CN108945141B - 一种攀爬机器人复合足端以及攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种攀爬机器人复合足端以及攀爬机器人，属于机器人技术领域。本发明针对电塔本身具有的结构特征，对电塔上脚钉和角钢主材的合理利用，通过机械爪夹紧脚钉、电磁铁吸附角钢表面的方式来实现分别受力，使机器人能够稳定停留附着在角钢塔上，并且能够灵活抓取脚钉实现步进式攀登；本发明通过机械爪的抓取以及电磁铁的吸附能够很好地适应于角钢塔带有人工攀爬脚钉的主材部分的攀爬和停留，同时很好地让机器人维持在铁塔上进行相关巡检和检测工作。

Description

一种攀爬机器人复合足端以及攀爬机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种攀爬机器人复合足端以及攀爬机器人。

背景技术

目前，在电力行业中电力巡检和维护一直是一个长期性的问题。以往都是靠人攀登铁塔用眼睛去观测线缆及绝缘子是否存在缺陷。考虑到安全性和工作效率，适用于电力角钢塔的攀爬机器人借鉴现有的爬行移动机器人的技术方案，及各类爬杆机器人的足端设计，逐渐衍生出各种形态结构的铁塔攀爬机器人。

常见的机器人有，蛇形机器人采用的“粘附式”运动完成障碍的跨越，具有运动稳定性好、适应地形能力强和牵引力大等特点，但其自由度多，控制困难且速度低。轮式攀爬机器人靠着轮子和壁面之间的摩擦力产生前进的动力，行驶速度快，移动灵活，其运动方式采用负压吸附，运动速度高，易于控制，但是它与塔面的接触面积较小，并且机器人在运动过程中需要承载的重量较大，这样一来就使得轮式机器人很难维持稳定攀爬的状态，并且对于越障也十分不利。携带冗余机械爪的尺蠖式机器人结构简单，但是攀登角钢主材的越障难度大，其运动控制较为复杂。因此，在目前存在的设计理念中，主要还是停留在实验室阶段的对于简单桁架和角钢表面的攀爬，并未考虑实际中角钢塔主材复杂的障碍情况，此实际情况下的控制及越障难度都比较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种攀爬机器人复合足端以及攀爬机器人，以解决现有电塔攀爬机器人越障能力较差、稳定性不高、攀爬过程中控制难度较大的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种攀爬机器人复合足端，包括：连接支架以及分别安装于连接支架上的抓取部件和吸附部件；

抓取部件包括与连接支架连接的第一固定架、安装于第一固定架上的机械爪以及安装于第一固定架上且驱动机械爪打开或抱合的驱动机构；

机械爪包括至少两组间隔设置的抓取组件，抓取组件包括均对称设置的爪肩支板、抱合曲臂、夹紧大臂和驱动小臂，爪肩支板与第一固定架连接，抱合曲臂的一端与爪肩支板转动连接，抱合曲臂的另一端与夹紧大臂转动连接，对称的夹紧大臂之间形成夹持空间，驱动小臂的一端转动连接至抱合曲臂的中部，驱动小臂的另一端与驱动机构的动力输出部件转动连接；

吸附部件包括与连接支架连接的第二固定架以及安装于第二固定架上的电磁铁。

本发明针对电塔本身具有的结构特征，对电塔上脚钉和角钢主材的合理利用，通过机械爪夹紧脚钉、电磁铁吸附角钢表面的方式来实现分别受力，使机器人能够稳定停留附着在角钢塔上，并且能够灵活抓取脚钉实现步进式攀登；本发明通过机械爪的抓取以及电磁铁的吸附能够很好地适应于角钢塔带有人工攀爬脚钉的主材部分的攀爬和停留，同时很好地让机器人维持在铁塔上进行相关巡检和检测工作。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述机械爪还包括固定在相邻两组抓取组件之间的上钳档杆和下钳档杆，上钳档杆设置在夹紧大臂靠近抱合曲臂的端部，下钳档杆设置在夹紧大臂远离抱合曲臂的端部。

