CN106112993B - 一种交替式爬杆机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种交替式爬杆机器人，包括两个上下并列设置的杆体夹紧机构、竖直升降机构、上端敞口的工作栏框、电气控制系统，竖直升降机构包括活动设置于工作栏框一侧的水平滑板、两根并排的竖直提升丝杆、升降驱动装置，升降驱动装置通过提升丝杆提升工作栏框，杆体夹紧机构包括与滑板相垂直的水平的横向丝杆、夹持驱动装置、导向装置、杠杆装置，夹持驱动装置驱动横向丝杆，通过杠杆装置夹紧或松开电杆。本发明能够智能化模拟人的手脚在电杆上交替攀登，通过工作栏框搭载人员和工具，在电杆上做上下运动，可跨越障碍，在电杆上可做360°水平旋转，方便电力工人在不同工位对输电线缆和设备进行安装检修作业，安全省力，提高工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种交替式爬杆机器人。
背景技术
当前，随着我国的电力事业的发展，电缆及电力设备的安装和维护工作量在增加，对电力安装设备和安装工具的需求也在不断增加。但经了解目前在一些方面还跟不上需要，存在短板。如电力工人在架设输电线缆时，特别是在一些野外架设输电线缆时，还是依靠人工穿戴脚扣攀爬到电杆上进行操作。人工攀爬电杆作业是电力工人最艰辛的工作之一，它消耗的体力大，工作环境差，安全系数低，严重影响生产效率。
以前曾经有人研制过一些攀爬电杆的设备，有滚轮式、夹钳式等等，但都存在一些不足。前者只能作上下运动，它不能跨越电杆上的横担等障碍，更不能在电杆上旋转以便调整工位。后者相对结构复杂，智能化不够高，工作效率低。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种交替式爬杆机器人，它能够智能化的模拟人的手脚在电杆上交替攀登，通过其工作栏框搭载人员和工具、在电杆上做上下运动，并可跨越障碍，在电杆上可做360°水平旋转，方便电力工人在不同工位对输电线缆和设备进行安装检修作业，安全省力，提高工作效率。
为实现上述目的，本发明的具体方案为：
一种交替式爬杆机器人，包括两个上下并列设置的杆体夹紧机构、竖直升降机构、上端敞口的工作栏框、电气控制系统；
竖直升降机构包括活动设置于工作栏框一侧的水平滑板、两根并排的竖直提升丝杆、升降驱动装置，滑板的两端分别与工作栏框滑动连接，两根提升丝杆分别与滑板螺纹连接，两根提升丝杆的上端分别与工作栏框活动连接，升降驱动装置包括设于工作栏框的升降电机、与升降电机输出端连接的主动链轮、从动链轮、配合于主动链轮与从动链轮之间的链条，主动链轮与一根提升丝杆同轴连接，从动链轮与另一根提升丝杆同轴连接；
两个杆体夹紧机构与竖直升降机构位于工作栏框的同一侧；
杆体夹紧机构包括与滑板相垂直的水平的横向丝杆、夹持驱动装置、导向装置、杠杆装置；
在工作栏框上设有固定丝套，位于上方的杆体夹紧机构的横向丝杆的一端与工作栏框的固定丝套螺纹连接，位于下方的杆体夹紧机构的横向丝杆的一端与滑板螺纹连接，在两根横向丝杆的另一端分别设有正压轮，在两根横向丝杆的另一端分别设有压力传感器；
夹持驱动装置包括夹持电机、齿轮组，夹持电机的输出端与齿轮组的动力输入齿轮连接，齿轮组的动力输出齿轮与工作栏框的固定丝套同轴连接，位于上方的杆体夹紧机构的夹持电机固定于工作栏框上，位于下方的杆体夹紧机构的夹持电机固定于滑板上；
导向装置包括两个位于横向丝杆两侧的导套、两根分别活动配合于导套内且与横向丝杆平行的导柱；
杠杆装置包括与横向丝杆螺纹连接的滑移丝套、固定于两根导柱端部的撑杆、两个以横向丝杆轴向为对称中心分布于横向丝杆两侧的肘杆、两个以横向丝杆轴向为对称中心分布于横向丝杆两侧的抱杆，两个肘杆的一端分别铰接于滑移丝套一侧面，两个肘杆的另一端分别铰接两个抱杆的一端，两个抱杆分别与撑杆的两端铰接，两个抱杆的另一端分别为弧形端，在两个抱杆的弧形端头部分别设有侧压轮，在两个抱杆的弧形端也分别设有压力传感器，电气控制系统分别与升降电机、两个夹持电机、各压力传感器电路连接。
在两根横向丝杆的另一端分别设有正压轮支架，两根横向丝杆的正压轮支架分别设有两个正压轮，在位于上方的杆体夹紧机构的正压轮支架上设有旋转电机，旋转电机的输出端与其所在的正压轮支架上的一个正压轮同轴连接，横向丝杆的压力传感器位于正压轮支架上，电气控制系统与旋转电机电路连接。
在两根提升丝杆的下端分别设有限位轴肩。
工作栏框包括呈四棱柱框架式结构的栏框本体、两根分别位于栏框本体一侧面两端的竖直长导柱，两根竖直长导柱的长度大于栏框本体的高度，在两根长导柱的顶端之间固定有水平的连接板，固定丝套位于连接板上，两根提升丝杆位于两根长导柱之间，两根提升丝杆的上端分别通过轴套活动连接于连接板，滑板位于两根长导柱之间，且滑板的两端分别与两根长导柱滑动连接，升降电机设于连接板上，位于上方的杆体夹紧机构的夹持电机固定于连接板上。
在栏框本体的下端设有踏板，在栏框本体的另一侧顶端设有与滑板平行的水平的横栓，横栓的一端与栏框本体铰接，横栓的另一端卡接于栏框本体上。
在滑板上也设有固定丝套，位于下方的杆体夹紧机构的横向丝杆的一端与滑板上的固定丝套螺纹连接。
电气控制系统采用锂电池为电源。
在抱杆的弧形端设有光敏传感器，电气控制系统与光敏传感器电路连接。
导套上与导柱配合的套孔为阶梯孔，导柱的一端设有配合于阶梯孔内的阶梯端。
本发明需要两个杆体夹紧机构，一个安装在机器人上部，固定于工作栏框顶部，称上杆体夹紧机构。还有一个安装在机器人下部，固定于滑板底部，称下杆体夹紧机构。其中横向丝杆穿过固定丝套、滑移丝套与正压轮支架连接。滑移丝套两侧分别与两根肘杆一端铰接，肘杆的另一端分别与抱杆一端铰接。两抱杆靠近肘杆一侧有一撑杆定位，抱杆另一端部安装有侧压轮，正压轮与侧压轮处安装有压力传感器。导柱一端固定在撑杆上，另一端在导套内滑移，滑移距离可调节。夹持电机与固定丝套固定在工作栏框上的座子内，夹持电机通过齿轮组带动固定丝套旋转，为杆体夹紧机构提供动力。
竖直升降机构中的提升丝杆有两根，呈对称成分布。长导杆上下两端均固定于工作栏框上，提升丝杆上端通过轴套定位于工作栏框上，其下端与滑板上的丝套相螺纹连接。两根提升丝杆上端通过链轮链条形成同步联动，提升电机主轴与其中一根提升丝杆连接。
工作栏框以两根长导柱为一面形成框架结构，踏板为下底，横栓安装在其上部，可绕一端旋转。工作栏框主要用于搭载工作人员、安放电源、控制元器件以及作业工具等。
交替式爬杆机器人安装有夹持电机两只、提升电机一只和旋转电机一只，他们的动力由随机的蓄电池提供。电气控制系统包括电路板、传感器及控制程序，保证各个机构按照设计的顺序开展工作。
本发明的有益效果：
1．杆体夹紧机构运用螺纹副的运动对肘杆和抱杆产生的力、通过杠杆的工作原理，形成对杆体的三点夹紧力。它能够夹持不同直径的杆体，故适应圆锥体电杆的夹持，且夹紧力大小可调节；
2．两根提升丝杆的上端通过链轮链条形成同步联动，提升机构通过同步控制两根提升丝杆的正传或反转，使杆体夹紧机构上下滑动，可在不同位置夹紧杆体，而且平稳可靠。故能将工作人员送往电杆高处作业，减轻他们的劳动强度，提高工作效率；
3．交替式爬杆机器人通过两个杆体夹紧机构交替工作，即一个夹紧杆体时，另一个则松开或上升或下降，模拟人类手脚并用攀爬垂直杆体的过程、实现了机器人在杆体上上升和下降，灵活方便；
4．具有跨越横担等障碍的功能，解决了目前一些类似产品不能跨越障碍的瓶颈；它能够将操作人员送达电杆的各个部位，满足各种安装维护作业的需要；
5．可以在电杆上完成360°水平旋转，便于工作人员开展各种位置的作业，适应性强；
6．具有自锁功能，可在任意位置锁定，安全可靠；
7．攀爬速度较高，每分钟不低于8米；
8．选用锂电池为动力，不需外接电源，能连续工作4小时；
9．交替式爬杆机器人自重小，载荷大。自重在50kg以下，荷载达120kg以上，运输携带方便；
10.安全可靠，操作方便，给电力工人的安装维护工作提供便利；
11.横栓的一端与工作栏框铰接，便于电力工人出入工作栏框。
附图说明
图1为本发明置于电杆上的主视结构示意图。
图2为本发明置于电杆上的左视结构示意图。
图3为本发明杆体夹紧机构松开电杆的结构示意图。
图4为本发明杆体夹紧机构夹紧电杆的结构示意图。
图5为本发明置在电杆上攀爬的状态结构示意图。
图中：栏框本体1、踏板1-1、横栓1-2、长导柱2、连接板3、滑板4、滑板丝套4-1、提升丝杆5、限位轴肩5-1、升降电机6、主动链轮7、从动链轮8、链条9、横向丝杆10、固定丝套11、正压轮支架12、正压轮13、旋转电机14、夹持电机15、主动齿轮16、从动齿轮17、导套18、套孔18-1、导柱19、阶梯端19-1、滑移丝套20、撑杆21、肘杆22、抱杆23、弧形端23-1、侧压轮24、压力传感器25、电气控制系统26、电杆27、横担28、光敏传感器29。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1：参见附图1～附图5，一种交替式爬杆机器人，包括两个上下并列设置的杆体夹紧机构、竖直升降机构、上端敞口的工作栏框、电气控制系统26。
工作栏框包括呈四棱柱框架式结构的栏框本体1、两根分别位于栏框本体1一侧面两端的竖直长导柱2，两根竖直长导柱2的长度大于栏框本体1的高度，在两根长导柱2的顶端之间固定有水平的连接板3。
竖直升降机构包括活动设置于工作栏框一侧的水平滑板4、两根并排的竖直提升丝杆5、升降驱动装置，滑板4位于两根长导柱2之间，且滑板4的两端分别与两根长导柱2滑动连接，两根提升丝杆5位于两根长导柱2之间，两根提升丝杆5分别与滑板4螺纹连接，两根提升丝杆5的上端分别通过轴套与连接板3活动连接，在两根提升丝杆5的下端分别设有限位轴肩5-1。升降驱动装置包括设于连接板3上的升降电机6、与升降电机6输出端连接的主动链轮7、从动链轮8、配合于主动链轮7与从动链轮8之间的链条9，主动链轮7与一根提升丝杆5同轴连接，从动链轮8与另一根提升丝杆5同轴连接。
在栏框本体1的下端设有踏板1-1，在栏框本体1的另一侧顶端设有与滑板4平行的水平的横栓1-2，横栓1-2的一端与栏框本体1铰接，横栓1-2的另一端卡接于栏框本体1上。
两个杆体夹紧机构与竖直升降机构位于工作栏框的同一侧。
杆体夹紧机构包括与滑板4相垂直的水平的横向丝杆10、夹持驱动装置、导向装置、杠杆装置。
在连接板3及滑板4上分别设有固定丝套11，位于上方的杆体夹紧机构的横向丝杆10的一端与连接板3上的固定丝套11螺纹连接，位于下方的杆体夹紧机构的横向丝杆10的一端与滑板4上的固定丝套11螺纹连接，在两根横向丝杆10的另一端分别设有正压轮支架12，两根横向丝杆10的正压轮支架12分别设有两个正压轮13，在位于上方的杆体夹紧机构的正压轮支架12上设有旋转电机14，旋转电机14的输出端与其所在的正压轮支架12上的一个正压轮13同轴连接。在正压轮支架12上设有压力传感器25。
夹持驱动装置包括夹持电机15、齿轮组，齿轮组包括主动齿轮16、与主动齿轮16相啮合的从动齿轮17，主动齿轮16为齿轮组的动力输入齿轮，从动齿轮17为齿轮组的动力输出齿轮，夹持电机15的输出端与主动齿轮16连接，从动齿轮17与连接板3上的固定丝套11同轴连接，位于上方的杆体夹紧机构的夹持电机15固定于连接板3上，位于下方的杆体夹紧机构的夹持电机15固定于滑板4上。
导向装置包括两个位于横向丝杆10两侧的导套18、两根分别活动配合于导套18内且与横向丝杆10平行的导柱19，导套18上与导柱19配合的套孔18-1为阶梯孔，导柱19的左端设有配合于阶梯孔内的阶梯端19-1。
