CN101168256A - 摆臂式输电线路巡检机器人摆臂传动装置 - Google Patents

摆臂式输电线路巡检机器人摆臂传动装置 Download PDF

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CN101168256A CNA200610117509XA CN200610117509A CN101168256A CN 101168256 A CN101168256 A CN 101168256A CN A200610117509X A CNA200610117509X A CN A200610117509XA CN 200610117509 A CN200610117509 A CN 200610117509A CN 101168256 A CN101168256 A CN 101168256A
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张国贤
金健
张廷羽
古丰元
何其鹿
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Abstract

一种高空输电线路自动巡检机器人专用的摆臂传动装置,属机器人技术领域。本摆臂传动装置由手臂摆动传动系统、手臂绕铅垂轴转动传动系统和支架三部分组成。手臂摆动传动系统由电机、减速箱、齿轮及丝杆传动机构所组成。手臂绕铅垂轴转动传动系统由电机、蜗轮箱、转架组成。支架由直臂架、三角架和耳型架组成。该装置的核心机构采用平行四边形式的四连杆机构,从原理上保证了手臂上下摆动时,保持手爪的空中姿态不变,有效克服了一般四连杆机构在摆动过程中连杆姿态随连杆摆角一起变动的缺点,从机械结构上保证了手爪空间位置与姿态的解耦,大大简化了机器人操作步骤。

