CN103895015A - 一种分体式自主越障巡线机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分体式自主越障巡线机器人，包括四个结构相同的驱动臂，两个结构相同的箱体、伸缩装置及平衡装置，其中两个驱动臂、一个箱体、一个伸缩装置和一个平衡装置构成一个单体机器人，两个这样的单体机器人由伸缩装置连接组成分体式自主越障巡线机器人。平衡装置置于箱体内，由驱动电机、联轴器、丝杠和配重块组成；伸缩装置由驱动电机、联轴器、丝杠和伸缩杆组成；驱动臂装置包括驱动轮装置、压紧轮装置及导向装置，所述驱动臂通过驱动轮悬挂在输电线上。本发明的分体式自主越障巡线机器人能够跨越悬垂线夹、防震锤、绝缘字串等障碍，并能够有效越过杆塔。机器人上装有传感器及控制系统，能够实现自主越障。

Description

一种分体式自主越障巡线机器人

技术领域

本发明涉及巡线机器人技术领域，特别是一种分体式自主越障巡线机器人。

背景技术

铁路机车供电线路的正常运行对保证社会生产和人民生活至关重要，而且电力线路长期暴漏在野外，长期风吹雨淋，容易老化，所以需要对输电线进行定期巡检。目前主要采用人工方式进行巡检工作，效率低、危险性高。因此，需要巡线机器人辅助完成巡线工作，利用巡线机器人及时、高效的发现并处理线路故障。

现有的巡线机器人也能够完成一定的巡线任务，并能跨越悬垂线夹、防震锤、绝缘字串等节点类障碍。但是，由于受到设计结构和技术水平限制，现有的巡线机器人还存在很多的缺陷和不足，越障能力非常有限。

发明内容

本发明的目的是针对现有巡线机器人不能有效跨越障碍的缺陷，提供了一种分体式自主越障巡线机器人，不仅能够跨越悬垂线夹、防震锤、绝缘字串等节点类障碍，还能够有效跨越杆塔障碍。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

一种分体式自主越障巡线机器人，包括四个结构相同的驱动臂，两个结构相同的箱体、伸缩装置及平衡装置；其中每两个驱动臂、一个箱体、一个伸缩装置和一个平衡装置构成一个单体机器人，两个单体机器人通过伸缩装置连接为一体；所述驱动臂由驱动轮装置、压紧轮装置、导向装置、机械臂支架和机械摆臂组成，驱动轮装置和压紧轮装置分别通过其上的第一滑块和第二滑块与机械臂支架上的滑槽相连，驱动轮装置和压紧轮装置中的丝杠螺母分别与导向装置的双头丝杠相连，导向装置连接在机械臂支架上，机械臂支架与机械摆臂固连；所述伸缩装置和平衡装置布置在箱体内，固连在箱体上的机械短臂与机械摆臂相连，形成转动关节。

所述驱动轮装置包括驱动轮、轮轴、第一滑块、第一联轴器、支架、第一丝杠螺母和第一驱动电机；所述驱动轮悬挂在输电线上，所述轮轴一端与驱动轮固连，中间部位通过滚动轴承与第一滑块相连，形成转动副，另一端通过第一联轴器与第一驱动电机固连；所述支架固定在第一滑块上，第一滑块安装在机械臂支架的滑槽内，形成移动副；所述第一丝杠螺母和第一驱动电机分别固定在支架上，第一丝杠螺母与双头丝杠相连。

所述压紧轮装置包括压紧轮、轮架、连接螺栓、弹簧、第二滑块、支架杆和第二丝杠螺母；所述轮架上部与压紧轮相连，形成转动副，下部一方面将其下端圆柱插入支架杆端部的圆柱孔内，并将弹簧套在轮架的圆柱上，另一方面通过连接螺栓使轮架与支架杆相接，它们之间的距离通过压缩弹簧而缩短，而不能伸长，防止压紧轮与输电线之间卡死；所述支架杆一端与第二丝杠螺母固连，中间部位与滑块相连接，另一端与轮架相连；所述第二滑块安装在机械臂支架的滑槽内，形成移动副；所述第二丝杠螺母与双头丝杠相连。

