CN115609563A - 一种可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，主要包括行走臂模块和机箱模块，两模块可单独分开放置运输，现场快速组装。行走臂模块分别通过旋转驱动装置可拆卸连接于机箱两端，机箱模块设置机械臂安装座用于可拆卸安装机械作业臂，机箱内设置可升降的夹爪装置用于夹持安装末端平台，末端平台可搭载多个不同功能的作业末端，使本体安装机械作业臂和末端平台后，实现作业功能多样化。行走臂模块还能通过其旋转驱动装置实现臂体偏转，以便于机器人的上线。行走臂模块通过行走轮和压紧轮实现在导线上的行走，巡检遇到障碍时能自适应改变两轮之间的间距变化，使其机器人能稳定有效的线上越障，提高机器人巡检作业的效率。

Description

一种可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体

技术领域：

本发明涉及高压输电线路自动化带电作业领域，尤其涉及一种可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体。

背景技术：

由于输电线路长期暴露于自然环境中并受到侵害，线路上的金具极易出现缺陷，如导线破损、螺栓松动、绝缘子污损等威胁线路安全的问题。如果不及时发现并处理，会破坏输电线路运行的稳定性，造成区域性断电给工农业生产和人民生活带来极大的不便。因此，定期和不定期的线路巡视和检修作业便成为电力部门的常规性任务。

以前输电线路的巡检及检修工作都是由人工登塔上线进行带电作业，耗费大量人力物力，特别是对作业人员的安全性带来极大的威胁。随着智能输电网络运维管理自动化水平的不断提升，近年来针对各种带电作业任务的输电线路机器人应运而生，而机器人作业前都需要通过各种方式使机器人完成上线，在其作业完成后需要将机器人运回地面，而传统的机器人上下线多通过人工吊装方式实现，存在效率低和可靠性差等问题，严重制约机器人实用化水平的提升，并成为输电线路带电作业机器人亟需突破的一个重要瓶颈技术问题。

另外，机器人为整体式结构运输至应用现场，整体式结构造成机器人的功能较少，另外，整体式结构给野外运输造成不便，还容易出现机器人的损坏等情形。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能现场快速组装形成功能多样化的模块化带电作业机器人本体。

本发明提供的这种可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，主要包括行走臂模块和机箱模块；行走臂模块有两组，每组包括臂体、升降装置、行走轮组件、压紧轮组件和旋转驱动装置，行走轮组件可拆卸连接于臂体上端，升降装置安装于臂体上，压紧轮组件安装于升降装置上，旋转驱动装置连接于臂体的下端；机箱模块包括机箱和伸出于机箱顶板外的多个安装座和航空插头，安装座分别用于安装作业机械臂及摄像头；两组行走臂模块的旋转驱动装置分别可拆卸连接于机箱的长度方向两端；机箱模块还包括对称设置于机箱内腔长度方向两端的夹爪装置，夹爪装置的上下位置可调节，可开合的夹爪下端伸出于机箱底面外，用于夹持安装末端平台。

上述技术方案的一种实施方式中，所述臂体为方形空心柱，所述升降装置为丝杆滑块装置，其驱动电机采用直流伺服电机，固定于臂体的下端，丝杆布置于臂体的中心位置，下端通过联轴器与驱动电机的输出轴连接，臂体侧壁设置滑块行程槽。

上述技术方案的一种实施方式中，所述丝杆滑块连接有套于臂体外的方形滑套，臂体外设置有滑轨，方形滑套内壁设置有与滑轨匹配的滑块。

上述技术方案的一种实施方式中，所述行走轮组件包括驱动电机及其驱动的行走轮，行走轮的上方设置有防护罩，驱动电机的机座固定于所述臂体的上端。

上述技术方案的一种实施方式中，所述压紧轮组件包括压紧轮、等电位轮、轮座、减震组件和挡板组件，压紧轮和等电位轮分设于轮座的左右两侧，它们的轮轴两端分别连接弹簧减震组件，轮座的左右两端对称设有弹性挡板组件，中间设有刹车片；轮座与所述方形滑套连接。

