CN110371291A - 一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，针对大负载的作业条件，腿部为并联结构，采用气缸，缓冲上下线动作的振动；手爪机构基于仿生学原理，设置四指结构，前侧三指，后侧一个手指，前侧一个手指与后侧手指共线，其余两个手指两侧倾斜35°分布，针对高压输电线本身结构特点，手指内侧设置凹槽，确保抓线的可靠性与快速性，手爪底端设置弹簧缓冲结构，在手爪着线时进行缓冲，腿部与手爪协同作用，可实现高压输电线飞行巡检机器人的平稳上下线；巡检机器人有上线、线上滑行、下线三种运行状态，腿部与手爪协同工作，可实现三种运行状态灵活转变，为高压输电线飞行巡检机器人自主智能上下线提供了工程应用基础。

Description

一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构。

背景技术

高压输电线作为我国基础设施建设和社会发展的动脉，在工业发展和日常生活中占据重要地位，因此实现高压输电线的高效率精确巡检就变得极为重要，目前高压输电线智能巡检和可视化监控技术成为未来必然发展趋势。当前高压输电线巡检机器人上下线主要通过人工背送或者机构输送完成，效率低，成本高。实现巡检机器人飞行上下线是解决这一问题的便捷途径，而飞行上下线需要解决的主要问题就是大重量机器人负载在类柔索高压输电线上的平稳起降问题。据此本发明设计了基于老鹰腿部和手爪仿生机理的高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，并为其他大负重机构的起降缓冲设计提供积极的借鉴作用，具有重要的工程应用价值。

目前，高压输电线飞行巡检机器人上下线的方法主要有三种：

(1)人工辅助法。此方法需要人身穿带电服进行高空攀爬将机器人运送至线上，危险性高强度大，对工作人员自身安全存在威胁。

(2)设置导轨法。此方法将巡检机器人放置在吊篮内，通过吊篮在导轨上的运动实现巡检机器人的上下线。这种方法需要在每个线塔上设置导轨，前期投入成本高，后面还需定期进行导轨的检查维修工作。

(3)飞行器辅助法。此方法采用无人机将巡检机器人传送到高压输电线上，然后放置到线上实现巡检机器人上下线，操作难度较大，技术性要求高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，基于老鹰腿部和手爪仿生的机理，设计了并联腿部机构，提高整体结构刚度，实现大负载作用下的上下线动作；手爪采用鹰式四指结构，通过直线电缸带动连杆运动，实现手指的开闭动作，针对高压输电线的结构特点，每个手指内侧设置凹槽结构，提高抓线的快速性与准确性，手爪中心设置弹簧缓冲结构提高手爪的柔性，保证了高压输电线飞行巡检机器人上下线的平稳性。

本发明采用以下技术方案：

一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，包括滑线机构和腿部机构，滑线机构和腿部机构分别于四旋翼本体结构连接，滑线机构设置在四旋翼本体结构的底部，用于着线进行滑行巡检，腿部机构包括多个，设置在滑线机构的两侧并与四旋翼本体结构错位连接，在腿部机构的末端设置有手爪机构。

具体的，腿部机构包括下底板，下底板固定在四旋翼本体结构的底部，下底板上设置有上肢，上肢通过并联机构与下肢连接，手爪机构与下肢的末端铰接连接。

进一步的，并联机构包括气缸和电动缸，气缸和电动缸的一端分别于上肢连接，气缸的另一端与下肢的一端连接，电动缸的另一端与下肢的中部连接，下肢上开有滑槽，电动缸的一端设置在滑槽内。

具体的，滑行机构包括滑行连接板，滑行连接板固定在四旋翼机体上对称设置有辊轮支架，辊轮支架上设置有辊轮轴，辊轮轴上设置有辊轮，辊轮通过传动带与传动电机连接，在滑行连接板下方的中间位置设置有开合电机和开合槽，开合电机通过轴与开合槽连接，开合槽和一侧的传动电机之间设置有检测部件。

