CN101771250B - 一种巡检机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动机器人，具体地说是一种输电线路的巡检机器人机构，包括箱体及结构相同的前手臂机构和后手臂机构，前、后手臂机构分别安装在箱体上，每个手臂机构上均设有多个在架空地线上行走的行走轮，各行走轮上连接有行走机构及偏转机构；前、后手臂机构上分别连接有升降机构；前、后手臂机构上分别连接有一个升降机构，每个手臂机构上均设有两个在架空地线上行走的行走轮，每个行走轮上连接有一个行走机构及一个偏转机构。本发明机器人机构的前、后手臂机构均采用两个兼起行走和夹爪作用的行走轮，利于行走、爬坡和越障，安全保护性好，无需调节质心，作业空间大，适合野外作业和上下线路的需要。

Description

一种巡检机器人机构

技术领域

本发明涉及移动机器人，具体地说是一种输电线路的巡检机器人机构。

背景技术

输电线路是电力***极为重要的组成部分，为了保证其安全稳定的运行，需要定期进行巡视检查。目前采用的方法主要有人工巡检和直升机巡检。人工巡检的效率低，劳动强度大，危险性高；直升机巡检的成本高，巡检质量易受气候影响。因此，需要研制能够携带通信和巡检仪器的机器人来代替人工对输电线路进行自动巡检，以提高效率，确保输电线路的安全运行。在现有的超高压输电线巡检机器人机构中，大部分采用由轮式移动和复合连杆机构组合而成的复合移动机构(参见文献1：Jun Sawada，Kazuyuki Kusumoto，Tadashi Munakata，Yasuhisa Maikawa，Yoshinobu Ishikawa，“A Mobile Robot ForInspection of Power Transmission Lines”，IEEE Trans.PowerDelivery，1991，Vol.6，No.1：pp..309-315；文献2：Mineo Higuchi，Yoichiro Maeda，Sadahiro Tsutani，Shiro Hagihara，“Developmentof a Mobile Inspection Robot for Power Transmission Lines”，J.of the Robotics Society of Japan，Japan，Vol.9，No.4，pp.457-463，1991)，或者采用多组移动单元串联组成的多自由度移动机构(文献3：Shin-ichi Aoshima，Takeshi Tsujimura，TetsuroYabuta，“A Wire Mobile Robot with Multi-unit Structure”，IEEE/RSJ Intermational Workshop on Intelligent Robots andSystems’89，Sep.4-6，1989，Tsukuba，Japan，pp.414-421)。这些机构的结构复杂、重量大、越障能力有限且不易控制，越障时需要调节质心，工作空间小，爬坡角度小，在行走时安全保护性差，因此，难以应用于实际的超高压输电线路巡检作业中。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种越障能力强、无需调节质心、爬坡角度大、工作空间大、行走时安全性好、行走轮可兼作行走和夹持功能两用的巡检机器人机构，具有双臂四轮结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

本发明包括箱体及结构相同的前手臂机构和后手臂机构，前、后手臂机构分别安装在箱体上，每个手臂机构上均设有多个在架空地线上行走的行走轮，各行走轮上连接有行走机构及偏转机构；前、后手臂机构上分别连接有升降机构。

其中：所述前、后手臂机构上分别连接有一个升降机构，每个手臂机构上均设有两个在架空地线上行走的行走轮，每个行走轮上连接有一个行走机构及一个偏转机构；箱体上设有第一、二电机，两电机的输出轴分别连接有安装在箱体上的第一、二丝杠，第一、二丝杠上分别螺纹连接有第一、二滑块螺母，前、后手臂机构分别与第二、一滑块螺母相连接，第二、一丝杠的转动副通过丝杠与滑块螺母的螺纹连接构成前、后手臂机构的移动副；箱体上设有第三电机，第三电机的输出轴连接有齿轮，前、后手臂机构上分别连接有与齿轮啮合传动的第一、二齿条；所述升降机构包括回转电机、第二蜗杆、第二蜗轮、回转轴、端盖、减速箱及回转架，回转轴的一端铰接于与箱体连接的支架，回转架固接于回转轴上、与其连动，减速箱安装在回转架上，回转轴的另一端***减速箱内；第二蜗杆及第二蜗轮容置于减速箱内，回转电机的输出轴与第二蜗杆相连，第二蜗杆与固接于回转轴的第二蜗轮啮合传动；减速箱的外侧设有端盖；回转架为“V”形，“V”形的两端为开口的“C”形结构，在回转架的两端各设有一个行走轮；所述行走机构包括行走轮、行走轮轴、行走电机、主动齿轮、从动齿轮、电机座、轴套及连接套，行走电机安装在电机座上，行走电机的输出轴上设有主动齿轮，行走轮上固接有与主动齿轮啮合传动的从动齿轮；电机座上固接有与偏转机构的偏转轴固接的连接套，行走轮轴的一端插接于行走轮内，另一端与连接套相连接；行走轮与行走轮轴之间分别设有套接在行走轮轴上的轴承及轴套，行走轮可相对行走轮轴转动；所述偏转机构包括偏转电机、第一蜗杆、第一蜗轮及偏转轴，偏转轴铰接于回转架的“C”形开口，行走机构通过连接套与偏转轴相固接；偏转电机的输出轴与第一蜗杆相连，固接于偏转轴的第一蜗轮与第一蜗杆啮合传动；所述行走轮的材料为聚氨酯材料。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明机器人机构的行走轮兼有行走和夹紧的作用，利于行走爬坡和越障；机器人机构具备移动爬行机构的优点，可沿线快速行走和跨越障碍。

