CN110142739B - 一种三段式高压输电线滑行巡检机器人 - Google Patents

Abstract

一种三段式高压输电线滑行巡检机器人，包括带悬挂的前后轮系及搭载作业系统与夹持机构的本体，前后轮系与本体通过可变阻尼铰链与扭簧件相互连接，前后悬挂轮系的非对称轮对称布置，通过对心能够将输电线卡在两轮长边间，其夹持机构由手爪、手爪架、法兰直线轴承、舵机和舵机码盘组成，两手爪对称布置，在舵机控制下能够实现开张与闭合，线上移动过程中两手爪张开，由两驱动轮带动机器人整体移动，而当机器人进入前轮越障状态时，夹持部两手爪旋转闭合与线缆接触，与后轮共同实现机器人与线间的两处稳定接触，前轮越过障碍后恢复水平，手爪打开变更为两轮的接触，手爪张开后越过障碍，能够实现轮式越障，提升巡检过程本体的稳定性。

Description

一种三段式高压输电线滑行巡检机器人

技术领域

本发明属于巡检机器人技术领域，特别涉及一种三段式高压输电线滑行巡检机器人。

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。臂式巡检机器人采用的夹持越障方法一般结构复杂，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。而已有的轮式高压输电线路巡检机器人要么是没有越障功能，要么在越障过程中会对机体产生较大的冲击和振动，对搭载的作业系统如操作臂、线缆检测系统等的作业精度有着较大的影响。

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三段式高压输电线滑行巡检机器人，能够搭载各类作业系统完成巡检与越障，提高本体及搭载系统巡检过程的稳定性与作业的精度，具有结构简单、稳定性高、适用性强的特点。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种三段式高压输电线滑行巡检机器人，包括带悬挂的前后轮系及搭载作业系统与夹持机构的本体，前后轮系通过其轮系上板1与本体的本体上板22通过可变阻尼铰链20与扭簧件21相互连接；

所述带悬挂的前后轮系包括轮系上板1，两轴承架4与轮系上板1实现固连，轴承架4沟槽为有矩形连接的两半圆形状，长轴承座6嵌入该边轴承架4沟槽中，长轴承座6为有两端凸起空心柱面的连接件，长轴承座6的大端圆柱面在沟槽中有一定的活动空间从而能够实现非对称轮5的上下浮动，长轴承座6的小端柱部紧固安装直流减速电机18，直流减速电机18连接有减速器及编码器，减速器上设有一圈螺纹孔，减速器顶部固定连接在长轴承座6的小端柱部，非对称轮5长端外伸轴与该边轴承28内圈连接，该边轴承28外圈嵌入长轴承座6大端柱面内孔实现非对称轮5相对长轴承座6的转动，第一扭簧柱2一端光滑一端带螺纹，其螺纹端安装在长轴承座6大端柱面上部螺纹孔内，通过螺纹之上的颈部环将减震弹簧3安装在第一扭簧柱2上，第一扭簧柱2的光滑端穿过轴承架4的T型外伸部孔内，从而将减震弹簧3变形方向限制第一扭簧柱2所在的垂直方向，轴承端盖7插入长轴承座6的大端柱面孔中对轴承进行轴向限位，非对称轮5的长端外伸轴穿过该边轴承端盖7与轮部带轮8连接，直流减速电机18输出轴穿过长轴承座6小端与电机带轮10连接，通过轮部带轮8和电机带轮10之间套有的轮带9实现直流减速电机18与非对称轮5间的带传动，非对称轮5的短端外伸轴与该边轴承28、轴承座19、轴承架4及轴承端盖7连接方式同理；

所述夹持机构安装在本体前部并与本体上板22固连，夹持机构采用左右对称布置，包括舵机部分与手抓部分，舵机部分包括为E型板件的舵机架11，其上边与本体上板22连接，大扭矩舵机12安装在舵机架11下部两边内，大扭矩舵机12外伸轴连接舵机码盘13实现传动；手抓部分包括固连在本体上板22上的手爪架25，夹板24夹在两手爪架25以保证其刚度，夹板24下部为用于容纳线缆27的半圆形柱面弧槽，手爪架25下部两耳形部分通过安装孔安装法兰直线轴承23的外圈，左右两个对称布置的手抓15长端外伸轴插入法兰直线轴承23的内圈中，手抓15长端外伸轴通过顶丝与联轴器14相连，而联轴器14与舵机码盘13直连；

所述作业系统搭载在本体后部，包括与本体上本体上板22固连的相机架16，相机架16上对称安装的两个相机17在实现视觉检测。

所述扭簧件21包括扭簧座上28、扭簧29、第二扭簧柱30、扭簧座下31，第二扭簧柱30上套有扭簧29，第二扭簧柱30与扭簧座下31固结，第二扭簧柱30的光轴端与扭簧座28光孔配合连接。