具体的，手爪机构包括底座，在底座内设置有直线电缸，直线电缸与推杆连接，推杆上设置有用于连接手指的连杆。

进一步的，手指包括第一手指和第二手指，第一手指和第二手指各包括两个，第一手指和第二手指的一端分别于底座活动连接。

更进一步的，第一手指呈直线对称分布在底座上，内侧的凹槽垂直分布，第二手指呈35°分布在第一手指的两侧，内面的凹槽倾斜55°设置。

进一步的，在底座的底端中心设置有弹簧缓冲机构。

具体的，四旋翼本体结构包括四旋翼桨叶和四旋翼机臂，四旋翼机臂对应设置在四旋翼机体对称位置，四旋翼桨叶对应设置在四旋翼机臂上，四旋翼机体的下部分别与滑线机构和腿部机构连接。

进一步的，滑线机构设置在四旋翼机体的底部中心。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，可以实现高压输电线巡检机器人的飞行上下线的功能，为飞行巡检与滑行巡检之间的模态切换提供技术保障。滑线机构和腿部机构布置在四旋翼飞行机构的底部，主要是使得负载重心在桨叶平面以下，保证了飞行的平稳性；滑行机构在四旋翼本体机构中心正下方，保证了的滑行巡检的平稳性；两个腿部机构交错布置在滑行机构两侧，保证了腿部机构重心在输电线方向上，腿部末端手爪机构可以较好的稳定机器人在输电线上的位置，并实现腿部抓线向滑线机构着线过渡，提高了机器人与输电线接触的稳定性。

进一步的，腿部上肢尺寸较大，具有较好的刚度与负载能力；上肢与下底板之间扭转45°相连，可以保证两个腿部抓线不会相互干涉，落线时腿部机构不会与滑线机构干涉；并行机构与下肢直接相连，既提高了整体高度，同时还可以满足末端执行轨迹的需要；手爪与下肢末端铰接，可以实现抓线时手爪位置微调。

进一步的，腿部采用气缸与电动缸的并联机构，提高了腿部的刚度，可以很好的满足大负载起降的需要；气缸可实现大负载冲击的缓冲作用；上肢通过旋转电机与电动缸相连，旋转电机可以调整腿部与下底板的角度；电动缸与下肢的中间部位联接，电动缸的伸缩可以实现下肢的收放，并保证良好的刚度与效率。

进一步的，在腿部机构的下肢上开有滑槽，不仅减轻了整体重量，而且便于连杆的装配，并保证了下肢的收放的灵活调整。

进一步的，手爪机构主要是用来实现平稳抓线需求。手爪机构中的直线电缸主要是推动推杆伸缩，从而实现手爪前端手指的抓紧与松开的动作。这种直线电缸驱动的连杆机构，结构简单，效率高，刚度好。

进一步的，手爪前端采用四指机构，其中第一手指两根，第二手指两根。其中两根第一手指，前后正对呈直线对称分布在底座上，手指内侧凹槽垂直设计；第一手指的前指两边35°处分布着另外两根第二手指，这两根手指内有凹槽斜度为55°。这样仿老鹰的四指机构，其前端三指夹持力朝向中心位置，三指合力在输电线的垂直方向上与后面一根指的夹持力大小相等，方向相反，可以很好的实现四根手指稳定抓线的需求。

进一步的，手爪底座中心位置设置的弹簧缓冲机构，可以在上线或者下线时，对机体重负载对高压输电线的冲击进行缓冲，较好的保证了上下线的平稳性。

进一步的，高压输电线飞行巡检机器人采用四旋翼机构，该机构飞行控制简单，为快速准确上下线提供较好的飞行平台；与六旋翼或更多旋翼机构相比四旋翼的四个机臂与桨叶对称布局，为滑行机构和腿部机构的布置提供了良好的空间；滑行机构和腿部机构布置在四旋翼机体下方，保证了重心在桨叶旋转平面以下，保证论文飞行的平稳性；滑行机构布置在四旋翼机体的底部中心，可以保持滑行机构重心与机体机构重心都在输电线上，保证了线上起降和线上滑行巡检的平稳性。

