CN101882765B - 高压输电线上机器人的行走机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输电线上机器人的行走机构，其特征在于，在机器人本体上安装有3个行走臂：前臂、中臂和后臂，机器人在输电线行走时，前臂和后臂在输电线的一侧，中臂在输电线的另一侧；每一个行走臂包括行走轮、升降臂、刹车机构和摆臂，所述的摆臂一端通过摆动关节与机器人本体连接，另一端与升降臂下端相连，行走轮安装在升降臂上端的侧部，刹车机构安装在升降臂上，刹车机构的位置在行走轮的下方。该行走机构能带动机器人方便地越过输电线上的各种障碍、稳定性好。

Description

高压输电线上机器人的行走机构

技术领域

本发明属于输电线除冰或巡检机器人领域，涉及一种高压输电线上机器人的行走机构，该行走机构适用于机器人跨越导线上的障碍以及在导线上前后行走。

背景技术

为了保障电力线路的正常运行，需要对输电线路进行定期维护。巡检不仅了解掌握线路的运行状况，也能及时发现线路及设备的缺陷和周边环境情况的变化，为线路维修维护提供资料。目前主要是采用人工目测检查的方式，但我国输电线路里程长、覆盖范围广，有些线路还跨越山区、大河、草地及原始森林等，这就使巡检工作劳动强度大且难以保证巡检到位率并且影响巡检质量。为了弥补在这些线路上人工巡检的不足，就迫切需要用基于机器人技术的巡线机器人来辅助人工巡检。这不仅保证了巡检效率、巡检质量，也降低了巡检成本。

针对我国输电线路里程长、覆盖范围广，很大一部分线路需要经过高山大河原始森林等地区，人工巡检难度大等等实际情况，也随着机器人技术的不断进步，采用基于机器人技术的巡线机器人来辅助人工巡检并且逐步代替人工巡检已成为大势所趋。这对于提高电力部门自动化作业程度，改善巡检作业人员劳动条件，提高巡检作业水平，以及提高巡检作业质量都具有重要的意义，对保证我国输电线路的良好运行有着积极的作用。

利用本发明实现的导线越障和行走机器人，再搭载视频采集、传输等设备后即可成为巡线机器人；搭载除冰机构即可成为除冰机器人。

机器人在导线上行走时要遇到各种障碍，如防震锤、压接管、悬垂线夹等。而现有的机器人的自主跨越上述障碍的能力较弱，有必要对现有机器人的行走机构进行改进。

发明内容

本发明要解决技术问题是提供高压输电线上机器人的行走机构，该行走机构能带动机器人方便的越过输电线上的各种障碍。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种高压输电线上机器人的行走机构，其特征在于，在机器人本体上安装有3个行走臂：前臂、中臂和后臂，机器人在输电线行走时，前臂和后臂在输电线的一侧，中臂在输电线的另一侧；

每一个行走臂包括行走轮、升降臂、刹车机构和摆臂，所述的摆臂一端通过摆动关节与机器人本体连接，另一端与升降臂下端相连，行走轮安装在升降臂上端的侧部，刹车机构安装在升降臂上，刹车机构的位置在行走轮的下方；

所述的升降臂采用丝杆传动机构。

刹车机构包括电机、刹车机构的丝杆传动机构和刹车片；电机与刹车机构的丝杆传动机构连接，刹车机构的丝杆传动机构的上端与刹车片连接；

摆动关节采用盘式电机-齿轮传动机构。

中臂上还设有辅助行走轮。

摆臂与升降臂下端通过柔性关节相连，柔性关节采用盘式电机-齿轮传动机构。

升降臂采用的丝杆传动机构为常用的机电结构，具体结构及工作原理为：升降电机与螺母相连，螺母套装在丝杆上，升降电机转动带动螺母旋转，由于螺母的上下位置是固定的，螺母的旋转带动丝杆旋转，实现丝杆整体上升或下降运动，从而实现升降臂的升降动作。

刹车机构所采用的丝杆传动机构与升降臂采用的丝杆传动机构结构相同，即由刹车电机驱动螺母旋转，带动丝杆在整体上做上下运动，丝杆向上推时，带动刹车片向上运动，使得刹车片与行走轮共同挤压输电线实现刹车。

