CN101856814A - 塔架攀爬机器人机械手装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种塔架攀爬机器人机械手装置，主要包括装置机架、两副相对设置的手爪张合机构和驱使两手爪张合机构的两副手爪抱持夹紧塔架构件的夹紧机构，其中两手爪张合机构至少一个为可运动的，主要由基座，安装在基座上支架，安装在支架上的驱动电机，与驱动电机输出轴联接的传动机构，定手爪以及与传动机构运动输出构件相联接的动手爪构成，所述夹紧机构由安装在装置机架上的驱动电机，与驱动电机输出轴联接的传动丝杆以及导向杆构成。本发明不仅能实现机器人沿塔架主构件攀爬时对角钢根部和直平面的抓紧，而且能实现机器人沿塔架构件攀爬时从不同方向对构件的夹持，从塔架塔基沿塔架构件攀爬到塔顶，携带检修维护设备完成各项检修任务。

Description

塔架攀爬机器人机械手装置

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更为具体地说，是涉及一种塔架自动检修维护攀爬机器人的机械手装置。

技术背景

工业和信息产业的迅猛发展对供电稳定性和可靠性的要求越来越高。高压输电线路是电力系统的动脉，其安全运行越来越受到各级部门的重视。输电线路不仅要承受固有的机械载荷和电力负荷的内部压力，而且还要经受自然环境的各种外部侵害，如：腐蚀、污秽、雷击、强风、洪水、滑坡、沉陷、地震和鸟害等，以及人为地破坏。随着时间的日积月累，势必造成线路上出现各种故障，如：接触电阻增大、导线断股、避雷线断裂、杆塔倾斜，绝缘子闪烁、金具脱落，如不及时发现和消除，将对电力系统构成灾难性的后果。因此，需要定期对输电线路杆塔及其附件进行检修维护，以确保输电线路的安全可靠运行。

目前国内高压输电线路的检修、维护基本上采用人工攀登铁塔的方式，由检修人员携带检修维护设备完成各项检修任务，如：绝缘子清扫、铁塔维护等，这不仅大量消耗检修人员的体力，影响工作效率，也极不安全。电力部门迫切需要取代人力进行铁塔检修、维护的自动化设备——机器人，以此减轻工人的劳动强度，降低触电和高空坠落的危险，而且设备可以在不影响供电的情况下进行带电作业，提高检修、维护的效率和质量。用机器人实现对铁塔等塔架进行检修、维护，机器人需具有攀爬铁塔等塔架的功能，而现有技术至今不能提供能够攀爬铁塔机器人的主要原因，是没有开发出能够攀爬以角钢为基本构件的塔架机械手装置。因此尽快开发出行动自如的机械手装置以装备机器人，实现对高压输电线路的自动化检修、维护，是所述领域的科技工作者共同面临的重要课题。

发明内容

针对现有技术的现状，本发明的目的旨在提供一种用于塔架攀爬机器人的机械手装置，以实现由机器人代替人从塔架塔基沿塔架构件攀爬到塔顶，利用携带的检修维护设备完成各项检修任务。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案为：

塔架攀爬机器人机械手装置，包括装置机架、两副相对设置的手爪张合机构和驱使两手爪张合机构的两副手爪抱持夹紧塔架构件的夹紧机构，其中两手爪张合机构至少一个为可运动手爪张合机构，所述手爪张合机构由基座，安装在基座上支架，安装在支架上的驱动电机、与驱动电机输出轴联接的传动机构、定手爪以及与传动机构运动输出构件相联接的动手爪构成，所述夹紧机构由安装在装置机架上的驱动电机，与驱动电机输出轴联接的传动丝杆以及导向杆构成，传动丝杆与手爪张合机构基座上的螺纹孔匹配构成螺纹传动副，导向杆与手爪张合机构基座上的导向孔匹配构成导向副。

