CN112388645A - 一种伸缩自适应的红外探测爬杆机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种伸缩自适应的红外探测爬杆机器人，包括机械支撑框架、自动抱合系统、自动伸缩系统、攀爬机构以及机械手臂系统。本发明结构特点主要是攀爬轮对心安装在三角形支撑框架各边，攀爬轮通过电机及电机支架与自动伸缩装置相连，当攀爬轮与杆状物进行接触后，能够自动对杆状物进行尺寸伸缩适应并自动抱合，再根据操作指令进行爬杆，完成高空作业任务。本发明结构简单，三角形支撑框架能够保证机器人的爬行稳定性，电动伸缩设置能够巧妙适用于多种直径尺寸的杆状物、管道，通用性强，牢固度好，攀爬能力优越，且拥有较长的使用寿命和较高的安全性。

Description

一种伸缩自适应的红外探测爬杆机器人

技术领域

本发明涉及机械技术领域，具体涉及一种贴合杆状物伸缩自适应的红外探测爬杆机器人。

背景技术

随着科技的发展，电力和网络已经逐渐成为人们生活中不可或缺的必需品。而电线电缆的架设和维护是保证电力输送和网络畅通的重要途径。在大风雨雪天气、自然灾害之后往往伴随着高杆设施的损坏和繁多的线路检修工作。传统的维修策略是检修人员通过脚蹬或者云梯攀爬至电线杆高处进行作业，不仅效率低下，危险性系数大，更存在着重大的安全隐患，事故几率大。近年来，线路维修维护人员登杆作业频发伤亡事故，爬杆机器人的出现和发展应运而生。

爬杆机器人是机器人中较为重要的分支，爬杆机器人需要在克服重力的情况下依附于管道、电线杆、路灯杆等杆状物进行攀爬，完成特定条件下的检测任务，能够代替人类完成高难度、高危险性的高空作业，不仅实用性强而且用途广泛，是当前研究发展的热门。但是，现有的爬杆机器人通用性差，无法适应较多尺寸的杆状物；体积较大，较为笨重，无法轻巧地进行攀爬作业；且考虑到使用难度、价格成本等因素，爬杆机器人的实际应用性较低。

红外热成像技术是一项应用前景广阔的高新技术，它集光电成像技术、图像处理技术、计算机技术于一体，经红外探测器转化为电子信号，再将电子信号通过电子处理系统处理，使热像显示在荧光屏上，从而判断物体表面的温度分布情况，具有准确、实时、快速等特点。红外热成像技术已经在实践中不断发展与完善，凭借其独特的技术优势被推广到很多领域。而对电力设备维修检测而言，红外热像仪是一种理想的无损检测仪器，热像仪可以在不打开电箱的情况下准确地检测到电箱内部的温度并以颜色表示其温度分布。

因此，本发明需要设计一种结构简单轻便、自动伸缩适应多种尺寸直杆的红外探测爬杆机器人。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种能够自动伸缩、依附在杆状物上并根据指令进行攀爬完成高空作业的红外探测爬杆机器人，解决了现有爬杆机器人体积大笨重，杆径尺寸不适应，攀爬过程中牢固性差，容易出现打滑跌落甚至损坏的情况。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种伸缩自适应的红外探测爬杆机器人，包括爬行机构和工作机构，所述爬行机构包括机械支撑框架、自动抱合系统、自动伸缩系统和攀爬机构，所述工作机构为机械手臂系统，设于支撑框架的一侧；所述机械支撑框架包括固定臂和转臂，所述自动抱合系统包括叉架单元和卡扣机构，所述自动伸缩系统包括伸缩支架、双伺服驱动电机和电机支架，所述机械手臂系统包括上臂、前臂、控制底座、夹持装置和工作装置；其特征在于：还包括用于电路安全监测的红外热像仪设备、用于检验机器人是否接触目标杆状物的应变片和用于提醒操作人员的蜂鸣器响铃模块；所述的红外热像仪设备、应变片、蜂鸣器模块皆与信号控制器电连接。