本发明所提供的一种三段式高压输电线滑行巡检机器人，能够实现轮式越障，提升巡检过程本体的稳定性，采用模块化设计，将前后减振悬挂轮系、本体机构、可调阻尼的铰链扭簧机构进行组合连接，整体采用三节式设计，前后悬挂轮系的非对称轮对称布置，通过对心能够将输电线卡在两轮长边间，其夹持机构由手爪、手爪架、法兰直线轴承、舵机和舵机码盘组成，两手爪对称布置，在舵机控制下能够实现开张与闭合，前后轮卡线槽中心与闭合手抓中心一致，构成机器人与线缆的三处接触点，当机器人遇到横向风等紧急情况或需要暂停作业时，手爪闭合三处接触均成立机器人锁死停机，机器人巡检过程中的移动与越障情况，只需同时保持两处接触即可保证机器人的稳定运行，线上移动过程中两手爪张开，由两驱动轮带动机器人整体移动，而当机器人进入前轮越障状态时，夹持部两手爪旋转闭合与线缆接触，与后轮共同实现机器人与线间的两处稳定接触，前轮部分在障碍物冲击的作用下铰链转动抬头将冲击能量转为扭簧的弹性能量，而本体部分仍保持水平稳定，在后轮电机扭矩作用下带动整体移动，前轮越过障碍后在扭簧作用下前部弹下恢复水平与中板保持一致，手爪打开变更为两轮的接触，手爪张开后越过障碍，后轮越障时则依然变更为手爪夹线前轮推动，后轮遇到冲击铰链转动从而完成后轮越障，至此机器人完成越障。多节式结构提升了机器人本体对线缆弧度的适应性，三接触点交替两两配合保证了机线配合的持续有效性，悬挂轮系将冲击转换为前后轮的俯仰运动，降低了机器人本体在竖直方向位移与振动，从而使交替越障过程中始终保持较高平稳性，提升了作业系统作业的精度与效果。

附图说明

图1为三段式高压输电线路巡检机器人整体结构示意图。

图2为轮式减震系统结构分解示意图。

图3为本体结构分解示意图。

图4为可调式扭簧阻尼铰链结构分解示意图。

图5（1）、（2）、（3）为机器人在输电线上越障过程示意图。

附图标记如下：

1轮系上板；2第一扭簧柱；3减震弹簧；4轴承架；5非对称轮；6长轴承座；7轴承端盖；8轮部带轮；9轮带；10电机带轮；11舵机架；12大扭矩舵机；13舵机码盘；14联轴器；15手爪；16相机架；17相机；18直流减速电机；19短轴承座；20可变阻尼铰链；21扭簧件；22本体上板；23法兰直线轴承；24夹板；25手爪架；26间隔棒；27输电线缆；28扭簧座上；29扭簧；30第二扭簧柱；31扭簧座下；32铰链座上；33铰链柱；34铰链座下；

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1，一种三段式高压输电线滑行巡检机器人，包括带悬挂的前后轮系，搭载作业系统与夹持机构的本体，前后轮系通过其轮系上板1与本体的本体上板22通过可变阻尼铰链20与扭簧件21相互连接，组成三段式系统，三节式部件的连接机构由可变阻尼的铰链20与扭簧件21组成，在前后轮系越障受到较大冲击时，扭簧机构21实现前后轮系的抬头运动，变阻尼铰链20保证轮系与主体间的连接刚度实现变形的渐进性，从而将冲击与振动转化为前后轮系的俯仰运动，保证主体机构的稳定性。多段式的结构能够更好适应输电线缆27的弧度与越障时垂向位移和振动，提高巡检的适应性与稳定性。

参见图2，前后悬挂轮系采用悬挂式设计，增加了轮部对障碍物冲击的适应能力，主要包括非对称轮5、轴承架4、轴承28、长轴承座6、短轴承座19、轴承端盖7、第一扭簧柱2、减震弹簧3、直流减速电机18、轮带9、电机带轮10、轮部带轮8。

