CN112826390A - 特种机器人、特种机器人用复合电缆及电缆加工工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种特种机器人用复合电缆及对应的机器人，其包括输送液体或气体的软管，所述软管外沿所述软管长度方向设置有若干根电缆,所述电缆包括导线以及包裹所述导线的绝缘层，全部所述电缆均沿所述软管的周向设置；还包括通过挤塑工艺包覆在所述电缆上的橡胶层，所述橡胶层外包覆有由高分子材料或碳纤维制成的受力层，所述受力层外包覆有由绝缘材料制成的外护层。本发明的有益效果是：通过本发明的加工工艺加工出来的复合电缆集成了受力、供电和输液三部分功能，具有破断力大、绝缘性能好、柔软可以弯曲以适应卷扬机等特点；本发明的工艺具有各部件加工前形态自然、无应力；加工后无变形、无扭力等优点。本发明还提供相关的机器人。

Description

特种机器人、特种机器人用复合电缆及电缆加工工艺
技术领域
本发明属于机械领域，具体涉及一种特种机器人、特种机器人用复合电缆及其加工工艺。
背景技术
随着机器人技术的发展，机器人被越来越广泛地应用到各种领域，来执行各种高难度、高风险的任务。例如：用于建筑物外墙作业的高空机器人，进入深井、矿洞执行救援或勘探的任务机器人，进入水下执行勘探的水下机器人等。这些机器人在作业过程中，通常需要后方供电、传输信号，还有部分需要提供液体和气体等。例如向深井中提供新鲜空气等。这些都必须通过电缆、管道来进行，此外还需要提供绳索以便提供支撑或随时收回机器人。
例如，幕墙机器人在高空进行清洗作业时，吊装结构通常分为三个部分：一是钢丝绳，作用是受力，承受机器人在空中所受的重力以及其它外力；二是电缆，作用是给幕墙机器人供电；三是液体输送管，作用是给幕墙机器人提供清洗液。幕墙机器人工作时，要求以上三部分协调工作，同时升起同时落下，保持一致性。实际工作中，必须降低运行速度来确保一致性，同时三部分需要三台完全独立的升降设备来控制，这也导致其存在制作成本高、设备零部件多的问题。如何将三部分的功能：受力、供电和输液(气)集成在一起，以通过一套后台支撑系统即可控制，从而提高一致性，是目前亟待解决的技术问题。中国专利CN201911066686.3中，公开了一种利用夹具来解决上述技术问题的方案，这导致中间需要增加夹具，工艺复杂，且整体面积过大，容易受损等系列问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集成度高、满足设计要求、安全性高、结构稳定、制作工艺简单的特种机器人用复合电缆、特种机器人、及电缆加工工艺。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种特种机器人用复合电缆，其包括输送液体或气体的软管，所述软管外沿所述软管长度方向设置有若干根电缆,所述电缆包括导线以及包裹所述导线的绝缘层，全部所述电缆均沿所述软管的周向设置；还包括通过挤塑工艺包覆在所述电缆上的橡胶层，所述橡胶层外包覆有由高分子材料或碳纤维制成的受力层，所述受力层外包覆有由绝缘材料制成的外护层。
优选的，所述受力层由编织网通过胶水粘连而成，所述编织网是由高分子材料或碳纤维材料制成的线材编织而成的；所述编织网是长条形结构；所述编织网分多层绕所述橡胶层周向缠绕在所述橡胶层外、或所述编织网分多层绕所述橡胶层螺旋形缠绕在所述橡胶层外、又或所述编织网沿所述橡胶层长度方向设置并包裹在所述橡胶层外；所述编织网不同层之间通过胶水粘连。
优选的，所述软管外壁上包覆有金属网制成的圆管形的内护套，所述电缆设置在所述内护套外侧。
优选的，所述电缆采用多根绞合铜丝做导线，单根所述绞合铜丝的标称截面积为1.0mm2，所述绞合铜丝外包覆有绝缘材料制成的绝缘层。
