CN102887186B - 一种风电塔杆攀爬机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种风电塔杆攀爬机器人，其特征在于该机器人主要包括机体、攀爬机构、蛇形摆动臂和移动工作室四个部分；蛇形摆动臂和移动工作室安装在机体的一侧；所述机体由两个半圆曲面形体或者三块均等的曲面形体组合而成的一个圆环形体，且圆环形体的内环直径与风电塔杆的直径相匹配；所述攀爬机构主要由下足轮、上足轮，连接臂、推杆和液压缸组成；下足轮和上足轮由连接臂通过轮轴连接在一起，连接臂与推杆通过连接臂上的连接销轴相连接，并形成活动铰链；所述攀爬机构有4-8个，均布安装在圆环形机体内；所述蛇形摆动臂由3节摆动臂组成，包括大臂、中臂和小臂；所述移动工作室包括平行的两条直线导轨、行走驱动装置和操作室。
Description
技术领域
本发明涉及风电机械及机器人技术，具体为一种风电塔杆攀爬机器人。
背景技术
当前在风电机运行当中，一方面，风电机叶片不可避免地会受到风沙的击打，产生损伤，遇到低温寒流气候，则会产生叶面结冰，影响风机的正常发电；另一方面，针对大型风电机叶片的零距离检测和维修以及冬季扇叶的除冰目前尚无法实现。目前处理方法是，必须检修时，采用吊车将风电机扇叶拆下来检测和修理（冬季同时除冰），但除冰是依附于维修拆卸，顺便而为，因为北方冬天气温低，天天结冰，但却不可能天天拆卸：一方面拆卸一次要花上百万元，另一方面天天拆卸除冰几乎就无法正常生产，因此风电机扇叶除冰目前无法处理，冬季只有停机待春。本发明为一种风电塔杆攀爬机器人，在申请人检索的范围内，尚未见到与本发明技术内容相关的文献报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是：提供一种风电塔杆攀爬机器人，该机器人可沿着风电塔杆上下移动的爬行，完成与风机叶片的零距离接触，用于风机叶片的检测、维修和风机扇叶表面除冰工作。该机器人以塔杆外锥表面为依附体，采用多点支撑结构设计，具有结构简单，可靠性强，成本较低，安装使用方便等特点。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种风电塔杆攀爬机器人，其特征在于该机器人主要包括机体、攀爬机构、蛇形摆动臂和移动工作室四个部分。蛇形摆动臂和移动工作室安装在机体的一侧；
所述机体由两个半圆曲面形体或者三块均等的曲面形体组合而成的一个圆环形体，且圆环形体的内环直径与风电塔杆的直径相匹配；机体上安装有电机支座和电机固定座；
所述攀爬机构主要由下足轮、上足轮，连接臂、推杆和液压缸组成；下足轮和上足轮由连接臂通过轮轴连接在一起，连接臂与推杆通过连接臂上的连接销轴连接在一起，并形成活动铰链；推杆安装在导向套内，导向套的一端固定在右机体上，另一端与液压缸的活塞杆相连接，液压缸通过连接座固定在右机体上；所述攀爬机构有4-8个，均布安装在圆环形机体内；
所述蛇形摆动臂由3节摆动臂组成，包括大臂、中臂和小臂，所述大臂安装在机器人的机体上，机体的上平面上安装有平行的外环形导轨和内环形导轨；外电机与外输出轴齿轮连接，并安装在机体上，内电机与内输出轴齿轮连接，并安装在机体上；所述大臂的下面相应位置装有两个外固定支座和两个内固定支座，每个外固定支座上装有一个外辊轮；同样每个内固定支座上装有一个内辊轮，且外辊轮和内辊轮的安装位置分别与所述外环形导轨和内环形导轨的轨道槽相配合，同时外环形导轨和内环形导轨上面的直角结构将外辊轮和内辊轮分别限制在其各自对应的导轨轨道槽内；机体上平面上的外输出轴齿轮和内输出轴齿轮相对应；大臂下面还装有同心的外扇形齿轮和内扇形齿轮，外扇形齿轮和内扇形齿轮分别与所述外输出轴齿轮和内输出轴齿轮相啮合；所述大臂与中臂通过转轴相连，中臂和转轴固定为一体，对大臂形成铰链，大臂与中臂可相对转动，中臂与小臂用齿轮轴相连接，齿轮轴与小臂固定为一体，相对于中臂可相对转动；
所述移动工作室包括平行的两条直线导轨、行走驱动装置和移动工作室。直线导轨固定在小臂的上面，行走驱动装置与直线导轨配合，并为工作室移动提供动力；工作室内安置有整个机器人控制的操作界面、自动监测和除冰清扫装置。
与现有技术相比，本发明风电塔杆攀爬机器人可沿着风电塔杆上下移动的爬行，完成与风机叶片的零距离接触，用于风电机叶片的现场检测、维修和风电机扇叶表面除冰工作。该机器人以塔杆外锥表面为依附体，采用多点支撑结构设计，具有结构简单，可靠性强，成本较低，不拆卸操作，安装使用方便等特点。
