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一种基于丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置及方法

申请号 CN202410225625.1 申请日 2024-02-29 公开(公告)号 CN117901969A 公开(公告)日 2024-04-19
申请人 中国矿业大学; 发明人 彭玉兴; 韩硕; 常向东; 周公博; 蒋谷硕; 闵付松; 汤裕; 曹国华; 卢昊; 江帆;
摘要 本 发明 公开了一种基于 钢 丝绳 螺旋结构的爬绳 机器人 装置及方法,装置包括多 块 夹紧 螺母 块单元,围合于 钢丝绳 外周,所述夹紧螺母块单元的内壁上具有与所述钢丝绳外壁相同的纹路结构以能够与所述钢丝绳外壁完全贴合;第一 旋转机 构,同轴套接在所述钢丝绳外部且位于所述夹紧螺母块单元的下方,用于将多块所述夹紧块单元与所述钢丝绳之间夹紧或松开;第二旋转机构,同轴套接在所述钢丝绳外部且位于所述夹紧螺母块单元的上方,用于带动多块所述夹紧螺母块单元在钢丝绳上螺旋式爬升或下降。本发明爬绳机器人装置可以在钢丝绳上螺旋式上升、下降,适用于钢丝绳的不同直径、不同放置倾斜 角 度,整体结构轻。为钢丝绳检测提供重要技术 支撑 。
权利要求

1.一种基于丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置,其特征在于,包括:
夹紧螺母块单元,围合于钢丝绳外周,所述夹紧螺母块单元的内壁上具有与所述钢丝绳外壁相同的纹路结构以能够与所述钢丝绳外壁完全贴合;
第一旋转机构,同轴套接在所述钢丝绳外部且位于所述夹紧螺母块单元的下方,用于将多块所述夹紧块单元与所述钢丝绳之间夹紧或松开;
第二旋转机构,同轴套接在所述钢丝绳外部且位于所述夹紧螺母块单元的上方,用于带动多块所述夹紧螺母块单元在钢丝绳上螺旋式爬升或下降。
2.根据权利要求1所述的基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置,其特征在于,所述第一旋转机构包括:
第一从动齿轮,同轴套设于所述钢丝绳外部且位于夹紧螺母块单元的下方,第一从动齿轮的轮盘上对应每个所述夹紧螺母块单元分别设有一个弧形滑槽,每块所述夹紧螺母块单元分别通过一个滑柱滑动连接在所述弧形滑槽中,以适应不同直径的钢丝绳;
第一旋转驱动单元,其驱动轴上通过安装第一主动齿轮与所述第一从动齿轮啮合
所述第二旋转机构包括:
第二从动齿轮,同轴套接于所述钢丝绳外部且位于夹紧螺母块单元的上方,第二从动齿轮的轮盘上对应每个所述夹紧螺母块单元分别设有一个条形滑槽,每块所述夹紧螺母块单元分别通过一个柱形凸起滑动连接在所述条形滑槽中;
第二旋转驱动单元,其驱动轴上通过安装第二主动齿轮与所述第二从动齿轮啮合。
3.根据权利要求2所述的基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置,其特征在于,还包括罩壳,用于将所述夹紧螺母块单元、第一旋转机构以及第二旋转机构包覆,罩壳包括:
下盖板,同轴套接于所述钢丝绳外部且位于所述第一旋转机构下方;
上盖板,同轴套接于所述钢丝绳外部且位于所述第二旋转机构上方;
壳体,其一端与所述下盖板连接,另一端与所述上盖板连接。
4.根据权利要求3所述的基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置,其特征在于,所述上盖板的中心处设有刮油板,所述刮油板的内圈与所述钢丝绳的外壁完全贴合。
