CN103659815A - 一种适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动机器人机构，具体地说是一种适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构，包括前箱体、后箱体、第一导轨及结构相同的前手臂和后手臂，其中前手臂和后手臂上均安装有行走机构及夹持机构，所述行走机构和夹持机构分别位于架空地线的上方及下方；所述第一导轨至少为两根，各第一导轨相互平行，在第一导轨的两端分别设有可旋转的前箱体及后箱体，所述前手臂和后手臂分别安装在最外侧的两根第一导轨上；所述前手臂和后手臂均具有沿第一导轨移动、在竖直方向升降及在竖直方向旋转的三个自由度。本发明采用轮臂复合机构，结合了轮式和手臂式机构的特点，既具有沿线行走的功能，还具有跨越障碍的功能。

Description

一种适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构

技术领域

本发明涉及移动机器人机构，具体地说是一种适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构。

背景技术

在现有的超高压输电线路巡检机器人机构中，大多采用轮式移动和复合连杆组合而成的复合移动机构（参见文献：Jun Sawada，Kazuyuki Kusumoto，et a1．A Mobile Robot for Inspection of PowerTransmissi0n Lines[AI．IEEE transactions of Power De1ivery,1991．6(1)．309～315,POULIOT,N,MONTAMBAULT,S.LineScoutTechnology:From inspection to robotic maintenance on livetransmission power lines[C]Robotics and Automation,2009.ICRA′09.IEEE International Conference on,pp.1034-1040,12-17May 2009;WU Gongping,ZHENG Tuo,XIAO Hua,et al.Navigation,location and non-collision obstacles overcomingfor high-voltage power transmission-line inspectionrobot[C]//Mechatronics and Automation,2009.ICMA 2009.International Conference,pp.2014-2020,9-12 Aug.2009.），这些机构的结构复杂、重量大、能耗高，难以适应猫头塔狭小空间的输电线路巡检作业情况。

发明内容

为了克服上述机构结构复杂、重量大、能耗高、并且在行走时安全保护性差等不足之处，本发明的目的在于提供一种越障能力强、安全保护性好的适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括前箱体、后箱体、第一导轨及结构相同的前手臂和后手臂，其中前手臂和后手臂上均安装有行走机构及夹持机构，所述行走机构和夹持机构分别位于架空地线的上方及下方；所述第一导轨至少为两根，各第一导轨相互平行，在第一导轨的两端分别设有可旋转的前箱体及后箱体，所述前手臂和后手臂分别安装在最外侧的两根第一导轨上；所述前手臂和后手臂均具有沿第一导轨移动、在竖直方向升降及在竖直方向旋转的三个自由度。

其中：所述前手臂包括第一前移动关节、第一前旋转关节及第二前移动关节，所述前手臂整体通过第二前移动关节安装在第一导轨上，通过该第二前移动关节实现沿第一导轨移动的自由度；所述第一前旋转关节安装在第二前移动关节上，第一前移动关节与第一前旋转关节的输出端相连；前手臂上分别安装有前行走机构及前夹持机构，所述前行走机构及前夹持机构均安装在第一前移动关节上；所述第一前移动关节、前行走机构及前夹持机构通过第一前旋转关节的驱动实现在竖直方向旋转的自由度，前行走机构及前夹持机构通过第一前移动关节实现在竖直方向升降的自由度；

所述后手臂包括第一后移动关节、第一后旋转关节及第二后移动关节，所述后手臂整体通过第二后移动关节安装在第一导轨上，通过该第二后移动关节实现沿第一导轨移动的自由度；所述第一后旋转关节安装在第二后移动关节上，第一后移动关节与第一后旋转关节的输出端相连；后手臂上分别安装有后行走机构及后夹持机构，所述后行走机构及后夹持机构均安装在第一后移动关节上；所述第一后移动关节、后行走机构及后夹持机构通过第一后旋转关节的驱动实现在竖直方向旋转的自由度，后行走机构及后夹持机构通过第一后移动关节实现在竖直方向升降的自由度；

