CN105292281A - 一种变电站巡检轮履式越障机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变电站巡检轮履式越障机器人。主要包括：底盘；安装于所述底盘上的动力机构，该动力机构具有行走动力源及摆臂动力源，行走动力源将动力通过传动轴输出给安装于所述底盘两侧的行走轮；被所述摆臂动力源驱动的摆臂，所述摆臂上安装有主行走带轮、摆臂带轮及相啮合的行走履带，且所述主行走带轮与行走轮同传动轴装配；其中，所述摆臂动力源通过驱动摆臂摆动实现机器人的履带行走和/或行走轮行走。本发明所提供的机器人，能够根据不同的路况呈现出不同的行走状态，并能通过摆臂摆动获得极高的越障能力。

Description

一种变电站巡检轮履式越障机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体的说，是涉及一种变电站巡检轮履式越障机器人。

背景技术

变电站是电力传输网络的枢纽，其设备运行状态的安全性至关重要，对设备的有效巡检是保证变电站良好运行以及对广大用户供电可靠性的重要保证。随着电力机器人技术的发展，机器人巡检已逐渐代替人工巡检，大大降低了劳动强度。

目前常见的巡检机器人主要结构有：轮式、履带式、腿—足式、蠕动式等多种机构，其中以轮式和履带式应用最为广泛。轮式具有结构简单、运行速度快、效率高等优点，但一般只适用于比较平坦和坚硬的路面环境，越障能力差，在松软和泥泞地面行动能力差。腿—足式又分爬行式和步行式，爬行式是模仿爬行类昆虫运动的一种仿生运动模式，一般处于静稳定状态，可适应非连续的复杂环境，但行走速度一般比较慢，而且内部结构设计起来比较复杂；步行式是模仿哺乳类动物快速步行的一种仿生运动模式，可适应非连续的复杂环境，但高速行走时处于非静稳定状态，控制系统和机械结构非常复杂，目前还没有实用化。

而在变电站巡检的移动机器人主要是轮式机器人，速度较快，但环境适应性较差，不能翻越路边石以及不能在草地等复杂环境下行驶；另一种是带支臂的履带式移动机器人，它可以利用支臂翻越障碍，也可以依靠履带在草地、砂石等复杂环境下行走，但履带式机器人的弊端是在普通的平坦水泥路面下，移动缓慢，效率不高。

现有技术中，已经有关于轮履结构形式的机器人的研究。例如，申请号为2012101269868的中国专利文献记载了一种轮履腿复合式移动机器人。其为了解决现有履带机器人不同程度的存在结构比较复杂，越障能力差，承载能力低，灵活性和稳定性较差等技术问题而设计的。它的基本结构由两条主履带、两条前摆臂履带、两条后摆臂履带和车体组成；所述前摆臂履带和后摆臂履带的两端分别通过履带轴与车体及主履带活动连接形成平行四边形传动机构并置于车体的两侧；所述后摆臂履带的履带轴与驱动装置传动连接；并通过动力传递实现前、后摆臂履带架的转动。该机器人的主体基于平行四边形连杆机构，结构简单，运动灵活。在运动过程中能根据地理环境的特点来选择轮式、履带式和腿式运动模式。具有较强的爬坡、过沟、越障和上下楼梯能力以及运动稳定性。

但是上述机器人在进行“轮式”变形后行进时，其与地面接触的部分依然是履带，而并非行走轮，因此该机器人从本质上就决定了其自身在平坦路况下的行走速度不会太高。

又如说，申请号为2008100235726的中国专利文献记载了一种轮履结合机器人。该机器人可以利用行走轮进行高速行进，利用履带协助攀爬障碍物，但是，其履带始终是不与地面相接触的，当遇到高度介于行走轮与履带之间的石块时，其行走轮会受到阻力，而其履带又无法与石块表面相接触，进而无法实现攀爬功能，在很大程度上限制了机器人的越障能力。

