CN113895536B - 一种仿生爬塔机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生爬塔机器人，主要包括主控机体模块和夹紧移动结构模块；主控机体模块的两端分别通过弹性万向节连接一个夹紧移动机构模块，两夹紧移动机构模块可交替锁紧和松开铁塔的防坠轨道，通过主控机体模块交替将其上端的夹紧移动机构模块往上推、将其下端的夹紧移动机构模块往上拉，来实现机器人沿防坠轨道的爬升。可在作业开始时携带绳索攀爬上塔，到指定位置固定好后，为后续作业开展提供一个可靠的承力点，依靠此承力点，可根据作业需求，结合相应装置实现搭载作业人员、作业工具、相关金具等目的；可在极端天气输电线路杆塔故障时，无法进行人工爬塔巡视和无人机巡视时，通过本机器人搭载相关检测装置上塔对故障点进行巡视和检测。
Description
技术领域
本发明属于输电线路登塔检修作业领域，具体为一种仿生爬塔机器人。
背景技术
登塔是电网检修安全管控的关键环节和基础性工作，徒手登塔面临以下症结：
（1）爬塔中的高空坠落没有得到杜绝，一直是电力工作的痛点；
（2）攀登100米的铁塔所消耗的体力相当于不停歇爬50层的高楼，大量体力消耗将增加持续作业安全风险；
（3）借助着力点小、间距大的脚钉进行垂直登塔十分困难。并且输电线路检修任务也随着近年来电网规模的增加而加剧，对人员素质、安全管控、工作效率提出了更高要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能沿铁塔防坠轨道模拟作业人员自动爬升的仿生爬塔机器人。
本发明提供的这种仿生爬塔机器人，主要包括主控机体模块和夹紧移动机构模块；主控机体模块的两端分别通过弹性万向节连接一个夹紧移动机构模块，两夹紧移动机构模块可交替锁紧和松开铁塔的防坠轨道，通过主控机体模块交替将其上端的夹紧移动机构模块往上推、将其下端的夹紧移动机构模块往上拉，来实现机器人沿防坠轨道的爬升。
上述技术方案的一种实施方式中，所述主控机体模块包括机壳、主电机、主动齿轮、从动齿轮、转轴、可伸缩丝杆、丝杆套座和卡板座；主电机的输出轴通过主动齿轮，从动齿轮与主动齿轮上下啮合布置，从动齿轮固定于转轴的中部，转轴为空心轴；可伸缩丝杆包括套置的大径丝杆和小径丝杆，大径丝杆和小径丝杆外壁分别设置有轴向通槽；大径丝杆和小径丝杆上分别连接丝杆套座，且两丝杆套座的螺纹旋向相反；两丝杆套座的内端分别与转轴两端连接、外端分别连接卡板座，两卡板座上分别有插入大径丝杆和小径丝杆上轴向通槽中的卡板；两卡板座之间设置四周封闭的机壳，机壳上固定有电源。
上述技术方案的一种实施方式中，两卡板座之间连接有导向杆。
上述技术方案的一种实施方式中，所述夹紧移动机构模块包括舵机、齿轮副、牵引摆杆、凸轮压紧块、夹紧移动座、压紧轮和侧定位轮；舵机安装于夹紧移动座的宽度方向一侧，齿轮副的主动齿轮固定于舵机的输出轴上、从动齿轮的轮轴垂直穿过夹紧移动座的宽度方向中部，且穿过段为扁轴段，扁轴段上连接凸轮压紧块和牵引摆杆，凸轮压紧块嵌于牵引摆杆上的槽口中，牵引摆杆的铰接段外壁为设置有圆柱齿的圆弧形；压紧轮安装于夹紧移动座的宽度方向中部外端，侧定位轮对称连接于夹紧移动座的宽度方向两侧。
上述技术方案的一种实施方式中，所述齿轮副的主动齿轮啮合有垂直于从动齿轮轮轴的齿条，齿条嵌装于夹紧移动座的舵机安装侧，齿条上侧设置有定位片，夹紧移动座上对应齿条嵌装槽的顶面固定有定位板移动的导向槽板。
上述技术方案的一种实施方式中，所述夹紧移动座上对应定位片的行程槽两端分别固定有位置传感器。
