CN114012748B - 一种输电铁塔仿人攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种输电铁塔仿人攀爬机器人，包括两组同步带机构、两组伸缩调节机构、旋转机构和四个手爪机构，同步带机构包括同步带滑轨和同步带滑块，同步带滑块滑动设置在同步滑轨上，两同步带滑块之间通过旋转机构连接，实现伸缩调节纵向攀爬运动，所述伸缩调节机构能够带动所连接的手爪机构纵向移动，抓手机构实现对爬杆的抓紧与松开，所述手爪机构上安装有红外测距仪、光电开关和视觉摄像头，攀登机器人移动过程中通过红外测距仪来精准限位，以实现准确抓杆，同时人们可以通过视觉摄像头来观察攀爬机器人的整体运动状况，提高机器人对障碍物的检测精度。实现防坠装置安装的机械化和智能化，进一步提高工作人员操作的安全性。

Description

一种输电铁塔仿人攀爬机器人

技术领域

本发明涉及机械电子领域，具体涉及一种输电铁塔仿人攀爬机器人。

背景技术

目前输电杆塔防坠装置安装作业过程中，还处于人工手动安装操作状态，对于首登人员的人身安全有着较大威胁，同时也无法保证在各类恶劣的环境下，防坠装置的正确无误低安装，从而导致一定的安全隐患。因此，如何设计防坠装置安装辅助机器人，来实现作业人员免登杆安装杆塔临时防坠装置，是一个亟待解决的问题。本发明提出一种输电铁塔仿人攀爬机器人，解决高空作业人员意外坠挂安全施救问题，避免高坠人员的二次伤害，实现高空作业的安全防护装备水平及人员技能水平的全面提升。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种输电铁塔仿人攀爬机器人，为了实现防坠装置安装的机械化和智能化，进一步提高工作人员操作的安全性，攀爬机器人确保其能够在实际操作过程中能够顺利完成相关指令，协助作业人员实现免登杆安装杆塔临时防护装置，从而可以达到强化安全、节省人力物力的目的，结构新颖创造性高。

一种输电铁塔仿人攀爬机器人，所述攀爬机器人包括两组同步带机构、两组伸缩调节机构、旋转机构和四个手爪机构，两组同步带机构结构相同，所述同步带机构包括同步带滑轨和同步带滑块，同步带滑轨两端连接有同步轮座组件，同步带滑块滑动设置在同步滑轨上且同步带滑块通过旋转机构与另一组同步带机构的同步带滑块连接，两个同步带滑轨的上端均设置有一组伸缩调节机构，两组伸缩调节机构的外端均连接有一个手爪机构，另外两个手爪机构分别连接在两个同步带滑轨的下端，所述伸缩调节机构能够带动所连接的手爪机构纵向移动，同侧的两个手爪机构能够同步开合实现对爬杆的抓紧与松开且两侧的抓手机构的开合异步，所述手爪机构上设置有光电开关支架，所述光电开关支架上安装有红外测距仪、光电开关和视觉摄像头。

进一步地，所述同步带机构呈长方形块状，所述同步带机构还包括同步带步进电机和同步带，所述同步带步进电机通过电机座连接在同步带滑轨下端的同步轮座组件上，所述同步带一端与同步带滑块的一端连接、另一端绕过同步带滑轨两端的同步带轮座组件后与同步带滑块的另一端连接，同步带步进电机转动带动同步轮座组件和同步带运动，同步带滑块在同步带步进电机带动下纵向滑动，所述同步带滑块上设置有滑块连扳，两滑块连扳之间通过铝铰链连接。

进一步地，所述旋转机构包括旋转关节电机板、旋转步进电机、电机转块和电机支架，所述旋转关节电机板由左侧旋转关节电机板和右侧旋转关节电机板组成，所述左侧旋转关节电机板与右侧旋转关节电机板之间通过铰链铰接，两个同步滑块分别与左侧旋转关节电机板与右侧旋转关节电机板的外侧面固连，电机转块和电机支架分别固接在左侧旋转关节电机板与右侧旋转关节电机板的内侧面的下端，旋转不仅电机通过电机转块和电机支架与旋转关节电机板连接，旋转步进电机转动带动电机转块所连接的旋转关节电机板转动。

进一步地，所述伸缩调节机构包括推杆外辅助筒、推杆轴、推杆外壳体、推杆定位支撑块、推杆外定位支撑块和推杆内定位底板，所述推杆外壳体的外侧套有推杆外辅助筒，推杆外辅助筒的表面设置有辅助筒U形槽，推杆定位撑块的上半部分穿过辅助筒U形槽后卡接在推杆外辅助筒内，所述推杆外辅助筒下端与推杆内定位底板固连、上端通过推杆外定位支撑块与同步带滑轨固接，推杆轴连接在推杆外壳体内且可在推杆外辅助筒内伸缩滑动。

进一步地，四个手爪机构的形状为钳形，所述四个手爪机构由两个长臂手爪机构和两个短臂手爪机构组成，两个长臂手爪机构和两个短臂手爪机构分别同同步带滑轨侧布置。

进一步地，所述长臂手爪机构包括长臂爪部支撑板、长臂夹紧机构、长臂手爪步进电机和第一光电开关支架，长臂爪部支撑板后端通过螺栓固连到推杆外壳体或同步轮座组件上、前端通过法兰轴承与长臂夹紧机构连接，长臂手爪步进电机通过电机底板固连到长臂爪部支撑板上，所述第一光电开关支架安装在长臂夹紧机构侧面。

进一步地，所述长臂夹紧机构包括长手爪轴、长手爪螺杆、两个长手爪斜齿轮、联轴器、第一螺杆固定板和手爪手指，所述长手爪轴通过法兰轴承与长臂爪部支撑板的前端连接，长手爪螺杆前端安装第一螺杆固定板，由长臂手爪步进电机通过第一联轴器传动到长手爪螺杆，长手爪螺杆通过蜗轮蜗杆结构带动两个长手爪斜齿轮转动，进而带动手抓手指实现手爪手指的开合。

进一步地，所述短臂手爪包括短臂手爪电机底板、短臂手爪侧板、短臂夹紧机构、短臂手爪步进电机和第二光电开关支架，短臂手爪电机底板通过螺栓连到推杆外壳体或同步轮座组件上，两个短臂手爪侧板通过螺栓连接在短臂手爪电机底板上，所述短臂夹紧机构连接在两个短臂手爪侧板上，短臂夹紧机构包括短手爪轴、短手爪螺杆、短手爪斜齿轮、第二联轴器、第二螺杆固定板和短手爪手指，短手爪螺杆与短手爪斜齿轮配合，短臂手爪步进电机通过第二联轴器带动短手爪螺杆转动，短手爪螺杆通过蜗轮蜗杆结构带动短手爪斜齿轮转动，短手爪斜齿轮带动短手爪手指运动实现短手爪手指的开合。

进一步地，所述长臂手爪步进电机和短臂手爪步进电机均为蜗轮蜗杆电机。

有益效果：本发明中的攀爬机器人，通过设计全新的左右同步带结构、伸缩调节机构、旋转机构、长臂手爪、短臂手爪，并通过它们的配合移动，实现了机器人更稳定顺畅并且更安全的攀爬。

①对于防坠装置辅助安装机器人攀爬结构研究，基于仿生学原理，结合现代设计理论与方法，研究适合沿干字型塔脚钉攀爬的机器人攀爬机构，实现机器人沿杆塔安全稳定的攀爬。

②防坠装置辅助安装机器人辅助安装工具设计。采用关节机械臂的设计方法，研究适用于首登人员防坠装置安装的辅助安装工具，来实现作业人员完成防坠装置的安装。

③机器人控制系统及人工交互系统设计。该系统可以为整个系统提供远程控制及显示的平台，在实现免登杆安装防护装置过程中，通过人机交互系统可以控制机器人按照规定的动作运动，并能实现机器人位姿和安装现场信息监测，以便及时做出调整。

④在模拟输电杆塔及特高压输电线路实际杆塔进行首登人员防坠装置安装实验验证。该高压输电塔攀爬机器人，可以代替人工携带设备攀爬到高压输电塔高处完成相应的作业，将工人从攀爬高压输电塔的工作强度大、危险程度高的作业中解放出来。

附图说明

图1是输电铁塔仿人攀爬机器人装配体结构示意图；

图2是输电铁塔仿人攀爬机器人同步带结构示意图；

图3是旋转关节整体结构示意图；

图4是伸缩调节机构整体结构示意图；

图5是长臂手爪整体结构示意图；

图6是短臂手爪整体结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

下面结合附图对本发明进行详细说明：

结合图1至图6，一种输电铁塔仿人攀爬机器人，包括同步带结构1、伸缩调节结构2、旋转机构3、长臂手爪4、短臂手爪5。

同步带机构1有两组且两组同步带机构结构相同，所述同步带机构包括同步带滑轨11，同步带滑轨11的两端连有同步轮座组件12，同步带滑块13通过旋转机构3连接另一组同步带机构的同步带滑轨。伸缩调节机构2有两组，伸缩调节机构2设置在同步带滑轨11的上端，一个伸缩调节机构2的上端通过手爪板连接长臂手手爪4，另一个伸缩调节机头的上端通过手爪板连接短臂手爪。

同步带滑轨1呈长方形块状，同步轮座组件12通过螺栓连接在同步带滑轨1的两端，同步带步进电机14通过电机座15连接在同步带滑轨下端的同步轮座组件12上，步进电机转动可带动同步轮座组件和同步带运动。

同步带滑块13滑动连接在同步带滑轨11上，同步带滑块13在同步带步进电机14带动下可以上下运动。

旋转机构3包括两片铰接的旋转关节电机板31，旋转关节电机板31的外侧通过螺栓与同步带滑块13固连，右侧的旋转关节电机板的下部通过电机支架连接有旋转步进电机32，左侧的旋转关节电机板电机板通过电机转块33连接到旋转步进电机32和电机支架34上。

伸缩调节机构2包括推杆外辅助筒21、推杆轴22、推杆外壳体23，推杆外辅助筒21通过螺栓内连推杆外壳体23，推杆外壳体23连接推杆轴22。

推杆外辅助筒21的下端与推杆内定位底板24固连，另一端通过推杆外定位支撑块与同步带滑轨11固连；推杆轴22连接在推杆外壳体23内并且可在推杆外辅助筒21内伸缩滑动。

推杆外壳体23的外端套有推杆外辅助筒21，推杆外辅助筒21的表面设置有辅助筒U形槽211，推杆定位撑块的上半部分穿过辅助筒U形槽211后卡接在推杆外辅助筒21内，上端推杆外定位撑块通过螺栓固定连接到同步带滑轨11上。

长臂手爪4包括长臂爪部支撑板41、长臂夹紧机构42、长臂手爪步进电机43和第一光电开关支架44。

长臂爪部支撑板41后端通过螺栓固连到推杆外壳体23上，前端由法兰轴承与长手爪轴421连接，长臂手爪步进电机43通过电机底板固连到长臂爪部支撑板41上。

长臂夹紧机构42包括长手爪轴421、长手爪螺杆422、长手爪斜齿轮423、第一联轴器424、第一螺杆固定板425、手爪手指426。长手爪螺杆422前端安装第一螺杆固定板425，长手爪斜齿轮423与长手爪斜齿轮423配合，由长臂手爪步进电机43通过第一联轴器424传动到长手爪螺杆422，长手爪螺杆422通过蜗轮蜗杆结构带动长手爪斜齿轮423，从而带动手抓手指426，形成手爪的开合。

短臂手爪5包括短臂手爪电机底板51、短臂手爪侧板52、短臂夹紧机构53、第二光电开关支架54。短臂手爪电机底板51通过螺栓连到同步带滑轨11上，短臂手爪侧板52连接短臂夹紧机构53。短臂夹紧机构53包括短手爪轴531、短手爪螺杆532、短手爪斜齿轮533、第二联轴器534、第二螺杆固定板535、短手爪手指536。短手爪螺杆532前端安装第二螺杆固定板535，短手爪螺杆532与短手爪斜齿轮533配合，由短臂手爪步进电机55通过第二联轴器534传动到短手爪螺杆532，短手爪螺杆532通过蜗轮蜗杆结构带动短手爪斜齿轮533，从而带动手抓手指536，形成手爪的开合。

第一和第二光电开关支架上设置有红外测距仪、光电开关、视觉摄像头，同步带滑块通过旋转机构连接到同步带结构上，实现伸缩调节纵向攀爬运动，旋转机构带动四个手爪配合抓取爬杆。攀登机器人移动过程中通过红外测距仪来精准限位，以实现准确抓杆，同时人们可以通过视觉摄像头来观察攀爬机器人的整体运动状况，提高机器人对障碍物的检测精度。该输电铁塔仿人攀爬机器人能够代替人工进行输电铁塔的攀爬作业，大幅节约人力成本的同时能够将万千工作人员从高危的攀爬任务中解放出来，并为推进电力检修自动化起到实质性作用。

输电铁塔仿人攀爬机器人在进行攀爬工作时，工人将攀爬机器人放置在输电塔的爬杆上，高压输电塔的爬杆为钢制圆柱横杆，两杆面呈90度夹角。针对输电塔的杆件结构，本申请中设计了全新的爬塔机器人，该机器人包括同步带结构1、伸缩调节结构2、旋转机构3、长臂手爪4、短臂手爪5。

同步带机构1包括同步带滑轨11，同步带滑轨11的两端连有同步轮座组件12，同步带滑块13通过旋转机构3连接另一个同步带滑轨。伸缩调节机构2有两组，两组伸缩调节机构2设置在同步带滑轨11的上端，伸缩调节机构2的上端通过手爪板连接端部手爪4。

当该攀爬机器人攀爬时，通过两个长臂手爪4的夹紧力抓牢爬杆，通过同步带滑块13纵向上移，同时伸缩调节机构2的推杆轴22伸长，配合光电开关传感器定位，使得纵向移动攀爬时，短臂手爪5刚好达到下一个杆组位置，从而抓取杆件。

当短臂手爪与杆组抓紧后，长臂手爪与杆组分离，在同步带滑块的作用下，长臂手爪通过同步带滑块13继续纵向上移，同时伸缩调节机构2的推杆轴22伸长，配合光电开关传感器定位，使得纵向移动攀爬时，长臂手爪夹住爬杆，这样往复纵向运动，使得攀爬机器人能够代替人工进行输电铁塔的攀爬作业。

上述高压输电铁塔仿人攀爬机器人中，进一步优化了机器人的重量与体积，提高了攀爬时的工作效率。对机器人的机械结构优化，攀爬机器人已经基本实现了机器人的自主攀爬与越障能力。该发明主要是为了解决输电线路及铁塔检修困难的问题，将机器人技术应用到输电铁塔攀爬中来，有利于解决人工登塔的诸多弊端，如作业环境恶劣，人员需求量大，存在高空坠落风险等问题。采用机器人代替人工攀爬，还可以提高效率、节约成本、为工作人员提供安全舒适的工作空间，促进机器人技术的发展。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种输电铁塔仿人攀爬机器人，其特征在于，所述攀爬机器人包括两组同步带机构、两组伸缩调节机构、旋转机构和四个手爪机构，两组同步带机构结构相同，所述同步带机构包括同步带滑轨和同步带滑块，同步带滑轨两端连接有同步轮座组件，同步带滑块滑动设置在同步滑轨上且同步带滑块通过旋转机构与另一组同步带机构的同步带滑块连接，两个同步带滑轨的上端均设置有一组伸缩调节机构，两组伸缩调节机构的外端均连接有一个手爪机构，另外两个手爪机构分别连接在两个同步带滑轨的下端，所述伸缩调节机构能够带动所连接的手爪机构纵向移动，同侧的两个手爪机构能够同步开合实现对爬杆的抓紧与松开且两侧的抓手机构的开合异步，所述手爪机构上设置有光电开关支架，所述光电开关支架上安装有红外测距仪、光电开关和视觉摄像头；

所述伸缩调节机构包括推杆外辅助筒、推杆轴、推杆外壳体、推杆定位支撑块、推杆外定位支撑块和推杆内定位底板，所述推杆外壳体的外侧套有推杆外辅助筒，推杆外辅助筒的表面设置有辅助筒U形槽，推杆定位撑块的上半部分穿过辅助筒U形槽后卡接在推杆外辅助筒内，所述推杆外辅助筒下端与推杆内定位底板固连、上端通过推杆外定位支撑块与同步带滑轨固接，推杆轴连接在推杆外壳体内且可在推杆外辅助筒内伸缩滑动；

