CN109927050A - 一种用于爬杆检测机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于爬杆检测机器人，包括攀爬机构、上下夹持机构、清洗机构以及腰部回转机构在攀爬过程中，由下夹持机构夹紧杆体，同时上夹持机构松开，回转执行器工作，电机旋转，连杆伸长，推动清洗机构及上夹持机构上升，连杆伸至指定位置后，上夹持机构夹紧，下夹持机构放松，回转执行器工作，使连杆收缩，完成一次攀爬动作。在机器攀爬过程中，即执行器工作时，连杆伸长同时，腰部回转机构工作，齿轮转动使其与弧形导轨发生相对转动，带动清洗机构及上夹持器围绕杆体转动，完成一次腰部回转动作。

Description

一种用于爬杆检测机器人

技术领域

本发明涉及一种用于爬杆检测机器人，是一种用于爬杆检测机器人可清洗及检测直径φ200～400mm的杆类设施，例如钢筋混凝土或木制电线杆、路灯、大型广告牌支架等。对于多杆交接等复杂杆杆类设施，装置亦可灵活攀爬，替代人工对杆类设施进行检测以及清洗，属于特种机器人领域。

背景技术

电力系统与日常生活设施的快速增加，无论是城市还是村镇，对电力的需求都越来越大。在我国这种人口基数大，高人口密度的国家，更需要一张可靠又强大的电网来支撑日常生活中的能源消耗。但随着对电网承载力的需求增加，就使得电线杆的数量大量的增加。电线杆将电线架起，其广泛的出现于各个农村、田野、马路和街道之间，是中国最早期的基础设施之一。现代电线杆的材料大部分采用钢筋混凝土或木制杆。由于电线杆长年累月的暴露在外界风吹、日晒和雨淋的恶劣环境下，不可避免的会造成其表面堆积一定得厚度的灰尘层，随着积累的灰尘厚度的增加，所引起的腐蚀破坏也会增加。如果不定期的进行灰尘层厚度安全情况检测，在长时间的腐蚀工况下，电线杆的局部损坏程度加剧，严重时会出现折断的事故。

对电线杆或灯杆等设施，必须进行定期的检查和清理工作。现如今对杆类设施的清理主要由城市环卫清洁工人完成。现对环卫清洁工人对工作满意度的调查研究中，环卫清洁工人对工作的总体满意度仅有57％。其主要原因是环卫清洁工人的工作强度大，工作环境差。尤其在清洁杆类设施时需借助云梯或人力攀爬，爬杆进行作业，危险性大，效率低下。故需要一种代替人工作业，进行杆类设施的攀爬移动，并进行清洗及检测作业。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种用于爬杆检测机器人，适用直径φ200～400mm的杆类设施。

本发明的目的是这样实现的：包括上夹持机构、下夹持机构、腰部回转机构、攀爬机构和清洗机构，下夹持机构和上夹持机构结构相同均包括：导轨、设置在导轨中间位置的两个夹持电机、与每个夹持电机输出轴连接的丝杠轴、安装在每个丝杠轴上的滑块、与每个滑块连接的夹持器臂、与每个夹持器臂端部连接的夹持器基座、设置在夹持器基座中的夹持器夹板、设置在夹持器基座上的锁紧电机、与锁紧电机输出端连接的螺旋副轴、设置在螺旋副轴上的锁紧螺母、与锁紧螺母铰接的锁紧机构连杆、与锁紧机构连杆连接的锁紧门；下夹持机构的导轨上设置有弧形安装板，腰部回转机构包括安装在弧形安装板上的弧形导轨、对称设置在弧形导轨内外两侧的四个导轮、与四个导轮连接的弧形导轨基座、安装在弧形导轨基座上的腰部电机、设置在腰部电机输出轴上的小齿轮，弧形导轨上还设置有弧形齿形结构，小齿轮与弧形齿形结构啮合；攀爬机构包括设置在弧形导轨基座上的关节电机座、与关节电机座铰接的连杆一、与连杆一铰接的连杆二，连杆二的端部铰接在上夹持机构的导轨上，在三个铰接处均设置有回转执行器；所述清洗机构有两套，分别设置在上夹持机构上，实现清洗。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.每套清洗机构包括：分别设置在上夹持机构的两个夹持器基座上的驱动电机、与驱动电机输出端连接的清洗螺旋轴、安装在清洗螺旋轴上的清洗螺母、铰接在清洗螺母上的两个毛刷臂、设置在每个毛刷臂中间位置的清洗电机、安装在清洗电机输出端上的主动带轮、设置在每个毛刷臂端部的从动带轮轴、安装在在每个从动带轮轴上的从动带轮、安装在每个从动带轮轴端部的毛刷，从动带轮与主动带轮之间设置有平带，在每个夹持器基座与对应的毛刷臂之间铰接有短连杆。

