CN103640010B - 多平台爬行式风轮机塔筒作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多平台爬行式风轮机塔筒作业机器人，包括第一和第二两层升降平台和第三层旋转平台，所述第三层旋转平台置放在第二层升降平台的顶面上；第一和第二两层升降平台基于蠕虫式的爬升运动，分别采用同步带和双边弯板链条协同工作实现缩放运动；第三层旋转平台采用钢带和周向运动小车协同工作实现缩放运动和旋转运动。本发明能够柔性地适应不同爬行截面的缩放运动，克服了Ring机器人由于经常变换轮胎方向所导致的动作不连贯现象以及由于缩放机构体积大而造成的与风轮机碰撞的现象。

Description

多平台爬行式风轮机塔筒作业机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体是一种多平台爬行式风轮机塔筒作业机器人，主要用于风力发电塔塔体和风轮机叶片的检测和维护。

背景技术

目前，风力发电市场已受到世界各国的广泛重视。从现场的反馈情况看，仍有部分风轮机存在故障率高的现象。在所有风轮机故障中，以塔筒和叶片的故障最为危险。目前，包括美国、德国和丹麦在内的多个国家都发生过风轮机着火及坍塌事故，其中大部分事故是由于缺少对塔筒和叶片的表面清理以及内部探伤。爬塔机器人能够代替人工进行塔筒和叶片的维护，应用前景广泛。

目前，国际上拥有风轮机爬行式作业机器人系统和技术的公司和大学主要有丹麦维斯塔斯公司、苏格兰ITI能源公司、美国Helical Robotics公司和英国南岸大学。

丹麦维斯塔斯(VESTAS)公司研发的SpiderCrane风轮机塔筒作业机器人类似于“塔式起重机”，其上下运动和位置固定分别依靠缆绳牵引和卡爪开合实现。它的主要缺点是定位切换时间较长，作业效率低。

苏格兰ITI公司研发的红毛猩猩Orangutan风轮机起重和维护系统由两个摩擦钳组成，通过液压结构相连，能让起重机像毛毛虫一样蠕动，沿风轮机上上下下。ITI已在一个大小为正常风力涡轮机1/5的模型上测试了该系统。该系统的定位比前述的SpiderCrane系统要灵活，但是体积更为庞大，实施作业时要求风轮机停止运行，安装和作业时间很长。

美国Helical Robotics公司的Helical作业机器人通过蛇形缠绕夹紧塔筒，通过驱动Mecanum万向轮胎实现机器人的上下、旋转、蛇形进退等运动。该系统由多个相同单元通过连杆机构连接而成，每个单元包含4个可驱动的Mecanum(麦卡伦)万向轮胎，通过连杆机构的弯曲可施加不同的缠绕力度。该机器人的优点在于能适应不同风轮机塔筒的直径，但其结构复杂，驱动数量多而控制困难。

结合以上三种系统存在的特点，英国南岸大学的学者在欧盟CRAFT项目支持下研发了Ring机器人。该系统采用正交轮驱动方式，每个轮子通过两个电机驱动实现方向变化和进退。另一方面，Ring机器人采用可伸缩框架，通过弹簧张力自适应调节框架的直径。Ring机器人的主要特点是结构相对于前述系统较紧凑，特别是可采用螺旋式运动实现更安全的下降。但是其仍然存在若干不足：经常变换轮胎方向致使动作不连贯，同时对塔体表面有较大摩伤；缩放机构的体积大，在风轮机上工作时可能发生干涉和碰撞。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种多平台爬行式风轮机塔筒作业机器人，该机器人能够完成连贯的爬行运动，且在风轮机上工作时能够避免与叶片发生干涉和碰撞。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种多平台爬行式风轮机塔筒作业机器人，包括第一和第二两层升降平台和第三层旋转平台，所述第三层旋转平台置放在第二层升降平台的顶面上；第一层升降平台包括至少三个均布在塔筒周围的升降单体，每个所述升降单体包括专属包装箱、环抱塔筒的同步带和双边弯板链条以及同步带缩放驱动装置，所述同步带缩放驱动装置设置在所述专属包装箱内；所述同步带的齿形朝内且水平设置并穿越所述专属包装箱，所述同步带的固定端连接在与其相邻的所述升降单体的包装箱上，所述同步带的自由端穿出所述专属包装箱；所述双边弯板链条固接在所述同步带的内侧；所述同步带缩放驱动装置包括同步带驱动电机，所述同步带驱动电机通过蜗轮蜗杆机构驱动竖直设置的蜗轮轴，所述蜗轮轴上连接有链轮，所述链轮与所述双边弯板链条啮合；在所述蜗轮轴的两侧分别设有与其平行的导向辊，所述导向辊位于所述同步带的外侧，所述同步带与所述导向辊摩擦连接，所述导向辊安装在所述专属包装箱内；所述第二层升降平台的结构与所述第一层升降平台的结构相同；所述第二层升降平台的升降单体和所述第一层升降平台的升降单体上下相对，且相对的两个所述升降单体之间通过气缸连接；所述第三层旋转平台包括环抱塔筒的钢带和至少三辆固装在所述钢带内侧的周向运动小车，其中任意一辆所述周向运动小车设有车厢，所述车厢内设有钢带缩放驱动装置，所述钢带缩放驱动装置包括钢带驱动电机，所述钢带驱动电机通过齿轮传动机构驱动绞盘轴，所述绞盘轴上缠绕有钢丝绳，所述钢丝绳穿出所述车厢的左侧与所述钢带连接，所述钢带的固定端与所述车厢的右侧固接，在所述钢带上固定有卡箍，所述卡箍设置在所述车厢的右侧，所述钢带的自由端依次穿过所述车厢的左侧、摩擦对辊、所述车厢的右侧和所述卡箍，所述摩擦对辊安装在所述车厢内，并竖直设置。

