CN104477272A - 一种能够攀爬杆塔的巡线机器人及攀爬方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够攀爬杆塔的巡线机器人，采用双臂式巡线机器人结构，两个机械臂布置于机器人的同侧，每一个机械臂有三个自由度，机械臂能够沿着臂长方向上下移动，沿着机械臂所在竖直面方向旋转，沿着机体所在水平面旋转，同时机械臂整体能够沿着机体上的导轨移动；每个机械臂上方有两个能够沿着机械臂张开合紧的半滚轮。这种结构的机器人能够攀爬杆塔巡检杆塔故障，方便巡线机器人上下线，还能完成对输电线路的巡检任务，而且机器人在输电线上越障方式简单，姿态控制容易，从而提高巡检效率、增强机器人的自主智能性。

Description

一种能够攀爬杆塔的巡线机器人及攀爬方法

技术领域

本发明专利涉及一种机器人的机械结构设计，尤其是一种能够攀爬杆塔的巡线机器人。

背景技术

巡线机器人主要用于高压输电线路的故障检测，国外巡线机器人技术始于20世纪80年代，而国内巡线机器人技术是在国家十一五“八六三”计划的支持下，武汉大学、山东科技大学和中科院自动化研究所等高校率先研发巡线机器人技术。目前国内外的巡线机器人技术已经成熟，在结构上他们综合了轮臂复合结构和多节分体结构的优点，同时行走方式上兼容了轮式移动和步进式蠕动的特点，确保巡线机器人能够跨越输电线路上诸如防震锤、悬垂线夹一类的障碍物，能够在输电线路上可靠、安全的进行巡线任务，并将巡检信息传送至地面基站。然而目前多采用的双吊臂式巡线机器人在越障过程中，单臂悬挂，容易扭摆，重心调节以及姿态控制难度大。相比巡线机器人，国内外关于杆塔攀爬机器人研究还处于理论阶段，目前为止，杆塔攀爬机器人运动机构主要采用移动式、蠕动式和扭转式结构，而夹紧机构主要采用电磁结构或者机械夹爪结构；杆塔攀爬机器人主要用于输电杆塔的故障检测，能够在杆塔角钢上攀爬前进。而目前巡线机器人上下线所采用的人工辅助法，需要输电线悬挂起吊设备，人工攀爬杆塔，辅助机器人上下输电线。这种巡线机器人上下线的方法存在安全性低、劳动强度大、工作效率低的缺点。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的双吊臂式巡线机器人在越障过程中，单臂悬挂，容易扭摆，重心调节以及姿态控制难度大以及利用巡线机器人上下线采用的人工辅助法安全性低、劳动强度大、工作效率低等的技术问题；提供了一种能够攀爬杆塔巡检杆塔故障，方便巡线机器人上下线，还能完成对输电线路的巡检任务，而且机器人在输电线上越障方式简单，姿态控制容易，从而提高巡检效率、增强机器人的自主智能性的一种能够攀爬杆塔的巡线机器人及攀爬方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种能够攀爬杆塔的巡线机器人，其特征在于，巡线机器人主要由机体、固定在机体的移动导轨、沿着移动导轨移动方向对称布置在移动导轨上且结构相同的奇臂和偶臂；奇臂和偶臂均包括一个安装有半滚轮的小臂和对称臂、凹槽臂、大臂；所述奇臂和偶臂分别有6个运动副，分别是：

上下移动副：包括装在小臂的半滚轮内部且缠绕有导线的铁芯的电磁铁，缠绕导线的铁芯位于滚轮外壳中；对称臂的半滚轮内部装有永磁铁，驱动半滚轮滚动的滚动电机位于半滚轮外侧，对称臂内部装有丝杠螺母机构，移动电机位于对称臂外侧，使得装在对称臂外侧的压紧轮能够沿着对称臂上下移动；

