一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人论文和设计

全文摘要

本实用新型涉及一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，包括多边形支架、安装在多边形支架上的抱爪、输出端与抱爪连接的驱动件、与多边形支架连接的第一气动肌肉；多边形支架包括至少五个首尾依次铰接的连接架；抱爪安装在连接架上，每个连接架上均安装有抱爪，每两个相邻的连接架之间均连接有用于改变多边形支架内角角度的第一气动肌肉，驱动抱爪张合的驱动件安装在抱爪上，相邻连接架上的抱爪依次交替与攀爬物抱合。本攀爬机器人不仅结构简单紧凑而且总体质量、体积小，实现了攀爬机器人攀爬动作的灵活性和连续性，提高攀爬效率，可用于解决爬树、爬杆等难题。

主设计要求

1.一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，其特征在于：包括多边形支架、安装在多边形支架上的抱爪、输出端与抱爪连接的驱动件、与多边形支架连接的第一气动肌肉；多边形支架包括至少五个首尾依次铰接的连接架；抱爪安装在连接架上，每个连接架上均安装有抱爪，每两个相邻的连接架之间均连接有用于改变多边形支架内角角度的第一气动肌肉，驱动抱爪张合的驱动件安装在抱爪上，相邻连接架上的抱爪依次交替与攀爬物抱合。

设计方案

2.按照权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，其特征在于：连接架包括连接板和两块相互平行的侧板；连接板的两端分别与两块侧板固定连接，两块侧板均与连接板垂直，连接架呈H形。

3.按照权利要求2所述的一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，其特征在于：每个连接架上均设有直轴，直轴穿过两块侧板且与连接板平行，直轴位于侧板的中心线上，第一气动肌肉的两端均设有连接销，连接销上固定有尼龙绳，第一气动肌肉的两端通过尼龙绳分别与两个相邻的连接架上的直轴连接，第一气动肌肉位于多边形支架内且尼龙绳与直轴的连接点位于直轴的中心。

4.按照权利要求2所述的一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，其特征在于：连接架上还设有支架组，支架组包括两个对称分布在连接板两端的侧板上的支架；抱爪包括两条圆弧爪；两条圆弧爪分别铰接在两个支架上，圆弧爪的抱合端位于多边形支架的外部。

5.按照权利要求4所述的一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，其特征在于：驱动件包括弹簧、第二气动肌肉、钢丝绳；两块侧板上均设有通槽，其中一条圆弧爪穿过其中一个侧板的通槽与弹簧的一端连接，另一条圆弧爪穿过另一个侧板的通槽与弹簧的另一端连接，第二气动肌肉的两端均通过钢丝绳分别与两条圆弧爪连接，其中一条圆弧爪与其中一个支架形成第一铰接点，其另一条圆弧爪与另一个支架形成第二铰接点，弹簧和第二气动肌肉分居第一铰接点与第二铰接点的连线的两侧。

6.按照权利要求5所述的一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，其特征在于：每个连接架上的支架组、抱爪、驱动件均有两个，两个抱爪以直轴为中心分居连接架的两端。

7.按照权利要求6所述的一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，其特征在于：连接架还包括底板；底板与连接板平行，驱动件位于底板和连接板之间。

8.按照权利要求7所述的一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，其特征在于：底板的两端呈圆弧形，底板上设有V形槽。

9.按照权利要求2所述的一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，其特征在于：连接板上设有若干个通孔。

10.按照权利要求1所述的一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，其特征在于：连接架有五个，五个连接架之间通过圆柱销铰接。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种攀爬机器人，尤其涉及一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人。

背景技术

目前对于人类来说，爬到树上工作是具有较大的危险性。但是在农业生产、园林管理等场合中，依然存在一些必须爬树才能完成的工作，如修剪树枝，采摘果实等。现实生活中，这些工作主要依靠各种爬树工具辅助人爬到树上完成，或者出动大型设备，将人抬举到高处完成。这种工作方式不但非常危险，而且还费时费力。因此，需要设计一种攀爬机器人代替人爬到高处完成各种作业，就可以避免发生的死伤事故，攀爬机器人具有十分重要的实际使用意义。

