CN205131420U - 一种应用于高空缆索的爬升机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种应用于高空缆索的爬升机器人，包括三个滚轮组、两个对称设置的侧边支撑、下降限速装置和障碍感应装置，三个滚轮组呈三角形形状设置在侧边支撑的三个端点处；每个侧边支撑均包括一块横向连接板和与横向连接板中部相连接的一块竖向连接板，每个滚轮组均包括至少一个滚轮，每个滚轮组均能作为驱动轮组。采用上述结构后，三个滚轮组均能为驱动轮组，因此对爬升能力和越障能力的提升极为有利，机构的内力不大，对于提高滚轮的使用寿命极为有利。两个侧边支撑，双边对称布置，不存在扭转变形，负载能力更强。且重心位置对中，有利于爬升倾斜角度的缆索，同时，轴承受力对中，不易损坏，管径适应能力强，能全周向故障检测。

Description

一种应用于高空缆索的爬升机器人

技术领域

本实用新型涉及一种斜拉桥拉索检测机器人，具体的说，是涉及一种用于大跨斜拉桥拉索或其它高空杆类、输电线类结构故障检测的机器人，特别是一种应用于高空缆索的爬升机器人。

背景技术

现有技术中，高空缆索爬升机器人通常采用四个或者多个轮子，每个轮组均作为一个单独的悬挂，具有更好的柔性，有更好的越障能力，其基本原理是机构本身是刚性的，仅仅是把轮子的悬挂部分做成弹性的。

然而，上述多轮高空缆索爬升机器人，具有如下不足：

1、通常悬挂弹簧较短，当轮子遇到障碍时，即便很小的障碍会引起弹簧力较大的变化，对越障极为不利。

2、轮子间都是相互独立的，一个驱动轮机需要一个驱动电机；而且轮子数量较多，基本都是采用一个驱动轮，或者少数驱动轮，而主动轮与从动轮的越障能力是不可同日而语的，因此，实际的越障能力通常很差。另外，为提升爬升能力，增大滚轮与缆索间的正压力，机构内力很大，实际爬升过程中，轮子损坏非常严重，甚至爬升一个来回，轮子就损坏，对爬升能力影响也很大。这也是没有能够产生实际应用的根本原因所在。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种爬升及越障能力强，机构内力小，滚轮不易损坏，且重心稳定、不易脱轨的应用于高空缆索的爬升机器人。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种应用于高空缆索的爬升机器人，包括三个滚轮组和两个对称设置的侧边支撑，三个滚轮组呈三角形形状设置在侧边支撑的三个端点处；每个侧边支撑均包括一块横向连接板和与横向连接板中部相连接的一块竖向连接板，每个滚轮组均包括至少一个滚轮，每个滚轮组均能作为驱动轮组。

两块所述竖向连接板通过横梁相连接，两块竖向连接板和横梁构成一个呈H型的悬架。

还包括压紧弹簧，压紧弹簧的一端与横梁相连接，压紧弹簧的另一端通过连接杆与横向连接板相连接。

每个所述滚轮呈V字型或圆柱形。

当所述滚轮呈V字型时，每个滚轮均包括轮轴和同轴套装在轮轴外周的两个锥形轮，每个锥形轮的锥形母线为直线或弧线。

每个所述滚轮组均包括两个滚轮，两个滚轮之间通过履带相连接。

还包括下降限速装置，该下降限速装置与任意一个滚轮的轮轴轴端相连接，下降限速装置包括制动器外壳、制动器转子、离心弹簧和离心块，其中制动器转子、离心弹簧和离心块均设置在制动器外壳内，离心块与制动器转子相铰接，离心块与制动器转子之间设置有离心弹簧。

