CN110949559A - 用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，包括机器人本体、机身控制系统、真空控制系统和遥控器；所述机器人本体包括刚性腰部关节、四条机械腿、真空吸盘；每条机械腿一端与刚性腰关节相连，另一端与真空吸盘相连；所述机身控制系统放置在刚性腰关节内部；所述四条机械腿通过真空控制系统控制；遥控器通过控制机身控制系统和真空控制系统，从而完成机器人本体的运动。每条腿由三个舵机提供，通过控制每个舵机的运动，可以实现腿部的抬升、前进、后退、拐弯等运动。每俩个舵机之间由特制的连接板进行连接。在每个脚掌部位连接一个真空吸盘用于吸附地面。可在变电站气体绝缘金属封闭开关内部曲面和垂直面内爬行。

Description

用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人

技术领域

本发明涉及多足仿生型机器人领域，也是应用于特殊场合的专用机器人，具体涉及用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人。

背景技术

近年来，机器人正在一些高危环境中得到应用与，比如说超高层的外墙玻璃可用机器人清洗；还有一些高气压或者高电压的特种环境中，人工操作缓慢效率低且危险性较大，可选用机器人进行工作；还有一些金属大型管道裂缝的检测，人工不易进入并且效率低，选用机器人代替人工进行。本次要对变电站气体绝缘金属封闭开关内部进行检测，内部结构及其复杂，而发生故障或者高压击穿导致壁面产生缺陷时不能够进行准确的定位和查找。只能工人在现场将探测摄像头伸入管道内部,判断设备的具体故障。在具体操作时存在很多困难和不便利，并且检测的效果并不如意。对后续故障分析和排除有很大的干扰。因此设计专门的用于检测的特种机器人。

爬壁机器人可用于在水平壁面或者垂直壁面上的爬行，在垂直壁面上进行爬行的时候，要提供吸附力，现在常用的是电磁吸附、真空吸附和仿生吸附。电磁吸附对工作环境有一定要求，接触面必须是导磁体，这要就限定了电磁吸附的使用范围，仿生吸附靠分子间的作用力，技术还不是特别成熟，仿生材料还有很大的进步空间，另外仿生吸附性能不稳定，吸附力不足，容易发生脱落，也不能控制吸附力的大小。而真空吸附技术相对成熟，可精确控制吸附力的大小，对工作环境要求不高，接触面光滑就行，因此使用范围更广。

其他传统的机器人相比，传统型机器人体积过大，另外自由度低，对爬行环境要求低，仅适用于简单平面，或者只能线性行走。此机器人采用仿生型四足壁虎型，有四条腿，每条腿三个自由度，因此这种壁虎仿生型机器人的越障碍能力很强，除了简单的直线行走，还可以转弯，爬竖直壁面，还有越障碍的能力，因此使用范围特别广。

专利CN110304170A四足机器人腿部结构及机器人，其腿部结构为立式，高度过高，体积过大，不适合狭小空间。

专利CN110450881A一种四杆联动仿生机器人，其腿部自由度少，运动方式简单，不适合复杂运动。只能在平面爬行，不适合其他曲面或者有障碍物的地方。

专利CN108860356A一种爬壁机器人，简单的在玻璃壁面进行吸附爬行，运动简单。无外接真空气源，吸附和脱离较为困难。

本发明克服上述现有技术的不足，并加以改正优化。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，所述的机器人采用仿生壁虎运动和真空进行吸附结合的方式。对于传统机器人，机器人体积过大、自由度不高只能简单行走、不能转弯、负载能力过小等各种问题。

本发明所要解决的为上述现有技术的不足提供了一种变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘爬壁机器人，该机器人通过仿生壁虎采用四足爬行方式，每条腿三个自由度，爬行方式多样，可在平面、曲面、甚至竖直面内爬行，还有越障碍的能力。采用真空型吸附，吸附力强，易于操控。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，包括机器人本体、机身控制系统、真空控制系统和遥控器；所述机器人本体包括刚性腰部关节、四条机械腿、真空吸盘；每条机械腿一端与刚性腰关节相连，另一端与真空吸盘相连，所述机身控制系统放置在刚性腰关节内部；所述四条机械腿通过真空控制系统控制；遥控器通过控制机身控制系统和真空控制系统，从而控制机器人本体的运动。

进一步地，每条机械腿包括三个舵机，三个舵机分别为第一舵机、第二舵机、第三舵机，舵机之间通过连接架固定，每个舵机的输出轴设置有转盘，转盘之间由U型舵机支架进行连接，转盘带着连接架一起转动。

