CN116176724A - 一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人，包括远程操控系统、搭载平台以及爬升单元；所述远程操控系统用于控制所述拉臂式爬升机器人的作业；所述搭载平台由多个框架单元组成，在搭载平台上设置导轨组，所述导轨组上设置作业机；所述爬升单元用于带动搭载平台在风电塔筒外壁上的升降动作，包括单元框架、电气柜和拉臂，所述拉臂用于收紧爬升单元紧贴在风电塔筒外壁上；本发明用于代替人工，对风电塔筒外壁涂装、清洁、除锈、检修维护等作业施工，并针对目前已公开的该类设备缺陷，给出更为合理的解决结构，通过操控机器人作业，大幅降低人员安全风险，提高工作效率。

Description

一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人

技术领域

本发明涉及风力塔筒技术领域，尤其涉及一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人。

背景技术

风力发电塔筒的高度往往超过100米，有的达到150米甚至更高；塔筒作为支撑部件，一般为底部直径大、顶部直径小的一个圆台状结构，即从底面到顶面，其直径是逐步减小的，大多外部为钢质且表面喷涂有防锈的涂料。风力发电塔筒往往处于较为恶劣的使用环境下，尤其是海上风力发电塔筒又处于严重腐蚀环境氛围中，不仅受到风吹、日晒、雨淋，更受到潮湿盐雾的侵蚀，很容易导致钢质塔筒外壁防腐涂层破坏，如油漆脱落、筒体锈蚀，加之涂层使用寿命超限会产生涂层粉化、脱落、起泡和松动等现象而加速筒体金属的锈蚀，使得风力发电塔筒的钢质表面的防腐蚀涂料容易脱离，如果不进行及时的维护容易造成深度腐蚀，对风力发电塔筒的承受力造成威胁。因此经常需要对风力发电塔筒进行各种作业处理，比如清洁、除锈、重新喷涂，甚至于在塔筒表面喷绘各种图案等等，因塔筒高度和体积较大，一是采取吊篮或吊板为作业平台，人工高空作业；二采用大型起重机将作业人员置于风力发电塔筒外壁进行施工维护保养等，以上的方式存在局限性大、风险高、费用高、效率低等问题。针对传统方式，现有技术提出了用机械代替人工的方式，例如中国专利申请号为201610369163 6的专利，记载了一种“一种履带式磁吸附爬壁机器人”，其涉及到了磁吸履带式的攀爬机器人，其缺点是具有磁性的履带与壁面进行接触，其接触面积较小、磁能利用率低和磁吸附力小，且其平直式的履带吸附适合在表面平整的钢铁壁面进行工作，不具备适应曲面风电塔筒壁的攀爬，且缺乏跨越缝隙或突起的越障能力；中国专利申请号为2019102354802的专利，记载了一种“风电塔筒维护机器人”，该爬升机器人的塔筒上抱圈和塔筒下抱圈分别包括有数量相等的上抱筒板和下抱筒板；在抱筒板上安装有卷扬机，卷扬机的钢索缠绕于抱筒板的外侧；在上抱筒板和下抱筒板之间支承有爬升驱动装置，在上抱筒板和下抱筒板上安装有托承撑架，该托承撑架的托承横杆安装有维护台架；维护台架的台架上框架上移动支承有维护移动车，维护移动车的周向移动架上转动支承有周向滚轮，在周向移动架上滑动支承有径向移动架，在径向移动架上固定连接有竖向移动架，竖向移动架上滑动支承有竖向滑板；该周向、径向和竖向驱动装置均与机器人控制器相电连接，其存在结构不够灵活、自身调节能力差，使用复杂，可靠性差；中国专利申请号为2021109209775的专利，记载了“一种风电塔筒维护平台”，平台框架上设置有作业轨道、爬升模块及顶紧模块；所述作业轨道上设置有可滑动的作业平台小车，所述作业平台小车上伸出设置伸缩作业臂，在所述伸缩作业臂上设置有作业模块；所述爬升模块用于所述平台框架的升降动力机构；其依靠伸缩推杆顶出，剪叉式伸缩架张开，橡胶轮向前运动顶紧塔筒，无法实现爬升过程中动态拉紧各组成单元；中国专利申请号为202210671425X的专利，记载了“自适应壁面的攀爬维护机器人”，其虽能在一定范围内调节拉紧个组成单元，但无法设置搭载负责维护功能组件的平台，其实施维护的功能组件，只能在每个单元内运行，数量多、存在维护死角，且其爬升轮的设计结构，难于适用曲面塔筒。因此上述现有技术仍然存在结构不够灵活、自身调节能力差，使用复杂、可靠性差等问题，难以满足现实环境使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构合理、操作简单、可调节拉紧力、安全可靠的大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人。