5.根据权利要求4所述的基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置,其特征在于,还包括油杯,所述油杯连接在所述刮油板和上盖板之间,机器人装置绕着钢丝绳做螺旋上升的过程中,刮油板刮掉钢丝绳上的油脂,刮掉的油脂掉入油杯中。
6.根据权利要求3所述的基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置,其特征在于,还包括:
第一支架,内侧与所述钢丝绳转动连接,外端与所述壳体固定连接;第一支架包括:
第一套筒,同轴转动套接在所述钢丝绳外部且位于所述第一齿轮下方,第一套筒的外壁上沿第一套筒的周向均匀设置多个第一支撑臂,所述第一支撑臂的末端与所述壳体之间固定连接;
第二支架,内侧与所述钢丝绳转动连接,外端与所述壳体固定连接,第二支架包括:
第二套筒,同轴转动套接在所述钢丝绳外部且位于所述第二齿轮上方,第二套筒的外壁上沿第二套筒的周向均匀设置多个第二支撑臂,所述第二支撑臂的末端与所述壳体之间固定连接。
7.根据权利要求6所述的基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置,其特征在于,所述第一支架的第一支撑臂上开设有沿壳体径向延伸的卡槽,所述滑柱的底部设有卡块,所述卡块与所述卡槽滑动连接。
8.根据权利要求6所述的基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置,其特征在于,所述第一旋转驱动单元为第一伺服电机,第二旋转驱动单元为第二伺服电机
所述第一支架上设有第一电机安装孔,第一电机安装孔上安装所述第一伺服电机;
所述第二支架上设有第二电机安装孔,第二电机安装孔上安装所述第二伺服电机;
所述壳体上固定有电池和直流电机调速器,所述电池为所述第一伺服电机和第二伺服电机供电,所述直流电机调速器与所述第一伺服电机和第二伺服电机电连接。
9.如权利要求1 8中任一所述的基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置的工作方法,~
其特征在于,包括以下步骤:
(a)第一旋转机构带动多块夹紧螺母块单元向内收缩,直至夹紧钢丝绳,夹紧后关闭第一旋转机构停止工作;
(b)此时打开第二旋转机构的开关,第二旋转机构带动多块所述夹紧螺母块单元沿钢丝绳螺旋结构旋转爬升;
(c)爬升结束后,关闭第二旋转机构的开关,然后打开第一旋转机构逆向转动,多块夹紧螺母块单元向外括张到最大处,关闭第一旋转机构,取出钢丝绳。

说明书全文

一种基于丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及爬绳机器人相关领域,具体涉及一种基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人。

背景技术

[0002] 随着科技的发展,社会的进步,近年来,机器人的发展越来越成熟,同时也广泛的应用于我们人类的日常生活之中。机器人不仅可以替代人们完成日常生活中繁琐的工作,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,比如纵深环境、无环境、高低温环境、放射性环境和其他有毒、污染环境下进行工作。在现代的生活中,高空的作业也不断增加。如高楼的喷漆、清洁、救护,大桥的缆索的检查和维护、电系统电缆的检查等等。然后进行攀登作业的时候,工作人员由于没有作业平台,只能攀登在可借助物的架子上作业,要保持平衡难度很大,而且危险度极高,稍微不小心就可能坠落,造成人员伤亡。
