CN109571496A - 一种用于高压输电线路巡检的仿生爬行机器人 - Google Patents

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Abstract

一种用于高压输电线路巡检的仿生爬行机器人，包括两个呈中心对称设置的爪部，所述爪部包括上爪部和下爪部，上爪部和下爪部通过腕部连接，腕部通过臂与肩部固定连接，两个肩部之间通过连杆固定连接，机器人的结构设计采用模块化设计，使得机器人整体结构更为合理，整个机器易于安装，方便维修；而且对机器人采用了反对称式的设计，能够让机器人在运行过程中载荷分布均匀，整体的质量较为合理，能够实现在输电线上的行走和越障的功能，控制简单，控制过程易于实现，使得越障效率得以提高，整个机器人机械结构简单，尺寸较小，整体结构质量轻便。

Description

一种用于高压输电线路巡检的仿生爬行机器人
技术领域
本发明属于巡检机器人技术领域，特别涉及一种用于高压输电线路巡检的仿生爬行机器人。
背景技术
高压输电线路在当今社会发展中发挥着不可替代的作用，对于保证高压输电线路的安全性和稳定性，传统的方法是采用人工巡检或者是航测巡检，这样需要浪费大量的人力、物力、财力，而且还会存在搜查不到的隐患。高压输电线路巡检机器人就是为了解决传统巡检方法的弊端而产生的，这使得高压线路的巡检能够更加高效率、低成本以及自动化。但已有的高压输电线路巡检机器人要么是没有越障功能，而那些具有越障功能的一般结构复杂，质量大，控制难度高，越障时运动的时间长，使得整个越障效率不高。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种用于高压输电线路巡检的仿生爬行机器人，能够实现在输电线上的行走和越障的功能，具有结构简单、体积小、轻巧灵活的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种用于高压输电线路巡检的仿生爬行机器人，包括两个呈中心对称设置的爪部，所述爪部包括上爪部和下爪部，上爪部和下爪部通过腕部连接，腕部通过臂20与肩部固定连接，两个肩部之间通过连杆16固定连接；
所述上爪部包括从动轮29，从动轮29两端分别安装有第一从动轮轴承31和第二从动轮轴承32，并通过第一从动轮轴承座30与第二从动轮轴承座33将其固定在手部固定板26上；在手部固定板26的另一侧安装主动轮3，主动轮3两端分别安装有第一主动轮轴承22和第二主动轮轴承28，第一主动轮轴承22设置在主动轮轴承座6中，第二主动轮轴承28设置在轮部电机轴承座2中，通过主动轮轴承座6和轮部电机轴承座2将主动轮3固定在手部固定板26上；轮部电机轴承座2远离主动轮3的一侧将轮部电机24固定，主动轮3靠近第二主动轮轴承28的一侧通过轮部刚性联轴器25与轮部电机24的输出轴连接；
所述下爪部包括一对结构相同的从动轮5，从动轮5两端安装有第三从动轮轴承34和第四从动轮轴承35，第三从动轮轴承34设置在轮部下爪外轴承座23中，第四从动轮轴承35设置在轮部下爪内轴承座21中，从动轮5通过轮部下爪外轴承座23与轮部下爪内轴承座21固定在腕部固定板9上；
所述腕部包括固定到上爪部的手部固定板26上的爪腕连杆4，所述爪腕连杆4为上薄下厚呈“工”字形结构，其下部为中心钻有通孔的长方体结构，通孔中开有键槽，腕部轴7靠近凸台一端安装有第一腕部轴承36，第一腕部轴承36安装在腕部支座8中，腕部轴7配合腕部轴平键37穿过爪腕连杆4通孔上的键槽以带动爪腕连杆4运动，腕部轴7的另一端依次安装腕部弹性挡圈39和第二腕部轴承38后，安装在腕部电机轴承座10中，腕部支座8和腕部电机轴承座10固定到腕部固定板9上，腕部电机轴承座10与腕部电机11连接，腕部电机11的输出轴通过腕部刚性联轴器1连接腕部轴7；
