CN111404079B - 一种高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪，腿部机构的上端连接四旋翼巡检机器人，下端连接手爪机构，腿部机构包括两个，设置在四旋翼巡检机器人的两侧并与其错位连接，腿部机构和手爪机构之间设置有钢丝绳，通过腿部机构拉动钢丝绳运动带动手爪机构张合实现机械腿爪的抓线和离线功能。本发明基于仿生学原理，简化了系统控制，提高了手爪结构的灵巧性和抓取的可靠性，并且手爪结构中增加软体缓冲结构，减轻抓线时的冲击，手爪结构可实现快速平稳；腿爪结构有抓线、降落、升起、离线四种运行状态，腿部结构与手爪结构协同工作，可进行四种运行模式灵活转变，使飞行机器人线上巡检工作的开展更加自主智能化。

Description

一种高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪

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起降用仿生柔顺机械腿爪。

背景技术

作为我国基础设施建设和社会发展的动脉，高压输电线承担着非常重要的作用，它的安全运行直接影响着工农业生产和人民生活的诸多方面，因此实现高压输电线的高效率精确巡检是一个亟待解决的科学技术难题。

目前飞行巡检机器人已经应用于高压输电线精确智能巡检，基于仿生原理，根据老鹰腿爪在飞行起降过程中的运行特点，设计了一种高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪，一方面，该仿生柔顺机械腿爪具有柔顺结构精度高、重量轻、摩擦小的优点；另一方面，通过柔顺机械结构实现腿部的运动带动手爪的张合，减少了手爪机构部分的驱动装置，减少零件数量，使结构简化，确保起降过程的平稳性，减轻了控制复杂性，使起降结构的可行性增强。该仿生柔顺机械腿爪为其他重型机械结构的起降提供借鉴作用。

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起降用仿生柔顺机械腿爪，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顺，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起降用仿生柔顺机械腿爪，包括腿部机构，腿部机构的上端连接四旋翼巡检机器人，下端连接手爪机构，腿部机构包括两个，设置在四旋翼巡检机器人的两侧并与其错位连接，腿部机构和手爪机构之间设置有钢丝绳，通过腿部机构拉动钢丝绳运动带动手爪机构张合实现机械腿爪的抓线和离线功能。

具体的，腿部机构包括连接底板，连接底板设置在四旋翼巡检机器人的底部，连接底板上设置有上肢，上肢通过并联结构分别经第一下肢连接件和第二下肢连接件与下肢连接，下肢的末端与手爪机构铰接连接。

进一步的，并联机构包括气缸和电缸，气缸的上端与上肢侧面设置的电机连接，下端通过第一下肢连接件与下肢的顶部连接；电缸的上端与上肢底部设置的电机连接，下端通过第二下肢连接件与下肢的中间连接。

更进一步的，下肢为中空结构，钢丝绳设置在下肢内，一端分别与第一下肢连接件和第二下肢连接件连接，另一端与手爪机构连接。

具体的，手爪机构通过缓冲结构与下肢的底部中心连接，缓冲结构为半球形软体结构，手爪机构包括第一手指、第二手指和第三手指，第一手指和第三手指的一端分别与下肢的底端活动连接，两个第二手指的一端分别通过球转动副结构与下肢的底端连接，第一手指、两个第二手指和第三手指的另一端设置有指尖。

进一步的，钢丝绳的一端通过下肢中的钢丝绳孔分别与第一手指、两个第二手指和第三手指内设置的第一拉簧和第二拉簧连接。

更进一步的，第一手指包括依次连接的第一指节和两个第二指节；第二手指包括依次连接的两个第一指节；第三手指包括第三指节；第一拉簧设置在第二指节内，第二拉簧设置在第一指节和第三指节内。