进一步，所述支撑框架主体呈等边三角形，以保证爬杆机器人结构稳定。

进一步，所述攀爬机构包括攀爬轮和电机驱动单元，所述攀爬轮包括三个，三个所述攀爬轮分别设于支撑框架相对的三边，且三个所述攀爬轮在支撑框架上对中安装，对准支撑框架的重心，保证机器人攀爬时结构受力均匀，增强牢固性。

进一步，所述支撑框架包括固定臂和转臂，所述固定臂包括一体成型的两长板，所述转臂通过合页与支撑框架的一长板相连，另一端通过卡扣机构与支撑框架另一长板相连，所述卡扣机构内部安装有微型舵机，该卡扣机构在机器人接触目标杆状物后收到电信号，自动抱合系统启动工作，转臂端公扣与固定臂端母扣扣紧锁好，实现机器人自动抱合。

进一步，所述叉架单元包括支撑杆、横杆和滑动底座，所述横杆有两组，对称设置在滑动底座的左右两侧，每组横杆包括一左一右布置，所述支撑杆由八根长度相同的长杆交叉组成，形成叉式结构，两长杆之间在中点处铰接，长杆可绕螺栓水平转动，长杆一端与滑动底座的横杆铰接，另一端与相配合的另一长杆铰接，支撑杆绕横杆水平转动，形成可伸缩的叉式结构，且在所述机械支撑框架的转臂和与转臂固定相连的固定臂上设有滑轨，所述滑动底座底部设有滑轮，滑轮在支撑框架上的滑轨内滑动，叉架单元沿直线滑轨同步移动以控制转臂绕着固定臂旋转。

进一步，所述自动伸缩系统包括伸缩支架、双伺服驱动电机、电机支架，所述支撑框架上设有两根固定杆和两根横架，所述固定杆左右对称分布，横架上下分布，呈“口”字形；所述电机支架一侧与双伺服驱动电机固定连接，另一侧设有对称的四个轴向槽，槽内通过固定杆，所述电机支架在伸缩支架内上下滑动调节双伺服驱动电机的位置，所述伸缩支架两侧设置有齿条，齿条与支撑框架固定连接，齿条与齿轮啮合，当双轴伺服驱动电机运行，驱动轴端齿轮转动，电机在固定杆内上下移动实现伸缩。

进一步，所述三组自动伸缩装置对称布置在支撑框架的两条长边和转臂上，自动伸缩装置通过攀爬轮驱动单元与攀爬轮连接；攀爬轮的轮毂上装有应变片，当攀爬轮压紧在杆状物上并受到杆状物的反作用力时，轮毂上应变片检测出受力发出电信号，控制系统检测到该电信号，自动伸缩装置电机启动，控制滑块在伸缩杆上滑动以控制攀爬轮的位置，攀爬轮对心的距离随着杆状物直径尺寸的变化进行调整以适应不同的杆类物体。

进一步，爬杆机器人沿着杆状物攀升，到达指定工作高度后，电机自锁，爬杆机器人停留在杆状物上，操作人员控制机械手臂抓紧杆状物，根据操作指令爬杆机器人沿着杆状物进行水平旋转实现爬杆机器人工作位姿调整。

进一步，所述攀爬轮均设有电机驱动单元，所述电机为大扭力金属直流电机。

与现有爬杆机器人相比，本发明具有以下优点：

1)本发明结构简单合理，使用方便，爬行效率高，既能完成高空监测的任务，又不会增加制造成本，有效提高了实际应用性。

2)自动伸缩装置结合抱合单元，能够有效地对杆状物的尺寸进行一定程度的自适应，确保爬杆机器人在爬杆和作业过程中的稳定性。

3)当爬杆机器人到达工作高度后，攀爬轮驱动电机自锁处于悬挂状态，爬杆机器人能够稳定地依附在杆状物上，确保高空作业时的稳定性。

4)结合红外探头、姿态调整系统，在地面的操作人员可以对爬杆机器人的姿态进行及时调整，更好地对被检测物体进行监测。

5)支撑框架采用设计尺寸的矩形铝管制成，表面进行静电粉末喷涂，作业平台采用高压绝缘材料，可实现高压带电作业。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的自动伸缩装置示意图；