上述技术方案的一种实施方式中，所述旋转驱动装置包括蜗轮蜗杆装置和方形套，蜗轮蜗杆设置于罩壳内，蜗轮的轮轴伸出，一端垂直连接方形套，另一端连接轴承，轴承外连接端盖，端盖固定于罩壳上，蜗轮连接的电机工作，使蜗杆驱动蜗轮转动，蜗轮的轮轴通过方形套带动臂体在竖直面转动。

上述技术方案的一种实施方式中，所述机箱内腔中设置有关于机箱宽度方向中心面对称布置的两根方管，所述罩壳连接有安装架，安装架设置有方管安装套。

上述技术方案的一种实施方式中，用于安装机械作业臂的安装座包括固定于方管上的底座和底座顶面的顶座，顶座的安装面倾角为45-60°。

上述技术方案的一种实施方式中，所述夹爪装置包括吊架、丝杆、滑块、下同步轮和夹爪组件，吊架水平布置，丝杆沿竖向连接于吊架的中心位置，滑块连接于丝杆上，下同步轮连接于丝杆下端，夹爪包括滑块座、连杆臂和夹爪，滑块座套固于滑块外，滑块座的两侧对称铰接连杆臂，连杆臂的末端铰接夹爪。

上述技术方案的一种实施方式中，其中一个夹爪装置还包括驱动装置，驱动装置包括伺服电机及其上端输出轴连接的上同步轮，伺服电机固定于所述吊架上，该夹爪装置的丝杆上端穿过所述吊架后连接上同步轮，两个上同步轮之间连接同步带，两套夹爪装置的下同步轮之间连接同步带。

本发明的行走臂模块分别通过旋转驱动装置可拆卸连接于机箱两端，机箱模块设置机械臂安装座用于可拆卸安装机械作业臂，机箱内设置可升降的夹爪装置用于夹持安装末端平台，而末端平台可搭载多个不同功能的作业末端，使本体安装机械作业臂和末端平台后，实现作业功能多样化。行走臂模块还能通过其旋转驱动装置实现臂体偏转，以便于机器人的上线。行走臂模块通过行走轮和压紧轮实现在导线上的行走，巡检遇到障碍时能自适应改变两轮之间的间距变化，使其机器人能稳定有效的跨越防震锤、悬垂线夹、间隔棒等障碍，提高了机器人巡检作业的效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为行走臂模块的放大结构示意图。

图3为行走臂模块去掉行走轮组件、压紧轮组件及旋转驱动的结构示意图。

图4为压紧轮组件的放大结构示意图。

图5为机箱模块的俯视示意图（去掉机箱顶板）。

图6为机箱模块的夹爪装置放大结构示意图。

图7为机械作业臂安装座的放大结构示意图。

图8本实施例与机械作业臂、末端平台及电动绞磨装置形成模块化机器人的装配示意图。

图9至图24模块化机器人通过无人机辅助上下线系统上线后的应用过程示意图。

具体实施方式

结合图1至图8所示，本实施例公开这种可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，主要包括行走臂模块A和机箱模块B。

行走臂模块A有两组，每组包括臂体A1、升降装置A2、行走轮组件A3、压紧轮组件A4和旋转驱动装置A5，行走轮组件A3可拆卸连接于臂体A1的上端，升降装置A2安装于臂体上，压紧轮组件A3安装于升降装置A2上，旋转驱动装置A5连接于臂体A1的下端。

机箱模块B包括机箱B1和伸出于机箱顶板外的机械作业臂安装座B2和航空插头B3及摄像头安装座。两组行走臂模块A的旋转驱动装置A5分别可拆卸连接于机箱B1的长度方向两端。机箱模块B还包括对称设置于机箱内腔长度方向两端的夹爪装置B4，夹爪装置的可开合夹爪上下位置可调节，机箱底面对应夹爪位置设置让位孔。