为了实现能对各种断面的塔架构件(如角钢、加强角钢、工字钢、圆钢、矩形钢等)从不同方向进行夹持，如附图7中所示，塔架攀爬机器人机械手装置还可在两张合机构之间设置一顶紧机构，顶紧机构通过其基座安装在装置机架上。所述顶紧机构可设计成主要由基座，通过支架安装在基座上的驱动电机、与驱动电机输出轴联接的传动机构、顶杆和顶块构成，顶杆的两端分别与传动机构和顶块联接，夹紧机构的传动丝杆和导向杆从顶紧机构基座上的安装孔中穿过。为了适应大小与形状不同的断面塔架构件，可将顶紧机构的顶块设计成在一定范围内可活动的顶块，为了实现顶块一定范围内活动，可将顶杆设计成中空结构顶杆，顶块与顶杆采用铰链联接。为了保证顶块与塔架构件能够更好地接触，在顶块端面设计加工V形凹槽，V形凹槽根部倒圆角。传动机构采用由丝杆与设计在顶杆孔内的螺母匹配构成的丝杆螺母传动机构，构成传动机构的螺母，可以是由顶杆内孔壁上加工出的螺纹构成，也可以是由顶杆内孔嵌接的螺母构成。构成顶紧机构的驱动电机一般采用步进电机。顶紧机构可通过控制顶紧电机的转速和方向控制顶块的伸出长度，从而控制顶块的顶紧力。

在上述技术方案中，构成机械手装置的两个相对设置的手爪张合机构，可将其中一个设计为固定的，另一个设计为可运动的，最好是将两个都设计为可运动的。当两个都设计为可运动的时，夹紧机构设计有两根传动丝杆，与各自配备的驱动电机输出轴联接，分别与各自驱动的张合机构支座架上的螺纹孔匹配构成螺纹传动副。

在上述技术方案中，构成手爪张合机构的传动机构可以是导轨丝杆传动机构，主要由丝杆螺母传动副和导轨滑动副构成，丝杆螺母传动副的螺母与导轨滑动副的滑动件联接，丝杆螺母传动副的丝杆与驱动电机输出轴联接，动手爪设置在导轨滑动副的滑动件下端。所述丝杆螺母传动副优先采用滚珠丝杆螺母传动副。手爪张合机构的传动机构也可以是导轨齿轮齿条传动机构，主要由齿轮齿条传动副和导轨滑动副构成，齿轮齿条传动副的齿条与构成导轨滑动副的滑动件联接，齿轮齿条传动副的齿轮与驱动电机输出轴联接，动手爪设置在导轨滑动副的滑动件下端。在上述的手爪张合机构的传动机构中，所用驱动电机优先采用步进电机，所述导轨滑动副可以是断面为矩形的导轨滑动副、断面为圆形的导轨滑动副、断面为燕尾形的导轨滑动副等中的一种。

上述的手爪张合机构，其驱动传动机构也可设计成由直线电机和导轨滑动副构成，直线电机的移动部分与导轨滑动副的滑动件联接，动手爪设置在导轨滑动动件的下端。

在上述的手爪张合机构中，定手爪和动手爪均由夹持面外倾斜的楔块构成，夹持面外倾斜的角度最好相同，两手爪合拢成V型状。为了保证手爪与所夹持的塔架构件接触更好，最好是在夹持面上设计加工出不少于一条的凹形槽，使夹持面由单指面变为多指面。

本发明还采取了其他一些技术措施。

本发明提供的塔架攀爬机器人机械手装置(机器人末端夹持机构)，包括两副结构相同的用于抓紧塔架构件的手爪，每副手爪均由定手爪和动手爪构成，两个手爪均由手掌面向外倾斜的斜楔块构成，定斜楔块(定手爪)与支座架上的手爪基座固连，动斜楔块(动手爪)固置在手爪张合机构导轨运动件下端，动斜楔块相对定斜楔块做平移运动，两个斜楔块组成的V形槽角度固定不变，手爪的张合开度随动手爪的运动而改变，每副手爪的张合运动独立进行，以满足对不同大小塔架构件的夹持抓紧需要，两副手爪由夹紧机构驱动从两个方向相对运动，从而实现对不同形状、不同摆放姿态的各种规格的塔架构件的夹持，如附图7所示。

本发明提供的塔架攀爬机器人机械手装置可实现在电力铁塔主构件和斜构件角钢上的自由攀爬，使机器人能够从电力铁塔塔基沿主材角钢或斜材角钢攀爬到塔顶，利用携带的检修维护设备完成各项检修任务，如：绝缘子清扫、铁塔维护等。为此该机器人的末端机械手不仅要能实现从多个方向对不同规格角钢的抓紧，而且还要能提供足够大的夹紧力，以提高攀爬机器人的负载能力利用携带的检修设备完成相应的任务。

