CN112959293A - 一种模块化双轮爪巡线机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模块化双轮爪巡线机器人，包括两个在线路上支撑行走且可进行开合动作的轮爪模块，两个轮爪模块之间设有通过卡环依次连接第一I型关节模块、第一T型关节模块、第二T型关节模块、第三T型关节模块和第二I型关节模块，三个T型关节的转轴互相平行，并与两端I型关节的转轴垂直，所述第一T型关节模块与第二T型关节模块之间设有用于调节连接距离的连接套筒。本发明具有构型可变、越障能力强、结构简单、灵活性和机动性强、巡线效率高等特点，能以尺蠖式、翻转式和扭转式等步态在线缆上完成越障，并能在线缆上快速移动，可广泛用于不同规模的输电线路上巡检的工作。
Description
技术领域
本发明涉及巡线机器人技术领域，更具体地，涉及一种模块化双轮爪巡线机器人。
背景技术
输电线路是电力系统的重要设备，起着极其重要的作用，但在各种因素的共同作用下，输电线路会产生多种形式的故障或安全隐患，如导地线断股或诱烛、防震锤连接螺栓松动、连接管松弛、金具脱落、绝缘子破损或缺失以及线路异物缠绕等，这些故障或安全隐患如不及时发现和消除，将对电力系统造成危害。因此，为了保证输电线路安全、稳定地运行，定期对高压输电线路巡视检修保障其稳定运行是非常有必要的。目前，对输电导线进行巡检的方法主要有人工巡检和直升机巡检两种方法。其中，人工巡检劳动强度大、工作环境恶劣、危险，而直升机巡检的成本又非常高。
巡线机器人为输电线路的巡视检查提供了很好的选择。相对于人工巡检方式，巡检机器人速度快，效率高，能让工人从高危和繁重的体力劳动中解放出来，用机器人代替人工执行高压线上的高空作业就对机器人的环境适应能力有一定的要求，要实现以较快速度沿输电线路行走，并可以跨越防振锤、耐张线夹、悬垂线夹和间隔棒等障碍物。目前国内外已经开发了多种在输电线上巡检的机器人，它们可以代替人在高压线上进行巡检作业，减少了电力巡检工人工作的危险性，中国专利公开号CN105798901A，公开日期2016年5月12日，该专利公开了一种仿昆虫蠕动式双轮双臂巡线机器人机械结构及其越障方法，所述仿昆虫蠕动式双轮双臂巡线机器人机械结构包括机架，机架的上部设置有可两侧打开闭合的滚轮臂，滚轮臂上设置分体式滚轮，机架的下部设置有至少一个前向机械臂和后向机械臂，各铰接轴处均通过电机驱动，该专利需要依靠机械臂协助滚轮臂完成障碍跨越，结构复杂，且滚轮臂缺少旋转的自由度，移动不灵活。
发明内容
本发明的目的在于克服现有巡线机器人结构复杂，且滚轮臂运动移动的自由度少，导致巡线移动不灵活的缺点，提供一种模块化双轮爪巡线机器人。本发明简化了巡线机器人的整体结构，且增加了巡线机器人运动的自由度，在巡线过程中移动更加灵活。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种模块化双轮爪巡线机器人，包括两个在线路上支撑行走且可进行开合动作的轮爪模块，两个轮爪模块之间设有通过卡环依次连接第一I型关节模块、第一T型关节模块、第二T型关节模块、第三T型关节模块和第二I型关节模块，三个T型关节的转轴互相平行，并与两端I型关节的转轴垂直，所述第一T型关节模块与第二T型关节模块之间设有用于调节连接距离的连接套筒。
本技术方案中，两端的轮爪模块既可以在线缆上移动运行，又可以进行开合动作脱离线缆，I型关节模块是指只有一个转动自由度且关节转轴与连杆轴线重合或平行的关节模块，T型关节模块是指只有一个转动自由度且关节转轴与连杆轴线垂直的关节模块；两个I型关节模块能作整周转动，其转动可带动轮爪模块转动，以调整抓夹的角度，中间的三个T型关节模块用于改变机器人本体的构型，以使机器人完成越障的动作，轮爪模块既能带动整个机器人在线缆上快速移动，又能减速刹车，整个机器人结构简单、成本低廉且轻便灵巧。