本发明通过设置上钳档杆可以在机械爪靠近电塔脚钉的过程中防止脚钉与驱动机构碰撞，避免因碰撞而影响驱动机构正常工作；通过下钳档杆可以在夹紧脚钉后防止脚钉从两个夹紧大臂中滑脱，使得机械爪稳稳地夹紧脚钉，进一步提高机器人在攀爬过程中的稳定性。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述上钳档杆上设有压力传感器，压力传感器与控制电磁铁通、断电的继电器通信连接。

本发明通过上钳档杆上设置压力传感器，采集压力信号并传递给控制电磁阀的继电器，表明此时夹紧大臂已经夹住电塔上的脚钉，然后继电器根据接收到的压力信号控制电磁铁的通电，将电磁铁仅仅地吸附在角钢的棱面。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述上钳档杆包括连接在相邻两个夹紧大臂之间的第一连接板以及与第一连接板连接的横杆，横杆远离连接板的端部为自由端；下钳档杆包括连接在相邻两个夹紧大臂之间的第二连接板以及与第二连接板连接的钩部。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述驱动机构为丝杠电机，驱动机构包括驱动电机、丝杠和滑块，驱动电机固定在第一固定架上，丝杠与驱动电机连接并且保持在对称的两个驱动小臂之间，滑块与丝杠配合并且与驱动小臂转动连接。

本发明采用丝杠电机作为驱动机构，完成机械爪对于脚钉或者类似圆柱杆件的抓取和松开动作，其结构简单、易于控制。在具体工作时，在驱动电机的作用下，丝杠旋转并带动与之配合的滑块沿丝杠轴向做往复运动，在此过程中，滑块带动与之转动连接的驱动小臂移动，驱动小臂通过抱合曲臂将动力传递给夹紧大臂，随着滑块上移（靠近驱动电机的方向），夹紧大臂打开，反之，滑块下移（远离驱动电机的方向），夹紧大臂抱合收拢，夹紧脚钉，完成整个抓取过程。此外，本发明采用丝杠电机作为驱动，其可利用丝杠电机自身的传统特性实现自锁的功能，当夹紧大臂夹住脚钉后，电机停止转动，滑块锁紧在丝杠上，进而爪肩支板、抱合曲臂、夹紧大臂和驱动小臂位置确定，整个机械爪紧紧夹住脚钉，能够避免因为传动机构本身结构不稳而导致夹紧部件松弛。

优选地，丝杠电机为滚柱丝杠电机。其传动效率高，提高电机效率。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述第二固定架为相互平行的两个T字型支板，每个支板远离连接支架的末端分别安装有电磁铁，并且两个电磁铁相对设置。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述爪肩支板垂直连接在第一固定架远离连接支架的端部；爪肩支板与夹紧大臂之间通过至少一组抱合曲臂连接，并且每组抱合曲臂包括两个平行设置地条形板，爪肩支板、驱动小臂和夹紧大臂均夹在两个条形板之间；夹紧大臂为直角三角板，直角三角板的一个直边与抱合曲臂连接，直角三角板的另一个直边位于靠近夹持空间的内侧，直角三角板的斜边位于远离夹持空间的外侧。

本发明的整个机械爪的主要部分由爪肩支板、抱合曲臂、驱动小臂和夹紧大臂构成，将机械爪结构划分成多个易于生产制造的片状零部件，并且由于抓取部分为片层结构，在保证抓取牢固的前提下减少了复合足端自身重量，使得整个复合足端能够更加稳定地固定在电塔上。此外，爪肩支板、抱合曲臂、驱动小臂和夹紧大臂相互之间通过可螺栓、螺孔实现可拆卸连接，便于产品装配和后期维修。

本发明将抱合曲臂设计成两个平行的条形板，将爪肩支板、驱动小臂和夹紧大臂均夹在两个条形板之间，保证了机械爪自身结构的稳固性，为机械爪能够牢固抓取提供了保障；并且由于整个机械爪可以采用多组抓取组件，将与脚钉接触的抓取点分散成多个，其受力更加均衡，抓取更加牢固。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，上述攀爬机器人复合足端包括两个抓取部件，两个抓取部件形成夹角，吸附部件位于夹角的角平分线上。

