CN116374034B - 一种基于角钢塔的卡爪、攀爬子机及分体式攀爬机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力角钢塔攀爬技术领域，具体涉及一种基于角钢塔的卡爪、攀爬子机及分体式攀爬机器人。本发明的卡爪包括底托架，底托架的上板面构成用于贴合结构件其中一外壁的贴合面；以底托架的位于结构件棱边的一端为内端，底托架内端向上延伸有贴合结构件棱边的包边，底托架的外端设置用于夹持所述外壁的边沿的夹块，所述夹块与包边共同配合从而夹持结构件；其在结构紧凑简洁的同时，亦可实现沿角钢塔的攀爬过程中的力封闭性和形状封闭性需求，从而有效确保攀爬作业的动作稳定性及动作可靠性。

Description

一种基于角钢塔的卡爪、攀爬子机及分体式攀爬机器人

技术领域

本发明属于电力角钢塔攀爬技术领域，具体涉及一种基于角钢塔的卡爪、攀爬子机及分体式攀爬机器人。

背景技术

电力的稳定、安全是促进各行各业发展的基本保障，在我国，输电角钢塔数量多、分布广，且长期显露于野外环境甚至多尘强风高湿的恶劣环境下。传统方式下，需由检修人员背负检修设备沿脚钉侧攀爬角钢塔，逐步挂接安全绳防坠，导致巡检周期长，攀爬危险性大，工作效率低。因此，适用于角钢塔的攀爬机器人应运而生，并逐渐衍生出各种形态结构的攀爬种类，如蛇形机器人及尺蠖式机器人等。无论是何种机器人，在加载工作部后，其整体质量均极大，这就对机器人的攀登可靠性提出了严峻考验。目前的机器人攀爬模式，仍然多为整机工作模式，也即一机到底，并全程依托卡爪来实现定位作业需求，其实际结构在专利公告号为“CN104129447B”的名称为“一种输电塔攀爬机器人及其对输电塔巡检方式”等相关专利中均有所描述。该类现有攀爬机器人存在的问题如下：其一，由于自身质量的巨大化，往往需要采用对角钢棱边及两侧边的三点对拉式的夹持构造，以确保行进和定位的可靠性，造成卡爪普遍存在结构复杂和动件繁多的缺点，不仅进一步增大了整机质量，同时也对装配时的精细化和动作模式的精确化均提出了严峻考验。其二，角钢塔不仅仅存在角钢主材，还存在诸如横担、斜材等不同规格的辅材构件，一机到底的工作模式，需对卡爪进一步精细化设计，使之不仅能适合角钢主材的尺寸需求，还能在线变化夹持口径从而匹配相应的辅材构件的规格，显然进一步加剧了卡爪结构和控制的复杂化。因此，当前更多的传统攀爬机器人的作业区域根本无法辐射至角钢塔末端区域，仅能在角钢主材所在区域进行作业，极大的影响了攀爬机器人的作业普及性，亟待解决。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种基于角钢塔的卡爪，其在结构紧凑简洁的同时，亦可实现沿角钢塔的攀爬过程中的力封闭性和形状封闭性需求，从而有效确保攀爬作业的动作稳定性及动作可靠性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于角钢塔的卡爪，其特征在于：包括底托架，底托架的上板面构成用于贴合结构件其中一外壁的贴合面；以底托架的位于结构件棱边的一端为内端，底托架内端向上延伸有贴合结构件棱边的包边，底托架的外端设置用于夹持所述外壁的边沿的夹块，所述夹块与包边共同配合从而夹持结构件。

优选的，所述贴合面处设置有用于吸附结构件外壁的电磁铁。

优选的，所述夹块通过翻转组件安装于底托架处；所述翻转组件包括可供夹块产生翻转动作的翻转铰接座以及用于推动夹块产生翻转动作的直行程动力源；直行程动力源尾端通过尾端铰接座铰接在底托架处，直行程动力源首端通过首端铰接座铰接于夹块处，且首端铰接座相对夹块的铰接点与翻转铰接座相对夹块的铰接点彼此位置避让。