进一步的，所述轮爪模块包括滚轮组件和夹持组件，所述滚轮组件固定设置在所述夹持组件的顶部。夹持组件能够完成开合动作，对线缆进行夹持或脱离，滚轮组件对线缆进行挂靠，滚轮组件能够带动机器人在线缆上进行移动，其中夹持组件通过改变对线缆的夹紧程度完成减速刹车。
进一步的，所述夹持组件包括依次连接的盘式电机、第二基座、联轴器、谐波减速器组件、谐波减速器输出盘、第一基座和齿条基座，所述第一基座内设有直齿轮，所述直齿轮的一端与所述谐波减速器输出盘啮合，另一端伸入齿条基座，所述齿条基座上设有一对与所述直齿轮啮合的第一齿条和第二齿条，所述第一齿条上设有第一夹爪，所述第二齿条上设有第二夹爪。本技术方案中，盘式电机通过联轴器，谐波减速器组件和谐波减速器输出盘将动力传输到直齿轮，直齿轮在旋转的过程中，与其啮合的第一齿条和第二齿条在齿条基座上平移，第一夹爪和第二夹爪跟随第一齿条和第二齿条一起运动，相向靠近或背对远离，完成两个夹爪之间的开合动作。
进一步的，所述齿条基座与所述第一基座通过螺钉固定连接。所述谐波减速器输出盘上设有花键孔，所述直齿轮的端面设有与所述花键孔配合的花键。
进一步的，所述滚轮组件包括滚轮电机、滚轮、轴承座和滚轮电机座，所述轴承座和滚轮电机座分别固定在第一夹爪的顶部和底部，所述滚轮通过滚轮轴与轴承座连接，所述滚轮电机固定在滚轮电机座上，所述滚轮轴的一端设有第一同步轮，所述滚轮电机的输出轴上设有第二同步轮，所述第一同步轮与所述第二同步轮之间通过同步带传动连接。本技术方案中，通过同步轮和同步带的配合完成滚轮电机和滚轮之间的传动，滚轮跟随滚轮电机进行转动，使得整个机器人在线缆上进行移动。
进一步的，所述I型关节模块包括相互分离的第一上壳体和第一下壳体，第一下壳体靠近第一上壳体的一端设有第一隔板，第一上壳体通过卡环与轮爪模块卡紧相连，第一下壳体通过卡环与T型关节模块卡紧相连，第一下壳体内部设有第一伺服驱动控制器和第一主动圆柱齿轮，第一上壳体内设有第一谐波减速器，所述第一伺服驱动控制器与所述第一隔板固定相连，第一下壳体内部还设有与第一伺服驱动控制器电连接的第一伺服电机，第一伺服电机的动力输出端穿过第一隔板与第一主动圆柱齿轮相连，第一谐波减速器位于第一隔板上方，第一谐波减速器的动力输入端上设有与所述第一主动圆柱齿轮啮合的第一从动圆柱齿轮，第一谐波减速器的动力输出端与第一上壳体相连。
进一步的，所述T型关节模块包括相互分离的第一前壳体和第一后壳体，第一后壳体靠近与第一前壳体的一端设有第二隔板，第一前壳体内设有第二谐波减速器，第一后壳体内部固定设有第二伺服驱动控制器和第一主动锥齿轮，第一后壳体内部还设有与第二伺服驱动控制器电连接的第二伺服电机，第二伺服电机的动力输出端穿过第二隔板与第一主动锥齿轮相连，所述第二谐波减速器的动力输入端上设有同轴连接的第一从动锥齿轮，所述第一主动锥齿轮与第一从动锥齿轮啮合传动，第二谐波减速器的动力输出端与第一前壳体相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中通过I型关节模块和T型关节模块进行拼接，能够完成三种特殊的运动模式越障，包括扭转步态、尺蠖步态和翻转步态，具有控制简单、实现容易、对环境的适应性好、越障能力强、能耗小特点；I型关节模块和T型关节模块的配合使得整个机器人成为具有五自由度的机械臂，一端夹紧线缆固定后另一端在其工作空间中可实现各种位姿，因而本机器人在输电线路上具有全方位检测功能和操作功能；轮爪模块能够既能通过滚轮组件在线上快速移动，且轮爪模块还能够通过夹持组件的开合动作对物体进行夹持操作，同时减速刹车，滚轮组件和夹持组件的配合还能使得机器人完成越障和线间过渡，扩大巡线范围。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明中轮爪模块的结构示意图
图3为本发明中轮爪模块的爆炸示意图。
图4为本发明中I型关节模块的内部结构示意图。
图5为本发明中T型关节模块的内部结构示意图。
图6为本发明线缆运动的示意图。
图7为本发明跨越防震锤的示意图。