还包括下降限速装置，该下降限速装置与任意一个滚轮的轮轴轴端相连接，下降限速装置包括定子、叶轮、压紧弹簧、固定盘和球阀，定子和固定盘同轴套装在轮轴轴端的外周；固定盘邻近定子的一侧沿圆周方向设置有若干个锥形阀芯；定子从内向外依次设置有相互贯通的液压腔、内侧盲孔和外侧盲孔；液压腔内设置有套装在轮轴轴端上的叶轮；内侧盲孔内设置有球阀；外侧盲孔邻近固定盘的一端设置有与锥形阀芯相配合的锥形阀孔。

还包括障碍感应装置，障碍感应装置固定设置在爬升机构的顶部和/或底部，障碍感应装置包括至少两个感应开关，每个感应开关均包括探针和开关体，每根探针包括一段弧形探头和至少一根针阀，针阀的一端与弧形探头固定连接，针阀的另一端与开关体浮动连接，针阀能触动开关体中开关量信号的导通与断开；至少两段弧形探头同轴设置，且能围合形成一个环状结构。

每根所述针阀上均同轴设置有若干个球形触点，开关体内设置有与球形触点数量相等的球窝；球窝的容积大于球形触点的体积，当球形触点与球窝任一点接触时，均能触动开关体中开关量信号的导通。

本实用新型采用上述结构后，具有如下有益效果：

1.越障能力强：上述三个滚轮组，且呈三角形的设计，滚轮组对悬架或侧边支撑来说，是刚性的，且整个机构呈一种弹性机构，并不是对每个轮子单独进行弹性悬挂，故对越障极为有利；另外，三个滚轮组均能作为驱动轮组，因此对爬升能力和越障能力的提升极为有利，机构的内力不大，对于提高滚轮的使用寿命极为有利。

2.安装方便、负载能力强：上述两个侧边支撑，由于呈由于双边对称布置，不存在扭转变形，不存在刚度问题，负载能力更强，变形对称，不会出现脱轨或跌落安全事故。而且，重心位置对中，有利于爬升倾斜角度的缆索，同时，轴承受力对中，不易损坏。当反向安装时，机构能实现自锁。

3.动态制动下降：通过对锥形阀孔（也即阻尼孔）开口度的调节，实现对下降速度的调节，当机器人爬升不同倾角的缆索时，更具有实际的意义。流体阻尼，与机械式摩擦制动相比，热稳定性好，适合长时间，长距离制动，制动力不会衰减。另外，当采用第一种或第三种下降限速装置时，制动力的大小将能随下降速度的增加而增加，下降速度和制动力是一个动态平衡的过程，能够实现匀速或者近似匀速下降。

4.管径适应能力强：通过调整两个滚轮的间距来适应不同的管径，在机构的可调整范围内，缆索与滚轮中心距保持不变。即爬升不同外径缆索时，机构的姿态不变，能够保持弹簧力的恒定不变，这点对于稳定爬升尤为重要。

5.对于螺旋线的爬升，除了要求机器人要具有很强的越障能力，还要求机器人爬升机构具有很好的动力学特性。本申请中的双侧边支撑，动力学特性极佳，能够抵抗更大的冲击载荷。因此抗冲击能力更强。

7、结构简单，重量轻，有利于高空作业：两边固定架均为平面应力状态，因此仅为简单的板状零件，结构简单紧凑，尤其是连杆的固定架等部件的结构更加简单，整体重量更轻，零部件的更容易加工，制造成本也低。

8、上述障碍感应装置，能覆盖缆索整个外圆周，能对缆索外圆柱面进行360°全周向的故障检测，检测无死角。同时，感应开关碰到任何形状的障碍均能够被灵敏地触发，产生报警开关量信号。且整体结构小巧，可靠，重量轻，有利于高空作业。