Description

摆臂式输电线路巡检机器人摆臂传动装置
技术领域
本发明是一种为高压输电线路自动巡检机器人定制的摆臂传动装置,属机器 人技术领域。 背景技术
目前国内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,特别是对于山区友江河区域的输 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、耐张线等障碍物。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,这要求机器人不仅要在不同的水平位置进行移动,更要实现在不同铅垂面间 的移动。而对于悬挂与输电线路上作业的机器人来说,手臂传动装置的合理设计 是解决上难点的关键技术之一。 发明内容
本发明的目的是提供一种实现尺蠖式仿生机器人的手臂运动的专用机构,其 结构简单,易于加工和装配。该机构应用于高空输电线路自动巡检机器人,可实 现灵活跨越输电线路上的防震锤、耐张夹等障碍物,并能方便地在较大幅度的不 同平面特别是铅垂面之间移动,从而可跨越各种不同结构形式的塔架,有效避免 与塔架的碰撞。该机构不同一般的四连杆机构,其最大的特征是要求在手臂运动 后,仍可保持与本手臂相联的手爪的水平姿态,以简化机器人越障与翻越铁塔时 的操作步骤。
为了达到上述目的,本发明的技术解决方案为-
本摆臂传动装置由手臂.摆动传动系统、手臂绕铅垂轴转动传动系统和支架三 部分组成。手臂摆动传动系统由电机、减速箱、齿轮及丝杆传动机构所组成。手 臂绕铅垂轴转动传动系统由电机、蜗轮箱、转架组成。支架由直臂架、三角架和 耳型架组成。该装置便于与不同形式的手爪结构配接,很容易的实现了机器人手
臂在不同水平面及铅垂面间的移动。
该摆动手臂的核心机构采用平行四边形式的四连杆机构,从原理上保证了手 臂上下摆动时,保持手爪的空中姿态不变,如附图2和图3所示,有效克服了一 般四连杆在摆动过程中连杆姿态随连杆摆角一起变动的缺点,从机械结构上保证 了手爪空间位置与姿态的解耦,大大简化了机器人操作步骤。
该摆动手臂传动装置所采用的平行四边形式的四连杆机构,通过特殊布置的 丝杆螺母传动机构驱动,其中丝杆与支架铰接,从而构成曲柄-滑块式的四连杆 机构驱动方式。摆动手臂可实现120度以上的大范围摆动。
该摆动手臂传动装置的手臂下端与滑台用可绕铅垂轴旋转的转动关节联结。 转动驱动电机与蜗轮箱相联,蜗轮箱的输出轴构成了铅垂回转轴并与摆动手臂的 转座相联,从而可实现摆动手臂绕垂直轴线的回转运动。
本发明的摆动手臂传动装置具有多个自由度,通过多自由度联动控制,•可实 现不同垂直平面之间的各种复杂操作,越障能力强,能满足在无外力干预的情况 下,不仅能自动跨越在输电线上进行巡检时可能碰到的如绝缘子、防震锤等障碍 物,并可利用其多用途夹爪攀爬各种输电线铁塔,是一种通用型输电线巡检机器 人。该机器人手臂除了具有旋转和摆动功能外,还可沿着导轨相对滑动,延伸手 臂作业范围。利用该机器人,可解决人工巡检带来的准确度不高,效率低下,受 气候和地理环境限制等问题。 附图说明
图l机器人手臂外形结构,图2机器人手臂传动装置示意图,图3机器人 手臂运动姿态。 具体实施方案
参考附图1-3,说明摆臂式输电线路自动巡检机器人结构的实施例如下: 本摆臂传动装置由手臂摆动传动系统、手臂绕铅垂轴转动传动系统和支架三
部分组成。手臂摆动传动系统由电机、减速箱、齿轮及丝杆传动机构所组成。手
臂绕铅垂轴转动传动系统由电机、蜗轮箱、转架组成。支架由直臂架、三角架和
耳型架组成。该装置便于与不同形式的手爪结构配接,利于保持手爪的空中姿态,
并很容易的实现了机器人手臂在不同水平面及铅垂面间的移动。
摆动驱动电机6与主动齿轮10连接,其中从动齿轮9中心轴孔的内螺纹起 到螺母的作用,与丝杆5构成丝杆螺母传动机构,丝杆5与支架4铰接。齿轮传
动机构9和10置于螺母座8内,螺母座8上端与端盖11连接,下端由两个拧在 从动齿轮9下端的螺母7顶紧。电机减速系统6带动齿轮传动机构,当从动齿轮 9转动而丝杆5保持不转时,从动齿轮9便沿着丝杆5的轴向运动,从而带动与 其固定连接的螺母座8、端盖ll、螺母7—起运动。齿轮传动机构置于端架内, 可起到密封防尘的作用。
三角架12为两块等腰三角形板内贴筋板连接而成,其底边两端分别与连接 架14和支架4铰接,顶角端与螺母座8铰接。两个直臂13均为一端与连接架 14铰接, 一端与支架4铰接,且长度与三角架底边长度相等。由于三角架顶角 端与螺母座8铰接,所以当螺母座沿丝杆轴向运动时也将同时带动手臂支杆系 统,而丝杆又是与支架4铰接的,因此整个手臂将在电机6的驱动下做摆动。通 过该摆动自由度可以扩大手爪的作业范围,调节手爪高度,并且能保持手爪的姿 态,对手爪夹持动作带来极大方便。整个手臂摆动范围可达130° ,具有自锁功 能,可有效的减小功耗。
转动驱动电机1的输出轴与蜗轮箱2的输入轴相联,蜗轮箱2的输出轴构成 了铅垂回转轴并与转座3相联,再由转座3固接支架4,从而可以实现整个机器 人手臂的回转自由度。在越障时,可使手臂进入另一铅垂面,结合手臂的摆动可 实现大范围的移动。采用蜗轮蜗杆传动具有自锁功能可减小功耗,并能放大驱动 力矩。
丝杆4外层由非金属材料制成,可减小丝杆螺母副的摩擦力并避免高压电线 击穿,内层钳套铝合金层,可增加丝杆的强度。
其他部件均采用非金属材料制成,可避免高压电线击穿。 采用本发明的摆臂式机器人在高空对输电线路进行巡检的典型动作过程如
下:
当机器人在输电线下垂与平缓上行段上行驶时,采用滚动驱动方式,摆动 手臂无须进行摆动操作。
当电器箱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 内置的计算机会发出切换机器人工作模式的指令,即由滚动行驶方式改为攀爬前 进方式。 一只夹爪抓紧输电线不动,另一只手的夹爪依然处于松开状态,而手腕 机构与手臂的摆动以及手臂的平移、回转等进行联动控制,'以使该手臂沿着输电
线方向前移,与另一与输电线夹紧的夹爪靠拢,然后将该手臂上的夹爪夹紧,而 将原来夹紧的夹爪松开,再通过手腕机构与手臂的摆动以及手臂的平移、回转等 进行联动控制,以使该手臂沿着输电线前移,与另一与输电线夹紧的夹爪的距离 不断拉大到最大位置,然后夹紧原来松开的夹爪,松开原来夹紧的夹爪,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如尺蠖爬行那样一 步一步地前进。图3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 式使二只摆动手臂尽量靠拢并,然后夹紧其中一只手臂上的手爪,通过手臂的摆 动机构将松开的手爪向上提升,使滚轮及手爪脱离输电线,再驱动摆动手臂的转 动机构,使手爪机构转过180度,然后驱动摆动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,再驱动摆动手臂的转动机构,使手爪机构转
回180度,然后通过手臂的摆动机构将该手爪向下下降,使滚轮及手爪重新挂到 输电线上,再夹紧该手爪。然后松开另一只手臂上的手爪,通过该手臂的摆动机 构将该手爪向上提升,使滚轮及手爪脱离输电线,再驱动摆动手臂的转动机构, 使手爪机构转过180度,然后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,再驱动摆动手臂的转动机构,使手 爪机构转回180度,然后通过手臂的摆动机构将该手爪向下下降,使滚轮及手爪 重新挂到输电线上,再夹紧该手臂上的手爪,完成了一次机器人越障操作。在上 述操作中,由于采用了平行四边形摆臂机构,夹爪的姿态在手臂上下摆动过程不 会改变,简化了操作步骤。
机器人翻越铁塔时,二个摆动手臂的交替操作步骤与越障操作基本雷同。