优选的，所述软管外设置有N根所述电缆，全部所述电缆绕所述软管的周向等间距排列，其中有1/N根排列在一起的所述电缆用作火线、另外1/N根排列在一起的所述电缆用作零线、最后1/N根所述电缆用作地线，全部所述电缆均沿所述软管的周向等间距设置，相邻所述电缆间的间距小于2mm，其中,N为大于16的且可被3整除的自然数。
优选的，所述电缆中有若干根用于传输电力、另外若干根用于传输数据信号。
优选的，所述特种机器人用复合电缆外径小于等于26mm，所述特种机器人用复合电缆的破断力大于等于15KN，所述特种机器人用复合电缆的绝缘电气强度满足直流电2000V情况下通电2分钟不击穿，所述特种机器人用复合电缆的最小弯曲半径为其外径的8倍。
本发明还提供一种加工特种机器人用复合电缆的工艺，其包括所述的特种机器人用复合电缆，其包括以下步骤：
1)软管分段卸劲，从所述软管的第一端开始向其第二端依次按设定间距，将所述软管抬起，将其一端置于不受外力的情况下，使其恢复自然形状；
2)将金属网组成的内护套包覆在软管上，然后将软管和电缆一起穿设在圆形的夹持装置上，所述夹持装置设置有供所述软管和电缆穿过的通孔，一电机驱动所述夹持装置绕其轴线旋转，一力传感器监控所述夹持装置周向受力，所述电机根据所述力传感器检测的所述夹持装置周向受力，通过所述夹持装置带动所述软管和电缆沿其受力方向旋转直至所述力传感器检测到的受力小于设定值；
3)所述软管和电缆通过挤塑机，在所述电缆外包覆橡胶层，以保护所述电缆并给其限位；
4)在橡胶层外包覆凯夫拉编织成的网格形状的受力层；
5)在所述受力层外套设外护层，所述外护层内预先设置管形的金属网，用以提高强度以及屏蔽电磁。
优选的，所述设定间距为1米。
本发明还提供一种特种机器人，其通过所述的特种机器人用复合电缆传输电力和/或数据信号、以及液体和/或气体，所述机器人是用于攀爬建筑物外墙、进入深井或进入水下执行作业的特种机器人。
本发明的有益效果是：通过本发明的加工工艺加工出来的复合电缆集成了受力、供电和输液三部分功能，具有破断力大、绝缘性能好、柔软可以弯曲以适应卷扬机等特点；此外，加工工艺还具有各部件加工前形态自然、无应力；加工后无变形、无扭力等优点；此外，本发明的机器人可通过该复合电缆和一个后台支撑系统就可完成多种作业需要。
附图说明
图1是本发明的剖视结构示意图；
图2是本发明的端面结构示意图；
图3是受力层的局部平面展开示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
如图1至图3所示，本发明希望提供一种集成了受力、供电(和/或通讯)和输液(或输气)三部分功能的电缆，尤其是适合清洗幕墙等的吊装机器人、深井救援机器人、水下机器人等使用的电缆。根据吊装机器人的使用场景，这种电缆应当满足下述要求，以确保可通过卷扬机等进行收放、具有良好的绝缘性能，具有良好的强度，以确保能承受自身重量以及机器人的重量；能够传输电力或数字信号，并可传输清洗液、水等，供机器人使用：外径小于等于26mm，破断力大于等于15KN，绝缘电气强度满足直流电2000V情况下通电2分钟不击穿，最小弯曲半径为其外径的8倍。
为满足上述要求，本发明设计的一种特种机器人用复合电缆，其包括输送液体的软管10，软管10外壁上包覆有钢丝网制成的内护套12，用以提高软管10的刚度，避免其因为弯曲而产生局部折弯的现象，导致气体或液体不通。内护套12可以用预先设置好的钢网制成的管形结构，或用钢网包裹形成管形结构。
内护套12外沿软管10长度方向设置有21根电缆14,电缆14包括导线以及包裹导线的绝缘层，全部电缆14均沿软管10的周向等间距设置，相邻的电缆14之间的间距小于2mm，这使得电缆14是均匀一周地围绕在内护套12外，避免局部受力不均的情况。电缆14采用多根绞合铜丝做导线，单根绞合铜丝的标称截面积为1.0mm2，绞合铜丝外包覆有绝缘材料制成的绝缘层。
