CN205219121U - 一种攀爬巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于机器人技术领域，提供了一种攀爬巡检机器人，包括机身、机械手、机械爪、机身电机、第一关节电机、第二关节电机、第三关节电机、控制所述机械爪旋转的旋转电机和控制所述机械爪张开合拢的夹紧电机；所述机身具有一个机身关节，所述机身电机置于所述机身关节处；所述机械手具有第一关节、第二关节和第三关节，且可运动地固设于所述机身上，所述第一、第二、第三关节电机分别置于所述机械手的第一、第二和第三关节处；所述机械爪可运动地固设于所述机械手上，所述旋转电机和所述夹紧电机置于所述机械爪上。所述的攀爬巡检机器人能实现多个自由度的运动，使得攀爬巡检机器人能适应不同输电线铁塔的攀爬。

Description

一种攀爬巡检机器人

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，尤其涉及一种攀爬巡检机器人。

背景技术

随着国民经济的快速发展，国家对电网的建设也在快速增加，在电网数量增加的同时，国家对供电稳定性及可靠性的要求也越来越高，高压输电线路是电力系统的动脉，其安全运行越来越受到各级部门的重视。输电线路不仅要承受固有的机械载荷和电力负荷的内部压力，而且还要经受自然环境的各种外部侵害以及人为地破坏。同时，随着时间的日积月累，势必会造成线路上出现各种故障，比如，接触电阻增大、导线断股、避雷线断裂、杆塔倾斜、绝缘子闪烁、金具脱落等，如不及时发现和消除，将会对电力系统构成灾难性的后果。因此，需要定期对输电线路及其附件进行检修维护，以确保输电线路的安全可靠运行。

目前国内高压输电线路的检修和维护基本上采用人工攀爬铁塔的方式，由检修人员携带检修维护工具完成各项检修工作。由检修人员攀爬输电铁塔不仅需要消耗大量的体力，影响工作效率，且检修人员的安全也很难得到保障。目前也有采用机器人攀爬铁塔进行检修作业的，但目前存在的输电铁塔有多种形式，比如，角钢和圆管，且不同的角钢和圆管的尺寸不一样，同一机器人很难适应各种形式的输电铁塔的攀爬。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题旨在提供一种能灵活攀爬各种形式的输电铁塔的攀爬巡检机器人。

本实用新型是这样实现的，一种攀爬巡检机器人，包括机身和机械手，所述攀爬巡检机器人还包括机械爪、机身电机、第一关节电机、第二关节电机、第三关节电机、控制所述机械爪旋转的旋转电机和控制所述机械爪张开合拢的夹紧电机；所述机身具有一个机身关节，所述机身电机置于所述机身关节处；

所述机械手具有第一关节、第二关节和第三关节，且可运动地固设于所述机身上，所述第一、第二、第三关节电机分别置于所述机械手的第一、第二和第三关节处；

所述机械爪可运动地固设于所述机械手上，所述旋转电机和所述夹紧电机置于所述机械爪上。

进一步地，所述攀爬巡检机器人还包括用于拍摄攀爬的铁塔、附近的输电电线以及自身的运动状态的高清云台摄像机，所述高清云台摄像机置于机身上。

进一步地，所述机械爪包括第一排机械手指和第二排机械手指，所述第一、第二排机械手指上下设置且能相互咬合，所述第一、第二排机械手指均具有至少一个机械手指。

进一步地，所述第一、第二排机械手指上的每一个机械手指的内侧均具有不同弧度的圆弧，所述第一排机械手指其中的一个机械手指与其咬合后的所述第二排机械手指中相邻的一个机械手指构成剪刀。

进一步地，所述机械爪还包括剪切刀片，所述剪切刀片可拆卸地固设于所述第一、第二排机械手指上，所述剪切刀片上具有间隔设置的刀刃和防护块。

进一步地，所述夹紧电机具有转动轴，所述机械爪还包括第一直齿轮、第二直齿轮和锥齿轮组，所述锥齿轮组与所述夹紧电机的转动轴传动连接，且其中一个锥齿轮与所述第一、第二直齿轮中的一个同轴；所述第一直齿轮可转动地固设于所述第一排机械手指上，所述第二直齿轮可转动地固设于所述第二排机械手指上，且所述第一直齿轮与所述第二直齿轮相啮合。