本发明的目的是这样实现的：一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人，包括远程操控系统、搭载平台以及爬升单元；所述远程操控系统用于控制所述拉臂式爬升机器人的作业；所述搭载平台由多个框架单元组成，在搭载平台上设置导轨组，所述导轨组上设置作业机；所述爬升单元用于带动搭载平台在风电塔筒外壁上的升降动作，包括单元框架、电气柜和拉臂，所述拉臂用于收紧爬升单元紧贴在风电塔筒外壁上。

作为本发明的进一步优选方案，所述远程操控系统包括主执行模块、通讯模块、故障处理模块、存储模块。

作为本发明的进一步优选方案，所述单元框架上设置驱动装置，所述驱动装置包括上爬升轮组、下爬升轮组、万向联轴节和电机一；所述上爬升轮组和下爬升轮组对称设置在单元框架两侧且通过电机一驱动万向联轴节带动上爬升轮组和下爬升轮组运动。

作为本发明的进一步优选方案，所述拉臂连接旋转件通过支座固定在单元框架上，拉臂上设置电机二。

作为本发明的进一步优选方案，所述拉臂上设置陀螺仪传感器、激光测距传感器、拉力传感器。

作为本发明的进一步优选方案，搭载平台通过活动连接件安装在爬升单元。

作为本发明的进一步优选方案，所述电气柜安装在单元框架内且电气柜内设置电机的驱动器、备用电源以及电路保护装置。

作为本发明的进一步优选方案，所述上爬升轮组和下爬升轮组外表包覆耐磨擦材料。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：

1、本发明采用若干爬升单元之间通过拉臂的连接方式，形成类似多人合抱的动作，增加爬升单元之间的紧凑性使其更加紧贴风力发电塔筒外壁，提高其安全性。

2、本发明在各个爬行单元上设置传感器，如陀螺仪传感器、激光测距传感器、拉力传感器，可以实现自动调节拉紧力、各爬升单元之间的水平高度差，保障搭载平台的水平平衡，实现瞬时、动态抱紧。

3、搭载平台通过活动连接件安装在爬升单元，使爬升单元与搭载平台之间能够实现沿塔筒半径方向的相对移动，可以调整各个爬升单元围成的圆形大小，实现不同在风力发电塔筒外壁上的紧贴度。

4、上爬升轮组和下爬升轮组通过可活动方式连接在单元框架上，使得爬升轮组可以转动角度，更加贴合在塔筒外壁，实现曲面上行走。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明整体结构示意图。

图2为爬升单元置于风力套筒上结构示意图。

图3为搭载平台结构示意图。

图4为爬升单元结构示意图。

图5为图4后视结构示意图。

图6为下爬行轮组剖面结构示意图。

图7为拉臂结构示意图（旋转90度方向）。

图8为拉臂的左部分结构示意图。

图9为拉臂的右部分结构示意图。

其中，1-远程操控系统，2-搭载平台，3-爬升单元：301-单元框架，302-电气柜，303-拉臂，4-作业机，5-导轨组，6-上爬升轮组，7-下爬升轮组，8-万向联轴节，9-电机一，10-轴承，11-旋转件，12-支座，13-电机二，14-活动连接件，15-风力发电塔筒，16-拉力传感器，17-升轮驱动半轴，18-驱动轮支架，19-激光测距传感器，20-陀螺仪传感器，21-调节手轮，22-轴承支座，23-加长管，24-轴承组，25-丝杠螺母安装套筒，26-张紧管螺母套，27-激光测距靶板，28-滚珠丝杠螺母，29-滚珠丝杠，30-丝杠保护套端盖，31-安装座，32-激光测距传感器安装座，33-丝杠保护套。

实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创作性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护的范围。

