CN105196283B - 一种混联双足铁塔攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够满足所有输电线路铁塔攀爬的混联双足铁塔攀爬机器人，包括一对胯部平台，一对并联执行机械臂，一个胯部转动副，一对腕部平台，一对足部转动副，一对电磁足部平台，一对足部机械爪。所述一对胯部平台由所述的胯部转动副连接并驱动其相互转动，所述腕部平台与所述的电磁足部平台由所述的足部转动副连接并驱动其相互转动，所述胯部平台和所述的腕部平台由所述的并联执行机械臂连接并驱动其相互运动。本发明能够在无人操控的情况下搭载巡检设备沿着铁塔型钢攀爬行走，并能够绕过障碍物（如钢架连接板、连接螺母等）行走至铁塔横担上，最后从横担跨越至线路地线上，并能够在地线上进行巡视。

Description

一种混联双足铁塔攀爬机器人

技术领域

本发明涉及一种混联双足铁塔攀爬机器人，尤其涉及到一种架空高压输电线路电力铁塔攀爬机器人，能进行检修维护装备的运载，并能对线路进行巡检，属于机器人技术领域。

背景技术

传统的高压输电线路巡检方法主要以人工巡线为主，其巡线效率低，劳动强度大，工人经常野外工作，工作环境恶劣，并且跨越高山、密林、大河的输电线路档段的巡检难度更大，存在安全隐患。采用直升机巡检效率较高，但是其经济效益差，并且容易忽略输电线路的细微损坏。采用无人机巡检也具有效率高的优点，但其续航能力差，易受环境的干扰，如气压变化、大风、雨雪等天气下，难以执行巡检作业。巡检机器人是一种用于巡检高压输电线路的特种机器人，可用于代替人工巡检，其巡检效率高，成像效果好，是机器人技术与输电线路巡检技术发展相结合的趋势。

目前国内外高压输电线路的维修、维护基本上采用人工登塔的方式，由检修人员携带检设备与工具来完成各项检修任务，如：如绝缘子检测与清扫等，这不仅仅需要大量的人力，而且危险。

近年来出现的高压输电线路巡检机器人（如申请号为CN200410061316.8、201210512481.5、201110419935.X等）可对输电线路进行巡视，但此种机器人需要人工吊装上线和下线，这样不仅需要大量人力和物力，而且吊装的过程机器人必须远离导线，因而其上下线存在较大的安全隐患。华南理工大学研究了一种五自由度攀爬机器人，该机器人由三个摆动关节、两个回转关节和两个末端夹持器串联而成，能够实现对各种杆件、桁架的攀爬，能实现尺蠖式、扭转式、翻转式前进与越障。但该机器人无法适应电力铁塔不同型号的角钢的工作环境。四川大学研究了一种关节式铁塔攀爬机器人（申请号：201010500534.2），该机器人能够在铁塔角钢结构上实现尺蠖式，扭转式行走及越障，但该机器人不能实现在铁塔的多侧越障和行走，空间适应性较差，且不能实现上线运动。国家电网公司提出了一种铁塔攀爬机器人（申请号：201410328294.0），该方案只是提出了一种由上臂和下臂交替伸缩后挂在杆塔上的横杆来实现向上攀爬,对杆塔的结构要求高,适应性差,并且无法在杆塔的多侧攀爬。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种能够满足所有输电线路铁塔攀爬的机器人，在无人操控的情况下能够搭载巡检设备沿着铁塔型钢攀爬行走，并能够绕过障碍物（如钢架连接板、连接螺母等）行走至铁塔横担上，最后从横担跨越至线路地线上，并能够在地线上进行巡视。此机器人弥补了现有高压输电线路巡检机器人不能自动上线的不足，大大节省了人工吊装上线的人力成本，提高了检修效率，保障了输电系统的安全可靠运行。