Claims (5)

1、一种高空输电线路自动巡检机器人摆臂传动装置,属机器人技术领域。本手臂传动结构装置由手臂摆动传动系统、手臂绕铅垂轴转动传动系统和手臂支杆系统三部分组成。该装置的核心机构采用平行四边形式的四连杆机构,从机械结构上保证了手爪空间位置与姿态的解耦。手臂摆动传动系统由电机减速箱、齿轮及丝杆传动机构所组成。手臂绕铅垂轴转动传动系统由电机、蜗轮蜗杆传动机构、转座组成。支架由直臂、三角架和连接架组成。
2、 根据权利要求l所述的输电线路自动巡检机器人摆臂传动装置,其特征是: 通过特殊布置的丝杆螺母传动驱动机构,其中丝杆与支架铰接,从而构成曲柄-滑块式的四连杆机构驱动方式,驱动平行四边形式的摆动手臂机构,使摆动手臂可实现120度以上的大范围摆动。
3、 据权利要求1或2所述的高空输电线路自动巡检机器人摆臂传动装置,其特 征是:转动驱动电机1的输出轴与蜗轮箱2的输入轴相联,蜗轮箱2的输出轴构 成了铅垂回转轴并与转座3相联,再由转座3固接支架4。
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摆臂传动装置, 其特征是:三角架12为两块等腰三角形板内贴筋板连接而成,其底边两端分别 与连接架14和支架4铰接,顶角端与螺母座8铰接。两个直臂13均为一端与连 接架14铰接, 一端与支架4铰接,且长度与三角架底边长度相等。连接架14 可与各类手爪配接。
5、 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摆臂传动装置,其 特征是:丝杆4外层由非金属材料制成,内层钳套铝合金层。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101863034A (zh) * 2010-06-28 2010-10-20 哈尔滨工业大学 由滑轮组与钢丝绳牵引驱动的机器人关节用挠性驱动单元
CN102005705A (zh) * 2010-10-29 2011-04-06 西安交通大学 一种悬挂型巡线机器人
CN102581606A (zh) * 2012-03-07 2012-07-18 武汉大学 一种高压输电线路防振锤安装拆卸装置

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