还包括通过挤塑工艺包覆在电缆14上的橡胶层20，通过挤塑工艺，橡胶层20贴合电缆14的形状和电缆14固定在一起，形成对电缆14的保护，也给电缆14进行限位，避免在受力的过程中出现移位、甚至重叠的情况，这些情况会导致电缆受力不均衡，易导致漏电或断裂的情况。图中橡胶层20显示成两部分，实际因为挤塑而成，没有中间的分割线，分割线仅为示意。橡胶层20外包覆一高分子材料或碳纤维制成的受力层26，例如凯夫拉制成的受力层26。以凯夫拉为例，受力层26的加工方法是，先由凯夫拉制成线材，然后将其编制成网形的长条结构；然后有3种缠绕方式：其一是将编织网裁切成若干段，每段绕周向缠绕在橡胶层20外，用胶水固定在橡胶层20上；每段沿橡胶层20长度方向依次固定；然后再相同结构再贴一层编织网，上下层编织网之间通过胶水粘连，且错开接缝处；其二是将编织网螺旋形缠绕在橡胶层20外，通过胶水固定；然后再将编织网螺旋形缠绕一层，上下层编织网之间通过胶水粘连，且错开接缝处；其三是将编织网沿橡胶层20的长度方向设置，然后两侧边缘绕橡胶层周向包裹橡胶层；然后再用编织网沿橡胶层20的长度方向设置，然后两侧边缘绕橡胶层周向包裹上层编织网；上下层编织网之间通过胶水粘连，且错开接缝处。受力层26是主要的受力部分，其通过胶水固化以后，因其本身强度大，因而可以在整个复合电缆受到牵引力的过程中，承担大部分受力，起到保护电缆、软管的作用。
受力层26外包覆有绝缘材料制成的外护层24，外护层24也是通过挤塑工艺包裹在受力层26外的橡胶，其用于避免受力层26受到磨损或尖锐物品刺破等作用，提高整体的寿命。
采用上述结构，使得本发明可以通过软管10输送液体或气体，通过电缆14输送电力或数据信号，并通过高强度的凯夫拉制成的受力层26来受力，其中金属网26既可以起到屏蔽电信号的作业，也可以提高电缆14的强度。同时，本发明还具有良好的水密性，可用于水下作业。
具体的清洗玻璃幕墙的高空机器人应用中，软管10外可以设置21根电缆14，其中有7根排列在一起的电缆14用作火线、另外7根排列在一起的电缆14用作零线、最后7根电缆14用作地线，全部电缆14均沿软管10的周向等间距设置。这种结构符合清洗玻璃幕墙的高空机器人的需要，满足对电缆的性能要求，结构对称、受力均匀，同时使得每根电缆中的电流小，安全性好。
本发明还提供一种加工特种机器人用复合电缆的工艺，其包括的特种机器人用复合电缆，其包括以下步骤：
1)软管10分段卸劲，从软管10的第一端开始向其第二端依次按1米的设定间距，将软管10抬起，将其一端置于不受外力的情况下，使其恢复自然形状；
2)将金属网组成的内护套12包覆在软管10上，然后将软管10和电缆14一起穿设在圆形的夹持装置(未图示)上，夹持装置设置有供软管10和电缆14穿过的通孔，一电机(未图示)驱动夹持装置绕其轴线旋转，一力传感器(未图示)监控夹持装置周向受力，电机根据力传感器检测的夹持装置周向受力，通过夹持装置带动软管10和电缆14沿其受力方向旋转；直至力传感器检测到的受力小于设定值(趋近于0)。这是为了让软管10和电缆14回复原状，避免产生扭曲，导致结构变形，使得在使用的过程中复合电缆会因为扭曲的应力而产生旋转，影响机器人的行走和定位。夹持装置、力传感器的结构本身非本发明的创新点所在，本领域普通技术人员根据上述描述，可以在不付出创造性劳动的前提下设计相应的结构，因而未详细图示。
3)软管10和电缆14通过挤塑机，在电缆14外包覆橡胶层20，以保护电缆14并给其限位；
4)在橡胶层20外包覆凯夫拉编织成的网格形状的受力层26；
5)通过挤塑机在受力层26外套设外护层24，用以提高强度。
通过上述工艺，可以加工本发明的复合电缆，同时尽可能减少常见电缆生产过程中的应力积累，从而避免给吊装的机器人形成干扰。