2.安全保护性好。本发明机器人机构在行走过程中，四个行走轮槽都与线路抓持，越障时至少有两个行走轮在线路上，保持重心稳定。

3.爬行越障能力强。本发明机器人机构有四个主动驱动的行走轮，行走能力强，并且在爬大角度线路时可使轮子从线路的上下两侧形成夹持，增大正压力，易于爬大角度线路；越障时只需调整行走轮的位置，无需移动机器人车体来调节质心，就能够跨越超高压输电线路上中多种障碍(防振锤、压接管及悬垂金具等)。

4.工作空间大。本发明前、后手臂机构之间的距离可调，增大了机器人的越障适应范围。

5.应用范围广。本发明机器人机构对线路的直径、障碍物的尺寸变化适应性好，可广泛应用于高压输电线路和电话线路的巡检机器人移动机构。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构主视图；

图2为图1的俯视图；

图3为图1的左视图；

图4为本发明行走轮组件的立体结构示意图；

图5为本发明行走轮偏转机构的立体结构示意图；

图6为本发明行走轮升降机构的立体结构示意图；

图7a为本发明在小角度线路行走的示意图；

图7b为本发明在大角度线路行走的示意图；

图8a为超高压输电线路的障碍环境(单挂点)示意图；

图8b为超高压输电线路的障碍环境(双挂点)示意图；

图9a为本发明越障过程第一个动作描述示意图；

图9b为本发明越障过程第二个动作描述示意图；

图9c为本发明越障过程第三个动作描述示意图；

图9d为本发明越障过程第四个动作描述示意图；

图9e为本发明越障过程第五个动作描述示意图；

图10为本发明实施例2的结构示意图；

图11为本发明实施例3的结构示意图；

其中：1为前手臂机构，2为箱体，3为后手臂机构，4为行走轮，5为行走轮轴，6为轴承，7为从动齿轮，8为主动齿轮，9为电机座，10为行走电机，11为偏转电机，12为第一蜗杆，13为第一蜗轮，14为偏转轴，15为回转电机，16为第二蜗杆，17为第二蜗轮，18为回转轴，19为端盖，20为减速箱，21为回转架，22为轴套，23为前支架，24为后支架，25为架空地线，26为第一防振锤，27为挂点，28为悬垂金具及线夹，29为第二防振锤，30为第一电机，31为第一丝杠，32为第一滑块螺母，33为第二电机，34为第二丝杠，35为第二滑块螺母，36为第一齿条，37为齿轮，38为第二齿条，39为第三电机，40为连接套。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

实施例1

如图1～3所示，本发明用于在架空输电线路上进行巡检操作，包括箱体2及结构相同的前手臂机构1和后手臂机构3，前、后手臂机构1、3分别安装在箱体2上；前、后手臂机构1、3上分别连接有一个升降机构，每个手臂机构上均设有两个在架空地线上行走的行走轮4，每个行走轮4上连接有一个行走机构及一个偏转机构；前、后手臂机构1、3上分别连接有升降机构。

如图6、图3所示，升降机构包括回转电机15、第二蜗杆16、第二蜗轮17、回转轴18、端盖19、减速箱20及回转架21，回转轴18的一端铰接于与箱体连接的支架(其中前手臂机构1中的回转轴18的一端铰接于与箱体2连接的前支架23，后手臂机构3中的回转轴18的一端铰接于与箱体2连接的后支架24)，回转架21与回转轴18相固接、随着回转轴18转动，减速箱20固定安装在回转架21的中心处，回转轴18的另一端***减速箱20内；第二蜗杆16及第二蜗轮17容置于减速箱20内，回转电机15安装在减速箱20上，回转电机15的输出轴由减速器20穿入、与第二蜗杆16相连，固接于回转轴18上的第二蜗轮17与第二蜗杆16啮合传动；减速箱20的外侧设有端盖19。回转架21为“V”形，“V”形的两端为开口的“C”形结构，在回转架21的两端各设有一个行走轮4。

