CN113510721B - 一种具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人，包括相互连接的载物平台和爬杆机构，所述载物平台水平布置，所述爬杆机构倾斜布置使得爬杆机构靠载物平台的一端位置低于远离载物平台的一端的位置，所述载物平台上设有主控机箱，所述主控机箱内设有控制模块，所述主控机箱上设有用于执行接地线挂接的机械臂模块，所述爬杆机构、机械臂模块的控制端分别与控制模块相连。本发明结构紧凑、操作方便，既能隔离作业人员与带电设备，确保作业人员的人身安全，又能提高接地工作效率，减少作业人员工作量和工作强度。

Description

一种具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人

技术领域

本发明涉及电力机器人，具体涉及一种具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人。

背景技术

带电作业机器人是当前电力机器人行业中的研究热点，目的是为了降低人工停电检查的作业风险。接地(含装拆作业)是电力现场作业防止人员触电的必要安全措施，停电、验电、装设接地线等操作规程在《电力安全工作规程》中有明确的规定。传统架空线路验电接地作业方式存在较高风险：一是需要作业人员登高并人工验电及装设接地线，存在高空坠落和触电的风险；二是工器具设备沉重，接地线易缠绕、易触碰身体，单纯依靠人力执行耗时、耗力，效率低下；三是作业人员抱存侥幸心理，不严格执行验电接地的情况时有发生，给人身安全埋下巨大隐患。基于上述原因，迫切需要研发一种好用、易用的接地线机器人，确保人身安全，减少人工作业，提高作业效率。目前现有的基于绝缘斗臂车的配网带电作业机器人能够完成验电接地工作，但体积庞大，对于没有道路或者空间狭小的作业环境，作业车体无法到达现场作业，升降臂难以展开，其应用受到极大限制。已研发的便携式验电接地机器人需要攀爬电杆，只适用于没有障碍的电杆，实际电杆障碍类型较多，导致机器人结构复杂，自动控制难度大，实用性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人，本发明结构紧凑、操作方便，既能隔离作业人员与带电设备，确保作业人员的人身安全，又能提高接地工作效率，减少作业人员工作量和工作强度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人，包括相互连接的载物平台和爬杆机构，所述载物平台水平布置，所述爬杆机构倾斜布置使得爬杆机构靠载物平台的一端位置低于远离载物平台的一端的位置，所述载物平台上设有主控机箱，所述主控机箱内设有控制模块，所述主控机箱上设有用于执行接地线挂接的机械臂模块，所述爬杆机构、机械臂模块的控制端分别与控制模块相连。

可选地，所述载物平台上设有沿载物平台长度方向布置的滑轨机构，所述主控机箱安装固定在所述滑轨机构上，所述滑轨机构的驱动控制端与控制模块相连。

可选地，所述滑轨机构包括导轨、丝杆、滑块、步进电机和锁紧机构，所述导轨和丝杆传动机构安装固定在载物平台上，所述滑块通过滑轮滑动布置在导轨中且与丝杆活动连接，所述丝杆通过传动机构与步进电机的输出轴传动连接，所述锁紧机构安装在导轨或滑块上以用于实现导轨、滑块之间的锁紧和解锁，所述步进电机的控制端与控制模块相连。

可选地，所述爬杆机构包括拼接连接的框体，所述框体靠载物平台的一端、远离载物平台的一端分别安装有一个行走轮组件，所述行走轮组件包括一对间隙布置的滚轮，所述框体上还设有用于驱动行走轮组件的滚轮转动的行走驱动机构，所述行走驱动机构包括驱动电机和减速机，所述驱动电机的输出轴通过减速机减速后再通过传动机构与行走轮组件的滚轮传动连接，所述驱动电机的控制端与控制模块相连。

可选地，所述框体的内侧分别设有一对伸缩顶紧组件，一对伸缩顶紧组件之间相对布置，且一对伸缩顶紧组件的连线与一对行走轮组件的连线之间相互垂直布置。

可选地，所述伸缩顶紧组件包括顶紧电机、涡轮蜗杆组件、顶杆以及锁紧螺母，所述顶紧电机固定安装在框体上，所述顶紧电机的输出轴通过涡轮蜗杆组件与顶杆传动连接，所述顶杆安装在框体的第一螺纹孔中且与第一螺纹孔螺纹配合，所述锁紧螺母安装在框体的第二螺纹孔中上且端部插设布置于安装顶杆的第一螺纹孔中。