更进一步的，第一拉簧的弹性系数为1.9～2.3N/mm，第二拉簧的弹性系数为3.25～3.95N/mm。

进一步的，第一手指和第三手指呈直线对称分布在下肢的两侧，两个第二手指对称分布在第一手指的左右两侧。

更进一步的，第二手指的旋转角度为15°～165°。

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起降用仿生柔顺机械腿爪，通过腿部机构拉动钢丝绳运动带动手爪机构张合实现机械腿爪的抓线和离线功能，可以实现高压输电线飞行巡检机器人的平稳上下线的功能，为巡检机器人的自主智能巡检提供保障；腿部机构布置在四旋翼飞行机构的底部，使整体结构重心下移，提高了飞行的平稳性；两个腿部机构交错安装在四旋翼巡检机器人的底部两侧，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。

进一步的，腿部机构采用气缸与电缸的并联机构，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缸相连，旋转电机可以调整腿部与下底板的角度；电缸与下肢的中间部位联接，电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，腿部机构的下肢采用中空结构，不仅减轻了整体重量，而且便于装配，并使腿部的动作调整更加灵活。

进一步的，基于仿生原理，从老鹰腿爪运动原理出发，模仿肌腱在腿爪运动中的作用，采用钢丝绳结构实现腿部运动自动带动手爪的张合动作，无需在手爪上另设驱动装置，减轻了整体结构的重量，有利于腿部动作的灵活调整，简化了整体结构控制的复杂程度。

进一步的，手爪底座中心位置设置软体缓冲机构，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，并且利用软体结构的易变形特点，实现对输电线的包裹，极大的保证了上下线的平稳性，两个第二手指通过球转动副结构和下肢连接，可以调整第二手指在输电线上的位置，使手爪更好的适应高压输电线结构，提高抓取适应性。

进一步的，手爪前端采用四指机构，第一手指具有三个旋转指节，第二手指具有两个旋转指节，第三手指采用一个旋转指节。其中第一手指和第三手指呈直线对称分布，两根第二手指，对称分布在第一手指两侧，第一手指和第二手指内侧凹槽设置拉簧，第三手指外侧凹槽拉簧，通过钢丝绳拉动拉簧变形，利用巡检机器人重载特点，使手爪机构抓取高压输电线更加牢固可靠。

进一步的，第一拉簧安装在离指尖较远的的位置，其弹性系数为1.9～2.3N/mm，相比较第二拉簧其弹性系数偏小，可以提供较大的抓取力，保证抓取的可靠性，第二拉簧安装在靠近指尖的位置，其弹性系数比第一拉簧大，更易变形，可以实现靠近指尖的手指灵巧动作，使手爪结构的适应性也得到了提升。

进一步的，第二手指可进行角度旋转可在抓线过程中调整第二手指在高压输电线的位置，更好适应高压输电线的形状，确保抓线的可靠性，使抓线过程快速平稳。

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，整个发明设计采用刚柔混合结构，使腿部结构具有足够的刚性支撑力，又使手爪结构具有很好的柔性缓冲和适应性，能够实现高压输电线巡检机器人的平稳上下线的功能。高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪共有四种运行状态：抓线、降落、升起和离线，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为本发明整体装配图；

图2是本发明腿部结构图；

图3是本发明手爪结构图，其中，(a)为第一下肢连接件放大示意图，(b)为手爪机构放大示意图；

图4是本发明抓线图，其中，(a)为侧视图，(b)为拉簧连接示意图；

图5为本发明抓线图，其中，(a)为主视图，(b)为抓线原理图；

图6为本发明降落图，其中，(a)为主视图，(b)为降落原理图。

其中：1.四旋翼巡检机器人；2.腿部机构；3.手爪机构；2-1.连接底板；2-2.上肢；2-3.第一下肢连接件；2-4.电缸；2-5.第二下肢连接件；2-6.下肢；2-7.电机；2-8.气缸；2-9.钢丝绳；3-1.第一手指；3-2.第二手指；3-3.第三手指；3-4.缓冲机构；3-5.第一拉簧；3-6.第二指节；3-7.第二拉簧；3-8.球转动副结构；3-9.第三指节；3-10.第一指节；3-11.指尖；3-12.钢丝绳孔。

