一種氣動軟體爬杆機器人的製作方法
2023-05-25 15:28:47 1
本發明涉及一種爬杆機器人，特別是一種氣動軟體爬杆機器人。
背景技術：
現在的電線桿、路燈或拉索等高杆類建築，長年累月的處在沒有保護的空氣中，受到來自各種方面的腐蝕和汙染。如果採用人工對這些高杆類建築進行檢測和維護是十分麻煩的，而且可能達不到預期效果。因此，可以代替人力的爬杆機器人，得到廣泛研究和應用。
然而，傳統爬杆機器人都是基於硬質或剛性材料的剛性運動副連接，例如上海交通大學研製的用於拉索檢測維護工業機器人，雖然其負載能力很強，能很好地完成大橋拉索的檢測、塗裝、維護等功能，其技術方案公布在專利號為99252056.8的中國實用新型專利文件中。
上述傳統爬杆機器人均存在著如下技術問題：
1.靈活性低，對於未知環境適應能力低，不能任意改變尺寸和大小，在特定環境中應用時需要提供障礙物形狀尺寸等先驗環境信息。另外，大多採用凸輪機構夾緊，由於凸輪機構的不可伸縮性，一個爬行器只能爬行特定直徑的等直徑的杆件。這個給實際應用帶來了很大的約束，頻繁的重新設計和更換設備其設計成本和維護成本較高。
2.只能實現單一的管內或是管外爬升，處在不同的外部環境時必須重新設計和製造，浪費了大量的人力、物力、財力。
3.高杆類建築，由於生產、加工或後期使用等原因，在日後的使用中產生了形變或是彎曲，具有一定的彎曲度。上述傳統剛性爬杆機器人無法實現彎管的攀爬。
4.對於專利99252056.8來講，拉索檢測維護機器人的爬升裝置結構外形較大；整機採用有纜供電，其連接電纜的長度必須大於機器人所爬升的大橋拉索的長度，高空作業時受風力影響較明顯。另外，該機器人沒有設計相關的下降裝置，當作業過程中出現意外情況時，是採用連接在機器人上的鋼絲繩，從幾十甚至幾百米的高空用人力拖拽回收機器人。
5.傳統剛性爬杆機器人自身重量較大，且夾緊機構是滾輪，在意外故障斷電情況下在重力下自行下降，在落地時往往速度過大，很容易造成機器人整個損壞。
6.在爬升的過程中，目前要實現變直徑杆的爬行則只能依靠氣動蠕行式爬行器來解決，運行相對緩慢，摩擦力過大情況下難以進行爬升。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，而提供一種氣動軟體爬杆機器人，該氣動軟體爬杆機器人採用軟體材料構建，結構簡單，具有很強的環境適應能力，能適用於杆狀物管內或管外的爬升，另外，還能攀爬一定程度的彎管。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是：
一種氣動軟體爬杆機器人，包括軟體機器人本體、電磁夾緊裝置、驅動控制系統和遙控設備。
軟體機器人本體為設置有開口的環形，具有兩個開口端面，且軟體機器人本體的截面為圓形。
軟體機器人本體的中心環線處設置有中心容納空腔，位於中心容納空腔外側的軟體機器人本體上均勻設置有若干個密閉氣腔，每個密閉氣腔內均設置有一根氣管。
軟體機器人本體具有三個材料層，若干個密閉氣腔所在的材料層為中間層，位於中間層外側的材料層為變形層，位於中間層內側的材料層為約束層；變形層、中間層和約束層的剛度逐漸遞增。
電磁夾緊裝置包括電磁鐵a和電磁鐵b，電磁鐵a和電磁鐵b分別設置在軟體機器人本體的兩個開口端面上。
驅動控制系統設置在中心容納空腔內，驅動控制系統包括充氣控制閥、氣泵、微型控制器和便攜電源；充氣控制閥的一端與密閉氣腔內的每根氣管相連接，充氣控制閥的另一端與氣泵相連接；氣泵和便攜電源分別與微型控制器相連接；便攜電源用於向電磁鐵a和電磁鐵b供電。
遙控設備通過無線通訊組件與驅動控制系統中的微型控制器實現無線連接。
每根氣管沿長度方向均勻布置有若干個氣孔。
變形層、中間層和約束層的剛度通過填充不同硬度顆粒的方法進行調節實現。
