CN102001089A - 关节式铁塔攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于电力铁塔攀爬的机器人。主要由一对机械臂，电动缸，俯仰机构，以及可以对不同规格角钢进行夹持的机械夹持装置组成。其中，两机械臂上端通过安装轴连接，电动缸电机支座和顶杆通过销柱分别与两臂连接，电动缸伸缩驱动双臂绕其上端安装轴旋转，机械臂下端与俯仰机构旋转轴相连，可使机械臂绕旋转轴旋转，实现越障功能。俯仰机构蜗轮箱与机械手腕关节固连，使得机械臂亦可绕机械手腕关节旋转，实现转弯功能。本发明结构紧凑，多关节联动可完成越障、转弯等复杂动作，可攀爬不同结构类型的铁塔，使用范围广，并具有一定的负载能力，可以携带必要的检修设备，代替工人攀爬电力铁塔，完成相应的检修任务。

Description

关节式铁塔攀爬机器人

技术领域

本发明涉及一种自动攀爬塔架，并进行检修维护的机器人装置，属于机器人技术领域。

技术背景

高压输电线路是电力系统的动脉，其能否安全运行直接关系到供电的稳定性和可靠性。需要定期对输电线路杆塔及其附件进行检修和维护，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：绝缘子检测、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。随着高压和特高压输电线路的持续建设，输电线路铁塔的呼高越来越高，电力部门迫切需要能代替人工攀爬铁塔进行检修、维护的自动化设备——机器人，以减轻工人的劳动强度，降低触电和高空坠落的危险，而且能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。为了实现完全自主攀爬，机器人除了具有沿铁塔主材攀爬的功能外，还要能跨越障碍，具有由主材移动到斜材或横担上的转弯功能。另外由于承载高压输电线路的塔架形式多样，要设计出能适应于攀爬各类塔架的机器人更加困难，这要求机器人具有多自由度，结构紧凑，运动灵活。

发明内容

本发明旨在提供一种通用型塔架攀爬机器人，在无外力帮助下它不仅能沿着铁塔的主材或斜材自行越过或绕过铁塔表面的各种障碍物，而且能自由从主材移动到横担上，从而代替人从铁塔塔基沿塔架构件攀爬到塔顶或横担，利用携带的检修维护设备完成各项任务。此机器人可大大节省人力成本，提高检修效率，保障输电系统安全可靠运行。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案为：

此用于塔架攀爬检修的机器人，其结构左右对称，包括一对机械臂，驱动两臂张合的电动缸，能够可靠夹持不同规格角钢的机械手，以及连接机械臂下端与机械手的俯仰关节。

所述的塔架攀爬机器人本体，两机械臂的上端通过销柱连接，下端与俯仰关节转轴相连，电动缸电机支座和顶杆分别与两个机械臂通过销柱连接。利用电动缸的伸缩运动实现两手臂以其上端的连接销柱为轴张合，可大大提高机器人本体的刚度，降低对驱动电机的要求，同时由于电动缸采用具有自锁功能的丝杆螺母传动方式，在断电的情况下，仍可保证两机械臂的夹角保持不变，便于姿态的独立控制。

所述的塔架攀爬机器人，用于连接手臂下端和机械手所采用的俯仰关节，可绕单轴转动，由蜗轮蜗杆传动机构实现关节的运动。俯仰关节与机械手的腕关节相连，通过联合控制两关节可实现对机械手夹持爪的位姿调整。两个俯仰关节旋转轴和双臂张合运动旋转轴互相平行，保证了机器人运动学逆问题存在封闭解，降低了控制的难度。

所述塔架攀爬机器人结构紧凑，双臂采用薄板加销柱的框架架构，在降低机器人重量的同时，提高了手臂的整体强度；驱动装置的控制单元、电源等安装于手臂框架结构内部。

本发明提供的机器人具有多个自由度，可以进行多自由度联动控制，可实现不同铁塔表面的复杂操作，越障能力强，能实现在无外力干预的情况下，沿塔架主材或斜材直线攀爬以及转弯的功能，是一种通用型塔架攀爬机器人。利用该机器人，可解决人工攀爬铁塔检修带来的劳动强度大、效率低、危险性大等问题。

附图说明：

附图1是本发明的关节式电力铁塔攀爬机器人的立体结构图。

附图2是本发明的机器人的两机械臂与电动缸装配立体示意图。

附图3是本发明的机器人的电动缸的结构示意图。

附图4是本发明的机器人的俯仰关节的主视图和A-A剖面图。

附图5是本发明的机器人沿铁塔主材移动和转弯示意图。

附图6是本发明的机器人沿铁塔主材直线前进并进行越障的攀爬步态示意图。

附图7是本发明的机器人由铁塔主材攀爬到横担上的转弯过程步态示意图。

在上述附图中，各图示标号所标识的对象为：1-右机械手夹持爪；2-右机械手腕关节；3-右手臂俯仰关节；4-右机械臂；5-电动缸；6-左机械臂；7-左手臂俯仰关节；8-左机械手腕关节；9-左机械手夹持爪；10-机械臂支撑销柱；11-薄板；12-电动缸驱动电机；13-左右机械臂连接销柱；14-长销柱；15-电动缸顶杆；16-短销柱；17-滑槽；18-电动缸电机支座；19-电动缸螺母；20-电动缸丝杆；21-导向块；22-俯仰关节驱动电机；23-蜗杆；24-蜗轮；25-俯仰机构蜗轮箱；26-蜗轮套筒；27-俯仰关节旋转轴；28-铁塔斜材；29-铁塔主材。

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。

本发明提供的关节式铁塔攀爬机器人，其整体结构图如附图1所示，包括一对机械臂4和6，驱动机械臂张合的电动缸5，机械手，该装置包括能对不同规格角钢进行夹持的夹持爪1和能独立调整夹持爪姿态的腕关节2，用于连接手臂下端与机械手的俯仰关节3和7。

附图2和3是机器人手臂和电动缸的实施结构。机械臂由薄板11和支撑销柱10组合而成，结构简单，刚度好；电动缸由固定在电动缸支座18上的驱动电机12，与电机输出轴连接的电动缸丝杆20，通过螺纹与丝杆20连接的螺母19，与螺母连接的顶杆15，与电动缸支座固连的滑槽17，与滑槽17端面固连的导向块21组成，其中顶杆在导向块中移动；两机械臂上端通过销柱13连接，电动缸支座18和电动缸顶杆15分别与两机械臂通过销柱14、16连接，电动缸驱动电机带动丝杆20旋转，螺母19与顶杆10直线运动，驱动手臂以其上端安装销柱13为轴旋转。

附图4是机器人手臂俯仰关节的实施结构。俯仰关节由俯仰关节驱动电机22，与电机输出轴连接的俯仰电机蜗杆23，与蜗杆啮合的俯仰关节蜗轮24，以及俯仰关节蜗轮箱25组成，为卸载作用在蜗轮连接轴上的弯矩，将俯仰关节蜗轮与套筒26固定，然后通过关节旋转轴27与俯仰关节蜗轮箱相连，而手臂下端与蜗轮套筒固连，机械手腕关节与俯仰关节蜗轮箱底部固连，因此手臂可绕俯仰关节旋转轴转动，机械手亦可绕俯仰关节旋转轴相对于手臂转动。在单爪夹持时亦可使机械臂及另一机械手绕该机械手爪部腕关节旋转，实现机器人的转向运动。

本发明提供的机器人主要功能是代替工人从铁塔塔基沿主材或斜材攀爬到铁塔顶部或横担上进行检修作业，其典型动作过程如下：

当机器人沿角钢直线移动时，其姿态如图5所示，后爪处于夹紧状态，前爪处于松开状态，对手臂俯仰关节和电动缸进行联合控制，以使前爪沿着角钢直线前移，与后爪的距离不断拉大到最大位置，然后夹紧前爪，松开原来夹紧的后爪，再通过联合控制手臂俯仰关节和电动缸，使后爪沿着角钢直线前移，与前爪靠拢，然后夹紧原来松开的后爪，松开原来夹紧的前爪。如此周而复始，可使机器人沿铁塔角钢一步一步向前攀爬。