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：

一种混联双足铁塔攀爬机器人，其特征在于，包括至少一对活动机构组成的机器人本体，两个活动机构之间通过连接组件连接后能够发生相对运动；两个活动机构的结构相同，均包括：胯部平台、并联执行机械臂、腕部平台、足部转动副、电磁足部平台、以及足部机械爪；所述连接组件为一个胯部转动副；两个胯部平台由胯部转动副连接并驱动其相互转动，腕部平台与所述的电磁足部平台由足部转动副连接并驱动其相互转动，并联执行机械臂两端分别连接胯部平台和腕部平台；所述胯部平台和腕部平台能够通过并联执行机械臂驱动后发生相互运动。

在上述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，所述跨部转动副包括跨部转动副电机、跨部转动副轴承座、胯部转动轴、深沟球轴承、轴套、销钉、紧固螺栓；所述胯部转动轴承座与胯部转动轴分别通过螺栓安装在一对胯部平台上；所述胯部转动副电机安装在胯部转动副轴承座上；深沟球轴承安装在胯部转动副轴承座上；胯部转动轴安装与深沟球轴承配合；轴套与胯部转动轴轴孔配合，并用销钉进行轴向固定；胯部转动副电机的输出轴与胯部转动轴轴孔配合，并用紧固螺钉进行轴向和径向固定。

在上述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，所述并联执行机械臂包括十字联轴器、方钢套筒伸缩机构、球铰、直线推杆；单个并联执行机械臂中球铰数量为6个，3个球铰安装在胯部平台上，3个球铰安装在腕部平台上；胯部平台上的球铰和腕部平台上的球铰用直线推杆连接，单个并联执行机械臂中直线推杆数量为3个；单个并联执行机械臂中十字联轴器的数量为2个，分别安装在胯部平台的中央和腕部平台的中央，并用方钢套筒伸缩机构连接。

在上述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，单个并联执行机械臂中方钢套筒伸缩机构数量为1个。

在上述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，所述足部转动副包括回转支承安装螺纹孔、回转支承安装垫圈、回转支承安装螺杆、回转支承、电磁足部平台安装螺钉、足部转动副驱动齿轮，足部转动副电机；所述回转支承和回转支承安装垫圈用回转支承安装螺杆固定在回转支承安装螺纹孔上；电磁足部平台通过电磁足部平台安装螺钉安装在回转支承上；足部转动副电机安装在腕部平台上，足部转动副驱动齿轮安装在足部转动副电机输出轴上；足部转动驱动副驱动齿轮与回转支承的外圈啮合。

在上述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，所述足部机械爪安装在电磁足部平台上；电磁足部平台包括电磁足部板和电磁足部电磁铁；所述电磁足部电磁铁安装在电磁足部板的三个角处；其中，电磁足部电磁铁为一种电永磁体。

在上述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，所述足部机械爪包括足部机械爪驱动电机、足部机械爪驱动齿轮、机械爪动件、驱动安装座、机械爪固件、机械爪安装销轴；所述驱动安装座安装在电磁足部板的上方，机械爪固件安装在电磁足部板的下方，所述机械爪动件通过机械爪安装销轴安装在驱动安装座内侧，足部机械爪驱动齿轮通过机械爪安装销轴安装在驱动安装座内侧，足部机械爪驱动电机安装在驱动安装座的外侧，足部机械爪驱动电机输出轴与所述足部机械爪驱动齿轮同轴。

因此，本发明具有如下优点：能够满足所有输电线路铁塔攀爬的机器人，在无人操控的情况下能够搭载巡检设备沿着铁塔型钢攀爬行走，并能够绕过障碍物（如钢架连接板、连接螺母等）行走至铁塔横担上，最后从横担跨越至线路地线上，并能够在地线上进行巡视。此机器人弥补了现有高压输电线路巡检机器人不能自动上线的不足，大大节省了人工吊装上线的人力成本，提高了检修效率，保障了输电系统的安全可靠运行。

附图说明

附图1为本发明的混联双足铁塔攀爬机器人的立体结构图的示意图。

附图2为本发明的机器人胯部转动副的剖面图的示意图。

附图3为本发明的机器人并联执行机械臂的结构组成示意图。

附图4为本发明的机器人足部转动副的剖视图的示意图。

附图5为旋转支承三维模型示意图。

附图6为本发明的机器人电磁足部平台的结构组成和足部机械爪的结构示意图。

附图7为本发明的机器人的足部机械爪的立体图的示意图。

附图8为本发明的单个并联执行机械臂的机构原理图。

附图9本发明的机器人的动作示意图。

附图10-1是机器人在铁塔的主角钢的一个面上行走时的示意图。

附图10-2是机器人从铁塔的主角钢的一个面行走至与其成270°角的另一个面时的示意图。

附图10-3是机器人从塔身行走至横担上时的示意图。

附图10-4是机器人一个足部与铁塔吸附另一个足部离开铁塔的示意图。

附图10-5是机器人上线示意图。

附图10-6是机器人整个上线过程示意图。

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-胯部平台，2-胯部转动副，3-并联执行机械臂，4-腕部平台，5-足部转动副，6-电磁足部平台，7-足部机械爪；2001-胯部转动副电机，2002-胯部转动副轴承座，2003-胯部转动轴，2004-深沟球轴承，2005-轴套，2006-销钉，2007-紧固螺栓，3001-十字联轴器，3002-方钢套筒伸缩机构，3003-球铰，3004-直线推杆，5001-回转支承安装螺纹孔，5002-回转支承安装垫圈，5003-回转支承安装螺杆，5004-回转支承，5005-电磁足部平台安装螺钉，5006-足部转动副驱动齿轮，5007-足部转动副电机，6001-电磁足部板，6002-电磁足部电磁铁，7001-足部机械爪驱动电机，7002-足部机械爪驱动齿轮，7003-机械爪动件，7004-驱动安装座，7005-机械爪固件，7006-机械爪安装销轴。

实施例：

一、首先介绍一下本发明的具体结构。

本发明整体结构如附图1所示，其结构左右对称，包括一对胯部平台1，一对并联执行机械臂3，一个胯部转动副2，一对腕部平台4，一对足部转动副5，一对电磁足部平台6，一对足部机械爪7。其中胯部转动副由跨部转动副电机2001、跨部转动副轴承座2002、胯部转动轴2003、深沟球轴承2004、轴套2005、销钉2006、紧固螺栓2007组成；并联执行机械臂由十字联轴器3001、方钢套筒伸缩机构3002、球铰3003、直线推杆3004组成；足部转动副由回转支承安装螺纹孔5001、回转支承安装垫圈5002、回转支承安装螺杆5003、回转支承5004、电磁足部平台安装螺钉5005、足部转动副驱动齿轮5006，足部转动副电机5007组成；电磁足部平台由电磁足部板6001和电磁足部电磁铁6002组成；足部机械爪由足部机械爪驱动电机7001、足部机械爪驱动齿轮7002、机械爪动件7003、驱动安装座7004、机械爪固件7005、机械爪安装销轴7006组成。

胯部平台由胯部转动副连接并驱动其相互转动，腕部平台与电磁足部平台由足部转动副连接并驱动其相互转动，胯部平台和腕部平台由并联执行机械臂连接并驱动其相互运动。胯部转动轴承座与胯部转动轴分别安装在一对胯部平台上（螺栓连接）。胯部转动副电机安装在胯部转动副轴承座上；深沟球轴承安装在胯部转动副轴承座上；胯部转动轴与深沟球轴承配合；轴套与胯部转动轴配合，并用销钉进行轴向固定；转动副电机的输出轴与胯部转动轴配合，并用紧固螺钉进行轴向和径向固定。单个并联执行机械臂中所述的球铰数量为6个，3个安装在胯部平台，3个安装在腕部平台；胯部平台上的球铰和腕部平台上的球铰用直线推杆连接，直线推杆数量为3；十字联轴器的数量为2，分别安装在胯部平台的中央和腕部平台的中央，并用方钢套筒伸缩机构连接，方钢套筒伸缩机构数量为1。腕部平台和电磁足部平台用足部转动副连接，并控制其相对转动。回转支承和回转支承安装垫圈用回转支承安装螺杆固定在回转支承安装螺纹孔上。电磁足部平台通过电磁足部平台安装螺钉安装在回转支承上。足部转动副电机安装在腕部平台上，足部转动副驱动齿轮安装在足部转动副电机输出轴上。足部转动驱动副齿轮与回转支承外圈啮合。足部机械爪安装在电磁足部平台上。电磁足部电磁铁安装在电磁足部板的三个角处。驱动安装座安装在电磁足部板的上方，机械爪固件安装在所述电磁足部板的下方，机械爪动件通过机械爪安装销轴安装在驱动安装座内侧，足部机械爪驱动齿轮通过机械爪安装销轴安装在驱动安装座内侧，足部机械爪驱动电机安装在驱动安装座的外侧，足部机械爪驱动电机与足部机械爪驱动齿轮同轴。