相鄰兩個密閉氣腔之間的中間層形成一塊肋板，每塊肋板內均嵌入有布狀織物結構，所有布狀織物結構均沿軟體機器人本體的截面圓的徑向布置。
變形層的外部塗覆有防刺破保護層。
每個密閉氣腔的形狀均為圓形、扇形、弧形、半圓形或扇形中的一種。
中心容納空腔的截面為圓形，每個密閉氣腔的形狀均為扇形。
驅動控制系統還包括驅動系統控制板，充氣控制閥、氣泵、微型控制器和便攜電源均設置在驅動系統控制板上。
本發明採用上述結構後，具有如下有益效果：
(1)整個機器人都採用軟體材料構成，一方面從根本上克服了剛性材料大而笨重的缺點，採用無纜式驅動，無需連接很長笨重的電纜。另一方面克服了傳統剛性材料靈活度欠缺的局限性。本申請的軟體爬杆機器人具有充分的柔順性、適應性或無限自由度，對壓力有很小的阻抗，能通過柔順變形的方式與障礙物相容，從而具有前所未有的適應性，靈敏度和敏捷性，能夠完全彎曲或者高曲率扭曲，能在有限的空間內靈活使用，能更好的適應環境。
具體表現形式為：
a.能夠翻越多種障礙，如具有些崎嶇不平的管面、比較狹窄的空間、以及表面帶螺旋線或壓凹坑的拉索。
b.能夠攀爬一定程度的彎管，而以往的剛性爬杆機器人只能在直杆上爬行。
(2)能夠通過自身變形產生動力進行運動，和傳統的硬性材料爬杆機器人相比可以擁有大量的自由度。軟體機器人是由可承受大應變的軟體材料組成，具有分布式連續變形能力，在非結構化環境中應用前景廣泛。它可以通過不同構型，使末端執行器到達三維工作空間的任意一點。
(3)軟體爬杆機器人能通過柔順變形的方式與障礙物相容，因而能夠大幅度降低接觸力，從而使軟體機器人方便搬運柔軟或易碎的物品。採用適當的方式操縱對象改變形狀來適應環境，適應凹凸不平的表面。
(4)在實際使用過程中，能適應多種直徑的杆，通過簡單的更換電磁夾緊裝置即可以實現管內和管外爬升的靈活切換，無需重新設計、製造。
(5)反向充氣即可以實現機器人的下降回收工作，無需在結束後從幾十米或是幾百米高中人力拉回。
(6)另外，在自身重力作用下能自行下降，在下落過程中時滑落運動，摩擦力較大，落地速度可以得到控制。當在出現故障斷電的情況下可以在重力作用下，自行下降回收。而且由於機器人自身由軟體彈性材料可塑性和空腔結構設計，在落地時對整個機器人內部裝置形成一定緩衝和保護作用。
(7)整個機器人的設計很簡單，工作原理簡明易懂，在實際應用中可以做到原料價格低廉，製作工藝簡單易實現。
(8)通過對密閉氣腔充氣即可實現爬升，這是一種清潔低價易於實現的驅動方式，並且在使用過後不會對環境造成任何損害。另外，採用氣動滾動式爬升，摩擦力對整個機構爬升影響會小得多。
(9)在高空作業過程中，由於機器人本身圓環流線型設計，受風力影響較小，夾緊裝置的存在也可以風力等外界因素影響變得微乎其微。通過自身控制可以實現爬升和下降，
總之，本發明採用能夠實現沿著杆狀物的爬升操作，突破了以往軟體機器人只進行仿生運動的局限，開創了一種全新的運動機制。並且交替式對軟管充氣進行爬升這種爬升原理也是一種很好的開拓。
附圖說明
圖1顯示了本發明一種氣動軟體爬杆機器人的立體結構示意圖。
圖2顯示了軟體機器人本體在密閉氣腔未充氣變形前的截面圖。
圖3顯示了軟體機器人本體在其中一個密閉氣腔充氣後變形時的截面圖。
圖4顯示了將軟體機器人本體拉伸成圓柱體後，沿圓柱體中軸線的剖面視圖。
圖5顯示了遙控設備的結構框圖。
圖6顯示了本發明一種氣動軟體爬杆機器人在爬杆管外爬升的示意圖。
圖7顯示了本發明一種氣動軟體爬杆機器人在爬杆管內爬升的示意圖。
圖8顯示了軟體機器人本體中三個材料層的結構示意圖。
圖9顯示了密閉氣腔的不同形狀示意圖。
圖10顯示了單個密閉氣腔充氣後的力學平面分析圖。
其中有：
1.軟體機器人本體；