本发明提供的塔架攀爬机器人机械手装置具有多个自由度，通过多轴联动控制，可实现从多个方向对不同规格角钢的不同部位夹持，既可夹紧角钢根部也可夹紧角钢的直平面，负载能力强，能满足在无外力干预的情况下，不仅能沿塔架主构件角钢攀爬，并可沿塔架斜构件材攀爬，可在电力铁塔构件上的自由攀爬，机器人能够从电力铁塔塔基沿主构件角钢或斜构件角钢攀爬到塔顶，利用携带的检修维护设备完成各项检修任务，如：绝缘子清扫、铁塔维护等。本发明是一种通用型塔架自动检修维护攀爬机器人机械手装置，既可用于关节式攀爬机器人，也可用于框架式自动攀爬机器人。

配有本发明的塔架攀爬机器人，在塔架上进行自动检修维护，其攀爬越障过程如附图8所示，攀爬典型动作过程如下：当塔架自动检修维护攀爬机器人沿电力铁塔构件角钢攀爬时，机器人的一只机械手抓紧角钢，另一只机械手处于松开状态，而手腕机构与手臂机构等进行联动控制，使松开的一只机械手沿着电力铁塔构件角钢方向前移。然后，联动控制该机械手装置的两个夹紧机构驱动电机和两个手爪张合机构驱动电机，使原来松开的一只机械手抓紧铁塔构件角钢，而后再将原来抓紧的一只机械手松开，再通过手腕机构与手臂机构等进行联动控制，使该机械装置沿铁塔构件前移，然后夹紧原来松开的一只机械手爪，松开原来夹紧的一只机械手，完成了一次攀爬。如此周而复始，可使机器人沿塔架主构件角钢一步一步地前进。

本发明的机械手结构紧凑、夹紧力大，重量轻，特别适用于大负载塔架自动检修维护攀爬机器人。

附图说明

附图1是配有本发明的塔架攀爬机器人立体结构示意图。

附图2是本发明的机械手装置立体结构示意图。

附图3是本发明的机械手装置主视结构示意图。

附图4是附图3中的A-A向剖视结构示意图。

附图5是本发明的机械手装置另一种结构立体结构示意图，其张合机构的传动机构为齿轮齿条机构。

附图6是本发明的机械手装置另一种结构立体结构示意图，其张合机构的动力传动机构为直线电机传动机构。

附图7是本发明的机械手装置对不同形状、不同摆放姿态的塔架构件的夹持抓紧方式示意图。

附图8是塔架机器人机械手装置攀爬运动过程示意图。

在上述附图中，各图示标号所标识的对象为：1-手爪张合机构传动丝杆；2-手爪张合机构传动螺母；3-夹紧机构导向杆；4-手爪张合机构支架；5-构成夹紧机构传动机构的螺纹套；6-顶紧机构支架；7-夹紧机构驱动电机；8-夹紧机构驱动电机安装座；9-装置机架；10-夹紧机构传动丝杆；11-手爪张合机构导轨；12-手爪张合机构驱动电机；13-顶紧机构驱动电机；14-手爪张合机构基座；15-定斜楔块(定手爪)；16-动斜楔块(动手爪)；17-顶块；18-顶紧机构基座；19-导轨运动件；20-传动丝杆；21-前部机械手装置；22-中间本体伸缩机构；23-后部机械手装置；24-传动齿条；25-传动齿轮；26-驱动电机安装支板；27-直线电机。

具体实施方式

下面结合附图说明给出本发明的一个实施例，通过实施例对本发明作进一步的说明。需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于实施例所描述的形式。

配备有本发明的机械手装置的塔架攀爬机器人，其整体结构如附图1，由前部机械手装置21、中间本体伸缩机构22和后部机械手装置23组成。本发明的机械手装置，用于塔架自动检修维护攀爬机器人的手臂末端夹持机构，其结构如附图2、附图3和附图4所示，由装置机架9、两副相对设置结构相同的手爪张合机构、驱使两手爪张合机构的两副手爪抱持夹紧塔架构件的夹紧机构和顶紧机构6构成。其中两手爪张合机构均由基座14，安装在基座上支架4，安装在支架上的步进驱动电机12、与步进驱动电机输出轴联接的传动机构、定手爪15以及与传动机构运动输出构件相联接的动手爪16构成，传动机构由丝杆螺母传动副和矩形导轨滑动副构成，丝杆螺母传动副的螺母2与导轨滑动副的滑动件联接，丝杆螺母传动副的丝杆1与驱动电机输出轴联接，动手爪16设置在导轨滑动副的滑动件下端，定手爪固置在基座14的下方，定手爪15和动手爪16均为夹持面外倾斜的斜楔块，两手爪合拢成V型状，夹持面上设计有若干条凹形槽。手爪张合机构的基座14上设计加工有与夹紧机构的传动丝杆和导向杆匹配的螺纹孔和导向孔。所述夹紧机构由步进驱动电机7，与步进驱动电机输出轴联接的传动滚珠丝杆10以及导向杆3构成，步进驱动电机7通过安装座8安装在装置机架9上，传动丝杆10与手爪张合机构基座14上的螺纹孔匹配构成螺纹传动副，导向杆3与手爪张合机构基座14上的导向孔匹配构成导向副。所述顶紧机构由基座18，通过支架6安装在基座上的驱动电机13、与驱动电机13输出轴联接的传动机构、顶杆和顶块17构成，顶杆为中空结构杆，顶块与顶杆铰链联接，传动机构为由丝杆20与设计在顶杆内的螺母匹配构成丝杆螺母传动机构。顶块的顶端面设计加工V形凹槽，V形凹槽根部倒圆角。夹紧机构的传动丝杆10和导向杆3从夹紧机构的传动丝杆和导向杆从顶紧机构基座18上的安装孔中穿过。顶紧机构通过基座18安装在装置机架9上。