如图1、3所示，搭载平台2由若干个框架组成围成一个圆形环绕在风力发电塔筒外围，在搭载平台2上设置若干爬升单元3，各个爬升单元3之间利用拉臂303连接环抱在风力发电塔筒外壁上，基本搭建一个与风力发电塔筒外形相一致的爬行装置，这样组装的方式便于运输。

根据风力发电塔筒直径大小，每套拉臂式爬升装置包含数量不等的爬升单元3，塔筒直径越大，爬升单元3数量越多。

搭载平台2用来承载各种作业机，对塔筒的各种维护工作，由作业机来执行的，所谓的作业机，根据塔筒维护具体工作需要，可以是对风力发电塔筒外壁进行涂装、清洁、除锈以及其它检修维护施工类型的某一种或几种组合。无论需要使用的是哪种作业机，都可以安装在该拉臂式爬升机器人的搭载平台上，能够沿塔筒的圆周方向运动，也可以实现作业机自身具备的操作设定。

如图1、2所示，爬行单元3通过活动连接件14安装在搭载平台2上，使爬升单元3与搭载平台2之间能够沿风力发电塔筒15的半径方向进行相对移动；

活动连接件14可以是直线轴承或直线导轨，在单个爬行单元3上每组可以采用1条（如图2所示），也可以采用多条。

如图4所示，单独的一个爬行单元3由单元框架301、电气柜302和拉臂303组成，在单元框架301内部设置电机一9，电机一9有两个，一个是控制单元框架301上的上爬升轮组6，另一个是控制单元框架301的下爬升轮组7；

为满足在曲面的风力发电套筒外壁上行走，电机一9和上、下爬升轮组通过万向联轴节16连接，可以实现转动；其动力是由电机一9提供的。风电塔筒表面是圆台面，爬升轮组的左、右轮及对应传动轴，需要形成一定夹角，爬升轮才能与塔筒表面可靠接触。

如图5所示，爬行单元上有两个拉臂303，拉臂303是可以转动角度的，即拉臂303和单元框架301是可以形成不同的夹角，这样的设计是为了满足风力发电塔筒曲面的问题，这样在风力发电塔筒上可以贴合行走。

如图6所示，以其中下爬行轮组（包括两个爬行轮）为例：

爬升轮内部与爬升轮驱动半轴17固定连接，爬升轮驱动半轴17通过轴承10安装在驱动轮支架18上（驱动轮支架固定在爬升单元框架上），万向联轴节8既把来自电机一9的动力传递给爬升轮驱动半轴17，又允许两边的爬升轮驱动半轴形成一定的角度。

图7所示，拉臂采用滚珠丝杠的结构，在拉臂上设置拉力传感器16、激光测距传感器19等，实现实时监测，将数据发送给远程操控系统1，通过远程操控系统1根据采集的数据修改预设的参数，以符合实际使用。

调节手轮21可以采用手动的方式调整拉臂的收紧度，主要用于手动微调。

如图2、4和7所示，一个单元框架301上设有两根拉臂303，而一根拉臂是连接两个单元框架的，换句话说，拉臂可以被分为左和右两部分，各自安装在单元框架301上，其中左部分结构为：

轴承支座22、拉力传感器16、激光测距传感器安装座32、激光测距传感器19、张紧管螺母套26、丝杠螺母安装套筒25、滚珠丝杠螺母28等。轴承支座22安装在爬升单元框架上，拉力传感器16是一个高精度的测力元件，它既能够作为一个连接件参与拉臂的构成，又能实时将拉臂上的受力值传输给远程控制系统1，远程控制系统1根据力的大小变化，不断调整拉臂的长短。为了尽量缩短滚珠丝杠29及张紧管螺母套26的长度，又满足拉臂总长度的需要，可以设置加长管23，加长管23与张紧管螺母套26之间固定连接一个激光测距仪安装座32，其内部装设激光测距传感器19，激光测距传感器19可以测量右拉臂内部滚珠丝杠端部的位置。张紧管螺母套26右段装有丝杠螺母安装套筒25，用于固定安装一个滚珠丝杠螺母28。