11.中心容納空腔；12.變形層；13.中間層；14.約束層；15.密閉氣腔；16.氣管；161.氣孔；
21.電磁鐵a；22.電磁鐵b；
31.驅動系統控制板；32.充氣控制閥；33.氣泵；34.微型控制器；35.便攜電源；
4.遙控設備；41.無線通訊組件；42.能源管理器；43.交換器；44.微處理器；
5.爬杆。
具體實施方式
下面結合附圖和具體較佳實施方式對本發明作進一步詳細的說明。
如圖1所示，一種氣動軟體爬杆機器人，包括軟體機器人本體1、電磁夾緊裝置、驅動控制系統和遙控設備4。
軟體機器人本體1為設置有開口的環形，具有兩個開口端面，且軟體機器人本體的截面為如圖2所示的圓形。
當將環形的軟體機器人本體拉直後，軟體機器人本體呈圓柱體結構。
軟體機器人本體1的軟矽膠或橡膠等，優選為三元乙丙橡膠。
軟體機器人本體的中心環線處設置有中心容納空腔11，中心容納空腔的截面優選呈圓形。
位於中心容納空腔外側的軟體機器人本體上均勻設置有若干個密閉氣腔15。
上述中心容納空腔11和若干個密閉氣腔15均沿軟體機器人本體的長度方向設置。
密閉氣腔15的截面形狀如圖9所示，可以為9-1所示的圓形，也可以為9-2所示的弧形，或9-3所示的半圓形，或9-4所示的扇形等。
密閉氣腔15的數量可以為3個、4個、5個或多個，具體根據需要進行設置。
本發明中，密閉氣腔15均優選設計為如圖1或圖2所示的扇形，且密閉氣腔的數量優選為5個。由於密閉氣腔密閉，當密閉氣腔充氣後，能產生膨脹變形，扇形結構可以使形變發生得更加明顯，與爬杆或拉索等表面之間能形成更強烈擠壓。
每個密閉氣腔內均設置有一根軟性材料製成的氣管16，每根氣管沿長度方向均勻布置有若干個氣孔。這樣，能使每個密閉氣腔內的充放氣速度更快，充放氣更為均勻，爬杆機器人爬升更為平穩。
如圖8所示，軟體機器人本體具有三個材料層，若干個密閉氣腔所在的材料層為中間層13，位於中間層外側的材料層為變形層12，位於中間層內側的材料層為約束層14。
變形層、中間層和約束層的剛度逐漸遞增。變形層、中間層和約束層的剛度優選通過填充不同硬度顆粒的方法進行調節實現。
也即，當每個密閉氣腔呈扇形時，扇形密閉氣腔的外弧面為變形層的一部分，扇形密閉氣腔的內弧面為約束層的一部分，扇形密閉氣腔的兩條側邊則為中間層的一部分。
相鄰兩個密閉氣腔之間的中間層形成一塊肋板，每塊肋板內均優選嵌入有布狀織物結構，所有布狀織物結構均沿軟體機器人本體的截面圓的徑向布置。
當給密閉氣腔充氣後，密閉氣腔充壓膨脹，上述變形層受密閉氣腔內壓力的影響最大，率先產生如圖3所示的較大形變，從而能與爬杆或拉索等表面擠壓，提供爬杆機器人的攀爬力。
上述中間層由於應用中等剛度的軟體材料，起到支撐上述變形層的作用，上述肋板中布狀織物結構的設置，使中間層只能受壓變形，不能受拉力伸長，有利於提高爬杆機器人的整體穩定性，滿足柔順越障功能。
上述約束層由於應用具有較大剛度的軟體材料(但非剛性材料)，從而能夠支撐驅動控制系統，基本不受密閉氣腔內壓力影響，不產生變形。
此外，由於上述約束層的存在，使得只有與爬杆或拉索等相接觸的變形層產生變形，而不是整個變形層膨脹變形，導致不能驅動爬杆機器人爬升的現象。
當只對其中一個密閉氣腔充氣，單個密閉氣腔產生如圖10所示的膨脹變形，對爬杆或拉索等管壁表面形成擠壓。假設對管壁的擠壓力為f，與管壁之間的夾角為α，同時管壁會給機器人反作用力n。n＝fsinα(沿著管壁和機器人接觸面的公法線方向向右)，設原接觸點為p，變形後延伸到p′，p′到圓心o的垂直距離為l，即作用力n對機器人的力臂為l，轉動力矩m＝fsinα*l(逆時針方向)。此力矩是機器人產生逆時針轉動的驅動力。