所述导向装置包括第二驱动电机和双头丝杠；所述双头丝杠上端通过推力轴承与机械臂支架连接，上下部的丝杠部位分别与第一丝杠螺母、第二丝杠螺母连接，上下部的丝杠部位螺纹相反，当双头丝杠转动时，驱动轮装置和压紧轮装置反向运动；所述第二驱动电机固定在机械臂支架上，电机转轴通过联轴器与双头丝杠固连；所述导向装置用于驱动轮与压紧轮的张开和闭合。

所述伸缩装置包括伸缩杆、第一丝杠、第二联轴器和第三驱动电机；第三驱动电机固定在箱体内部；第一丝杠通过第二联轴器与第三驱动电机固连，伸缩杆穿过箱体内壁上的滑动孔槽，通过螺旋副与第一丝杠相连；当第三驱动电机转动时，第一丝杠的旋转运动转化为伸缩杆的直线运动，实现自由伸出和缩回，伸出后卡在另一个箱体的杆槽内，起到支撑作用，缩回后置于箱体内，利用两个箱体之间的间隔使机器人顺利通过杆塔障碍。

所述平衡装置包括第四驱动电机、第三联轴器、第二丝杠、配重块和轴承座；第四驱动电机固定在箱体内部；第二丝杠一端通过第三联轴器与第四驱动电机固连，中间螺纹部位通过螺旋副与配重块相连，另一端通过滚动轴承与轴承座相连；轴承座固定在箱体内部。

本分体式自主越障巡线机器人还包括机器人控制装置和供电装置，布置在箱体内部。

本发明的工作原理如下：

本发明可以在输电线上运行，遇到障碍时可以自主识别并越过障碍，以下分别说明本发明的巡线机器人跨越两类不同障碍时的工作原理。第一类障碍为悬垂线夹、防震锤、绝缘字串等节点类障碍，第二类障碍为柱形杆塔障碍。

跨越第一类障碍的工作原理：

机器人接近第一类障碍时，首先机器人前端的传感器识别出障碍，两个箱体内的配重块分别在驱动电机作用下同时向后移动到箱体后端预定位置，重心后移，然后前面两个驱动臂的导向装置的驱动电机同时正转，通过双头丝杠分别使驱动轮装置上移一定距离、压紧轮装置下移一定距离，使前面两个驱动臂的驱动轮和压紧轮脱离输电线，然后电机停转，之后前面两个驱动臂与箱体机械短臂之间的转动关节在驱动电机作用下向外转动，使两个驱动臂同时向外转动90o。

然后巡线机器人在后面两个驱动轮作用下向前移动，当位于箱体中间部位的传感器识别到障碍时，驱动轮电机停转，之后前面两个驱动臂与箱体机械短臂之间的转动关节在驱动电机作用下向内转动，使两个驱动臂同时向内转动90o，驱动臂复位，然后，前面两个驱动臂的导向装置的驱动电机同时反转，通过双头丝杠分别使驱动轮装置下移一定距离、压紧轮装置上移一定距离，使驱动轮和压紧轮复位，再次卡住输电线。然后两个箱体内的配重块分别在驱动电机作用下同时向前移动到箱体前端预定位置，重心前移，之后，与上述原理相同，后面两个机械臂的驱动轮和压紧轮张开，脱离输电线，机械臂向外转动90o。

然后巡线机器人在前面两个驱动轮作用下前移，当位于箱体后端的传感器检测到障碍时，整个机器人已越过障碍，之后，与上述原理相同，后面两个驱动臂向内转动90o复位，驱动轮和压紧轮也分别复位，再次卡住输电线，两个箱体内的配重块同时向后移动到起初的中间位置，重心在中间。至此，分体式自主越障巡线机器人顺利跨越第一类障碍。