张合旋转副：包括连接在小臂和对称臂相对的内侧的被压缩的弹簧，即使在电磁铁失效的情况下，也能通过被压缩的弹簧闭合夹紧；奇臂上的小臂和对称臂反对称连接在凹槽臂上，凹槽臂外侧的张合电机通过等大小的两个齿轮带动，使得小臂和对称臂能够沿着凹槽臂相反方向同等角速度的张开合紧；

伸缩移动副：包括丝杠螺母机构，凹槽臂与大臂内部通过丝杠螺母机构连接，凹槽臂上安装有伸缩电机，使得凹槽臂能够沿着大臂上下伸缩；

垂直面旋转副：包括旋转台，奇臂或偶臂连接至旋转台上，在旋转台上电机齿轮箱的带动下，奇臂或偶臂能够绕着旋转台垂直面方向旋转；

水平面旋转副：包括一个移动基座，连接有奇臂或偶臂的旋转台在移动基座外侧的旋转电机的带动下，绕着移动基座水平面方向旋转；

以及整个机械臂沿着移动导轨的移动副：移动基座与移动导轨通过丝杠螺母机构连接，在电机的驱动下，使得连接在移动基座上的奇臂或偶臂沿着移动导轨长度方向移动。

一种能够攀爬杆塔的巡线机器人的的攀爬方法，其特征在于，当巡线机器人沿着竖直面攀爬杆塔，具体攀爬过程是：

初始状态，奇臂和偶臂上的半滚轮上的电磁铁通电，使得两臂的半滚轮能够夹紧杆塔角钢的一个直角面，两臂处于伸长状态；巡线机器人攀爬杆塔的过程是：偶臂的一个半滚轮上的电磁铁断电，张合电机通过两个等大小的齿轮的传动，克服安装在小臂和对称臂内侧的弹簧，驱动张合旋转副旋转一定角度，使得小臂和对称臂张开，从而张开两个半滚轮；启动伸缩电机，通过丝杠螺母机构，驱动伸缩移动副，收缩凹槽臂；偶臂夹紧，奇臂在电机的驱动下，依靠移动副，带动机体沿着移动导轨前进，之后欧臂夹紧，奇臂松开半滚轮，沿着移动导轨前进；奇臂和偶臂交替夹紧杆塔的角钢，沿着移动导轨前进，达到攀爬杆塔的作用。

一种能够攀爬杆塔的巡线机器人的的攀爬方法，其特征在于，巡线机器人能够从竖角钢攀爬到与竖角钢不共面，且成一定角度的横角钢上，具体攀爬过程是：

巡线机器人两臂交替移动到横角钢附近，驱动张合旋转副，奇臂张开夹紧角钢的两个半滚轮，利用伸缩移动副收缩凹槽臂，通过移动副，奇臂带动机体向下移动，调节巡线机器人重心接近偶臂，通过偶臂上的电机齿轮箱驱动垂直面旋转副，旋转电机驱动水平面旋转副，带动奇臂、移动导轨以及机体绕相交的两个轴旋转一定角度，使得奇臂位于横角钢正下方，之后通过电机带动奇臂上的垂直旋转副旋转一定角度，伸长凹槽臂，夹紧半滚轮；接着偶臂张开半滚轮，收缩凹槽臂，偶臂和机体沿着移动导轨移动以调节重心，旋转奇臂的垂直旋转副、水平旋转副以及偶臂的垂直旋转副，使得偶臂位于横角钢正下方，之后伸长偶臂的凹槽臂，夹紧半滚轮，从而实现巡线机器人攀爬三维结构的角钢。在巡线机器人攀爬杆塔的过程中，可以通过机体两侧上的摄像头巡检杆塔故障，并把巡检信息传递给地面基站。