管壁與機器人的接觸面都不是光滑的，在夾緊力的作用下，管壁會產生摩擦力f阻止機器人發生自轉，我們假設擠壓變形後的半徑不變，那麼只有當f大於管壁和機器人之間的靜摩擦力時，才能實現滾動式爬升，假設其動摩擦影響忽略不計情況下，爬升力矩約等於m。
假設p′到圓心o的水平距離為r，那麼可以寫成轉動力矩為
當充入氣體的壓強變時候，相應部分曲率也變大，即膨脹變形更大。也就是pp′之間的距離變大，力臂l變大。由上式可知，r不變，我們假設爬升時作用力f不變時，轉動力矩m變大。
進一步，變形層的外部塗覆有防刺破保護層，該防刺破保護層優選為具有自我修復功能的聚氨酯塗層。防刺破保護層的作用是保護機器人在向上爬升過程中，不會被管道外顆粒或是凸起等硬物刺破。
電磁夾緊裝置包括電磁鐵a21和電磁鐵b22，電磁鐵a和電磁鐵b分別設置在軟體機器人本體的兩個開口端面上。
驅動控制系統設置在中心容納空腔內。
驅動控制系統包括充氣控制閥32、氣泵33、微型控制器34和便攜電源35。微型控制器34優選採用基於atmega1280的arduinomega微控制器。
充氣控制閥的一端與密閉氣腔內的每根氣管相連接，充氣控制閥能對所有密閉氣腔的充放氣狀態進行控制。
充氣控制閥的另一端與氣泵相連接；氣泵和便攜電源分別與微型控制器相連接。
便攜電源用於向電磁鐵a和電磁鐵b供電。
進一步，驅動控制系統還優選包括驅動系統控制板，充氣控制閥、氣泵、微型控制器和便攜電源均設置在驅動系統控制板上。
機器人本身材料具有一定彈性，使用電磁夾緊裝置，通過導線組和驅動系統控制板上的便攜電源連接，導線組優選由ab組成，通過微型控制器控制實現通過導線a正向通電，那麼兩對應極板上極性相同，同性相斥提供如圖7所示的管內爬升的擴張力。當一端通過導線a正向通電，另一端通過導線b反向通電，則兩極板極性相反，異性相吸提供夾緊力適用於如圖6所示的管外爬升。
另外，當機器人出現故障斷電後，可以在重力的作用下自行下降，由於本身即為軟體材料，可以實現安全回收。夾緊力或是擴張力用了防止機器人在爬升力矩的作用下原地打滑空轉。
遙控設備優選包括無線通訊組件41、能源管理器42、交換器43、以及微處理器44。
遙控設備中的微處理器44通過無線通訊組件與驅動控制系統中的微型控制器實現無線連接。無線通訊組優選為藍牙或無線信號等，實現在地面對整個機器人進行控制和數據處理。
能源管理器42和交換器作用，能源管理器42用來調節對各個密閉氣腔內的充氣量。交換器用於控制充氣管道。
微處理器也優選採用基於atmega1280的arduinomega微控制器。
遙控設備是一個開放的平臺，能夠用來操縱和控制氣泵充氣時間和充氣量，以及對對應序號的氣管充氣，包括斷開和閉合充氣控制閥的時間，對電磁夾緊裝置正向或反向通電。經過微處理器的處理，遙控設備可以手動控制，也可以通過自動控制，通過對各個密閉氣腔中充氣順序和充氣時間的設定，實現整個爬杆機器人的爬升。
本發明爬杆機器人爬升工作原理：密閉氣腔通過氣管連於驅動控制系統，通過氣管對相應位置的密閉氣腔進行充氣，由於本身為軟體材料，隨著密閉氣腔內部氣體壓強變大，對應部分的變形層會產生膨脹形變，與管壁形成擠壓，機器人與管壁之間擠壓的作用力為機器人爬升提供動力，充入氣體壓強越大，相應的作用力越大，那麼爬升效果越明顯。對密閉氣腔依次進行充氣，並循環反覆，從而實現攀爬動作。如需進行向下運動可進行對相應空腔順序反向充氣即可。
以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明並不限於上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思範圍內，可以對本發明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬於本發明的保護範圍。