CN105364925B - 基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂 - Google Patents
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Abstract
基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂属于特种机器人技术领域，目的在于解决现有技术存在的重心不稳、稳定性低、结构复杂和控制麻烦的问题。本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂的大臂为壳体结构，小臂为双板结构，大臂一端通过精密旋转轴系驱动机构与肩部连接，另一端内接在小臂的一端形成肘部，小臂的另一端外接在手腕上，手腕的另一端与手掌的一段通过转轴A连接，两个手指安装在手掌另一端的两侧，相对的两个手指内侧分别通过转轴B和一个行走轮连接；分别通过一组送礼驱动装置驱动小臂相对大臂做俯仰运动，手腕相对小臂做俯仰运动，手掌相对于手腕做旋转运动，两个手指相对于手掌做开合运动，行走轮相对手指转动。
Description
技术领域
本发明属于特种机器人技术领域，具体涉及一种基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂。
背景技术
高压和超高压输电是现在远距离配送电的主要方式。高压线、线塔及其他输电设施长期暴露在野外持续受到风、雨、雪等恶劣自然条件及其他不可抗力的影响往往会发生断裂、磨损等情况，给工业生产及人们的日常生活造成不必要的损失。为了防止上述情况的发生，需要对高压线进行定期巡检。传统的人工巡线效率低下，危险性高，准确率偏低，而直升机巡线则成本高，对天气的依赖性大。
20世纪80年代后，日本学者sawada，Hideo Nakamura等人、美国TRC公司、加拿大的Serge Montambault等单位和个人先后开展了巡检及作业机器人的研制工作。90年代后，国内的武汉大学、山东大学、中科院沈阳自动化研究所、中科院自动化研究所等单位也相继开展了巡检及作业机器人的实验研究。目前，悬挂型的巡检及作业机器人主要有两臂和三臂结构，两臂结构虽然越障灵活，但存在重心不稳，低稳定性等缺点；三轮结构虽具有较高的灵活性和稳定性，但是结构复杂，控制麻烦。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂，解决现有技术存在的重心不稳、稳定性低、结构复杂和控制麻烦的问题。能更加可靠的帮助高压输电巡检及作业机器人完成相关任务。
为实现上述目的，本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂包括肩部、大臂、肘部、小臂、手腕、手掌、手指、行走轮和动力驱动装置；
所述大臂为壳体结构，小臂为双板结构，大臂一端与所述肩部通过精密旋转轴系驱动结构连接，另一端内接在小臂的一端形成肘部，所述大臂和小臂接触处两侧通过连接轴A连接；所述小臂通过键与所述连接轴A固定连接，所述大臂和小臂内侧设置有一组所述动力驱动装置，驱动所述小臂相对大臂做俯仰运动；
所述手腕为壳体结构，所述小臂的另一端外接在所述手腕上，所述小臂和手腕接触处两侧通过连接轴B连接，所述小臂通过键与所述连接轴B固定连接，手腕内壁设置有一组所述动力驱动装置，驱动所述手腕相对小臂做俯仰运动；
所述手掌为壳体结构，所述手腕的另一端与所述手掌的一段通过转轴A连接，所述转轴A位于手掌和手腕的公共中心线上，所述手掌内部设置有一组所述动力驱动装置，驱动所述手掌相对于手腕做旋转运动；
所述手指为板架结构，两个所述手指安装在手掌另一端的两侧，所述手指通过连接板与手掌连接，所述连接板一端与所述手指通过四连杆结构相连接，手掌与四连杆结构之间通过轴系机构连接，另一端通过连接轴C与所述手掌连接，所述连接板与所述连接轴C固定连接，所述手掌内侧设置有一组动力驱动装置，驱动两个所述手指相对于手掌做开合运动；
相对的两个所述手指内侧分别通过转轴B和一个行走轮连接，所述行走轮通过键与所述转轴B固定连接，所述手指内侧设置有一组动力驱动装置，驱动所述行走轮相对手指转动。