摆动关节采用的盘式电机-齿轮传动机构(盘式电机采用专利号ZL200720099582.9的电机)为常用的机电结构，具体结构及工作原理为：第一盘式电机带动第一主动齿轮旋转，第一主动齿轮带动设置在第一旋转轴上的第一从动齿轮动作，第一旋转轴的旋转则带动旋转臂旋转。摆动关节实现的功能是，使得摆臂在水平面内相对于机器人本体作旋转运动，便于行走臂从输电线的侧面绕过障碍物，以及便于摆臂绕过障碍物后进行复位。

柔性关节也采用与摆动关节类似的盘式电机-齿轮传动机构(盘式电机采用专利号ZL200720099582.9的电机)，具体结构和作用是：第二盘式电机带动第二主动齿轮旋转，第二主动齿轮带动设置在第二旋转轴上的第二从动齿轮动作，第二旋转轴的旋转则带动升降臂旋转。柔性关节的作用是使得升降臂在竖直平面内(竖直平面即垂直与水平面的平面)绕摆臂的外端旋转，使得行走臂能够更为灵活地规避障碍。

本发明具有的有益效果是：

与现有技术相比，本发明的优点体现在：

1、本发明采用轮臂复合机构，利于行走与越障。该结构结合了轮式行走机构、关节式手臂越障的优点，无障碍物时以轮沿线快速行走，有障碍物采用伸手和摆手动作越障。

2、三个手臂都能承重，任何时刻可保证至少两个手臂在线，这使得重心更稳定；每个手臂不但能握住导线，还能刹车防滑，这使得手臂握线更牢固，所有系统稳定性好，能适应更大的爬坡角度，不小于30度。

4、手臂的越障能力强，充分利用单个手臂的升降机构、摆臂机构、手臂柔

关节调节机构，以及手臂间的动作协调与配合，能灵活地改变手臂位置和姿

态，能使机器人有效地避让绝大多数规格导线上的障碍。

附图说明

图1是依据本发明的高压输电线路巡线、除冰机器人越障行走手臂整体结构立体示意图；

图2是图1所示装置的主视图；

图3是图1所示装置的侧视图；

图4是图1所示装置的顶视图；

图5是手臂在线上行走时，手臂与导线的挂接位置与行走状态图；

图6手臂升降机构位置及升降杆与手臂驱动轮的连接结构图(前臂)；

图7升降推杆采用专利号200820107545.2所述装置的内部结构图；

图8三手臂的运动机构简化示意图；

图9手臂柔性关节(前臂)活动范围侧视图；

图10三手臂各摆臂关节摆动范围顶视图(a、前臂摆臂范围，b、后臂摆臂范围，c、中臂摆臂范围)；

图11机器人前方遇到导线悬垂，机器人暂停准备越障；

图12前臂行走轮上升后，摆臂关节向外摆动，开始避障；

图13前臂摆开后，中、后臂行走轮驱动本体避障前进；

图14前臂越过障碍后，前臂摆臂关节往回摆，行走轮回到线上方、准备下降到线上；

图15中臂上升后，摆臂关节摆动手臂开始避障；

图16中臂摆开后，前、后臂行走轮驱动本体避障前进；

图17中臂越过障碍，摆臂关节开始往回摆；

图18中臂行走轮回到导线上方，行走轮开始下降，回到线上；

图19后臂上升后，摆臂关节摆动手臂，开始避障；

图20后臂摆开后，本体在前臂、中臂的驱动下，避障前进；

图21后臂越过障碍，手臂回摆至导线上方，行走轮开始下降，回到线上；

图22三个手臂都从导线上方越过障碍，本体完成一次越障；

图23机器人越障过程中的控制流程图；

图24机器人手臂滚动行走以及柔关节转动所采用的盘式驱动电机的内部

结构(专利号ZL200720099582.9)；

图25机器人手臂的柔关节驱动结构示意图。

图中标号说明：

1、前臂行走轮2、中臂行走轮3、后臂行走轮

4、前臂行走驱动电机5、中臂行走驱动电机6、后臂行走驱动电机

7、前臂刹车机构8、中臂刹车机构9、后臂刹车机构

10、前臂升降臂11、中臂升降臂12、后臂升降臂

13、前臂柔关节14、中臂柔关节15、后臂柔关节

16、前臂摆臂17、中臂摆臂18、后臂摆臂

19、前臂摆臂关节20、中臂摆臂关节21、后臂摆臂关节

22、中臂行走辅助从动轮23、机器人本体控制箱24、高压输电导线

25、升降推杆底座板26、升降推杆外壳27、推杆驱动电机

28、升降推杆后夹板29、滑动推杆顶板

30、推杆与行走轮连接盖板(前)30’、推杆与行走轮连接盖板(中)