所述行走机构包括行走轮驱动电机、支架及行走轮，所述夹持机构包括升降机构、夹紧驱动电机、连杆机构及夹紧轮，其中支架安装在前手臂或后手臂上，行走轮驱动电机设置在所述支架上，所述行走轮位于架空地线的上方，与行走轮驱动电机的输出轴相连，由行走轮驱动电机驱动在架空地线上行走；所述升降机构安装在支架上，并与夹紧驱动电机相连，由该夹紧驱动电机驱动升降；所述夹紧轮位于架空地线的下方，通过连杆机构与升降机构连接，由升降机构带动夹紧或松开架空地线；所述连杆机构包括夹紧连杆及驱动连杆，其中夹紧连杆铰接在所述支架上，所述夹紧轮连接于夹紧连杆一端，夹紧连杆的另一端与驱动连杆的一端铰接，驱动连杆的另一端与所述升降机构相连；所述升降机构包括丝杠及丝母，其中丝杠的一端转动安装在所述支架上，另一端与所述夹紧驱动电机相连，由夹紧驱动电机驱动旋转；所述丝母螺纹连接在丝杠上，所述驱动连杆的另一端与丝母固接；所述支架上安装有第二导轨，丝母上固接有沿第二导轨上下升降的滑块，所述驱动连杆的另一端与该滑块固接；所述升降机构为气缸，所述驱动连杆的另一端与该气缸的活塞连接；

所述前箱体及后箱体分别通过第二前旋转关节及第二后旋转关节安装在第一导轨上。

本发明的优点与积极效果为：

1．本发明采用轮臂复合机构，结合了轮式和手臂式机构的特点，既具有沿线行走的功能，还具有跨越障碍的功能。

2．适应狭窄工作空间。本发明的前后箱体采用分体式结构设计，置于第一导轨两端的上部，并且箱体与第一导轨通过旋转关节连接，可适应工作空间小的线路环境。

3．越障性能好。本发明利用行走轮、夹持机构、手臂和箱体的协调运动，可实现巡检机器人机构跨越超高压输电线路中的多种类型障碍（防震锤、悬垂金具及线夹、压接管、耐张导轨等）。

4．本发明夹持机构的夹紧轮通过连杆机构夹紧或松开，不仅减小了所需的运动空间，而且有利于减小巡检机器人的尺寸和重量。

5．安全保护性好。本发明的夹紧轮在架空地线的下方夹紧，越障过程中也有至少一个夹紧轮夹紧，因此安全保护性好。

6．应用范围广。本发明适用于超高压输电线路环境下的机器人巡检机构。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中前（后）夹持机构处于夹紧状态的结构示意图；

图3为图1中前（后）夹持机构处于松开状态的结构示意图；

图4为超高压输电线路的障碍环境示意图；

图5a为本发明跨越防震锤过程第一个动作描述示意图；

图5b为本发明跨越防震锤过程第二个动作描述示意图；

图5c为本发明跨越防震锤过程第三个动作描述示意图；

图5d为本发明跨越防震锤过程第四个动作描述示意图；

图6a为本发明跨越悬垂金具及线夹过程第一个动作描述示意图；

图6b为本发明跨越悬垂金具及线夹过程第二个动作描述示意图；

图6c为本发明跨越悬垂金具及线夹过程第三个动作描述示意图；

图6d为本发明跨越悬垂金具及线夹过程第四个动作描述示意图；

其中：1为前行走机构，2为后行走机构，3为前夹持机构，4为后夹持机构，5为前手臂，501为第一前移动关节，502为第一前旋转关节，503为第二前移动关节，6为后手臂，601为第一后移动关节，602为第一后旋转关节，603为第二后移动关节，7为前箱体，701为第二前旋转关节，8为后箱体，801为第二后旋转关节，9为第一导轨，10为行走轮驱动电机，11为支架，12为行走轮，13为夹紧连杆，14为驱动连杆，15为丝杠，16为丝母，17为夹紧驱动电机，18为夹紧轮，19为转动支撑点，20为架空地线，21为滑块，22为第二导轨，23为绝缘子，24为第一防振锤，25为悬垂金具及线夹，26为第二防振锤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示，本发明包括前箱体7、后箱体8、第一导轨9及结构相同的前手臂5和后手臂6，其中前手臂5上分别安装前行走机构1和前夹持机构3，后手臂6上分别安装后行走机构2和后夹持机构4，前箱体7与后箱体8结构相同；前行走机构1和前夹持机构3分别位于架空地线20的上方及下方，后行走机构2和后夹持机构4分别位于架空地线20的上方及下方。第一导轨9至少为两根（本实施例为三根），各第一导轨相互平行，前箱体7及后箱体8分别通过第二前旋转关节701和第二后旋转关节801可旋转地安装在第一导轨9两端的上部，前手臂5和后手臂6分别安装在最外侧的两根第一导轨9上。前手臂5和后手臂6均具有沿第一导轨9移动、在竖直方向升降及在竖直方向旋转的三个自由度。