综上所述，本发明的腿部机构实现巡检机器人线上起降的缓冲与姿态调整的功能，仿老鹰的手爪机构设计实现了平稳快速抓握输电线的功能，滑行机构可以实现快速巡检的功能，整个发明设计刚度好，缓冲大，能够实现高压输电线巡检机器人的平稳上下线的功能，为飞行巡检与滑行巡检之间的模态切换提供技术支撑。高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构共有三种运行状态：上线、线上滑行、下线，整个运行过程中，巡检机器人上下线不受位置的局限，各个动作状态转换灵活，实现了高压输电线飞行巡检机器人自主智能上下线。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构预备抓线状态主视图；

图2是高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构抓线状态主视图；

图3是高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构抓线状态左视图；

图4是高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构落线状态主视图；

图5是高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构落线状态左视图；

图6是高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构落线状态仰视图；

图7是高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构落地状态主视图；

图8是高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构滑行机构主视图；

图9是高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构腿部机构主视图；

图10是高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构手爪机构主视图；

图11是高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构手爪机构俯视图。

其中：1.四旋翼桨叶；2.四旋翼机臂；3.滑线机构；4.手爪机构；5.腿部机构；6.支架；7.输电线；8.旋翼机体；3-1.辊轮支架，3-2辊轮，3-3辊轮轴，3-4传动带，3-5传动电机，3-6开合电机，3-7开合槽，3-8检测部件，3-9滑行连接板，4-1.底座；4-2.推杆；4-3.连杆；4-4.弹簧缓冲机构；4-5.第一手指；4-6.直线电缸；4-7.第二手指；5-1.上肢；5-2.电机；5-3.电动缸；5-4.下肢；5-5.气缸；5-6.底板。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1至图7，本发明一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，包括四旋翼桨叶1、四旋翼机臂2、滑线机构3、手爪机构4、腿部机构5、支架6、输电线7和四旋翼机体8，四旋翼机臂2对称设置在四旋翼机体8的四个拐角处，四旋翼桨叶1对应设置在四旋翼机臂2上，滑线机构3设置在四旋翼机体8的底部中心，用于着线进行滑行巡检，腿部机构5设置在四旋翼机体8的下部，对称设置在滑线机构3的两侧且错位设置，手爪机构4设置在腿部机构5的末端，支架6固定在四旋翼机体8的下部两侧。

请参阅图8，滑行机构包括辊轮支架3-1、辊轮3-2、辊轮轴3-3、传动带3-4、传动电机3-5、开合电机3-6、开合槽3-7、检测部件3-8和滑行连接板3-9，滑行连接板3-9固定在四旋翼机体8的下方，两组辊轮支架3-1对称设置在滑行连接板3-9的下方，辊轮轴3-3装在辊轮支架3-1上，辊轮3-2固定在辊轮轴3-3上，辊轮3-2通过传动带3-4与传动电机3-5连接，开合电机3-6与开合槽3-7固定在滑行连接板3-9下方的中间位置，开合电机3-6通过轴与开合槽3-7连接，检测部件3-8固定在滑行连接板3-9下方。

请参阅图9，腿部机构5包括上肢5-1、电机5-2、电动缸5-3、下肢5-4、气缸5-5和底板5-6，底板5-6固定在四旋翼机体8的下方，与上肢5-1的一端连接，上肢5-1的另一端一侧与气缸5-5的一端连接，另一侧与电机5-2连接，电机5-2与电动缸5-3的一端连接，气缸5-5的另一端与下肢5-4的一端连接，电动缸5-3的另一端与下肢5-4中部的滑槽连接，下肢5-4的末端与手爪机构4铰接连接。