具体来说：

臂体A1为方形空心柱。

升降装置A2为丝杆滑块装置，其驱动电机采用直流伺服电机，固定于臂体A1的下端，丝杆A21布置于臂体的中心位置，下端通过联轴器与驱动电机的输出轴连接，臂体侧壁设置滑块行程槽A11。

丝杆滑块连接有套于臂体外的方形滑套A21，臂体外设置有滑轨A22，方形滑套内壁设置有与滑轨匹配的滑块。

行走轮组件A3包括驱动电机及其驱动的行走轮，行走轮的上方设置有防护罩，驱动电机的机座固定于臂体的上端。

压紧轮组件A4包括压紧轮A41、轮座A42、减震组件A43、挡板组件A44和刹车片A45，压紧轮A41分设于轮座A42的左右两侧，它们的轮轴两端分别连接减震组件A43，轮座的左右两端对称设有弹性挡板组件A44，中间设有刹车片A45。

轮座A42与方形滑套A21连接。

旋转驱动装置A5包括蜗轮蜗杆装置A51和方形套A52，蜗轮蜗杆设置于罩壳A53内，蜗轮的轮轴伸出，一端垂直连接方形套A52，另一端连接轴承，轴承外连接端盖A54，端盖固定于罩壳A53上。蜗轮连接的电机工作，使蜗杆驱动蜗轮转动，蜗轮的轮轴通过方形套A52带动臂体A1在竖直面转动。

罩壳A53外壁连接有安装架A55。

机箱B1的内腔中设置有关于机箱宽度方向中心面对称布置的两根铝方管B5。机箱两端设置有垫脚。

夹爪装置B4包括吊架B41、丝杆B42、滑块、下同步轮B43和夹爪组件，吊架B41水平布置，丝杆B42沿竖向连接于吊架的中心位置，滑块连接于丝杆上，下同步轮B43连接于丝杆下端。夹爪组件包括滑块座B44、连杆臂B45和夹爪B46，滑块座B44套固于滑块外，滑块座的两侧对称铰接连杆臂B45，连杆臂的末端铰接夹爪B46。

其中一个夹爪装置还包括驱动装置，驱动装置包括伺服电机B47及其上端输出轴连接的上同步轮B48，伺服电机B47固定于吊架B41上，该夹爪装置的丝杆上端穿过吊架后连接上同步轮B48，两个上同步轮之间连接同步带TBD，两套夹爪装置的下同步轮之间连接同步带TBD。

左侧吊架的顶面设置两块立板，立板的上端分别固定于铝方管的底面。右侧吊架的顶面设置两个矩形套，矩形套分别套于铝方管B5上。

旋转驱动装置A5通过其安装架A55套于铝方管B5上安装。

夹爪装置的工作原理如下：右侧夹爪装置的伺服电机B47工作，通过上同步轮连接的同步带带动丝杆B42转动，丝杆上的滑块带着滑块座B44沿丝杆上下移动，滑块座实现连杆臂B45的内端上下位置改变，从而使夹爪B46绕其与连杆臂的铰接处转动实现开合。

如图8所示，上述模块化带电作业机器人的本体搭载的末端平台C包括主体支架C1、嵌入式快换装置C2和作业末端C3，多个嵌入式快换装置分别连接于主体支架上，每个嵌入式快换装置分别连接有不同功能的作业末端。

末端平台C的主体支架C1通过夹爪夹持固定，嵌入式快换装置C2的数量根据需要的作业末端数量确定，作业末端必需包括两个夹持式手爪装置，还可根据巡检线路上金具需要配置销钉补装作业末端、螺栓紧固作业末端及清除异物作业末端等。