[0003] 现有已知用于缆索作业的机器人包括以下几种:履带式:韩国成均馆大学的Kyeong Ho Cho提出了一个多功能履带式电缆检查机
器人,机器人可以沿着悬挂线缆垂直移动并具有越障能力,机器人携带相机等仪器对钢丝绳损伤进行检查,机器人具有安全降落装置,紧急情况下可以保证机器人的检索,同时保证操作员的安全。该履带式电缆检查机器人总体质量达到26.2kg,驱动能量高,不适用于能量获取困难的纵深工作环境。
[0004] 滚轮式:中国计量大学的郑明波设计了一种新型的连续移动电缆机器人结构,这个机器人有六个轮子,由三个达驱动,使得机器人可以移动得更快更稳定,即使在电缆上有障碍物时也是如此,但该滚轮式电缆机器人接触面积小,越障能力差,预紧力调节不好容易打滑,且驱动马达较多,结构复杂。
[0005] 中国矿业大学的王朋辉设计了一个用于超深井筒实时监测的沿钢丝绳轴向攀爬的机器人。机器人安装了6个力发电装置,可以借助井筒内部的风力资源为机器人供能。机器人由两个主动轮提供动能,每个主动轮分担的负载为机器人总负载的一半,另外由于钢丝绳股裸露于空气中,主动滚轮沿钢丝绳轴向攀爬时与钢丝绳的接触面积较小,表面黏附的橡胶受力集中,所以导致主动轮磨损严重,机器人使用寿命低。
[0006] 综上,现有爬绳机器人存在以下技术问题:第一.现有爬绳检测机器人装置重量大,驱动能量高,很难实现长距离的工作。
[0007] 第二.现有爬绳检测机器人装置由多个电机驱动,对控制要求较高。
[0008] 第三.现有爬绳检测机器人装置功能设计多且结构复杂,难以实现零部件的简单化。
[0009] 第四.现有爬绳检测机器人装置缺少适用于不同直径的钢丝绳和钢丝绳不同放置度的爬升。
[0010] 第五.现有爬绳检测机器人装置缺少对钢丝绳表面油脂的处理。

发明内容

[0011] 本发明针对现有技术的不足,提出一种基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人。其可以在钢丝绳上螺旋式上升、下降,并且过程中可以起到刮钢丝绳表面上油脂的作用,亦可适用于钢丝绳的不同直径、不同放置倾斜角度,整体结构轻。为钢丝绳检测提供重要技术支撑
[0012] 为实现上述目的,本发明采用了如下的技术方案:一种基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置,包括:
夹紧螺母块单元,围合于钢丝绳外周,所述夹紧螺母块单元的内壁上具有与
所述钢丝绳外壁相同的纹路结构以能够与所述钢丝绳外壁完全贴合;
第一旋转机构,同轴套接在所述钢丝绳外部且位于所述夹紧螺母块单元的下方,
用于将多块所述夹紧块单元与所述钢丝绳之间夹紧;
第二旋转机构,同轴套接在所述钢丝绳外部且位于所述夹紧螺母块单元的上方,
用于带动多块所述夹紧螺母块单元在钢丝绳上螺旋式爬升或下降。
[0013] 所述第一旋转机构包括:第一从动齿轮,同轴套设于所述钢丝绳外部且位于夹紧螺母块单元的下方,第一
从动齿轮的轮盘上对应每个所述夹紧螺母块单元分别设有一个弧形滑槽,每块所述夹紧螺母块单元分别通过一个滑柱滑动连接在所述弧形滑槽中,以适应不同直径的钢丝绳;
第一旋转驱动单元,其驱动轴上通过安装第一主动齿轮与所述第一从动齿轮啮
合;
所述第二旋转机构包括:
第二从动齿轮,同轴套接于所述钢丝绳外部且位于夹紧螺母块单元的上方,第二