本发明通过两个抓取部件和吸附部件形成稳定的三点受力，使得整个复合足端能够稳定地定位在电塔上。

一种攀爬机器人，其包括攀爬主体以及上述的复合足端，复合足端与攀爬主体连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用对脚钉和角钢主材的合理利用，通过机械爪夹紧脚钉，电磁铁吸附角钢表面的方式来实现分别受力，使机器人能够稳定停留附着在角钢塔上，并且能够灵活抓取脚钉实现步进式攀登。本发明的机械爪通过至少两组间隔设置的抓取组件，使得机械爪与脚钉接触更多，稳定性、可靠性高。本发明的机械爪夹紧机构通过对称设置的爪肩支板、抱合曲臂、夹紧大臂和驱动小臂之间的相互配合，具有一定的开合范围，为抓取控制提供了更多冗余空间。

附图说明

图1为本发明实施例的攀爬机器人复合足端在第一视角下的立体结构示意图；

图2为本发明实施例的攀爬机器人复合足端在第二视角下的立体结构示意图；

图3为本发明实施例的攀爬机器人复合足端在第一视角下的侧视图；

图4为本发明实施例的攀爬机器人复合足端在第一视角下的侧视图；

图5为本发明实施例的攀爬机器人复合足端的机械爪的立体结构示意图；

图6为本发明实施例的攀爬机器人复合足端在工作状态下的结构示意图。

图中：100-复合足端；10-连接支架；20-抓取部件；201-第一固定架；202-机械爪；203-驱动机构；211-爪肩支板；212-抱合曲臂；213-夹紧大臂；214-驱动小臂；215-夹持空间；216-上钳档杆；217-下钳档杆；218-丝杠；219-滑块；221-第一连接板；222-横杆；223-第二连接板；224-钩部；30-吸附部件；301-第二固定架；302-电磁铁。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

请参照图1-图4所示出的本发明实施例的攀爬机器人复合足端100在不同视角下的结构示意图。本发明实施例的攀爬机器人复合足端100（以下简称复合足端100）包括：连接支架10以及分别安装于连接支架10上的抓取部件20和吸附部件30。

在图1-4所示的优选实施例中，连接支架10为空心的等腰直角三棱柱支架。如图4所示，两个抓取部件20别设置在对应直角边的侧板上，两个抓取部件20和吸附部件30相交于连接支架10的直角顶边。

在图1-4所示的优选实施例中，攀爬机器人复合足端100包括两个抓取部件20，在本发明的其他实施例中，抓取部件20的数量还可以调整，本发明对此不做特别限制。如图4所示，在图中所示的实施例中，两个抓取部件20相互垂直，形成90°夹角，吸附部件30位于两者之间，两个抓取部件20以吸附部件30为中心轴对称。在本发明未示出的其他实施例中，两个抓取部件20可以形成其他角度大小的夹角，具体可根据电塔的实际情况进行调整，本发明对此不做特别限制，以方便抓取为准。吸附部件30优选位于夹角的角平分线上，也可以根据电塔中脚钉与角钢棱板具体的位置关系进行调整。同样地，吸附部件30的数量包括但不限于图中所示的一个，也可以是两个，两个吸附部件30相互对称设置在抓取部件20的两侧。

请参照图1，抓取部件20包括与连接支架10连接的第一固定架201、安装于第一固定架201上的机械爪202以及安装于第一固定架201上且驱动机械爪202打开或抱合的驱动机构203。

请参照图1和图5，机械爪202包括两组间隔设置的抓取组件。在本发明为示出的其他实施例中，可以是三组、四组，也可以是一组，但是从成本和稳定性的角度考虑，优选为两组。请参照图5，抓取组件包括均对称设置的爪肩支板211、抱合曲臂212、夹紧大臂213和驱动小臂214。爪肩支板211与第一固定架201连接。抱合曲臂212的一端与爪肩支板211转动连接，抱合曲臂212的另一端与夹紧大臂213转动连接。对称的夹紧大臂213之间形成夹持空间215。驱动小臂214的一端转动连接至抱合曲臂212的中部，驱动小臂214的另一端与驱动机构203的动力输出部件转动连接。本发明实施例的所指的“转动连接”可以通过“转动轴+通孔”的轴孔方式实现，也可以是现有技术中其他常见的转动配合方式，此处不再赘述。

如图5所示，爪肩支板211为条形短板，其垂直连接在第一固定架201远离连接支架10的端部。在图5所示的实施例中，爪肩支板211与夹紧大臂213之间通过两组抱合曲臂212连接。同样地，在本发明的其他实施例中，抱合曲臂212可以是1组、3组、甚至更多，具体数量根据实际情况调整。每组抱合曲臂212包括两个平行设置地条形板。该条形板为折线形，在条形板的两端以及中部弯折处均开设有通孔，用于与爪肩支板211、驱动小臂214和夹紧大臂213固定连接。爪肩支板211、驱动小臂214和夹紧大臂213均夹在两个条形板之间。在图5所示的实施例中，夹紧大臂213为直角三角板。直角三角板的一个直边与抱合曲臂212连接，直角三角板的另一个直边位于靠近夹持空间215的内侧，直角三角板的斜边位于远离夹持空间215的外侧。

请参照图5，机械爪202还包括固定在相邻两组抓取组件之间的上钳档杆216和下钳档杆217。上钳档杆216设置在夹紧大臂213靠近抱合曲臂212的端部，下钳档杆217设置在夹紧大臂213远离抱合曲臂212的端部。上钳档杆216横跨在抓取组件内，并且位于丝杠218远离第一固定架201的一侧。上钳档杆216的一端固定在位于同侧的两个夹紧大臂213之间，其另一端为自由端。下钳档杆217也固定在位于同侧的两个夹紧大臂213之间，其具有弯曲的钩部224，用于勾住脚钉。具体地，如图5所示，上钳档杆216包括与夹紧大臂213连接的第一连接板221以及与第一连接板221连接且向远离第一连接板221的方向延伸的横杆222，横杆222远离连接板的端部为自由端。上钳档杆216上设有压力传感器（图未示），压力传感器与控制电磁铁302通、断电的继电器通信连接。下钳档杆217包括与夹紧大臂213连接的第二连接板223以及与第二连接板223连接的钩部224。该钩部224向上钳档杆216的方向弯曲。

请参照图5，在本实施例中驱动机构203优选为丝杠218电机。驱动机构203包括驱动电机（图未示）、丝杠218和滑块219。驱动电机固定在第一固定架201上，丝杠218与驱动电机连接并且保持在对称的两个驱动小臂214之间，滑块219与丝杠218配合并且与驱动小臂214转动连接。本发明实施例通过驱动电机驱动滑块219沿丝杠218实现直线往复运动，在本发明的其他实施例中，可以通过现有的其他直线往复机构实现，例如齿条与齿轮的配合，齿轮在电机驱动下转动，从而带动齿条做直线往复运动。

请参照图2和图3，吸附部件30包括与连接支架10连接的第二固定架301以及安装于第二固定架301上的电磁铁302。如图3所示，第二固定架301为相互平行的两个T字型支板，每个支板远离连接支架10的末端分别安装有电磁铁302，并且两个电磁铁302相对设置。两个电磁铁302呈90°对称结构，可以紧紧地吸附在角钢棱面。

本发明实施例的攀爬机器人（图未示），其包括攀爬主体以及本发明实施例的复合足端100，复合足端100与攀爬主体连接。本发明实施例的攀爬主体可以是现有进步运动攀爬机器人的主体结构，对此不做特别说明。