优选的，所述夹块外形呈“L”字状，夹块的短边构成用于与首端铰接座相配合的铰接端；夹块与包边共同夹持结构件的单边时，夹块的长边平行所述底托架，此时夹块的长边与底托架的贴合面所形成的缝隙构成用于夹持所述单边的夹持间隙。

优选的，底托架两侧设置宽度限位板，宽度限位板沿支撑板槽长方向水平延伸后，再铅垂向上延伸，从而使得“L”字状宽度限位板的内弯侧形成所述包边。

优选的，所述底托架包括外形呈直角槽板状的支撑板以及盖覆于支撑板槽口处的封板，支撑板和封板围合形成的槽型空间构成用于安置翻转组件的安置腔，此时封板上板面构成所述贴合面；支撑板的两侧槽壁处安装所述宽度限位板；支撑板的槽壁处布置安装孔，各安装孔沿支撑板槽长方向依序均布，安装螺钉贯穿宽度限位板后配合于安装孔处；两块宽度限位板之间通过水平杆固接彼此。

优选的，宽度限位板上布置有用于检测结构件其中一外壁到位信息的侧面接触检测开关，贴合面处设置用于检测结构件另一外壁贴合情况的底部接触检测开关。

优选的，攀爬子机，其特征在于应用所述的基于角钢塔的卡爪，所述卡爪至少为两组，且分别布置在关节机械臂的足端处。

优选的，所述关节机械臂为五轴双杆机械臂，关节机械臂包括通过安装板固定在两足端的足端电机，足端电机的输出轴固接在所述底托架处；关节机械臂的连杆首端设置端部关节电机，端部关节电机的输出轴与所述安装板间形成固接配合；关节机械臂的其中一连杆尾端端设置中间关节电机，中间关节电机的输出轴与另一连杆尾端间形成固接配合；各关节电机彼此轴线平行，各关节电机轴线垂直所述足端电机轴线。

优选的，分体式攀爬机器人，其特征在于应用所述的攀爬子机，还包括攀爬主机，攀爬主机的顶端设置可供卡爪夹持的对接平台。

优选的，所述底托架的贴合面处设置视觉定位标签，对接平台处贯穿设置观察孔，观察孔内布置定位相机；对接平台处还凸设有定位销，定位销与底托架贴合面处设置的定位孔间形成销孔定位配合。

优选的，对接平台处贴附式的固定有一层磁吸板，定位销安装于磁吸板上。

本发明的有益效果在于：

1)、抛弃了传统的必须同时对结构件棱边及两处单边边沿均夹持的全包覆式夹持结构，转而采用了一处单边配合棱边的单外壁夹爪构造，从而有效的确保了结构的紧凑性和简洁性。此外，由于夹块抵紧于单边边沿处，而包边抵紧于角端处，这使得一旦夹持完成，即可确保沿角钢塔的攀爬过程中的力封闭性和形状封闭性需求，从而有效确保攀爬作业的动作稳定性及动作可靠性。

2)、实际作业时，本发明在卡爪的机械力夹持的基础上，增设有磁吸固定功能，从而实现了卡爪相对结构件的双重定位功能，成效显著。

3)、对于翻转组件而言，其直行程动力源优选采用电动推杆；工作时，依靠电动推杆推动“L”字状的夹块产生翻转动作，可利用夹块的长边与底托架的贴合面所形成的缝隙来夹持结构件的单边，此时该单边边沿及棱边分别被夹块和包边抵住，而单边则被上述缝隙围合约束，最大程度确保了夹持的可靠性和稳定性。

4)、对于包边而言，实际通过宽度限位板来具现化。宽度限位板本身为可调节结构，也即能根据结构件的外壁或者说单边的宽度，可适应性的调整安装螺钉的安装位置，从而实现针对当前的待夹持的结构件的适应性调整效果，使用起来非常灵活。