附图说明

图1显示了本实用新型一种应用于高空缆索的爬升机器人的结构示意图；

图2显示了悬架的结构示意图；

图3显示了加装有下降限速装置的应用于高空缆索的爬升机器人的结构示意图；

图4显示了第一种下降限速装置的立体结构示意图；

图5显示了图4的纵向剖视图；

图6显示了图4中制动器转子的立体结构示意图；

图7显示了图4中离心块的立体结构示意图；

图8显示了第二种下降限速装置的结构示意图；

图9显示了图8中定子的剖面结构示意图；

图10显示了第三种下降限速装置的结构示意图；

图11显示了包含下降限速装置及障碍感应装置的应用于高空缆索的爬升机器人的示意图；

图12显示了障碍感应装置的立体结构示意图；

图13显示了感应开关的立体结构示意图；

图14显示了感应开关的立体剖面结构示意图；

图15显示了滚轮表面设置有条纹时的结构示意图；

图16显示了滚轮为可拆分的V字型时的结构示意图；

图17显示了每个滚轮组包括两个滚轮时的结构示意图；

图18显示了悬架、锥形轮、驱动电机和压紧弹簧相连接的结构示意图；

图19显示了横向连接板、锥形轮以及驱动电机相连接的结构示意图；

图20显示了应用于高空缆索的爬升机器人安装时的第一步安装步骤；

图21显示了应用于高空缆索的爬升机器人安装时的第二步安装步骤；

图22显示了应用于高空缆索的爬升机器人安装时的第三步安装步骤。

其中有：

1.悬架；11.竖向连接板；12.横梁；

2.竖向连接板；

3.滚轮；31.履带；32.轮轴；33.锥形轮；34.条纹；

4.下降限速装置；

41.悬架；42.增速器；43.制动器转子；44.离心块；45.离心弹簧；46.制动器外壳；

51.固定盘；511.锥形阀芯；512.调整螺栓；52.定子；521.液压腔；522.内侧盲孔；523.外侧盲孔；53.叶轮；54.压紧弹簧；55.锥形阀孔；56.球阀；57.转子；571.倾斜滑槽；58.惯性块；581.倾斜面；

6.障碍感应装置；

61.弧形探头；62.针阀；621.弧形触点；63.感应开关连接块；631.球窝；64.弹性连接块；641.弹性变形空腔；65.支架；

7.连接杆；

8.驱动电机；

9.压紧弹簧。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1、图3和图11所示，一种应用于高空缆索的爬升机器人，包括三个滚轮组、两个对称设置的侧边支撑、压紧弹簧9、下降限速装置4和障碍感应装置6。下降限速装置4和障碍感应装置6可以根据实际需要进行设置。

三个滚轮组呈三角形形状设置在侧边支撑的三个端点处。

如图1、图18和图19所示，每个侧边支撑均包括一块横向连接板2和与横向连接板2中部相连接的一块竖向连接板11。

每个滚轮组均能作为驱动轮组，每个滚轮组均连接有一个驱动电机8。

每个滚轮组均包括至少一个滚轮3。每个每个滚轮组优选包括两个滚轮3，两个滚轮3的外周包覆有履带31。当然，每个滚轮组还可包含3个或多个滚轮3。

上述多个滚轮的设置，越障能力更强、爬升能力更强、单个滚轮承受压力更小，有利于提高疲劳寿命。

当滚轮3呈V字型时，如图16所示，每个滚轮3均包括轮轴32和同轴套装在轮轴32外周的两个锥形轮33，每个锥形轮33的锥形母线为直线或弧线，锥形轮33的表面优选设置有条纹。

上述锥形轮33能够拆装，也即锥形轮33在轮轴32上的间距优选能够调节。因此，能够通过改变两侧锥形轮的间距适用不同缆索外径，同时可以保证缆索与滚轮的中心距不变。带来的直接好处就是：缆索外径变化时仅调整两个锥形轮间距即可，机构姿态保持不变，那么压紧弹簧的压紧力即可保持不变。

如图2所示，两块竖向连接板11通过横梁12相连接，两块竖向连接板11和横梁12构成一个呈H型的悬架1。

如图3所示，上述压紧弹簧9的一端与横梁12相连接，压紧弹簧9的另一端通过连接杆7与横向连接板2相连接。

上述三个滚轮组同时作为驱动轮，越障时优选控制方法如下：

正常爬升时，仅一个滚轮组作为驱动轮组，而当遇到障碍时，驱动轮组在缆索上出现打滑，从动轮组停止转动，通过编码器反馈，此时控制系统根据编码器反馈，对另外的驱动电机发出驱动指令，三个滚轮组同时驱动，越过障碍。障碍越过之后，数控系统根据编码器反馈信号，再采用单轮驱动方式进行爬升。

不仅如此，当多组滚轮越障时，引起机构内压紧弹簧长度的变化也相应减小一半，弹簧力也更为稳定。不至于越障时，弹簧力变化过大。

每个上述滚轮3可以呈V字型，也可为圆柱形。滚轮3的表面可以为光面，优选，滚轮3的表面设置有如图15所示的条纹。

上述下降限速装置4可以与任意一个滚轮3的轮轴轴端相连接。

下降限速装置4有如下三种优选实施例。

实施例1

如图4、图5、图6和图7所示，下降限速装置包括悬架41、增速器42、制动器外壳46、制动器转子43、离心弹簧45和离心块44。

其中制动器转子、离心弹簧和离心块均设置在制动器外壳内，离心块与制动器转子相铰接，离心块与制动器转子之间设置有离心弹簧。

固定架设置在增速器的左侧，并套装在轮轴轴端上，轮轴轴端与增速器的左侧输入端固定连接，增速器的输出轴端与制动器转子固定连接。其中，增速器可以根据实际需要进行设置，可以没有。

当转速低时，惯性力较小，在弹簧力作用下，离心块压在制动器转子上，不起制动作用。随着转速增加，惯性力增大，克服弹簧力的约束，离心块向外甩，压在制动器外壳上，转速越高压力越大，起到动态限速的作用。

实施例2

如图8和图9所示，下降限速装置包括定子52、叶轮53、压紧弹簧54、固定盘51、球阀56、增速器42和调整螺栓512。增速器可以根据实际需要进行设置，可以没有。

增速器42、定子52、固定盘51和调整螺栓512依次同轴套装在轮轴轴端21的外周。

固定盘51邻近定子52的一侧沿圆周方向设置有若干个锥形阀芯511，优选为2个。

如图10所示，定子52从内向外依次设置有相互贯通的液压腔521、内侧盲孔522和外侧盲孔523；液压腔521内设置有套装在轮轴轴端21上的叶轮53。内侧盲孔522内设置有球阀56。外侧盲孔523邻近固定盘的一端设置有与锥形阀芯511相配合的锥形阀孔55。

通过对锥形阀孔55（也即阻尼孔）开口度的调节，实现对下降速度的调节，当机器人爬升不同倾角的缆索时，更具有实际的意义。

实施例3

如图11所示，下降限速装置除了包括实施例2中的所有部件外，还包括转子57和惯性块58。转子57套装在位于固定盘51右侧的轮轴轴端21上。转子的左侧沿圆周方向设置有若干个倾斜滑槽571，每个倾斜滑槽571内设置有一个惯性块58，每个惯性块58均具有一个与倾斜滑槽571相配合的倾斜面581。

流体流经上述阻尼孔时，产生阻力，阻力的大小与阻尼孔的开口度相关。上升时，流体经过内侧盲孔，从钢球的右侧流向左侧，阻尼孔不起作用。下降时，内侧盲孔被钢球（弹簧力的作用）截断，流体通过外侧盲孔，经过阻尼孔，自左侧向右侧流通，流体流经阻尼孔时产生制动阻力。