实用新型内容

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型的目的是：提供一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，该攀爬机器人结构简单、动作灵活，攀爬机器人能代替人类进行爬树、爬杆等危险的作业。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，包括多边形支架、安装在多边形支架上的抱爪、输出端与抱爪连接的驱动件、与多边形支架连接的第一气动肌肉；多边形支架包括至少五个首尾依次铰接的连接架；抱爪安装在连接架上，每个连接架上均安装有抱爪，每两个相邻的连接架之间均连接有用于改变多边形支架内角角度的第一气动肌肉，驱动抱爪张合的驱动件安装在抱爪上，相邻连接架上的抱爪依次交替与攀爬物抱合。多边形结构的攀爬机器人能沿着攀爬物往上攀爬。

进一步的是：连接架包括连接板和两块相互平行的侧板；连接板的两端分别与两块侧板固定连接，两块侧板均与连接板垂直，连接架呈H形，满足安装驱动件和第一气动肌肉的要求。

进一步的是：每个连接架上均设有直轴，直轴穿过两块侧板且与连接板平行，直轴位于侧板的中心线上，第一气动肌肉的两端均设有连接销，连接销上固定有尼龙绳，第一气动肌肉的两端通过尼龙绳分别与两个相邻的连接架上的直轴连接，第一气动肌肉位于多边形支架内且尼龙绳与直轴的连接点位于直轴的中心，第一气动肌肉驱动连接架转动，使得多边形支架的内角改变，最后使得每个连接架上的抱爪依次交替与攀爬物抱合，实现攀爬。

进一步的是：连接架上还设有支架组，支架组包括两个对称分布在连接板两端的侧板上的支架；抱爪包括两条圆弧爪；两条圆弧爪分别铰接在两个支架上，圆弧爪的抱合端位于多边形支架的外部，圆弧爪可以抱紧不同大小的树干、杆等柱状的攀爬物。

进一步的是：驱动件包括弹簧、第二气动肌肉、钢丝绳；两块侧板上均设有通槽，其中一条圆弧爪穿过其中一个侧板的通槽与弹簧的一端连接，另一条圆弧爪穿过另一个侧板的通槽与弹簧的另一端连接，第二气动肌肉的两端均通过钢丝绳分别与两条圆弧爪连接，其中一条圆弧爪与其中一个支架形成第一铰接点，其另一条圆弧爪与另一个支架形成第二铰接点，弹簧和第二气动肌肉分居第一铰接点与第二铰接点的连线的两侧，第二气动肌肉驱动抱爪抱合，第二气动肌肉释放气体时，弹簧可以使抱爪张开。

进一步的是：每个连接架上的支架组、抱爪、驱动件均有两个，两个抱爪以直轴为中心分居连接架的两端，两个抱爪可以增加抱合的力量，使得攀爬更加稳定，同时也不会因为抱爪过多导致整个攀爬机器人的重量过重。

进一步的是：连接架还包括底板；底板与连接板平行，驱动件位于底板和连接板之间，底板将驱动件分隔开，避免攀爬过程中驱动件与攀爬物接触。

进一步的是：底板的两端呈圆弧形，底板上设有V形槽，V形槽可以更好地与树干等攀爬物贴合，底板的两端呈圆弧形使得攀爬更加轻松。

进一步的是：连接板上设有若干个通孔，用于攀爬机器人的电气线路、气体线路的布置。

进一步的是：连接架有五个，五个连接架之间通过圆柱销铰接，控制其中两个第一气动肌肉就可以控制整个攀爬机器人的攀爬运动。

总的说来，本实用新型具有如下优点：

本攀爬机器人是一种新型的攀爬机器人结构设计方案和攀爬动作方案，实现了机器人攀爬动作的连续性。同时由于气动肌肉的柔性，可方便的实现对不同直径树干的抱紧攀爬。本攀爬机器人不仅结构简单紧凑而且总体质量、体积小，实现了攀爬机器人攀爬动作的灵活性和连续性，提高攀爬效率，可用于解决爬树、爬杆等难题。

附图说明

图1是本气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人的结构示意图。

图2是本气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人的主视图。

图3是连接架的结构示意图。

图4至图9是本攀爬机器人的攀爬过程示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式来对本实用新型做进一步详细的说明。

为了便于统一查看说明书附图里面的各个附图标记，现对说明书附图里出现的附图标记统一说明如下：

1为抱爪，2为驱动件，3为第一气动肌肉，4为连接架，5为连接板，6为侧板，7为直轴，8为连接销，9为尼龙绳，10为支架组，11为底板，12为通孔，13为圆柱销，14为第一铰接点，15为第二铰接点，16为通槽，1-1为圆弧爪，2-1为弹簧，2-2为第二气动肌肉，2-3为钢丝绳，10-1为支架。