本体的机械臂安装座B2上通过紧固件可拆卸安装六自由度的机械作业臂D机械作业臂D可自动抓取作业末端及将作业末端返送回嵌入式快换装置。

末端平台C的主体支架C1的两端对称连接T形板，夹爪装置C4的夹爪B46从机箱底面伸出夹持T形板的较宽部分。

作业臂安装座B2本包括固定于铝方管B5上的底座B21和底座顶面的顶座B22，顶座的安装面倾角为45-60°。

结合图9至图24可知，上述机器人配套的机器人上下线系统主要包括无人机E、绝缘绳悬吊组件F和绝缘绳收放装置G。

绝缘绳收放装置G为电动绞磨装置，安装于主体支架C1的下侧，绝缘绳悬吊组件F下端的绝缘绳穿过机箱模块B后固定于电动绞磨装置G的绞盘上。

具体来说：

无人机E为四旋翼机。

绝缘绳悬吊组件F包括绝缘绳F1、十字架F2和挂钩组件F3，四根绝缘绳的上端分别固定于无人机的各旋翼安装臂上，中部通过一个十字架连接，下端连接于另一个十字架上，十字架的中心位置下侧弹性可拆卸连接挂钩组件F3。挂钩组件包括连接块F31、腔体和腔体盖F32、活动销F33、弹簧轴销F34、弹簧F35、活动块F36、滑轮F37，腔体和腔体盖F32与连接块连接，活动销沿着腔体上的导向槽上下移动能使连接块分离与锁紧；滑轮与活动块位于同一水平面，其布置于主体的两侧。挂钩主体部分的底端一侧是外扩的折弯板，另一侧是圆台形状用于连接下面的绝缘绳F1。即挂钩上方设置锁紧机构，通过挂钩上活动块与导线的伸缩与实现挂钩与连接块的锁紧与分离，能保证无人机有效脱离和取回挂钩。

电动绞磨装置包括箱体G1和其内设置的双输出轴电机G2对称驱动的行星齿轮传动组件G3。箱体G1固定于主体支架C1的下侧，行星齿轮传动组件G3的输出轴分别连接防跑线绞盘G4，防跑线绞盘分别固定于箱体G1的两端外壁。

行星齿轮传动组件包括一个由三个同样的行星小齿轮围绕太阳齿轮旋转排列组成的行星齿轮（简称三系行星齿轮）和一个由四个同样的行星小齿轮围绕太阳齿轮旋转排列组成的行星齿轮（简称四系行星齿轮）；其三系行星齿轮一端连接电机，另一端连接四系行星齿轮，而四系行星齿轮的另一端连接卷绳盘。

机箱模块B的长度方向两端对称设置导向管B6，挂钩下端连接的绝缘绳穿过导向管后固定于绞盘上。导向管采用耐磨管，肢体支架C1两端T形板的较窄段末端设置用于定位固定导向管的凸台。

为了便于机器人安装作业末端及使作业末端装配后避免与底面碰触，在肢体支架的下侧还连接一个支撑架H来保护作业末端。另外，支撑架也便于机器人的搬运。

从上述机器人的结构可以看出，各模块之间为可拆卸连接，现场组装方便，现场可通过机器人上下线系统的绝缘绳悬吊组件与挂钩组件之间为可拆卸连接，使无人机可自动连接挂钩组件实现挂钩在目标导线上的悬挂，挂钩挂上后，无人机可自动与挂钩脱离返回。

组成模块化带电作业机器人系统应用时的步骤如下：

一、模块化机器人上线

（1）将绝缘绳悬吊组件的四根绝缘绳上端与无人机固定，挂钩下端连接好另一根用于连接绞盘的绝缘绳；

（2）无人机携带绝缘绳悬吊组件升空，将挂钩挂于目标导线上；

（3）重复步骤（1）和（2）将第二个挂钩挂于目标导线上；

（4）地面工作人员拉扯两挂钩连接的绝缘绳来调节来两个挂钩之间的距离，使两个挂钩之间距离与机箱模块上两根导向管之间的距离一致，并将两根绝缘绳分别穿过导向管后固定于相应的绞盘上；