跨越第二类障碍的工作原理：

机器人接近第二类障碍时，首先机器人前端的传感器识别出障碍，两个箱体内的配重块分别在驱动电机作用下同时向后移动到箱体后端预定位置，重心后移，然后，如跨越第一类障碍的工作原理所述，前面两个驱动臂的驱动轮和压紧轮张开，脱离输电线，并且两个驱动臂同时向外转动90o。然后，位于前面伸缩装置的驱动电机正转，前面伸缩杆在螺旋副作用下缩回箱体内。

之后巡线机器人在后面两个驱动轮作用下向前移动，当位于箱体中间部位的传感器识别到障碍时，驱动轮电机停转，然后，位于前面伸缩装置的驱动电机反转，前面伸缩杆伸出，并卡在对应箱体的杆槽内。之后，如跨越第一类障碍的工作原理所述，前面两个驱动臂向内转动90o复位，驱动轮和压紧轮分别复位，再次卡住输电线。然后两个箱体内的配重块分别在驱动电机作用下同时向前移动到箱体前端预定位置，重心前移，之后，后面两个机械臂的驱动轮和压紧轮张开，脱离输电线，机械臂向外转动90o。当后面两个驱动臂向外转动90o之后，位于后面伸缩装置的驱动电机正转，后面伸缩杆在螺旋副作用下缩回箱体内。

然后巡线机器人在前面两个驱动轮作用下前移，当位于箱体后端的传感器检测到障碍时，整个机器人已越过障碍，之后，位于后面伸缩装置的驱动电机反转，后面伸缩杆伸出，并卡在对应箱体的杆槽内。然后，如跨越第一类障碍的工作原理所述，后面两个驱动臂向内转动90o复位，驱动轮和压紧轮也分别复位，再次卡住输电线，两个箱体内的配重块同时向后移动到起初的中间位置，重心在中间。至此，分体式自主越障巡线机器人顺利跨越第二类障碍。

与现有技术相比，本发明分体式自主越障巡线机器人具有以下有益效果：

本发明采用四个结构相同的驱动臂，两个结构相同的箱体、伸缩装置及平衡装置，互换性强。由于能够跨越各类障碍，故本发明的适应能力强，应用范围广。本发明采用自主巡线及越障，无须人工操作，能够适应野外长距离作业需要。

附图说明

图1为本发明分体式自主越障巡线机器人结构示意图。

图2为本发明驱动臂结构示意图。

图3为本发明驱动臂结构示意图。

图4为本发明驱动轮装置结构示意图。

图5为本发明驱动轮装置结构示意图。

图6为本发明压紧轮装置结构示意图。

图7为本发明压紧轮装置结构示意图。

图8为本发明箱体内部结构示意图。

图9（a~e）为本发明越过第一类障碍物示意图。

图10（a~e）为本发明越过第二类障碍物示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明一种分体式自主越障巡线机器人本体进行详细的描述。本发明中采用的方位词“前面”、“后面”是相对于巡线机器人在输电线1上的行走方向而言。

如图1~图8所示，一种分体式自主越障巡线机器人，其特征在于，包括四个结构相同的驱动臂I，两个结构相同的箱体32、伸缩装置II及平衡装置III；其中每两个驱动臂I、一个箱体32、一个伸缩装置II和一个平衡装置III构成一个单体机器人，两个单体机器人通过伸缩装置II连接为一体；所述驱动臂I由驱动轮装置Ia、压紧轮装置Ib、导向装置Ic、机械臂支架20和机械摆臂21组成，驱动轮装置Ia和压紧轮装置Ib分别通过其上的第一滑块6和第二滑块15与机械臂支架20上的滑槽相连，驱动轮装置Ia和压紧轮装置Ib中的第一丝杠螺母10、第二丝杠螺母17分别与导向装置Ic的双头丝杠18相连，导向装置Ic连接在机械臂支架20上，机械臂支架20与机械摆臂21固连；所述伸缩装置II和平衡装置III布置在箱体32内，固连在箱体32上的机械短臂22与机械摆臂21相连，形成转动关节3。

