本發(fā)明涉及機器人領域，尤其是一種爬桿機器人。

背景技術：

爬升機器人是機器人大家族中的一員,爬升機器人因為需要克服重力的作用而可靠地依附于爬升表面上并自主移動,完成特定條件下的作業(yè),區(qū)別于平面移動機器人,故爬升機器人是機器人領域的一個重要研究分支,通常來說,這類機器人大多采用多足來進行移動或是使用腹部的摩擦表層來左右扭動前進。更主要的是,平常的機器人,因為體積或行動方式的影響,不能到一些特殊的地方進行工作,比如說管道,壁面等等特種用途的領域。

目前,國內外提出的一些依附于桿體表面的自動爬行機構主要有電動機械式爬桿機器人、電動液壓式爬桿機器人和氣動蠕行式爬桿機器人等。電動機械式爬行器是由電動機帶動鏈輪、帶輪、齒輪驅動夾緊桿體的前后輪向同一方向轉動,依靠行走輪與桿體的摩擦力使爬升器沿桿體上升下降。螺旋運動爬升機器人的爬行動作是由輪子的安裝位置決定的,輪子滾動方向與水平面成一定角度,這樣輪子轉動時它在桿體上形成的是螺旋軌跡,沿此軌跡通過電動機的正反轉該機構便可實現上升和下降運動。電動機械式爬桿機器人和螺旋線運動爬桿機器人都是以電動機帶動滾輪壓緊桿體,依靠此摩擦力帶動整個機器人沿桿體上升和下降。如果工作阻力和重力大于摩擦力就不能安全運作,且機器人總體機構較復雜。氣動蠕行式爬桿機器人用氣缸驅動機構實現交替夾緊和移動,其向上爬行時氣缸動作一個周期的過程為下部汽缸夾緊,上部汽缸松開,提升汽缸活塞桿伸出,上部上升；上部汽缸夾緊,下部汽缸松開,提升氣缸體上升,下部上升。如此反復,機器人就可以連續(xù)爬行。對于氣動蠕行式爬桿機器人,其上升和下降運動的實現由氣壓控制,需要氣源和氣動控制系統(tǒng),因此其設備成本較高。

技術實現要素：

發(fā)明目的：為解決上述技術問題，提供一種成本較低，易于控制的爬升機器人，本發(fā)明提出一種爬桿機器人。

技術方案：本發(fā)明提出的技術方案為：一種爬桿機器人，包括：左、右夾緊單元、滾珠絲杠3、步進電機12和至少一個主動輪6；

左、右夾緊單元均包括平行設置的上、下固定板1、2和垂直于上、下固定板1、2板面的主支撐軸4；主支撐軸4兩端分別與上、下固定板1、2的中后端相連，并分別與上、下固定板1、2形成轉動副結構；左、右夾緊單元的主支撐軸4之間通過夾板7固定連接；滾珠絲杠3的一端與左夾緊單元或右夾緊單元中的下固定板2后端固定，滾珠絲杠3上的滑塊16與另一夾緊單元中的下固定板2后端相連；滾珠絲杠3由步進電機12驅動，通過滑塊16帶動左、右夾緊單元夾緊或松開；

每個主動輪6配備有一個直流電機15；直流電機15固定在夾板7上，其輸出端與對應的主動輪6相連，主動輪6的外輪圈與桿表面相接觸；主動輪6在直流電機15的驅動下沿桿的高度方向爬升。

進一步的，所述左、右夾緊單元各包括一根垂直于上、下固定板1、2板面的副支撐軸11，副支撐軸11的兩端分別與對應夾緊單元中上、下固定板1、2的前端固定連接。

進一步的，所述爬桿機器人還包括4個從動輪10，4個從動輪10分別設置在左、右夾緊單元中上、下固定板1、2的前端，各從動輪10的外輪圈均與桿表面相接觸；每個從動輪分別配備有一個直流電機15；各從動輪10在對應直流電機15驅動下沿桿的高度方向做直線運動。

進一步的，所述爬桿機器人還包括單片機STM32和六軸運動傳感器MPU6050；單片機STM32中自帶的電流檢測芯片采集步進電機12和直流電機15的輸出電流；六軸運動傳感器MPU6050獲取所述機器人的姿態(tài)數據并發(fā)送給單片機STM32；單片機STM32根據步進電機12和直流電機15的輸出電流以及機器人的姿態(tài)數據生成控制指令并發(fā)送給各電機，各電機根據控制指令調整對應輪的轉速。

有益效果：與現有爬升機器人相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)勢：

本發(fā)明可作沿桿軸線方向的直線運動，可以用來清洗、噴涂或安裝桿上部件。該爬桿機器人由人工手動安裝在桿底部，其操作結構和方法要直觀易于理解，且操作簡單安裝方便。結構簡單有利于制造和降低制造成本。同時本發(fā)明適用于不同尺寸桿，只需改動機器人尺寸即可。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的主視圖；

圖2為實施例的左視圖；

圖3為實施例的俯視圖；

圖中：1、上固定板，2、下固定板，3、滾珠絲杠，4、主支撐軸，5、車輪軸，6、主動輪，7、夾板，8、車輪座，9、從動輪套，10、從動輪，11、副支撐軸，12、步進電機，13、直流電機支座，14、主動輪軸，15、直流電機，16、滑塊。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1至圖3所示為本發(fā)明的一個實施例結構圖，包括：左、右夾緊單元、滾珠絲杠3、步進電機12、兩個主動輪6和4個從動輪10；

左、右夾緊單元均包括平行設置的上、下固定板1、2，上、下固定板1、2間設有主支撐軸4和副支撐軸11；主支撐軸4兩端分別與上、下固定板1、2的中后端相連，并分別與上、下固定板1、2形成轉動副結構；副支撐軸11兩端分別與上、下固定板1、2的前端固定連接；左、右夾緊單元的主支撐軸4之間通過兩層夾板7固定連接；滾珠絲杠3的一端與左夾緊單元或右夾緊單元中的下固定板2后端固定，滾珠絲杠3上的滑塊16與另一夾緊單元中的下固定板2后端相連；滾珠絲杠3由步進電機12驅動，通過滑塊16帶動左、右夾緊單元夾緊或松開；

每層夾板7上通過直流電機支座12固定有直流電機15，直流電機15的輸出端接有主動輪軸14，主動輪軸14上接有主動輪6；主動輪6的外輪圈與桿表面相接觸，在直流電機15的驅動下沿桿的高度方向爬升。

4個從動輪10分別通過一個倒U形車輪座8設置在左、右夾緊單元中上、下固定板1、2的前端，車輪座8頂部與左、右夾緊單元中上、下固定板1、2分別形成轉動副，轉動軸為車輪座8頂部與上、下固定板1、2的連接軸，從動輪10與主動輪6一起將桿抱緊；車輪座8兩臂之間設有車輪軸5，從動輪10通過從動輪套9套設在車輪軸5上；各從動輪10的外輪圈均與桿表面相接觸；每個從動輪分別配備有一個直流電機15；各從動輪10在對應直流電機15驅動下沿桿的高度方向做直線運動。

本實施例所述的機器人通過單片機STM32和六軸運動傳感器MPU6050控制；其控制包括兩個方面：

(1)夾緊狀態(tài)判斷

由于采用了滾珠絲杠3推動下固定板2末端實現左、右夾緊單元夾緊的方式，夾緊力的大小由滾珠絲杠3所連接的步進電機12決定。因為通過步進電機12的電流與電機所受的扭矩有關，所以通過測量滾珠絲杠3所連接的步進電機12的電流大小，可以來判斷機器人的夾緊狀態(tài)。通過STM32自帶電流檢測芯片獲取步進電機12的電流大小，通過ADC轉換模塊將電流檢測芯片采集的電流信號轉換為電壓信號，通過設定閾值，來調節(jié)絲杠夾緊力的大小。

(2)姿態(tài)調節(jié)

機器人向上爬行時需要為其提供驅動力，驅動力的大小受到夾緊力和直流電機15扭矩兩方面影響。當機器人在上行時，由于加工誤差、重心分布不均、輪胎側向力等原因，會發(fā)生傾覆。當傾覆角度過大時，機器人單個輪胎會脫離管道，導致無法繼續(xù)爬行，嚴重時還會導致機器人掉落。因此我們增加了六軸運動傳感器MPU6050來進行姿態(tài)解算。姿態(tài)調節(jié)具體過程如下：

MPU6050以數字輸出6軸或9軸的旋轉矩陣、四元數、歐拉角格式的融合演算數據。具有131LSBs/°/sec敏感度與全格感測范圍為±250、±500、±1000與±2000°/sec的3軸角速度感測器(陀螺儀)以及可編程式控制、且控制范圍為±2g、±4g、±8g和±16g的3軸加速器。移除加速器與陀螺儀軸間敏感度，降低設定給予的影響與感測器的飄移。數字運動處理引擎可減少復雜的融合演算數據、感測器同步化、姿勢感應等的負荷。為了方便使用，我們直接通過MPU6050自帶的DMP中獲取數據融合得到的四元數進行姿態(tài)解算。四元數是由實數加上三個虛數單位i、j、k組成，而且它們有如下的關系：i^2＝j^2＝k^2＝-1，i^0＝j^0＝k^0＝1,每個四元數都是1、i、j和k的線性組合，即是四元數一般可表示為a+bk+cj+di，其中a、b、c、d是實數。對于i、j、k本身的幾何意義可以理解為一種旋轉，其中i旋轉代表X軸與Y軸相交平面中X軸正向向Y軸正向的旋轉，j旋轉代表Z軸與X軸相交平面中Z軸正向向X軸正向的旋轉，k旋轉代表Y軸與Z軸相交平面中Y軸正向向Z軸正向的旋轉，-i、-j、-k分別代表i、j、k旋轉的反向旋轉。因此，當我們得到四元數后，可以很方便的求解機器人的空間姿態(tài)。具體公式如下：

pitch＝asin(-2*q₁*q₃+2*q₀*q₂)*57.3；

roll＝atan(2*q₂*q₃+2*q₀*q₁,-2*q₁*q₁-2*q₂*q₂+1)*57.3；

yaw＝atan(2*(q₁*q₂+q₀*q₃),q₀*q₀+q₁*q₁-q₂*q₂-q₃*q₃)*57.3；

其中，q₀、q₁、q₂、q₃分別為通過MPU6050自帶的DMP中獲取數據融合得到的四元數，我們主要關注的為pitch軸角度與roll軸角度。得到角度數據之后，各電機的轉速分別通過PID算法得出，由于積分項在調節(jié)時會影響調節(jié)速度，故此處僅用到PD控制：SPEED＝GSPEED+KPp*Pitch+KDp*pagv+KPr*Roll+KDr*ragv其中，GSPEED為爬行速度設定值，KPp為pitch軸的比例系數，Pitch為pitch軸角度；KDp為pitch軸的微分系數，pagv為pitch軸角速度；KPr為roll軸的比例系數，Roll為roll軸角度；KDr為roll軸的微分系數，roll為roll軸角速度。通過上述計算，得到各輪轉速，調節(jié)PD的參數大小，最終得到穩(wěn)定爬行時的參數值。

單片機STM32根據步進電機12和直流電機15的輸出電流以及機器人的姿態(tài)數據生成控制指令并發(fā)送給各電機，各電機根據控制指令調整對應輪的轉速。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。