一种能够攀爬杆塔的巡线机器人的的攀爬方法，其特征在于，巡线机器人能够越过防震锤这一类障碍物，实现对输电线路的巡检；具体越障过程是：

两机械臂半滚轮夹紧，挂在输电线上，无障碍的直线段，两半滚轮在滚动电机的驱动下，沿着直线段前进，遇到坡度无障碍段，夹紧压紧轮滚动前进；遇到防震锤时，张开奇臂半滚轮，奇臂带动机体沿着移动导轨移动，使巡线机器人的重心落在偶臂正下方，驱动偶臂的半滚轮，带动机器人沿着输电线滚动前进，使奇臂越过防震锤，接着奇臂夹紧半滚轮，偶臂张开半滚轮，带动机体沿着移动导轨前进，调节机器人重心至奇臂正下方，驱动奇臂的半滚轮，带动机器人沿着输电线滚动前进，使偶臂越过防震锤，从而实现巡线机器人在输电线上跨越防震锤一类的障碍物。巡线机器人在输电线上滚动前进时，通过机体两侧的摄像头实现对输电线路的故障信息收集，并把故障信息传递给地面基站。

因此，本发明具有如下优点：实现机器人的一机多用，机器人不仅能够攀爬杆塔巡检杆塔故障，还能攀爬至杆塔塔头，方便机器人上下线，同时能进行输电线路巡检任务，而且机器人在线越障时，姿态控制、越障能力均得到提高，从而提高巡检效率、增强机器人的自主智能性。

附图说明

图1是巡线机器人整体结构的示意图。

图2是巡线机器人的机构运动简图的示意图。

图3是巡线机器人沿着竖直面攀爬杆塔的示意图。

图4是巡线机器人从竖角钢攀爬到与竖角钢不共面的示意图。

图5是巡线机器人越过防震锤这一类障碍物，实现对输电线路的巡检任务的示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中1.机体，2. 电机，3. 旋转电机，4. 移动基座，5. 旋转台，6. 电机齿轮箱，7. 奇臂，8. 伸缩电机，9. 凹槽臂，10. 张合电机，11. 移动电机，12. 压紧轮，13. 对称臂，14. 滚动电机，15. 电磁铁，16. 齿轮，17. 弹簧，18. 小臂，19. 滚轮外壳，20. 永磁铁，21. 移动导轨，22. 半滚轮，23. 大臂，24. 张合旋转副，25. 伸缩移动副，26. 垂直面旋转副，27. 水平面旋转副，28. 移动副，29.上下移动副，30.杆塔，31. 偶臂，32.摄像头，33. 横角钢，34.输电线，35.防震锤，36. 竖角钢。

实施例：

在图1中，巡线机器人主要由机体1、移动导轨21、奇臂7、偶臂31组成。奇臂7和偶臂31沿着移动导轨21移动方向对称布置，结构相同，这里只介绍奇臂的结构。奇臂7由安装有半滚轮22的小臂18和对称臂13、凹槽臂9、大臂23组成。小臂18的半滚轮22内部装有缠绕导线的铁芯组成的电磁铁15，缠绕导线的铁芯位于滚轮外壳19中；对称臂13的半滚轮22内部装有永磁铁20，驱动半滚轮滚动的滚动电机14位于半滚轮22外侧，对称臂13内部装有丝杠螺母机构，移动电机11位于对称臂13外侧，使得装在对称臂13外侧的压紧轮12能够沿着对称臂13上下移动，小臂18和对称臂13相对的内侧连接有被压缩的弹簧17，即使在电磁铁15失效的情况下，也能通过被压缩的弹簧17闭合夹紧；奇臂7上的小臂18和对称臂13反对称连接在凹槽臂9上，凹槽臂9外侧的张合电机10通过等大小的两个齿轮16带动，使得小臂18和对称臂13能够沿着凹槽臂9相反方向同等角速度的张开合紧；凹槽臂9与大臂23内部通过丝杠螺母机构连接，凹槽臂9上安装有伸缩电机8，使得凹槽臂9 能够沿着大臂23上下伸缩；奇臂7连接至旋转台5，在旋转台上电机齿轮箱6的带动下，奇臂7能够绕着旋转台5垂直面方向旋转；连接有奇臂7的旋转台5在移动基座4外侧的旋转电机3的带动下，绕着移动基座4水平面方向旋转；移动基座4与移动导轨21通过丝杠螺母机构连接，在电机2的驱动下，使得连接在移动基座4上的奇臂7沿着移动导轨长度方向移动。在图2中，根据巡线机器人的结构特征，画出了巡检机器人的机构运动简图，由图可以看出，整个巡线机器人有12个自由度，奇臂7和偶臂31分别有6个运动副，分别是夹紧轮12的上下移动副29、小臂18与对称臂13的张合旋转副24、机械臂的伸缩移动副25、垂直面旋转副26、水平面旋转副27、机械臂沿着移动导轨21的移动副28。