二、本发明中机器人可实现的动作有：

（1）胯部转动副电机可驱动胯部转动轴在深沟球轴承中转动任意角度（大于360°）；

（2）并联机械执行臂中三个直线推杆都有一定的行程，三个直线推杆共同作用，可使腕部平台和电磁足部平台相对胯部平台运动，如附图8所示；

（3）足部转动副电机可驱动电磁足部板相对腕部平台转动任意角度；

（4）足部机械爪驱动电机可驱动机械爪动件绕机械爪安装销轴转动一定角度，实现机械爪的夹紧与松开；

（5）电磁足部电磁铁为电永磁体，当通电流时磁力消失，当不通电时有磁力。

动作（1）（2）（3）能够实现机器人双足行走，如附图9所示；动作（4）能够实现机器人上线，如图10-5；动作（5）能够实现机器人足部与铁塔的吸附与分离，如图10-4。

工作时，如附图10-1至10-6所示，10-1为机器人在铁塔的主角钢的一个面上行走，10-2为机器人从铁塔的主角钢的一个面行走至与其成270°角的另一个面，图10-3为机器人从塔身行走至横担上，10-4为机器人一个足部与铁塔吸附另一个足部离开铁塔的示意图，10-5为机器人上线示意图，10-6为机器人整个上线过程示意图。

根据机器人的机构设计和附图表达，当机器人在铁塔的一个面行走时，机器人能够沿直线或者折线行走，并能跨越典型的障碍物；当机器人需要从一个面行走到另一个面时，机器人能够满足小于270°角的姿态转换，当机器人行走至铁塔横担的地线悬挂点时，机器人能够使用其机械爪进行上线动作。

综上所述，该技术领域人员在使用该机器人进行线路巡检时，只需将机器人放于杆塔底部的一侧角钢上，机器人可以自主沿铁塔一侧或多侧行走、越障，并上线至架空地线上。

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。

尽管本文较多地使用了1-胯部平台，2-胯部转动副，3-并联执行机械臂，4-腕部平台，5-足部转动副，6-电磁足部平台，7-足部机械爪；2001-胯部转动副电机，2002-胯部转动副轴承座，2003-胯部转动轴，2004-深沟球轴承，2005-轴套，2006-销钉，2007-紧固螺栓，3001-十字联轴器，3002-方钢套筒伸缩机构，3003-球铰，3004-直线推杆，5001-回转支承安装螺纹孔，5002-回转支承安装垫圈，5003-回转支承安装螺杆，5004-回转支承，5005-电磁足部平台安装螺钉，5006-足部转动副驱动齿轮，5007-足部转动副电机，6001-电磁足部板，6002-电磁足部电磁铁，7001-足部机械爪驱动电机，7002-足部机械爪驱动齿轮，7003-机械爪动件，7004-驱动安装座，7005-机械爪固件，7006-机械爪安装销轴等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (7)

1.一种混联双足铁塔攀爬机器人，其特征在于，包括至少一对活动机构组成的机器人本体，两个活动机构之间通过连接组件连接后能够发生相对运动；两个活动机构的结构相同，均包括：胯部平台(1)、并联执行机械臂(3)、腕部平台(4)、足部转动副(5)、电磁足部平台(6)、以及足部机械爪(7)；所述连接组件为一个胯部转动副(2)；两个胯部平台(1)由胯部转动副(2)连接并驱动其相互转动，腕部平台(4)与所述的电磁足部平台(6)由足部转动副(5)连接并驱动其相互转动，并联执行机械臂(3)两端分别连接胯部平台(1)和腕部平台(4)；所述胯部平台(1)和腕部平台(4)能够通过并联执行机械臂(3)驱动后发生相互运动。