Claims (10)

1.一种塔架攀爬机器人机械手装置，包括装置机架9、两副相对设置的手爪张合机构和驱使两手爪张合机构的两副手爪抱持夹紧塔架构件的夹紧机构，其中两手爪张合机构至少一个为可运动手爪张合机构，所述手爪张合机构由基座14、安装在基座上支架4、安装在支架上的驱动电机12、与驱动电机输出轴联接的传动机构、定手爪15以及与传动机构运动输出构件相联接的动手爪16构成，所述夹紧机构由安装在装置机架9上的驱动电机7、与驱动电机输出轴联接的传动丝杆10以及导向杆3构成，传动丝杆10与手爪张合机构基座14上的螺纹孔匹配构成螺纹传动副，导向杆3与手爪张合机构基座14上的导向孔匹配构成导向副。

2.根据权利要求1所述的塔架攀爬机器人机械手装置，其特征在于机械手装置设置有顶紧机构，顶紧机构位于两张合机构之间，安装在装置机架9上。

3.根据权利要求2所述的塔架攀爬机器人机械手装置，其特征在于所述顶紧机构主要由基座18，通过支架6安装在基座上的驱动电机13、与驱动电机13输出轴联接的传动机构、顶杆和顶块17构成，顶杆的两端分别与传动机构和顶块联接，夹紧机构的传动丝杆10和导向杆3从顶紧机构基座18上的安装孔中穿过。

4.根据权利要求3所述的塔架攀爬机器人机械手装置，其特征在于所述顶杆为中空结构杆，顶块与顶杆铰链联接，传动机构为丝杆20与设计在顶杆内的螺母匹配构成丝杆螺母传动机构。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的塔架攀爬机器人机械手装置，其特征在于两手爪张合机构均为可移动手爪张合机构，夹紧机构设计有两根传动丝杆10，与各自配备的驱动电机7输出轴联接，分别与各自驱动的张合机构支座架4上的螺纹孔匹配构成螺纹传动副。

6.根据权利要求1或2或3或4所述的塔架攀爬机器人机械手装置，其特征在于手爪张合机构的传动机构为导轨丝杆传动机构，主要由丝杆螺母传动副和导轨滑动副构成，丝杆螺母传动副的螺母2与导轨滑动副的滑动件联接，丝杆螺母传动副的丝杆与驱动电机输出轴联接，动手爪16设置在导轨滑动副的滑动件下端。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的塔架攀爬机器人机械手装置，其特征在于手爪张合机构的传动机构为导轨齿轮齿条传动机构，主要由齿轮齿条传动副和导轨滑动副构成，齿轮齿条传动副的齿条24与构成导轨滑动副的滑动件联接，齿轮齿条传动副的齿轮25与驱动电机输出轴联接，动手爪16设置在导轨滑动副的滑动件下端。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的塔架攀爬机器人机械手装置，其特征在于手爪张合机构的驱动传动机构由直线电机27和导轨滑动副构成，直线电机27的移动部分与导轨滑动副的滑动件联接，动手爪16设置在导轨滑动动件的下端。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的塔架攀爬机器人机械手装置，其特征在于手爪张合机构的定爪15和动手爪16均为夹持面外倾斜的楔块，两手爪合拢成V型状。

10.根据权利要求9所述的塔架攀爬机器人机械手装置，其特征在于构成定手爪15和动手爪16的斜楔块，其夹持面上设计有不少于一条的凹形槽。

Images