如图2~图5所示，所述驱动轮装置Ia包括驱动轮4、轮轴5、第一滑块6、第一联轴器7、支架8、第一丝杠螺母10和第一驱动电机9；所述驱动轮4悬挂在输电线1上，所述轮轴5一端与驱动轮4固连，中间部位通过滚动轴承与第一滑块6相连，形成转动副，另一端通过第一联轴器7与第一驱动电机9固连；所述支架8固定在第一滑块6上，第一滑块6安装在机械臂支架20的滑槽内，形成移动副；所述第一丝杠螺母10和第一驱动电机9分别固定在支架8上，第一丝杠螺母10与双头丝杠18相连。

如图2、3、6、7所示，所述压紧轮装置Ib包括压紧轮11、轮架12、连接螺栓13、弹簧14、第二滑块15、支架杆16和第二丝杠螺母17；所述轮架12上部与压紧轮11相连，形成转动副，下部一方面将其下端圆柱插入支架杆16端部的圆柱孔内，并将弹簧14套在轮架12的圆柱上，另一方面通过连接螺栓13使轮架12与支架杆16相接，它们之间的距离通过压缩弹簧14而缩短，而不能伸长，防止压紧轮11与输电线1之间卡死；所述支架杆16一端与第二丝杠螺母17固连，中间部位与滑块15相连接，另一端与轮架12相连；所述第二滑块15安装在机械臂支架20的滑槽内，形成移动副；所述第二丝杠螺母17与双头丝杠18相连。

如图2、3所示，所述导向装置Ic包括第二驱动电机19和双头丝杠18；所述双头丝杠18上端通过推力轴承与机械臂支架20连接，上下部的丝杠部位分别与第一丝杠螺母10、第二丝杠螺母17连接，上下部的丝杠部位螺纹相反，当双头丝杠18转动时，驱动轮装置Ia和压紧轮装置Ib反向运动；所述第二驱动电机19固定在机械臂支架20上，电机转轴通过联轴器与双头丝杠18固连；所述导向装置Ic用于驱动轮4与压紧轮11的张开和闭合。

如图1和图8所示，所述伸缩装置II包括伸缩杆23、第一丝杠24、第二联轴器25和第三驱动电机26；第三驱动电机26固定在箱体32内部；第一丝杠24通过第二联轴器25与第三驱动电机26固连，伸缩杆23穿过箱体32内壁上的滑动孔槽，通过螺旋副与第一丝杠24相连；当第三驱动电机26转动时，第一丝杠24的旋转运动转化为伸缩杆23的直线运动，实现自由伸出和缩回，伸出后卡在另一个箱体的杆槽内，起到支撑作用，缩回后置于箱体32内，利用两个箱体32之间的间隔使机器人顺利通过杆塔障碍。

如图8所示，所述平衡装置III包括第四驱动电机27、第三联轴器28、第二丝杠29、配重块30和轴承座31；第四驱动电机27固定在箱体32内部；第二丝杠29一端通过第三联轴器28与第四驱动电机27固连，中间螺纹部位通过螺旋副与配重块30相连，另一端通过滚动轴承与轴承座31相连；轴承座31固定在箱体32内部。

如图9（a~e）所示，机器人接近悬垂线夹、防震锤、绝缘字串等节点类障碍时（图9（a）），首先机器人前端的传感器识别出障碍，如图9（a~b）两个箱体32内的配重块30移动到箱体后端预定位置，重心后移，然后在第二驱动电机19作用下前面两个驱动臂I的驱动轮4和压紧轮11张开，脱离输电线1，之后前面两个驱动臂I通过转动关节3分别向外转动90o。

如图9（b~c）机器人在后面两个驱动轮4作用下向前移动，当位于箱体32中间部位的传感器识别到障碍时，驱动轮4的第一驱动电机9停转，前面两个驱动臂I同时向内转动90o复位，然后，前面两个驱动臂I的驱动轮4和压紧轮11闭合复位，再次卡住输电线1。