2.根据权利要求1所述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，其特征在于，所述胯部转动副(2)包括胯部转动副电机(2001)、胯部转动副轴承座(2002)、胯部转动轴(2003)、深沟球轴承(2004)、轴套(2005)、销钉(2006)、紧固螺栓(2007)；所述胯部转动轴承座(2002)与胯部转动轴(2003)分别通过螺栓安装在一对胯部平台(1)上；所述胯部转动副电机(2001)安装在胯部转动副轴承座(2002)上；深沟球轴承(2004)安装在胯部转动副轴承座(2002)上；胯部转动轴(2003)与深沟球轴承(2004)安装配合；轴套(2005)与胯部转动轴(2003)轴孔配合，并用销钉(2006)进行轴向固定；胯部转动副电机(2001)的输出轴与胯部转动轴(2003)轴孔配合，并用紧固螺栓(2007)进行轴向和径向固定。

3.根据权利要求1所述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，其特征在于，所述并联执行机械臂(3)包括十字联轴器(3001)、方钢套筒伸缩机构(3002)、球铰(3003)、直线推杆(3004)；单个并联执行机械臂(3)中球铰(3003)数量为6个，3个球铰(3003)安装在胯部平台(1)上，3个球铰(3003)安装在腕部平台(4)上；胯部平台(1)上的球铰(3003)和腕部平台(4)上的球铰(3003)用直线推杆(3004)连接，单个并联执行机械臂(3)中直线推杆(3004)数量为3个；单个并联执行机械臂(3)中十字联轴器(3001)的数量为2个，分别安装在胯部平台(1)的中央和腕部平台(4)的中央，并用方钢套筒伸缩机构(3002)连接。

4.根据权利要求1所述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，其特征在于，单个并联执行机械臂(3)中方钢套筒伸缩机构(3002)数量为1个。

5.根据权利要求1所述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，其特征在于，所述足部转动副(5)包括回转支承安装螺纹孔(5001)、回转支承安装垫圈(5002)、回转支承安装螺杆(5003)、回转支承(5004)、电磁足部平台安装螺钉(5005)、足部转动副驱动齿轮(5006)，足部转动副电机(5007)；所述回转支承(5004)和回转支承安装垫圈(5002)用回转支承安装螺杆(5003)固定在回转支承安装螺纹孔(5001)上；电磁足部平台(6)通过电磁足部平台安装螺钉(5005)安装在回转支承(5004)上；足部转动副电机(5007)安装在腕部平台(4)上，足部转动副驱动齿轮(5006)安装在足部转动副电机(5007)输出轴上；足部转动驱动副驱动齿轮(5006)与回转支承(5004)的外圈啮合。

6.根据权利要求1所述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，其特征在于，所述足部机械爪(7)安装在电磁足部平台(6)上；电磁足部平台(6)包括电磁足部板(6001)和电磁足部电磁铁(6002)；所述电磁足部电磁铁(6002)安装在电磁足部板(6001)的三个角处；其中，电磁足部电磁铁(6002)为一种电永磁体。

7.根据权利要求1所述的一种混联双足铁塔攀爬机器人，其特征在于，所述足部机械爪(7)包括足部机械爪驱动电机(7001)、足部机械爪驱动齿轮(7002)、机械爪动件(7003)、驱动安装座(7004)、机械爪固件(7005)、机械爪安装销轴(7006)；所述驱动安装座(7004)安装在电磁足部板(6001)的上方，机械爪固件(7005)安装在电磁足部板(6001)的下方，所述机械爪动件(7003)通过机械爪安装销轴(7006)安装在驱动安装座(7004)内侧，足部机械爪驱动齿轮(7002)通过机械爪安装销轴(7006)安装在驱动安装座(7004)内侧，足部机械爪驱动电机(7001)安装在驱动安装座(7004)的外侧，足部机械爪驱动电机(7001)输出轴与所述足部机械爪驱动齿轮(7002)同轴。