CN101168252A - 手臂升降式高压输电线路自动巡检机器人 - Google Patents

Abstract

一种高空输电线路自动巡检机器人，包括两对手爪机构、两对手臂机构和机座。手爪机构由滚轮机构、夹紧机构和手腕机构组成，可实现机器人沿输电线的滑行，越障时既可夹紧电线也可夹紧铁塔角钢。手臂机构连接手爪机构和机座，可实现手爪机构相对于机座的升降，并可带动手爪绕铅垂轴转动。机座上的丝杆螺母可使手臂沿机座导轨长度方向进行平行移动。图象采集、控制及驱动元件安装于电器箱内吊挂于导轨下方，通过电器箱沿导轨长度方向的平动可实现机器人整体重心位置的调节。本发明功能强大，动作实现方便，可轻松跨越各类形式塔架，应用范围广，真正实现了在整个线路上的自动巡检。

Description

手臂升降式高压输电线路自动巡检机器人

技术领域

本发明是一种高压输电线路自动巡检机器人装置，属机器人技术领域。

背景技术

目前国内超高压输电线路的巡检维护基本上采用人工目测的传统作业方法，由人在地面沿线逐塔巡视，有时候需要登上铁塔或者乘坐悬挂于线路上的滑车沿线巡检。这种作业方式，劳动强度大、条件艰苦，特别是对于山区及江河区域的输电线路巡检更为困难，并且巡线周期长且成本和危险性均较高，因此采用机器人自动巡检将成为今后的必然发展趋势。为了实现完全自动巡检，机器人除了具有沿线路滑行的功能外，还要能跨越线路上的防震锤、绝缘子、耐张塔等障碍物。另外由于承载高压输电线路的塔架形式多样，要设计出能跨越各类塔架的机器人更加困能，这要求机器人具有多自由度，并且动作灵活。

发明内容

本发明的目的是提供一种通用型输电线巡检机器人，它能够沿着输电线行驶，在无外力帮助下可自行跨越线路上的如防震锤、绝缘子在内的各种障碍物，并可利用其夹持装置，结合各个关节的运动，从耐张塔的一端攀爬至另一端。不需要人工的干预，可大大节省了人力成本，并节省了输电线巡检的时间，提高了效率，保障了输电系统安全可靠的运行

为了达到上述目的，本发明的技术解决方案为：

提供一种高空输电线路自动巡检机器人，包括两对手爪机构12、两对手臂机构7和机座5。手爪机构可实现机器人沿输电线的滑行，越障时既可夹紧电线也可夹紧铁塔角钢。手臂机构连接手爪机构和机座5，可实现手爪机构相对于机座的升降，并可带动手爪绕铅垂轴转动。机座上的丝杆螺母可使手臂沿机座导轨长度方向进行平行移动。图象采集、控制及驱动元件安装于电器箱4内，吊挂于机座导轨下方，通过电器箱沿导轨长度方向的平动可实现机器人整体重心位置的调节。

其中手爪机构由滚轮机构14、夹紧机构13和手腕机构11组成。滚轮悬挂于输电线上，由驱动电机9直接驱动其沿输电线滚动。夹紧机构由丝杆螺母副、齿轮齿条副及齿轮副组成，经电机驱动实现手爪12的松开及夹紧。根据手爪张开角度的不同，配合其结构，既可实现对输电线的夹紧，也可完成对铁塔角钢的夹紧。手腕机构11通过蜗轮蜗杆传动可调整手爪的俯仰角度，改变其空中姿态。

其中手臂机构7中装有丝杆螺母副，螺母相对机座保持固定，当驱动电机带动丝杆转动时，丝杆将沿螺母做轴向移动，丝杆又与手臂机构外壳和手爪机构连接，因此可同时带动手爪机构相对于机座实现升降运动。同时手臂机构下端的蜗箱与机座相连，内有蜗轮蜗杆传动副，驱动电机经蜗杆带动蜗轮转动，蜗轮从而可带动手臂机构外壳和手爪机构绕手臂机构自身垂直轴线转动。

其中机座导轨宽度方向的两侧各有一对丝杆螺母副，两手臂各与一个螺母相连，电机带动丝杆转动，经螺母可实现手臂沿导轨长度方向的平行移动，两手臂可相对移动并错位，结合手臂绕自身垂直轴的转动自由度，可避免两手臂相遇时手爪机构的碰撞。

其中各类电器元件安装于电器箱4内，电器箱吊挂于机座导轨下方，通过丝杆螺母副实现电器箱沿导轨长度方向的平行移动。当机器人越障一只手爪抓紧输电线不动时，以电器箱和另一活动手臂对固定手臂处合力矩最小为条件，决定电器箱沿导轨长度方向上的位置，调节机器人重心位置，最大程度上的减小机器人绕一只手臂垂直轴转动时的扭转力矩。