如图4、图3所示，行走机构包括行走轮4、行走轮轴5、行走电机10、主动齿轮8、从动齿轮7、电机座9、轴套22及连接套40，行走电机10安装在电机座9上，行走电机10的输出轴由电机座9穿出、设有主动齿轮8，行走轮4上固接有与主动齿轮8啮合传动的从动齿轮7，在电机座9上还固接有与偏转机构的偏转轴固接的连接套40；行走轮4与行走轮轴5之间分别设有套接在行走轮轴5上的轴承6及轴套22，行走轮4可相对行走轮轴5转动；行走轮轴5的一端插在行走轮4内，另一端与连接套40相连接。

如图5所示，偏转机构包括偏转电机11、第一蜗杆12、第一蜗轮13及偏转轴14，偏转轴14的一端铰接于回转架21“C”形开口的下边，另一端由“C”形开口的上边穿出、与第一蜗轮13的轴相固接，偏转轴14与“C”形开口的上边相铰接；行走机构通过连接套40与偏转轴14相固接，随着偏转轴14转动；偏转电机11的输出轴与第一蜗杆12相连，第一蜗轮13与第一蜗杆12啮合传动。第一蜗杆12及第一蜗轮13设置于固接在回转架21上的减速箱内，偏转电机11安装在减速箱上，偏转电机的输出轴由减速箱穿入后再与第一蜗杆12相连接。

本发明的行走轮4采用聚氨酯材料，能与架空地线25增大摩擦，利于行走。前手臂机构1上的回转架21与后手臂机构3上的回转架21分别位于架空地线25的两侧，使巡检机器人在架空地线25上行走更加稳定。

本发明的工作原理为：

在架空地线上行走：行走电机10工作，驱动主动齿轮8转动，主动齿轮8通过与从动齿轮7的啮合传动，带动从动齿轮7及行走轮4转动，实现行走轮在架空地线25上行走。

偏转：偏转电机11工作，通过其输出轴驱动第一蜗杆12转动，第一蜗杆12通过与第一蜗轮13的啮合传动，带动第一蜗轮13及偏转轴14转动；由于偏转轴14与连接套40固接、连接套40与行走轮轴5相连，因此包括行走轮4在内的行走机构可在偏转轴14的带动下、绕偏转轴14在回转架21的“C”形开口内转动，实现偏转。

升降：回转电机15工作，通过其输出轴驱动第二蜗杆16转动，第二蜗杆16通过与第二蜗轮17的啮合传动，带动第二蜗轮17及回转轴18转动；由于回转架21与回转轴18固接，因此回转架21在回转轴18的带动下、绕回转轴18转动，实现回转架21一端的行走轮升高，而另一端的行走轮降低。

各行走轮的行走、偏转、升降均按上述操作进行。

当线路角度较小时，巡检机器人机构的前、后手臂机构1、3上的四个行走轮都在架空地线25上方，行走电机10上电后驱动行走轮4正向或反向转动，实现巡检机器人机构在架空地线25上前进或后退，如图7a所示。

当行走的线路角度较大时，前手臂机构1中升降机构的回转电机15带动该手臂机构中的回转架21先顺时针旋转设定角度，使前手臂机构1中位于后面的行走轮上升(位于前面的行走轮下降、向下压住架空地线)，离开架空地线，升到架空地线上方的设定高度后，回转电机15停止工作；后面行走轮的偏转电机11带动偏转轴14转动，使后面的行走轮偏离架空地线正上方、偏转到地线侧上方；然后前手臂机构1中的回转电机15带动该手臂机构中的回转架21逆时针转动，使后面的行走轮下降到架空地线25的侧下方(位于前面的行走轮升高至原位)，接着后面行走轮的偏转电机11带动偏转轴14转动，使后面的行走轮转动到架空地线的正下方，最后前手臂机构1的回转电机15带动回转架21顺时针转动，使后面行走轮在架空地线的下侧与地线抓持，回转架21继续旋转，可使前、后行走轮分别从架空地线上下侧压紧架空地线。后手臂机构3上中位于后面的行走轮按上述操作同样也下降到架空地线下方，从下往上夹紧架空地线，动作过程同前手臂机构1中的后行走轮相似。这样前、后手臂机构1、3中的行走轮4与架空地线25紧密接触，增大了正压力，然后通过行走电机10驱动行走轮4行走，即便于在大角度的线路上行走，如图7b所示。