附图说明
图1为本发明风电塔杆攀爬机器人一种实施例的整体主视结构示意图；
图2为本发明风电塔杆攀爬机器人一种实施例的整体俯视结构示意图；
图3为本发明为本发明风电塔杆攀爬机器人一种实施例安装在风力发电机塔杆上的结构状态示意图；
图4为本发明风电塔杆攀爬机器人一种实施例的局部主视结构放大示意图；
图5为本发明风电塔杆攀爬机器人一种实施例的局部主视结构放大示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明。
本发明设计的风电塔杆攀爬机器人（简称机器人，参见图1－5），其特征在于该机器人主要包括机体、攀爬机构、蛇形摆动臂和移动工作室四个部分。所述蛇形摆动臂和移动工作室安装在机体的一侧；
所述机体为一个由两个半圆曲面形体或者三块均等的曲面形体组合而成的圆环形体，且圆环形体的内环直径与风电塔杆的直径相匹配；机体上在设计位置安装有电机支座和电机固定座等。所述机体设计为组合结构的目的主要是机器人装配的要求和运输的方便。实施例为两个半圆曲面形体，即右机体1和左机体30用螺栓连成一个圆环形体。当塔杆直径尺寸较大时，所述机体也可以等分成三块，每块曲面形体的圆心角为120度。
所述攀爬机构主要由下足轮2、上足轮10，连接臂3、推杆5和液压缸6组成，下足轮2和上足轮10（两个足轮）由连接臂3通过轮轴9连接在一起，连接臂3与推杆5通过连接臂上的连接销轴8连接在一起，并形成活动铰链；推杆5安装在导向套4内，导向套4的一端固定在右机体1上，另一端与液压缸6的活塞杆相连接，液压缸6通过连接座7固定在右机体11上。所述攀爬机构有4-8个，均布安装在圆环形机体内。攀爬机构的具体个数根据风电机实际规格尺寸确定。实施例的攀爬机构为在圆环形机体内均布的6个。攀爬机构主要功能是带动整个机器人***在风电机塔杆上上下爬动。
本发明机器人以塔杆外锥表面为依附体，采用多点（实施例为6点）支撑结构设计。所述下足轮2和上足轮10的外表面形状与塔杆外锥表面贴附，接触面较宽，且选择摩擦系数较大的优质橡胶制作，使得两个足轮表面与塔杆外锥表面有很强的附着力。
所述蛇形摆动臂由2-5节摆动臂组成，具体摆动臂的节数根据任务需要确定。实施例的蛇形摆动臂为3节，包括大臂19、中臂17和小臂14三个部分。蛇形摆动臂上的大臂19安装在机器人的机体上，机体的上平面（平板）上安装有两条平行的环形导轨，即外环形导轨22和内环形导轨29；
外电机与外输出轴齿轮23连接，并安装在机体上，内电机与内输出轴齿轮25连接，并安装在机体上；所述大臂19的下面相应位置装有两个外固定支座20和两个内固定支座27，每个外固定支座20上装有一个外辊轮21；同样每个内固定支座27上装有一个内辊轮28，总共是四个支座，四个辊轮；外辊轮2和内辊轮28的安装位置应分别正好落在机体平面上两条平行的外环形导轨22和内环形导轨29的轨道槽内；外环形导轨22、内环形导轨29上面的直角结构将外辊轮21和内辊轮28分别限制在其各自对应的导轨（外环形导轨22和内环形导轨29）轨道槽内，以承受蛇形摆动臂和工作室的下压力和翘起力。机体上平面上的外输出轴齿轮23和内输出轴齿轮25相对应；大臂19下面还装有两个同心的外扇形齿轮24和内扇形齿轮26，外扇形齿轮24、内扇形齿轮26分别与两个电机外输出轴齿轮23、内输出轴齿轮25相啮合；所述大臂19与中臂17通过转轴18相连，中臂17和转轴18固定为一体，对大臂19形成铰链，大臂19与中臂17可相对转动，中臂17与小臂14用齿轮轴15相连接，齿轮轴15与小臂14固定为一体，相对于中臂17可相对转动。蛇形摆动臂的主要功能是完成小臂14在水平面内的任意运动，包括小臂14的转动、弯转和伸缩等功能。
所述移动工作室包括平行的两条直线导轨13、行走驱动装置31和操作室12。直线导轨13固定在所述小臂14的上面，行走驱动装置31与直线导轨13形成配合，行走驱动装置32与操作室12连接在一起，为操作室12移动提供动力。操作室12内可安置整个机器人***控制的操作界面（现有技术），安装自动监测（现有技术）和除冰清扫装置（现有技术）等，以进行自动化作业；也可以存放相关手工机具和安全防护装置，操作人员可以在操作室12里面通过窗口对风电机扇叶等零部件进行相关人工作业。