杠杆装置包括与横向丝杆10螺纹连接的滑移丝套20、固定于两根导柱19端部的撑杆21、两个以横向丝杆10轴向为对称中心分布于横向丝杆10两侧的肘杆22、两个以横向丝杆10轴向为对称中心分布于横向丝杆10两侧的抱杆23，两个肘杆22的一端分别铰接于滑移丝套20一侧面，两个肘杆22的另一端分别铰接两个抱杆23的一端，两个抱杆23分别与撑杆21的两端铰接，两个抱杆23的另一端分别为弧形端23-1，在两个抱杆23的弧形端23-1头部分别设有侧压轮24，在两个抱杆23的弧形端23-1分别也设有压力传感器25，在抱杆23的弧形端23-1设有光敏传感器29，电气控制系统26与光敏传感器29电路连接。
电气控制系统26采用锂电池为电源，电气控制系统26分别与升降电机6、两个夹持电机15、各压力传感器25、旋转电机14电路连接。
本发明交替式爬杆机器人是按事先设定好的控制程序开展工作的，程序可采用自动模式和手动模式。本发明可完成的动作：
（1）攀爬过程：首先是上杆体夹紧机构的夹持电机15得电，它通过齿轮组带动连接板3上的固定丝套11旋转，固定丝套11的旋转带动了横向丝杆10向前滑移，横向丝杆10的滑移推动了滑移丝套20、肘杆22、抱杆23、撑杆21及正压轮13前移。当撑杆21前移到一定距离时，受到导柱19的限位不能继续向前移动。此时肘杆22推动抱杆23以抱杆23与撑杆21的铰接点为支撑点向内做圆弧摆动，当两个抱杆23弧形端23-1上的两个侧压轮24同时接触电杆27时，正压轮13也刚好从正面接触电杆27，三处轮子抱紧电杆27后，弧形端23-1及正压轮支架12上的压力传感器25发出信号给电气控制系统26，电气控制系统26控制使该夹持电机15断电。此时下杆体夹紧机构滑板4上的夹持电机15得电，而此时下杆体夹紧机构是从夹持状态向松开状态转变，即夹持电机15反转，横向丝杆10向后运动，正压轮13、侧压轮24逐渐离开电杆27，光敏传感器29感知到达一定距离后，升降电机6得电，它通过主动链轮7、从动链轮8、链条9使两根提升丝杆5旋转，两根提升丝杆5通过安装在滑板4内的滑板丝套4-1将滑板4提升，到达电气控制系统26设置的高度后受限停止，升降电机6停止运行。此时，下杆体夹紧机构的夹持电机15得电正传，直至下杆体夹紧机构夹紧电杆27后夹持电机15停止运行。而上杆体夹紧机构的夹持电机15得电，上杆体夹紧机构松开电杆27，然后升降电机6再得电，此时是做反转，则上杆体夹紧机构以及工作框架随着提升丝杆5的旋转而上升。如此循环，依靠两个杆体夹紧机构交替进行夹紧、放松、上升，机器人即可向电杆27高处攀爬。同理，交替式爬杆机器人下降时，通过转换程序开关或人工操作，机器人即可按照程序分步下降。
（2）过横担28障碍：在上升过程中，当上杆体夹紧机构由光敏传感器29感知接触到电杆27上的横担28后，升降电机6断电，机器人停止上升，此时上杆体夹紧机构的夹持电机15反转，横向丝杆10向后移动，抱杆23打开同时随横向丝杆10向后退，当抱杆23前端避开横担28后停止。此时升降电机6得电反转工作，它使上杆体夹紧机构上升一个高度后即停止运行，此时上杆体夹紧机构的夹持电机15正转，使抱杆23合拢，三处轮子抱紧电杆27。同理，下杆体夹紧机构也可越过横担28等障碍。
（3）水平旋转：让上杆体夹紧机构夹紧电杆27，下杆体夹紧机构处于半松开状态。然后电气控制系统26给旋转电机14通电，旋转电机14带动正压轮13在电杆27上沿周向转动，正压轮13与电杆27之间的摩擦力即可带动侧压轮24、整个机器人绕电杆27作360°水平旋转，便于工作人员选择不同的作业工位。
因此本发明能够智能化的模拟人的手脚在电杆27上交替攀登，工作栏框搭载电力人员和工具，可在电杆27上做上下运动，并可跨越障碍，也在电杆27上可做360°水平旋转，方便电力工人在不同工位对输电线缆和设备进行安装检修作业，安全省力，提高工作效率。
Claims (9)