前手臂5包括第一前移动关节501、第一前旋转关节502及第二前移动关节503，所述前手臂5整体通过第二前移动关节503安装在第一导轨9上，通过该第二前移动关节503实现沿第一导轨9移动的自由度；所述第一前旋转关节502安装在第二前移动关节503上，第一前移动关节501与第一前旋转关节502的输出端相连，前行走机构1及前夹持机构3均安装在第一前移动关节501上；第一前移动关节501、前行走机构1及前夹持机构3通过第一前旋转关节502的驱动实现在竖直方向旋转的自由度，前行走机构1及前夹持机构3通过第一前移动关节501实现在竖直方向升降的自由度。

后手臂6包括第一后移动关节601、第一后旋转关节602及第二后移动关节603，所述后手臂6整体通过第二后移动关节603安装在第一导轨9上，通过该第二后移动关节603实现沿第一导轨9移动的自由度；所述第一后旋转关节602安装在第二后移动关节603上，第一后移动关节601与第一后旋转关节602的输出端相连，后行走机构2及后夹持机构4均安装在第一后移动关节601上；第一后移动关节601、后行走机构2及后夹持机构4通过第一后旋转关节602的驱动实现在竖直方向旋转的自由度，后行走机构2及后夹持机构4通过第一后移动关节601实现在竖直方向升降的自由度。

如图2、图3所示，前行走机构1与后行走机构2结构相同，包括行走轮驱动电机10、支架11及行走轮3；前夹持机构3与后夹持机构4结构相同，包括升降机构、夹紧驱动电机17、连杆机构及夹紧轮18，其中连杆机构包括夹紧连杆13及驱动连杆14，升降机构可为丝杠15及丝母16结构，或为气缸，本实施例为丝杠15及丝母16的结构。

前、后手臂5、6上的支架11分别安装在第一前移动关节501和第一后移动关节601上，行走轮驱动电机10固定在所述支架11上，行走轮12位于架空地线20的上方，与行走轮驱动电机10的输出轴相连，由行走轮驱动电机10驱动在架空地线20上行走。丝杠15的一端（上端）转动安装在支架11上，另一端（下端）与夹紧驱动电机17的输出轴连接，由夹紧驱动电机17驱动旋转；丝母16螺纹连接在丝杠15上，当丝杠15旋转时沿丝杠15升降。为了使夹紧轮18在升降过程中运动平稳，在支架11上固接有第二导轨22，丝母16上则固接一个滑块21，该滑块21沿第二导轨22上下升降。

夹紧连杆13铰接在所述支架11上，夹紧轮18固接在夹紧连杆13一端，夹紧连杆13的另一端与驱动连杆14的一端铰接，驱动连杆14的另一端固接在滑块21上；夹紧轮18位于架空地线20的下方，通过连杆机构及升降机构的带动夹紧或松开架空地线20。若升降机构为气缸，则驱动连杆14的另一端与该气缸的活塞连接。