图8为本发明线间过渡的示意图。
图示标记说明如下：
1-轮爪模块，101-盘式电机，102-第二基座，103-联轴器，104-谐波减速器组件，105-谐波减速器输出盘，106-第一基座，107-直齿轮，108-齿条基座，109-第一齿条，110-第一夹爪，111-第二夹爪，112-滚轮轴，113-滚轮，114-轴承座，115-第一同步轮，116-同步带，117-第二同步轮，118-滚轮电机座，119-滚轮电机，2-I型关节模块2，21-第一上壳体，22-第一下壳体，23-第一谐波减速器，24-第一从动圆柱齿轮，25-第一主动圆柱齿轮，26-第一伺服电机，27-第一伺服驱动控制器，28-第一隔板，3连接套筒，4-T型关节模块，41-第一后壳体，42-第一前壳体，43-第二伺服驱动控制器，44-第二伺服电机，45-第一主动锥齿轮，46-第一从动锥齿轮，47-第二谐波减速器，48-第二隔板，5-卡环，6-线缆，7-防震锤。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”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，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
实施例
如图1至图5所示为本发明一种模块化双轮爪巡线机器人的实施例。一种模块化双轮爪巡线机器人，其中包括两个轮爪模块1，三个T型关节模块4和两个I型关节模块2，七个模块依次以串联方式连接，连接顺序为：轮爪模块1-I型关节模块2-T型关节模块4-T型关节模块4-T型关节模块4-I型关节模块2-轮爪模块1，在前两个T型关节模块4之间插入一个连接套筒3，各个模块及连接套筒3之间通过卡环5进行连接。卡环5的内环纵截面为凹的梯形槽，卡环5的开口部分穿过螺栓，拧紧卡环5上的螺栓和螺母即可将相邻的两个模块或连接套筒3紧固连接。三个T型关节模块4的关节转轴位于同一直线上，I型关节模块2的关节轴与T型关节模块4的关节转轴垂直，I型关节模块2能够带动其连接的轮爪模块1进行轴向转动，产生扭转运动，而三个T型关节模块4能够带动整个机器人仿生尺蠖步态。当一端轮爪模块1夹住线缆6支撑整个机器人时，通过改变T型关节模块4和I型关节模块2的转角即可改变另一端轮爪模块1的位置和姿态，到达目标位置。
在其中一个实施例中，轮爪模块1包括滚轮组件和夹持组件，滚轮组件固定设置在夹持组件的顶部，如图3所示，夹持组件包括依次连接的盘式电机101，第二基座102，联轴器103，谐波减速器组件104，谐波减速器输出盘105、第一基座106和齿条基座108；第一基座108内设有直齿轮107，直齿轮107的一端的与谐波减速器输出盘105啮合，另一端伸入齿条基座108，齿条基座108上设有一对与直齿轮107啮合的第一齿条109和第二齿条，第一齿条109上设有第一夹爪110，第二齿条上设有第二夹爪111。
其中，盘式电机101通过联轴器103、谐波减速器组件104和谐波减速器输出盘105带动直齿轮107旋转，与直齿轮107啮合的第一齿条109和第二齿条在齿条基座108上平移，与第一齿条109和第二齿条对应连接的第一夹爪110和第二夹爪111在齿条基座108的顶部相向靠近或背对远离，完成开合动作。
其中，齿条基座108与第一基座106通过螺纹固定连接，谐波减速器输出盘105上设有花键孔，直齿轮107上设有与花键孔配合的花键，这样谐波减速器输出盘105能够带动直齿轮107稳定转动。
在其中一个实施例中，如图3所示，滚轮组件包括滚轮电机119、滚轮113、轴承座114和滚轮电机座118，轴承座114和滚轮电机座118分别固定在第一夹爪110的顶部和底部，滚轮113通过滚轮轴112与轴承座114连接，滚轮电机119放置在滚轮电机座118内，滚轮轴112的一端设有第一同步轮115，滚轮电机119的输出轴上设有第二同步轮117，第一同步轮115与第二同步轮117之间通过同步带116传动连接。本技术方案中，滚轮电机119通过同步轮和同步带116带动滚轮113进行转动，夹持组件将线缆6夹持后，是将其顶部的滚轮组件挂靠在线缆6上，故当滚轮113进行转动时，能够使得整个机器人在线缆6上进行移动。