下面对本发明的攀爬机器人复合足端100的工作过程进行说明。

请参照图1和图6，该足端在运动过程中，主要由丝杆电机来提供动力，完成对于脚钉或者类似圆柱杆件的抓取和松开动作。攀爬机器人可以搭载本足端完成在角钢塔上的快速稳定移动。机器人在攀爬过程中，移动足端靠近脚钉附近，丝杠218电机转动，带动驱动小臂214丝杠218滑块219上的连接点为圆心做圆周运动，驱动小臂214带动抱合曲臂212以与爪肩支架的连接点作圆周运动，抱合曲臂212带动夹紧大臂213运动，两大臂相对往内运动，达到抱紧脚钉的功能。在此过程中，下钳挡杆和上钳挡杆分别起到在机械爪202靠近脚钉过程中防止脚钉与丝杠218滑块219碰撞的功能及夹紧脚钉后防止脚钉从两个夹紧大臂213中滑脱的功能。上钳挡架上的压力传感器采集压力信号，传递给继电器（图未示），继电器控制电磁铁302通电，紧紧地吸附在角钢棱面。在此状态下，整个复合足端100通过机械爪202牢牢夹紧脚钉，同时电磁铁302吸附在角钢棱面，保证了机器人稳固附着在角钢塔上。当机器人要进行下一步运动时，丝杠218电机反转使得夹紧大臂213松开脚钉，然后继电器控制电磁铁302断电失去吸附力，然后，复合足端100可以进行下一步夹持和吸附的动作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种攀爬机器人复合足端，其特征在于，包括：连接支架以及分别安装于所述连接支架上的抓取部件和吸附部件；

所述抓取部件包括与所述连接支架连接的第一固定架、安装于所述第一固定架上的机械爪以及安装于所述第一固定架上且驱动所述机械爪打开或抱合的驱动机构；

所述机械爪包括至少两组间隔设置的抓取组件，所述抓取组件包括均对称设置的爪肩支板、抱合曲臂、夹紧大臂和驱动小臂，所述爪肩支板与所述第一固定架连接，所述抱合曲臂的一端与所述爪肩支板转动连接，所述抱合曲臂的另一端与所述夹紧大臂转动连接，对称的所述夹紧大臂之间形成夹持空间，所述驱动小臂的一端转动连接至所述抱合曲臂的中部，所述驱动小臂的另一端与所述驱动机构的动力输出部件转动连接；

所述吸附部件包括与所述连接支架连接的第二固定架以及安装于所述第二固定架上的电磁铁；

所述机械爪还包括固定在相邻两组抓取组件之间的上钳档杆和下钳档杆，所述上钳档杆设置在所述夹紧大臂靠近所述抱合曲臂的端部，所述下钳档杆设置在所述夹紧大臂远离所述抱合曲臂的端部；

所述驱动机构为丝杠电机，所述驱动机构包括驱动电机、丝杠和滑块，所述驱动电机固定在所述第一固定架上，所述丝杠与所述驱动电机连接并且保持在对称的两个驱动小臂之间，所述滑块与所述丝杠配合并且与所述驱动小臂转动连接。

2.根据权利要求1所述的攀爬机器人复合足端，其特征在于，所述上钳档杆上设有压力传感器，所述压力传感器与控制所述电磁铁通、断电的继电器通信连接。

3.根据权利要求1所述的攀爬机器人复合足端，其特征在于，所述上钳档杆包括连接在相邻两个夹紧大臂之间的第一连接板以及与所述第一连接板连接的横杆，所述横杆远离所述连接板的端部为自由端；所述下钳档杆包括连接在相邻两个夹紧大臂之间的第二连接板以及与所述第二连接板连接的钩部。

4.根据权利要求1所述的攀爬机器人复合足端，其特征在于，所述第二固定架为相互平行的两个T字型支板，每个支板远离所述连接支架的末端分别安装有电磁铁，并且两个电磁铁相对设置。

5.根据权利要求1-4任一项所述的攀爬机器人复合足端，其特征在于，所述爪肩支板垂直连接在所述第一固定架远离所述连接支架的端部；所述爪肩支板与所述夹紧大臂之间通过至少一组抱合曲臂连接，并且每组抱合曲臂包括两个平行设置地条形板，所述爪肩支板、所述驱动小臂和所述夹紧大臂均夹在两个条形板之间；所述夹紧大臂为直角三角板，所述直角三角板的一个直边与所述抱合曲臂连接，所述直角三角板的另一个直边位于靠近所述夹持空间的内侧，所述直角三角板的斜边位于远离所述夹持空间的外侧。

6.根据权利要求1-4任一项所述的攀爬机器人复合足端，其特征在于，所述攀爬机器人复合足端包括两个抓取部件，所述两个抓取部件形成夹角，所述吸附部件位于所述夹角的角平分线上。

7.一种攀爬机器人，其特征在于，其包括攀爬主体以及权利要求1-6任一项所述的复合足端，所述复合足端与所述攀爬主体连接。