5)、侧面接触检测开关与底部接触检测开关用于进一步提升卡爪夹持的可靠性，只有上述开关全部获取结构件的到位信息后，卡爪方才正式的处于相对结构件的稳定夹持状态。

6)、在上述结构的基础上，本发明还提供了一种基于上述卡爪的攀爬子机。攀爬子机可以是多种实现状态，本发明优选为尺蠖式结构，也即利用尺蠖式动作的关节机械臂来配合卡爪，从而实现对角钢主材乃至辅材构件的攀爬动作功能。

7)、进一步的，在上述攀爬子机的基础上，本发明还提供了相配套的攀爬主机，从而可形成分体式攀爬机器人，这也是本发明的最为核心的部分之一。这样，当本发明实际工作时，作为常规攀爬机械的攀爬机器人可承载攀爬子机运行至角钢主材的指定高度处；随后，利用对接平台，攀爬子机可实现相对攀爬主机的脱机和接驳动作。由于角钢主材与横担等辅材构件存在尺寸的不一致性，刚好攀爬主机处攀爬爪与攀爬子机处卡爪规格也可不一致，因此弥补了常规攀爬主机无法辐射到电力角钢塔末端的弊端，也就实现了对电力角钢塔的全覆盖式检修、维护及拆装效果。

附图说明

图1为卡爪的立体结构示意图；

图2为去除封板后的卡爪结构图；

图3和图4为卡爪的动作状态图；

图5为攀爬子机的立体结构示意图；

图6和图7为攀爬子机的卡爪夹持不同宽度结构件的配合状态图；

图8为端部关节电机的布置状态图；

图9为图8的剖视图；

图10、图11和图12为攀爬子机沿结构件的移动流程图；

图13为攀爬子机的工作状态图；

图14和图17为攀爬机器人的工作流程图；

图15为图14的I部分局部放大图；

图16为对接平台的立体结构示意图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

a-角钢主材；b-横担；c-作业组件；

10-底托架；11-支撑板；11a-安装孔；12-封板；13-视觉定位标签；14-定位孔；

20-宽度限位板；20a-包边；21-安装螺钉；22-水平杆；

30-夹块；40-电磁铁；

51-翻转铰接座；52-直行程动力源；53-尾端铰接座；54-首端铰接座；

61-侧面接触检测开关；62-底部接触检测开关；

70-关节机械臂；71-安装板；72-足端电机；73-连杆；74-端部关节电机；75-中间关节电机；

80-攀爬主机；81-对接平台；81a-观察孔；82-定位相机；83-定位销；84-磁吸板；

91-送料杆；92-齿条。

具体实施方式

为便于理解，此处结合图1-17，以攀爬主机80夹持角钢主材a且攀爬子机夹持横担b为例，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

本发明主要结构包括两大部分，也即带有卡爪的攀爬子机，以及用于形成攀爬子机的装载基体的攀爬主机80。其中：

一、攀爬主机80

攀爬主机80与攀爬子机的离合动作，为本发明的核心亮点之一。

结构件包括了角钢主材a以及如横担b等的辅材构件；而实际操作时，攀爬主机80可采用现有的角钢塔攀爬装置来实现，其功能及构造已经趋近成熟。当然，仍需对攀爬主机80进行相应改造，以使之形成攀爬平台，最终使得该攀爬主机80能够装载攀爬子机，进而形成多段式推送的分体式攀爬构造。

更具体而言，如图14-17所示，攀爬主机80的作业端设置对接平台81，对接平台81宽度与待夹持的结构件如横担b的单边宽度吻合，以使得作为尺蠖式机器人的攀爬子机的卡爪在满足横担b夹持的同时，还能相应夹持在对接平台81处。

