CN114655332A - 一种风力发电塔螺旋攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，所述机器人中心对称环抱风力发电塔外壁，经电机驱动摩擦轮在塔壁进行螺旋升降，其特征在于，包括环抱在风力发电塔外壁的框架以及对称式分布在框架上的四组角度调节机构、压紧机构和攀爬机构；所述角度调节机构，用于时刻调节螺旋轨迹的导程，在运行到锥度位置时，对称安装的四个压紧机构同步压紧，四个攀爬结构的转动压力杆自动转动适用锥面，保证有效接触力和同轴度。本发明设计新颖、规划合理，具有结构简易，操作方便，制造及实施成本低，且通用性强的优点，适合推广使用。

Description

一种风力发电塔螺旋攀爬机器人

技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，具体涉及一种风力发电塔螺旋攀爬机器人。

背景技术

风能为清洁能源，我国风力发电技术正处于稳步发展阶段。东部沿海和西部地区风力能源充足，风力能源的开发利用以及建设风力发电设备对推进可持续发展尤为重要。风力发电设备由于长期暴露在室外，环境条件复杂，暴露在外部的机构及易损坏，当使用到一定年限后，其外壳油漆脱落生锈。若不及时维修，锈蚀会进一步加深，严重影响风力发电塔后续使用寿命。目前维修手段依然是人工背着设备从高空悬吊在风力发电塔外壁维修和喷涂油漆，其工作效率低，有效喷涂面积极小，需数次多角度喷涂，危险系数高。

现有技术中涉及攀爬柱状结构的机器人所适用的柱状结构直径较小，所攀爬的柱体结构本身具有一定的刚度，所以在设计时不必考虑攀爬机器人对柱体结构的正压力是否会损坏柱体本身。

现有攀爬机器人所采用的攀爬方式多为垂直连续攀爬或垂直间歇攀爬。垂直攀爬的方式虽然可以搭载更多种不同功能的辅助机械臂，但对于风力发电塔攀爬机器人螺旋攀爬式机器人具有更大的有点：螺旋攀爬机器上升轨迹为螺旋线，所需的摩擦力显著小于直线攀爬式机器人，因此结构简单、重量轻，对于高空作业机器人极为有利。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，适用于风力发电塔等外壁光滑的大尺寸且具有锥度的柱状结构，可实现对风力发电塔等设备外部结构的维修保养，设计新颖、规划合理，具有结构简易，操作方便，制造及实施成本低，且通用性强的优点，适合推广使用。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，所述机器人中心对称环抱风力发电塔外壁，经电机驱动摩擦轮在塔壁进行螺旋升降，包括环抱在风力发电塔外壁的框架以及对称式分布在框架上的四组角度调节机构、压紧机构和攀爬机构；

所述角度调节机构，用于时刻调节螺旋轨迹的导程，在运行到锥度位置时，对称安装的四个压紧机构同步压紧，四个攀爬结构的转动压力杆自动转动适用锥面，保证有效接触力和同轴度；具体的：

所述角度调节机构通过二号电机驱动角度同步轴转动，调整升降螺距实现螺旋升降，同时通过压力杆自动转动保证螺距变化时攀爬机构的摩擦轮与风力发电塔外壁接触均匀；

所述压紧机构通过三号电机驱动丝杠和推力螺母来推动压紧杆前后移动，压紧杆通过弹簧压紧压力杆和转动压力杆，从而转动压力杆转动压紧风力发电塔外壁，使攀爬到锥度过度面时，平稳适用风力发电塔外壁的锥度；

所述攀爬机构通过一号电机驱动摩擦轮转动，利用传动件的自锁实现在风力发电塔外壁悬停。

进一步优选地，所述框架包括两个半圆弧结构，且半圆弧两端设置子母铰链，两个半圆弧结构首尾相接包住风力发电塔底部一圈。

进一步优选地，所述框架上下两侧均布置预留轨道，实现功能拓展。

进一步优选地，所述角度调节机构包括角度同步轴、压力杆、转动架、二号电机、二号蜗杆、二号蜗轮；

角度同步轴安装在框架上，角度同步轴在框架内侧一端连接压力杆，在框架外侧一端连接转动架，所述转动架的另一端连接在压紧轨道上，将转动架工作中的支反力传递给压紧轨道，改善角度同步轴受力，避免应力集中；