所述臂20的两端分别固定连接到腕部固定板9和肩部12上，从而将爪部和肩部结构连接起来；
所述肩部包括肩部轴18，肩部轴18带有凸台的一侧安装有第一肩部轴承40，第一肩部轴承40安装在第一肩部轴承座13中，肩部轴18配合肩部轴平键45连接固定在连杆头17中的键槽上，在肩部轴18的弹性挡圈槽中安装有肩部弹性挡圈41，肩部轴18的另一侧通过第二肩部轴承44后安装到第二肩部轴承座42上，第一肩部轴承座13和第二肩部轴承座42固定到肩部12上；肩部电机15连接在肩部电机轴承座27上，通过轴套14和轴套平键43将肩部电机15的输出轴和肩部轴18相连接，轴套14和肩部轴18上开有尺寸相同的螺纹孔，通过螺钉限制轴套14的轴向位移，连杆头17与连杆16固定连接，通过连杆16连接两个肩部。
所述臂20为上下结构对称并呈工字钢形结构的薄板，臂20的两端均设有两个通孔，臂20通过通孔及螺栓分别固定连接到腕部固定板9和肩部12上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
机器人的结构设计采用模块化的设计方法，将整个机构分成爪部机构、轮部机构以及肩部机构三大部分进行设计，使得机器人整体结构更为合理，整个机器易于安装，方便维修；而且对机器人采用了反对称式的设计，能够让机器人在运行过程中载荷分布均匀，整体的质量较为合理；而且腕部固定板的设计还可以使爪部有两种安装方式，分别为单爪单压紧轮与单爪双压紧轮，单爪单压紧轮的装配方式能使整体结构更加的轻巧，而单爪双压紧轮则能在抓握线路时具有更高的可靠性，这两种安装方式能够在实验室的探索阶段进行更好的验证。
本发明仿照长臂猿的运动模式，运用仿生设计的方法设计了一款轻巧的高压输电巡检机器人，能够实现在输电线上的行走和越障的功能，控制简单，控制过程易于实现，使得越障效率得以提高。整个机器人机械结构简单，尺寸较小，整体结构质量轻便，整机质量不到10kg，这样在安装配置到输电线上时可以通过无人机进行运送，整个的过程易于实现，而不再需要人工攀爬高压塔进行安装。
附图说明
图1是该高压输电线路巡检机器人整体结构示意图。
图2是巡检机器人后臂爪部展开状态示意图。
图3是巡检机器人整体结构翻转示意图。
图4是巡检机器人三爪结构示意图。
图5是爪部单元展开状态示意图。
图6是上爪部结构示意图。
图7是主动轮结构分解示意图。
图8是从动轮上爪结构分解示意图。
图9是从动轮下爪结构分解示意图。
图10是腕部结构分解示意图。
图11是肩部结构分解示意图。
附图标记如下：1腕部刚性联轴器；2轮部电机轴承座；3主动轮；4爪腕连杆；5从动轮；6主动轮轴承座；7腕部轴；8腕部支座；9腕部固定板；10腕部电机轴承座；11腕部电机；12肩部；13第一肩部轴承座；14轴套；15肩部电机；16连杆；17连杆头；18肩部轴；19高压线；20臂；21轮部下爪内轴承座；22第一主动轮轴承；23轮部下爪外轴承座；24轮部电机；25轮部刚性联轴器；26手部固定板；27肩部电机轴承座；28第二主动轮轴承；29从动轮上；30第一从动轮轴承座；31第一从动轮轴承；32第二从动轮轴承；33第二从动轮轴承座；34第三从动轮轴承；35第四从动轮轴承；36第一腕部轴承；37腕部轴平键；38第二腕部轴承；39腕部弹性挡圈；40第一肩部轴承；41肩部弹性挡圈；42第二肩部轴承座；43轴套平键；44第二肩部轴承；45肩部轴平键。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，一种用于高压输电线路巡检的仿生爬行机器人，包括两个呈中心对称设置的爪部，所述爪部包括上爪部和下爪部，上爪部和下爪部通过腕部连接，腕部通过臂20与肩部连接，其中臂20为一工字钢形设计，上下结构对称，均为一带有两个通孔的薄板，两个肩部之间通过一空心圆管连杆16连接，组成悬臂结构。