在图3所示实施例中，巡线机器人沿着竖直面攀爬杆塔30，初始状态，奇臂7和偶臂31上的半滚轮22上的电磁铁20通电，使得两臂的半滚轮22能够夹紧杆塔30角钢的一个直角面，两臂处于伸长状态；巡线机器人攀爬杆塔30的过程是：偶臂31的一个半滚轮22上的电磁铁20断电，张合电机10通过两个等大小的齿轮16的传动，克服安装在小臂18和对称臂13内侧的弹簧17，驱动张合旋转副24旋转一定角度，使得小臂18和对称臂13张开，从而张开两个半滚轮22；启动伸缩电机8，通过丝杠螺母机构，驱动伸缩移动副25，收缩凹槽臂9；偶臂31夹紧，奇臂7在电机2的驱动下，依靠移动副28，带动机体1沿着移动导轨21前进，之后欧臂31夹紧，奇臂7松开半滚轮22，沿着移动导轨21前进；奇臂7和偶臂31交替夹紧杆塔30的角钢，沿着移动导轨21前进，达到攀爬杆塔30的作用。

在图4所示实施例中，巡线机器人能够从竖角钢36攀爬到与竖角钢36不共面，且成一定角度的横角钢33上，具体攀爬过程是：巡线机器人两臂交替移动到横角钢33附近，驱动张合旋转副24，奇臂7张开夹紧角钢的两个半滚轮22，利用伸缩移动副25收缩凹槽臂9，通过移动副28，奇臂7带动机体1向下移动，调节巡线机器人重心接近偶臂31，通过偶臂31上的电机齿轮箱6驱动垂直面旋转副26，旋转电机3驱动水平面旋转副27，带动奇臂7、移动导轨21以及机体1绕相交的两个轴旋转一定角度，使得奇臂7位于横角钢33正下方，之后通过电机带动奇臂7上的垂直旋转副26旋转一定角度，伸长凹槽臂9，夹紧半滚轮22；接着偶臂31张开半滚轮22，收缩凹槽臂9，偶臂31和机体1沿着移动导轨21移动以调节重心，旋转奇臂的垂直旋转副26、水平旋转副27以及偶臂31的垂直旋转副26，使得偶臂31位于横角钢33正下方，之后伸长偶臂31的凹槽臂9，夹紧半滚轮22，从而实现巡线机器人攀爬三维结构的角钢。在巡线机器人攀爬杆塔30的过程中，可以通过机体两侧上的摄像头32巡检杆塔故障，并把巡检信息传递给地面基站。