30”、推杆与行走轮连接盖板(后)

31、升降连接板32、行走轮轴承基座33、变速传动机构

34、升降推杆内芯35、螺母36、螺杆

37、电机轴承38、转子磁扼39、定子绕组

40、定子铁心41、壳体42、柔关节旋转齿轮

43、柔关节盘式电机及驱动齿轮

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示为本发明的可越障式高压输电线路巡线、除冰机器人越障行走手臂装置的整体结构立体示意图，图2为该装置的主视图，图3为该装置的侧视图，图4为该装置的放置在本体控制箱上的顶视图。本发明的可越障式高压输电线路巡线、除冰机器人越障行走手臂装置包括：1、前臂行走轮2、中臂行走轮3、后臂行走轮4、前臂行走驱动电机5、中臂行走驱动电机6、后臂行走驱动电机7、前臂刹车机构8、中臂刹车机构9、后臂刹车机构10、前臂升降臂11、中臂升降臂12、后臂升降臂13、前臂柔关节14、中臂柔关节15、后臂柔关节16、前臂摆臂17、中臂摆臂18、后臂摆臂19、前臂摆臂关节20、中臂摆臂关节21、后臂摆臂关节22、中臂行走辅助从动轮23、机器人本体控制箱。

图5、图6所示，每个手臂从上至下的主要结构为：最上面为挂靠式行走轮1，行走轮转动面的一侧设有一个驱动行走的盘式电机4；行走轮的中轴连接到升降臂32上，升降臂内部有升降推杆机构，推杆内有推杆电机27、推杆丝杆外壳26与推杆等，推杆顶端外接一块顶板29，接着顶板与连接盖板30、升降连接板31相连。

图6所示，以前臂为例，行走轮1的中轴连接到行走轮轴承基座32上，而行走轮轴承基座32套接在升降连接板31上。当手臂产生上升与下降动作时，推杆26内部的丝杠螺母转动产生推力推动滑动推杆顶板29、推杆与行走轮连接盖板30作上升或下降运动，进而带动手臂的前臂行走轮1和前臂行走驱动电机4上下平移运动。升降臂内部发生相对上升与下降动作的部分为滑动杆部分、相对静止的部分为静杆部分。其中整个行走机构都安装在升降臂的滑动杆部分上；在静杆部分上且在行走轮之下的位置上安装了一个底座固定的刹车电机，刹车电机上连接一个微型推杆，推杆内部结构如图7相似，推杆上端安置了一块凹形面刹车片，且刹车片上方的正对位置为挂靠输电导线的位置，在发生刹车动作时，刹车片在刹车电机推力作用下上顶、靠紧导线，刹车片凹形朔胶面产生摩擦力阻止导线滑动。

图7所示，机器人手臂升降推杆装置采用的设备及其内部主要结构，它是手臂进行升降运动的动力。

图9所示，每个手臂的升降臂底部连接着一个柔性旋转关节，柔关节位于升降臂和摆动手臂摆杆末端的连接处。它的旋转使手臂上部做圆弧运动，调节手臂上部从垂直摆臂摆动杆的位置至与垂直位置大约成65度的夹角的范围内转动，这样做的目的是使手臂行走轮及其整个手臂上部可以转至导线下方，从而使手臂从输电导线下方避开障碍前进。

图10所示，机器人三个手臂底端的摆动杆与摆臂关节连接，从而实现三手臂与控制箱上表面相连。摆臂旋转关节绕垂直控制箱上表面方向的轴心旋转，它的旋转可带动整个手臂向外侧摆动以避开前方遇到的障碍、向内摆臂使手臂返回靠近导线位置。在摆臂关节的作用下，摆动手臂从平行于导线方向至垂直于导线方向的范围内活动。

图11所示，机器人在导线上行走时遇到典型障碍物中的悬垂线夹，机器人暂停准备越障。

下面以越过导线上的悬垂线为例说明本发明装置的越障过程，本发明装置悬挂在导线上，一般情况下行走轮沿导线方向滚动，使本体前进或后退，当遇到障碍物时主要有两种方法越障：

