿分離。
(ii)軀干收縮
爬升驅動氣缸為回程，由于上手爪抓緊在桿壁上，所以氣缸的拉力將使下部爪和機體向上運動到極限位置，同時由于閉合鋼絲繩的作用，上部爪會向相反方向運動(即向下運動)至極限位置。
(iii)下部爪夾緊，上部爪松開，軀干伸長至最長。
下部爪驅動氣缸處于回程，下部爪夾緊。爬升驅動氣缸處于推程，氣缸推動上手爪向上運動到上極限位置。同時在閉合鋼絲繩作用下，下手爪向相反的方向運動(即向下運動)至極限位置。此時爬桿機構的一個運動周期結束，爬升高度為s。
本發明適用的爬桿直徑為
此機器人選用亞德客(airtac)4v100系列電磁閥(夾持機構與爬升機構均選用該型號)，型號為4v110-06b。該雙支點夾鉗式夾持機構的手指回轉處安裝有推力球軸承，目的是減小回轉處的摩擦力，減少磨損。此機器人選用的是上海新甌軸承有限公司生產的fm微型平面軸承，型號為f4—10m。
機器人的操作步驟是機器人在剛通電時，機器人處于初始狀態，兩個手爪驅動氣缸14、10處于推程，使雙爪均處于張開狀態，爬升驅動氣缸7處于回程，軀干處于收縮狀態。操作人員先將機器人置于爬桿的底端，使機器人的雙爪14、10處于適當的位置。再觸發機器人的電路控制開關，機器人按程序設定的順序開始爬桿。主要分為以下三個階段：
(a)軀干處于最長狀態，上部爪夾緊；
具體為爬升驅動氣缸7處于推程，氣缸推桿端部連接的魚眼軸承22帶動復合滑車11沿鋼軌5向上運動，使上部爪向上運動至極限位置。接著上部爪驅動氣缸10回程，與上部爪驅動氣缸推桿連接的魚眼軸承18給上手爪閉合的拉力，上部爪的左右手指片9、16繞處于上部爪支架19上的轉動副轉動，使上部爪摩擦輪17緊貼桿壁。此時的下部爪驅動氣缸14處于推程，與下部爪驅動氣缸推桿連接的魚眼軸承3給下手爪張開的推力，下手爪處于張開狀態，下部爪摩擦輪13與桿分離。
(b)軀干收縮
爬升驅動氣缸7回程，將與爬升驅動氣缸7固聯的機體和下部爪沿鋼軌5上拉至極限位置，同時由于閉合鋼絲繩24的作用，上部爪會向沿鋼軌5相反方向運動至極限位置。
(c)下部爪夾緊，上部爪松開，軀干伸長至最長。
下部爪驅動氣缸14回程，與下部爪驅動氣缸推桿連接的魚眼軸承3給下手爪閉合的拉力，下部爪的左右手指片2、12繞處于下部爪支架15上的轉動副轉動，使下部爪摩擦輪13緊貼桿壁。爬升驅動氣缸7再次變成推程，氣缸推桿端部連接的魚眼軸承22帶動復合滑車11沿鋼軌5上運動，使上部爪向上運動至極限位置。同時在閉合鋼絲繩24的作用下，下手爪向相反的方向運動(即向下運動)至極限位置。此時爬桿機構的一個運動周期結束，行程為爬升氣缸驅動7推程的2倍。
本發明的實施的過程和結果能夠說明此機器人能穩定快速地按設定的程序爬上給定的爬桿，具有一定的攜帶執行機構等負載的能力，在機器人上安裝執行機構、搭載平臺等，完成檢測、清洗、維護等作業。
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