2.上夹具机构和下夹具机构的两个锁紧门相对设置。

3.上夹具机构和下夹具机构的两个夹持器夹板相对设置。

4.夹持器夹板是V型板状结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明可以代替人工进行爬杆作业，降低安全风险；从经济上来说，可以节省人工爬杆作业时的人工成本；对机器人行业来说，该课题的研究成果是在爬杆类机器人大家族中的又一大创新。该设计不仅针对于环卫工人爬杆清洗作业的单一工况，也适用于多种杆类构件攀爬的工作。对保护环境及社会的可持续性化自动化装置发展具有一定的积极意义。

本发明在攀爬过程中，由下夹持机构夹紧杆体，同时上夹持机构松开，回转执行器工作，电机旋转，连杆伸长，推动清洗机构及上夹持机构上升，连杆伸至指定位置后，上夹持机构夹紧，下夹持机构放松，回转执行器工作，使连杆收缩，完成一次攀爬动作。在机器攀爬过程中，即执行器工作时，连杆伸长同时，腰部回转机构工作，齿轮转动使其与弧形导轨发生相对转动，带动清洗机构及上夹持器围绕杆体转动，完成一次腰部回转动作。

附图说明

图1是用于爬杆检测机器人正等轴测图；

图2是用于爬杆检测机器人上夹持机构及清洗机构；

图3是用于爬杆检测机器人攀爬机构及腰部回转机构；

图4是用于爬杆检测机器人下夹持机构。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图4，本发明的一种用于爬杆检测机器人装置由夹持机构1、腰部回转机构2、攀爬机构3、清洗机构4组成。其中，夹持机构1包括上夹持机构和下夹持机构，上下夹持夹持机构结构相同，均包括：由夹持电机1-1、基座1-2、丝杠轴1-3、夹持器臂1-4、锁紧电机1-5、锁紧机构连杆1-6、锁紧门1-7、锁紧螺母1-8、螺旋副轴1-9、夹持器夹板1-10、夹持器基座1-11、滑块1-12、导轨1-13组成。腰部回转机构2由腰部电机2-1、弧形导轨基座2-2、小齿轮2-3、导轮2-4、弧形导轨2-5、导轨轮轴2-6组成。攀爬机构3由关节电机座3-1、连杆3-2、回转执行器3-3组成。清洗机构4由毛刷4-1、从动带轮4-2、短连杆4-3、清洗电机4-4、清洗螺母4-5、驱动电机4-6、毛刷轴4-7、毛刷臂4-8、平带4-9组成。