所述钢丝绳通过钢带接头与所述钢带连接，所述钢带接头固定在所述钢带的外侧，所述钢丝绳与所述钢带接头连接。

所述钢带为弹簧钢带。

本发明具有的优点和积极效果是：

1)将风轮机塔体的锥度纳入考虑范围之内，通过在升降平台和旋转平台上采用缩放结构，能够柔性地适应不同的爬行截面，从而避免了机器人在塔体顶端时与叶片碰撞的问题

2)采用将爬升运动和旋转运动分模块进行设计的形式，使得整体结构层次更加简单，又不失其功能性，出现故障时更容易检测出问题所在。并且，这在一定程度上解决了英国南岸大学Ring机器人中爬升运动与旋转运动动作不连贯的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明的两层升降平台的结构示意图；

图3是本发明的升降单体结构示意图；

图4是本发明的双边弯板链条与同步带连接的局部结构示意图；

图5是本发明的第三层旋转平台结构示意图；

图6是本发明的钢带在卡箍处的局部结构示意图；

图7是本发明的周向运动小车车厢的结构示意图。

图中：1、第二层升降平台；2，第一层升降平台；3，气缸；4，升降单体；4-1，同步带；4-1-1，同步带的固定端；4-1-2，同步带的自由端；4-2，双边弯板链条；4-2-1，耳板；4-3，铆钉；4-4、4-5导向辊；4-6，蜗杆轴；4-7，蜗轮；4-8，蜗轮轴；4-9，链轮；5，钢带；5-1，钢带的自由端；5-2，钢带的固定端；6、7、8，周向运动小车；9，螺母；10，螺栓；11，车厢；11-1，动力输入轴；11-2，主动齿轮；11-3，从动齿轮,11-4，绞盘轴；11-5，车厢左挡板；11-5-1，钢带通道；11-5-2，钢丝绳通道；11-6，车厢右挡板；11-6-1，钢带固定端；11-6-2，钢带通道；11-7、11-8，摩擦对辊；12，卡箍；13，钢丝绳；14，钢带接头；15，螺栓；16，第三层旋转平台。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图7，一种多平台爬行式风轮机塔筒作业机器人，包括第一和第二两层升降平台和第三层旋转平台16，所述第三层旋转平台16置放在第二层升降平台1的顶面上。

第一层升降平台2包括至少三个均布在塔筒周围的升降单体4，每个所述升降单体4包括专属包装箱、环抱塔筒的同步带4-1和双边弯板链条4-2以及同步带缩放驱动装置，所述同步带缩放驱动装置设置在所述专属包装箱内；所述同步带4-1的齿形朝内且水平设置并穿越所述专属包装箱，所述同步带的固定端4-1-1连接在与其相邻的所述升降单体的包装箱上，所述同步带的自由端4-1-2穿出所述专属包装箱；所述双边弯板链条4-2固接在所述同步带4-1的内侧；所述同步带缩放驱动装置包括同步带驱动电机，所述同步带驱动电机通过蜗轮蜗杆机构驱动竖直设置的蜗轮轴4-8，所述蜗轮轴4-8上连接有链轮4-9，所述链轮4-9与所述双边弯板链条4-2啮合；在所述蜗轮轴4-8的两侧分别设有与其平行的导向辊4-4、4-5，所述导向辊4-4、4-5位于所述同步带4-1的外侧，所述同步带4-1与所述导向辊4-4、4-5摩擦连接，所述导向辊4-4、4-5安装在所述专属包装箱内。