上述技术方案的一种实施方式中，所述夹紧移动座上对应牵引摆杆的杆臂处固定有电磁锁扣。
上述技术方案的一种实施方式中，所述主控机体模块上端连接的夹紧移动机构模块的牵引摆杆的杆臂末端铰接有挂线滑车。
上述技术方案的一种实施方式中，所述主控机体模块通过的两端分别大径丝杆和小径丝杆连接所述弹性万向节，所述夹紧移动机构模块通过夹紧移动座连接弹性万向节。
上述技术方案的一种实施方式中，所述主控机体模块还包括定位方销杆和位置传感器，两卡板座的同侧分别安装一个位置传感器，两夹紧移动座的弹性万向接连接端在位置传感器的同侧分别连接一根定位方销杆，定位方销杆的另一端穿过卡板座，且定位方销杆上固定有上部、中部、下部三块磁铁片。
本机器人的工作原理如下：通过主控机体模块负责机器人控制、动力提供、机器人运动；主控机体模块上下端的夹紧移动机构模块可锁紧防坠轨道，通过夹紧移动机构模块的交替闭锁，配合主控机体模块可伸缩丝杆的交替伸缩来实现沿防坠轨道的爬升：主控机体模块先将其上端的夹紧移动机构模块向上推一个设定行程并锁紧防坠轨道，然后将其下端的夹紧移动机构模块往上拉一个设定行程，模仿人的爬塔运动。弹性万向节作为连接件可靠连接夹紧移动机构和主控机体，能有效减震和控制夹紧移动机构的方向，防止移动过程中夹紧移动机构向两边偏移过多影响机器人运动，实现机器人柔顺攀爬。上端夹紧移动机构模块的牵引摆杆与挂线滑车跟绳索配合使用，为人员或物体提供后备保护，下端夹紧移动机构模块的牵引摆杆配合绳索使用，可依靠相关装置提升人员或物体；主控机体模块和夹紧移动机构模块之间的位置传感器控制机器人的单位行程运动量，防止丝杆出现脱丝现象，保证机器人的稳定运动。本机器人可在作业开始时携带绳索攀爬上塔，到指定位置固定好后，为后续作业开展提供一个可靠的承力点，依靠此承力点，可根据作业需求，结合相应装置实现搭载作业人员、作业工具、相关金具等目的；可在极端天气输电线路杆塔故障时，无法进行人工爬塔巡视和无人机巡视时，可以通过此机器人搭载相关检测装置上塔对故障点进行巡视和检测。
附图说明
图1为本发明一个实施例安装于铁塔防坠轨道上的轴测结构示意图。
图2为本实施例去掉机壳和电源后的放大示意图。
图3为图2中可伸缩丝杆、丝杆套座、卡板座和弹性万向节的装配结构放大示意图。
图4为图2中主控机体模块下方夹紧移动机构模块的放大结构示意图。
图5为图4去掉舵机罩壳后的结构示意图。
图6为图4的左视结构示意图。
图7为图4去掉舵机后的右视示意图。
图8为齿轮副、凸轮压紧块、牵引摆杆及齿条的装配结构示意图。
具体实施方式
结合图1至图8可以看出，本实施例公开的这种仿生爬塔机器人，包括主要包括主控机体模块A和夹紧移动机构模块B，主控机体模块A的两端分别通过弹性万向节C连接一个夹紧移动机构模块B。
主控机体模块A包括机壳、主电机、主动齿轮、从动齿轮、转轴、可伸缩丝杆、丝杆套座和卡板座；
主电机A1采用伺服电机，其输出轴通过联轴器连接主动齿轮A2，从动齿轮A3啮合于主动齿轮的正下方，从动齿轮A3固定于转轴A4的中部，转轴为空心轴。
可伸缩丝杆包括套置的大径丝杆A5和小径丝杆A6，大径丝杆和小径丝杆外壁分别设置有轴向通槽ZXTC。
大径丝杆A5和小径丝杆A6上分别连接有丝杆套座SGTZ，且两丝杆套座的螺纹旋向相反。
两丝杆套座的内端分别与转轴A4两端连接、外端分别连接有卡板座KBZ，两卡板座上分别有插入大径丝杆A5和小径丝杆A6上轴向通槽中的卡板。
两卡板座之间连接有导向杆DXG。
两卡板座KBZ之间设置四周封闭的机壳，机壳上固定有电源DY。
主控机体模块作为机器人的运动模块，其工作原理如下：