参见图6、图8，所述上爪部包括从动轮29，从动轮29两端分别安装有第一从动轮轴承31和第二从动轮轴承32，并通过第一从动轮轴承座30与第二从动轮轴承座33将其固定在手部固定板26上；参见图7，在手部固定板26的另一侧安装主动轮3，主动轮3两端分别安装有第一主动轮轴承22和第二主动轮轴承28，第一主动轮轴承22设置在主动轮轴承座6中，第二主动轮轴承28设置在轮部电机轴承座2中，通过主动轮轴承座6和轮部电机轴承座2将主动轮3固定在手部固定板26上；轮部电机轴承座2远离主动轮3的一侧开有四个通孔，可通过螺栓将轮部电机24进行固定，主动轮3靠近第二主动轮轴承28的一侧通过轮部刚性联轴器25与轮部电机24的输出轴连接，从而轮部电机24可以通过轮部刚性联轴器25带动主动轮3转动，从而带动整体巡线机器人的运动。
参见图5、图9，所述下爪部包括一对结构相同的从动轮5，从动轮5两端安装有第三从动轮轴承34和第四从动轮轴承35，第三从动轮轴承34设置在轮部下爪外轴承座23中，第四从动轮轴承35设置在轮部下爪内轴承座21中，从动轮5通过轮部下爪外轴承座23与轮部下爪内轴承座21固定在腕部固定板9上。
参见图5、图10，所述腕部包括通过螺栓固定到上爪部的手部固定板26上的爪腕连杆4，所述爪腕连杆4为上薄下厚呈“工”字形结构，其下部为中心钻有通孔的长方体结构，通孔中开有键槽，腕部轴7靠近凸台一端安装有第一腕部轴承36，第一腕部轴承36安装在腕部支座8中，腕部轴7配合腕部轴平键37穿过爪腕连杆4通孔上的键槽以带动爪腕连杆4运动，腕部轴7的另一端依次安装腕部弹性挡圈39和第二腕部轴承38后，安装在腕部电机轴承座10中，通过腕部弹性挡圈39固定以限制其轴向位移，腕部支座8和腕部电机轴承座10通过螺栓固定到腕部固定板9上，这样就通过爪腕连杆4和腕部轴7将上、下爪部连接为一体；腕部电机轴承座10通过螺栓与腕部电机11连接，腕部电机11的输出轴通过腕部刚性联轴器1连接腕部轴7，通过腕部电机11带动爪腕连杆4，从而带动上爪部的运动，实现爪部的开合及抓紧电线的紧密程度，为机器人在输电线上进行一定角度的攀爬时提供力量。
如图11所示，肩部包括肩部电机15，肩部12，肩部轴18，连杆头17等，肩部轴18带有凸台的一侧安装有第一肩部轴承40，第一肩部轴承40安装在第一肩部轴承座13中，肩部轴18配合肩部轴平键45连接固定在连杆头17中的键槽上，从而实现肩部轴18带动连杆头17进行运动，在肩部轴18的弹性挡圈槽中安装有肩部弹性挡圈41，以实现肩部轴18的轴向位移限定，肩部轴18的另一侧通过第二肩部轴承44后安装到第二肩部轴承座42上，第一肩部轴承座13和第二肩部轴承座42通过螺栓固定到肩部12上；肩部电机15通过螺栓连接在肩部电机轴承座27上，通过轴套14和轴套平键43将肩部电机15的输出轴和肩部轴18相连接，将肩部电机15的运动传递给肩部轴18，而带动连杆头17的转动，实现肩部的运动，完成整体的翻转跨越动作，轴套14和肩部轴18上开有尺寸相同的螺纹孔，通过螺钉限制轴套14的轴向位移，连杆头17通过螺栓与连杆16固定连接，通过连杆16连接两个肩部，完成整个装置的装配。
本发明的工作原理是：
如图2所示，是机器人碰到障碍物停下时后爪张开状态示意图，图3所示是机器人整体翻转之后的机构示意图；如图4所示，下爪部分可以采用单压紧轮，这样可以进一步减轻机构的重量，可以用于实验室的数据测量以及在较为平缓的输电线上进行运动。
越障过程需要肩部机构和爪部机构先后有秩序的配合来完成，从而实现跨越障碍物的运动；首先通过爪部电机使得轮部能够实现在输电线上的抓合，而将巡线机器人固定在输电线上；而后由轮部的电机带动机器人在输电线上进行运动，当机器人在架空线上遇到障碍物时，先控制轮部电机停止运动，使得机器人在障碍物之前合适的距离停下，然后将相对于障碍物而言的后爪通过爪部电机控制释放，不再抓合线路，当爪部电机运动一定角度后，前肩处肩部电机开始运动，从而将后爪放至输电线以下，运动一定的角度之后，前、后肩处肩部电机开始运动，从而将后爪从障碍物下方转到障碍物前方去，到达一定的姿态后再通过爪部电机抓合输电线，以将其固定锁紧在输电线上，完成了机器人的前后爪交替，至此越障的第一阶段完成；然后再将此时相对于障碍物时后爪的爪部进行同样的控制，以达到跨越障碍物的目的。