图3为本发明的机械手臂系统示意图；

图4为本发明的叉架单元示意图；

图5为本发明的卡扣机构示意图。

在附图中，各标号所表示的部件名称列表如下：1-机械支撑框架；11-固定臂；12-转臂；13-合页；2-自动抱合系统；21-叉架单元；211-支撑杆；212-横杆；213-滑动底座；214-滑轨；22-卡扣机构；221-旋转舵机；222-公扣；223-母扣；224-限位件；225-定位槽；3-自动伸缩系统；31-伸缩支架；311-固定杆；312-横架；32-双伺服驱动电机；33-电机支架；34-齿轮；35-齿条；36-应变片；4-攀爬机构；41-攀爬轮；42-攀爬轮驱动单元；421-金属联轴器；422-驱动电机；423-电机支架；5-机械手臂系统；51-上臂；52-前臂；53-控制底座；54-夹持装置；541-端板；542-主动杆；543-从动杆；544连架杆；545-防滑层；55-工作装置；551-红外热像仪探头；552-安装托架；56-肘关节；57-腕关节；58-肩关节。

具体实施方式

为了彻底理解本发明，下面结合附图和具体实施例进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

结合图1至图4所示，一种伸缩自适应的红外探测爬杆机器人，其结构包括机械支撑框架1部分，以支承并保持爬杆机器人整体的结构；自动抱合系统2，通过卡扣机构22连接转臂12和固定臂11，将支撑框架抱合封闭起来，抱合后转变成爬杆机器人的爬杆工作状态；自动伸缩系统3，以爬杆机器人支撑框架为载体，伸缩杆机构自动伸缩以控制攀爬轮自适应杆径；攀爬机构4，以提供克服重力的推力实现爬杆机器人在杆状物上的行走攀爬功能；机械手臂系统5，调整机器人在杆状物上的角度位姿以适应工作需求，并根据所需完成的特定任务设计安装特定功能的零件单元，以实现爬杆机器人的高空作业。

如图所示为伸缩自适应爬杆机器人总体结构的三维示意图。整体结构以支撑框架为基础进行构建，所述支撑框架1包括固定臂11和转臂12，所述固定臂11包括一体成型构成60度角的两长板，所述转臂12包括与固定臂长板等长的一长板，通过合页13与支撑框架的一长板活动相连，设有同样的攀爬轮驱动单元，与支撑框架共同构成爬杆机器人的攀爬系统。所述支撑框架采用铝镁合金材质制成，亦可采用高强度的钛合金或轻量化的金属材质，表面采用静电粉末喷涂，所述支撑框架采用的形状为可承载内部机械或电机构造的等边三角几何架形，结构稳定，兼具降低爬行时的重力作用及提高爬速的效果。

所述自动抱合系统2由叉架单元21和卡扣机构22组成，所述叉架单元21由支撑杆211、横杆212和滑动底座213组成，所述滑动底座213呈三棱柱状，底部设有滑轮，所述支撑框架内侧设有滑轨214，滑轮在支撑框架上的滑轨内滑动，叉架单元21沿直线滑轨同步移动；所述横杆212有两组，对称设置在滑动底座的左右两侧，每组横杆包括一左一右布置，通过螺栓与滑动底座213固定连接；所述支撑杆211由八根长度相同的长杆交叉组成，形成叉式结构，两长杆之间通过螺栓在中点处铰接，长杆可绕螺栓水平转动，长杆一端通过螺栓与滑动底座的横杆铰接，另一端通过螺栓与相配合的另一长杆铰接，支撑杆211绕横杆212水平转动，形成可伸缩的叉式结构。

所述卡扣机构22由旋转舵机221、公扣222、母扣223和限位组件224组成，所述限位组件224设置在转臂的端部，由定位槽和公扣222的插杆构成，所述旋转舵机221安装在定位槽225内部，与插杆通过联轴器固定连接，控制插杆在定位槽内转动；所述公扣呈“工”字形，两端为插杆，中间为连接杆，一根插杆插接于定位槽内，另一根插杆与母扣相连接；所述母扣223设置在转臂的端部，所述旋转舵机可驱动公扣绕定位槽固定转动。