所述动力驱动装置包括舵机和齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括主动齿轮和从动齿轮，所述舵机固定在舵机端盖上，所述主动齿轮固定在所述舵盘上，所述主动齿轮和从动齿轮啮合。
所述小臂相对大臂做俯仰运动具体为：所述连接轴A通过键与所述从动齿轮固定连接。
所述手腕相对小臂做俯仰运动具体为：所述连接轴B通过键与所述从动齿轮固定连接。
所述手掌相对于手腕做旋转运动具体为：所述手腕与所述从动齿轮固定连接。
两个所述手指相对于手掌做开合运动具体为：两个所述连接轴C分别通过键与一个所述从动齿轮固定连接，所述舵机的输出轴和所述连接轴C平行且共面。
所述行走轮相对手指转动具体为：所述转轴B通过键与所述从动齿轮固定连接。
所述机器人手臂还包括光电传感器，所述光电传感器设置在各运动关节部位，实时监测各关节间的关节受力、角度、位置信息。
本发明的有益效果为：本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂适用于三臂悬挂构型，采用仿人手臂结构，可应用于超高压巡检及作业机器人的前后手臂。通过肩部与高压巡检及作业机器人固定连接，此手臂装置由肩部、大臂、肘部、小臂、手腕、手掌、手指及行走轮组成。根据巡线机器人作业时越障的动作要求，手臂有大臂旋转、小臂俯仰、手掌旋转，手腕俯仰，手指开合五个自由度。
舵机分模拟舵机和数字舵机两类。本发明选用数字舵机，该类由无刷直流电机、减速齿轮装置、电机驱动电路、位置反馈电路四部分组成。所述数字舵机作为小臂俯仰、手掌旋转、手腕俯仰、手指开合、行走轮旋转五个动作的执行部件，具有关节模式和轮式模式两种工作模式；关节模式可用于驱动小臂俯仰、手腕俯仰、手掌旋转、手指开合动作，轮式模式用于驱动行走轮的旋转，工作模式的选取由下位机发送的控制数据包确定；每个舵机先通过RS485总线串联再与下位机连接，下位机和舵机的通讯通过数据包实现。所述数字舵机的无刷直流电机与减速装置为一体化设计，其输出轴与主动齿轮连接；电机驱动电路和无刷直流电机相连从而控制其转动实现位置控制；位置反馈电路检测电机的转动并反馈给下位机。
舵机的下位机接受上位机的指令并解译，再通过MAX485电平转换电路发送给串联在一起的群舵机，群舵机读取指令中的ID，然后相应的舵机执行指令，驱动手臂动作。所述舵机上位机，如嵌入式工控机PC104，采集安装在各手臂关节间的力敏传感器、角位移传感器、限位传感器等反馈的关节力、角度、位置信息，形成控制指令并向下位机发送，上位机和下位机的通讯通过串口通信、总线等形式实现。
本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂具有结构简单，控制容易，灵活性高等显著优点。可根据高压输电巡检机器人的总体结构方案自由组合，足够的柔性和灵活性使其能自由跨越输电线上的各种障碍，代替人工完成输电线路的巡线工作；用作相关输电线作业机器人的作业臂，足够的自由度和灵活性使其能稳定可靠的完成高空作业任务，此外，本发明也可用于其他特种作业机器人的机械臂。
附图说明
图1为本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂整体结构示意图；
图2为本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂中肘部结构示意图；
图3为本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂中手腕和小臂连接处结构示意图；
图4为本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂中手腕和手掌连接处结构示意图；
图5为本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂中手掌结构示意图；
图6为本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂中滚轮结构示意图；
图7为本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂控制系统框图；
其中：1、肩部，2、大臂，3、肘部，4、小臂，5、手腕，6、手掌，7、手指，8、行走轮，9、齿轮传动机构，10、舵机端盖，11、舵机，12、连接轴A，13、连接轴B，14、转轴A，15、连接轴C，16、转轴B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