二号电机通过驱动二号蜗杆和二号蜗轮来调整角度同步轴转动至工作角度，实现在升降工作中调整升降螺距。

进一步优选地，所述压紧机构包括压紧轨道、三号电机、丝杠、推力螺母、压紧杆、弹簧、转动压力杆；

所述压紧轨道与转动架一端连接，转动架另一端连接在角度同步轴，工作时由压紧轨道承受压紧杆的反向压力；

所述三号电机安装在转动架上，与安装在转动架的丝杠连接并提供扭矩；丝杠螺母副机构安装在转动架上；

所述推力螺母安装在丝杠上沿丝杠前后移动，在工作中丝杠和推力螺母结构可实现压紧杆在工作过程中的自锁；

压紧杆与推力螺母固定连接同步移动，将压力传递给弹簧，在弹簧的另一端连接压力杆，弹簧伸缩保证适当的压紧力，不至于压力过大导致风力发电塔外部凹陷，具体的：

所述丝杠转动推力推力螺母来推动压紧杆，继而经弹簧压紧压力杆，转动压力杆相对压力杆转动，实现风力发电塔螺旋攀爬机工作中自动贴合风力发电塔外壁，工作中平稳越过风力发电塔壁锥面。

进一步优选地，所述攀爬机构包括中摩擦轮、一号电机、蜗杆、蜗轮；

所述摩擦轮安装在压力杆的连接轴上，通过压力杆自动转动保证螺距变化时攀爬机构的摩擦轮与风力发电塔外壁接触均匀；

所述连接轴上安装蜗杆、蜗轮蜗杆、蜗轮与一号电机连接；

所述一号电机固定在转动压力杆上，通过蜗杆、蜗轮驱动摩擦轮转动，实现摩擦轮正反转，爬升或下降，利用传动件的自锁实现在风力发电塔外壁悬停；

所述转动压力杆与压力杆之间相对转动来平衡由于不同螺距导致摩擦轮与风力发电机塔外壁接触不均，在爬升至锥度过渡位置时，可完美贴合锥面。

进一步优选地，所述二号电机驱动二号蜗杆、二号蜗轮控制转速，从而控制转动架的转向和自锁。

进一步优选地，所述攀爬机构包括两个对称安装在压力杆的连接轴上的摩擦轮。

本发明具有以下有益效果：

1)采用螺旋攀爬方式，攀爬所需要的转动力矩小，螺旋攀爬机器人结构简单可靠性高，可依靠结构件的机械自锁简化机器构造。

2)角度调节机构可以在工作过程中自由调节螺距大小。为螺距大小的调节可改善机器人的工作过程中的承载能力。

1)攀爬机构采用摩擦轮滚动方式，平稳越过风力发电塔接缝处；两组紧机构对称布置，提供可靠正压力，保证机器与风力发电塔具有良好的同轴度。

2)攀爬机构传动机构采用蜗轮蜗杆传动，可实现摩擦轮的自锁，结构简单小巧，稳定向高；

3)转动压力杆相对压力杆的转动，可在工作中自动保证螺距调整时摩擦轮和风力发电机塔壁接触面的有效贴合。有效自适用锥度工作面，保证螺旋攀爬机器人与风力发电塔的同轴度和正压力。

5)压紧机构的压紧力传动方式为丝杠螺母，丝杠螺母机构均具有自作性，为压紧机构提供稳定的压紧力；当机构运行到具有锥度的工作位置时，弹簧调节不能满足正压力大于摩擦力时，可通过压紧电机工作驱动推力螺母推动压紧杆压紧压力杆和转动压力杆；本发明所采用的环形框架结构和压紧机构可以完美适用于风力发电塔柱体结构直径尺寸较大，且刚度具有固定的极限值的结构特点；

6)框架上下两侧带有轨道可拓展机械臂等工作机构实现功能的拓展；可替代大部分原本人工完成的工作，提高工作效率，节约成本，保证的施工人员的安全；

7)风力发电塔螺旋攀爬机器人的结构多处采用自锁结构可以实现在风力发电塔任意位置停留，且不会掉落，安全性高。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的角度调节机构示意图；