其中机器人采用绝缘材料制成，部分金属部件外层喷涂绝缘材料。

本发明解决了机器人自动跨越接头、防震锤、悬挂障碍物及各种形式塔架的难题，多种自由度组合，动作灵活，越障方便，作业范围大，爬坡能力强。通过电器箱对机器人重心的调节作用，减小机器人运动扭矩，降低功耗，提高了工作可靠性。整机结构简单，易于加工和装配，并能克服高压输电线路的强电场、磁场干扰。实现了机器人在整条输电线路上巡检的完全自动化，由此不仅可降低工人的工作量，降低高压输电的运行维护成本，还可以提高巡检作业的质量和科学管理技术水平。

附图说明

附图1-5是本发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

参考附图1-5，说明手臂升降式高压输电线路自动巡检机器人结构的实施例如下：

一种手臂升降式高空输电线路自动巡检机器人，包括两套手爪机构(图2)、两套手臂机构7、机座5和电器箱4。手爪机构可实现机器人沿输电线的滑行，越障时既可夹紧电线也可夹紧铁塔角钢。手臂机构7连接手爪机构和机座，可实现手爪机构相对于机座的升降，并可带动手爪绕铅垂轴转动。机座5上的丝杆28螺母27可使手臂沿机座导轨长度方向进行平行移动。图象采集、控制及驱动元件安装于电器箱4内，吊挂于机座导轨下方，通过电器箱沿机座导轨长度方向的平动可实现机器人整体重心位置的调节。

手爪机构(图2)由滚轮机构、夹紧机构和手腕机构组成。滚轮14悬挂于输电线上，由滚轮驱动电机9直接驱动，从而带动机器人本体沿输电线移动。夹紧机构13由丝杆螺母副、齿轮齿条副及齿轮副组成，经夹紧机构驱动电机10驱动丝杆再带动螺母轴向移动，与螺母固联的齿条通过与齿轮的啮合实现手爪12的松开及夹紧。根据手爪张开角度的不同，配合其结构，既可实现对输电线的夹紧，也可完成对铁塔角钢的夹紧。手腕机构11通过蜗轮蜗杆传动，由手腕机构驱动电机8驱动，可调整手爪的俯仰角度，改变其空中姿态。

手臂机构7中装有丝杆螺母副，手臂升降驱动电机驱动手臂升降丝杆转动时，丝杆将沿螺母做轴向移动，同时带动与其相连接的手爪机构，相对于机座实现升降运动。同时手臂机构下端的蜗箱15与机座相连，内有蜗轮蜗杆传动副，驱动电机1经蜗杆蜗轮传动，可带动手爪机构(图2)绕手臂机构7自身垂直轴线转动。

机座导轨5宽度方向的两侧各有一对丝杆28螺母27副，两手臂蜗箱6各与一个蜗箱螺母27相连，电机2带动手臂平移丝杆28转动，经螺母27可实现手臂机构7沿导轨长度方向的平行移动，两手臂可相对移动并错位，结合手臂绕自身垂直轴的转动自由度，可避免两手臂相遇时手爪机构的碰撞。

其中各类电器元件安装于电器箱4内，电器箱经平移螺母29吊挂于机座导轨5下方，通过电机3驱动丝杆30实现电器箱沿导轨长度方向的平行移动。

该机器人的基本工作过程如下：

当机器人在输电线下垂与平缓上行段上行驶时，其姿态如图1所示(电器箱4位于机座5的中间)，手爪12处松开状态，一对悬挂于输电线上的滚轮14在直流伺服电机9的驱动下快速前进或后退。

当电器箱4内的电子水平仪感知到机器人已处在输电线陡坡上升段时，电器箱4内置的计算机会发出切换机器人工作模式的指令，即由滚动行驶改为攀爬前进方式。一只手爪抓紧输电线不动，另一只手的手爪依然处于松开状态，而手腕机构11、手臂7以及手臂平移驱动电机2进行联动控制，以使该手爪沿着输电线前移，与另一与输电线夹紧的手爪靠拢，然后将该手爪夹紧，而将原来夹紧的手爪松开，再通过手腕机构11、手臂7以及手臂平移驱动电机2进行联动控制，以使该手爪沿着输电线前移，与另一与输电线夹紧的手爪的距离不断拉大到最大位置，然后夹紧原来松开的手爪，松开原来夹紧的手爪，完成了一次攀爬。如此周而复始，可使机器人在输电线陡坡上升段上一步一步地前进。图4表示了机器人在攀爬过程中的一个姿态。