进一步地，所述机械爪还包括用于近距离拍摄巡检过程的目标物体的摄像头，所述摄像头固设于机械爪的根部。

进一步地，所述机械爪还包括超声测距仪和激光扫描仪，所述超声测距仪和激光扫描仪固设于机械爪的根部。

进一步地，所述机械爪还包括第一齿轮和第二齿轮，所述旋转电机具有旋转轴，所述旋转轴与所述第一齿轮传动连接；所述第二齿轮固设于所述机械爪与所述机械手的连接处，且与所述第一齿轮相啮合。

进一步地，所述机械手和所述机械爪均为四个。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：所述的攀爬巡检机器人通过将机械手可运动地固设于机身上，机械爪可运动地固设于机械手上，机身和机械手上的每个关节通过电机控制，且机械爪可以旋转和夹紧，可以实现多个自由度的运动，使得攀爬巡检机器人能适应不同输电线铁塔的攀爬。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的攀爬巡检机器人的结构示意图；

图2是图1中机械爪的结构示意图；

图3是图2的内侧面结构示意图；

图4是图1中机械爪夹紧电机部分结构的剖面示意图；

图5是图4的俯视结构示意图；

图6是图1中机械爪旋转电机部分结构的剖面示意图；

图7(a)-7(f)是攀爬巡检机器人仿人攀爬的示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

结合图1至图6所示，为本实用新型一较佳的实施例，一种攀爬巡检机器人，包括机身10、机械手20、电池(未在图中标示出)、机械爪30、机身电机401、第一关节电机(未在图中标示出来)、第二关节电机402、第三关节电机403、控制机械爪30旋转的旋转电机404和控制机械爪30张开合拢的夹紧电机405。电池置于机身10上，电池可以为锂电池，用于为攀爬巡检机器人提供能量。机身10具有一个机身关节101，机身电机401置于机身关节101处。机械手20具有第一关节201、第二关节202和第三关节203，且可运动地固设于机身10上，第一关节电机、第二关节电机402和第三关节电机403分别置于机械手20的第一、第二和第三关节201、202、203处。机械爪30可运动地固设于机械手20上，旋转电机404和夹紧电机405置于机械爪30上。优选的，机械爪30可以采用快速卡紧机械与机械手20相连接，从而实现机械爪30的快速装拆。

本实施例中机械手20有四个，机身10和机械手20组合后共有13个关节，13个自由度，即机身10有一个关节，每个机械手20有三个关节。相对应地，机械爪30也为四个，机械爪30有两个自由度，分别为旋转和抓紧。

第一关节电机和第二关节电机402为蜗轮蜗杆减速直流电机，用于实现机身10弯曲和机械手20的摆动，蜗轮蜗杆具有自锁机构，可以在机器人保持某种姿态时使用自锁力而不需要电机提供扭矩，从而能节省电能。第三关节电机403、旋转电机404和夹紧电机405为行星减速直流电机。

攀爬巡检机器人还包括高清云台摄像机50，高清云台摄像机50置于机身10上且位于机器人的头部，用于拍摄攀爬的铁塔、附近的输电电线以及自身的运动状态。

如图2和图3所示，机械爪30包括第一排机械手指301和第二排机械手指302，第一、第二排机械手指301、302上下设置且能相互咬合。第一排机械手指301具有若干机械手指3011，第二排机械手指302具有若干机械手指3021。第一、第二排机械手指301、302上的每一个机械手指3011、3021的内侧均具有不同弧度的圆弧，例如：可以为小圆弧303、中圆弧304和大圆弧305，大圆弧305内具有若干凸齿3051，第一排机械手指301其中的一个机械手指3011与其咬合后的第二排机械手指302中相邻的一个机械手指3021构成剪刀。若干凸齿3051设计成类似剪刀的刀刃，四个机械手指可组成两把剪刀，实现剪切功能，通过控制伺服电机的速度和扭矩，可以在抓取模式和剪切模式之间进行切换，抓取模式的速度较快，夹紧力较小，剪切模式夹紧力大。攀爬巡检机器人在执行作业的过程中，可以用机械手指剪断树枝、塑料等小物体。

本实施例中，每个机械爪30上的第一排机械手指301有两个机械手指3011，第二排机械手指302有两个机械手指3021。机械手指3011、3021上设计的小圆弧303、中圆弧304和大圆弧305的结构，可以实现直径10mm到240mm之间圆管的夹紧，或L40mm×3到L200mm×16之间尺寸的角钢的夹紧。大圆弧305内的凸齿3051的作用在于，在夹紧圆管时可以增加摩擦力，在夹紧角钢时可以将角钢的棱角卡入齿内，防止角钢窜动，让夹紧更加牢固可靠，且在抓紧时，通过调整角度，可以适应不同大小的角钢。

机械爪30还包括剪切刀片306，剪切刀片306可拆卸地固设于第一、第二排机械手指301、302的末端上，剪切刀片306上具有间隔设置的刀刃3062和防护块3061，可以实现类似牙齿咬断物体的功能，其中，刀刃3062用于剪切物体，而防护块3061用于防止刀刃3062误切钢管。剪切刀片306在实际使用时可以根据应用场景的需要临时安装或拆卸。

结合图4至图5所示，夹紧电机405具有转动轴4051，机械爪30还包括第一直齿轮311、第二直齿轮312和锥齿轮组310。锥齿轮组310与夹紧电机405的转动轴4051传动连接且其中一个锥齿轮与第一、第二直齿轮311、312中的一个同轴。第一直齿轮311可转动地固设于第一排机械手指301上，第二直齿轮312可转动地固设于第二排机械手指302上，且第一直齿轮311与第二直齿轮312相啮合。夹紧电机405采用伺服电机，可以精确地控制抓紧力度。

如图6所示，机械爪30还包括第一齿轮313和第二齿轮314，旋转电机404具有旋转轴4041，旋转轴4041与第一齿轮313传动连接；第二齿轮314固设于机械爪30与机械手20的连接处，且与第一齿轮313相啮合。

机械爪30还包括摄像头308、超声测距仪307和激光扫描仪309。摄像头308固设于第一、第二排机械手指301、302的根部，用于近距离观察目标物体，并在巡检过程中实现近距离、变换角度拍摄问题所在点，同时，可以实时地拍摄将要抓取的角钢或钢管，以方便人工控制操作和图像识别人工智能的实现。超声测距仪307和激光扫描仪309也固设于第一、第二排机械手指301、302的根部，超声测距仪307用于测量机械爪30到目标之间的距离。激光扫描仪309用于测量机械爪30要抓取的目标的尺寸、形状等。

攀爬巡检机器人的控制系统包括驱动控制电路、视频处理模块、无线通信模块、电池等。控制系统主要能实现机器人的运动控制，下位机用微机控制技术，根据上位机的指令控制机器人的运动，同时通过传感器获取环境信息，进行处理并传到上位机。所述的攀爬巡检机器人采用多种成熟算法并结合新型算法，以实现对机器人的机构运动进行精确控制，使机器人能平稳、流畅、可靠地实现多种形式的攀爬动作，同时能在特殊情况下，比如在出现运动卡死时，及时进行自我保护并报警。

在具体操作时，远程控制终端的上位机采用嵌入式技术方案，上位机处理器能集成人工智能算法，并配合大尺寸高亮度的显示屏，以适应不同的户外环境。操作界面采用人性化图形设计，配合灵活的控制手柄，可以实现通过实体按钮、虚拟触摸按键等用无线通信的方式控制攀爬巡检机器人，操作方便，稳定可靠。

本实用新型的攀爬巡检机器人可以模仿人的攀爬姿态，攀爬巡检机器人的四个机械手20可以模拟人的四肢，从而实现模拟人的动作进行攀爬铁塔，攀爬步态原理如图7(a)-7(f)所示。在攀爬铁塔根部的大直径圆管或者角钢时，可以模仿人的动作，“踩”着脚钉向上攀爬。在塔的中部和上部时，可以在塔的内部攀爬，塔外部的四周的平面攀爬，还可以攀爬横担。

输电铁塔的结构中有四根主力杆，通常为大直径圆管或者大尺寸角钢，上面每间隔400mm左右设置有用于人攀爬的脚钉。以大圆管作为攀爬的例子，攀爬巡检机器人(简称机器人)的攀爬步态为：攀爬动作周期的初始状态，机器人的四个机械手20都抓紧在脚钉上，机械爪30用小圆弧303抓紧脚钉。紧接着，机器人左后机械手的机械爪30松开，通过机械手20中第二关节电机402和第三关节电机403驱动手臂抬起，通过第一关节电机驱动手臂往前移动。移动的距离能根据预先设定的脚钉距离以及人工智能算法计算的距离确定，机械手20将机械爪30伸到下一个脚钉附近。然后，机器人左后机械手20移动到下一个脚钉附近，通过人工智能自主抓紧算法，机械手20自主定位并抓紧脚钉。右前手松开前移并抓紧前方下一个脚钉，右后手松开前移并抓紧前方下一个脚钉。左前手松开前移并抓紧前方下一个脚钉。以此周期步态重新开始向前攀爬。

攀爬脚钉时，铁塔靠近地面部分圆管或者角钢的尺寸大且辅助杆件间隔远，机械人一般通过夹紧脚钉模仿人往上攀爬，通过机械爪30的小圆弧303可以可靠地夹紧脚钉，由于脚钉之间的间距已经标准化，因此能够实现自动攀爬。

攀爬塔外部平面杆时，铁塔的主力杆之间有小圆管或者小尺寸角钢连接形成杆件平面，机器人从脚钉往上攀爬到一定高度后，可进入塔外平面攀爬，以便到指定位置执行特定的任务。

攀爬铁塔内部空间时，机器人除了攀爬脚钉，攀爬铁塔外部平面杆，还可以从内部攀爬，内部杆件三维空间上的分布比较复杂，机器人四个机械手20仍可以模仿人或者其它动物的动作，在塔内穿行，可以通过高清摄像头检测杆件之间的连接状态是否正常等。

攀爬横担时，在输电铁塔巡检过程中，常常要到铁塔的横担部位近距离检测绝缘子的状态。机器人可以倒挂在横担上移动，用高清摄像头和热红外成像仪检测绝缘子以及附近导线的状态。

攀爬单杆时，大型的输电铁塔靠近地面部位，主力杆之间的杆件节点距离远，杆的长度长、间距远，需要机器人实现单根杆上进行攀爬，从一个节点攀爬到另一个节点。

攀爬巡检机器人的应用场景举例：

鸟巢等物体的拆除：杆塔横担悬垂绝缘子上方发现鸟巢或其它物体时，由于位置特殊，人无法接近，机器人可以攀爬上塔，到鸟巢位置进行带电拆除。根据鸟巢的不同位置，可以采取不同的拆除方案：(1)鸟巢位置处在输电导线的下方时，拆除时树枝不会落到导线上，机器人可以直接用机械爪30抓取整个鸟巢，快速把树枝扔向地面。(2)鸟巢在导线上方，如果大尺寸的树枝落到电线附近将会导致放电，存在安全隐患。机器人可以用机械爪30将鸟巢树枝剪成小尺寸的树枝使其落下，逐步拆除鸟巢。

发热、放电的检测：输电导线由于老化等原因，存在局部过热，绝缘子由于老化或者损坏等可能会导致放电，造成输电安全事故隐患。由人工在地面上测温不精确，当塔周围树木较多时，也无法进行无人机拍摄。安排机器人上塔进行巡检，用高清云台摄像机50拍摄可能存在隐患的导线和绝缘子的图片，用红外热成像仪对发热进行分析，并采用图像算法，可以自动判断是否存在过热的现象，当发现过热部位，控制系统会自动报警。相对人巡检，机器人巡检更准确可靠，效率高。

本实用新型的攀爬巡检机器人通过将机械手20可运动地固设于机身10上，机械爪30可运动地固设于机械手20上，且机械手可以旋转和夹紧，从而实现多个自由度的运动，使得攀爬巡检机器人可以灵活地变换各种姿态，适应各种攀爬的工况环境。采用高清云台摄像机50，能满足视频巡检的要求，机械爪30上配置的全景摄像头308，可以近距离观察目标，同时采用红外热成像仪对导线进行巡检，能准确快速地找到过热点和放电位置。四个机械手20及四个机械爪30的设置，除了用于攀爬，其中的一个或者两个可以用于执行作业任务，从而达到巡检与维修的同步，提高工作效率。攀爬巡检机器人采用无线模式进行通信和电池进行供电，可以摆脱有线通信和供电的限制，使得机器人在执行作业时行走得更加灵活，无线通信能实现远距离控制机器人，进行远程巡检。

该攀爬巡检机器人除了应用于铁塔攀爬外，在机器人的机身10上配置不同的传感器和负载设备，可以用于其它领域，如军事侦察、安全巡逻、地下管道作业、石油核电巡检等。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种攀爬巡检机器人，包括机身和机械手，其特征在于，所述攀爬巡检机器人还包括机械爪、机身电机、第一关节电机、第二关节电机、第三关节电机、控制所述机械爪旋转的旋转电机和控制所述机械爪张开合拢的夹紧电机；所述机身具有一个机身关节，所述机身电机置于所述机身关节处；

所述机械手具有第一关节、第二关节和第三关节，且可运动地固设于所述机身上，所述第一、第二、第三关节电机分别置于所述机械手的第一、第二和第三关节处；

所述机械爪可运动地固设于所述机械手上，所述旋转电机和所述夹紧电机置于所述机械爪上。

2.根据权利要求1所述的攀爬巡检机器人，其特征在于，所述攀爬巡检机器人还包括用于拍摄攀爬的铁塔、附近的输电电线以及自身的运动状态的高清云台摄像机，所述高清云台摄像机置于机身上。

3.根据权利要求1或2所述的攀爬巡检机器人，其特征在于，所述机械爪包括第一排机械手指和第二排机械手指，所述第一、第二排机械手指上下设置且能相互咬合，所述第一、第二排机械手指均具有至少一个机械手指。

4.根据权利要求3所述的攀爬巡检机器人，其特征在于，所述第一、第二排机械手指上的每一个机械手指的内侧均具有不同弧度的圆弧，所述第一排机械手指其中的一个机械手指与其咬合后的所述第二排机械手指中相邻的一个机械手指构成剪刀。

5.根据权利要求3所述的攀爬巡检机器人，其特征在于，所述机械爪还包括剪切刀片，所述剪切刀片可拆卸地固设于所述第一、第二排机械手指上，所述剪切刀片上具有间隔设置的刀刃和防护块。

6.根据权利要求3所述的攀爬巡检机器人，其特征在于，所述夹紧电机具有转动轴，所述机械爪还包括第一直齿轮、第二直齿轮和锥齿轮组，所述锥齿轮组与所述夹紧电机的转动轴传动连接，且其中一个锥齿轮与所述第一、第二直齿轮中的一个同轴；所述第一直齿轮可转动地固设于所述第一排机械手指上，所述第二直齿轮可转动地固设于所述第二排机械手指上，且所述第一直齿轮与所述第二直齿轮相啮合。

7.根据权利要求1所述的攀爬巡检机器人，其特征在于，所述机械爪还包括用于近距离拍摄巡检过程的目标物体的摄像头，所述摄像头固设于机械爪的根部。

8.根据权利要求1或7所述的攀爬巡检机器人，其特征在于，所述机械爪还包括超声测距仪和激光扫描仪，所述超声测距仪和激光扫描仪固设于机械爪的根部。

9.根据权利要求1所述的攀爬巡检机器人，其特征在于，所述机械爪还包括第一齿轮和第二齿轮，所述旋转电机具有旋转轴，所述旋转轴与所述第一齿轮传动连接；所述第二齿轮固设于所述机械爪与所述机械手的连接处，且与所述第一齿轮相啮合。

10.根据权利要求1所述的攀爬巡检机器人，其特征在于，所述机械手和所述机械爪均为四个。