具体的对接平台81与卡爪的夹持状态可参照图14-15所示。为保证夹持的稳定性和准确性，对接平台81在增设磁吸板84的基础上，还设置有定位销83，以便与卡爪处相应的定位孔14间形成插接定位配合，甚至可完成对接后的锁定。此外，卡爪的底托架10处还相应的设置视觉定位标签13，同时对接平台81处设置定位相机82，用于引导对接卡爪。

进一步的，以图14的横担操作为例：由于攀爬主机80本身是作为一级送料单元而存在的，目的在于把作为二级单元的攀爬子机送至指定高度处的横担b处，从而使得攀爬子机能以预定规格的卡爪来夹持横担b，并进行高稳定度的横担b作业需求。当然，辐射到斜杆等其他结构件处亦可。又因横担b与角钢主材a可能存在一定的间隙，或者在送攀爬子机时希望其尽可能靠近作业点进行投放，或者考虑到攀爬子机在攀爬主机80上行时的平衡性需求，本发明还可以在攀爬主机80的作业端增加送料组件。送料组件外形参照图14-17所示，包括连接对接平台81的送料杆91，作业端处设置滑轨从而与送料杆91间形成导轨滑移配合。同时，送料杆91上布置齿条92，而作业端设置带有减速机的动力电机，从而依靠动力电机的输出轴处的齿轮与该齿条92间形成啮合传动，以实现对接平台81的伸缩输送目的。而对接平台81能实现伸缩输送，就可以将攀爬子机运送至更适宜位置处。

当然，在攀爬主机80沿角钢主材a上行或下行过程中，通过伸缩送料杆91，也能使得攀爬子机的重心逐渐契合攀爬主机80的重心，更便于实现攀爬主机80的平衡稳定的上行或下行目的。

二、攀爬子机

攀爬子机的具体结构为本发明的另一个核心亮点部分。

攀爬子机，在保留卡爪的前提下，实际上可采用目前已知的诸多攀爬机器人结构来实现。

本发明优选采用如图5-7及图10-13所示的尺蠖式攀爬结构。

更具体而言，攀爬子机由关节机械臂70以及位于关节机械臂70两足端的两个卡爪组合形成。设计时，关节机械臂70为五轴双杆机械臂，包括通过安装板71固定在两足端的足端电机72，带有减速机的足端电机72的输出轴固接在所述底托架10处；关节机械臂70的连杆73首端设置端部关节电机74，带有减速机的端部关节电机74的输出轴与所述安装板71间形成固接配合；关节机械臂70的其中一连杆73尾端端设置中间关节电机75，带有减速机的中间关节电机75的输出轴与另一连杆73尾端间形成固接配合。简言之，该五轴双杆机械臂的五轴为两组足端电机72的两轴线、两处端部关节电机74的两轴线以及一处中间关节电机75的轴线构成，而两杆则包括通过中间关节电机75彼此铰接的两处连杆73。

更细化为：如图8-9所示，足端电机72安装在连杆73上，主动齿轮安装在足端电机72的输出轴处，主动齿轮与从动齿轮啮合，从动齿轮、轴向锁紧螺栓、第一轴向限位推力轴承、径向限位轴承、第二轴向限位推力轴承与轴向锁紧防松螺母同轴，轴向锁紧螺栓通过径向限位轴承与连杆73形成旋转配合；同时，从动齿轮与轴向锁紧螺栓同轴，第一轴向限位推力轴承的上下两面分别于从动齿轮和连杆73接触，径向限位轴承上下两面分别与连杆73和轴向锁紧防松螺母接触，使从动齿轮在被轴向锁紧螺栓和轴向锁紧防松螺母轴向锁紧的同时也可转动。编码器的转轴与轴向锁紧螺栓固定，用于检测从动齿轮的转角。

进一步装配时，两组卡爪分别安装在两处足端电机72输出轴的法兰上，以便能绕相应的足端电机72的输出轴做360°转动。卡爪可通过磁力和机械夹紧力的复合方式夹紧角钢主材a、横担b及斜材等结构件，具有磁吸速度快，磁力大，机械夹紧安全可靠等特点，结合五轴双杆机构可在角钢主材a、横担b及斜材等结构件上行走，行走自由度大，并可在复杂结构体上行走。