所述第二层升降平台1的结构与所述第一层升降平台2的结构相同；所述第二层升降平台1的升降单体和所述第一层升降平台2的升降单体上下相对，且相对的两个所述升降单体4之间通过气缸3连接。

所述第三层旋转平台16包括环抱塔筒的钢带5和至少三辆固装在所述钢带5内侧的周向运动小车6、7、8，其中任意一辆所述周向运动小车8设有车厢11，所述车厢11内设有钢带缩放驱动装置，所述钢带缩放驱动装置包括钢带驱动电机，所述钢带驱动电机通过齿轮传动机构驱动绞盘轴11-4，所述绞盘轴11-4上缠绕有钢丝绳13，所述钢丝绳13穿出所述车厢11的左侧与所述钢带5连接，所述钢带的固定端5-2与所述车厢11的右侧固接，在所述钢带5上固定有卡箍12，所述卡箍12设置在所述车厢11的右侧，所述钢带的自由端5-1依次穿过所述车厢11的左侧、摩擦对辊11-7、11-8、所述车厢11的右侧和所述卡箍12，所述摩擦对辊11-7、11-8安装在所述车厢11内，并竖直设置。

在本实施例中，钢带5的材质为弹簧钢，钢带5为弹簧钢钢带。

本发明的工作原理：

初始时刻，使第二层升降平台1的同步带4-1处于“放”的状态，即脱离塔筒；使第一层升降平台2的同步带4-1处于“缩”的状态，即抱紧塔筒。所述气缸3伸出，带动所述第二层升降平台1按照预定的步长完成爬升运动。此后，使第二层升降平台1的同步带4-1处于“缩”的状态，即抱紧塔筒；使所述第一层升降平台2的同步带4-1处于“放”的状态，即脱离塔筒。所述气缸3收缩，带动所述第一层升降平台2按照预定的步长完成爬升运动。以上四个步骤构成了蠕虫式爬升运动过程的一个周期，机器人按照此周期执行下去，直至机器人爬升至第三层旋转平台16到达塔筒需要检测的部位停止。

上述同步带的缩放运动由所述同步带4-1和双边弯板链条4-2协同完成。利用所述双边弯板链条4-2较高的抗拉强度来弥补所述同步带4-1较低的抗拉强度。所述双边弯板链条4-2的耳板4-2-1通过铆钉4-3与所述同步带4-1连接。为了使所述同步带的自由端4-1-2在被拉紧前预先张紧，被拉动的过程中沿预定轨迹运动，本发明采用了导向辊4-4、4-5。具体缩放运动过程如下：同步带驱动电机的输出轴通过联轴器与蜗杆轴4-6连接，所述蜗杆轴4-6通过蜗轮4-7将扭矩传到蜗轮轴4-8；所述蜗轮轴4-8上的链轮4-9拉动双边弯板链条4-2与同步带4-1一起运动，实现抱紧塔筒或脱离塔筒的运动。抱紧塔筒的功能是依靠所述同步带4-1的材料与塔筒的材料之间较大的摩擦因子。

第三层旋转平台16到达塔筒需要检测的部位后，采用钢带5和周向运动小车6、7、8组合的方式实现缩放运动和旋转运动。所述周向运动小车6、7、8的底盘通过多组螺栓10与螺母9进行连接，其中周向运动小车8设置车厢11。钢带的固定端5-2固定在车厢右挡板11-6上的钢带固定端11-6-1上，钢带的自由端5-1依次穿过车厢左挡板11-5上的钢带通道11-5-1、摩擦对辊子11-7、11-8之间的通道、车厢右挡板11-6上的钢带通道11-6-2和卡箍12，使得钢带5能够沿预定轨迹运动。所述摩擦对辊子11-7、11-8与所述钢带刚好能够完全接触，在实际应用过程中，可通过联合调节所述摩擦对辊11-7、11-8间的距离以及周向运动小车6、7、8的转速，使得所述钢带的自由端5-1能够在一个最佳的驱动状况下运动。所述摩擦对辊子11-7、11-8的调节作用是凭借其与钢带之间的摩擦力。卡箍12焊接在所述钢带的固定端5-2上。