当机器人翻越输电线上的防振锤、耐张夹等障碍物时，首先采用上述运动方式使二个手爪尽量靠拢并处于机座后端，然后夹紧其中一只手爪，通过手臂7的升降机构将松开的手爪向上提升，使滚轮14及手爪12脱离输电线，再驱动手臂7的转动机构，使手爪机构转过180度，然后由电机2驱动该手臂沿着机体导轨前移以越过输电线上的防振锤、耐张夹等障碍物，再驱动手臂7的转动机构，使手爪机构转过180度，然后通过手臂7的升降机构将该手爪向下下降，使滚轮14及手爪12重新挂到输电线上，再夹紧该手爪。然后松开另一只手爪，通过手臂7的升降机构将该手爪向上提升，使滚轮14及手爪12脱离输电线，再驱动手臂7的转动机构，使手爪机构转过180度，然后由电机2驱动该手臂沿着机体导轨前移，从而使第二个手臂也越过输电线上的防振锤、耐张夹等障碍物，再驱动手臂7的转动机构，使手爪机构转过180度，然后通过手臂7的升降机构将该手爪向下下降，使滚轮14及手爪12重新挂到输电线上，再夹紧该手爪，完成了一次机器人越障操作。

机器人翻越铁塔时，首先将靠近障碍物的手爪夹紧输电线成为固定端，通过手臂7和电器箱4沿机座导轨的平行移动将机器人重心调节至固定手臂端，然后通过手臂7转动和升降功能的联动控制使机器人的另一手臂朝铁塔下方角铁方向移动，如图5所示。进入新的垂直及高度平面，综合运用机器人各个机构自由度找到新的抓取点并抓紧，此时松开原固定手臂，运用同样原理再次寻找新的抓点，如此反复进行直到越过整个塔架，攀到塔架另一侧的输电线。在塔架翻越过程中，有电器箱内的双向电子水平仪以及各驱动电机驱动电流的实时检测与闭环控制----以电器箱4、机座5和另一活动手臂7对固定手臂处合力矩最小为条件，决定电器箱沿导轨长度方向上的位置，调节机器人重心位置位于手爪的夹紧平面内，防止机器人绕一只手臂垂直轴转动时发生侧翻，最大程度上减小扭转力矩降低功耗。

同一条输电线路上可能有各种不同结构类型的铁塔，但它们处于该线路的前后次序是已知的，因而可以通过机器人示教学习的方式，将翻越各种不同结构类型的铁塔的机器人操作规程存放在计算机中，机器人在该条输电线路上巡检时，只需通过铁塔计数的方式，逐个调用存放在计算机中的相应的机器人操作规程进行操作，在操作过程中只要根据传感器实测信息进行微调。

Claims (6)

1.一种高空输电线路自动巡检机器人，包括两套手爪机构、两套手臂机构和机座。手爪机构由滚轮机构、夹紧机构和手腕机构组成，可实现机器人沿输电线的滑行，越障时既可夹紧电线也可夹紧铁塔角钢。手臂机构连接手爪机构和机座，可实现手爪机构相对于机座的升降，并可带动手爪绕铅垂轴转动。机座上的丝杆螺母可使手臂沿机座导轨长度方向进行平行移动。图像采集、控制及驱动元件安装于电器箱内并吊挂于机座导轨下方，通过电器箱沿导轨长度方向的平移可实现机器人整体重心位置的调节。

2.根据权利要求1所述的高空输电线路自动巡检机器人，其特征是：手爪机构由滚轮机构、夹紧机构和手腕机构组成。滚轮悬挂于输电线上，由驱动电机驱动可沿输电线滚动。夹紧机构由丝杆螺母副、齿轮齿条副及齿轮副组成，配以特殊夹爪结构，既可实现对输电线的夹紧，也可完成对铁塔角钢的夹紧。手腕机构可调整手爪的俯仰角度。

3.根据权利要求1或2所述的高空输电线路自动巡检机器人，其特征是：手爪机构相对于机座的升降由手臂机构内的丝杆螺母副实现。在手臂机构下端的蜗箱内装有蜗轮蜗杆副，可使手臂同时带动手爪机构绕手臂垂直轴转动。

4.根据权利要求1或2或3所述的高空输电线路自动巡检机器人，其特征是：两手臂机构分别安装于机座导轨宽度方向的两侧，通过机座的丝杆螺母副可实现手臂沿导轨长度方向的平行移动，两者可相对移动并错位，结合手臂绕自身垂直轴的转动自由度，可避免两手臂相遇时手爪机构的碰撞。

5.根据权利要求1或4所述的高空输电线路自动巡检机器人，其特征是：各类电器元件安装于电器箱内，电器箱吊挂于机座导轨下方，通过丝杆螺母副实现电器箱沿导轨长度方向的平行移动。当机器人越障过程中一只手爪抓紧输电线不动时，以电器箱和另一活动手臂对固定手臂处合力矩最小为条件，决定电器箱沿导轨长度方向上的位置，最大程度上的减小机器人绕一只手臂垂直轴转动时的扭转力矩，从而保证机器人工作的可靠性，并可降低功耗。

6.根据权利要求1至5所述的高空输电线路自动巡检机器人，其特征是：机器人采用绝缘材料制成，部分金属部件外层喷涂绝缘材料。

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