在压紧弹簧弹簧力的作用下，固定盘推动惯性块的左侧断面，压紧在转子上并靠向中心位置，惯性块右侧的倾斜面与转子的倾斜滑槽相配。当芯轴速度提高时，惯性块由于离心力的作用，会向外“甩”，由于倾斜面的存在，惯性块会产生两个方向的运动：1、向外甩；2、向左的滑动。向左的运动将压紧弹簧“压缩”，此时离心力的水平分力与弹簧力相平衡，随着速度的增加，固定盘向左运动，进而阻尼孔的开口度会变小，流体流经阻尼孔时的阻力会变大。即实现了下降制动力随着下降速度的变化而动态变化。

爬升过程中，流体经内侧盲孔，自右侧向左通过钢球流通，不产生任何阻力。

下降过程中，芯轴带动叶轮反转，流体自左向右，弹簧压紧钢球将内侧盲孔封死。流体经外侧盲孔，流体流经阻尼孔，产生阻力，下降速度越快，阻尼孔开口度越小，阻力越大。

下降过程中，如果速度继续增大，在惯性块离心力水平分力推动下，固定盘继续向左侧移动，阻尼孔被封死。

当阻尼孔被封死后，阻力瞬间急剧增大，下降速度降低，惯性块离心力水平分力减小，固定盘右移，阻尼孔开口度增大，阻力变小，下降速度增加，惯性力分离加大，阻尼孔开口度再度减小（封死），循环往复，实现动态调整，最终达到恒定速度下降。

上述障碍感应装置6可以固定设置在爬升机构的顶部，也可设置在爬升机构的底部，也可同时设置在爬升机构的顶部和底部。

如图12、图13和图14所示，障碍感应装置6包括至少两个感应开关和一个支架，感应开关的数量优选为三个。

支架包括圆环和沿圆环周向固定设置的若干个连接件，感应开关优选固定在圆环上。连接件的另一端固定在爬升机器人上。

每个感应开关均包括探针和开关体。

探针有如下两种优选实施例。

实施例1：每根探针包括一段弧形探头和一根针阀。

实施例2：每根探针包括一段弧形探头和两根相互平行设置的针阀。

作为替换，针阀的数量还可以是3根或3根以上，均在本申请的保护范围之内。

上述每根针阀的一端与弧形探头固定连接，优选针阀的顶端与弧形探头的中部固定连接。

针阀的另一端与开关体浮动连接，针阀能触动开关体中开关量信号的导通与断开。

上述弧形探头均同轴设置，且能围合形成一个环状结构。优选，弧形探头的首尾相互拼接，形成一个圆环。作为替换，弧形探头的首尾之间也可仅为相互靠近无拼接关系，或者弧形探头不同心设置，但同轴设置，弧形探头的首尾之间有重合等，也均在本申请的保护范围之内。

弧形探头围合形成的环状结构，能覆盖缆索整个外圆周，能对缆索外圆柱面进行360°全周向的故障检测，检测无死角。

每根针阀上均同轴设置有若干个球形触点，优选为两个。

开关体包括感应开关连接块和同轴固定设置在感应开关连接块两端的两个弹性连接块。每个弹性连接块内优选均设置有弹性变形空腔。

感应开关连接块内同轴设置有与球形触点数量相等的球窝；球窝的容积大于球形触点的体积。因此，在感应开关未触碰到障碍时，球形触点能位于球窝的正中心，而不与球窝接触。

当球形触点与球窝任一点接触时，均能触动开关体中开关量信号的导通。

上述针阀与弹性连接块固定连接，针阀与感应开关连接块间能进行浮动的弹性支承连接，在弹性连接块的弹性支承作用下能实现空间6个自由度的运动，这就保证了探针在任意位置碰触到任意形状的障碍时，球形触点能够在任意位置以任意姿态与感应开关连接块内部的球窝接触，产生开关量信号。

本实用新型的应用于高空缆索的爬升机器人，拆装方便，安装方法优选如下：

1、如图20所示，将横向连接板2，两个滚轮组卡合在缆索上；

2、如图21所示，将开口销等方便地插入轮轴的小孔内；

3、如图22所示，将整个悬架上部装配体（事先已安装好的）作为一个整体与步骤1、2装配好的部分拼接好（此时压紧弹簧未被压紧），然后插入销轴将悬架与两块横向连接板2铰接，拧紧螺栓将连接杆与两块横向连接板2固定，调整压紧螺栓，给机构施加压紧力。

由于上述压紧弹簧事先被预紧，因此，压紧过程仅需将压紧螺栓拧很少的几圈即可以提供足够的压紧力，调整方便，劳动强度很小。

以上详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种应用于高空缆索的爬升机器人，其特征在于：包括三个滚轮组和两个对称设置的侧边支撑，三个滚轮组呈三角形形状设置在侧边支撑的三个端点处；每个侧边支撑均包括一块横向连接板和与横向连接板中部相连接的一块竖向连接板，每个滚轮组均包括至少一个滚轮，每个滚轮组均能作为驱动轮组。

2.根据权利要求1所述的应用于高空缆索的爬升机器人，其特征在于：两块所述竖向连接板通过横梁相连接，两块竖向连接板和横梁构成一个呈H型的悬架。

3.根据权利要求2所述的应用于高空缆索的爬升机器人，其特征在于：还包括压紧弹簧，压紧弹簧的一端与横梁相连接，压紧弹簧的另一端通过连接杆与横向连接板相连接。

4.根据权利要求1所述的应用于高空缆索的爬升机器人，其特征在于：每个所述滚轮呈V字型或圆柱形。

5.根据权利要求4所述的应用于高空缆索的爬升机器人，其特征在于：当所述滚轮呈V字型时，每个滚轮均包括轮轴和同轴套装在轮轴外周的两个锥形轮，每个锥形轮的锥形母线为直线或弧线。

6.根据权利要求1所述的应用于高空缆索的爬升机器人，其特征在于：每个所述滚轮组均包括两个滚轮，两个滚轮之间通过履带相连接。

7.根据权利要求1所述的应用于高空缆索的爬升机器人，其特征在于：还包括下降限速装置，该下降限速装置与任意一个滚轮的轮轴轴端相连接，下降限速装置包括制动器外壳、制动器转子、离心弹簧和离心块，其中制动器转子、离心弹簧和离心块均设置在制动器外壳内，离心块与制动器转子相铰接，离心块与制动器转子之间设置有离心弹簧。

8.根据权利要求1所述的应用于高空缆索的爬升机器人，其特征在于：还包括下降限速装置，该下降限速装置与任意一个滚轮的轮轴轴端相连接，下降限速装置包括定子、叶轮、压紧弹簧、固定盘和球阀，定子和固定盘同轴套装在轮轴轴端的外周；固定盘邻近定子的一侧沿圆周方向设置有若干个锥形阀芯；定子从内向外依次设置有相互贯通的液压腔、内侧盲孔和外侧盲孔；液压腔内设置有套装在轮轴轴端上的叶轮；内侧盲孔内设置有球阀；外侧盲孔邻近固定盘的一端设置有与锥形阀芯相配合的锥形阀孔。

9.根据权利要求1所述的应用于高空缆索的爬升机器人，其特征在于：还包括障碍感应装置，障碍感应装置固定设置在爬升机构的顶部和/或底部，障碍感应装置包括至少两个感应开关，每个感应开关均包括探针和开关体，每根探针包括一段弧形探头和至少一根针阀，针阀的一端与弧形探头固定连接，针阀的另一端与开关体浮动连接，针阀能触动开关体中开关量信号的导通与断开；至少两段弧形探头同轴设置，且能围合形成一个环状结构。

10.根据权利要求9所述的应用于高空缆索的爬升机器人，其特征在于：每根所述针阀上均同轴设置有若干个球形触点，开关体内设置有与球形触点数量相等的球窝；球窝的容积大于球形触点的体积，当球形触点与球窝任一点接触时，均能触动开关体中开关量信号的导通。