参见附图1，本发明的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂包括肩部1、大臂2、肘部3、小臂4、手腕5、手掌6、手指7、行走轮8和动力驱动装置；
参见附图2，所述大臂2为壳体结构，小臂4为双板结构，大臂2一端通过精密旋转轴系驱动机构与所述肩部1连接，另一端内接在小臂4的一端形成肘部3，所述大臂2和小臂4接触处两侧通过连接轴A12连接；所述小臂4通过键与所述连接轴A12固定连接，所述大臂2和小臂4内侧设置有一组所述动力驱动装置，驱动所述小臂4相对大臂2做俯仰运动；
精密旋转轴系驱动机构包括舵机安装座、舵机、支撑轴承、轴承座和扭矩传感器轴；舵机安装座外侧与大臂2刚性固连，舵机安装座内侧与舵机外部安装法兰紧密过渡配合连接；舵机内孔轴与扭矩传感器轴同轴紧密联结，扭矩传感器轴通过支撑轴承安装在轴承座中，轴承座与肩部1上端刚性固连，通过舵机驱动，带动大臂2相对肩部1做旋转运动；
参见附图3，所述手腕5为壳体结构，所述小臂4的另一端外接在所述手腕5上，所述小臂4和手腕5接触处两侧通过连接轴B13连接，所述小臂4通过键与所述连接轴B13固定连接，手腕5内壁设置有一组所述动力驱动装置，驱动所述手腕5相对小臂4做俯仰运动；
参见附图4，所述手掌6为壳体结构，所述手腕5的另一端与所述手掌6的一段通过转轴A14连接，所述转轴A14位于手掌6和手腕5的公共中心线上，所述手掌6内部设置有一组所述动力驱动装置，驱动所述手掌6相对于手腕5做旋转运动；
参见附图5，所述手指7为板架结构，两个所述手指7安装在手掌6另一端的两侧，所述手指7通过连接板与手掌6连接，所述连接板一端与所述手指7通过四连杆结构相连接，手掌(6)与四连杆结构之间通过轴系机构连接，另一端通过连接轴C15与所述手掌6连接，所述连接板与所述连接轴C15固定连接，所述手掌6内侧设置有一组动力驱动装置，驱动两个所述手指7相对于手掌6做开合运动；
参见附图6，相对的两个所述手指7内侧分别通过转轴B16和一个行走轮8连接，所述行走轮8通过键与所述转轴B16固定连接，所述手指7内侧设置有一组动力驱动装置，驱动所述行走轮8相对手指7转动。
所述动力驱动装置包括舵机11和齿轮传动机构9，所述齿轮传动机构9包括主动齿轮和从动齿轮，所述舵机11固定在舵机端盖10上，所述主动齿轮固定在所述舵盘上，所述主动齿轮和从动齿轮啮合。
所述小臂4相对大臂2做俯仰运动具体为：所述连接轴A12通过键与所述从动齿轮固定连接。
所述手腕5相对小臂4做俯仰运动具体为：所述连接轴B13通过键与所述从动齿轮固定连接。
所述手掌6相对于手腕5做旋转运动具体为：所述手腕5与所述从动齿轮固定连接。
两个所述手指7相对于手掌6做开合运动具体为：两个所述连接轴C15分别通过键与一个所述从动齿轮固定连接，所述舵机11的输出轴和所述连接轴C15平行且共面。
所述行走轮8相对手指7转动具体为：所述转轴B16通过键与所述从动齿轮固定连接。
所述机器人手臂还包括光电传感器，所述光电传感器设置在各运动关节部位，起到测量与控制各关节的关节受力、运动角度及距离的作用，同时起到限位保护各运动关节的作用，避免发生关节受力过大、运动角度及距离超过所允许运动范围等情况，光电传感器安装基座为模块化机构，可根据巡线需要增减传感器数量，并实现快速的更换。实时监测各关节间的关节受力、角度、位置信息，防止机器人造成刚性碰撞。
参见附图7，本发明选用的舵机11为数字舵机，该类数字舵机由无刷直流电机、减速齿轮装置、电机驱动电路、位置反馈电路四部分组成。所述数字舵机作为小臂4俯仰、手掌6旋转、手腕5俯仰、手指7开合、行走轮8旋转五个动作的执行部件，具有关节模式和轮式模式两种工作模式；关节模式可用于驱动小臂4俯仰、手腕5俯仰、手掌6旋转、手指7开合动作，轮式模式用于驱动行走轮8的旋转，工作模式的选取由下位机发送的控制数据包确定；各舵机11先通过RS485总线串联再与下位机连接，下位机和舵机11的通讯通过数据包实现。所述数字舵机的无刷直流电机与减速装置为一体化设计，其输出轴与主动齿轮连接；电机驱动电路和无刷直流电机相连从而控制其转动实现位置控制；位置反馈电路检测电机的转动并反馈给下位机。