图3是本发明压紧机构示意图；

图4是本发明攀爬机构示意图。

附图标记：1-轨道、2-框架、3-转动压力杆、4-轴、5-压力杆、6-摩擦轮、7-弹簧、8-推力螺母、9-压紧杆、10-机箱、11-三号电机、12-转动架、13-丝杠、14-一号电机、15-一号蜗杆、16-一号蜗轮、17-二号蜗杆、18-二号蜗轮、19-角度同步轴、20-二号电机、21-压紧轨道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参见图1-4，本发明一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，机器人中心对称环抱风力发电塔外壁，经电机驱动摩擦轮在塔壁进行螺旋升降，包括环抱在风力发电塔外壁的框架2以及对称式分布在框架2上的四组角度调节机构、压紧机构和攀爬机构；螺旋攀爬机器人在工作过程中，电机与各机构协调工作。

所述攀爬机器人还设置机箱10，用来防尘，防止异物进入。

所述角度调节机构，用于时刻调节螺旋轨迹的导程，在运行到锥度位置时，对称安装的四个压紧机构同步压紧，四个攀爬结构的转动压力杆3自动转动适用锥面，保证有效接触力和同轴度；具体的：

所述框架2包括两个半圆弧结构，且半圆弧两端设置子母铰链，两个半圆弧结构首尾相接包住风力发电塔底部一圈；

所述框架2上对称式分布四组角度调节机构、压紧机构和攀爬机构，受力效果显著。

所述框架2上下两侧均布置预留轨道1，可拓展机械臂等工作机构实现功能拓展。

如图2所示，所述角度调节机构通过二号电机20驱动角度同步轴19转动，调整升降螺距实现螺旋升降，通过压力杆5自动转动保证螺距变化时攀爬机构的摩擦轮6与风力发电塔外壁接触均匀；

具体的，所述角度调节机构包括角度同步轴19、压力杆5、转动架12、二号电机20、二号一号蜗杆7、二号一号蜗轮8；

角度同步轴19安装在框架2上，角度同步轴19在框架2内侧一端连接压力杆5，在框架2外侧一端连接转动架12；

二号电机20通过驱动二号一号蜗杆7和二号一号蜗轮8来调整角度同步轴19转动至合适工作角度，实现在升降工作中调整升降螺距。可保证角度调节机构可以同步转动，转动架12的另一端连接在压紧轨道21上，将转动架12工作中的支反力传递给压紧轨道21，改善角度同步轴19受力，避免应力集中。

所述转动架12和压力杆5分别连接在角度同步轴19两端，由二号电机20驱动，同步转动相同角度。

如图3所示，所述压紧机构通过三号电机11驱动丝杠13和推力螺母8来推动压紧杆9前后移动，压紧杆9通过弹簧7压紧压力杆5和转动压力杆3，从而转动压力杆3转动压紧风力发电塔外壁；

所述压紧机构还可调节风力发电塔螺旋攀爬机器人与风力发电塔同轴度，攀爬到锥度过度面时，压紧机构自动收紧，平稳适用风力发电塔外壁的锥度。

具体的，所述压紧机构包括压紧轨道21、三号电机11、丝杠13、推力螺母8、压紧杆9、弹簧7、转动压力杆3；

所述压紧轨道21与转动架12一端连接，转动架12另一端连接在角度同步轴19；即转动架12一端连接角度同步轴19，另一端连接在压紧轨道21，工作时由压紧轨道21承受压紧杆9的反向压力。

所述三号电机11安装在转动架12上，与安装在转动架12的丝杠13连接并提供扭矩；丝杠螺母副机构安装在转动架12上；

所述推力螺母8安装在丝杠13上沿丝杠13前后移动，在工作中丝杠13和推力螺母8结构可实现压紧杆9在工作过程中的自锁；

压紧杆9与推力螺母8固定连接同步移动，将压力传递给弹簧7，在弹簧7的另一端连接压力杆5，弹簧伸缩保证适当的压紧力，不至于压力过大导致风力发电塔外部凹陷，具体的：

所述丝杠13转动推力推力螺母8来推动压紧杆9，继而经弹簧7压紧压力杆5和转动压力杆3，从而转动压力杆3转动压紧风力发电塔外壁。即转动压力杆3相对压力杆5转动，实现风力发电塔螺旋攀爬机工作中自动贴合风力发电塔外壁，工作中平稳越过风力发电塔壁锥面。