当机器人翻越角钢表面的障碍时(如角钢与角钢直接连接处，节点板等)，如图6所示，首先采用上述运动方式，使机器人前后手爪尽量靠拢，前爪与障碍尽量接近，然后松开前爪，通过俯仰机构将前爪提升到高于障碍的平面，控制电动缸使手臂张开到最大位置，使前爪越过障碍，并夹紧角钢，然后松开后爪，再联动控制俯仰关节和电动缸使后爪沿角钢直线前移与障碍靠拢，然后夹紧后爪，松开前爪，然后重复前爪越障的方式，使后爪越过障碍，从而使整个机器人越过障碍。

当机器人由主材移动到斜材或由主材移动到横担，需要转弯时，如图7所示。首先将双爪靠拢，夹紧角钢，夹紧角钢，松开前爪，通过俯仰关节，将该手爪抬升，然后控制处于夹紧状态机械手的腕关节，使整个机器人以该机械手腕关节旋转轴为轴旋转一定角度，使前爪接近目标角钢，然后通过俯仰关节，电动缸的联合控制，使前爪朝目标角钢方向移动，综合控制机器人各个机构自由度找到新的抓取点，并抓紧角钢，此时松开原固定手爪，运用同样原理，再次寻找新的抓取点，最终实现转弯。

Claims (8)

1.一种塔架攀爬机器人，可实现沿铁塔主材或斜材攀爬、跨越障碍物，转弯等功能。其特征是机器人本体左右结构对称，包括一对机械臂4和6，驱动机械臂张合的电动缸5，能够抓紧不同规格角钢的机械手，连接手臂下端与机械手的俯仰关节3和7，以及装有电源和电器控制单元的电器箱等部件组成。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征是两机械臂上端通过安装轴13连接，电动缸驱动电机支座19和顶杆17分别与左右机械臂通过销柱14，15连接，电动缸直线伸缩，驱动双臂以安装轴13为轴旋转；机械臂下端与俯仰关节旋转轴相连，可使机械臂绕旋转轴转动。俯仰关节蜗轮箱与机械手腕关节固连，使得机械臂亦可绕夹持装置腕关节旋转。

3.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征是由俯仰关节驱动电机23，蜗杆24，蜗轮25，俯仰机构蜗轮箱26构成俯仰关节。驱动电机23与蜗杆24相连，蜗杆与蜗轮部分相啮合，在驱动电机23的驱动下，蜗杆绕固定的蜗轮旋转，从而带动机械手绕蜗轮轴旋转。当其中一机械手固定时，机械臂带着处于自由状态的另一机械手亦可绕蜗轮轴旋转。

4.根据权利要求1或2或3所述的机器人，其特征是由电动缸驱动电机12，电动缸电机支座19，丝杆21，螺母20，顶杆17，滑槽18，导向块22组成电动缸。安装在电动缸电机支座19上的驱动电机12输出轴与丝杆21相连，两滑槽18与支座固连，导向块22与两滑槽固连，顶杆17与螺母20固连，丝杆通过螺纹与螺母相连，在驱动电机12的驱动下，螺母带动顶杆在滑槽和导向块中作直线伸缩运动，使得双臂绕安装轴13旋转。通过控制电动缸驱动电机的转速和方向可以控制双臂张开的速度和角度。

5.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征是机械手带有可夹持不同规格角钢的夹持爪和腕关节，使得在机器人单爪固定时，机械臂带着另一处于自由状态的机械手可绕夹紧状态的机械手腕关节旋转，实现机器人的转弯功能，亦可实现手爪姿态调整。

6.根据权利要求1至5所述的机器人，其特征是该机器人是一个由五个旋转副构成的五自由度多关节机器人，其左右结构对称，其中关节2，3，4旋转轴线互相平行，这种结构布局，保证了机器人运动学逆问题存在封闭解，降低了机器人控制难度。

7.根据权利要求1至6所述的机器人，其特征是所有传动机构均采用了具有自锁功能的丝杆螺母传动或蜗轮蜗杆传动方式，确保了在断电的情况下，机器人仍保持当前的位姿，提高了机器人工作的安全系数。

8.根据权利要求1至6所述的机器人，其特征是机器人左右对称，结构紧凑，机械臂由薄板11和连接销柱10组成，提高了手臂的结构强度，同时降低了机体的重量，电源和驱动装置的控制单元安装在手臂框架内部。

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