进一步地，每条机械腿的三个舵机之间两两用连接架固定，前一个舵机通过与舵盘即转盘相连的连接架控制下一个舵机的位置，从而实现脚掌的运动；所述四条机械腿结构对称。

进一步地，每条机械腿最末端的舵机连接一个吸盘固定架，用于固定真空吸盘。

进一步地，所述真空控制系统包括若干条管路和电磁阀；每条管路与一条机械腿的真空吸盘相连接；每个管路与电磁阀连接，由单独的电磁阀进行控制；遥控器通过控制电磁阀的开闭控制吸盘的吸附，配合机械腿的运动。

机器人脚掌由每条腿末端接真空吸盘，所述的真空吸盘，一定要有真空管路提供负压空气，每个管路由单独的电磁阀控制。

进一步地，所述真空控制系统放置在变电站气体绝缘金属封闭开关设备的外部，为机器人真空吸附提供动力。

进一步地，所述刚性腰关节上安装控制机械腿运动的四个舵机，刚性腰关节上的四个舵机分别与每条机械腿上的第一舵机相连，刚性腰关节上的四个舵机由机身控制系统控制。

进一步地，所述机身控制系统为嵌入式单片机STM32构成的控制系统；所述机身控制系统由电池供电或者由外部接入电源线进行供电。

进一步地，所述机器人本体、真空控制系统和遥控端的数据均能够双向传输，同时均能够收发运动控制指令和传输返回状态信息。

进一步地，所述刚性腰关节上安装有摄像监控系统。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

本机器人相比其他真空吸附机器人，机械腿自由度更多，运动方式更多，能够适应不同的爬行壁面。

本机器人采用仿壁虎结构，而非立式四足结构，因此机身高度较小，容易进入一些狭小的管道空间中作业。

本机器人携带摄像头，可以检测到爬行环境的具体情况，并将视屏存储起来并且通过无线设备将视屏发送到外部控制系统上。

本机器人体积小，运动自由度多，除了在高压开关内使用，还可以在其他较为光滑的平面或曲面上使用。可以通过修改部分结构应用于其他场合。

附图说明

图1为本实施例用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人整体结构图；

其中，1-腰关节，21-第一舵机，22-第二舵机，23-第三舵机，3-脚掌固定架，4真空吸盘，5-轴承连接架，6-机身盖板，7-摄像头，81-第二舵机固定架，82-第二舵机支架，83-第三舵机固定架，84-第三舵机支架。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示的用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，涉及在变电站气体绝缘金属封闭开关内部曲面和垂直面的爬行，所述机器人包括机器人本体、机身控制系统、真空控制系统和遥控器；所述机器人本体包括刚性腰部关节1、四条机械腿、真空吸盘4；每条机械腿一端通过螺栓与刚性腰关节1相连，另一端与真空吸盘4相连；所述机身控制系统放置在刚性腰关节1内部；所述四条机械腿通过真空控制系统控制；遥控器通过控制机身控制系统和真空控制系统，从而控制机器人本体的运动。机器人本结构根据壁虎生物结构构建；刚性腰部关节1由铝合金材料制成。

每条机械腿包括三个舵机，由三个舵机驱动，三个舵机依次串联，可实现三个自由度，分别为第一舵机21、第二舵机22、第三舵机23三个舵机驱动，每个舵机的输出轴带有转盘，转盘之间由的U型舵机支架，U型支架一头连接舵机转盘，另一头通过轴承连接舵机固定架，使结构更加稳固。转盘带着连接架一起转动。通过控制每个舵机的运动，可以实现腿部的抬升、前进、后退、拐弯等运动。

由于舵机结构的本身的属性，本实施例采用专用的板件进行连接，所述板件呈开口的长方形环，板件和舵机构成闭环结构，结构更加稳固。

如图所示，每条机械腿的三个舵机之间两两用连接架固定，前一个舵机通过与舵盘相连的连接架控制下一个舵机的位置，从而实现脚掌的运动；所述四条机械腿结构对称。

每条机械腿最末端的舵机连接一个吸盘固定架，用于固定真空吸盘4，可在变电站气体绝缘金属封闭开关内部曲面和垂直面内爬行。

每条机械腿的详细连接方式具体如下：第一舵机21固定在刚性腰关节1上，该舵机通过舵盘和第二舵机固定架81相连；第二舵机固定架81固定第二舵机22；第二舵机22通过舵盘和第二舵机支架82相连；第二舵机支架82与第三舵机固定架83相连；第三舵机23通过舵盘和第三舵机支架84相连，第三舵机支架84通过脚掌连接架连接真空吸盘4作为机器人本体的脚掌。舵机通过舵盘的转动带动支架运动从而形成腿部的运动。

所述真空控制系统包括若干条管路和电磁阀；每条管路与一条机械腿连接，每个管路与电磁阀连接，每个管路由单独的电磁阀进行控制，遥控器通过控制电磁阀的开闭，电磁阀的开闭控制着脚掌的吸附，吸附配合着机器人的运动。

所述真空控制系统放置在变电站气体绝缘金属封闭开关设备的外部。

所述刚性腰关节1上安装有控制四条机械腿运动的四个舵机，刚性腰关节1上的四个舵机由机身控制系统控制。

所述机身控制系统为嵌入式单片机STM32构成的控制系统。

所述机身控制系统由电池供电或者由外部接入电源线进行供电。

所述机器人本体、真空控制系统和遥控端的数据均能够双向传输，同时均能够收发运动控制指令和传输返回状态信息

所述刚性腰关节1上安装有摄像监控系统，用于检测管道内部状况，所述摄像监控系统包括摄像头。

如图1所示，第一舵机21承受的载荷和扭矩最大，为了防止载荷过大造成转盘的受力变形导致运动偏差大，对和第一舵机21舵盘相连的连接板进行限位，用轴承连接架5通过轴承和对连接板进行固定。

第二舵机支架82和第三舵机支架83的一端均与舵机输出轴相连，为了保证连接件的稳定性，另一端通过轴承和第二舵机固定架81和第三舵机固定架83相连，结构稳定，承载载荷能力高，转动平滑。

机器人本体的运动都是靠舵机的旋转实现的，舵机的旋转带动舵机输出轴的转盘的旋转，从而带动和转盘刚性固定的U型板件的转动。一条腿的三个舵机运动以此类推。完成四条腿的运动

第三舵机支架84与第三舵机输转盘相连，由第三舵机驱动。与脚掌固定架3相连，从而连接脚掌，而脚掌为真空吸盘4，脚掌有球关节，可以有一定角度的转动更好的贴合壁面。

刚性腰关节1上设有机身盖板6，主要用来遮挡内部电路元器件，并且和腰关节形成一个闭环，稳定机身。

机身盖板6上安装涉摄像头7，摄像头底部有舵机驱动的摄像头云台。摄像头将拍摄到的视屏保存并通过无线设备传输到遥控器上。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，其特征在于，包括机器人本体、机身控制系统、真空控制系统和遥控器；所述机器人本体包括刚性腰部关节(1)、四条机械腿、真空吸盘(4)；每条机械腿一端与刚性腰关节(1)相连，另一端与真空吸盘(4)相连，所述机身控制系统放置在刚性腰关节(1)内部；所述四条机械腿通过真空控制系统控制；遥控器通过控制机身控制系统和真空控制系统，从而控制机器人本体的运动。

2.根据权利要求要求1所述的用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，其特征在于，每条机械腿包括三个舵机，三个舵机分别为第一舵机(21)、第二舵机(22)、第三舵机(23)，舵机之间通过连接架固定，每个舵机的输出轴设置有转盘，转盘之间由U型舵机支架进行连接，转盘带着连接架一起转动。

3.根据权利要求要求2所述的用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，其特征在于，每条机械腿的三个舵机之间两两用连接架固定，前一个舵机通过与舵盘即转盘相连的连接架控制下一个舵机的位置，从而实现脚掌的运动；所述四条机械腿结构对称。

4.根据权利要求要求3所述的用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，其特征在于，每条机械腿最末端的舵机连接一个吸盘固定架，用于固定真空吸盘(4)。

5.根据权利要求要求1所述的用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，其特征在于，所述真空控制系统包括若干条管路和电磁阀；每条管路与一条机械腿的真空吸盘(4)相连接，每个管路与电磁阀连接，由单独的电磁阀进行控制；遥控器通过控制电磁阀的开闭真空吸盘(4)的吸附，配合机械腿的运动。

6.根据权利要求要求1所述的用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，其特征在于，所述真空控制系统放置在变电站气体绝缘金属封闭开关设备的外部，为机器人真空吸附提供动力。

7.根据权利要求要求1所述的用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，其特征在于，所述刚性腰关节(1)上安装控制机械腿运动的四个舵机，刚性腰关节(1)上的四个舵机分别与每条机械腿上的第一舵机(21)相连，刚性腰关节(1)上的四个舵机由机身控制系统控制。

8.根据权利要求要求1所述的用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，其特征在于，所述机身控制系统为嵌入式单片机STM32构成的控制系统；所述机身控制系统由电池供电或者由外部接入电源线进行供电。

9.根据权利要求要求1所述的用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，其特征在于，所述机器人本体、真空控制系统和遥控端的数据均能够双向传输，同时均能够收发运动控制指令和传输返回状态信息。

10.根据权利要求要求1所述的用于变电站气体绝缘金属封闭开关内部的真空吸盘机器人，其特征在于，所述刚性腰关节(1)上安装有摄像监控系统。

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