方法1，手臂从导线上方越障：

(1)本体携带的视觉传感器、红外测距传感器、接近开关或接触传感器判断到达障碍物前面，机器人暂停前进(图11)，系统在控制器管理下做好越障前准备；

(2)首先前臂行走轮在升降臂推动作用下上升脱线，然后摆臂关节开始摆动准备避障(图12)；

(3)前臂摆开手臂避开前方障碍后，中、后臂行走轮驱动本体继续前进(图13)；

(4)前臂越过障碍后，本体暂停前进。前臂摆臂关节往回摆，行走轮回到导线上方，然后手臂降落到线上(图14)；

(5)中臂上升，摆臂关节开始摆开手臂，准备避开前方障碍(图15)；

(6)中臂摆开后，前、后臂行走轮驱动本体避障前进(图16)；

(7)中臂越过障碍，摆臂关节往回摆，中臂又回到导线上方(图17)；

(8)中臂行走轮回到导线上方，行走轮开始下降，回到线上(图18)；

(9)后臂上升后，摆臂关节摆动手臂，开始避障(图19)；

(10)后臂摆开后，本体在前臂、中臂的驱动下，避障前进(图20)；

(11)后臂越过障碍，手臂回摆至导线上方，行走轮开始下降，回到线上(图21)；

(12)三个手臂都从导线上方越过障碍，本体完成一次越障(图22)；

图23所示，机器人作图11～22越障过程时，机器人越障过程的控制流程图。

方法二，手臂从导线下方越障：

(1)机器人前方遇到导线悬垂，机器人暂停准备越障；

(2)前臂行走轮上升后，摆臂关节摆开一定角度，以便柔关节向导线下方摆臂；

(3)前臂柔关节向前摆臂至导线下方避开导线上方障碍，中、后行走轮推动本体前进)；

(4)前臂从底下越过障碍后，柔关节往回摆，行走轮回到导线上方；

(5)前臂摆臂关节摆回至原来位置，行走轮回到导线上方；

(6)前臂行走轮下降，回到线上；

(7)中臂行走轮上升脱线后，摆臂关节往外摆开一定角度，以便柔关节向导线下方摆臂；

(8)中臂柔关节摆臂至线下，本体在前、后行走轮推动下，避障前进；

(9)中臂越过导线上方障碍后，柔关节往回摆，行走轮回到线上方；

(10)中臂摆臂关节摆回原位后，行走轮下降，回到线上；

(11)后臂行走轮上升脱线后，摆臂关节往外摆开一定角度，以便柔关节向导线下方摆臂；

(12)中臂柔关节摆臂至线下，本体在前、中行走轮推动下，避障前进；

(13)后臂越过导线上方障碍后，柔关节往回摆，行走轮回到线上方；

(14)后臂摆臂关节摆回原位后，行走轮下降，回到线上；

(15)三个手臂都从导线下方越过障碍，本体完成一次越障；

机器人在导线上遇到典型障碍物中的防振锤，机器人暂停准备越障。对于防振锤的跨越方法与图23所述跨越悬垂线夹方法类似，只是越障时不要做摆臂动作就可以越障了。

此处已经根据特定的示例性实施，针对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (2)

1.一种高压输电线上机器人的行走机构，其特征在于，在机器人本体上安装有3个行走臂：前臂、中臂和后臂，机器人在输电线行走时，前臂和后臂在输电线的一侧，中臂在输电线的另一侧；

每一个行走臂包括行走轮、升降臂、刹车机构和摆臂，所述的摆臂一端通过摆动关节与机器人本体连接，另一端与升降臂下端相连，行走轮安装在升降臂上端的侧部，刹车机构安装在升降臂上，刹车机构的位置在行走轮的下方；

每个行走臂从上至下的结构为：最上面为挂靠式的行走轮，行走轮转动面的一侧设有一个驱动行走的盘式电机；行走轮的中轴连接到升降臂上，升降臂内部有升降推杆机构，升降推杆机构内有推杆电机、推杆丝杆外壳与推杆，推杆顶端外接一块顶板，顶板与连接盖板、升降连接板相连；

所述的升降臂采用丝杆传动机构；

刹车机构包括电机、刹车机构的丝杆传动机构和刹车片；电机与刹车机构的丝杆传动机构连接，刹车机构的丝杆传动机构的上端与刹车片连接；

摆动关节采用盘式电机-齿轮传动机构；

中臂上还设有辅助行走轮。

2.根据权利要求1所述的高压输电线上机器人的行走机构，其特征在于，摆臂与升降臂下端通过柔性关节相连，柔性关节采用盘式电机-齿轮传动机构。

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