其中，上肢5-1和下肢5-4之间的气缸5-5与电动缸5-3形成并联结构，下肢5-4上开有滑槽。

请参阅图10和图11，手爪机构4包括底座4-1、推杆4-2、连杆4-3、弹簧缓冲机构4-4、第一手指4-5、直线电缸4-6和第二手指4-7；直线电缸4-6固定在底座4-1内，与推杆4-2连接，用于带动推杆4-2上下运动，连杆4-3间隔设置在推杆4-2上，一端分别与第一手指4-5或第二手指4-7连接，弹簧缓冲机构4-4设置在底座4-1的底端中心，第一手指4-5和第二手指4-7安装在底座4-1的底部，通过推杆4-2带动连杆4-3运动实现第一手指4-5和第二手指4-7的开、闭动作。

请参阅图11，第一手指4-5和第二手指4-7各包括两个，第一手指4-5呈直线对称分布在底座4-1上，内侧凹槽垂直分布，第二手指4-7呈35°分布在第一手指4-5的两侧，内面凹槽倾斜55°。

本发明在高压输电线飞行巡检机器人上增加平稳上下线机构可以实现巡检机器人自主上下线，减轻工人的劳动强度，降低巡检作业费用，并且为其他大负重机构的起降缓冲的设计提供了借鉴作用，是一种可替代原有上下线方法的切实可行的方案，具有广阔的市场发展前景。

基于仿生学原理设计高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，使巡检机器人上下线不受特殊工作环境限制，随时随地进行自主上下线。

并联腿部机构的设计可以提高腿部机构的整体刚度，适应大负载的上下线动作；

采用仿老鹰四指结构的柔性手爪及仿老鹰起降运动过程，减少起降过程中的振动对机体的影响，实现巡检机器人的平稳上下线。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构的基本运动模态包括上线、线上滑行和下线三种状态，具体工作原理如下：

上线：

四旋翼桨叶1启动带动巡检机器人飞行至高压输电线上方，底板5-6固定安装在四旋翼本体下方上，电动缸5-3开始向上运动进行收缩，将整体腿部机构5向中间输电线集中，气缸5-5伸缩起到腿部机构5的缓冲作用，通过电机5-2、气缸5-5和电动缸5-3的共同作用，带动下肢5-4向输电线靠近，下肢5-4下端与手爪机构4通过铰链连接，进行手爪机构4位置的微调。

同时，直线电缸4-6推动推杆4-2向下运动，带动连杆4-3运动，使第一手指4-5和第二手指4-7向外侧旋转，实现手爪机构4的张开动作，当手爪机构4接触到输电线时，底端弹簧缓冲机构4-4进行压缩，直至压缩到底座4-1底端时，直线电缸4-6反向运动，拉动推杆4-2向上运动，通过连杆4-3运动带动第一手指4-5和第二手指4-7向内测旋转，实现手爪机构4的闭合动作。通过腿部机构5的调整，平衡巡检机器人整体结构，使巡检机器人的重心下降，直至滑线结构3接触到输电线进行滑行巡检。

线上滑行：

上线动作完成后，电动缸5-3向下运动进行扩张，使巡检机器人的腿部机构5开始向输电线两侧进行展开，搭载在输电线上准备滑行巡检，直线电缸4-6向下运动，带动推杆4-2向下运动，通过连杆4-3的作用使第一手指4-5和第二手指4-7向外侧旋转，手爪机构4张开，电动缸5-3继续向下运动，腿部机构5向输电线两侧舒展，整个机构悬架于巡检机器人两侧。

下线：

当巡检机器人完成巡检作业需要下线时，电动缸5-3开始向上运动进行收缩，通过腿部机构5的作用，让手爪机构4靠近输电线，直线电缸4-6推动推杆4-2向下运动，带动连杆4-3运动，使第一手指4-5和第二手指4-7向外侧旋转，手爪机构4张开；

当手爪机构4接触到输电线时，底端弹簧缓冲机构4-4进行压缩，直至压缩到底座4-1底端时，直线电缸4-6向上运动，拉动推杆4-2向上运动，通过连杆4-3运动带动第一手指4-5和第二手指4-7向内测旋转，手爪机构4闭合，下肢5-4运动到垂直方向，腿部处于站立状态后，直线电缸4-6向下运动，手爪机构4张开，四旋翼桨叶1启动带动巡检机器人飞行降落至地面。

完整的上下线流程：

四旋翼桨叶1启动带动巡检机器人飞行至输电线上方，电动缸5-3向上运动带动腿部机构5向机体内侧运动，手爪机构4张开并向输电线靠拢，着线后手爪机构4闭合，巡检机器人的滑线机构3着线开始滑行巡检，电动缸5-3向下运动，腿部机构5向机体两侧伸展，巡检结束后，手爪机构4闭合抓线，电动缸5-3向上运动，腿部机构5进行调整，手爪机构4张开，巡检机器人飞行下线。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其特征在于，包括滑线机构(3)和腿部机构(5)，滑线机构(3)和腿部机构(5)分别于四旋翼本体结构连接，滑线机构(3)设置在四旋翼本体结构的底部，用于着线进行滑行巡检，腿部机构(5)包括多个，设置在滑线机构(3)的两侧并与四旋翼本体结构错位连接，在腿部机构(5)的末端设置有手爪机构(4)。

2.根据权利要求1所述的高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其特征在于，腿部机构(5)包括下底板(5-6)，下底板(5-6)固定在四旋翼本体结构的底部，下底板(5-6)上设置有上肢(5-1)，上肢(5-1)通过并联机构与下肢(5-4)连接，手爪机构(4)与下肢(5-4)的末端铰接连接。

3.根据权利要求2所述的高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其特征在于，并联机构包括气缸(5-5)和电动缸(5-3)，气缸(5-5)和电动缸(5-3)的一端分别于上肢(5-1)连接，气缸(5-5)的另一端与下肢(5-4)的一端连接，电动缸(5-3)的另一端与下肢(5-4)的中部连接，下肢(5-4)上开有滑槽，电动缸(5-3)的一端设置在滑槽内。

4.根据权利要求1所述的高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其特征在于，滑行机构包括滑行连接板(3-9)，滑行连接板(3-9)固定在四旋翼机体(8的下方，滑行连接板(3-9)上对称设置有辊轮支架(3-1)，辊轮支架(3-1)上设置有辊轮轴(3-3)，辊轮轴(3-3)上设置有辊轮(3-2)，辊轮(3-2)通过传动带(3-4)与传动电机(3-5)连接，在滑行连接板(3-9)下方的中间位置设置有开合电机(3-6)和开合槽(3-7)，开合电机(3-6)通过轴与开合槽(3-7)连接，开合槽(3-7)和一侧的传动电机(3-5)之间设置有检测部件(3-8)。

5.根据权利要求1所述的高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其特征在于，手爪机构(4)包括底座(4-1)，在底座(4-1)内设置有直线电缸(4-6)，直线电缸(4-6)与推杆(4-2)连接，推杆(4-2)上设置有用于连接手指的连杆(4-3)。

6.根据权利要求5所述的高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其特征在于，手指包括第一手指(4-5)和第二手指(4-7)，第一手指(4-5)和第二手指(4-7)各包括两个，第一手指(4-5)和第二手指(4-7)的一端分别于底座(4-1)活动连接。

7.根据权利要求6所述的高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其特征在于，第一手指(4-5)呈直线对称分布在底座(4-1)上，内侧的凹槽垂直分布，第二手指(4-7)呈35°分布在第一手指(4-5)的两侧，内面的凹槽倾斜55°设置。

8.根据权利要求5所述的高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其特征在于，在底座(4-1)的底端中心设置有弹簧缓冲机构(4-4)。

9.根据权利要求1所述的高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其特征在于，四旋翼本体结构包括四旋翼桨叶(1)和四旋翼机臂(2)，四旋翼机臂(2)对应设置在四旋翼机体(8)对称位置，四旋翼桨叶(1)对应设置在四旋翼机臂(2)上，四旋翼机体(8)的下部分别与滑线机构(3)和腿部机构(5)连接。

10.根据权利要求9所述的高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其特征在于，滑线机构(3)设置在四旋翼机体(8)的底部中心。