从动齿轮的轮盘上对应每个所述夹紧螺母块单元分别设有一个条形滑槽,每块所述夹紧螺母块单元分别通过一个柱形凸起滑动连接在所述条形滑槽中;
第二旋转驱动单元,其驱动轴上通过安装第二主动齿轮与所述第二从动齿轮啮
合。
[0014] 还包括罩壳,用于将所述夹紧螺母块单元、第一旋转机构以及第二旋转机构包覆,罩壳包括:下盖板,同轴套接于所述钢丝绳外部且位于所述第一旋转机构下方;
上盖板,同轴套接于所述钢丝绳外部且位于所述第二旋转机构上方;
壳体,其一端与所述下盖板连接,另一端与所述上盖板连接。
[0015] 所述上盖板的中心处设有刮油板,所述刮油板的内圈与所述钢丝绳的外壁完全贴合。
[0016] 还包括油杯,所述油杯连接在所述刮油板和上盖板之间,机器人装置绕着钢丝绳做螺旋上升的过程中,刮油板刮掉钢丝绳上的油脂,刮掉的油脂掉入油杯中。
[0017] 还包括:第一支架,内侧与所述钢丝绳转动连接,外端与所述壳体固定连接;第一支架包
括:
第一套筒,同轴转动套接在所述钢丝绳外部且位于所述第一齿轮下方,第一套筒
的外壁上沿第一套筒的周向均匀设置多个第一支撑臂,所述第一支撑臂的末端与所述壳体之间固定连接;
第二支架,内侧与所述钢丝绳转动连接,外端与所述壳体固定连接,第二支架包
括:
第二套筒,同轴转动套接在所述钢丝绳外部且位于所述第二齿轮上方,第二套筒
的外壁上沿第二套筒的周向均匀设置多个第二支撑臂,所述第二支撑臂的末端与所述壳体之间固定连接。
[0018] 所述第一旋转驱动单元为第一伺服电机,第二旋转驱动单元为第二伺服电机;所述第一支架上设有第一电机安装孔,第一电机安装孔上安装所述第一伺服电
机;
所述第二支架上设有第二电机安装孔,第二电机安装孔上安装所述第二伺服电
机;
所述壳体上固定有电池和直流电机调速器,所述电池为所述第一伺服电机和第二
伺服电机供电,所述直流电机调速器与所述第一伺服电机和第二伺服电机电连接。
[0019] 本发明进一步公开了所述基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置的工作方法,包括以下步骤:(a)第一旋转机构带动多块夹紧螺母块单元向内收缩,直至夹紧钢丝绳,夹紧后关闭第一旋转机构停止工作;
(b)此时打开第二旋转机构的开关,第二旋转机构带动多块所述夹紧螺母块单元沿钢丝绳螺旋结构旋转爬升;
(c)爬升结束后,关闭第二旋转机构的开关,然后打开第一旋转机构逆向转动,多块夹紧螺母块单元向外括张到最大处,关闭第一旋转机构,取出钢丝绳。
[0020] 有益效果:第一.本发明装置基于钢丝绳螺旋结构,包括多块夹紧螺母块单元,围合于钢丝绳外周,所述夹紧螺母块单元的内壁上具有与所述钢丝绳外壁相同的纹路结构以能够与所述钢丝绳外壁完全贴合;通过第二旋转机构,同轴套接在所述钢丝绳外部且位于所述夹紧螺母块单元的上方,带动多块所述夹紧螺母块单元在钢丝绳上螺旋式爬升或下降;相比现有爬绳检测机器人来说具有接触面积更大、爬形更加稳定的有益效果,另外,由于机器人和钢丝绳之间是紧密贴合,机器人采用钢丝绳螺旋结构实现螺旋式爬升,因此可以适应不同倾斜角度钢丝绳的检测。
[0021] 第二.本发明设有第一旋转机构,同轴套接在所述钢丝绳外部且位于所述夹紧螺母块单元的下方,用于将多块所述夹紧块单元与所述钢丝绳之间夹紧或松开,因此可以适用于不同直径的钢丝绳。
[0022] 第三.本发明的夹紧装置利用伺服电机实现夹紧螺母块单元夹紧后自
[0023] 第四.本发明在机器顶部设有刮油板,刮油板的内圈与所述钢丝绳的外壁完全贴合,可以在爬形时挂出钢丝绳表面的油脂。附图说明
