CN103259216A - 一种用于架空输电线缆的可重构机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于架空输电线缆的可重构机器人，包括两个主体组件构成的本体，所述主体组件包括主构件、主机体组件以及机械臂组件；所述主机体组件包括主机体、与主机体固定的大锥齿轮，以及与主机体固定的并与大锥齿轮同心的两个平行设置的环状静导轨；所述机械臂组件包括两个能围绕环状静导轨周向运动的动导轨、与大锥齿轮啮合的小锥齿轮、固定在动导轨并和小锥齿轮配合的若干机械臂；所述机械臂上连接有行走轮或夹爪。优点：对输电线路环境的适应能力好，可以对大多数的导线金具具有较强的适应能力；扩展性强，可以通过加装带有不同作业任务的机械臂实现多种作业；过障效率高，可以通过加装多个带有夹爪的机械臂提高过障效率。

Description

一种用于架空输电线缆的可重构机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是涉及一种用于架空输电线缆的可重构机器人。 

背景技术

架空高压输电线路是电力能源输送的大动脉，其特点是架空悬挂结构、高电压、大电流，以及它所经历的特殊地理环境如跨越大江大河、穿越崇山峻岭和原始森林。电缆、金具及杆塔长期暴露在野外，受持续机械张力、风力舞动、电气闪络以及材料老化因素的影响，导致高压线缆出现断股、磨损、腐蚀、脱落，给电力供应造成安全隐患。为保障输电线路的安全正常运行，需要定期和不定期地对线路进行检测和维护作业。目前，这类在危险、恶劣环境下的特殊作业基本上都是由人工来完成的。 

架空高压线路自动巡检机器人可以在没有人工干预的情况下实现自动巡检，劳动强度相对较低，巡检效率高，巡检费用也相对较低，受到电力行业和政府的高度重视，近几年国外研究机构对高压巡检机器人的研究也非常活跃,中国、日本、美国、加拿大、泰国等国的一些研究机构先后开展了巡线机器人的研究。近十年来，国内外有一些研究机构从事高压线路机器人的研究，国外比较突出的研究机构有加拿大魁北克水电研究院研院、日本Kyushu公司、日本chubu电气公司、日本政法大学、美国North Carolina大学、韩国电气研究院等，sawada等人研究了能够在地线上巡检移动机器人，它可以通过自身携带导轨实现越障，但适应性较差。日本sato公司生产输电线路探伤巡线小车，可以实现地面遥控行走，但不能实现越障，加拿大魁北克水电研究院的Serge Montam bault等人研制的HQ LineROver遥控小车，可以实现电力线缆除冰、巡检、维护等功能，但无越障能力， 只能在两线塔间工作。斯洛文尼亚Ljubljana大学的Jaka Katrasnik提出一种既能攀爬又能飞行的机器人，可以通过在线感应取能的方式，保证飞行的续航能力，这种机器人具有直升机巡线效率高的特点，同时又不需要配套的地勤支持，但控制难度比较大，造价昂贵。Nicolas Pouliot提出一种基于LineScout技术的巡线机器人，它具有两个并列臂，一个臂用于在线缆上滚动另一个臂用于爬行，Paulo Debenset设计出一种能在四***导线上攀爬的巡线机器人。 

国内在国家863计划的大力支持下发展也很迅速，中国科学院沈阳自动化研究所、中科院自动化所、武汉大学、山东大学、山东科技大学、天津大学，上海大学等科研院所分别在沿不同电压等级的单***或多***火线、地线巡检的机器人做了许多重要研究，部分样机可以实现自动跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、跳线等各种典型障碍。1998年武汉水利电力大学吴功平教授研制出高压线路巡线小车，采用单体三驱动轮结构能够实现越过防震锤、悬垂绝缘子等障碍,在国家863计划和公牛电器公司的支持下研制出220KV单***相线巡线机器人，该机器人采用双臂交错攀爬的运动模式，能够实现自动越过防震锤、悬垂线夹、耐张线夹和跳线等障碍物。中国科学院沈阳自动化研究所王洪光等采用单目摄像头定位和视觉伺服的方法，实现巡线机器人的自主越障,运动学上采用的是双臂攀爬的方式实现。山东科技大学、山东大学、天津大学针对110KV输电线路特点，设计出110KV输电线路自动巡线机器人，采用的是3手臂结构模式，可以跨越诸如防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、跳线等各种典型障碍。 