本发明还提供一种用于攀爬建筑物外墙、进入深井或进入水下执行作业的特种机器人(未图示)，该特种机器人采用本发明的复合电缆来传输电力、数据信号、液体或气体。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种特种机器人用复合电缆，其包括输送液体或气体的软管，其特征在于：所述软管外沿所述软管长度方向设置有若干根电缆,所述电缆包括导线以及包裹所述导线的绝缘层，全部所述电缆均沿所述软管的周向设置；还包括通过挤塑工艺包覆在所述电缆上的橡胶层，所述橡胶层外包覆有由高分子材料或碳纤维制成的受力层，所述受力层外包覆有由绝缘材料制成的外护层。
2.根据权利要求1所述的特种机器人用复合电缆，其特征在于：所述受力层由编织网通过胶水粘连而成，所述编织网是由高分子材料或碳纤维材料制成的线材编织而成的；所述编织网是长条形结构；所述编织网分多层绕所述橡胶层周向缠绕在所述橡胶层外、或所述编织网分多层绕所述橡胶层螺旋形缠绕在所述橡胶层外、又或所述编织网沿所述橡胶层长度方向设置并包裹在所述橡胶层外；所述编织网不同层之间通过胶水粘连。
3.根据权利要求1所述的特种机器人用复合电缆，其特征在于：所述软管外壁上包覆有金属网制成的圆管形的内护套，所述电缆设置在所述内护套外侧。
4.根据权利要求1所述的特种机器人用复合电缆，其特征在于：所述电缆采用多根绞合铜丝做导线，单根所述绞合铜丝的标称截面积为1.0mm2，所述绞合铜丝外包覆有绝缘材料制成的绝缘层。
5.根据权利要求3所述的特种机器人用复合电缆，其特征在于：所述软管外设置有N根所述电缆，全部所述电缆绕所述软管的周向等间距排列，其中有1/N根排列在一起的所述电缆用作火线、另外1/N根排列在一起的所述电缆用作零线、最后1/N根所述电缆用作地线，全部所述电缆均沿所述软管的周向等间距设置，相邻所述电缆间的间距小于2mm，其中,N为大于16的且可被3整除的自然数。
6.根据权利要求1所述的特种机器人用复合电缆，其特征在于：所述电缆中有若干根用于传输电力、另外若干根用于传输数据信号。
7.根据权利要求1所述的特种机器人用复合电缆，其特征在于：所述特种机器人用复合电缆外径小于等于26mm，所述特种机器人用复合电缆的破断力大于等于15KN，所述特种机器人用复合电缆的绝缘电气强度满足直流电2000V情况下通电2分钟不击穿，所述特种机器人用复合电缆的最小弯曲半径为其外径的8倍。
8.一种加工特种机器人用复合电缆的工艺，其包括根据权利要求1至7其中之一所述的特种机器人用复合电缆，其特征在于，其包括以下步骤：
1)软管分段卸劲，从所述软管的第一端开始向其第二端依次按设定间距，将所述软管抬起，将其一端置于不受外力的情况下，使其恢复自然形状；
2)将金属网组成的内护套包覆在软管上，然后将软管和电缆一起穿设在圆形的夹持装置上，所述夹持装置设置有供所述软管和电缆穿过的通孔，一电机驱动所述夹持装置绕其轴线旋转，一力传感器监控所述夹持装置周向受力，所述电机根据所述力传感器检测的所述夹持装置周向受力，通过所述夹持装置带动所述软管和电缆沿其受力方向旋转直至所述力传感器检测到的受力小于设定值；
3)所述软管和电缆通过挤塑机，在所述电缆外包覆橡胶层，以保护所述电缆并给其限位；
4)在橡胶层外包覆凯夫拉编织成的网格形状的受力层；
5)通过挤塑机在所述受力层外套设外护层。
9.所述根据权利要求1所述的特种机器人用复合电缆，其特征在于：所述设定间距为1米。
10.一种特种机器人，其通过权利要求1至7其中之一所述的特种机器人用复合电缆传输电力和/或数据信号、以及液体和/或气体，其特征在于：所述机器人是用于攀爬建筑物外墙、进入深井或进入水下执行作业的特种机器人。
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