如图9（c~d）两个箱体32内的配重块30移动到箱体前端预定位置，重心前移，后面两个机械臂I的驱动轮4和压紧轮11张开，脱离输电线1，且两个机械臂I向外转动90o。

如图9（d~e）巡线机器人在前面两个驱动轮4作用下前移，当位于箱体32后端的传感器检测到障碍时，整个机器人已越过障碍，然后，后面两个驱动臂I向内转动90o复位，驱动轮4和压紧轮11闭合复位，再次卡住输电线1，两个箱体32内的配重块30同时向后移动到起初的中间位置，重心在中间。至此，分体式自主越障巡线机器人顺利跨越节点类障碍。

如图10（a~e）所示，机器人接近杆塔障碍2时（图10（a）），首先机器人前端的传感器识别出障碍，如图10（a~b）两个箱体32内的配重块30移动到箱体后端预定位置，重心后移，然后在第二驱动电机19作用下前面两个驱动臂I的驱动轮4和压紧轮11张开，脱离输电线1，之后前面两个驱动臂I通过转动关节3分别向外转动90o。然后，前面伸缩装置II的第三驱动电机26正转，前面伸缩杆23在螺旋副作用下缩回箱体32内。

如图10（b~c）机器人在后面两个驱动轮4作用下向前移动，当位于箱体32中间部位的传感器识别到障碍时，驱动轮4的第一驱动电机9停转，然后，前面伸缩装置II的第三驱动电机26反转，前面伸缩杆23伸出，并卡在对应箱体32的杆槽内。之后前面两个驱动臂I同时向内转动90o复位，驱动轮4和压紧轮11闭合复位，再次卡住输电线1。

如图10（c~d）两个箱体32内的配重块30移动到箱体前端预定位置，重心前移，后面两个机械臂I的驱动轮4和压紧轮11张开，脱离输电线1，且两个机械臂I向外转动90o。然后，后面伸缩装置II的第三驱动电机26正转，后面伸缩杆23在螺旋副作用下缩回箱体内。

如图10（d~e）巡线机器人在前面两个驱动轮4作用下前移，当位于箱体32后端的传感器检测到障碍时，整个机器人已越过障碍，然后，后面伸缩装置II的第三驱动电机26反转，后面伸缩杆23伸出，并卡在对应箱体32的杆槽内。后面两个驱动臂I向内转动90o复位，驱动轮4和压紧轮11闭合复位，再次卡住输电线1，两个箱体32内的配重块30同时向后移动到起初的中间位置，重心在中间。至此，分体式自主越障巡线机器人顺利跨越杆塔障碍。

Claims (7)

1.一种分体式自主越障巡线机器人，其特征在于，包括四个结构相同的驱动臂（I），两个结构相同的箱体（32）、伸缩装置（II）及平衡装置（III）；其中每两个驱动臂（I）、一个箱体（32）、一个伸缩装置（II）和一个平衡装置（III）构成一个单体机器人，两个单体机器人通过伸缩装置（II）连接为一体；所述驱动臂（I）由驱动轮装置（Ia）、压紧轮装置（Ib）、导向装置（Ic）、机械臂支架（20）和机械摆臂（21）组成，驱动轮装置（Ia）和压紧轮装置（Ib）分别通过其上的第一滑块（6）和第二滑块（15）与机械臂支架（20）上的滑槽相连，驱动轮装置（Ia）和压紧轮装置（Ib）中的第一丝杠螺母（10）、第二丝杠螺母（17）分别与导向装置（Ic）的双头丝杠（18）相连，导向装置（Ic）连接在机械臂支架（20）上，机械臂支架（20）与机械摆臂（21）固连；所述伸缩装置（II）和平衡装置（III）布置在箱体（32）内，固连在箱体（32）上的机械短臂（22）与机械摆臂（21）相连，形成转动关节（3）。