在下夹持机构中夹持器夹板1-10为V型板状，增加机器人抓杆后的稳定性。其夹板中空，并且安装时有一定角度，使得可抓取直径杆体直径范围可调，节省空间的同时也减少了结构质量。夹持器夹板1-10和锁紧机构连杆1-6通过螺栓固定在夹持器基座1-11上。锁紧电机1-5、锁紧机构连杆1-6、锁紧门1-7、锁紧螺母1-8、螺旋副轴1-9构成锁紧装置。其中锁紧电机1-5与螺旋副轴1-9运用梅花联轴器连接，锁紧螺母1-8、锁紧门1-7、锁紧机构连杆1-6通过销连接。下夹持机构抓住杆件后，锁紧装置对杆类设施进行一次锁紧工作，机器人可在杆上平稳工作，保证抓爬的可靠性。在锁紧门1-7的表面附有一层有机橡胶，增加摩擦力以及获得更大的锁紧余量。夹持器臂1-4一端连接在夹持器基座1-11上，另一端连接滑块1-12，滑块1-12带动夹持器在丝杠轴1-3的作用下实现左右往复运动，达到对杆体的夹紧及放松。夹持电机1-1通过梅花联轴器带动丝杠轴1-3转动。

导轨1-13、夹持电机1-1固定在下基座1-2上，在下基座1-2另一侧通过螺栓与腰部回转机构2连接，导轮2-4通过推力球轴承及导轨轮轴2-6固定在弧形导轨基座2-2上，四个导轮连接弧形导轨2-5，保证机器人在完成腰部回转动作时上下部分的连接。腰部电机2-1运转带动小齿轮2-3，与弧形导轨2-5上的齿相啮合，使二者发生相对转动，实现机器人腰部回转动作。

关节电机座3-1连接弧形导轨基座2-2使攀爬机构3与腰部回转机构2相连。两连杆3-2通过三个回转执行器3-3连接，构成攀爬机构3。在回转执行器3-3作用下完成机器人伸长与收缩以及应对复杂的杆类设施的转向动作。关节电机座3-1上端固定下连杆及下部回转执行器，下端与弧形导轨基座2-2通过螺钉连接。上部回转执行器3-3与上连杆3-2固定在上基座1-2上。上、下夹持机构结构及连接方式相同。上夹持机构连接清洗机构4，对杆类设施进行清洗。上、下夹持机构、清洗机构4为左右对称，上下两夹持机构配合工作，使机器人上升或下降。

在清洗机构4中毛刷4-1与毛刷轴4-7过盈配合，毛刷轴4-7下端装有从动带轮4-2，与平带4-9相连，传递力以及运动，由带进行传动，既可以减少震动的影响，又可以增加结构的可靠性。从动带轮4-2上端装有挡环，且两端装有深沟球轴承，起定位和密封作用。清洗电机4-4与毛刷4-1均处于连杆机构的末端会导致其末端负载加大，挠度增加，精度降低，也会影响机构寿命，故应将清洗电机4-4置于中部。用连杆机构实现毛刷4-1与作业表面的离合动作，使两毛刷间距在一定范围内可调。为保证更彻底的完成清洗，清洗机构4应有一定的自锁能力，将清洗螺母4-5与驱动电机4-6通过螺旋轴及梅花联轴器相连。毛刷臂4-8中部通过四个螺栓与清洗电机4-4及短连杆4-3连接，末端与清洗部分连接。短连杆4-3的另一端、电机4-6均连接在上夹持器基座1-11上，以固定清洗机构4。

本发明的工作原理：用于爬杆检测机器人装置的操作过程分为放置、攀爬、腰部回转、清洗四个部分，具体为：

(1)放置调节机器人上下夹持机构两滑块1-12，使两对夹持器臂1-4间距调至最大，并且调节锁紧装置，使其处于放松状态。将机器人卡在杆件上，后调节上、下夹持机构两滑块1-12，使夹持器臂1-4适当收紧。