所述自动伸缩装置3包括伸缩支架31、双伺服驱动电机32、电机支架33，所述伸缩支架31由两根固定杆311和两根横架312组成，所述固定杆311左右对称分布，横架312上下分布，呈“口”字形通过螺栓固定在支撑框架的固定臂11和转臂12上，所述电机支架33一侧通过螺栓与双伺服驱动电机32固定连接，另一侧设有对称的四个轴向槽，槽内通过伸缩支架的固定杆，所述电机支架在伸缩支架内上下滑动调节双伺服驱动电机的位置，所述双轴伺服驱动电机两端的电机轴通过联轴器与齿轮固定连接，所述伸缩支架两侧设置有齿条，齿条通过螺栓与支撑框架固定连接，齿条与齿轮啮合，当双轴伺服驱动电机运行，驱动轴端齿轮转动，实现伸缩。

所述攀爬轮机构4包括攀爬轮41和攀爬轮驱动单元42，控制机器人竖直方向攀爬行走的攀爬轮41通过金属联轴器421与驱动电机422连接，同时通过电路线与固定在支撑框架上的驱动电机相连接，驱动电机由电机支架通过螺栓连接与支撑框架刚性连接，从而实现整体机器人竖直方向攀爬行走的攀爬轮驱动单元的固定。

所述攀爬轮驱动单元42包括金属联轴器421、驱动电机422和电机支架423。驱动电机422采用大扭力金属电机，为攀爬轮41提供足够大的摩擦力和扭矩。所述驱动电机422通过金属联轴器421与攀爬轮41刚性连接，并为攀爬轮提供攀爬杆状物的动力；所述驱动电机422通过螺栓、螺母与电机支架423刚性连接；所述电机支架423通过螺栓直接与自动伸缩系统3的伸缩支架31刚性连接。

所述三组自动伸缩装置对称布置在支撑框架的两条长边和转臂上，自动伸缩装置通过攀爬轮驱动单元42与攀爬轮41连接；攀爬轮41的轮毂上装有应变片37，当攀爬轮压紧在杆状物上并受到杆状物的反作用力时，轮毂上应变片检测出受力发出电信号，控制系统检测到该电信号，自动伸缩系统3电机启动，控制滑块在伸缩支架31上滑动以控制攀爬轮的位置，攀爬轮对心的距离随着杆状物直径尺寸的变化进行调整以适应不同的杆类物体。

所述机械手臂5系统包括上臂51、前臂52、控制底座53、夹持装置54和工作装置55，所述上臂51的一端通过肘关节56与前臂52的一端活动相连，另一端通过肩关节58与控制底座53活动相连，所述前臂52的一端与上臂51相连，另一端通过腕关节57与夹持装置54活动相连，所述工作装置55通过支架固定安装在腕关节57上，所述上臂51、前臂52、肩关节58和肘关节56均由一左一右对称分布的两块支撑板构成。

所述控制底座53设置在支撑框架两固定臂夹角处，底座内部固定安装有控制系统，控制系统采用现有技术的单片机。所述底座内部还设置有电源，电源优选可充电式蓄电池，为机械手臂系统5的其他所有用电件供电。所述云台安装设置在控制底座上，内部设置有水平电机，负责云台的左右各方向的转动，接到操作指令电压时，水平电机转动并经减速箱带动云台底部的水平齿轮盘转动，以调节云台和杆状物的相对角度。

所述肩关节58通过固定支座与云台固定连接，所述肩关节58包括对称设置的两块支撑板，所述肩关节上设有肩关节驱动机构，所述肩关节驱动机构包括第一舵机和第二舵机，第一舵机设置在肩关节的内侧与第一支撑板相连，第二舵机设置在肩关节支撑板的外侧与第二支撑板相连，上臂通过舵盘与肩关节的舵机铰接，所述第一舵机和第二舵机可驱动肩关节支撑板与上臂的同侧支撑板水平转动。