2.根据权利要求1所述的分体式自主越障巡线机器人，其特征在于，所述驱动轮装置（Ia）包括驱动轮（4）、轮轴（5）、第一滑块（6）、第一联轴器（7）、支架（8）、第一丝杠螺母（10）和第一驱动电机（9）；所述驱动轮（4）悬挂在输电线（1）上，所述轮轴（5）一端与驱动轮（4）固连，中间部位通过滚动轴承与第一滑块（6）相连，形成转动副，另一端通过第一联轴器（7）与第一驱动电机（9）固连；所述支架（8）固定在第一滑块（6）上，第一滑块（6）安装在机械臂支架（20）的滑槽内，形成移动副；所述第一丝杠螺母（10）和第一驱动电机（9）分别固定在支架（8）上，第一丝杠螺母（10）与双头丝杠（18）相连。

3.根据权利要求1所述的分体式自主越障巡线机器人，其特征在于，所述压紧轮装置（Ib）包括压紧轮（11）、轮架（12）、连接螺栓（13）、弹簧（14）、第二滑块（15）、支架杆（16）和第二丝杠螺母（17）；所述轮架（12）上部与压紧轮（11）相连，形成转动副，下部一方面将其下端圆柱插入支架杆（16）端部的圆柱孔内，并将弹簧（14）套在轮架（12）的圆柱上，另一方面通过连接螺栓（13）使轮架（12）与支架杆（16）相接，它们之间的距离通过压缩弹簧（14）而缩短，而不能伸长，防止压紧轮（11）与输电线（1）之间卡死；所述支架杆（16）一端与第二丝杠螺母（17）固连，中间部位与滑块（15）相连接，另一端与轮架（12）相连；所述第二滑块（15）安装在机械臂支架（20）的滑槽内，形成移动副；所述第二丝杠螺母（17）与双头丝杠（18）相连。

4.根据权利要求1所述的分体式自主越障巡线机器人，其特征在于，所述导向装置（Ic）包括第二驱动电机（19）和双头丝杠（18）；所述双头丝杠（18）上端通过推力轴承与机械臂支架（20）连接，上下部的丝杠部位分别与第一丝杠螺母（10）、第二丝杠螺母（17）连接，上下部的丝杠部位螺纹相反，当双头丝杠（18）转动时，驱动轮装置（Ia）和压紧轮装置（Ib）反向运动；所述第二驱动电机（19）固定在机械臂支架（20）上，电机转轴通过联轴器与双头丝杠（18）固连；所述导向装置（Ic）用于驱动轮（4）与压紧轮（11）的张开和闭合。

5.根据权利要求1所述的分体式自主越障巡线机器人，其特征在于，所述伸缩装置（II）包括伸缩杆（23）、第一丝杠（24）、第二联轴器（25）和第三驱动电机（26）；第三驱动电机（26）固定在箱体（32）内部；第一丝杠（24）通过第二联轴器（25）与第三驱动电机（26）固连，伸缩杆（23）穿过箱体（32）内壁上的滑动孔槽，通过螺旋副与第一丝杠（24）相连；当第三驱动电机（26）转动时，第一丝杠（24）的旋转运动转化为伸缩杆（23）的直线运动，实现自由伸出和缩回，伸出后卡在另一个箱体的杆槽内，起到支撑作用，缩回后置于箱体（32）内，利用两个箱体（32）之间的间隔使机器人顺利通过杆塔障碍。

6.根据权利要求1所述的分体式自主越障巡线机器人，其特征在于，所述平衡装置（III）包括第四驱动电机（27）、第三联轴器（28）、第二丝杠（29）、配重块（30）和轴承座（31）；第四驱动电机（27）固定在箱体（32）内部；第二丝杠（29）一端通过第三联轴器（28）与第四驱动电机（27）固连，中间螺纹部位通过螺旋副与配重块（30）相连，另一端通过滚动轴承与轴承座（31）相连；轴承座（31）固定在箱体（32）内部。

7.根据权利要求1所述的分体式自主越障巡线机器人，其特征在于，还包括机器人控制装置和供电装置，布置在箱体（32）内部。

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