所述压紧杆9，由丝杠13通过三号电机11驱动推力推力螺母8控制运动和自锁。弹簧7连接压紧杆9和压力杆5，调节压紧杆形成，防止压瘪风力发电机塔壁，适用风力发电机塔壁锥度。

如图4所示，所述攀爬机构通过一号电机14驱动摩擦轮6转动，利用传动件的自锁实现在风力发电塔外壁悬停。

具体的，所述攀爬机构包括中摩擦轮6、一号电机14、一号蜗杆15、一号蜗轮16；

所述摩擦轮6安装在压力杆5的连接轴4上，通过压力杆5自动转动保证螺距变化时攀爬机构的摩擦轮6与风力发电塔外壁接触均匀；

所述连接轴4上安装一号蜗杆15、一号蜗轮16一号蜗杆15、一号蜗轮16与一号电机14连接；

所述一号电机14固定在转动压力杆5上，通过一号蜗杆15、一号蜗轮16驱动摩擦轮6转动，实现摩擦轮6正反转，爬升或下降，利用传动件的自锁实现在风力发电塔外壁悬停；

所述转动压力杆3与压力杆5之间相对转动来平衡由于不同螺距导致摩擦轮6与风力发电机塔外壁接触不均，在爬升至锥度过渡位置时，可完美贴合锥面。

转动压力杆3将压紧力传递到攀爬机构中的摩擦轮6，以调节摩擦轮6与风力发电塔外壁的正压力大小，防止压瘪风力发电塔外壁。

所述二号电机20驱动二号蜗杆17、二号蜗轮18控制转速，从而控制转动架12的转向和自锁。

所述攀爬机构包括两个对称安装在压力杆5的连接轴4上的摩擦轮6。

本发明一种风力发电塔螺旋攀爬机器人的工作过程为：

如图1所示，一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，在工作时二号电机20驱动蜗杆二17和蜗轮二18依靠蜗轮蜗杆自锁原理调整角度同步轴19转动角度。在压紧机构中，三号电机11安装在转动架12上，与安装在转动架12的丝杠13连接并提供扭矩。丝杠13转动驱动推力螺母8推动压紧杆9经弹簧7压紧压力杆5和转动压力杆3，转动压力杆3转动压紧风力发电塔外壁。

在升降过程中，攀爬机构中的一号电机14固定在转动压力杆5上，一号电机14直接驱动蜗杆一16转动，通过蜗杆一16驱动蜗轮一17转动，蜗轮一17驱动与摩擦轮6转动，在风力发电塔外壁螺旋上升或下降。在失去动力源时，可依靠蜗轮蜗杆自锁实现在塔壁悬停。以上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，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，所述机器人中心对称环抱风力发电塔外壁，经电机驱动摩擦轮(6)在塔壁进行螺旋升降，其特征在于，包括环抱在风力发电塔外壁的框架(2)以及对称式分布在框架(2)上的四组角度调节机构、压紧机构和攀爬机构；

所述角度调节机构，用于时刻调节螺旋轨迹的导程，在运行到锥度位置时，对称安装的四个压紧机构同步压紧，四个攀爬结构的转动压力杆(3)自动转动适用锥面，保证有效接触力和同轴度；具体的：

所述角度调节机构通过二号电机(20)驱动角度同步轴(19)转动，调整升降螺距实现螺旋升降，同时通过压力杆(5)自动转动保证螺距变化时攀爬机构的摩擦轮(6)与风力发电塔外壁接触均匀；

所述压紧机构通过三号电机(11)驱动丝杠(13)和推力螺母(8)来推动压紧杆(9)前后移动，压紧杆(9)通过弹簧(7)压紧压力杆(5)和转动压力杆(3)，从而转动压力杆(3)转动压紧风力发电塔外壁，使攀爬到锥度过度面时，平稳适用风力发电塔外壁的锥度；