所述肘关节56上设有肘关节驱动机构,所述肘关节驱动机构包括第三舵机和第四舵机，第三舵机设置在肘关节的内侧与上臂51的支撑板相连，上臂51通过舵盘与肘关节的第三舵机铰接，第四舵机设置在肘关节的内侧与前臂的支撑板相连，前臂通过舵盘与肘关节的第四舵机铰接，所述第三舵机可驱动上臂支撑板与肘关节同侧支撑板水平转动，所述第四舵机可驱动前臂支撑板与肘关节同侧支撑板水平转动。

所述前臂52上设有腕关节驱动机构，所述腕关节驱动机构包括第五舵机，第五舵机通过螺栓分别与前臂52的左右支撑板固定连接，所述腕关节52通过舵盘与腕关节57驱动结构铰接，所述第五舵机可驱动腕关节支撑板绕前臂垂直转动，调节机械臂的角度以及该机械臂上夹持装置的位置。所述腕关节57包括固定支撑板，所述固定支撑板通过螺钉与夹持装置54的底盘固定连接。

所述工作装置55包括红外热像仪探头551和安装托架552，安装托架552通过螺栓与腕关节57刚性连接，探头通过螺栓固定在安装托架552的配合孔内。

所述夹持装置54包括端板541和抱紧机构，所述抱紧机构包括主动杆542、从动杆543和连架杆544，所述端板541通过螺钉与腕关节57固定连接，从动杆543与端板541的中部铰接，另一端与主动杆542的端部铰接，连架杆544的一端与端板541的末端铰接，另一端与主动杆542的中部铰接，主动杆542、从动杆543、连架杆544和端板541组成双摇杆机构。所述主动杆542的内壁为夹持面，所述夹持面上设置有防滑层545，所述两从动杆543的齿轮啮合，从动杆驱动主动杆转动，从动杆随主动杆一起运动，同时，从动杆543在连架杆544的作用下绕主动杆542转动，实现两个主动杆和两个从动杆之间的角度调节，从而使抱紧机构夹紧或张开，所述夹持装置采用高压绝缘材料。

本发明的工作过程如下：

初始状态时爬杆机器人处于未工作状态，卡扣开关未闭合，转臂与固定臂分离；当爬杆机器人固定臂端的攀爬轮接触到杆状物时，轮毂内的应变片感应到攀爬轮受力发出电信号，自动抱合系统开始工作，转臂调整舵机控制转臂向固定臂抱合，当转臂端攀爬轮接触到杆状物也受到力时，转臂端攀爬轮的应变片发出电信号，自动抱合系统开始工作，转臂端公扣与固定臂端母扣扣紧锁好，实现转臂自动抱合；当抱合工作完成后，控制器发出指令，蜂鸣器响铃提示，操作人员启动攀爬轮驱动单元，攀爬轮电机启动开始工作，爬杆机器人沿着杆状物攀升，到达指定工作高度后，电机自锁，爬杆机器人停留在杆状物上。

操作人员控制机械手臂抓紧杆状物，控制云台开始工作，根据操作指令爬杆机器人沿着杆状物进行水平旋转调整位姿，当爬杆机器人到达指定位姿时，开始进行高空作业，工作装置红外热像仪设备启动，探测高压电箱检测线路状况，操作人员在地面进行实时控制。根据攀爬机器人在杆状物上的位姿所看到的红外热像图，控制云台转动调整机器人的角度，直至红外热像仪探头对准被检测物体时，机器人停止转动，从而对被检测物体进行测温识别。所述红外热像仪探头和地面上的控制器电连接。操作人员在地面可以随时监控爬杆机器人的位姿以及工作状态，通过信号发送器将实时的红外热图发送到地面上进行实时监测。

本发明中未涉及的部分采用或借鉴已有技术即可实现。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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装置必须有特定的方位，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”“第二”“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

Claims (7)