图8a、8b所示为超高压输电线路障碍环境(单挂点、双挂点)示意图。在架空地线25上主要的障碍物为单挂点(双挂点)27及第一、二防振锤26、29等。本发明巡检机器人机构工作时由行走电机驱动，带动机器人在架空地线上行走，通过本发明巡检机器人机构前、后手臂机构末端零部件的运动，即可沿线行进并跨越架空地线上的障碍物。

当行走轮4带动机器人机构以速度V在架空地线25上行走时，前手臂机构1中的位于前面的行走轮遇到单挂点27前面的第一防振锤26后停下(如图9a所示)，前手臂机构1的回转电机15带动该手臂机构的回转架21逆时针旋转设定角度，使前手臂机构1中的前行走轮上升，离开架空地线25，升到架空地线25上方的设定高度；然后，前手臂机构1中的后行走轮及后手臂机构3中的两个行走轮在各自行走电机10的驱动下驱动机器人行走，直到前手臂机构1中的后行走轮遇到第一防振锤26停下；此时，前手臂机构1中的前行走轮已经越过了第一防振锤26，前手臂机构1中的回转电机15再顺时针旋转，使前手臂机构1中的前行走轮下降，落回架空地线25上。此后，前手臂机构1中的后行走轮要越过第一防振锤26，越障过程与前行走轮相同，跨越后的状态如图9b所示，后手臂机构中的前、后行走轮跨越第一防振锤26的过程也与前手臂机构1中的行走轮相同。

当前手臂机构1中的前行走轮行进到悬垂金具及线夹28处停下，前手臂机构1中的回转电机15驱动该手臂机构中的回转架21逆时针旋转设定角度，可使前行走轮上升，升高到架空地线25上方的设定高度，接着前行走轮上的偏转电机11驱动偏转轴14转动，使前行走轮偏转90°，离开架空地线正上方；然后，前手臂机构1中的后行走轮及后手臂机构3中的前、后行走轮在各自行走电机10的驱动下继续驱动机器人行走，直到前手臂机构1中的后行走轮遇到悬垂金具及线夹28停下，此时，前手臂机构1中的前行走轮已越过悬垂金具及线夹28，前手臂机构1中的偏转电机11继续带动偏转轴14转动，带动前手臂机构1中的前行走轮重回到架空地线的正上方，接着前手臂机构1中的回转电机15带动该手臂机构中的回转架21转动，使前手臂机构1中的前行走轮下降，下落到架空地线25上，这样前手臂机构1中的前行走轮就越过了悬垂金具及线夹28。此后，前手臂机构1中的后行走轮也按上述操作越过悬垂金具及线夹28，越过后的状态如图9c所示。后手臂机构3中的前、后行走轮可上述操作依次越过悬垂金具28。

跨越第三防振锤29的过程同跨越第一防振锤26的过程相同，跨越状态如图9d、9e所示。巡检机器人机构可按上述操作跨越如图8b所示的双挂点障碍。

由于本发明四个行走轮均采用聚氨酯材料，在爬大角度地线时，两个行走轮在地线下方向上夹，两个行走轮在地线上方往下压，增大了行走轮对架空地线25的正压力，从而增加了摩擦力，可以使机器人沿着大角度的架空地线25向上爬行。

实施例2

如图10所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：箱体2上设有第一、二电机30、33，两电机的输出轴分别连接有安装在箱体上的第一、二丝杠31、34，第一、二丝杠31、34上分别螺纹连接有第一、二滑块螺母32、35，前、后手臂机构1、3分别通过前支架23及后支架24与第二、一滑块螺母35、32相连接，第二、一丝杠34、31的转动副通过丝杠与滑块螺母的螺纹连接构成前、后手臂机构1、3的移动副。第一电机30工作，驱动第一丝杠31转动，第一丝杠31通过与第一滑块螺母32的螺纹连接、使第一滑块螺母32在第一丝杠31上移动，从而带动后手臂机构3移动；第二电机33工作，驱动第二丝杠34转动，第二丝杠34通过与第二滑块螺母35的螺纹连接、使第二滑块螺母35在第二丝杠34上移动，从而带动前手臂机构1移动。前、后手臂机构的距离可调节，增大越障适应范围。