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。

本发明提供了一种高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪，基于仿生学原理，采用钢丝绳和拉簧等柔顺结构，将腿部结构运动和手爪结构张合动作相联系，减少了手爪结构部分的驱动装置，简化了系统控制的复杂度，腿部结构设置并联气缸、电缸结构，使腿部结构具有足够的刚度支撑力，并能进行灵活动作调整；手爪结构采用四指多指节结构，提高了手爪结构抓取的适应性，手爪结构中增加软体缓冲结构，实现对高压输电线的包裹，增加抓线时的平稳性。巡检机器人有抓线、降落、升起、离线四种运行状态，腿部与手爪协同工作，可进行四种运行状态灵活转变，实现巡检机器人自主平稳上、下线，为机器人线上巡检工作的开展提供基础。

请参阅图1和图2，本发明一种高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪，包括四旋翼巡检机器人1、腿部结构2和手爪结构3，腿部结构2分布在四旋翼巡检机器人1的两侧，且错开分布，腿部结构2的底端连接手爪结构3。

请参阅图3，腿部机构2包括连接底板2-1、上肢2-2、第一下肢连接件2-3、电缸2-4、第二下肢连接件2-5、下肢2-6、电机2-7、气缸2-8和钢丝绳2-9。

连接底板2-1固定在四旋翼巡检机器人1的下方，与上肢2-2的一端连接，上肢2-2的另一端一侧与气缸2-8的一端连接，另一侧与电机2-7连接，电机2-7与电缸2-4的一端连接，气缸2-8的另一端经第一下肢连接件2-3与下肢2-6的一端连接，电缸2-4的另一端通过第二下肢连接件2-5与下肢2-6中部的滑槽连接，下肢2-6的末端与手爪机构3铰接连接。

其中，上肢2-2和下肢2-6之间的气缸2-8与电缸2-4形成并联结构，下肢2-6为中空结构，第一下肢连接件2-3内部设置有钢丝绳2-9，钢丝绳2-9的一端连接电机2-7，另一端连接手爪机构3。

请参阅图4，手爪机构3包括第一手指3-1、第二手指3-2、第三手指3-3、缓冲机构3-4、第一拉簧3-5、第二指节3-6、第二拉簧3-7、球转动副结构3-8、第三指节3-9、第一指节3-10、指尖3-11和钢丝绳孔3-12。

第一手指3-1和第三手指3-3呈直线对称分布在下肢2-6两侧，第二手指3-2有两个，对称分布在第一手指3-1的左右两侧，且通过球转动副结构3-8与下肢2-6连接，能够实现适应性抓线，手爪结构3中心安置有缓冲结构3-4，缓冲结构3-4为软体材料，可以在抓线时进行缓冲，并且软体变形实现对输电线的包裹，使抓线过程更加平稳可靠。

第一手指3-1包括依次连接的第一指节3-10和两个第二指节3-6；第二手指3-2包括依次连接的两个第一指节3-10，第二手指3-2的旋转角度为15°～165°；第三手指3-3包括第三指节3-9。

第二指节3-6内设置有第一拉簧3-5，第一指节3-10和第三指节3-9内设置有第二拉簧3-7，通过腿部结构2运动带动钢丝绳2-9拉动第一拉簧3-5、第二拉簧3-7变形，从而带动第一指节3-10、第二指节3-6和第三指节3-9的旋转运动，实现第一手指3-1、第二手指3-2和第三手指3-3的张合运动，最终满足手爪结构3的抓线和离线的需求。

第一拉簧3-5的弹性系数为1.9～2.3N/mm，优选2.1N/mm，第二拉簧3-7的弹性系数为3.25～3.95N/mm，优选3.6N/mm。

请参阅图5，(a)图中高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪处于抓线状态，对应的钢丝绳2-9和第一拉簧3-5、第二拉簧3-7的运动位移如图(b)，此时第一拉簧3-5、第二拉簧3-7处于未变形状态。

请参阅图6，(a)图中高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪处于降落状态，对应的钢丝绳2-9和第一拉簧3-5、第二拉簧3-7的运动位移如图(b)，此时第一拉簧3-5、第二拉簧3-7处于拉伸状态。

本发明在高压输电线飞行巡检机器人上增加的起降用仿生柔顺机械腿爪可以实现巡检机器人自主平稳上下线，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起降用仿生柔顺机械腿爪，使巡检机器人上、下线不受特殊工作环境限制，将腿部结构运动和手爪结构张合联系起来，简化了控制的复杂度。

采用仿老鹰四指多指节结构的柔顺手爪结构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，实现了适应性抓取，最终达到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。

本发明涉及的一种高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪的基本运动模态包括抓线、降落、升起和离线四种状态，具体工作原理如下：

抓线：

四旋翼巡检机器人1启动飞行至高压输电线上方，连接底板2-1固定安装在四旋翼巡检机器人1下方，电缸2-4开始向上运动进行收缩，同时气缸2-8开始向下运动进行伸长，带动下肢2-6向输电线靠近，实现整体腿部机构2向中间输电线集中，腿部结构2带末端的手爪结构3开始运动，此时，手爪结构3处于打开状态，第一拉簧3-5和第二拉簧3-7未变形。

降落：

当手爪结构3的缓冲结构3-4接触到输电线后，腿部结构2中的电机2-7开始向远离输电线两侧旋转，带动第一下肢连接件2-3、第二下肢连接件2-5旋转运动，拉动钢丝绳2-9运动，通过下肢2-6中的钢丝绳孔3-12，拉动第一指节3-10、第二指节3-6和第三指节3-9中的第一拉簧3-5、第二拉簧3-7开始变形，实现第一手指3-1、第二手指3-2和第三手指3-3的闭合，使手爪结构3在四旋翼巡检机器人1和腿部结构2的重力下牢固抓线。

升起：

当巡检作业完成后，四旋翼巡检机器人1再次启动，腿部结构2中的电机2-7向靠近输电线的中间旋转，带动第一下肢连接件2-3、第二下肢连接件2-5旋转运动，释放钢丝绳2-9回到最初位置，通过下肢2-6中的钢丝绳孔3-12，使第一指节3-10、第二指节3-6和第三指节3-9中的第一拉簧3-5、第二拉簧3-7恢复到未变形状态，实现第一手指3-1、第二手指3-2和第三手指3-3的打开。

离线：

当手爪结构3打开后，腿部结构2中的电缸2-4向下运动进行伸长，同时气缸2-8向上运动进行收缩，带动下肢2-6远离输电线，实现整体腿部机构2向两侧打开，腿部结构2带末端的手爪结构3远离输电线。

针对一种高压输电线飞行巡检机器人平稳上下线机构，其使用了刚性结构，腿部机构和手爪机构分别使用驱动装置，腿部机构的运动和手爪机构的动作是分离开的，且其将运行状态划分为上线、线上滑行和下线三个状态过程。而本发明设计的腿爪结构中，基于仿生机理，主要研究老鹰肌腱在腿爪间的作用，采用钢丝绳和拉簧柔性结构，实现腿部结构运动和手爪结构动作协同作用，手爪结构的动作通过腿部结构的运动实现，减少了整体结构中驱动装置的使用，减轻了整体结构重量，简化了控制系统，使腿部结构运动更加灵活；柔性结构提高了手爪结构的适应性，使手爪结构的张合更加可靠，并且可以实现手爪结构快速动作，使整体结构快速平稳；运动状态主要关注腿爪结构运行，不考虑滑行机构的滑行运动，将运动状态进行了细化，分为抓线、降落、升起和离线四个运行状态过程，使整体结构的运动模式转换过程更加明确可靠。