主电机工作，使主动齿轮通过从动齿轮带动转轴转动，转轴带动其两端连接的丝杆套座转动，可伸缩丝杆的大径丝杆和小径丝杆的外壁均设置有轴向通槽，丝杆套座分别连接有卡板座，卡板座有插入相应丝杆外壁轴向通槽中的卡板，所以使大径丝杆和小径丝杆均无法转动，只能沿转轴轴向移动，且两丝杆套的螺纹旋向相反，从而实现可伸缩丝杆的总长度变化。通过可伸缩丝杆的总长度变化即可实现机器人的爬升运动。可伸缩丝杆同心套置的大径丝杆和小径丝杆可最大程度的减小机器人的长度，但能保证爬升步距。
为了防止大径丝杆和小径丝杆之间的脱位，主控机体模块还配置有位置感应模块，位置感应模块包括位置传感器CGQ、定位方销杆FZG和磁铁片CTP，两卡板座的同侧分别安装一个位置传感器，两夹紧移动座的弹性万向接连接端在位置传感器的同侧分别连接一根定位方销杆，定位方销杆的另一端穿过卡板座，且定位方销杆上固定有上部、中部、下部三块固定于磁铁片。可伸缩丝杆伸缩时会带动定位方销杆一起移动，当位置传感器感应到磁铁片时会发出信号时，改变主电机的转动方向，从而实现可伸缩丝杆在三块磁铁片的行程内往复运动，实现机器人的攀爬运动而不会出现脱丝现象。主控机体模块上方的定位方销杆上中部磁铁片与其上方磁铁片之间的距离约为与其下方磁铁片之间的距离的一半。主控机体模块下方的定位方销杆与上方的方销杆对称布置，即下方方销杆上中部磁铁片与其下方磁铁片之间的间距约为与其上方磁铁片之间的一半。
可伸缩丝杆的两端分别连接弹性万向节C。
弹性万向节C包括两个柱状的U形头C1和弹簧C2，两U形头相互铰接，U形头的主体外壁设置有挡环，弹簧套于两挡环之间。
弹性万向节C作为连接件可靠连接夹紧移动机构模块和主控机体模块，其弹簧构件能有效减震和控制夹紧移动机构模块的方向，防止移动过程中夹紧移动机构模块向两边偏移过多影响机器人运动，实现机器人柔顺攀爬。
结合图1、图2和图4至图8可以看出，夹紧移动机构模块B包括舵机、夹紧移动座、齿轮副、牵引摆杆、凸轮压紧块、压紧轮和侧定位轮。
舵机B1安装于夹紧移动座B2的宽度方向一侧。
齿轮副B3的主动齿轮固定于舵机的输出轴上、从动齿轮的轮轴垂直穿过夹紧移动座B2的宽度方向中部，且穿过段为扁轴段。
扁轴段上连接凸轮压紧块B4和牵引摆杆B5，凸轮压紧块B4嵌于牵引摆杆B5上的槽口中。
牵引摆杆B5的铰接段外壁为设置有圆柱齿的圆弧形。
压紧轮B6安装于夹紧移动座B2的宽度方向中部两端，侧定位轮B7对称连接于夹紧移动座B2的宽度方向两侧。
齿轮副B3的主动齿轮上方啮合有垂直于从动齿轮轮轴的齿条B8，齿条嵌装于夹紧移动座B2的舵机安装侧，齿条上侧设置有定位片B81，夹紧移动座B2上对应齿条嵌装槽的顶面固定有定位片B81移动的导向槽板B21。
夹紧移动座B2上对应定位片B81的行程槽两端分别固定有位置传感器CGQ。
夹紧移动座B2上对应牵引摆杆B5的杆臂处固定有电磁锁扣DCK。
主控机体模块A上端连接的夹紧移动机构模块B的牵引摆杆B5的杆臂末端铰接有后背保护绳挂线滑车D。
夹紧移动机构模块的主要功能为锁紧防坠轨道，通过主控机体模块的可伸缩丝杆的伸缩配合两个夹紧移动机构模块对防坠轨道的交替闭锁，实现机器人沿防坠轨道FZGD的爬升。
两夹紧移动机构模块的舵机、齿轮副及其从动齿轮的扁轴段上连接的凸轮压紧块组成轨道锁紧模块，主要功能为锁紧防坠轨道，放置机器人从防坠轨道上坠落。
牵引摆杆和电磁扣组成挂物模块，主要功能为牵引绳索，并在机器人到达指定位置后通过此模块承力拉升人员或物体。
位置传感器和定位片组成位置感知模块，主要功能为感知锁紧模块的状态，保证其可靠闭锁，防止运动时闭锁不到位发生机器人坠落的现象。