可选地，所述机械臂模块包括依次相连的第一机械臂、旋转关节、第二机械臂、伸缩关节以及夹爪座，所述夹爪座上设有三个间距布置的机械夹爪，所述旋转关节、伸缩关节、机械夹爪的控制端与控制模块相连。

可选地，所述机械臂夹爪的末端套设有橡胶套或硅胶套。

此外，本发明还提供一种前述具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的应用方法，其特征在于，包括：当爬杆作业机器人在沿着杆柱向上或向下移动时，若遇到杆柱的直径发生变化，则首先通过一对伸缩顶紧组件顶住杆柱，然后控制载物平台上的滑轨机构将主控机箱沿着滑轨机构的滑动方向移动以维持爬杆作业机器人的平衡，然后再松开一对伸缩顶紧组件继续沿着杆柱向上或向下移动。

可选地，所述控制载物平台上的滑轨机构将主控机箱沿着滑轨机构的滑动方向移动时，主控机箱与杆柱之间的距离l₂、杆柱的直径之间满足下述函数表达式：

上式中，μ为摩擦系数，λ为安全系数，l₁为爬杆机构上一对行走轮组件之间的距离。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明包括相互连接的载物平台和爬杆机构，载物平台上设有主控机箱，主控机箱内设有控制模块，主控机箱上设有用于执行接地线挂接的机械臂模块，爬杆机构、机械臂模块的控制端分别与控制模块相连。本发明结构紧凑、操作方便，既能隔离作业人员与带电设备，确保作业人员的人身安全，杜绝了人工攀爬杆柱和人工停电检修存在的安全问题，又能提高接地工作效率，减少作业人员工作量和工作强度。

2、本发明载物平台水平布置，爬杆机构倾斜布置使得爬杆机构靠载物平台的一端位置低于远离载物平台的一端的位置，利用载物平台以及主控机箱的自重作为爬杆机构一侧力臂的配重形成杠杆式机构，使得主控机箱以及机械臂模块具有更大的操作距离以便于执行接地线挂接作业，且能够使得爬杆机构牢固地制成在杆柱上，可有效地简化爬杆机构的结构。

附图说明

图1为本发明实施例中机器人的侧视结构示意图。

图2为本发明实施例中爬杆机构的俯视结构示意图。

图3为本发明实施例中机器人的受力分析示意图。

图例说明：1、载物平台；11、滑轨机构；2、爬杆机构；21、框体；22、行走轮组件；23、伸缩顶紧组件；3、主控机箱；4、机械臂模块；41、第一机械臂；42、旋转关节；43、第二机械臂；44、伸缩关节；45、夹爪座；46、机械夹爪。

具体实施方式

如图1所示，本实施例具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人包括相互连接的载物平台1和爬杆机构2，载物平台1水平布置，爬杆机构2倾斜布置使得爬杆机构2靠载物平台1的一端位置低于远离载物平台1的一端的位置，载物平台1上设有主控机箱3，主控机箱3内设有控制模块，主控机箱3上设有用于执行接地线挂接的机械臂模块4，爬杆机构2、机械臂模块4的控制端分别与控制模块相连。载物平台1用于实现载物(主控机箱3)，爬杆机构2用于将机器人行走到达指定作业位置，机械臂模块4设于机器人外部用于接地线挂接作业。本实施例具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人结构紧凑、操作方便，既能隔离作业人员与带电设备，确保作业人员的人身安全，杜绝了人工攀爬杆柱和人工停电检修存在的安全问题，又能提高接地工作效率，减少作业人员工作量和工作强度。本实施例具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人利用载物平台以及主控机箱的自重作为爬杆机构一侧力臂的配重形成杠杆式机构，使得主控机箱以及机械臂模块具有更大的操作距离以便于执行接地线挂接作业，且能够使得爬杆机构牢固地制成在杆柱上，可有效地简化爬杆机构的结构。