（5）使电动绞盘装置的双输出轴电机正向工作，使挂钩连接的绝缘绳长度缩短带着模块化机器人上升至指定高度；

（6）使两行走臂模块的旋转驱动装置驱动臂体带着偏转指定角度；

（7）电动绞磨装置的双输出轴电机继续正向工作，直至臂体上端行走轮的下表面超过目标导线指定高度；

（8）两行走臂模块的旋转驱动装置驱动臂体带着回到竖直状态；

（9）电动绞磨装置的双输出轴电机反向工作使行走轮的轮槽下沿落于目标导线上，并通过机箱上的摄像头拍摄行走轮轮槽与导线的接触情况；

（10）行走臂模块的丝杆滑块装置的伺服电机工作，使丝杆滑块通过方形滑块带动压紧轮组件向上移动，直至压紧轮的轮槽上沿与目标导线接触，此时模块化带电作业机器人上线完成；

（11）模块化作业机器人的两机械作业臂末端已装配的夹持式手爪末端分别将挂钩从目标导线上取下，电动绞磨装置的双输出轴电机工作，使挂钩连接的绝缘绳收短，直至挂钩底部插入机箱模块上的导向管中。上述过程如图14至24所示。

二、模块化机器人带电作业

（1）通过行走轮带着模块化机器人在目标导线上行走，通过机械作业臂上作业末端搭载的摄像头拍摄导线上工器具的情况；

（2）根据拍摄情况确定机械作业臂从末端平台上的相应嵌入式快换装置处插接装配取下相应的作业末端进行作业；

（3）行走过程中进行导线上越障时，前行走臂模块的丝杆滑块装置的伺服电机工作先后，使前行走臂模块的压紧轮向下运动松开导线，前后行走轮向前行走至前行走轮越过障碍后，使前压紧轮上升复位，然后使后行走臂模块的压紧轮向下松开导线，越过障碍后在上升复位；

（4）行走过程中进行导线上的悬垂线夹越障时，保持后行走臂模块在导线上，使前压紧轮向下松开导线，机械作业臂通过夹持式手爪末端夹持近前行走臂模块的挂钩并将其挂于导线上，使前行走轮脱离导线，然后通过旋转驱动装置使前行走臂模块向导线外偏转，使后行走臂模块在导线上行走至前行走臂模块越过悬垂线夹，前行走臂模块复位至夹紧导线，取下挂钩；再进行后行走臂模块的越障，使前后行走臂模块避开悬垂线夹。

三、模块化机器人下线

巡检检修作业完成后，机械作业臂通过夹持式手爪末端两挂钩挂于导线上，使电动绞磨装置的双输出轴电机反向工作，使挂钩连接的绝缘绳放线，模块化机器人随着绝缘绳的放线逐步下降返回。

总结来说，本发明采用模块化设计，各模块可单独分开，现场应用时快速组装，能有效减轻野外运输环境下机器人单位重量。机器人本体装配了夹爪装置、机械臂座、航空接头和耐磨管等预留接口装置，可通过这些接口再装配末端平台，扩展了输电线路移动机器人的作业种类并且提升了机器人的实用化水平。机器人本体采用竖直双压紧轮的结构与行走轮形成夹持输电线路的形式在输电线路上行走，其减震弹簧可改变压紧轮和行走轮之间的距离，其机器人巡检遇到障碍时能自适应改变两轮之间的间距变化，使其机器人能稳定有效的跨越防震锤、悬垂线夹、间隔棒等障碍，提高了机器人巡检作业的效率。

可配合机器人上下线系统采用无人机在导线上悬挂挂钩，挂钩连接的绝缘绳通过电动绞磨装置实现收放，通过绝缘绳的收放实现机器人的升降，从而实现机器人的自主上下线，大幅提高了机器人的作业效率，减少了人员拉扯绝缘绳的能量损耗。机器人能在线上自主根据作业对象更换作业末端，不再下线由人工更换作业末端，线上可作业对象不再单一，提高了机器人的作业范围、作业效率和经济效益，减少了人员能量损耗。机器人本体的机械臂座可提升机械臂底座的稳固性，在其机械臂装备不同的作业末端后，可拓展机器人的功能使其不仅能进行巡线和越障作业的同时还能进行多种金具的检修作业任务，实现“一机多用”。无人机将挂钩悬挂于导线上，然后通过绝缘绳收放装置实现机器人的自动上、下线，作业人员无需登塔也不用拉扯吊装的机器人，仅在地面操控无人机和机器人就能完成上下线技术，有效改善了工人的劳动强度，提高了带电作业安全性。无人机每次飞行携带一个挂钩上线，降低了无人机负载保证无人机能平稳飞行，而且两根绝缘绳能保证机器人的稳定升降。