结合图1、图2、图3所示，一种气动肌肉驱动的多边形结构的攀爬机器人，包括多边形支架、安装在多边形支架上的抱爪、输出端与抱爪连接的驱动件、与多边形支架连接的第一气动肌肉；多边形支架包括至少五个首尾依次铰接的连接架；多边形支架呈一个多边形。本实施例中，采用五个首尾依次铰接的连接架组成的多边形支架，五个连接架之间通过带螺纹的圆柱销铰接，连接架之间的铰接的地方存在间隙，保证转动灵活，五个连接架围成的五边形的内部为多边形支架内部，五个连接架围成的五边形的外部为多边形支架外部。抱爪安装在连接架上，每个连接架上均安装有抱爪，抱爪可以抱紧攀爬物。每两个相邻的连接架之间均连接有用于改变多边形支架内角角度的第一气动肌肉，本实施中有五个第一气动肌肉，即每两个相邻的连接架之间连接有一个第一气动肌肉。第一气动肌肉是通气缩短收缩型的，通入高压气体之后，第一气动肌肉长度缩短，直径增大。气体排出的时候，直径变小，长度增加。通过第一气动肌肉的伸缩使得两个相邻的连接架之间的角度会改变。驱动抱爪张合的驱动件安装在抱爪上，驱动件可以驱动抱爪抱紧或者松开攀爬物。相邻连接架上的抱爪依次交替与攀爬物抱合，多边形支架滚动式沿着攀爬物攀爬，一开始的时候第一个连接架上的抱爪抱着攀爬物；然后第二个连接架转动并靠近攀爬物，等第二个连接架贴合攀爬物的时候，第二个连接架上的抱爪抱着攀爬物的同时第一个连接架上的抱爪松开；紧接着后面的连接架不断继续重复上述过程，实现攀爬。

连接架包括连接板和两块相互平行的侧板；连接板的两端分别与两块侧板固定连接，两块侧板均与连接板垂直，连接架呈H形，连接板将两块侧板之间的空间分割成两部分，其中一部分朝向多边形支架围成的多边形的内部，另一部分朝向多边形支架外部并用于安装驱动件。

每个连接架上均设有直轴，直轴穿过两块侧板且与连接板平行，直轴位于侧板的中心线上且直轴位于在多边形支架内部，第一气动肌肉的两端均设有连接销，连接销上固定有尼龙绳，第一气动肌肉的两端通过尼龙绳分别与两个相邻的连接架上的直轴连接。从主视图上看，五个第一气动肌肉在多边形支架内部形成一个五边形，五条第一气动肌肉均位于多边形支架内部且尼龙绳与直轴的连接点位于直轴的中心，尼龙绳缠绕在直轴的中心，直轴的中心位于两块侧板之间的中间。

连接架上还设有支架组，支架组包括两个对称分布在连接板两端的侧板上的支架；抱爪包括两条圆弧爪；圆弧爪呈圆弧状，可以适应树干直径变化。两条圆弧爪分别铰接在两个支架上，圆弧爪的抱合端位于多边形支架外部，攀爬的时候多边形支架沿着攀爬物滚动，圆弧爪就会抱合爪紧攀爬物。抱爪也可以是其他形状，只要能包裹抱紧攀爬物就可以实现攀爬。

驱动件包括弹簧、第二气动肌肉、钢丝绳；两块侧板上均设有通槽，其中一条圆弧爪穿过其中一个侧板的通槽与弹簧的一端连接，另一条圆弧爪穿过另一个侧板的通槽与弹簧的另一端连接。弹簧的两端分别与一条圆弧爪连接，用弹簧将两条圆弧爪连接起来，抱爪的原始状态是敞开的，即两条圆弧爪处于分开的状态，没有抱紧攀爬物。第二气动肌肉的两端均通过钢丝绳分别与两条圆弧爪连接，其中一条圆弧爪与其中一个支架形成第一铰接点，其另一条圆弧爪与另一个支架形成第二铰接点，弹簧和第二气动肌肉分居第一铰接点与第二铰接点的连线的两侧，圆弧爪绕着支架转动，第二气动肌肉驱动两条圆弧爪抱合，弹簧驱动两条圆弧爪分开。攀爬过程中，两条圆弧爪一开始处于分离状态，然后两条圆弧爪向攀爬物靠近并使攀爬物处于两条圆弧爪之间，接着两条圆弧爪在第二气动肌肉的驱动下抱合抱紧攀爬物。在第二气动肌肉没有通入高压气体自由状态时，弹簧会拉紧两个圆弧爪使抱爪处于张开状态，在第二气动肌肉通入高压气体缩短时，第二气动肌肉拉近抱爪，使抱爪抱紧攀爬物。当第二气动肌肉释放气体的时候，弹簧会复位，在弹簧拉力的作用下，弹簧会拉紧两个圆弧爪使抱爪再次处于张开状态。

每个连接架上的支架组、抱爪、驱动件均有两个，两个抱爪以直轴为中心分居连接架的两端。抱爪的数量越多，抱紧力就会越大，但是相应的结构越复杂，重量越大，本实施例中采用两个抱爪，两个抱爪分别安装在两个支架组上，两个驱动件分别驱动两个抱爪。

控制气体的压力和流量可控制第一气动肌肉或第二气动肌肉的驱动力的大小。

连接架还包括底板；底板与连接板平行，驱动件位于底板和连接板之间，底板和连接板形成一个安装驱动件的空间，底板可以把驱动件分隔开，避免攀爬机器人攀爬的时候驱动件与攀爬物发生接触。

底板的两端呈圆弧形，多边形支架在滚动式攀爬的时候，底板会直接与攀爬物接触。五边形支架滚动过程中，底板的两端呈圆弧形使得连接板交替与攀爬物贴合的时候的过渡更加平稳，可以使滚动的时候更加稳定。底板上设有V形槽，V形槽朝向多边形支架外部，可以增大底板与树干等圆柱形攀爬物的接触面积。连接板上设有若干个通孔，通孔相当于布线孔，这些通孔可以用于攀爬机器人的电气线路、气体线路的布置。

本攀爬机器人主要用于攀爬树干、柱子等圆柱状的攀爬物，抱爪的形状可以根据攀爬物的形状做出相应的改变。只要抱爪能抱合的攀爬物，本攀爬机器人都能适用。本多边形结构的攀爬机器人只要利用五个或者五个以上的连接架就能实现攀爬，每增加一个连接架就多控制一个第一气动肌肉就可以确定多边形支架的运动状态，实现攀爬，例如五个连接架的时候就控制其中两个第一气动肌肉，六个连接架的时候就控制其中三个第一气动肌肉。

结合图4至图9所示，本攀爬机器人的攀爬原理：以五个连接架组成的攀爬机器人为例，五条粗实线a、b、c、d、e分别代表连接架，五条细实线分别代表五个第一气动肌肉，其中x表示其中两个收缩的第一气动肌肉，根据五连接架自由度为二的特征，只要控制两个第一气动肌肉的运动，即控制其中两个连接架，整个多边形支架的运动就会确定。

如图4所示，攀爬机器人从正五边形开始，连接架a上的抱爪抱紧攀爬物，适当控制五条第一气动肌肉内的气体压力，这时，攀爬机器人呈正五边形。

攀爬机器人为了向上攀爬，如图5所示，两条第一气动肌肉x内气体压力增大，长度缩短，其它三条第一气动肌肉内的气体排出。整个攀爬机器人重心将向上移动，连接架b也会向上转动。

如图6所示，当连接架a和e之间以及连接架d和e之间的角度达到合适的大小的时候，连接架b将压紧攀爬物，此时连接架b上的抱爪在第二气动肌肉的驱动下抱紧攀爬物，同时连接架a上的抱爪松开攀爬物，在此图中，连接架a上的抱爪已经省略。这时攀爬机器人已经迈出了第一步。

接着，如图7所示，攀爬机器人为了向上攀爬，需要抬起连接架a，同时需要连接架c向上转动，这时，两条第一气动肌肉x通入高压气体，长度缩短，其它三条第一气动肌肉内的气体排出，释放压力。

如图8所示，当连接架a和b之间的角度以及连接架c和d之间的角度达到合适的大小的时候，连接架a与连接架c同时向上转动。接着，图8中两条第一气动肌肉x通入高压气体，长度缩短，其它三条第一气动肌肉内的气体排出，释放压力。连接架c将上升靠近攀爬物

如图9所示，当连接架a和b之间的角度以及连接架a和e之间的角度达到合适的大小的时候，连接架c压紧攀爬物。连接架c上的抱爪抱紧攀爬物。连接架b的抱爪松开攀爬物，连接架b的抱爪在此图中已经省略。接下来控制图9中的两条第一气动肌肉x，连接架d向上转动。

根据上述步骤以此类推，控制a、b、c、d、e五个连接架依次并循环向上抱紧攀爬物，攀爬机器人将按照这样的动作顺序和规律滚动向前，到达目的地。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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