1.一种交替式爬杆机器人，其特征在于：包括两个上下并列设置的杆体夹紧机构、竖直升降机构、上端敞口的工作栏框、电气控制系统；
竖直升降机构包括活动设置于工作栏框一侧的水平滑板、两根并排的竖直提升丝杆、升降驱动装置，滑板的两端分别与工作栏框滑动连接，两根提升丝杆分别与滑板螺纹连接，两根提升丝杆的上端分别与工作栏框活动连接，升降驱动装置包括设于工作栏框的升降电机、与升降电机输出端连接的主动链轮、从动链轮、配合于主动链轮与从动链轮之间的链条，主动链轮与一根提升丝杆同轴连接，从动链轮与另一根提升丝杆同轴连接；
两个杆体夹紧机构与竖直升降机构位于工作栏框的同一侧；
杆体夹紧机构包括与滑板相垂直的水平的横向丝杆、夹持驱动装置、导向装置、杠杆装置；
在工作栏框上设有固定丝套，位于上方的杆体夹紧机构的横向丝杆的一端与工作栏框的固定丝套螺纹连接，位于下方的杆体夹紧机构的横向丝杆的一端与滑板螺纹连接，在两根横向丝杆的另一端分别设有正压轮，在两根横向丝杆的另一端分别设有压力传感器；
夹持驱动装置包括夹持电机、齿轮组，夹持电机的输出端与齿轮组的动力输入齿轮连接，齿轮组的动力输出齿轮与工作栏框的固定丝套同轴连接，位于上方的杆体夹紧机构的夹持电机固定于工作栏框上，位于下方的杆体夹紧机构的夹持电机固定于滑板上；
导向装置包括两个位于横向丝杆两侧的导套、两根分别活动配合于导套内且与横向丝杆平行的导柱；
杠杆装置包括与横向丝杆螺纹连接的滑移丝套、固定于两根导柱端部的撑杆、两个以横向丝杆轴向为对称中心分布于横向丝杆两侧的肘杆、两个以横向丝杆轴向为对称中心分布于横向丝杆两侧的抱杆，两个肘杆的一端分别铰接于滑移丝套一侧面，两个肘杆的另一端分别铰接两个抱杆的一端，两个抱杆分别与撑杆的两端铰接，两个抱杆的另一端分别为弧形端，在两个抱杆的弧形端头部分别设有侧压轮，在两个抱杆的弧形端也分别设有压力传感器，电气控制系统分别与升降电机、两个夹持电机、各压力传感器电路连接。
2.根据权利要求1所述的交替式爬杆机器人，其特征在于：在两根横向丝杆的另一端分别设有正压轮支架，两根横向丝杆的正压轮支架分别设有两个正压轮，在位于上方的杆体夹紧机构的正压轮支架上设有旋转电机，旋转电机的输出端与其所在的正压轮支架上的一个正压轮同轴连接，横向丝杆的压力传感器位于正压轮支架上，电气控制系统与旋转电机电路连接。
3.根据权利要求2所述的交替式爬杆机器人，其特征在于：在两根提升丝杆的下端分别设有限位轴肩。
4.根据权利要求3所述的交替式爬杆机器人，其特征在于：工作栏框包括呈四棱柱框架式结构的栏框本体、两根分别位于栏框本体一侧面两端的竖直长导柱，两根竖直长导柱的长度大于栏框本体的高度，在两根长导柱的顶端之间固定有水平的连接板，固定丝套位于连接板上，两根提升丝杆位于两根长导柱之间，两根提升丝杆的上端分别通过轴套活动连接于连接板，滑板位于两根长导柱之间，且滑板的两端分别与两根长导柱滑动连接，升降电机设于连接板上，位于上方的杆体夹紧机构的夹持电机固定于连接板上。
5.根据权利要求4所述的交替式爬杆机器人，其特征在于：在栏框本体的下端设有踏板，在栏框本体的另一侧顶端设有与滑板平行的水平的横栓，横栓的一端与栏框本体铰接，横栓的另一端卡接于栏框本体上。
6.根据权利要求5所述的交替式爬杆机器人，其特征在于：在滑板上也设有固定丝套，位于下方的杆体夹紧机构的横向丝杆的一端与滑板上的固定丝套螺纹连接。
7.根据权利要求6所述的交替式爬杆机器人，其特征在于：电气控制系统采用锂电池为电源。
8.根据权利要求7所述的交替式爬杆机器人，其特征在于：在抱杆的弧形端设有光敏传感器，电气控制系统与光敏传感器电路连接。
9.根据权利要求1所述的交替式爬杆机器人，其特征在于：导套上与导柱配合的套孔为阶梯孔，导柱的一端设有配合于阶梯孔内的阶梯端。
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