在巡线机器人攀爬过障实现方式上国内已经形成两种主流结构模式，一种是以武汉大学、中科院沈阳自动化所、中科院自动化所等为代表的双臂交错攀爬结构，另一种是以天津大学、山东科技大学、山东大学为代表的三臂攀爬结构。他们的实现方式各有千秋，都能够满足巡线过障要求。 

目前，巡线机器人的研究技术方案大多是基于双臂或三臂的攀爬模式。这两种模式一方面过障效率偏低，另一方面只能针对有限种类的障碍物进行越障，而高压线路上金具种类繁多，而且不断涌现新型电缆和金具，单一的机械结构难以满足电力输送线路金具日新月异的变化，用户更希望使用一种适应程度更高的机器人，可重构机器人正可以满足这一要求。可重构机器人***是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的组成，能够被装配成各种不同构形的机器人，以适应不同的工作。 

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的适应程度不高，工作效率低的技术问题；提供了一种可重构的，更加适应各种工作环境的，工作效率更高的一种用于架空输电线缆的可重构机器人。 

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 

一种用于架空输电线缆的可重构机器人，其特征在于，包括至少由两个主体组件构成的本体，所述主体组件包括主构件、主机体组件以及机械臂组件；所述主机体组件包括主机体、与主机体固定的大锥齿轮，以及与主机体固定的并与大锥齿轮同心的两个平行设置的环状静导轨；所述机械臂组件包括两个与环状静导轨配合能围绕环状静导轨周向运动的动导轨、与大锥齿轮啮合的小锥齿轮、与动导轨固定并与小锥齿轮配合的若干机械臂；所述机械臂上连接有若干行走轮或夹爪；所述主构件端部设有一个转动轴连接件，两个主构件的转动轴连接件通过转动轴连接，连接后两主体组件之间只有相对转动。 

与传统攀爬型巡线机器人不同，机械臂不是做直线运动，而是做圆周运动。机械臂做圆周运动是通过锥齿轮传动实现的。大齿轮固定在主机体上，小齿轮与机械臂间只有一个绕齿轮轴转动的自由度。电机安装在小齿轮上，这样当小齿轮转动时，小齿轮带动机械臂沿大齿轮做圆周运动。 

之前说过机器人主机体由可以相对转动的两部分组成，这里要强调的是这两部分的结构完全一致。这种可重构机器人若要实现越障行走至少应包含四条机械臂，其中两条臂上安装行走轮，另两条臂上安装夹爪。这四条臂的装配方式是这样的：每一个主机体部分各分配一个带有行走轮和夹爪的机械臂。当机器人在直线段行走时只有行走轮作业，行走轮内置电机，行走轮沿导线滚动，实现前进运动。如果电缆坡度较大，为了增加动力，机器人在直线段时四条机械臂上都安装行走轮，行走轮布置方式是这样的：左右各两个，这两个行走轮上下布置压紧导线。当需要越过障碍物时，这时候要求机械臂夹爪抓取导线，实现攀爬过障。具体实现过程是这样的：控制小锥齿轮的电机转动，小锥齿轮就开始绕大锥齿轮做圆周运动，这时候机械臂也就跟着作圆周运动，这样也实现了机械臂前进的动作。机械臂轮换动作，直到完全越过障碍物就切换到行走轮作业的状态。如果多加装几个安装夹爪的机械臂就可以提高越障效率。 