为了进一步提升机械臂模块4的作业范围，参见图1，本实施例中载物平台1上设有沿载物平台1长度方向布置的滑轨机构11，主控机箱3安装固定在滑轨机构11上，滑轨机构11的驱动控制端与控制模块相连因此可控制主控机箱3带着机械臂模块4沿着滑轨机构11的长度方向滑动，从而使得机械臂模块4具有更大的作业范围。而且，可通过移动主控机箱3改变力臂大小，使得机器人适应不同杆径保持平衡上线。

作为一种可选的实施方式，本实施例中滑轨机构11包括导轨、丝杆、滑块、步进电机和锁紧机构(图中未绘出)，导轨和丝杆传动机构安装固定在载物平台1上，滑块通过滑轮滑动布置在导轨中且与丝杆活动连接，丝杆通过传动机构与步进电机的输出轴传动连接，锁紧机构安装在导轨或滑块上以用于实现导轨、滑块之间的锁紧和解锁，步进电机的控制端与控制模块相连，从而可驱动主控机箱3带着机械臂模块4沿着导轨的长度方向滑动，从而使得机械臂模块4具有更大的作业范围，并可以使得机器人适应不同杆径保持平衡上线。此外，滑轨机构11也可以直接采用直线电机。步进电机控制使主控机箱3移动位置更为精确，机器人整体受力稳定性更好。

如图2所示，本实施例中爬杆机构2包括拼接连接的框体21，框体21靠载物平台1的一端、远离载物平台1的一端分别安装有一个行走轮组件22，行走轮组件22包括一对间隙布置的滚轮，框体21上还设有用于驱动行走轮组件22的滚轮转动的行走驱动机构，行走驱动机构包括驱动电机和减速机，驱动电机的输出轴通过减速机减速后再通过传动机构与行走轮组件22的滚轮传动连接，驱动电机的控制端与控制模块相连，通过上述结构设计，使得爬杆机构2具有足够的爬杆运动能力，兼顾轻质化和小型化的特点。本实施例中主控机箱3不超过20KG，一对行走轮组件22之间相隔距离不超过0.5米。

为了进一步提升爬杆机构2的可靠性，如图2所示，框体21的内侧分别设有一对伸缩顶紧组件23，一对伸缩顶紧组件23之间相对布置，且一对伸缩顶紧组件23的连线与一对行走轮组件22的连线之间相互垂直布置，通过伸缩顶紧组件23可进一步实现对杆柱的固定。

作为一种可选的实施方式，本实施例中伸缩顶紧组件23包括顶紧电机、涡轮蜗杆组件、顶杆以及锁紧螺母，顶紧电机固定安装在框体21上，顶紧电机的输出轴通过涡轮蜗杆组件与顶杆传动连接，顶杆安装在框体21的第一螺纹孔中且与第一螺纹孔螺纹配合，锁紧螺母安装在框体21的第二螺纹孔中上且端部插设布置于安装顶杆的第一螺纹孔中。此外，伸缩顶紧组件23也可以直接使用直线电机或其他具有伸缩功能的执行机构。

如图1所示，本实施例中机械臂模块4包括依次相连的第一机械臂41、旋转关节42、第二机械臂43、伸缩关节44以及夹爪座45，夹爪座45上设有三个间距布置的机械夹爪46，旋转关节42、伸缩关节44、机械夹爪46的控制端与控制模块相连。

如图1所示，本实施例中机械臂夹爪的末端套设有橡胶套或硅胶套，用于抓取引流线，通过机器人爬杆上线，将引流线挂入接地环，具有绝缘性好，安全可靠的优点。此外，机械臂夹爪的末端设有导电弹簧，当机器人脱离作业状态下降时挤压弹簧与安全装置接触，可将作业电流通过接地线导出。

本实施例中，机械臂模块4还包括雷达和摄像头，雷达和摄像头分别与控制模块相连，通过视觉与雷达感知，可快速识别定位接地环。

此外，本实施例还提供一种前述具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的应用方法，包括：当爬杆作业机器人在沿着杆柱向上或向下移动时，若遇到杆柱的直径发生变化，则首先通过一对伸缩顶紧组件23顶住杆柱，然后控制载物平台1上的滑轨机构将主控机箱3沿着滑轨机构的滑动方向移动以维持爬杆作业机器人的平衡，然后再松开一对伸缩顶紧组件23继续沿着杆柱向上或向下移动。