Claims (2)

1.一种用于高压输电线路巡检的仿生爬行机器人，其特征在于，包括两个呈中心对称设置的爪部，所述爪部包括上爪部和下爪部，上爪部和下爪部通过腕部连接，腕部通过臂(20)与肩部固定连接，两个肩部之间通过连杆(16)固定连接；
所述上爪部包括从动轮(29)，从动轮(29)两端分别安装有第一从动轮轴承(31)和第二从动轮轴承(32)，并通过第一从动轮轴承座(30)与第二从动轮轴承座(33)将其固定在手部固定板(26)上；在手部固定板(26)的另一侧安装主动轮(3)，主动轮(3)两端分别安装有第一主动轮轴承(22)和第二主动轮轴承(28)，第一主动轮轴承(22)设置在主动轮轴承座(6)中，第二主动轮轴承(28)设置在轮部电机轴承座(2)中，通过主动轮轴承座(6)和轮部电机轴承座(2)将主动轮(3)固定在手部固定板(26)上；轮部电机轴承座(2)远离主动轮(3)的一侧将轮部电机(24)固定，主动轮(3)靠近第二主动轮轴承(28)的一侧通过轮部刚性联轴器(25)与轮部电机(24)的输出轴连接；
所述下爪部包括一对结构相同的从动轮(5)，从动轮(5)两端安装有(24)第三从动轮轴承(34)和第四从动轮轴承(35)，第三从动轮轴承(34)设置在轮部下爪外轴承座(23)中，第四从动轮轴承(35)设置在轮部下爪内轴承座(21)中，从动轮(5)通过轮部下爪外轴承座(23)与轮部下爪内轴承座(21)固定在腕部固定板(9)上；
所述腕部包括固定到上爪部的手部固定板(26)上的爪腕连杆(4)，所述爪腕连杆(4)为上薄下厚呈“工”字形结构，其下部为中心钻有通孔的长方体结构，通孔中开有键槽，腕部轴(7)靠近凸台一端安装有第一腕部轴承(36)，第一腕部轴承(36)安装在腕部支座(8)中，腕部轴(7)配合腕部轴平键(37)穿过爪腕连杆(4)通孔上的键槽以带动爪腕连杆(4)运动，腕部轴(7)的另一端依次安装腕部弹性挡圈(39)和第二腕部轴承(38)后，安装在腕部电机轴承座(10)中，腕部支座(8)和腕部电机轴承座(10)固定到腕部固定板(9)上，腕部电机轴承座(10)与腕部电机(11)连接，腕部电机(11)的输出轴通过腕部刚性联轴器(1)连接腕部轴(7)；
所述臂(20)的两端分别固定连接到腕部固定板(9)和肩部(12)上，从而将爪部和肩部结构连接起来；
所述肩部包括肩部轴(18)，肩部轴(18)带有凸台的一侧安装有第一肩部轴承(40)，第一肩部轴承(40)安装在第一肩部轴承座(13)中，肩部轴(18)配合肩部轴平键(45)连接固定在连杆头(17)中的键槽上，在肩部轴(18)的弹性挡圈槽中安装有肩部弹性挡圈(41)，肩部轴(18)的另一侧通过第二肩部轴承(44)后安装到第二肩部轴承座(42)上，第一肩部轴承座(13)和第二肩部轴承座(42)固定到肩部(12)上；肩部电机(15)连接在肩部电机轴承座(27)上，通过轴套(14)和轴套平键(43)将肩部电机(15)的输出轴和肩部轴(18)相连接，轴套(14)和肩部轴(18)上开有尺寸相同的螺纹孔，通过螺钉限制轴套(14)的轴向位移，连杆头(17)与连杆(16)固定连接，通过连杆(16)连接两个肩部。
2.根据权利要求1所述的一种用于高压输电线路巡检的仿生爬行机器人，其特征在于，所述臂(20)为上下结构对称并呈工字钢形结构的薄板，臂(20)的两端均设有两个通孔，臂(20)通过通孔及螺栓分别固定连接到腕部固定板(9)和肩部(12)上。
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