所述带悬挂的前后轮系包括轮系上板1，两轴承架4通过螺栓螺母与轮系上板1实现固连，轴承架4沟槽为有矩形连接的两半圆形状，长轴承座6嵌入该边轴承架4沟槽中，长轴承座6为有两端凸起空心柱面的连接件，长轴承座6的大端圆柱面在沟槽中有一定的活动空间从而能够实现非对称轮5的上下浮动，长轴承座6的小端柱部通过螺钉紧固安装直流减速电机18，直流减速电机18连接有减速器及编码器，减速器上设有一圈螺纹孔，通过螺钉将减速器顶部固定连接在长轴承座6的小端柱部，非对称轮5长端外伸轴与该边轴承28内圈连接，该边轴承28外圈嵌入长轴承座6大端柱面内孔实现非对称轮5相对长轴承座6的转动，第一扭簧柱2一端光滑一端带螺纹，其螺纹端安装在长轴承座6大端柱面上部螺纹孔内，通过螺纹之上的颈部环将减震弹簧3安装在第一扭簧柱2上，第一扭簧柱2的光滑端穿过轴承架4的T型外伸部孔内，从而将减震弹簧3变形方向限制第一扭簧柱2所在的垂直方向，轴承端盖7插入长轴承座6的大端柱面孔中对轴承进行轴向限位，非对称轮5的长端外伸轴穿过该边轴承端盖7与轮部带轮8连接，直流减速电机18输出轴为D型轴，穿过长轴承座6小端与电机带轮10的D型孔连接，再通过轮部带轮8和电机带轮10之间套有的轮带9实现直流减速电机18与非对称轮5间的带传动，非对称轮5的短端外伸轴与该边轴承28、轴承座19、轴承架4及轴承端盖7连接方式同理。

为缩短机器人横向尺寸，用带传动的方式代替了传统的联轴器方式，提升了机器人的紧凑性，非对称轮5中部为半圆形卡线槽能够将线缆卡在轮中，线槽边小径轮边宽度能在越障时与障碍物保持充分接触，大径轮边扩大了与线的接触面积提升了轮在线上滑行的平稳性，卡线槽内部接近大径端的四分之一圆设计为多齿形面，前后轮在线上分别在卡线槽的左右两边前后对称贴合，轮在沿线径向倾斜时会遇到更大阻力卡紧，从而防止机器人在线上的倾斜，保证巡检的稳定性。

参见图3，机器人本体部分包括夹持机构与作业系统，夹持机构安装在本体前部，实现本体对线的夹持与配合，作业系统搭载在本体后部，实现机器人的检测或作业功能。

夹持机构分为舵机部分与手抓部分，舵机架为E型板件，其上边通过螺栓螺母与本体上板22连接，大扭矩舵机12安装在舵机架11下部两边内，大扭矩舵机12外伸轴连接舵机码盘13实现传动，手抓部分由手爪架25通过螺栓螺母固连在本体上板22上，夹板24夹在两手爪架25以保证其刚度，夹板24下部为半圆形柱面弧槽容纳线缆27，手爪架25下部两耳形部分留有安装孔安装法兰直线轴承23的外圈，左右两手抓15长端外伸轴插入法兰直线轴承23内圈中，从而实现手抓15的转动，手抓15长端外伸轴通过顶丝与联轴器14相连，而联轴器14与舵机码盘13直连，从而实现从舵机到手抓的传动，夹持部分采用左右对称布置，能够实现主体部分对线的夹持与配合。

所述作业系统包括通过螺栓螺母与本体上板22固连的相机架16，两对称布置的相机17安装在相机架16上，利用对称的布置实现对线缆左右两端360°的完全视觉检测。作业系统与本体固连，在三节式结构的适应性与前后悬挂系统的俯仰运动作用下，本体能够实现较高的平稳性，从而使作业系统能够保持与线缆的稳定位置关系，以确定镜线距进行输电线缆27的表观缺陷检测，减小振动与冲击对检测系统的影响。26间隔棒安装在27输电线缆上，作为模拟实际应用中的障碍物。

参见图4，述扭簧件21包括扭簧座上28、扭簧29、第二扭簧柱30、扭簧座下31，扭簧座上28、扭簧座下31与铰链座上32、铰链座下34分别固连在轮系上板1和本体上板22上，第二扭簧柱30上套有扭簧29，第二扭簧柱30与扭簧座下31通过螺纹连接，第二扭簧柱30的光轴端与扭簧座28光孔配合，从而实现扭簧座上下的转动带动扭簧扭转。铰链柱33插入铰链座上32和铰链座下34的孔中，铰链螺纹端与铰链座上32形成螺纹配合从而固连，铰链座下34则与光轴配合实现旋转；在前后轮系越障受到较大冲击时，扭簧件21实现前后轮系的抬头运动，变阻尼铰链机构20保证轮系与主体间的连接刚度实现变形的渐进性，从而将冲击与振动转化为前后轮系的俯仰运动，保证主体机构的稳定性。