所述舵机11的下位机，如单片机，接受上位机的指令并解译，再通过MAX485电平转换电路发送给串联在一起的群舵机，群舵机读取指令中的ID，然后相应的舵机11执行指令，驱动手臂动作。所述舵机11上位机，如嵌入式工控机PC104，采集安装在手臂关节上的力敏传感器、角位移传感器、限位传感器等反馈关节力、角度、位置信息，形成控制指令并向下位机发送，上位机和下位机的通讯通过串口通信、总线等形式实现。
Claims (5)
1.基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂，其特征在于，包括肩部(1)、大臂(2)、肘部(3)、小臂(4)、手腕(5)、手掌(6)、手指(7)、行走轮(8)和动力驱动装置；
所述大臂(2)为壳体结构，小臂(4)为双板结构，大臂(2)一端通过精密旋转轴系驱动机构与肩部(1)连接，另一端内接在小臂(4)的一端形成肘部(3)，所述大臂(2)和小臂(4)接触处两侧通过连接轴A(12)连接；所述小臂(4)通过键与所述连接轴A(12)固定连接，所述大臂(2)和小臂(4)内侧设置有一组所述动力驱动装置，驱动所述小臂(4)相对大臂(2)做俯仰运动；
所述手腕(5)为壳体结构，所述小臂(4)的另一端外接在所述手腕(5)上，所述小臂(4)和手腕(5)接触处两侧通过连接轴B(13)连接，所述小臂(4)通过键与所述连接轴B(13)固定连接，手腕(5)内壁设置有一组所述动力驱动装置，驱动所述手腕(5)相对小臂(4)做俯仰运动；
所述手掌(6)为壳体结构，所述手腕(5)的另一端与所述手掌(6)的一端通过转轴A(14)连接，所述转轴A(14)位于手掌(6)和手腕(5)的公共中心线上，所述手掌(6)内部设置有一组所述动力驱动装置，驱动所述手掌(6)相对于手腕(5)做旋转运动；
所述手指(7)为板架结构，两个所述手指(7)安装在手掌(6)另一端的两侧，所述手指(7)通过连接板与手掌(6)连接，所述连接板一端与所述手指(7)通过四连杆结构相连接，手掌(6)与四连杆结构之间通过轴系机构连接，四连杆结构另一端通过连接轴C(15)与所述手掌(6)连接，所述连接板与所述连接轴C(15)固定连接，所述手掌(6)内侧设置有一组动力驱动装置，驱动两个所述手指(7)相对于手掌(6)做开合运动；
相对的两个所述手指(7)内侧分别通过转轴B(16)和一个行走轮(8)连接，所述行走轮(8)通过键与所述转轴B(16)固定连接，所述手指(7)内侧设置有一组动力驱动装置，驱动所述行走轮(8)相对手指(7)转动；
所述动力驱动装置包括舵机(11)和齿轮传动机构(9)，所述齿轮传动机构(9)包括主动齿轮和从动齿轮，所述舵机(11)固定在舵机端盖(10)上，所述主动齿轮固定在舵盘上，所述主动齿轮和从动齿轮啮合；
所述小臂(4)相对大臂(2)做俯仰运动具体为：所述连接轴A(12)通过键与所述从动齿轮固定连接；
所述手腕(5)相对小臂(4)做俯仰运动具体为：所述连接轴B(13)通过键与所述从动齿轮固定连接。
2.根据权利要求1所述的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂，其特征在于，所述手掌(6)相对于手腕(5)做旋转运动具体为：所述手腕(5)与所述从动齿轮固定连接。
3.根据权利要求1所述的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂，其特征在于，两个所述手指(7)相对于手掌(6)做开合运动具体为：两个所述连接轴C(15)分别通过键与一个所述从动齿轮固定连接，所述舵机(11)的输出轴和所述连接轴C(15)平行且共面。
4.根据权利要求1所述的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂，其特征在于，所述行走轮(8)相对手指(7)转动具体为：所述转轴B(16)通过键与所述从动齿轮固定连接。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的基于舵机驱动的高压输电巡线及作业机器人手臂，其特征在于，所述机器人手臂还包括光电传感器，所述光电传感器设置在各运动关节部位，实时监测各关节间的关节受力、角度、位置信息。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |