WO2021022906A1 - 握杆机构和载人爬杆作业平台 - Google Patents

握杆机构和载人爬杆作业平台 Download PDF

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吴少雷
王�琦
唐旭明
单晓锋
高山
韩先国
史梦迪
冯玉
刘阳
郭祥
甄武东
王万成
张明帅
侯强强
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国网安徽省电力有限公司淮南供电公司
国网安徽省电力有限公司电力科学研究院
淮南市瑞雪智能科技有限公司
国家电网有限公司
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Abstract

一种载人爬杆作业平台及其握杆机构,该握杆机构包括悬臂和末端握杆机械手,该末端握杆机械手包括:前卡爪(321)、后卡爪(322)、正丝螺杆(371)、反丝螺杆(372)、以及预紧装置(380),其中,前卡爪(321)和后卡爪(322)与悬臂通过支点转轴铰接,预紧装置(380)被配置为驱动正丝螺杆(371)和反丝螺杆(372)同步转动,正丝螺杆(371)与前卡爪(321)二者通过前推力螺母复合转轴(361)铰接,反丝螺杆(372)与后卡爪(322)二者通过后推力螺母复合转轴(362)铰接,其中,前卡爪(321)和后卡爪(322)可相对打开或闭合。

Description

握杆机构和载人爬杆作业平台
本公开要求在2019年08月02日提交中国专利局、申请号为201910712834.8和201910716283.2的中国专利申请的优先权,以上申请的全部内容通过引用结合在本公开中。
技术领域
本申请涉及在杆类、柱状的物体进行上下攀爬的作业平台,尤其涉及一种载人爬杆作业平台和用于载人爬杆作业平台的握杆机构,以代替常用登杆工具“脚扣”。
背景技术
在电力行业,登杆塔作业对电力线路进行维修的工作是不可缺少的一个环节,其标准化操作直接关系到作业人员的人身安全与电力系统的安全运行。特别是近年来登杆作业人身伤亡事故频发。
相关技术中,使用最普遍的登杆工具是脚扣。
(1)脚扣在正式使用时一定要对登杆人员进行专业培训。因要使用者找准力的转换平衡才可,登高者的左右脚的上下转换全靠作业者找准力的平衡来实现登高的;
(2)脚扣能否扣紧电杆完全由作业者自己掌握,全由个人的经验来判断,安全可靠性低;
(3)脚扣的登杆方式的劳动强度高,站立时间短,体力耗费大,容易造成疲劳。这使登高作业者在作业时感觉沉重,心理恐慌,容易造成作业精力不集中,从而出现事故。
相关技术中,有多种替代人工登杆进行危险作业的爬杆装置,其按照爬杆方式分为尺蠖式和滚轮式。滚轮式爬杆的主要特点是通过滚轮主动施加对圆柱杆的正压力,由此产生摩擦力克服重力。尺蠖式爬杆的主要特点是上下端交替夹紧放松,通过连接部分的移动或旋转实现攀爬。
对于复杂工况,仍需要载人爬杆作业。与非载人爬杆相比,载人爬杆需要携带的负载很大、安全可靠性要求苛刻。
发明内容
本申请提供一种握杆机构,用于载人爬杆作业平台,以代替常用登杆工具脚扣,并且提供足够握杆力。
本申请还提供一种载人爬杆作业平台,以代替常用登杆工具脚扣,并且提供足够握杆力。
本申请一方面提供了一种握杆机构,用于载人爬杆作业平台,所述握杆机构包括悬臂和末端握杆机械手,所述末端握杆机械手包括:前卡爪、后卡爪、前支点转轴、后支点转轴、以及握杆组合驱动件,
所述握杆组合驱动件包括前推力螺母复合转轴、后推力螺母复合转轴、正丝螺杆、反丝螺杆、以及预紧装置,其中,所述前卡爪与悬臂二者通过所述前支点转轴铰接,所述后卡爪与所述悬臂二者通过所述后支点转轴铰接,
所述预紧装置被配置为驱动所述正丝螺杆和所述反丝螺杆同步转动,所述正丝螺杆与所述前卡爪二者通过所述前推力螺母复合转轴铰接,所述反丝螺杆与所述后卡爪二者之间通过所述后推力螺母复合转轴铰接,
其中,所述前卡爪和所述后卡爪可相对打开或闭合,以脱离或夹持杆体。
根据本申请的另一方面,提供了一种载人爬杆作业平台,所述载人爬杆作业平台包括主机、左躯干、右躯干、升降执行机构、位于所述左躯干上的握杆机构、以及位于所述右躯干上的握杆机构,
所述升降执行机构包括由主机驱动的双链轮、上兜链、下兜链、固定连接至所述左躯干上左滑轨、固定连接至所述右躯干上右滑轨、以及与所述左滑轨和所述右滑轨分别配合的滑座,
所述上兜链和下兜链与所述双链轮啮合,其中,所述上兜链的两端分别连接至所述左躯干的上端部和所述右躯干的上端部,所述下兜链的两端分别连接至所述左躯干的下端部和所述右躯干的下端部,所述双链轮能够自由转动地支撑在所述滑座上,所述主机驱动所述双链轮作旋转运动,
其中,所述左躯干和所述右躯干二者之一被配置为通过所述握杆机构抱紧在杆体上,所述左躯干和所述右躯干二者中的另一个由所述升降执行机构驱动上升,所述左躯干和所述右躯干二者交替动作,以实现所述主机的爬升,
其中,所述握杆机构为如上所述的握杆机构。
附图说明
图1是根据本申请的载人爬杆作业平台的结构示意图一;
图2是根据本申请的载人爬杆作业平台的结构示意图二;
图3是根据本申请的载人爬杆作业平台的抱杆执行机构的结构示意图一;
图4a至图4c是根据本申请的载人爬杆作业平台的抱杆执行机构的结构示意图二;
图5是根据本申请的载人爬杆作业平台的抱杆执行机构的内部结构示意图一;
图6是根据本申请的载人爬杆作业平台的抱杆执行机构的内部结构示意图二;
图7a至图7c示出了根据本申请的载人爬杆作业平台的抱杆执行机构的爬升过程,其中,图7a示出了右躯干在下的状态;图7b示出了右躯干提升至与左躯干齐平的状态;图7c示出了右躯干提升至左躯干上方的状态;
图8示出了根据本申请的载人爬杆作业平台的抱杆执行机构的横截面示意图;
图9a至图9c示出了根据本申请的载人爬杆作业平台的爬杆过程,其中,图9a示出了左躯干在下的爬杆状态,图9b示出了右躯干在下的爬杆状态,图9c示出了左躯干和右躯干同时抱杆的状态;
图10是根据本申请的载人爬杆作业平台的握杆机构的结构示意图;
图11是根据本申请的载人爬杆作业平台的握杆机构的驱动部分的示意图;以及
图12是根据本申请的载人爬杆作业平台的握杆机构的动能打击式螺旋预紧装置的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1至图12示出了根据本申请的一些实施例。
如图1和图2所示,本申请的载人爬杆作业平台包括主机1、操控扶把2、左躯干3、右躯干4、座椅6、四肢(四肢包括:左上握杆机构7、左下握杆机构8、右上握杆机构9和右下握杆机构10)、左安全靠轮17、以及右安全靠轮18。
左躯干3和右躯干4为左右对称结构,由升降执行机构驱动左躯干3和右躯干4互相交替作垂直方向运动。
每个握杆机构包括悬臂和末端握杆机械手。该末端握杆机械手用于握紧一定直径范围内的杆体(比如:电杆),如有特殊规格的可以更换相应的末端抓持工具。悬臂由抱杆机构驱动,以围绕躯干(比如:左躯干3、右躯干4)的纵轴旋转一设定角度例如100°。
主机1内部设有升降动力总成、电池组、控制单元(控制器)、驱动单元。
操控扶把2和座椅6固定连接至主机1上。
左安全靠轮17在左躯干3的左侧壁上滚动,右安全靠轮18在右躯干4的右端壁上滚动。
在左躯干3、右躯干4、左上握杆机构7和右上握杆机构9上设有超声波收发传感器11、12、13和14,高压感应器15和16。
操纵扶把一方面供操作人员握持,另一方面具有手动操控爬升的功能,具有应急停车按钮3,还包括其他功能按键,可以随时暂停自动程序和终止自动程序,需要避障和越障时能够主动干预自动程序的执行,切换开关可以在“人工”和“自动”之间实现功能转换。
如图3至图4c所示,左躯干3上的抱杆机构包括空心轴减速电机101、上传动轴102、下传动轴103、轴承104和反扭力梁105。
上传动轴102和下传动轴103与空心轴减速电机101刚性连接,并固定在左躯干3内部左侧上下端头的轴承104上。反扭力梁的作用是固定电机101。
空心轴减速电机101是伺服电机与中空减速机RV-20C-121的组合体,中空可以贯穿电缆。该抱杆机构的运动是水平转动,没有克服地球引力做功,只是克服了很小的轴承滚动摩擦力和其他综合阻力做功,所以伺服电机的功率很小,实验后选择了90W电机。
左上抱杆机构7的悬臂7-1和左下抱杆机构8的悬臂8-1在左躯干4内部与上传动轴102、下传动轴103刚性连接,可以绕左躯干4的外侧纵轴旋转100°。由空心轴减速电机101驱动左上抱杆机构7和左下抱杆机构8的抱杆动作和打开动作。右上抱杆机构和右下抱杆机构与左上抱杆机构和左下抱杆机构对称设置。
图4a至图4c依次示出了左上握杆机构7的半抱杆状态、全抱杆状态、右上握杆机构9的半抱杆状态。
结合参照图5至图8,升降执行机构包括伺服电机201、NMRV减速机202、传送轴203、双链轮204、下兜链205和上兜链206。
升降执行机构还包括左躯干下端传动链固定座231、右躯干下端传动链固定座232、左躯干前滑轨241、左躯干后滑轨251、右躯干前滑轨261、右躯干后滑轨271、滑座(左躯干前滑块242、左躯干后滑块252、右躯干前滑块262、右躯干后滑块272)、左躯干外壳208、右躯干外壳209、主机主梁210、动力单元211(伺服电机201、NMRV减速机202)、右安全靠轮18、主机外壳213。
在一些实施例中,左躯干前滑轨241和左躯干后滑轨251固定连接至左躯干上,在左躯干的整个高度上延伸,右躯干前滑轨261和右躯干后滑轨271固定至右躯干上,在右躯干的整个高度上延伸。左躯干前滑块242和左躯干前滑轨241插接配合,左躯干后滑块252与左躯干后滑轨251插接配合。右躯干前滑块262与右躯干前滑轨261插接配合,右躯干后滑块272与右躯干后滑轨271插接配合。
在一些实施例中,左躯干前滑块242和右躯干前滑块262固定连接在一起,在左躯干后滑块252和右躯干后滑块272固定连接在一起,用于支撑双链轮两端,并且其上部和下部与主机固定连接,其高度为左躯干高度的1/3-1/2之间。
在一些实施例中,上兜链206的两端部中的一端部与左躯干上传动链固定座连接,另一端部与右躯干上传动链固定座连接,下兜链205的两端部中的一端部与左躯干下传动链固定座连接,另一端部与右躯干下传动链固定座连接。
在一些实施例中,请参见图6,双链轮204包括两个同轴设置的链轮,所述两个链轮可以相互固定以实现同步旋转,下兜链205与所述两个链轮的其中之一啮合,上兜链206与所述两个链轮的其中另一啮合,这样,当伺服电机201通过NMRV减速机202驱动双链轮204转动时,可以同时带动下兜链205和上兜链206运动。
在本申请中,左右躯干在升降执行机构的驱动下交替上下运动,安全互锁;互锁的交叉覆盖时长0.2秒,即左躯干爬升后间歇0.2秒后右躯干再爬升,确保可靠交替运行的安全。主机两侧的安全靠轮17、18起到包裹左右躯干运行安全的作用。
在一实施例中,躯干运动速度0.6米/秒,由于动力总成输出齿轮是动滑轮结构,所以主机、座位的上升速度为0.3米/秒。
图9a示出了左躯干在下的爬杆状态,图9b示出了右躯干在下的爬杆状态,图9c示出了左躯干和右躯干同时抱杆的状态。四肢同时握杆时左、右部分是上下错开的,不能等高。
本载人爬杆平台的爬杆过程如下:
1)左躯干抱杆:两握杆机构围绕左躯干纵轴同步地向靠近杆身的方向偏转,其中,抱杆动作结束的时刻就是握杆动作开始时刻;
2)左躯干握杆:抱杆到位后,两握杆机构的末端握杆机械手进行握杆动作并保持该姿态;
3)右躯干上升:握杆动作结束后,0.2秒右躯干上升,至最大行程后停止,完成上升,进入右躯干的抱杆动作阶段;
4)右躯干抱杆,即两握杆机构围绕右躯干纵轴同步地向靠近杆身的方向偏转,其中,抱杆动作结束的时刻就是握杆动作开始时刻;
5)右躯干握杆,抱杆到位后,两握杆机构的末端握杆机械手进行握杆动作并保持该姿态;
6)左躯干脱开:0.2秒后,左躯干4开始执行脱杆动作,脱杆就是抱杆和握杆的逆向运动,即末端握持机械手由紧握变为打开状态,悬臂向远离杆身的方向摆动,抱杆机构回位;
7)左躯干上升:左躯干上升至最大行程处,完成上升,重复执行上述步骤1-6,循环工作实现自动爬升,直到按下停止键系统将会在其中的任一阶段运行完毕后停止。但是急停键可以立即停止。
下面结合图10至图12对本申请的载人爬杆装置的握杆机构的构造进行详细描述。
如图10所示,该握杆机构包括:高强度钢制外壳310,前卡爪321,后卡爪322,前旋转从动轮331,后旋转从动轮332,旋转主动轮340,前支点转轴351,后支点转轴352,前推力螺母复合转轴361,后推力螺母复合转轴362,正丝螺杆371,反丝螺杆372,预紧装置(比如:动能打击式螺旋预紧装置(总成)380),压力传感器390,模拟电杆截面轮廓301。
在一些实施例中,请参见图10,正丝螺杆371和反丝螺杆372上螺纹丝的旋转方向相反,正丝螺杆371上的螺纹丝为左旋螺纹,反丝螺杆372上的螺纹丝为右旋螺纹,这样当正丝螺杆371和反丝螺杆372同步旋转时,前推力螺母复合转轴361和后推力螺母复合转轴362会沿相反的方向运动。
在一些实施例中,前推力螺母复合转轴361和后推力螺母复合转轴362均由推力螺母和铰接部二部分组合而成,该推力螺母与螺杆构成丝杠螺母副,该铰接部与卡爪的尾部铰接。
在一些实施例中,前卡爪321是杠杆运动,支点是351,前推力螺母361的向前推力与电杆作用在前旋转从动轮331的反作用力使杠杆平衡。后卡爪322也是杠杆运动,后推力螺母362的向下推力与电杆作用在后旋转从动轮332的反作用力使杠杆平衡。前后两个推力螺母的作用下的合力将电杆推向旋转主动轮340,旋转主动轮340接触电杆后给电杆弹力,于是这三个力共同作用于电杆,最终稳定后三个力平衡合力为零。
在一些实施例中,当旋转主动轮340旋转时,可以带动载人爬杆作业平台旋转,同时带动前旋转从动轮331和后旋转从动轮332旋转。
动能打击式螺旋预紧装置380的电机运行使上下螺杆旋转,即图10中反丝螺杆372、正丝螺杆371旋转,上下推力螺母361、362就可以推动杠杆运动,前后卡爪内收握杆,触杆后压力传感器390的反馈信号值急剧上升,信号反馈至PLC输入单元,当达到设定值(满足垂直方向摩擦力需要)时其电机停止。
如图11和图12所示,该动能打击式螺旋预紧装置包括旋转打击锤382/382’、行星减速器383/383’、电机384、以及正丝螺杆371、以及反丝螺杆372。
电机384转速4500rpm,经过行星减速器383,转速1285rpm驱动旋转打击锤382。旋转打击锤382由锤头和锤壳构成,其中,由电机经由行星减速器变速后驱动旋转打击锤,该结构为动力冲击扳手中的典型打击结构,该动力冲击扳手只有一个打击头,无法满足双头打击的需要。为此,在电机384的输出轴的两端对称设置旋转打击锤382/382’和行星减速器383/383’。
当丝杆371/372没有阻力时丝杆的转速与旋转打击锤转速同步,当有阻力时锤头脱离锤壳,锤头沿输出轴的旋转方向高速击打钢制锤壳381,击打频率2570次/分钟,在丝杆上获得瞬间较高的扭矩。
扭矩大小与锤体质量和减速机输出轴转速有关,见如下动能公式:E=1/2mv^2,m锤体质量,v是锤体旋转中心点的线速度。
本申请设计的动能打击式螺旋预紧装置,空载转速2570RPM,瞬间打击输出扭矩230Nm,打击频率0~2570次/分钟,电机功率180W重量1.1公斤,丝杆理论推力公式:F=2πηT/L,其中,η:丝杆传动效率,为了能自锁选择摩擦传动丝 杆,效率75%;T:转矩230Nm,L:丝杆导程3mm,F=2πηT/L=2*3.14*0.75*230/0.003=361100N。
本载人爬杆作业平台通过主机提供动力,四肢与躯干刚性连接体中,四肢可以绕躯干的外侧纵轴旋转,四肢末端握杆机械手,握紧电杆,左躯干和右躯干互相交替做垂直方向运动,实现上升与下降功能。同时,电机驱动双链轮进行上升与下降的动作,并在上升、下降过程设立了停止、紧急停止按钮。
本握杆机构采用前卡爪和后卡爪相对闭合的方式来握杆,可握紧一定直径范围内的电杆,如有特殊规格的可以更换相应的末端抓持工具。另外,采用动能打击式螺旋预紧装置驱动前后卡爪运动,可获得足够的握杆力。
与相关技术相比,本申请具有以下优点:
1、在本载人爬杆作业平台中,由上兜链、下兜链和由主机驱动的双链轮实现由左右躯干交替爬杆,实现主机的爬升,从而把人从危险、恶劣、繁重的劳动环境中解脱出来。
2、有自动爬升和人工辅助跨越障碍物功能,可以跨越一定体量的障碍物。
3、有障碍物距离预警和高压距离预警,超过预警阈值自动强制停车的功能。
4、蓄电池供电,电量显示,弱电报警,意外断电后能安全锁定电杆,可以在杆上更换电池。

Claims (12)

  1. 一种握杆机构,用于载人爬杆作业平台,所述握杆机构包括悬臂和末端握杆机械手,所述末端握杆机械手包括:前卡爪、后卡爪、前支点转轴、后支点转轴、以及握杆组合驱动件,
    所述握杆组合驱动件包括前推力螺母复合转轴、后推力螺母复合转轴、正丝螺杆、反丝螺杆、以及预紧装置,
    其中,所述前卡爪与悬臂二者通过所述前支点转轴铰接,所述后卡爪与所述悬臂二者通过所述后支点转轴铰接,
    所述预紧装置被配置为驱动所述正丝螺杆和所述反丝螺杆同步转动,所述正丝螺杆与所述前卡爪二者通过所述前推力螺母复合转轴铰接,所述反丝螺杆与所述后卡爪二者通过所述后推力螺母复合转轴铰接,
    其中,所述前卡爪和所述后卡爪可相对打开或闭合,以脱离或夹持杆体。
  2. 根据权利要求1所述的握杆机构,还包括前旋转从动轮、后旋转从动轮和旋转主动轮,其中,所述旋转主动轮设置在所述悬臂上并且位于所述前卡爪和所述后卡爪二者之间,所述前旋转从动轮设置在所述前卡爪的开口内侧,所述后旋转从动轮设置在所述后卡爪的开口内侧,其中,所述旋转主动轮、所述前旋转从动轮、所述后旋转从动轮被配置为共同夹持所述杆体,以使所述握杆机构可沿所述杆体的周向转动。