在图5所示实施例中，巡线机器人能够越过防震锤这一类障碍物，实现对输电线路的巡检任务。具体越障过程是：两机械臂半滚轮22夹紧，挂在输电线34上，无障碍的直线段，两半滚轮22在滚动电机14的驱动下，沿着直线段前进，遇到坡度无障碍段，夹紧压紧轮12滚动前进；遇到防震锤35时，张开奇臂7半滚轮22，奇臂7带动机体1沿着移动导轨21移动，使巡线机器人的重心落在偶臂31正下方，驱动偶臂31的半滚轮22，带动机器人沿着输电线34滚动前进，使奇臂7越过防震锤34，接着奇臂7夹紧半滚轮22，偶臂31张开半滚轮22，带动机体1沿着移动导轨21前进，调节机器人重心至奇臂7正下方，驱动奇臂7的半滚轮22，带动机器人沿着输电线34滚动前进，使偶臂31越过防震锤34，从而实现巡线机器人在输电线34上跨越防震锤34一类的障碍物。巡线机器人在输电线34上滚动前进时，通过机体1两侧的摄像头32实现对输电线路的故障信息收集，并把故障信息传递给地面基站，以便及时发现故障，解决故障问题。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种能够攀爬杆塔的巡线机器人，其特征在于，巡线机器人主要由机体（1）、固定在机体（1）的移动导轨（21）、沿着移动导轨（21）移动方向对称布置在移动导轨（21）上且结构相同的奇臂（7）和偶臂（31）；奇臂（7）和偶臂（31）均包括一个安装有半滚轮（22）的小臂（18）和对称臂（13）、凹槽臂（9）、大臂（23）；所述奇臂（7）和偶臂（31）分别有6个运动副，分别是：

上下移动副（29）：包括装在小臂（18）的半滚轮（22）内部且缠绕有导线的铁芯的电磁铁（15），缠绕导线的铁芯位于滚轮外壳（19）中；对称臂（13）的半滚轮（22）内部装有永磁铁（20），驱动半滚轮滚动的滚动电机（14）位于半滚轮（22）外侧，对称臂（13）内部装有丝杠螺母机构，移动电机（11）位于对称臂（13）外侧，使得装在对称臂（13）外侧的压紧轮（12）能够沿着对称臂（13）上下移动；

张合旋转副（24）：包括连接在小臂（18）和对称臂（13）相对的内侧的被压缩的弹簧（17），即使在电磁铁（15）失效的情况下，也能通过被压缩的弹簧（17）闭合夹紧；奇臂（7）上的小臂（18）和对称臂（13）反对称连接在凹槽臂（9）上，凹槽臂（9）外侧的张合电机（10）通过等大小的两个齿轮（16）带动，使得小臂（18）和对称臂（13）能够沿着凹槽臂（9）相反方向同等角速度的张开合紧；

伸缩移动副（25）：包括丝杠螺母机构，凹槽臂（9）与大臂（23）内部通过丝杠螺母机构连接，凹槽臂（9）上安装有伸缩电机（8），使得凹槽臂（9） 能够沿着大臂（23）上下伸缩；

垂直面旋转副（26）：包括旋转台（5），奇臂（7）或偶臂（31）连接至旋转台（5）上，在旋转台上电机齿轮箱（6）的带动下，奇臂（7）或偶臂（31）能够绕着旋转台（5）垂直面方向旋转；

水平面旋转副（27）：包括一个移动基座（4），连接有奇臂（7）或偶臂（31）的旋转台（5）在移动基座（4）外侧的旋转电机（3）的带动下，绕着移动基座（4）水平面方向旋转；

以及整个机械臂沿着移动导轨（21）的移动副（28）：移动基座（4）与移动导轨（21）通过丝杠螺母机构连接，在电机（2）的驱动下，使得连接在移动基座（4）上的奇臂（7）或偶臂（31）沿着移动导轨长度方向移动。

2.一种能够攀爬杆塔的巡线机器人的的攀爬方法，其特征在于，当巡线机器人沿着竖直面攀爬杆塔（30），具体攀爬过程是：

初始状态，奇臂（7）和偶臂（31）上的半滚轮（22）上的电磁铁（20）通电，使得两臂的半滚轮（22）能够夹紧杆塔（30）角钢的一个直角面，两臂处于伸长状态；巡线机器人攀爬杆塔（30）的过程是：偶臂（31）的一个半滚轮（22）上的电磁铁（20）断电，张合电机（10）通过两个等大小的齿轮（16）的传动，克服安装在小臂（18）和对称臂（13）内侧的弹簧（17），驱动张合旋转副（24）旋转一定角度，使得小臂（18）和对称臂（13）张开，从而张开两个半滚轮（22）；启动伸缩电机（8），通过丝杠螺母机构，驱动伸缩移动副（25），收缩凹槽臂（9）；偶臂（31）夹紧，奇臂（7）在电机（2）的驱动下，依靠移动副（28），带动机体（1）沿着移动导轨（21）前进，之后欧臂（31）夹紧，奇臂（7）松开半滚轮（22），沿着移动导轨（21）前进；奇臂（7）和偶臂（31）交替夹紧杆塔（30）的角钢，沿着移动导轨（21）前进，达到攀爬杆塔（30）的作用。

3.一种能够攀爬杆塔的巡线机器人的的攀爬方法，其特征在于，巡线机器人能够从竖角钢（36）攀爬到与竖角钢（36）不共面，且成一定角度的横角钢（33）上，具体攀爬过程是：

巡线机器人两臂交替移动到横角钢（33）附近，驱动张合旋转副（24），奇臂（7）张开夹紧角钢的两个半滚轮（22），利用伸缩移动副（25）收缩凹槽臂（9），通过移动副（28），奇臂（7）带动机体（1）向下移动，调节巡线机器人重心接近偶臂（31），通过偶臂（31）上的电机齿轮箱（6）驱动垂直面旋转副（26），旋转电机（3）驱动水平面旋转副（27），带动奇臂（7）、移动导轨（21）以及机体（1）绕相交的两个轴旋转一定角度，使得奇臂（7）位于横角钢（33）正下方，之后通过电机带动奇臂（7）上的垂直旋转副（26）旋转一定角度，伸长凹槽臂（9），夹紧半滚轮（22）；接着偶臂（31）张开半滚轮（22），收缩凹槽臂（9），偶臂（31）和机体（1）沿着移动导轨（21）移动以调节重心，旋转奇臂的垂直旋转副（26）、水平旋转副（27）以及偶臂（31）的垂直旋转副（26），使得偶臂（31）位于横角钢（33）正下方，之后伸长偶臂（31）的凹槽臂（9），夹紧半滚轮（22），从而实现巡线机器人攀爬三维结构的角钢；在巡线机器人攀爬杆塔（30）的过程中，可以通过机体两侧上的摄像头（32）巡检杆塔故障，并把巡检信息传递给地面基站。

4.一种能够攀爬杆塔的巡线机器人的的攀爬方法，其特征在于，巡线机器人能够越过防震锤这一类障碍物，实现对输电线路的巡检；具体越障过程是：

两机械臂半滚轮（22）夹紧，挂在输电线（34）上，无障碍的直线段，两半滚轮（22）在滚动电机（14）的驱动下，沿着直线段前进，遇到坡度无障碍段，夹紧压紧轮（12）滚动前进；遇到防震锤（35）时，张开奇臂（7）半滚轮（22），奇臂（7）带动机体（1）沿着移动导轨（21）移动，使巡线机器人的重心落在偶臂（31）正下方，驱动偶臂（31）的半滚轮（22），带动机器人沿着输电线（34）滚动前进，使奇臂（7）越过防震锤（34），接着奇臂（7）夹紧半滚轮（22），偶臂（31）张开半滚轮（22），带动机体（1）沿着移动导轨（21）前进，调节机器人重心至奇臂（7）正下方，驱动奇臂（7）的半滚轮（22），带动机器人沿着输电线（34）滚动前进，使偶臂（31）越过防震锤（34），从而实现巡线机器人在输电线（34）上跨越防震锤（34）一类的障碍物；巡线机器人在输电线（34）上滚动前进时，通过机体（1）两侧的摄像头（32）实现对输电线路的故障信息收集，并把故障信息传递给地面基站。