夹紧移动座、压紧轮、侧定位轮组成移动模块，主要功能为卡在防坠轨道上进行移动，相当于机器人的“脚”。
锁紧模块的动力由舵机提供，舵机带动齿轮副转动，齿轮副带动扁轴转动，从而控制凸轮压紧块的状态，凸轮压紧块在接触到防坠轨道时，一受力就会越压越紧，因此通过改变凸轮压紧块的位置就能实现夹紧移动机构的锁紧功能。
挂物模块中牵引摆杆用于挂载绳索，并且机器人在到达指定位置后，可以作为承力点来搭载人员或物品上升，其原理与凸轮压紧块相似，一旦与防坠轨道接触，受力就会越压越紧；为了避免在作业完成后牵引摆杆无法解除受力状态，回到初始状态，特在凸轮压紧块上设计了一处凹槽，与牵引摆杆上的横杆相契合，作业完成后，舵机控制凸轮压紧块回位时，会把牵引摆杆也一同带回原位。电磁锁扣通过电磁铁控制，在到达指定位置后松开，把牵引摆杆放下受力，在机器人爬升过程中，限制牵引摆杆下坠与防坠轨道进行接触受力，影响机器人的运动。
位置感知模块由两个位置传感器和定位片组成，齿轮副在带动凸轮压紧块转动时，会同步带动定位片移动，在位置传感器感应到定位片时，会停止舵机的旋转，因此通过位置传感器给凸轮压紧块设置了初始位置和作业位置两个限定量，控制夹紧移动机构的闭锁状态。
移动模块主要功能是控制机器人在防坠轨道上的状态，保证机器人与防坠轨道贴合，从而保证夹紧移动机构能够起到可靠闭锁的功能。
本机器人的安装及爬塔过程如下：
（1）将杆塔上的两端的夹紧移动机构模块安装于防坠轨道上，并使两模块的轨道锁紧模块都进入闭锁状态，然后控制机器人上端夹紧移动机构模块的舵机工作，驱动轨道锁紧模块的凸轮压紧块松开防坠轨道，机器人下端的轨道锁紧模块保持锁紧防坠轨道。
此时主控机体模块处于初始状态：可伸缩丝杆处于收缩状态，上端卡板座上的位置传感器对应定位方销杆最上面磁铁片的位置，下端卡板座上的位置传感器对应定位方销杆上最下面磁铁片的位置。
（2）开始爬升时，主控机体模块的主电机工作，使可伸缩丝杆的大径丝杆向上伸出推动其上端的夹紧移动机构模块沿防坠轨道上移。
（3）当主控机体模块的位置传感器感应到定位方销杆上最下面的磁铁片时，主电机停止工作，上端的轨道锁紧模块进入锁紧状态，夹紧移动机构锁紧防坠轨道。
（4）机器人下端夹紧移动机构模块的舵机工作，使轨道锁紧模块松开防坠轨道，上端的轨道锁紧模块保持锁紧防坠轨道。
（5）主控机体模块的主电机工作，可伸缩丝杆的小径丝杆收缩，将机器人下端的夹紧移动机构模块往上拉，待主控机体模块下端卡板座上的位置传感器感应到下端定位方销杆最下面的磁铁片时，主电机停止工作，至此机器人完成一次爬升。
如此往复，即可实现机器人在防坠轨道上的正常攀爬上升，整个爬升过程中。
当防坠轨道有拐弯的地方，机器人在爬升过程中转弯时，则卡板座上的位置传感器接收到中部磁铁片的信号时停止运动，形成一个更短的行程，以方便机器人安全进行转弯爬升。
Claims (6)
1.一种仿生爬塔机器人，其特征在于：它主要包括主控机体模块和夹紧移动机构模块；
主控机体模块的两端分别通过弹性万向节连接一个夹紧移动机构模块，两夹紧移动机构模块可交替锁紧和松开铁塔的防坠轨道，通过主控机体模块交替将其上端的夹紧移动机构模块往上推、将其下端的夹紧移动机构模块往上拉，来实现机器人沿防坠轨道的爬升；