四个手爪机构的形状为钳形，所述四个手爪机构由两个长臂手爪机构和两个短臂手爪机构组成，两个长臂手爪机构和两个短臂手爪机构分别同侧设置且与同侧的同步带滑轨连接；

所述长臂手爪机构包括长臂爪部支撑板、长臂夹紧机构、长臂手爪步进电机和第一光电开关支架，长臂爪部支撑板后端通过螺栓固连到推杆外壳体或同步轮座组件上、前端通过法兰轴承与长臂夹紧机构连接，长臂手爪步进电机通过电机底板固连到长臂爪部支撑板上，所述第一光电开关支架安装在长臂夹紧机构侧面。

2.根据权利要求1所述的一种输电铁塔仿人攀爬机器人，其特征在于：所述同步带机构呈长方形块状，所述同步带机构还包括同步带步进电机和同步带，所述同步带步进电机通过电机座连接在同步带滑轨下端的同步轮座组件上，所述同步带一端与同步带滑块的一端连接、另一端绕过同步带滑轨两端的同步带轮座组件后与同步带滑块的另一端连接，同步带步进电机转动带动同步轮座组件和同步带运动，同步带滑块在同步带步进电机带动下纵向滑动，所述同步带滑块上设置有滑块连扳，两滑块连扳之间通过铝铰链连接。

3.根据权利要求1所述的一种输电铁塔仿人攀爬机器人，其特征在于：所述旋转机构包括旋转关节电机板、旋转步进电机、电机转块和电机支架，所述旋转关节电机板由左侧旋转关节电机板和右侧旋转关节电机板组成，所述左侧旋转关节电机板与右侧旋转关节电机板之间通过铰链铰接，两个同步滑块分别与左侧旋转关节电机板与右侧旋转关节电机板的外侧面固连，电机转块和电机支架分别固接在左侧旋转关节电机板与右侧旋转关节电机板的内侧面的下端，旋转步进电机通过电机转块和电机支架分别与左侧旋转关节电机板和右侧旋转关节电机板连接，旋转步进电机转动带动电机转块所连接的左侧旋转关节电机板转动。

4.根据权利要求1所述的一种输电铁塔仿人攀爬机器人，其特征在于：所述长臂夹紧机构包括长手爪轴、长手爪螺杆、两个长手爪斜齿轮、联轴器、第一螺杆固定板和手爪手指，所述长手爪轴通过法兰轴承与长臂爪部支撑板的前端连接，长手爪螺杆前端安装第一螺杆固定板，由长臂手爪步进电机通过第一联轴器传动到长手爪螺杆，长手爪螺杆通过蜗轮蜗杆结构带动两个长手爪斜齿轮转动，进而带动手抓手指实现手爪手指的开合。

5.根据权利要求1所述的一种输电铁塔仿人攀爬机器人，其特征在于：所述短臂手爪包括短臂手爪电机底板、短臂手爪侧板、短臂夹紧机构、短臂手爪步进电机和第二光电开关支架，短臂手爪电机底板通过螺栓连到推杆外壳体或同步轮座组件上，两个短臂手爪侧板通过螺栓连接在短臂手爪电机底板上，所述短臂夹紧机构连接在两个短臂手爪侧板上，短臂夹紧机构包括短手爪轴、短手爪螺杆、短手爪斜齿轮、第二联轴器、第二螺杆固定板和短手爪手指，短手爪螺杆与短手爪斜齿轮配合，短臂手爪步进电机通过第二联轴器带动短手爪螺杆转动，短手爪螺杆通过蜗轮蜗杆结构带动短手爪斜齿轮转动，短手爪斜齿轮带动短手爪手指运动实现短手爪手指的开合。

6.根据权利要求4或5所述的一种输电铁塔仿人攀爬机器人，其特征在于，所述长臂手爪步进电机和短臂手爪步进电机均为蜗轮蜗杆电机。

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