(2)攀爬机器人下夹持机构夹持电机1-1运转，带动丝杠轴1-3转动，两侧滑块1-12向中间移动，下夹持机构夹紧。同时下夹持机构锁紧电机1-5运转，带动梅花联轴器及螺旋副轴1-9转动，锁紧螺母1-8移动，使下部锁紧门1-7伸出，下夹持机构的锁紧装置锁紧。然后，三个回转执行器3-3配合转动，使两个连杆3-2(连杆一和连杆二)伸长，推动上夹持机构及清洗机构4向上移动。连杆3-2伸长至极限或指定位置，回转执行器3-3停止转动，当杆件为多杆交接等复杂杆杆类设施时，增大中部回转执行器转动范围，可实现机器人转向。上夹持机构夹持电机1-1运转，使两侧滑块1-12向中间移动，上夹持机构夹紧并且上部锁紧电机1-5运转使上部锁紧门1-7伸出，上夹持机构锁紧装置锁紧。下夹持机构及下锁紧装置松开，三个回转执行器3-3反转，两连杆3-2收缩，带动下夹持机构上升，完成一次攀爬动作。

(3)腰部回转在机器人攀爬至下夹持机构夹紧，上夹持机构上升至指定位置后，腰部电机2-1旋转，带动小齿轮2-3，与弧形导轨2-5发生相对转动，带动机器人清洗机构4及上夹持机构相对下半部分围绕杆体转动，到达一侧极限后，腰部电机2-1反向旋转，至另一侧极限后回到原位置，完成腰部回转动作。然后，上夹持机构夹紧，下夹持机构松开，继续完成攀爬动作。

(4)清洗机器人执行腰部回转动作同时，即小齿轮2-3与弧形导轨2-5发生相对转动时，电机4-6运转，两毛刷臂4-8向杆件靠拢，同时清洗电机4-4运转，在平带4-9的带动下，毛刷轴4-7及毛刷4-1转动。毛刷4-1紧贴杆件转动，实现对杆件的清洗。随着机器人腰部回转，完成对杆件一周的清洗。腰部回转动作完成同时，清洗电机4-4停止运转，电机4-6反转，两毛刷臂4-8分开，继续完成攀爬动作。

用于爬杆检测机器人主要用于对直径φ200～400mm的杆类设施进行检测以及清洗，对于多杆交接等复杂杆杆类设施，本发明亦可灵活攀爬。于此设计的实施例中所清洗的杆件直径φ300mm，杆件长12m。如图1～图4所示，爬杆检测机器人的设计参数为：规格(长×宽×高)：400×900×1100mm；重量：50kg。夹持机构1规格：夹持器夹板1-10规格(长×宽×高)：210×5×190mm；夹持器基座1-11夹角90°；锁紧门1-7长度190mm，内表面弧度φ200mm；锁紧机构连杆1-6长度20mm，销孔φ16mm；夹持器臂1-4长度270mm，肋板厚6mm；导轨2-4行程200mm，基座1-2长900mm，厚15mm；丝杠采用梯形螺纹，单线，中径d8mm，夹持电机1-1采用YK42HB60-01A电机，步距角1.8°，额定电压7.2V，保持转矩0.65Nm，电机重量0.5kg。腰部回转机构2规格：弧形导轨2-5内圈半径R220mm，外圈半径R225mm，圆弧伸展180°；小齿轮2-3直径d10mm，模数1mm；弧形导轨基座2-2厚8mm。攀爬机构3规格：关节电机座3-1水平面厚8mm，竖直面厚16mm，大通孔φ60mm；连杆3-2两中心孔距离250mm，厚16mm，肋板厚6mm，左右中心孔半径分别为R50mm、R70mm；回转执行器3-3采用SHA20A-SG电机，最大转矩113Nm，容许静力187Nm，矩转动刚性25.2×104，最高转速49.6r/min。清洗机构4尺寸：毛刷臂4-8长260mm，厚10mm，两中心孔距离100mm；短连杆4-3长39mm，厚16mm；带轮4-2直径d20mm，毛刷轴4-7长160mm。