在其中一个实施例中，如图4所示，I型关节模块2包括相互分离的第一上壳体21和第一下壳体22，第一下壳体22靠近第一上壳体21的一端设有第一隔板28，第一上壳体21通过卡环5与轮爪模块1卡紧相连，第一下壳体22通过卡环5与T型关节模块4卡紧相连，第一下壳体22内部设有第一伺服驱动控制器27和第一主动圆柱齿轮25，第一伺服驱动控制器27与第一隔板28固定相连，第一下壳体22内部还设有与第一伺服驱动控制器27电连接的第一伺服电机26，第一伺服电机26的动力输出端穿过第一隔板28与第一主动圆柱齿轮25相连，第一隔板28上方设有第一谐波减速器23，第一谐波减速器23的动力输入端上设有与第一主动圆柱齿轮25啮合的第一从动圆柱齿轮24，第一谐波减速器23的动力输出端与第一上壳体21相连。第一伺服电机26的动力通过第一主动圆柱齿轮25、第一从动圆柱齿轮24以及第一谐波减速器23传递给第一上壳体21，使得第一上壳体21绕第一谐波减速器23的轴线转动，同时也是绕第一下壳体22的轴线转动，实现第一上壳体21相对于第一下壳体22作回转运动。
在其中一个实施例中，如图5所示，T型关节模块4包括相互分离的第一前壳体42和第一后壳体41，第一后壳体41靠近与第一前壳体42的一端设有第二隔板48，第一前壳体42内设有第二谐波减速器47，第一后壳体41内部固定设有第二伺服驱动控制器43和第一主动锥齿轮45，第一后壳体41内部还设有与第二伺服驱动控制器43电连接的第二伺服电机44，第二伺服电机44的动力输出端穿过第二隔板48与第一主动锥齿轮45相连，第二谐波减速器47的动力输入端上设有同轴的第一从动锥齿轮46，第一主动锥齿轮45与第一从动锥齿轮46啮合传动，第二谐波减速器47的动力输出端与第一前壳体42相连。第二伺服电机44的动力通过第一主动锥齿轮45、第一从动锥齿轮46以及第二谐波减速器47传递给第一前壳体42，使得第一前壳体42绕第二谐波减速器47的轴线转动，实现第一前壳体42相对于第一后壳体41作摆转运动。
在其中一个实施例中，如图6所示，机器人两端的夹持组件将线缆6进行夹持，被夹持的线缆6卡接在滚轮组件的滚轮113上，滚轮电机119带动滚轮113在线缆6上移动，使得整个机器人在线缆6上移动，其中夹持组件通过控制对线缆6的夹紧程度，对机器人的移动进行减速或刹车。
在其中一个实施例中，如图7所示，为本实施例跨越防震锤7的示意图，在越障过程中，先用其中的一个轮爪模块1夹紧线缆6以支撑整个机器人，机器人的另一端运动到目标位置，另一端的轮爪模块1夹紧线缆6的目标位置后，松开之前轮爪模块1并运动到另一目标位置。机器人如此两端交替夹持和运动，即可越过防震锤7、悬垂线夹和间隔棒等障碍物。
本实施例中，机器人可用尺蠖式模式进行越障。本机器人可采用尺蠖步态跨越障碍物，其过程为：机器人遇到障碍物，三个T型关节模块4运动，使机器人由直角构型转变为拱桥构型，然后由第二轮爪模块进行夹持和支撑，松开第一轮爪模块，然后转动其三个T型关节模块4，移动第一轮爪模块到线缆6目标位置；机器人用第一轮爪模块夹紧线缆6目标位置以支撑整个系统，松开第二轮爪模块；机器人转动其三个T型关节模块4，移动第二轮爪模块到线缆6目标位置；机器人转动其三个T型关节模块4以恢复直角构型。
本实施例中，机器人还可采用翻转步态跨越防震锤7，其过程和步骤为：1)机器人由第一轮爪模块进行夹持和支撑，松开第二轮爪模块；2)机器人转动其三个T型关节模块4，使机器人绕其中与第一轮爪模块相连的T型关节模块4的关节轴翻转；3)机器人继续转动三个T型关节模块4，使第二轮爪模块移近杆件，到达目标位置；4)机器人用第二轮爪模块夹紧目标杆件以支撑整体，松开第一轮爪模块；5)重复一次以上步骤，机器人即可跨过防震锤。