1.一种伸缩自适应的红外探测爬杆机器人，包括爬行机构和工作机构，所述爬行机构包括机械支撑框架、自动抱合系统、自动伸缩系统和攀爬机构，所述工作机构为机械手臂系统，设于支撑框架的一侧；所述机械支撑框架包括固定臂和转臂，所述自动抱合系统包括叉架单元和卡扣机构，所述自动伸缩系统包括伸缩支架、双伺服驱动电机和电机支架，所述机械手臂系统包括上臂、前臂、控制底座、夹持装置和工作装置；其特征在于：还包括用于电路安全监测的红外热像仪设备、用于检验机器人是否接触目标杆状物的应变片和用于提醒操作人员的蜂鸣器响铃模块；所述的红外热像仪设备、应变片、蜂鸣器模块皆与信号控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的爬杆机器人，其特征在于，所述支撑框架主体呈等边三角形，以保证爬杆机器人结构稳定；所述攀爬机构包括攀爬轮和电机驱动单元，所述攀爬轮包括三个，三个所述攀爬轮分别设于支撑框架相对的三边，且三个所述攀爬轮在支撑框架上对中安装，对准支撑框架的重心，保证机器人攀爬时结构受力均匀，增强牢固性。

3.根据权利要求1所述的爬杆机器人，其特征在于，所述支撑框架包括固定臂和转臂，所述固定臂包括一体成型的两长板，所述转臂通过合页与支撑框架的一长板相连，另一端通过卡扣机构与支撑框架另一长板相连，所述卡扣机构内部安装有微型舵机，该卡扣机构在机器人接触目标杆状物后收到电信号，自动抱合系统启动工作，转臂端公扣与固定臂端母扣扣紧锁好，实现机器人自动抱合。

4.根据权利要求1所述的爬杆机器人，其特征在于，所述叉架单元包括支撑杆、横杆和滑动底座，所述横杆有两组，对称设置在滑动底座的左右两侧，每组横杆包括一左一右布置，所述支撑杆由八根长度相同的长杆交叉组成，形成叉式结构，两长杆之间在中点处铰接，长杆可绕螺栓水平转动，长杆一端与滑动底座的横杆铰接，另一端与相配合的另一长杆铰接，支撑杆绕横杆水平转动，形成可伸缩的叉式结构，且在所述机械支撑框架的转臂和与转臂固定相连的固定臂上设有滑轨，所述滑动底座底部设有滑轮，滑轮在支撑框架上的滑轨内滑动，叉架单元沿直线滑轨同步移动以控制转臂绕着固定臂旋转。

5.根据权利要求1所述的爬杆机器人，其特征在于，所述自动伸缩系统包括伸缩支架、双伺服驱动电机、电机支架，所述支撑框架上设有两根固定杆和两根横架，所述固定杆左右对称分布，横架上下分布，呈“口”字形；所述电机支架一侧与双伺服驱动电机固定连接，另一侧设有对称的四个轴向槽，槽内通过固定杆，所述电机支架在伸缩支架内上下滑动调节双伺服驱动电机的位置，所述伸缩支架两侧设置有齿条，齿条与支撑框架固定连接，齿条与齿轮啮合，当双轴伺服驱动电机运行，驱动轴端齿轮转动，电机在固定杆内上下移动实现伸缩。

6.根据权利要求1所述的爬杆机器人，其特征在于，所述三组自动伸缩装置对称布置在支撑框架的两条长边和转臂上，自动伸缩装置通过攀爬轮驱动单元与攀爬轮连接；攀爬轮的轮毂上装有应变片，当攀爬轮压紧在杆状物上并受到杆状物的反作用力时，轮毂上应变片检测出受力发出电信号，控制系统检测到该电信号，自动伸缩装置电机启动，控制滑块在伸缩杆上滑动以控制攀爬轮的位置，攀爬轮对心的距离随着杆状物直径尺寸的变化进行调整以适应不同的杆类物体。

7.根据权利要求1所述的爬杆机器人，其特征在于，爬杆机器人沿着杆状物攀升，到达指定工作高度后，电机自锁，爬杆机器人停留在杆状物上，操作人员控制机械手臂抓紧杆状物，根据操作指令爬杆机器人沿着杆状物进行水平旋转实现爬杆机器人工作位姿调整。

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