Claims (10)

1.一种可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，其特征在于：主要包括行走臂模块和机箱模块；

行走臂模块有两组，每组包括臂体、升降装置、行走轮组件、压紧轮组件和旋转驱动装置，行走轮组件可拆卸连接于臂体上端，升降装置安装于臂体上，压紧轮组件安装于升降装置上，旋转驱动装置连接于臂体的下端；

机箱模块包括机箱和伸出于机箱顶板外的多个安装座和航空插头，安装座分别用于安装作业机械臂及摄像头；

两组行走臂模块的旋转驱动装置分别可拆卸连接于机箱的长度方向两端；

机箱模块还包括对称设置于机箱内腔长度方向两端的夹爪装置，夹爪装置的上下位置可调节，可开合的夹爪下端伸出于机箱底面外，用于夹持安装末端平台。

2.如权利要求要求1所述的可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，其特征在于：所述臂体为方形空心柱，所述升降装置为丝杆滑块装置，其驱动电机采用直流伺服电机，固定于臂体的下端，丝杆布置于臂体的中心位置，下端通过联轴器与驱动电机的输出轴连接，臂体侧壁设置滑块行程槽。

3.如权利要求要求2所述的可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，其特征在于：所述丝杆滑块连接有套于臂体外的方形滑套，臂体外设置有滑轨，方形滑套内壁设置有与滑轨匹配的滑块。

4.如权利要求要求2所述的可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，其特征在于：所述行走轮组件包括驱动电机及其驱动的行走轮，行走轮的上方设置有防护罩，驱动电机的机座固定于所述臂体的上端。

5.如权利要求要求3所述的可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，其特征在于：所述压紧轮组件包括压紧轮、等电位轮、轮座、减震组件和挡板组件，压紧轮和等电位轮分设于轮座的左右两侧，它们的轮轴两端分别连接弹簧减震组件，轮座的左右两端对称设有弹性挡板组件，中间设有刹车片；轮座与所述方形滑套连接。

6.如权利要求要求2所述的可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，其特征在于：所述旋转驱动装置包括蜗轮蜗杆装置和方形套，蜗轮蜗杆设置于罩壳内，蜗轮的轮轴伸出，一端垂直连接方形套，另一端连接轴承，轴承外连接端盖，端盖固定于罩壳上，蜗轮连接的电机工作，使蜗杆驱动蜗轮转动，蜗轮的轮轴通过方形套带动臂体在竖直面转动。

7.如权利要求要求6所述的可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，其特征在于：所述机箱内腔中设置有关于机箱宽度方向中心面对称布置的两根方管，所述罩壳连接有安装架，安装架设置有方管安装套。

8.如权利要求要求7所述的可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，其特征在于：用于安装机械作业臂的安装座包括固定于方管上的底座和底座顶面的顶座，顶座的安装面倾角为45-60°。

9.如权利要求要求8所述的可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，其特征在于：所述夹爪装置包括吊架、丝杆、滑块、下同步轮和夹爪组件，吊架水平布置，丝杆沿竖向连接于吊架的中心位置，滑块连接于丝杆上，下同步轮连接于丝杆下端，夹爪包括滑块座、连杆臂和夹爪，滑块座套固于滑块外，滑块座的两侧对称铰接连杆臂，连杆臂的末端铰接夹爪。

10.如权利要求要求9所述的可安装末端平台的模块化带电作业机器人本体，其特征在于：其中一个夹爪装置还包括驱动装置，驱动装置包括伺服电机及其上端输出轴连接的上同步轮，伺服电机固定于所述吊架上，该夹爪装置的丝杆上端穿过所述吊架后连接上同步轮，两个上同步轮之间连接同步带，两套夹爪装置的下同步轮之间连接同步带。

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