另外由于机械臂是做圆周运动，因此臂的运动具有循环性，不会脱离机体，只要控制各个臂的运动顺序，各个臂相互之间不会发生干扰。所以可以加装多个带有其他特定作业任务的功能，这样就可以实现一机多作业。当然考虑到加装臂会加重机器人的重量，所以我们的机械臂设计的时候拆装很方便。具体实现过程是这样的：箱体上安有双V型圆周运动型导轨，这种导轨动静导轨间脱离方便，机械臂与动导轨固连，机械臂的安装与拆除很方便。 

在上述的一种用于架空输电线缆的可重构机器人，所述机械臂通过连接件与动导轨固定并与小锥齿轮配合。 

在上述的一种用于架空输电线缆的可重构机器人，所述小锥齿轮与机械臂只有一个转动自由度；与小锥齿轮连接的机械臂通过两个固定片卡在动导轨之间。 

因此，本发明具有如下优点：1.对输电线路环境的适应能力好，可以对大多数的导线金具具有较强的适应能力；2.扩展性强，可以通过加装带有不同作业任务的机械臂实现多种作业；3。过障效率高，可以加装多个带有夹爪的机械臂，这样多个机械臂同时作业，就提高了过障效率。 

附图说明

图1是本发明的机器人在直线段时整体结构示意图。 

图2是本发明机器人半箱体结构示意图。 

图3是本发明的机器人双轮压紧直线段爬坡模式图。 

图4是本发明的机器人跨越悬垂线夹的越障模式图。 

图5a是本发明中机器人跨越防震锤过程中接近防震锤准备跨越防震锤时的示意图。 

图5b是本发明中机器人跨越防震锤过程中行走轮脱离导线同时将行走轮模块更换为夹爪模块，夹爪调整到最佳跨越状态时的示意图。 

图5c是本发明中机器人跨越防震锤过程中开始跨越防震锤时的示意图。 

图5d是本发明中机器人跨越防震锤过程中第一条臂跨过防震锤时的示意图。 

图5e是本发明中机器人跨越防震锤过程中第二条臂准备跨过防震锤时的状态的示意图。 

图5f是本发明中机器人跨越防震锤过程中第二条臂跨过防震锤时的状态的示意图。 

图5g是本发明中机器人跨越防震锤过程中完全跨过防震锤并调整为无障碍行走模式的示意图。 

图6是多夹爪协同过障模式图。 

图7是本发明中机器人除冰简图。 

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，主构件1、主机体2、大锥齿轮3、环状静导轨4、动导轨5、小锥齿轮6、机械臂7、行走轮8、夹爪9、转动轴连接件10、固定片11。 

实施例： 

参见图1和图2，本发明包括由两个主体组件构成的本体，主体组件包括主构件1、主机体组件以及机械臂组件；主机体组件包括主机体2、与主机体2固定的大锥齿轮3，以及与主机体2固定的并与大锥齿轮3同心的两个平行设置的环状静导轨4；机械臂组件包括两个与环状静导轨4配合能围绕环状静导轨4周向运动的动导轨5、与大锥齿轮3啮合的小锥齿轮6、与动导轨5固定并与小锥齿轮6配合的若干机械臂7；机械臂7上连接有若干行走轮8或夹爪9，当然，或是一些检修工具模块，例如除冰作业模块、导线修补模块以及防震锤安装拆卸作业模块等。这些功能模块都在模块库中有备份，模块库在主机体上，各种功能模块可实现自动切换；主构件1端部设有一个转动轴连接件10，两个主构件的转动轴连接件10通过转动轴连接，使得两主体之间只有相对转动；动导轨5通过连接件与机械臂7连接固定，并且小锥齿轮6与机械臂7只有一个转动自由度；与小锥齿轮6连接的机械臂7通过两个固定片11卡在动导轨5之间。 

本发明机器人包括以下工作模式： 

工作模式1：如图1所示，当机器人在无障碍物段行走时，只需要行走轮模块工作。这时行走轮模块中的内置电机驱动行走轮转动，这样行走轮模块就会沿电缆滚动，实现直线前进。 

工作模式2：当机器人在坡度较大的直线段行走时，可以采用双轮压紧模式，如图3所示，这样不仅增加了爬坡能力，而且机器人行走更加稳定。 

工作模式3：当机器人遇到导线金具如悬垂线夹、防振锤、间隔棒等阻碍机器人直线行走时，机器人将调整自身姿态越过障碍物，夹爪模块开始 工作，通过不断换臂实现攀爬过障。图4是机器人跨越悬垂线夹时的状态图，下面通过图5说明机器人跨越防震锤的过程。如图5a所示，当机器人靠近障碍物防震锤时，夹爪模块开始工作，装有夹爪模块的机械臂3和机械臂4抓紧电缆；接着行走轮模块脱离电缆，机械臂1和机械臂2也逆时针转动，经过机体上的模块库时，自动将行走轮模块换成夹爪模块，同时夹爪依然夹紧电缆，机械臂1和机械臂2逆时针转动达到如图5b所示状态；接着机械臂1和机械臂2逆时针转动直到顺利抓紧电缆如图5c所示；接着机械臂3和机械臂4上的夹爪松开电缆，机械臂1和机械臂2上的夹爪依然抓紧电缆，四条机械臂均逆时针转动达到如图5d所示状态；重复图5c和图5d中表达的过程直到如图5e所示状态；之后行走轮模块需要开始工作，机械臂3和机械臂4逆时针转动经过主机体上的模块库时自动将夹爪模块换成行走轮模块，继续逆时针转动达到如图5f的状态；接着夹爪松开电缆，机械臂1和机械臂2逆时针转动，最后状态如图5g，越障过程结束，机器人重新进入无障碍行走模式。 

工作模式4：从工作模式3我们可以看到机器人实现过障需要不断转动机械臂，我们采用的是圆周型导轨，与传统的直线导轨最大的不同是，机械臂不是沿导轨往复运动，而是可以循环转动，如图6所示，如果加装多个带有夹爪模块的机械臂，那么可以多个机械臂协同作业，每次机械臂转动的时间缩短，缩短了换臂时间，这样就提高了过障效率。 

工作模式5：本发明所述机器人拆装机械臂方便，如果遇到其他附加作业任务，比如除冰、导线修补以及防震锤拆装，我们可以加装带有除冰作业模块、导线修补模块以及防震锤安装拆卸作业模块的机械臂，这样无疑增强了机器人的扩展性。图7所示是机器人除冰简图。 

本机器人越障和行走过程受单片机控制，借助机器人上自带的传感器实现机器人的自动越障和前进。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

尽管本文较多地使用了主构件1、主机体2、大锥齿轮3、环状静导轨4、动导轨5、小锥齿轮6、机械臂7、行走轮8、夹爪9、转动轴连接件10、固定片11等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。 

Claims (3)

1.一种用于架空输电线缆的可重构机器人，其特征在于，包括至少由两个主体组件构成的本体，所述主体组件包括主构件（1）、主机体组件以及机械臂组件；所述主机体组件包括主机体（2）、与主机体（2）固定的大锥齿轮（3），以及与主机体（2）固定的并与大锥齿轮（3）同心的两个平行设置的环状静导轨（4）；所述机械臂组件包括两个与环状静导轨（4）配合能围绕环状静导轨（4）周向运动的动导轨（5）、与大锥齿轮（3）啮合的小锥齿轮（6）、与动导轨（5）固定并与小锥齿轮（6）配合的若干机械臂（7）；所述机械臂（7）上连接有若干行走轮（8）或夹爪（9）；所述主构件（1）端部设有一个转动轴连接件（10），两个主构件的转动轴连接件（10）通过转动轴连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于架空输电线缆的可重构机器人，其特征在于，所述机械臂（7）通过连接件与动导轨（5）固定并与小锥齿轮（6）配合。

3.根据权利要求2所述的一种用于架空输电线缆的可重构机器人，其特征在于，所述小锥齿轮（6）与机械臂（7）只有一个转动自由度；与小锥齿轮（6）连接的机械臂（7）通过两个固定片（11）卡在动导轨（5）之间。

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