所述主控机体模块包括机壳、主电机、主动齿轮、从动齿轮、转轴、可伸缩丝杆、丝杆套座和卡板座；主电机的输出轴通过主动齿轮，从动齿轮与主动齿轮上下啮合布置，从动齿轮固定于转轴的中部，转轴为空心轴；可伸缩丝杆包括套置的大径丝杆和小径丝杆，大径丝杆和小径丝杆外壁分别设置有轴向通槽；大径丝杆和小径丝杆上分别连接丝杆套座，且两丝杆套座的螺纹旋向相反；两丝杆套座的内端分别与转轴两端连接、外端分别连接卡板座，两卡板座上分别有插入大径丝杆和小径丝杆上轴向通槽中的卡板；两卡板座之间设置四周封闭的机壳，机壳上固定有电源；
所述夹紧移动机构模块包括舵机、齿轮副、牵引摆杆、凸轮压紧块、夹紧移动座、压紧轮和侧定位轮；舵机安装于夹紧移动座的宽度方向一侧，齿轮副的主动齿轮固定于舵机的输出轴上、从动齿轮的轮轴垂直穿过夹紧移动座的宽度方向中部，且穿过段为扁轴段，扁轴段上连接凸轮压紧块和牵引摆杆，凸轮压紧块嵌于牵引摆杆上的槽口中，牵引摆杆的铰接段外壁为设置有圆柱齿的圆弧形；压紧轮安装于夹紧移动座的宽度方向中部外端，侧定位轮对称连接于夹紧移动座的宽度方向两侧；
所述齿轮副的主动齿轮啮合有垂直于从动齿轮轮轴的齿条，齿条嵌装于夹紧移动座的舵机安装侧，齿条上侧设置有定位片，夹紧移动座上对应齿条嵌装槽的顶面固定有定位板移动的导向槽板；
所述夹紧移动座上对应定位片的行程槽两端分别固定有位置传感器。
2.如权利要求1所述的仿生爬塔机器人，其特征在于：两卡板座之间连接有导向杆。
3.如权利要求1所述的仿生爬塔机器人，其特征在于：所述夹紧移动座上对应牵引摆杆的杆臂处固定有电磁锁扣。
4.如权利要求1所述的仿生爬塔机器人，其特征在于：所述主控机体模块上端连接的夹紧移动机构模块的牵引摆杆的杆臂末端铰接有挂线滑车。
5.如权利要求1所述的仿生爬塔机器人，其特征在于：所述主控机体模块通过的两端分别通过大径丝杆和小径丝杆连接所述弹性万向节，所述夹紧移动机构模块通过夹紧移动座连接弹性万向节。
6.如权利要求5所述的仿生爬塔机器人，其特征在于：所述主控机体模块还包括定位方销杆和位置传感器，两卡板座的同侧分别安装一个位置传感器，两夹紧移动座的弹性万向节连接端在位置传感器的同侧分别连接一根定位方销杆，定位方销杆的另一端穿过卡板座，且定位方销杆上固定有上部、中部、下部三块磁铁片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 410004 398 new Shao Dong Road, Tianxin District, Changsha, Hunan Applicant after: STATE GRID HUNAN ELECTRIC POWER Co.,Ltd. Applicant after: Super high voltage transmission company of State Grid Hunan Electric Power Co.,Ltd. Applicant after: STATE GRID CORPORATION OF CHINA Address before: 410004 398 new Shao Dong Road, Tianxin District, Changsha, Hunan Applicant before: STATE GRID HUNAN ELECTRIC POWER Co.,Ltd. Applicant before: State Grid Hunan Electric Power Co.,Ltd. Power Transmission Overhaul Branch Applicant before: STATE GRID CORPORATION OF CHINA |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |