CN102059704A - 新型铁塔攀爬机器人机械手装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于铁塔自动检修维护攀爬机器人的末端结构，主要包括夹紧机构、手腕机构、手指伸缩机构和连接支座。其中夹紧机构应用了杠杆增力原理并采用丝杆螺母传动方式，结构紧凑，带有自锁功能，主要由上夹板，安装在上夹板的驱动电机，与驱动电机输出轴连接的齿轮换向机构，下夹板，以及与齿轮换向机构相连的丝杆螺母机构，顶杆组成。手指伸缩机构由安装在上夹板的驱动电机，与驱动电机输出轴相连的丝杆螺母传动机构，与螺母固连的手指，以及安装在上夹板的导轨组成，与夹紧机构配合使用确保对角钢的可靠夹持。手腕机构由手腕驱动电机，与驱动电机输出轴连接的蜗杆，与蜗杆啮合的蜗轮，以及电机支座组成，它从机械结构上保证了手爪空间位置和姿态的解耦，大大简化了机器人在攀爬过程中的操作步骤。本发明能实现对多种规格角钢的可靠夹持，使得机器人不仅能沿铁塔主材攀爬，也能沿斜材或水平材攀爬。

Description

新型铁塔攀爬机器人机械手装置

技术领域

本发明涉及一种为铁塔自动检修维护攀爬机器人定制的机械手装置，属机器人技术领域。

技术背景

工业和信息产业的迅猛发展对供电稳定性和可靠性的要求越来越高。高压输电线路是电力***的动脉，其安全运行越来越受到各级部门的重视。需要定期对输电线路杆塔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、维护基本上采用人工攀登铁塔的方式，利用携带的检修维护设备完成相应的任务，这不仅大量消耗检修人员的体力，影响工作效率，也极不安全。电力部门迫切需要能取代人力进行铁塔检修、维护的自动化设备——机器人，以此减轻工人的劳动强度，降低触电和高空坠落的危险，而且设备可以在不影响供电的情况下进行带电作业，提高检修、维护的效率和质量。用机器人实现对铁塔等塔架进行检修、维护，机器人需具有攀爬铁塔等塔架的功能，而现有技术至今不能提供能够攀爬铁塔机器人的主要原因，是没有开发出能够可靠夹持以角钢为基本构件的塔架机械手装置。因此尽快开发出夹持力大、结构紧凑、适应性强的机械手装置以装备机器人，实现对高压输电线路铁塔的自动化检修、维护，是所述领域的科技工作者共同面临的重要课题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于铁塔自动检修维护攀爬机器人的末端夹持机构。本发明要求机器人能够从电力铁塔塔基沿主材角钢或斜材角钢攀爬到塔顶，利用携带的检修维护设备代替电力工人完成各项检修任务，如：绝缘子、铁塔表面锈蚀情况的检测等。为此该机器人的末端机械手不仅要能实现对不同规格角钢的抓紧，以确保机器人能在铁塔表面移动，而且要求结构尽可能简单、紧凑。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案为：

提供一种塔架攀爬机器人的新型末端夹持结构，主要由夹紧机构、手指伸缩机构、手腕机构和连接支座组成。其中夹紧机构由手爪夹持电机，与电机输出轴联接的换向齿轮组，与齿轮组连接的夹紧机构丝杆、螺母、顶杆、上夹板、下夹板等组成；手指伸缩机构由手指伸缩电机，与电机输出轴联接的手指伸缩丝杆，与丝杆配合形成丝杆螺母传动的手指伸缩机构螺母，安装在夹持机构上夹板的双导轨，与螺母连接的手指组成；手腕机构由手腕机构电机，与电机输出轴联接的手腕蜗杆，与蜗杆啮合的手腕蜗轮，以及电机支座组成。

在上述技术方案中，为了实现对塔架角钢的牢固夹持，提供足够大的夹持力，此末端夹紧机构应用了杠杆增力原理并采用丝杆螺母传动方式。手爪夹紧电机固定在上夹板后端，利用换向齿轮组将力传递给夹紧机构丝杆，螺母通过螺纹与丝杆连接，螺母与顶杆连接，顶杆另一端与销柱连接，销柱可在滑槽内滑动，滑槽固定在下夹板后端，上下夹板在靠近前端处通过销轴连接。当手爪夹紧电机转动时，通过丝杆螺母减速后，顶杆伸缩推动上下夹板以销柱为轴旋转，顶杆作用在上下夹板后端的力经过杠杆放大后施加在上下夹板前端工作面上，从而实现手爪的夹紧和松开。

在上述技术方案中，手指伸缩机构通过丝杆螺母传动实现。手指伸缩电机固定在电机支座上，电机支座固定在上夹板上，电机输出轴与手指伸缩丝杆连接，手指伸缩丝杆通过螺纹与螺母相连，手指与螺母固连，导轨与上夹板固连，通过控制手指伸缩电机的旋转速度和方向，实现手指在导轨内伸缩。手指伸缩机构与夹紧机构组合夹持，对角钢夹持形成力封闭，从而实现对角钢的可靠夹持。

在上述的手指伸缩机构中，所述导轨可以为矩形导轨、圆柱导轨、燕尾槽导轨中的任何一种。

在上述的技术方案中，所述手腕机构为机械手提供了一个手腕转动自由度，通过具有自锁能力的蜗杆蜗轮传动实现。为卸载作用在蜗轮连接轴上的弯矩，将手腕机构蜗轮与套筒固定，然后连接在手腕旋转轴上，手腕机构电机支座与夹紧机构上夹板固连，因此夹紧机构和手指伸缩机构也会随手腕蜗轮一起绕手腕旋转轴旋转，实现手腕转动，从而实现机械手的姿态调整，这种实施方式从机械结构上保证了手爪空间位置与姿态的解耦，大大简化了机器人在攀爬运动过程中的操作步骤。

本发明的末端夹持机构具有多个自由度，结构紧凑、夹紧力大，重量轻，可实现对不同规格角钢的可靠夹持，可以确保铁塔攀爬机器人可靠附着在铁塔表面，从而实现从铁塔塔基移动到塔顶，代替工人完成相应检修任务。

附图说明

附图1是铁塔攀爬机器人末端执行机构的立体结构示意图。

附图2是本发明的机械手装置夹紧机构的主视图和A-A剖视图。

附图3是本发明的机械手装置手指伸缩机构主视图和俯视图。

附图4是本发明的机械手装置夹持角钢的结构示意图。

附图5是本发明的机械手装置手腕机构俯视图和B-B剖视图。

在上述附图中，各图示标号所标识的对象为：1-手爪夹紧电机；2-滑槽；3-顶杆；4-夹紧机构丝杆；5-下夹板；6-销轴；7-上夹板；8-上工作面；9-下工作面；10-手指；11-导轨；12-手指伸缩机构丝杆；13-手指伸缩机构螺母；14-手腕电机支架；15-手腕蜗轮；16-支撑柱；17-手指伸缩电机；18-转向齿轮组；19-销柱；20-夹紧机构螺母；21-手腕旋转轴；22-手腕蜗轮套筒；23-手腕蜗杆；24-手腕电机；25-手指伸缩电机支座；26-角钢。

具体实施方式

下面结合附图说明给出本发明的一个实施例，通过实施例对本发明作进一步的说明。需要特别指出的是，本发明的具体实施方式不限于实施例所描述的形式。

参阅图1和图2，本发明所述的是一种用于塔架自动检修维护攀爬机器人的手臂末端执行机构，由手爪夹紧机构、手指伸缩机构、手腕机构构成。其中夹紧机构由手爪夹持电机1，与电机输出轴联接的换向齿轮组18，与齿轮组固连的夹紧机构丝杆4，夹紧机构螺母13，上夹板7，下夹板5，顶杆3组成。夹紧机构螺母13与顶杆3连接，顶杆3另一端与销柱19连接，销柱可在滑槽2内滑动，滑槽2固连在下夹板5后端，上夹板7与下夹板5通过销轴6连接。当手爪夹紧电机转动时，通过丝杆螺母减速后，顶杆伸缩推动上下夹板以销柱为轴旋转，顶杆作用在上下夹板后端的力经过杠杆放大后施加在上下夹板前端工作面上，从而实现手爪的夹紧和松开。

附图3描述了机械手中手指伸缩机构的实施结构。手指伸缩机构由固定在手指伸缩电机支座25上的手指伸缩电机17，与电机输出轴联接的手指伸缩机构丝杆12，与丝杆配合形成丝杆螺母传动的手指伸缩机构螺母13，起导向作用的导轨11，与螺母连接的手指10组成，其中导轨11固连在手爪夹紧机构的上夹板7上，手指伸缩螺母13与手指10固连在一起，手指10沿导轨11运动。如附图4所示，手指伸缩机构和手爪夹紧机构构成组合式夹持，对角钢形成力的封闭，从而提高夹持的可靠性。

附图5描述了机械手中手腕机构的实施结构。手腕机构由手腕机构电机24，与电机输出轴联接的手腕蜗杆23，与蜗杆啮合的手腕蜗轮15，以及手腕电机支座14组成，为卸载作用在蜗轮连接轴上的弯矩，将手腕机构蜗轮15与套筒22固定，然后连接在手腕旋转轴21上，手腕机构电机支座14与夹紧机构上夹板通过支撑柱16固连，而本发明与机械臂通过手腕蜗轮套筒22上端面四个螺纹孔连接。因此夹紧机构和手指伸缩机构也会随手腕蜗轮一起绕手腕旋转轴旋转，实现手腕转动，即实现机械手的姿态调整，这种实施方式从机械结构上保证了手爪空间位置与姿态的解耦，大大简化了机器人在攀爬运动过程中的操作步骤。

配有本发明的塔架攀爬机器人，在输电线路铁塔上攀爬巡检时的典型动作过程如下：

当塔架自动检修维护攀爬机器人沿电力铁塔构件角钢直线攀爬时，机器人的一只机械手抓紧角钢，另一只机械手处于松开状态，而手臂各关节联动控制，以使该机械臂和处于松开状态的机械手沿着塔架角钢的方向前移。然后联动控制该机械手上的夹爪和手指伸缩机构抓紧角钢，而将原来夹紧的手爪松开，再通过联动控制手臂各关节，以使该机械手臂沿着角钢前移，然后夹紧原来松开的手爪，松开原来夹紧的手爪，完成一次攀爬。如此周而复始，可使机器人沿塔架主构件角钢一步一步地前进。

本发明结构紧凑、夹紧力大，负载能力大，并且，当机器人在铁塔表面进行转弯时，可以充分利用本发明的腕关节。机器人的一只机械手抓紧角钢，另一只机械手处于松开状态，通过对处于夹紧状态的机械手腕关节进行控制，使机械手臂及处于自由状态的机械手以处于夹紧状态的机械手手腕机构旋转轴为轴旋转一定的角度，接近目标角钢，然后联动控制该机械手的夹爪和手指伸缩机构抓紧角钢，而将原来夹紧的手爪松开，再通过联动控制手臂各关节和机械手腕关节，以使该机械手逐渐靠近目标角钢，然后夹紧原来松开的夹爪完成转向。

本发明提供的铁塔攀爬机器人机械手末端结构具有多个自由度，夹持力较大，并且通过多轴联动控制，可实现手爪夹紧机构和手指伸缩机构对被夹角钢的可靠夹持。本发明是一种通用型塔架自动检修维护攀爬机器人末端机械手装置，既可用于关节式攀爬机器人，也可用于框架式自动攀爬机器人。

Claims (6)

1.一种用于铁塔自动检修维护攀爬机器人的末端夹持结构，包括由夹紧电机1，与电机输出轴联接的换向齿轮组18，与齿轮组固连的夹紧机构丝杆4，螺母20，顶杆3，上夹板7，下夹板5构成的夹紧机构；由手指伸缩电机17，丝杆12，螺母13，导轨11，手指10构成的手指伸缩机构；由手腕电机支座14，手腕电机24，蜗杆23，蜗轮15构成的手腕机构。

2.根据权利要求1所述的末端执行机构中的手爪夹紧机构采用杠杆增力原理，以及丝杆螺母传动方式，结构紧凑，带有自锁功能，上下两个夹板通过销轴6连接，顶杆3上端与夹紧机构螺母20固连，下端与固定在下夹板5上的滑槽2通过销柱19连接。手爪夹紧电机1利用换向齿轮组18将力传递给夹紧机构丝杆4，通过丝杆螺母传动，螺母与顶杆3直线运动，销柱19在滑槽2中滑动，上夹板7与下夹板5以销轴6为旋转轴转动，使得上下夹板前端工作面8和9夹角变化而实现爪子夹紧松开功能。顶杆作用在上下夹板后端的力，经过杠杆放大后，施加在上下夹板前端工作面上，大大增强了夹紧力。通过控制手爪夹紧电机的转速和方向可以控制手爪的开、合，从而控制手爪的夹紧力。

3.根据权利要求1所述的手指伸缩机构，其特征是安装在夹紧机构上夹板7的手指伸缩电机17与手指伸缩丝杆12连接，螺母13与在导轨11中移动的手指10固连，通过螺纹与手指伸缩丝杆12连接，导轨11与上夹板7固连。这样由丝杆12，螺母13，手指10构成了手指伸缩的传动链，通过控制手指伸缩电机17的转速和方向，可以控制手指10沿导轨11移动的速度和方向。

4.根据权利要求1和2和3所述的机器人末端夹持机构，其特征是手爪夹紧机构和手指伸缩机构构成组合式夹持，对角钢夹持形成力的封闭，从而提高了夹持的可靠性。

5.根据权利要求2所述的末端执行机构的手爪夹紧机构，其特征是上下夹板前端工作面8和9采用摩擦系数较大的橡胶材料，增大了夹持面与角钢接触面的摩擦系数，从而增大了摩擦力，提高了夹持的可靠性。

6.根据权利要求1所述的末端执行机构中的手腕机构，其手腕蜗杆23安装在手腕电机支架14上，手腕电机支架14与权力要求2所述的手爪夹紧机构上夹板7通过支撑柱16固连，手腕蜗轮15的套筒22安装在手腕旋转轴21上，通过控制与蜗杆23连接的手腕电机24的转速和方向可以控制爪部的旋转角度和方向。

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