参见图5（1）、图5（2）、图5（3），机器人越障过程分为三步：分别是前轮越障，夹持越障，后轮越障。前后悬挂轮系的非对称轮对称布置，通过对心能够将输电线卡在两轮长边间，其夹持机构，由手爪15、手爪架25、法兰直线轴承23、大扭矩舵机12、舵机码盘13和联轴器14组成，两手爪15对称布置，在大扭矩舵机12的控制下能够实现开张与闭合，前后轮卡线槽中心与闭合手抓15中心一致，构成机器人与线缆的三处接触点，手爪15闭合三处接触均成立机器人锁死停机，机器人巡检过程中的移动与越障情况，只需同时保持两处接触即可保证机器人的稳定运行，线上移动过程中两手爪15张开，由两驱动轮带动机器人整体移动，而当机器人进入前轮越障状态时，夹持部两手爪15旋转闭合与线缆接触，与后轮共同实现机器人与线间的两处稳定接触，前轮部分在障碍物冲击的作用下铰链转动抬头将冲击能量转为扭簧的弹性能量，而本体部分仍保持水平稳定，在后轮电机扭矩作用下推动整体移动，前轮越过障碍后在扭簧作用下前部弹下恢复水平与中板保持一致，手爪15打开变更为两轮的接触，手爪15张开后越过障碍；夹持部越障时，依靠前后轮与线两处配合实现稳定接触，前后卡线槽左右对称的多齿圆弧增大与线的横向接触，对轮在横向面进行限制，通过增大横向面圆弧部摩擦力阻止机器人对单线的倾斜，前后电机推动整体沿线方向前进夹持部分越过障碍；后轮越障时，手爪15放下闭合夹线，后轮遇到冲击铰链转动从而完成后轮越障，前轮推动整机前进实现越障；即通过三接触点两两交替配合方式完成机器人越障。

Claims (1)

1.一种三段式高压输电线滑行巡检机器人，其特征在于，包括带悬挂的前后轮系及搭载作业系统与夹持机构的本体，前后轮系通过其轮系上板（1）与本体的本体上板（22）通过可变阻尼铰链（20）与扭簧件（21）相互连接；

所述带悬挂的前后轮系包括轮系上板（1），两轴承架（4）与轮系上板（1）实现固连，轴承架（4）沟槽为有矩形连接的两半圆形状，长轴承座（6）嵌入该轴承架（4）沟槽中，长轴承座（6）为有两端凸起空心柱面的连接件，长轴承座（6）的大端圆柱面在沟槽中有一定的活动空间从而能够实现非对称轮（5）的上下浮动，长轴承座（6）的小端柱部紧固安装直流减速电机（18），直流减速电机（18）连接有减速器及编码器，减速器上设有一圈螺纹孔，减速器顶部固定连接在长轴承座（6）的小端柱部，非对称轮（5）长端外伸轴与轴承内圈连接，轴承外圈嵌入长轴承座（6）大端柱面内孔实现非对称轮（5）相对长轴承座（6）的转动，第一扭簧柱（2）一端光滑一端带螺纹，其螺纹端安装在长轴承座（6）大端柱面上部螺纹孔内，通过螺纹之上的颈部环将减震弹簧（3）安装在第一扭簧柱（2）上，第一扭簧柱（2）的光滑端穿过轴承架（4）的T型外伸部孔内，从而将减震弹簧（3）变形方向限制在第一扭簧柱（2）所在的垂直方向，轴承端盖（7）插入长轴承座（6）的大端柱面孔中对轴承进行轴向限位，非对称轮（5）的长端外伸轴穿过该轴承端盖（7）与轮部带轮（8）连接，直流减速电机（18）输出轴穿过长轴承座（6）小端与电机带轮（10）连接，通过轮部带轮（8）和电机带轮（10）之间套有的轮带（9）实现直流减速电机（18）与非对称轮（5）间的带传动，非对称轮（5）的短端外伸轴与轴承、轴承座（19）、轴承架（4）及轴承端盖（7）连接方式同理；

所述夹持机构安装在本体前部并与本体上板（22）固连，夹持机构采用左右对称布置，包括舵机部分与手抓部分，舵机部分包括为E型板件的舵机架（11），其上边与本体上板（22）连接，大扭矩舵机（12）安装在舵机架（11）下部两边内，大扭矩舵机（12）外伸轴连接舵机码盘（13）实现传动；手抓部分包括固连在本体上板（22）上的手爪架（25），夹板（24）夹在两手爪架（25）以保证其刚度，夹板（24）下部为用于容纳线缆（27）的半圆形柱面弧槽，手爪架（25）下部两耳形部分通过安装孔安装法兰直线轴承（23）的外圈，左右两个对称布置的手抓（15）长端外伸轴插入法兰直线轴承（23）的内圈中，手抓（15）长端外伸轴通过顶丝与联轴器（14）相连，而联轴器（14）与舵机码盘（13）直连；

所述作业系统搭载在本体后部，包括与本体上本体上板（22）固连的相机架（16），相机架（16）上对称安装的两个相机（17）实现视觉检测；

所述扭簧件（21）包括扭簧座上（28）、扭簧（29）、第二扭簧柱（30）、扭簧座下（31），第二扭簧柱（30）上套有扭簧（29），第二扭簧柱（30）与扭簧座下（31）固结，第二扭簧柱（30）的光轴端与扭簧座上（28）光孔配合连接。

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