本实施例中，控制载物平台1上的滑轨机构将主控机箱3沿着滑轨机构的滑动方向移动时，主控机箱3与杆柱之间的距离l₂、杆柱的直径之间满足下述函数表达式：

上式中，μ为摩擦系数，λ为安全系数，l₁为爬杆机构2上一对行走轮组件22之间的距离。上式推导过程如下：(1)确保接地线挂接机器人上线时摩擦力大于重力，实现机器人在杆柱上自锁，满足关系：

自锁条件：

上式中，f为摩擦力，m为质量，g为重力加速度。

(2)满足摩擦力要求的关键是行走轮组件22支持力的大小。如图3所示，以靠杆柱下方的行走轮组件22(图中标识为B)为参考进行受力分析，满足关系：

/>

上式中，M_B为靠杆柱下方的行走轮组件22总的受力，f₁,f₂分别为靠杆柱上方的行走轮组件22(图中标识为A)、靠杆柱下方的行走轮组件22(图中标识为B)的摩擦力，m为质量，g为重力加速度，l₁为爬杆机构2上一对行走轮组件22之间的距离，l₂为主控机箱3与杆柱之间的距离，θ为爬杆机构2的倾角，F_N为行走轮组件22所受支持力，d为杆柱的直径，μ为摩擦系数。

(3)计算得出行走轮支持力：

代入自锁条件可得出：

上式中，μ为摩擦系数，λ为安全系数，l₁为爬杆机构2上一对行走轮组件22之间的距离。杆柱的直径d具有确定的范围且一般杆柱的杆径变化范围不大，通过已得出的主控机箱3与杆柱之间的距离l₂与杆柱的直径d的关系确定滑轨可移动范围。控制滑轨机构11的移动改变主控机箱3与杆柱之间的距离l₂值，可以适应杆柱直径变化，同时可以满足自锁条件，解决了接地线挂接机器人的平衡问题。

本实施例中具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的工作过程如下：S1)本实施例中具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人(简称机器人)在杆柱下方开始爬杆作业。控制人员发出上升指令，此时行走电机转动带动行走轮组件22转动，向上移动。遇到特殊情况，伸缩顶紧组件23顶住杆柱维持机器人平衡。S2)机器人移动至杆柱直径变小的位置时，通过载物平台1上滑轨机构11的移动，保持机器人上线平衡。S3)当机器人接近至作业目标位置后，控制人员发出停止指令，电机停止转动，爬杆机构2关闭。S4)到达作业目标位置后，控制人员通过上位机发布控制指令，控制机械臂模块4的伸缩关节44伸长，控制旋转关节42调整夹爪角度，并实现接地线穿过接地环。机械夹爪若尚未达到合适作业点，此时控制人员继续控制旋转关节42进一步上下转动微调，以此来保证作业位置的精准。S5)接地线挂接作业完成后，由控制人员通过上位机发出下降指令，控制机器人从杆柱下降至地面，然后由控制人员关闭机器人电源。