[0024] 图1为本发明爬绳机器人装置的整体结构示意图;图中:1、钢丝绳;2、刮油板;3、油杯 ;4‑1、上盖板;4‑2、下盖板;5‑1、第二伺服电机;5‑2、第一伺服电机;6‑1、第二主动齿轮;6‑2、第一主动齿轮;7‑1、第一支架;7‑2、第二支架;8、第二从动齿轮;9、第一从动齿轮;10、直流电机调速器;11‑1、第一滑柱;11‑2第二滑柱;12‑1、第一夹紧螺母块单元;12‑2、第二夹紧螺母块单元;13、电池;
图2为本发明爬绳机器人装置的侧视图;
其中,12‑3、第三夹紧螺母块单元;
图3为本发明爬绳机器人装置主视图;
图4为本发明爬绳机器人装置的俯视图;
其中,14、箱体
[0025] 图5为本发明夹紧螺母的结构示意图;图6为本发明刮油板的结构示意图;
图7为本发明第一大齿轮的结构示意图;
其中,9‑1为弧形滑槽;
图8为本发明第二大齿轮的结构示意图;
其中,8‑1为条形滑槽;
图9为本发明第一支架的结构示意图;
图10为本发明滑柱的结构示意图;
图11为本发明第一支架与第一从动齿轮的连接关系示意图。

具体实施方式

[0026] 下面结合具体实施例对本发明做进一步的解释说明。
[0027] 如图1所示,一种基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置,其包括驱动装置、夹紧结构、刮油装置等。
[0028] 基于不同直径的钢丝绳,选择对应的夹紧螺母块单元,多块所述夹紧螺母块单元围合于钢丝绳外周,所述夹紧螺母块单元的内壁上具有与所述钢丝绳外壁相同的纹路结构以能够与所述钢丝绳外壁完全贴合;第一旋转机构,同轴套接在所述钢丝绳外部且位于所述夹紧螺母块单元的下方,
用于将多块所述夹紧块单元与所述钢丝绳之间夹紧;
第二旋转机构,同轴套接在所述钢丝绳外部且位于所述夹紧螺母块单元的上方,
用于带动多块所述夹紧螺母块单元在钢丝绳上螺旋式爬升或下降。
[0029] 所述第一旋转机构包括:第一从动齿轮9,同轴套设于所述钢丝绳外部且位于夹紧螺母块单元的下方,第一从动齿轮9的轮盘上对应每个所述夹紧螺母块单元分别设有一个弧形滑槽,每块所述夹紧螺母块单元分别通过一个滑柱滑动连接在所述弧形滑槽中,以适应不同直径的钢丝绳;
第一伺服电机5‑2,其驱动轴上通过安装第一主动齿轮6‑2与所述第一从动齿轮9啮合
所述第二旋转机构包括:
第二从动齿轮8,同轴套接于所述钢丝绳外部且位于夹紧螺母块单元的上方,第二从动齿轮8的轮盘上对应每个所述夹紧螺母块单元分别设有一个条形滑槽,每块所述夹紧螺母块单元分别通过一个柱形凸起滑动连接在所述条形滑槽中;
第二伺服电机5‑1,其驱动轴上通过安装第二主动齿轮6‑1与所述第二从动齿轮8啮合。
[0030] 第二伺服电机5‑1驱动第二主动齿轮6‑2转动,第二主动齿轮6‑2和第二从动齿轮8啮合,并且带动第二从动齿轮8转动。滑柱一端放置在第二从动齿轮8中的条形槽中,第二从动齿轮8带动整体机器人起到螺旋式爬升的作用。
[0031] 所述夹紧机构包括第一伺服电机5‑2,通过带动第一主动齿轮6‑2转动,第一主动齿轮带动夹紧第一从动齿轮9转动,滑柱下面放置在第二支架7‑2中的卡槽中滑动,并且在第一从动齿轮9上的弧形槽中滑动,滑柱与夹紧螺母块单元连接在一起,实现夹紧螺母来抱紧钢丝绳。
[0032] 在箱体上面放置油杯和刮油板,刮油板2放置在油杯3上,油杯3放置在箱体4‑1上面,机器人绕着钢丝绳做螺旋上升的过程中,刮油板2刮掉钢丝绳上的油脂,刮掉的油脂掉入油杯3中。
[0033] 所述箱体包括上、下两部分,分别是上盖板4‑1、下盖板4‑2和四周未呈现的壳体,装置还包括电池15和电路板10组成。