因此，如何设计一种全新结构的机器人，令其具有较高的越障能力，且能够在平坦路面上高速行进，来满足复杂地形下变电站巡检的需求，是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供了一种变电站巡检轮履式越障机器人。本发明所提供的机器人，具有履带及行走轮，能够在不同路况下调整行进状态，并拥有较高的越障能力。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变电站巡检轮履式越障机器人，包括：

底盘；

安装于所述底盘上的动力机构，该动力机构具有行走动力源及摆臂动力源，行走动力源将动力通过传动轴输出给安装于所述底盘两侧的行走轮；

被所述摆臂动力源驱动的摆臂，摆臂上安装有主行走带轮、摆臂带轮及相啮合的行走履带，且所述主行走带轮与行走轮同传动轴装配；

其中，所述摆臂动力源通过驱动摆臂摆动实现机器人的履带行走和/或行走轮行走。

优选的，所述行走动力源为链轮减速电机，链轮减速电机驱动小链轮转动，小链轮通过链条驱动大链轮转动，大链轮通过传输轴带动行走轮和主行走带轮同速转动。

优选的，主行走轮与主行走带轮同传动轴装配，副行走轮通过支撑轴安装在所述底盘的一侧。

优选的，所述摆臂为两组，包括前摆臂和后摆臂，前摆臂上装配有主行走带轮、摆臂带轮和与两带轮相啮合的行走履带；后摆臂上装配有副行走带轮、摆臂带轮和与两带轮相啮合的行走履带。

优选的，所述副行走带轮与副行走轮同支撑轴装配。

优选的，所述主行走带轮通过传动履带带动副行走带轮转动，实现主行走带轮和副行走带轮的同速转动。

优选的，所述主行走轮至少为两个，分列于底盘的两侧，每个主行走轮均对应有一个行走动力源，来实现左右两侧的主行走轮差速转动，完成机器人转向。

优选的，所述摆臂动力源包括摆臂减速电机，摆臂减速电机通过减速箱传动给减速箱输出轴，减速箱输出轴通过小齿轮传动给齿轮连接套，齿轮连接套带动摆臂转动。

优选的，后摆臂也为两个，两个前摆臂通过摆臂连接杆相连接，两个后摆臂同样通过摆臂连接杆相连接。

优选的，所述摆臂上具有用于张紧行走履带的大张紧轮和小张紧轮。

优选的，所述摆臂带轮凸出于底盘的端部。

本发明的有益效果是：

(1)在变电站巡检时，平整路况下利用行走轮行进，保证了机器人巡检时的正常行走速度，复杂路况下利用履带行进，使得机器人在不同路况下均具有较适宜的行进速度，减少了现场施工；

(2)通过齿轮驱动摆臂摆动，克服之前单独依靠轴带动轴套驱动摆臂困难的问题，使用齿轮传动能灵活的控制输出转矩及转速的大小，更好的实现轮履式机器人的越障功能；

(2)遇高度较高的障碍物时，通过前摆臂上抬搭接，后摆臂下翻推进，实现了攀爬式越障行进，极大的提高了机器人的越障能力。

(4)摆臂动力源及行走动力源均具有多级减速机构，使得行走轮和行走履带拥有较高扭矩，完成高难度攀爬；

(5)行走履带与行走轮均为同一动力源，无冗余动力源存在，在降低机器人整体质量的同时一并可以降低整体成本。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中主行走轮的传动示意图；

图3为本发明中行走履带的传动示意图；

图4为本发明中摆臂的传动示意图；

图5为本发明的机器人正常行走状态图；

图6为本发明的机器人越障前的状态图；

图7为本发明的机器人前摆臂攀爬的状态图；

图8为本发明的机器人后摆臂抬起的状态图；

图9为本发明的机器人越障完成后的状态图；

图10为本发明的机器人在复杂环境下行走的状态图；

图11为本发明的履带张紧机构的结构示意图；

图12为本发明的带轮的结构示意图；

图13为本发明的摆臂连接机构的结构示意图；

图中：1、前摆臂；2、大张紧轮；3、主行走轮、4、主行走带轮；5、中间支撑臂；6、传动履带；7、副行走带轮；8、摆臂大轴承座；9、齿轮连接套；10、后摆臂；11、摆臂带轮；12、摆臂连接杆；13、链轮减速电机；14、摆臂减速电机；15、蜗轮蜗杆减速箱；16、底盘；17、小齿轮末端轴承座；18、小齿轮；19、减速器输出轴；20、大链轮；21、传动轴；22、链条；23、小张紧轮；24、小链轮；25、行走轮套圈；26、传动轴轴承座；27、链轮电机座；28、联轴器；29、平整路面；30、台阶路况；31、复杂路面；32、螺钉；33、挡边；34、螺钉；35、螺钉，36、副行走轮，37、行走履带。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明进行详细说明。

实施例：一种变电站巡检轮履式越障机器人，其结构参考图1和图2所示，包括底盘16；底盘16靠前的部分通过链轮电机座27固定有两个链轮减速电机13，两个链轮减速电机13的出力轴上通过连接键均安装有一个小链轮24，小链轮24通过链条22传动给大链轮20，实现链轮减速电机13输出的扭矩逐级传递，大链轮20安装在传动轴21上，通过连接键动力随之传递给传动轴21，传动轴21的一端固定于传动轴轴承座26上，传动轴轴承座26安装在底盘16上，传动轴21的另一端驱动行走轮套圈25，行走轮套圈25与主行走轮3之间依靠螺钉紧密配合一起，来驱动主行走轮3转动。

且所述主、副行走轮的外径大于同轴装配带轮的直径。

在底盘靠后的部分，安装有两个支撑轴轴承座，每个支撑座轴承座内均装配有支撑轴，支撑轴的外端与副行走轮36相连接，在链轮减速电机13的驱动下，实现了主行走轮的转动，使得机器人能够在平整路面29上高速行进。

上述行走轮驱动结构中，链条19选择ISO-05B，节距p＝8mm；大链轮20为57齿，齿顶圆直径为149.8mm；小链轮24为17齿，齿顶圆直径为47.6mm；减速比为1：3.4。

采用行走轮进行行进的状态，可参考图5所示。

参考图1和图3所示。传动轴21的端部在驱动主行走轮3的同时，还驱动主行走带轮4，实现了主行走带轮4与主行走轮3的同速转动。主行走带轮4自身转动的同时，还通过传动履带6来带动副行走带轮7同步转动，又因为同侧的副行走带轮7与副行走轮36装配在同一支撑轴上，所以副行走带轮7转动的同时，动力通过支撑轴一并传递给了副行走轮36，使得机器人在行走轮行走状态下，获得了四驱动力。相比有现有技术中单纯的二驱动力的机器人来说，在平整路面下拥有更高的通过性。

主行走带轮4和副行走带轮7均可选择XH型周节制同步带轮，齿数为28个，外径d0＝195.29mm。

机器人在行进过程中的路况，不仅仅包括平整路面29，还包括复杂路面31。为了使机器人具有越过障碍物的能力，本发明所提供的机器人，还能够实现履带行走，即机器人在借助行走履带37实现越障通行。

参考图1和图4所示：在底盘16的中间位置，前后端各纵向安装有一个摆臂减速电机14，靠前部分的摆臂减速电机14通过联轴器28将动力通过蜗轮蜗杆减速箱15减速后，蜗轮蜗杆减速箱15将动力横向输出给减速器输出轴19，减速器输出轴19上安装有小齿轮18，通过连接键将扭矩实现对小齿轮18扭矩的传递。

小齿轮18通过与其啮合的齿轮连接套9将动力传递给前摆臂1，前摆臂1的后端就会以齿轮连接套9的中心线为轴心进行旋转运动，相应的，前摆臂1的前端距离水平面的高度亦随之同步发生变化。

从图1的方向看去，若前摆臂1进行顺时针旋转，则前摆臂1的前端就会远离地面，若前摆臂1进行逆时针旋转，则前摆臂1的后端就会靠近地面，随着前摆臂1逆时针转动幅度的增加，底盘16就会相应的被抬起，后摆臂10进行类似的运动后，机器人就实现了履带行进状态。

可以明确的看出，前摆臂1共有两个，分列于底盘16的前端两侧，后摆臂10也是两个，分列于底盘16的后端两侧，为了使得两个前摆臂1和/或两个后摆臂10在转动时具有较高的一致性，两个前摆臂1和两个后摆臂10均是通过一根横置的摆臂连接杆12相互连接，来实现了两个前摆臂1和两个后摆臂10转角相同。

值得注意的是，主行走轮3的直径和副行走轮36的直径均大于带轮的直径，使得前摆臂1和后摆臂10抬起状态下，来实现行走轮行走。

为了使得机器人获得更大的越障能力，前摆臂1和后摆臂10上装配的摆臂带轮11均凸出于底盘16的前后两端，使底盘16与障碍物接触之前，行走履带37就会先与障碍物接触，然后越过，进而使得机器人在跨越诸如石块类的障碍物时，拥有很大的接近角与离去角。

在极端情况下，前摆臂1后摆臂10均处于垂直状态，则接近角和离去角均近乎于90°，使得障碍物只要不高于最大离地间隙的情况下，机器人均可以顺利通过。该状态可以参考图10所示。

作为公知常识，任何履带传动结构，均无法避免履带松动的情况。为了防止履带打滑，在两个中间支撑臂5和前后摆臂上，各安装有一个大张紧轮2，使大张紧轮2将履带的外侧张紧。同时，在两个中间支撑臂5和前后摆臂的外侧，均具有八个小张紧轮23。大张紧轮2和小张紧轮23协同作用，使得行走履带37与传动履带6均获得了很好的传动性，防止履带运动过程中产生弯曲而导致无法完成越障、行走等功能。

参考图11所示，履带张紧机构采用上下调节螺钉32的方式使大张紧轮2上下移动进而控制传动履带6和行走履带37的张紧程度，这种方式结构简单，安装方便，易于调整履带的张紧，其中，螺钉32可采用M6×50规格。

参考图6所示，在台阶路况30行走，需要越过较高的障碍物时，机器人可以通过攀爬来实现。

参考图7所示，越障前，前摆臂1向上抬起，后摆臂10向下摆动，在行走轮和行走履带37的推进下，前摆臂1搭接于障碍物的边缘。随着机器人的继续前行，前摆臂1的一部分越过障碍物。此时，后摆臂10继续向下摆动，前摆臂1也向下摆动，则底盘6就被撑起，呈现出图8的越障状态。

前后行走履带37同步推进，则机器人的底盘16和前摆臂1越过障碍物，此时机器人前后摆臂上抬，则机器人的四个行走轮就会完全与越障后地面接触，机器人又可以高速行进了。此状态可参考图9所示。

机器人巡检过程中，带轮不可避免的会与坚硬路肩发生磕碰，造成损坏。损坏严重时便不能起到防止履带脱落、偏移的作用。现有技术中，带轮与挡边为一体式结构，维护时则需更换整个带轮，既增加了成本又延长了更换时间。

本发明中，为了解决上述问题，设计了一种全新的带轮结构。

参考图12所示，主行走带轮4的侧壁部分通过规格为M6×20的螺钉34将挡边33与主行走带轮4连接为一体，可以将履带遮挡于两侧的挡边33之间，使得带轮与路肩发生碰撞时，挡边33起到一定的保护作用，以便于更换与维修，节省了成本。

当然，上述距离仅仅是对主行走带轮4的轮式，摆臂带轮11和副行走带轮7亦可采用同样的结构。

更进一步的，为了保证齿轮连接套9与摆臂的整体强度，本发明中的摆臂连接机构将齿轮连接套9设计成一体结构，齿轮连接套9通过规格为M8×25的螺钉35与前后摆臂相连接，实现了扭矩的高效传递，同时，还极大的提高了传动的精度，该结构可参考图13所示。

根据不同的场合，摆臂减速电机14和/或链轮减速电机13可以选择直流式步进减速电机或直流式伺服减速电机。

上述两种电机当中，步进减速电机在起步阶段就可以获得最大扭矩，实现了低速高扭效果，使机器人具有极高的越障能力。随着步进电机转速的增加，扭矩也随之下降，但是转速增加而扭矩下降时，多为行走轮行进状态，此时机器人所需要的是速度，而不是扭矩，因此恰好相互对应。

伺服减速电机是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。减速器一般用于在有限的空间里需要较高的转矩时，即小体积大转矩，而且它的可靠性和寿命都比正齿轮减速器要好。正齿轮减速器则用于较低的电流消耗，低噪音和高效率低成本应用。伺服的运行精度高于步进电机，因此可以在对运行精度有要求的变电站采用。

从动力的角度考虑，若进行越障行进，则是行走履带37承载负载，若是进行高速行进，则是行走轮承载负载。而不论是行走轮或履带承载负载，其中之一会出于空转状态，虽然会造成一定的动力损失，但是行走轮或履带本质是空载空转，并非负载空转，因此该部分动力的损失基本可以忽略不计。

本方案中，仅对机器人驱动结构和越障结构进行了详细阐述，并提供了附图予以支持。然而机器人在实际使用状态下，其底盘上必然会装载有诸如巡检设备安装支架、保护壳、摄像头、无线传输模块等部件。因此，只有在整体结构与本发明相同的情况下，应当视侵权产品落入本方案的保护范围。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现，未予以详细说明的部分，为现有技术，在此不进行赘述。

Claims (10)

1.一种变电站巡检轮履式越障机器人，其特征在于，包括：

底盘；

安装于所述底盘上的动力机构，该动力机构具有行走动力源及摆臂动力源，行走动力源将动力通过传动轴输出给安装于所述底盘两侧的行走轮；

被所述摆臂动力源驱动的摆臂，所述摆臂上安装有主行走带轮、摆臂带轮及相啮合的行走履带，且所述主行走带轮与行走轮同传动轴装配；

其中，所述摆臂动力源通过驱动摆臂摆动实现机器人的履带行走和/或行走轮行走。

2.根据权利要求1所述的变电站巡检轮履式越障机器人，其特征在于，所述行走动力源为链轮减速电机，链轮减速电机驱动小链轮转动，小链轮通过链条驱动大链轮转动，大链轮通过传输轴带动行走轮和主行走带轮同速转动。

3.根据权利要求1所述的变电站巡检轮履式越障机器人，其特征在于，所述行走轮包括主行走轮及副行走轮，主行走轮与主行走带轮同传动轴装配，副行走轮通过支撑轴安装在所述底盘的一侧。

4.根据权利要求1所述的变电站巡检轮履式越障机器人，其特征在于，所述摆臂为两组，包括前摆臂和后摆臂，前摆臂上装配有主行走带轮、摆臂带轮和与两带轮相啮合的行走履带；后摆臂上装配有副行走带轮、摆臂带轮和与两带轮相啮合的行走履带。

5.根据权利要求4所述的变电站巡检轮履式越障机器人，其特征在于，所述副行走带轮与副行走轮同支撑轴装配。

6.根据权利要求4所述的变电站巡检轮履式越障机器人，其特征在于，所述主行走带轮通过传动履带带动副行走带轮转动，实现主行走带轮和副行走带轮的同速转动。

7.根据权利要求4所述的变电站巡检轮履式越障机器人，其特征在于，所述主行走轮至少为两个，分列于底盘的两侧，每个主行走轮均对应有一个行走动力源，来实现左右两侧的主行走轮差速转动，完成机器人转向。

8.根据权利要求1所述的变电站巡检轮履式越障机器人，其特征在于，所述摆臂动力源包括摆臂减速电机，摆臂减速电机通过减速箱传动给减速箱输出轴，减速箱输出轴通过小齿轮传动给齿轮连接套，齿轮连接套带动摆臂转动。

9.根据权利要求4所述的变电站巡检轮履式越障机器人，其特征在于，所述前摆臂为两个，后摆臂也为两个，两个前摆臂通过摆臂连接杆相连接，两个后摆臂同样通过摆臂连接杆相连接。

10.根据权利要求1所述的变电站巡检轮履式越障机器人，其特征在于，所述摆臂带轮凸出于底盘的端部。