实施例3

如图11所示，本实施例与实施例1的不同之处在于：箱体2上设有第三电机39，第三电机39的输出轴连接有齿轮37，前、后手臂机构1、3通过前支架23及后支架24分别连接有与齿轮37啮合传动的第一、二齿条36、38；第一、二齿条36、38平行设置。第三电机39工作，驱动齿轮37转动，齿轮37通过与第一、二齿条36、38的啮合传动、带动第一、二齿条36、38向内或向外移动，从而带动前、后手臂机构1、3向内或向外移动，使用前、后手臂距离缩短或伸长，实现对前、后手臂距离的调节。

本发明机器人机构的前、后手臂机构均采用两个兼起行走和夹爪作用的行走轮，利于行走、爬坡和越障，安全保护性好，无需调节质心，作业空间大，适合野外作业和上下线路的需要。

Claims (8)

1.一种巡检机器人机构，其特征在于：包括箱体(2)及结构相同的前手臂机构(1)和后手臂机构(3)，前、后手臂机构(1、3)分别安装在箱体(2)上，每个手臂机构上均设有多个在架空地线上行走的行走轮(4)，各行走轮(4)上连接有行走机构及偏转机构；前、后手臂机构(1、3)上分别连接有升降机构；所述升降机构包括回转电机(15)、第二蜗杆(16)、第二蜗轮(17)、回转轴(18)、端盖(19)、减速箱(20)及回转架(21)，回转轴(18)的一端铰接于与箱体连接的支架，回转架(21)固接于回转轴(18)上、与其连动，减速箱(20)安装在回转架(21)上，回转轴(18)的另一端***减速箱(20)内；第二蜗杆(16)及第二蜗轮(17)容置于减速箱(20)内，回转电机(15)的输出轴与第二蜗杆(16)相连，第二蜗杆(16)与固接于回转轴(18)的第二蜗轮(17)啮合传动；减速箱(20)的外侧设有端盖(19)；所述回转架(21)为“V”形，“V”形的两端为“C”形开口，在回转架(21)的两端各设有一个行走轮(4)。

2.按权利要求1所述的巡检机器人机构，其特征在于：所述前、后手臂机构(1、3)上分别连接有一个升降机构，每个手臂机构上均设有两个在架空地线上行走的行走轮(4)，每个行走轮(4)上连接有一个行走机构及一个偏转机构。

3.按权利要求1所述的巡检机器人机构，其特征在于：所述箱体(2)上设有第一、二电机(30、33)，两电机的输出轴分别连接有安装在箱体上的第一、二丝杠(31、34)，第一、二丝杠(31、34)上分别螺纹连接有第一、二滑块螺母(32、35)，前、后手臂机构(1、3)分别与第二、一滑块螺母(35、32)相连接，第二、一丝杠(34、31)的转动副通过丝杠与滑块螺母的螺纹连接构成前、后手臂机构(1、3)的移动副。

4.按权利要求1所述的巡检机器人机构，其特征在于：所述箱体(2)上设有第三电机(39)，第三电机(39)的输出轴连接有齿轮(37)，前、后手臂机构(1、3)上分别连接有与齿轮(37)啮合传动的第一、二齿条(36、38)。

5.按权利要求1、3或4所述的巡检机器人机构，其特征在于：所述行走机构包括行走轮(4)、行走轮轴(5)、行走电机(10)、主动齿轮(8)、从动齿轮(7)、电机座(9)、轴套(22)及连接套(40)，行走电机(10)安装在电机座(9)上，行走电机(10)的输出轴上设有主动齿轮(8)，行走轮(4)上固接有与主动齿轮(8)啮合传动的从动齿轮(7)；电机座(9)上固接有与偏转机构的偏转轴固接的连接套(40)，行走轮轴(5)的一端插接于行走轮(4)内，另一端与连接套(40)相连接。

6.按权利要求5所述的巡检机器人机构，其特征在于：所述行走轮(4)与行走轮轴(5)之间分别设有套接在行走轮轴(5)上的轴承(6)及轴套(22)，行走轮(4)可相对行走轮轴(5)转动。

7.按权利要求1、3或4所述的巡检机器人机构，其特征在于：所述偏转机构包括偏转电机(11)、第一蜗杆(12)、第一蜗轮(13)及偏转轴(14)，偏转轴(14)铰接于回转架(21)的“C”形开口，行走机构通过连接套(40)与偏转轴(14)相固接；偏转电机(11)的输出轴与第一蜗杆(12)相连，固接于偏转轴(14)的第一蜗轮(13)与第一蜗杆(12)啮合传动。

8.按权利要求1、3或4所述的巡检机器人机构，其特征在于：所述行走轮(4)的材料为聚氨酯材料。

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