  3. 根据权利要求1所述的握杆机构,还包括压力传感器,所述压力传感器被配置为检测所述前卡爪和所述后卡爪在触杆后的压力值,其中,当所述压力值达到设定值时,所述预紧装置的电机停止。
  4. 根据权利要求1所述的握杆机构,其中,所述预紧装置包括电机和在所述电机的输出轴的两端对称设置的行星减速器和旋转打击锤。
  5. 一种载人爬杆作业平台,所述载人爬杆作业平台包括主机、左躯干、右躯干、升降执行机构、位于所述左躯干上的握杆机构、以及位于所述右躯干上的握杆机构,
    所述升降执行机构包括由主机驱动的双链轮、上兜链、下兜链、固定连接至所述左躯干上左滑轨、固定连接至所述右躯干上右滑轨、以及与所述左滑轨和所述右滑轨分别配合的滑座,
    所述上兜链和下兜链与所述双链轮啮合,其中,所述上兜链的两端分别连接至所述左躯干的上端部和所述右躯干的上端部,所述下兜链的两端分别连接至所述左躯干的下端部和所述右躯干的下端部,所述双链轮能够自由转动地支 撑在所述滑座上,所述主机被配置为驱动所述双链轮作旋转运动,
    其中,所述左躯干和所述右躯干二者之一被配置为通过所述握杆机构抱紧在杆体上,所述左躯干和所述右躯干二者中的另一个由所述升降执行机构驱动上升,所述左躯干和所述右躯干二者交替动作,以实现所述主机的爬升,
    其中,所述握杆机构为根据权利要求1至4中任一项所述的握杆机构。
  6. 根据权利要求5所述的载人爬杆作业平台,还包括抱杆机构,所述抱杆机构被配置为驱动所述握杆机构旋转。
  7. 根据权利要求6所述的载人爬杆作业平台,其中,位于所述左躯干上沿上下向依次设有两个所述握杆机构,所述抱杆机构包括空心轴减速电机、上传动轴、下传动轴、轴承和反扭力梁,其中,所述上传动轴、所述下传动轴均与所述空心轴减速电机刚性连接,所述上传动轴、所述下传动轴分别固定在位于所述左躯干内部上下端头的轴承上,所述反扭力梁用于固定所述空心轴减速电机,在所述左躯干上位置靠上的一个所述握杆机构的所述悬臂与所述上传动轴固定连接,在所述左躯干上的位置靠下的一个所述握杆机构的所述悬臂与所述下传动轴固定连接。
  8. 根据权利要求5所述的载人爬杆作业平台,其中,所述左滑轨包括前左滑轨和后左滑轨,所述右滑轨包括与所述前左滑轨配对使用的前右滑轨,以及与所述后左滑轨配对使用的后右滑轨,所述滑座包括与所述前左滑轨和所述前右滑轨配合的前滑块,以及与所述后左滑轨和所述后右滑轨配合的后滑块。
  9. 根据权利要求8所述的载人爬杆作业平台,其中,所述左滑轨在所述左躯干的整个高度上延伸,所述右滑轨在所述右躯干的整个高度上延伸,所述前滑块或后滑块的高度为所述左躯干整个高度的二分之一至三分之一。
  10. 根据权利要求5所述的载人爬杆作业平台,其中,所述左躯干的外侧壁和所述右躯干的外侧壁的横截面均呈V型。
  11. 根据权利要求5所述的载人爬杆作业平台,还包括左安全靠轮和右安全靠轮,其中,所述主机位于所述左躯干和所述右躯干的前侧,所述左安全靠轮和所述右安全靠轮连接至所述主机,所述左安全靠轮与所述左躯干的外侧壁滚动配合,所述右安全靠轮与所述右躯干的外侧壁滚动配合。
  12. 根据权利要求5所述的载人爬杆作业平台,还包括座椅和操控扶把。
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