此用于爬杆检测机器人装置由夹持机构1、腰部回转机构2、攀爬机构3、清洗机构4组成。其中夹持机构1由夹持电机1-1、基座1-2、丝杠轴1-3、夹持器臂1-4、锁紧电机1-5、锁紧机构连杆1-6、锁紧门1-7、锁紧螺母1-8、螺旋副轴1-9、夹持器夹板1-10、夹持器基座1-11、滑块1-12、导轨1-13组成。腰部回转机构2由腰部电机2-1、弧形导轨基座2-2、小齿轮2-3、导轮2-4、弧形导轨2-5、导轨轮轴2-6组成。攀爬机构3由关节电机座3-1、连杆3-2、回转执行器3-3组成。清洗机构4由毛刷4-1、带轮4-2、短连杆4-3、清洗电机4-4、清洗螺母4-5、电机4-6、毛刷轴4-7、毛刷臂4-8、平带4-9组成。

本发明的用于爬杆检测机器人实现了对直径φ200～400mm的杆类设施进行检测以及清洗作业。本设计对如电线杆类的杆类设施实施攀爬，并进行额外的清洗检测等，代替人工作业，节省人工成本，对保护环境及社会可持续化自动化装置的发展具有一定的积极意义。

Claims (7)

1.一种用于爬杆检测机器人，其特征在于：包括上夹持机构、下夹持机构、腰部回转机构、攀爬机构和清洗机构，下夹持机构和上夹持机构结构相同均包括：导轨、设置在导轨中间位置的两个夹持电机、与每个夹持电机输出轴连接的丝杠轴、安装在每个丝杠轴上的滑块、与每个滑块连接的夹持器臂、与每个夹持器臂端部连接的夹持器基座、设置在夹持器基座中的夹持器夹板、设置在夹持器基座上的锁紧电机、与锁紧电机输出端连接的螺旋副轴、设置在螺旋副轴上的锁紧螺母、与锁紧螺母铰接的锁紧机构连杆、与锁紧机构连杆连接的锁紧门；下夹持机构的导轨上设置有弧形安装板，腰部回转机构包括安装在弧形安装板上的弧形导轨、对称设置在弧形导轨内外两侧的四个导轮、与四个导轮连接的弧形导轨基座、安装在弧形导轨基座上的腰部电机、设置在腰部电机输出轴上的小齿轮，弧形导轨上还设置有弧形齿形结构，小齿轮与弧形齿形结构啮合；攀爬机构包括设置在弧形导轨基座上的关节电机座、与关节电机座铰接的连杆一、与连杆一铰接的连杆二，连杆二的端部铰接在上夹持机构的导轨上，在三个铰接处均设置有回转执行器；所述清洗机构有两套，分别设置在上夹持机构上，实现清洗。

2.根据权利要求1所述的一种用于爬杆检测机器人，其特征在于：每套清洗机构包括：分别设置在上夹持机构的两个夹持器基座上的驱动电机、与驱动电机输出端连接的清洗螺旋轴、安装在清洗螺旋轴上的清洗螺母、铰接在清洗螺母上的两个毛刷臂、设置在每个毛刷臂中间位置的清洗电机、安装在清洗电机输出端上的主动带轮、设置在每个毛刷臂端部的从动带轮轴、安装在在每个从动带轮轴上的从动带轮、安装在每个从动带轮轴端部的毛刷，从动带轮与主动带轮之间设置有平带，在每个夹持器基座与对应的毛刷臂之间铰接有短连杆。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于爬杆检测机器人，其特征在于：上夹具机构和下夹具机构的两个锁紧门相对设置。

4.根据权利要求3所述的一种用于爬杆检测机器人，其特征在于：上夹具机构和下夹具机构的两个夹持器夹板相对设置。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于爬杆检测机器人，其特征在于：夹持器夹板是V型板状结构。

6.根据权利要求3所述的一种用于爬杆检测机器人，其特征在于：夹持器夹板是V型板状结构。

7.根据权利要求4所述的一种用于爬杆检测机器人，其特征在于：夹持器夹板是V型板状结构。