所述攀爬机构通过一号电机(14)驱动摩擦轮(6)转动，利用传动件的自锁实现在风力发电塔外壁悬停。

2.根据权利要求1所述的一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，其特征在于，所述框架(2)包括两个半圆弧结构，且半圆弧两端设置子母铰链，两个半圆弧结构首尾相接包住风力发电塔底部一圈。

3.根据权利要求1所述的一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，其特征在于，所述框架(2)上下两侧均布置预留轨道(1)，实现功能拓展。

4.根据权利要求1所述的一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，其特征在于，所述角度调节机构包括角度同步轴(19)、压力杆(5)、转动架(12)、二号电机(20)、二号蜗杆(17)、二号蜗轮(18)；

角度同步轴(19)安装在框架(2)上，角度同步轴(19)在框架(2)内侧一端连接压力杆(5)，在框架(2)外侧一端连接转动架(12)，所述转动架(12)的另一端连接在压紧轨道(21)上，将转动架(12)工作中的支反力传递给压紧轨道(21)，改善角度同步轴(19)受力，避免应力集中；

二号电机(20)通过驱动二号蜗杆(17)和二号蜗轮(18)来调整角度同步轴(19)转动至工作角度，实现在升降工作中调整升降螺距。

5.根据权利要求4所述的一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，其特征在于，所述压紧机构包括压紧轨道(21)、三号电机(11)、丝杠(13)、推力螺母(8)、压紧杆(9)、弹簧(7)、转动压力杆(3)；

所述压紧轨道(21)与转动架(12)一端连接，转动架(12)另一端连接在角度同步轴(19)，工作时由压紧轨道(21)承受压紧杆(9)的反向压力；

所述三号电机(11)安装在转动架(12)上，与安装在转动架(12)的丝杠(13)连接并提供扭矩；丝杠螺母副机构安装在转动架(12)上；

所述推力螺母(8)安装在丝杠(13)上沿丝杠(13)前后移动，在工作中丝杠(13)和推力螺母(8)结构可实现压紧杆(9)在工作过程中的自锁；

压紧杆(9)与推力螺母(8)固定连接同步移动，将压力传递给弹簧(7)，在弹簧(7)的另一端连接压力杆(5)，弹簧伸缩保证适当的压紧力，不至于压力过大导致风力发电塔外部凹陷，具体的：

所述丝杠(13)转动推力推力螺母(8)来推动压紧杆(9)，继而经弹簧(7)压紧压力杆(5)，转动压力杆(3)相对压力杆(5)转动，实现风力发电塔螺旋攀爬机工作中自动贴合风力发电塔外壁，工作中平稳越过风力发电塔壁锥面。

6.根据权利要求5所述的一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，其特征在于，所述攀爬机构包括中摩擦轮(6)、一号电机(14)、一号蜗杆(15)、一号蜗轮(16)；

所述摩擦轮(6)安装在压力杆(5)的连接轴(4)上，通过压力杆(5)自动转动保证螺距变化时攀爬机构的摩擦轮(6)与风力发电塔外壁接触均匀；

所述连接轴(4)上安装一号蜗杆(15)、一号蜗轮(16)一号蜗杆(15)、一号蜗轮(16)与一号电机(14)连接；

所述一号电机(14)固定在转动压力杆(5)上，通过一号蜗杆(15)、一号蜗轮(16)驱动摩擦轮(6)转动，实现摩擦轮(6)正反转，爬升或下降，利用传动件的自锁实现在风力发电塔外壁悬停；

所述转动压力杆(3)与压力杆(5)之间相对转动来平衡由于不同螺距导致摩擦轮(6)与风力发电机塔外壁接触不均，在爬升至锥度过渡位置时，可完美贴合锥面。

7.根据权利要求6所述的一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，其特征在于，所述二号电机(20)驱动二号蜗杆(17)、二号蜗轮(18)控制转速，从而控制转动架(12)的转向和自锁。

8.根据权利要求7所述的一种风力发电塔螺旋攀爬机器人，其特征在于，所述攀爬机构包括两个对称安装在压力杆(5)的连接轴(4)上的摩擦轮(6)。

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