综上所述，本发明一种高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪，基于仿生学原理，仿老鹰肌腱在腿爪中的作用，采用钢丝绳和拉簧柔顺结构，将腿部结构运动和手爪结构张合动作相结合，减少了手爪结构部分的驱动装置，简化了系统控制，使腿部结构能进行灵活动作；手爪结构采用多关节指节结构，提高了手爪结构的灵巧性，设置了球运动副机构，可以进行手指的调整，使其更好适应高压输电线的形状，提高了手爪结构抓取的可靠性，并且手爪结构中增加软体缓冲结构，减轻抓线时的冲击，手爪结构可实现快速平稳；腿爪结构有抓线、降落、升起、离线四种运行状态，腿部结构与手爪结构协同工作，可进行四种运行模式灵活转变，使飞行机器人线上巡检工作的开展更加自主智能化。

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 (1)

1.一种高压输电线飞行巡检机器人起降用仿生柔顺机械腿爪，其特征在于，包括腿部机构(2)，腿部机构(2)的上端连接四旋翼巡检机器人(1)，下端连接手爪机构(3)，手爪结构采用仿老鹰四指多指节结构，腿部机构(2)包括两个，设置在四旋翼巡检机器人(1)的两侧并与其错位连接，腿部机构(2)和手爪机构(3)之间设置有钢丝绳(2-9)，通过腿部机构(2)拉动钢丝绳(2-9)运动带动手爪机构(3)张合实现机械腿爪的抓线和离线功能；

腿部机构(2)包括连接底板(2-1)，连接底板(2-1)设置在四旋翼巡检机器人(1)的底部，连接底板(2-1)上设置有上肢(2-2)，上肢(2-2)通过并联结构分别经第一下肢连接件(2-3)和第二下肢连接件(2-5)与下肢(2-6)连接，下肢(2-6)的末端与手爪机构(3)铰接连接，并联机构包括气缸(2-8)和电缸(2-4)，气缸(2-8)的上端与上肢(2-2)侧面设置的电机(2-7)连接，下端通过第一下肢连接件(2-3)与下肢(2-6)的顶部连接；电缸(2-4)的上端与上肢(2-2)底部设置的电机(2-7)连接，下端通过第二下肢连接件(2-5)与下肢(2-6)的中间连接；

手爪机构(3)通过缓冲结构(3-4)与下肢(2-6)的底部中心连接，缓冲结构(3-4)为半球形软体结构，手爪机构(3)包括第一手指(3-1)、第二手指(3-2)和第三手指(3-3)，第一手指(3-1)和第三手指(3-3)的一端分别与下肢(2-6)的底端活动连接，两个第二手指(3-2)的一端分别通过球转动副结构(3-8)与下肢(2-6)的底端连接，第一手指(3-1)、两个第二手指(3-2)和第三手指(3-3)的另一端设置有指尖(3-11)，钢丝绳(2-9)的一端通过下肢(2-6)中的钢丝绳孔(3-12)分别与第一手指(3-1)、两个第二手指(3-2)和第三手指(3-3)内设置的第一拉簧(3-5)和第二拉簧(3-7)连接，第一手指(3-1)和第三手指(3-3)呈直线对称分布在下肢(2-6)的两侧，两个第二手指(3-2)对称分布在第一手指(3-1)的左右两侧，第二手指(3-2)的旋转角度为15°～165°，第一手指(3-1)包括依次连接的第一指节(3-10)和两个第二指节(3-6)；第二手指(3-2)包括依次连接的两个第一指节(3-10)；第三手指(3-3)包括第三指节(3-9)；第一拉簧(3-5)设置在第二指节(3-6)内，第二拉簧(3-7)设置在第一指节(3-10)和第三指节(3-9)内，第一拉簧(3-5)的弹性系数为2.1N/mm，第二拉簧(3-7)的弹性系数为3.6N/mm；

下肢(2-6)为中空结构，钢丝绳(2-9)设置在下肢(2-6)内，一端分别与第一下肢连接件(2-3)和第二下肢连接件(2-5)连接，另一端与手爪机构(3)连接。

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