在其中一个实施例中，如图8所示，为本实施例线间过度的示意图，其过程和步骤为：1)机器人由第二轮爪模块进行夹持和支撑，松开第一轮爪模块，然后转动其T型关节模块4，将第一轮爪模块移离杆件；2)第二I型关节模块2转动，使机器人扭转相应角度，以到达相应线缆6下方；3)机器人转动其T型关节模块4，使第一轮爪模块移近线缆6，到达目标位置；4)机器人用第一轮爪模块夹紧目标线缆以支撑整体，松开第二轮爪模块；5)以相同的方式将第二轮爪模块移动到目标线缆6上。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种模块化双轮爪巡线机器人，其特征在于：包括两个在线路上支撑行走且可进行开合动作的轮爪模块，两个轮爪模块之间设有通过卡环依次连接第一I型关节模块、第一T型关节模块、第二T型关节模块、第三T型关节模块和第二I型关节模块，三个T型关节的转轴互相平行，并与两端I型关节的转轴垂直，所述第一T型关节模块与第二T型关节模块之间设有用于调节连接距离的连接套筒。
2.根据权利要求1所述的一种模块化双轮爪巡线机器人，其特征在于：所述轮爪模块包括滚轮组件和夹持组件，所述滚轮组件固定设置在所述夹持组件的顶部。
3.根据权利要求3所述的一种模块化双轮爪巡线机器人，其特征在于：所述夹持组件包括依次连接的盘式电机、第二基座、联轴器、谐波减速器组件、谐波减速器输出盘、第一基座和齿条基座，所述第一基座内设有直齿轮，所述直齿轮的一端与所述谐波减速器输出盘啮合，另一端伸入齿条基座，所述齿条基座上设有一对与所述直齿轮啮合的第一齿条和第二齿条，所述第一齿条上设有第一夹爪，所述第二齿条上设有第二夹爪。
4.根据权利要求3所述的一种模块化双轮爪巡线机器人，其特征在于：所述齿条基座与所述第一基座通过螺钉固定连接。
5.根据权利要求3所述的一种模块化双轮爪巡线机器人，其特征在于：所述谐波减速器输出盘上设有花键孔，所述直齿轮的端面设有与所述花键孔配合的花键。
6.根据权利要求3所述的一种模块化双轮爪巡线机器人，其特征在于：所述滚轮组件包括滚轮电机、滚轮、轴承座和滚轮电机座，所述轴承座和滚轮电机座分别固定在第一夹爪的顶部和底部，所述滚轮通过滚轮轴与轴承座连接，所述滚轮电机固定在滚轮电机座上，所述滚轮轴的一端设有第一同步轮，所述滚轮电机的输出轴上设有第二同步轮，所述第一同步轮与所述第二同步轮之间通过同步带传动连接。
7.根据权利要求1所述的一种模块化双轮爪巡线机器人，其特征在于：所述I型关节模块包括相互分离的第一上壳体和第一下壳体，第一下壳体靠近第一上壳体的一端设有第一隔板，第一上壳体通过卡环与轮爪模块卡紧相连，第一下壳体通过卡环与T型关节模块卡紧相连，第一下壳体内部设有第一伺服驱动控制器和第一主动圆柱齿轮，第一上壳体内设有第一谐波减速器，所述第一伺服驱动控制器与所述第一隔板固定相连，第一下壳体内部还设有与第一伺服驱动控制器电连接的第一伺服电机，第一伺服电机的动力输出端穿过第一隔板与第一主动圆柱齿轮相连，第一谐波减速器位于第一隔板上方，第一谐波减速器的动力输入端上设有与所述第一主动圆柱齿轮啮合的第一从动圆柱齿轮，第一谐波减速器的动力输出端与第一上壳体相连。
8.根据权利要求1所述的一种模块化双轮爪巡线机器人，其特征在于：所述T型关节模块包括相互分离的第一前壳体和第一后壳体，第一后壳体靠近与第一前壳体的一端设有第二隔板，第一前壳体内设有第二谐波减速器，第一后壳体内部固定设有第二伺服驱动控制器和第一主动锥齿轮，第一后壳体内部还设有与第二伺服驱动控制器电连接的第二伺服电机，第二伺服电机的动力输出端穿过第二隔板与第一主动锥齿轮相连，所述第二谐波减速器的动力输入端上设有同轴连接的第一从动锥齿轮，所述第一主动锥齿轮与第一从动锥齿轮啮合传动，第二谐波减速器的动力输出端与第一前壳体相连。
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