[0034] 所述滑柱基于不同直径的钢丝绳,下面放置在第二支架7‑2中的卡槽中滑动,并且在第一从动齿轮9上的弧形槽中滑动,第二支架7‑2中的卡槽和第一从动齿轮9上的弧形槽足够长,以适用于不同直径的钢丝绳。
[0035] 所述夹紧螺母块单元有三个,基于不同直径的钢丝绳选择对应尺寸的夹紧螺母块单元,多块夹紧螺母块单元基于钢丝绳螺旋结构特性抱紧钢丝绳。
[0036] 所述第一主动齿轮6‑2和第一伺服电机5‑2通过螺栓固定,第一伺服电机5‑2驱动第一主动齿轮6‑2转动;第一主动齿轮6‑2和第一从动齿轮9啮合在一起。
[0037] 所述第一从动齿轮9转动的同时带动滑柱在第二支架7‑2中的卡槽和第一从动齿轮9上的弧形槽中滑动,此滑动是单向不可逆的,假使产生逆向滑动的话,第一从动齿轮9会带动第一主动齿轮6‑2逆向转动,因为第一伺服电机5‑2的扭矩非常大,所以逆向不会转动。此时滑柱固定住,滑柱和夹紧螺母块单元通过键槽固定在一起,夹紧螺母块单元夹紧钢丝绳,起到夹紧的作用。
[0038] 所述第二主动齿轮6‑2和第二伺服电机5‑1通过螺栓固定,第二伺服电机5‑1驱动第二主动齿轮6‑2转动;第二主动齿轮6‑2和第二从动齿轮8通过齿轮啮合在一起,滑柱上面放置在第二从动齿轮8上的条形槽中,第二主动齿轮6‑2和第二从动齿轮8啮合,起到驱动作用。
[0039] 所述第一支架和第二支架外端分别各由三个螺纹孔通过螺母和壳体固定在一起。
[0040] 所述刮油板2基于不同直径的钢丝绳,选择对应尺寸的刮油板2;刮油板2由两个对称的螺纹孔通过螺母和油杯3固定在一起;油杯3由四个螺纹孔通过螺母和上盖板4‑1固定在一起;在机器人装置爬升的过程中起到刮钢丝绳表面油脂的作用。
[0041] 本发明一种基于钢丝绳螺旋结构的爬绳机器人装置的工作方法,包括以下步骤:a基于不同直径的钢丝绳,选择对应尺寸的夹紧螺母块单元和刮油板2,将滑柱放
置在第二支架7‑2中的卡槽和第一从动齿轮9上的弧形槽最外侧,此时将钢丝绳插入机器人中;
b设置第一伺服电机5‑2运行参数,打开电机开关,驱动第一主动齿轮6‑2转动;
c第一主动齿轮6‑2带动第一从动齿轮8转动,第一从动齿轮8带动滑柱沿着其内部弧形槽滑动,滑柱带动多块夹紧螺母块单元向内收缩,夹紧钢丝绳,夹紧后关闭第一伺服电机5‑2;
d此时打开第二伺服电机5‑1开关,第二伺服电机5‑1驱动第二主动齿轮6‑2转动;
e第二主动齿轮6‑2带动第二从动齿轮9转动,第二从动齿轮9带动滑柱,滑柱通过第二支架7‑2带动机器整体基于钢丝绳螺旋结构旋转爬升;
f爬升结束后,关闭第二伺服电机5‑1,然后设置第一伺服电机5‑2运行参数,打开其电机开关,驱动第一主动齿轮6‑2逆向转动,滑柱向外阔到最大处,关闭电机,取出钢丝绳。
[0042] 对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此,旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0043] 此外,应当理解,虽然本说明书按照实施方式加以描述,但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案,说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见,本领域技术人员应当将说明书作为一个整体,各实例中的技术方案业可以经适当组合,形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。