综上所述，本实施例提供了一种具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人，主要通过丝杆螺母传动、机器人本身自重、夹紧结构、顶紧结构等方式施加力，使轮子与管道夹紧产生轴向的摩擦力从而可以让机器人在管道上夹持，爬杆机构2的驱动采用大扭矩电机，给机器人攀爬时提供动力，因此轮式爬杆机器人拥有良好的负载能力。针对本实施例具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人通过力学分析，能够适应杆径变化稳定爬杆并进行接地线挂接作业。本实施例具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人提升了接地线挂接的效率，能够确保作业人员的人身安全，降低了劳动强度，且提高了作业的安全性。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的应用方法，其特征在于，包括相互连接的载物平台(1)和爬杆机构(2)，所述载物平台(1)水平布置，所述爬杆机构(2)倾斜布置使得爬杆机构(2)靠载物平台(1)的一端位置低于远离载物平台(1)的一端的位置以利用载物平台(1)以及主控机箱(3)的自重作为爬杆机构(2)一侧力臂的配重形成杠杆式机构，所述载物平台(1)上设有主控机箱(3)，所述主控机箱(3)内设有控制模块，所述主控机箱(3)上设有用于执行接地线挂接的机械臂模块(4)，所述爬杆机构(2)、机械臂模块(4)的控制端分别与控制模块相连，所述爬杆机构(2)包括拼接连接的框体(21)，所述框体(21)靠载物平台(1)的一端、远离载物平台(1)的一端分别安装有一个行走轮组件(22)；所述框体(21)的内侧分别设有一对伸缩顶紧组件(23)，一对伸缩顶紧组件(23)之间相对布置，且一对伸缩顶紧组件(23)的连线与一对行走轮组件(22)的连线之间相互垂直布置；当爬杆作业机器人在沿着杆柱向上或向下移动时，若遇到杆柱的直径发生变化，则首先通过一对伸缩顶紧组件(23)顶住杆柱，然后控制载物平台(1)上的滑轨机构将主控机箱(3)沿着滑轨机构的滑动方向移动以维持爬杆作业机器人的平衡，然后再松开一对伸缩顶紧组件(23)继续沿着杆柱向上或向下移动。

2.根据权利要求1所述的具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的应用方法，其特征在于，所述载物平台(1)上设有沿载物平台(1)长度方向布置的滑轨机构(11)，所述主控机箱(3)安装固定在所述滑轨机构(11)上，所述滑轨机构(11)的驱动控制端与控制模块相连。

3.根据权利要求2所述的具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的应用方法，其特征在于，所述滑轨机构(11)包括导轨、丝杆、滑块、步进电机和锁紧机构，所述导轨和丝杆传动机构安装固定在载物平台(1)上，所述滑块通过滑轮滑动布置在导轨中且与丝杆活动连接，所述丝杆通过传动机构与步进电机的输出轴传动连接，所述锁紧机构安装在导轨或滑块上以用于实现导轨、滑块之间的锁紧和解锁，所述步进电机的控制端与控制模块相连。

4.根据权利要求3所述的具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的应用方法，其特征在于，所述行走轮组件(22)包括一对间隙布置的滚轮，所述框体(21)上还设有用于驱动行走轮组件(22)的滚轮转动的行走驱动机构，所述行走驱动机构包括驱动电机和减速机，所述驱动电机的输出轴通过减速机减速后再通过传动机构与行走轮组件(22)的滚轮传动连接，所述驱动电机的控制端与控制模块相连。

5.根据权利要求4所述的具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的应用方法，其特征在于，所述伸缩顶紧组件(23)包括顶紧电机、涡轮蜗杆组件、顶杆以及锁紧螺母，所述顶紧电机固定安装在框体(21)上，所述顶紧电机的输出轴通过涡轮蜗杆组件与顶杆传动连接，所述顶杆安装在框体(21)的第一螺纹孔中且与第一螺纹孔螺纹配合，所述锁紧螺母安装在框体(21)的第二螺纹孔中上且端部插设布置于安装顶杆的第一螺纹孔中。

6.根据权利要求5所述的具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的应用方法，其特征在于，所述机械臂模块(4)包括依次相连的第一机械臂(41)、旋转关节(42)、第二机械臂(43)、伸缩关节(44)以及夹爪座(45)，所述夹爪座(45)上设有三个间距布置的机械夹爪(46)，所述旋转关节(42)、伸缩关节(44)、机械夹爪(46)的控制端与控制模块相连。

7.根据权利要求6所述的具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的应用方法，其特征在于，所述机械夹爪(46)的末端套设有橡胶套或硅胶套。

8.根据权利要求1所述的具有接地线挂接功能的爬杆作业机器人的应用方法，其特征在于，所述控制载物平台(1)上的滑轨机构将主控机箱(3)沿着滑轨机构的滑动方向移动时，主控机箱(3)与杆柱之间的距离l₂、杆柱的直径之间满足下述函数表达式：

上式中，μ为摩擦系数，λ为安全系数，l₁为爬杆机构(2)上一对行走轮组件(22)之间的距离。

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