同时，两组卡爪上还可安装额外的作业组件，如挂钩、滑车等。作业组件可根据不同作业内容进行更换。工作相机分别安装在两根连杆73上，用于在行走过程中对被夹持物进行识别和定位。

对于卡爪而言，如图1-4所示，卡爪为夹磁复合型，吸附贴合工作由电磁铁40加带有贴合面的封板12完成。装配时，支撑板11安装在足端安装座上，足端安装座再安装在足端电机72处。支撑板11上安装有若干电磁铁40，用于吸附结构件如横担b等的相应外壁。其中，封板12在设置电磁铁40的同时，还贴有视觉定位标签13，用于在攀爬子机与攀爬主机80对接时，能进一步和定位相机82协同进行卡爪定位操作。定位相机82工作时需透过如图16所示的观察孔81a进行观察。两个宽度限位板20分别安装在支撑板11的两槽壁外侧处，其内侧弯折处形成包边20a，并能如图6-7所示的通过安装螺钉21和安装孔11a进行水平调节，以适应性的夹持不同宽度的结构件。

以夹持横担b为例：两个宽度限位板20上分别安装有侧面接触检测开关61，用于检测检测横担b棱边的一直角面是否与宽度限位板20内侧竖立面靠齐。水平杆22用于链接两个宽度限位板20，使其前后位置保持一致。位于支撑板11槽口处的封板12的表面略低于电磁铁40工作表面，且封板12上设置底部接触检测开关62，用于检测横担b另一直角面是否与卡爪吸附面贴合。只有当两个侧面接触检测开关61和底部接触检测开关62都被触发时，才表示卡爪与横担b完全贴合，才可进行吸附和夹持，以避免夹持不到位而导致的坠机风险。封板12上还设置有两个定位销83，用于与对接平台81处定位销83进行对接。

卡爪处的执行对横担b单边边沿夹持的作业部为如图1-4所示的夹块30，夹块30由翻转组件实现翻动夹持。更具体的：尾端铰接座53和翻转铰接座51均固定在底托架10上，而首端铰接座54铰接在“L”字状的夹块30的短边处，直行程动力源52也即电动推杆的两端分别铰接在首端铰接座54和尾端铰接座53处。通过电动推杆的伸缩动作，即可驱动夹块30在如图3所示的初始位置和图4所示的夹持位置间作姿态变换动作。

进一步的，对于攀爬子机的动作模式，图10-13中给出了攀爬子机沿结构件进行悬挂式行走时的动作状态图；当然，该攀爬子机除悬挂模式外还可直立行走。原则上，本发明的攀爬子机工作时，卡爪的贴合面需处于水平面，此时攀爬子机处于最大的磁吸受力状态，有利于保持卡爪的吸附稳固性和攀爬子机的工作稳定性。

当然，如前述，攀爬子机的卡爪上也可携带作业组件c。当攀爬子机一端卡爪固定后，攀爬子机可看做用一台机械臂操作作业组件c进行作业，作业组件c可根据不同作业内容进行更换。以滑车为例，如图14-15所示，滑车被安装在卡爪上，当攀爬子机爬行到工作位置，调整姿态使滑车悬挂并锁紧到横担b等结构件上，即可满足相应作业需求，使用十分便捷。

可知，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (10)

1.一种基于角钢塔的卡爪，其特征在于：包括底托架（10），底托架（10）的上板面构成用于贴合结构件其中一外壁的贴合面；以底托架（10）的位于结构件棱边的一端为内端，底托架（10）内端向上延伸有贴合结构件棱边的包边（20a），底托架（10）的外端设置用于夹持所述外壁的边沿的夹块（30），所述夹块（30）与包边（20a）共同配合从而夹持结构件；

所述夹块（30）通过翻转组件安装于底托架（10）处；所述翻转组件包括可供夹块（30）产生翻转动作的翻转铰接座（51）以及用于推动夹块（30）产生翻转动作的直行程动力源（52）；

底托架（10）两侧设置宽度限位板（20），宽度限位板（20）沿支撑板（11）槽长方向水平延伸后，再铅垂向上延伸，从而使得“L”字状宽度限位板（20）的内弯侧形成所述包边（20a）；

所述底托架（10）包括外形呈直角槽板状的支撑板（11）以及盖覆于支撑板槽口处的封板（12），支撑板（11）和封板（12）围合形成的槽型空间构成用于安置翻转组件的安置腔，此时封板（12）上板面构成所述贴合面；支撑板（11）的两侧槽壁处安装所述宽度限位板（20）；支撑板（11）的槽壁处布置安装孔（11a），各安装孔（11a）沿支撑板（11）槽长方向依序均布，安装螺钉（21）贯穿宽度限位板（20）后配合于安装孔（11a）处；两块宽度限位板（20）之间通过水平杆（22）固接彼此。

2.根据权利要求1所述的一种基于角钢塔的卡爪，其特征在于：所述贴合面处设置有用于吸附结构件外壁的电磁铁（40）。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于角钢塔的卡爪，其特征在于：直行程动力源（52）尾端通过尾端铰接座（53）铰接在底托架（10）处，直行程动力源（52）首端通过首端铰接座（54）铰接于夹块（30）处，且首端铰接座（54）相对夹块（30）的铰接点与翻转铰接座（51）相对夹块（30）的铰接点彼此位置避让。

4.根据权利要求3所述的一种基于角钢塔的卡爪，其特征在于：所述夹块（30）外形呈“L”字状，夹块（30）的短边构成用于与首端铰接座（54）相配合的铰接端；夹块（30）与包边（20a）共同夹持结构件的单边时，夹块（30）的长边平行所述底托架（10），此时夹块（30）的长边与底托架（10）的贴合面所形成的缝隙构成用于夹持所述单边的夹持间隙。

5.根据权利要求3所述的一种基于角钢塔的卡爪，其特征在于：宽度限位板（20）上布置有用于检测结构件其中一外壁到位信息的侧面接触检测开关（61），贴合面处设置用于检测结构件另一外壁贴合情况的底部接触检测开关（62）。

6.攀爬子机，其特征在于应用权利要求1或2所述的基于角钢塔的卡爪，所述卡爪至少为两组，且分别布置在关节机械臂（70）的足端处。

7.根据权利要求6所述的攀爬子机，其特征在于：所述关节机械臂（70）为五轴双杆机械臂，关节机械臂（70）包括通过安装板（71）固定在两足端的足端电机（72），足端电机（72）的输出轴固接在所述底托架（10）处；关节机械臂（70）的连杆（73）首端设置端部关节电机（74），端部关节电机（74）的输出轴与所述安装板（71）间形成固接配合；关节机械臂（70）的其中一连杆（73）尾端设置中间关节电机（75），中间关节电机（75）的输出轴与另一连杆（73）尾端间形成固接配合；各关节电机彼此轴线平行，各关节电机轴线垂直所述足端电机（72）轴线。

8.分体式攀爬机器人，其特征在于应用权利要求6所述的攀爬子机，还包括攀爬主机（80），攀爬主机（80）的顶端设置可供卡爪夹持的对接平台（81）。

9.根据权利要求8所述的分体式攀爬机器人，其特征在于：所述底托架（10）的贴合面处设置视觉定位标签（13），对接平台（81）处贯穿设置观察孔（81a），观察孔（81a）内布置定位相机（82）；对接平台（81）处还凸设有定位销（83），定位销（83）与底托架（10）贴合面处设置的定位孔（14）间形成销孔定位配合。

10.根据权利要求8所述的分体式攀爬机器人，其特征在于：对接平台（81）处贴附式的固定有一层磁吸板（84），定位销（83）安装于磁吸板（84）上。