在机体平板的一侧安装蛇形摆动臂和移动工作室后，可能会造成机体平台受力不平衡，因此为了保持机器人的平衡，除（六个）攀爬机构的布置要均匀以外，本发明机器人的进一步特征是在机体安装蛇形摆动臂和工作室的对应的另一侧安装相应的配重。
本发明的进一步特征是在安装操作室12对应的另一侧的机体1上安装有安全围栏11。安全围栏11有助于操作人员出操作室12后，进一步安全地进行检测、维修及除冰等工作。
本发明机器人的设计原理和工作过程是：本发明机器人结构运用滚动摩擦原理和运动平衡原理设计，满足机器人平台上下移动的要求。安装时，要将六个攀爬机构的足轮相对塔杆31外壁初始间隙要调整一致，且使其对臂的压力保持基本相同；工作时，同步驱动六个攀爬机构的推杆5进给相同的距离，使六个攀爬机构的足轮2和足轮10同时紧贴塔杆32的外壁上，产生并保持合适的压力；此时六处的动力源同步驱动轮轴9，从而使得所有足轮同时按上移的方向转动，当六处足轮（包括足轮2和足轮10）摩擦力的合力大于机器人的重力时，整个机器人便可以向上运动；当机器人需要向下运动时，只要同步驱动六个攀爬机构的推杆5，使其逐步后退相同的距离，即可完成机器人的下移。
本发明机器人可以根据任务需要，随时停留在风电机塔杆的任意位置。所述蛇形摆动臂在攀爬机器人平板上的水平转动（摆动或扭动），是靠所述内输出齿轮轴23和内输出轴齿轮25分别同时驱动同心外扇形齿轮24和内扇形齿轮26而实现的，运动时要考虑转速的匹配。同时大臂19与中臂17，中臂17与小臂14之间的驱动轴，两两摆臂之间可按控制要求任意转动，使得小臂14可达到所及平面的各个位置。安装在小臂14上面的操作室12，可在小臂14上做直线运动。三个部分的运动复合在一起，可使操作室12到达机器人所及空间的任何位置，满足相应的检测、维修和除冰任务。
本发明未述及之处适用于现有技术。
Claims (4)
1.一种风电塔杆攀爬机器人，其特征在于该机器人主要包括机体、攀爬机构、蛇形摆动臂和移动工作室四个部分；蛇形摆动臂和移动工作室安装在机体的一侧；
所述机体由两个半圆曲面形体或者三块均等的曲面形体组合而成的一个圆环形体，且圆环形体的内环直径与风电塔杆的直径相匹配；机体上安装有电机支座和电机固定座；
所述攀爬机构主要由下足轮、上足轮，连接臂、推杆和液压缸组成；下足轮和上足轮由连接臂通过轮轴连接在一起，连接臂与推杆通过连接臂上的连接销轴连接在一起，并形成活动铰链；推杆安装在导向套内，导向套的一端固定在右机体上，另一端与液压缸的活塞杆相连接，液压缸通过连接座固定在右机体上；所述攀爬机构有4-8个，均布安装在圆环形机体内；
所述蛇形摆动臂由3节摆动臂组成，包括大臂、中臂和小臂，所述大臂安装在机器人的机体上，机体的上平面上安装有平行的外环形导轨和内环形导轨；外电机与外输出轴齿轮连接，并安装在机体上，内电机与内输出轴齿轮连接，并安装在机体上；所述大臂的下面相应位置装有两个外固定支座和两个内固定支座，每个外固定支座上装有一个外辊轮；同样每个内固定支座上装有一个内辊轮，且外辊轮和内辊轮的安装位置分别与所述外环形导轨和内环形导轨的轨道槽相配合，同时外环形导轨和内环形导轨上面的直角结构将外辊轮和内辊轮分别限制在其各自对应的导轨轨道槽内；机体上平面上的外输出轴齿轮和内输出轴齿轮相对应；大臂下面还装有同心的外扇形齿轮和内扇形齿轮，外扇形齿轮和内扇形齿轮分别与所述外输出轴齿轮和内输出轴齿轮相啮合；所述大臂与中臂通过转轴相连，中臂和转轴固定为一体，对大臂形成铰链，大臂与中臂可相对转动，中臂与小臂用齿轮轴相连接，齿轮轴与小臂固定为一体，相对于中臂可相对转动；
所述移动工作室包括平行的两条直线导轨、行走驱动装置和操作室；直线导轨固定在小臂的上面，行走驱动装置与直线导轨配合，并为操作室移动提供动力；操作室内安置有整个机器人控制的操作界面、自动监测和除冰清扫装置。
2. 根据权利要求1所述风电塔杆攀爬机器人，其特征在于所述下足轮和上足轮的外表面形状与塔杆外锥表面贴附，且选择摩擦系数较大的优质橡胶制作。
3. 根据权利要求1所述风电塔杆攀爬机器人，其特征在于在与机体安装蛇形摆动臂和移动工作室对应的另一侧安装有相应的配重。
4.根据权利要求1所述风电塔杆攀爬机器人，其特征在于在安装移动工作室对应的另一侧的机体上安装有安全围栏。
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