上述第三层旋转平台的缩放运动和旋转运动的实现过程如下：钢带驱动电机的输出轴通过联轴器与动力输入轴11-1连接；所述动力输入轴11-1通过主动齿轮11-2和从动齿轮11-3将扭矩传到绞盘轴11-4。绞盘轴11-4带动钢丝绳13，钢丝绳13通过钢带接头14带动钢带5收缩或放松。钢带接头14通过多组螺栓15和螺母(此图未画出)与钢带5连接。在所述钢丝绳13带动所述钢带5“缩”和“放”的过程中，所述钢带5在其与所述钢丝绳13的连接处承受图形近似为正弦函数的对称载荷，当运动时间超过所述钢带5的疲劳寿命时，所述钢带5会因疲劳受损导致报废，需要进行更换。考虑到所述钢带5的用量，频繁的更换会造成浪费。既然疲劳受损主要发生在所述钢丝绳13与所述钢带5的连接处，故在此处添置了用量小的钢带接头14，使其与所述钢丝绳13相连接。这样，疲劳受损将导致钢带接头需要更换，能够避免钢带浪费。

当所述钢丝绳13带动所述钢带接头14完成收缩运动时，周向运动小车6、7、8的橡胶轮胎凭借其与塔筒之间的摩擦力抱紧塔筒而不致打滑。接下来，互成120°的周向运动小车6、7、8同时沿塔筒周向运动，带动检测装置执行大于360°的旋转检测运动。

在本发明中，两层升降平台与第三层旋转平台之间无连接。在爬升运动过程中，所述第三层旋转平台凭借其上三个周向小车依附在第二层升降平台的包装箱上，随两层升降平台同步升降；在第三层旋转平台的旋转运动过程中，第三层旋转平台不再需要依附第二层升降平台，在自身抱紧塔筒的同时便可以完成围绕塔筒的圆周运动。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多平台爬行式风轮机塔筒作业机器人，其特征在于，包括第一和第二两层升降平台和第三层旋转平台，所述第三层旋转平台置放在第二层升降平台的顶面上；

第一层升降平台包括至少三个均布在塔筒周围的升降单体，每个所述升降单体包括专属包装箱、环抱塔筒的同步带和双边弯板链条以及同步带缩放驱动装置，所述同步带缩放驱动装置设置在所述专属包装箱内；所述同步带的齿形朝内且水平设置并穿越所述专属包装箱，所述同步带的固定端连接在与其相邻的所述升降单体的包装箱上，所述同步带的自由端穿出所述专属包装箱；所述双边弯板链条固接在所述同步带的内侧；所述同步带缩放驱动装置包括同步带驱动电机，所述同步带驱动电机通过蜗轮蜗杆机构驱动竖直设置的蜗轮轴，所述蜗轮轴上连接有链轮，所述链轮与所述双边弯板链条啮合；在所述蜗轮轴的两侧分别设有与其平行的导向辊，所述导向辊位于所述同步带的外侧，所述同步带与所述导向辊摩擦连接，所述导向辊安装在所述专属包装箱内；

所述第二层升降平台的结构与所述第一层升降平台的结构相同；

所述第二层升降平台的升降单体和所述第一层升降平台的升降单体上下相对，且相对的两个所述升降单体之间通过气缸连接；

所述第三层旋转平台包括环抱塔筒的钢带和至少三辆固装在所述钢带内侧的周向运动小车，其中任意一辆所述周向运动小车设有车厢，所述车厢内设有钢带缩放驱动装置，所述钢带缩放驱动装置包括钢带驱动电机，所述钢带驱动电机通过齿轮传动机构驱动绞盘轴，所述绞盘轴上缠绕有钢丝绳，所述钢丝绳穿出所述车厢的左侧与所述钢带连接，所述钢带的固定端与所述车厢的右侧固接，在所述钢带上固定有卡箍，所述卡箍设置在所述车厢的右侧，所述钢带的自由端依次穿过所述车厢的左侧、摩擦对辊、所述车厢的右侧和所述卡箍，所述摩擦对辊安装在所述车厢内，并竖直设置；

第一和第二两层升降平台与所述第三层旋转平台之间无连接，在爬升运动过程中，所述第三层旋转平台凭借其上三个所述周向运动小车依附在所述第二层升降平台的专属包装箱上，随第一和第二两层升降平台同步升降；在所述第三层旋转平台的旋转运动过程中，所述第三层旋转平台抱紧塔筒围绕塔筒圆周运动。

2.根据权利要求1所述的多平台爬行式风轮机塔筒作业机器人，其特征在于，所述钢丝绳通过钢带接头与所述钢带连接，所述钢带接头固定在所述钢带的外侧，所述钢丝绳与所述钢带接头连接。

3.根据权利要求1所述的多平台爬行式风轮机塔筒作业机器人，其特征在于，所述钢带为弹簧钢带。