右部分结构为：

包含激光测距靶板27、丝杠保护套端盖30、滚珠丝杠29、丝杠保护套33、丝杠调节手轮21、万向联轴节8、安装座31、电机二13等。激光测距靶板27安装在滚珠丝杠29的左端，接受并反射来自激光测距传感器19的信号，确定滚珠丝杠29的位置。丝杠保护套端盖30可以承受滚珠丝杠29的径向力，确保滚珠丝杠29的径向位置，在丝杠保护套端盖30的内侧面还可以设有防撞块，以防滚珠丝杠9超出可靠行程。滚珠丝杠9通过万向联轴节8与电机二（如减速机输出轴）连接起来，如此，来自电机二（如伺服电机与减速机）的动力能够驱动滚珠丝杠9转动。丝杠保护套33既可以对滚珠丝杠9进行各种必要的保护，又可以用于安装丝杠保护套端盖30、丝杠调节手轮21，并加强左、右半臂连接后的刚性。安装座31固定连接在爬升单元框架上，用于电机二13的固定安装。

如图7所示，左、右部分组合成一条完整的拉臂结构，其构成方案如下：

左部分拉臂的丝杠螺母安装套筒25及滚珠丝杠螺母28及张紧管螺母套26的一部分长度深入右部分拉臂的丝杠保护套33内部，右部分拉臂的丝杠保护套端盖30安装到丝杠保护套33，其内侧面上设有防撞块。右部分拉臂的滚珠丝杠29在电机二13驱动下可以转动，而安装在左部分拉臂上的滚珠丝杠螺母28是不能转动的，如此左、右拉臂就可以沿拉臂长度方向相对伸缩，丝杠保护套33及滚珠丝杠29均具有一定的长度，用于保障左、右拉臂的伸缩长度空间。整臂安装在两个爬升单元之间，左部分拉臂通过轴承支座22与左面的爬升单元框架衔接，右部分拉臂通过轴承支座22与右面的爬升单元框架衔接，当左、右拉臂相对伸缩时，就可以拉（推）动两个爬升单元相对接近或远离，如此的结构，分布环绕在风电塔筒的整个圆周，并连接为一个整体，形成一个完整的爬升机器人。拉紧力的大小，由拉力传感器实时检测到远程控制系统，并由远程控制系统实时控制电机二13驱动滚珠丝杠29调整拉臂的长短。而左、右拉臂伸缩的极限位置，由激光测距靶27配合激光测距传感器19进行检测，以保证拉臂的安全运行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人，其特征在于，包括远程操控系统（1）、搭载平台（2）以及爬升单元（3）；

所述远程操控系统（1）用于控制所述拉臂式爬升机器人的作业；

所述搭载平台（2）由多个框架单元组成，在搭载平台上设置导轨组（5），所述导轨组（5）上设置作业机（4）；

所述爬升单元（3）用于带动搭载平台（2）在风电塔筒外壁上的升降动作，包括单元框架（301）、电气柜（302）和拉臂（303），所述拉臂（303）用于收紧爬升单元（3）紧贴在风电塔筒外壁上。

2.根据权利要求1所述的一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人，其特征在于：所述远程操控系统（1）包括主执行模块、通讯模块、故障处理模块、存储模块。

3.根据权利要求1所述的一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人，其特征在于：所述单元框架（301）上设置驱动装置，所述驱动装置包括上爬升轮组（6）、下爬升轮组（7）、万向联轴节（8）和电机一（9）；所述上爬升轮组（6）和下爬升轮组（7）对称设置在单元框架两侧且通过电机一（9）驱动万向联轴节（8）带动上爬升轮组（6）和下爬升轮组（7）运动。

4.根据权利要求1所述的一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人，其特征在于：所述拉臂（303）连接旋转件（11）通过支座（12）固定在单元框架（301）上，拉臂（303）上设置电机二（13）。

5.根据权利要求1所述的一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人，其特征在于：所述拉臂（303）上设置陀螺仪传感器（20）、激光测距传感器（19）、拉力传感器（16）。

6.根据权利要求1所述的一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人，其特征在于：所述搭载平台（2）通过活动连接件（14）安装在爬升单元（3）。

7.根据权利要求1所述的一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人，其特征在于：所述电气柜（302）安装在单元框架（301）内且电气柜（302）内设置电机的驱动器、备用电源以及电路保护装置。

8.根据权利要求3所述的一种用于大型风电塔筒外壁作业的拉臂式爬升机器人，其特征在于：所述上爬升轮组（6）和下爬升轮组（7）外表包覆耐磨擦材料。

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