如图4所示，为超高压输电线路的障碍环境示意图，在架空地线20上主要的障碍物为第一防振锤24、绝缘子23、悬垂金具及线夹25、第二防振锤26等。

本发明由伺服电机驱动，通过行走轮、夹持机构、手臂和箱体的协调运动，可沿架空地线20跨越杆塔处的障碍。具体为：

如图5a～5d所示，前、后行走机构1、2中的行走轮驱动电机10工作，驱动行走轮12在架空地线20上行走，前、后夹持机构3、4中的夹紧轮18均处于图2的夹紧状态；当行走至到第一防振锤24附近，前手臂5和后手臂6通过第二前移动关节503及第二后移动关节603的作用沿经一导轨9向后箱体8的方向运动，将重心移动到后手臂6的下方；前夹持机构3中的夹紧驱动电机17工作，使丝母16沿丝杠15向上运动，由于驱动连杆14与滑块21固接，通过丝母16的向上运动，实现夹紧连杆13和驱动连杆14绕转动支撑点19转动；由于夹紧轮18与夹紧连杆13固接，因此实现夹紧轮18从架空地线20下方松开；然后第一前移动关节501伸长，带动前夹持机构3和前行走机构1升高，前行走机构1中的行走轮12脱离架空地线20；后行走机构2中的行走轮驱动电机10驱动巡检机器人机构继续前进，当行走至前手臂5处于第一防震锤12的右侧时停止；此时，前行走机构1、前夹持机构3和前手臂5已越过第一防震锤12，第一前移动关节501收缩，前行走机构1中的行走轮12重新落回至架空地线20上；前夹持机构3中的夹紧驱动电机17反转，使丝母16向下运动，进而使夹紧连杆13及驱动连杆14绕转动支撑点19转动，夹紧轮18重新夹紧架空地线20；前手臂5和后手臂6通过第二前移动关节503及第二后移动关节603的作用沿第一导轨9向前箱体7运动，将巡检机器人机构的重心移动到前手臂5和后手臂6中间，后手臂6跨越第一防震锤12的过程与前手臂5相同。

本发明巡检机器人机构跨越悬垂金具及线夹25的过程如图6a～6d所示，前、后行走机构1、2中的行走轮驱动电机10驱动各自的行走轮12在架空地线20上行走至悬垂金具及线夹25附近，前手臂5和后手臂6通过第二前移动关节503及第二后移动关节603沿第一导轨9向前箱体7方向运动，将巡检机器人机构的重心移动至前手臂5的下方，后夹持机构4按上述操作使夹紧轮18松开架空地线20，第一后移动关节601伸长，带动后夹持机构4和后行走机构2升高，后行走机构2中的行走轮12脱离架空地线20；然后第一后旋转关节602顺时针转动，后夹持机构4和后行走机构2旋转脱离架空地线20；第二后移动关节603带动后手臂6向前箱体7的方向运动，后手臂6沿第一导轨9运动至悬垂金具及线夹25的另一侧，此时由于后手臂6的向前移动，后手臂6推动前箱体7在第二前旋转关节701的作用下被动地沿顺时针旋转；后手臂6的第一后旋转关节602再逆时针转动，后夹持机构4和后行走机构2重新回到架空地线20的上方，第二后移动关节603向后箱体8的方向移动，同时前箱体7再逆时针旋转回到初始位置；第一后移动关节601收缩，后行走机构2中的行走轮12重新落回到架空地线20上，后夹持机构4再按上述操作，使夹紧轮18由下至上夹紧架空地线20。前手臂5跨越悬垂金具及线夹25的过程与后手臂6相同。

Claims (9)

1.一种适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构，其特征在于：包括前箱体（7)、后箱体（8)、第一导轨（9）及结构相同的前手臂（5）和后手臂（6），其中前手臂（5）和后手臂（6）上均安装有行走机构及夹持机构，所述行走机构和夹持机构分别位于架空地线（20）的上方及下方；所述第一导轨（9）至少为两根，各第一导轨相互平行，在第一导轨（9）的两端分别设有可旋转的前箱体（7）及后箱体（8），所述前手臂（5）和后手臂（6）分别安装在最外侧的两根第一导轨（9）上；所述前手臂（5）和后手臂（6）均具有沿第一导轨（9）移动、在竖直方向升降及在竖直方向旋转的三个自由度。

2.按权利要求1所述适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构，其特征在于：所述前手臂（5）包括第一前移动关节（501)、第一前旋转关节（502）及第二前移动关节（503），所述前手臂（5）整体通过第二前移动关节（503）安装在第一导轨（9）上，通过该第二前移动关节（503）实现沿第一导轨（9）移动的自由度；所述第一前旋转关节（502）安装在第二前移动关节（503）上，第一前移动关节（501）与第一前旋转关节（502）的输出端相连；前手臂（5）上分别安装有前行走机构（1）及前夹持机构（3），所述前行走机构（1）及前夹持机构（3）均安装在第一前移动关节（501）上；所述第一前移动关节（501)、前行走机构（1）及前夹持机构（3）通过第一前旋转关节（502）的驱动实现在竖直方向旋转的自由度，前行走机构（1）及前夹持机构（3）通过第一前移动关节（501）实现在竖直方向升降的自由度。

3.按权利要求1所述适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构，其特征在于：所述后手臂（6）包括第一后移动关节（601)、第一后旋转关节（602）及第二后移动关节（603），所述后手臂（6）整体通过第二后移动关节（603）安装在第一导轨（9）上，通过该第二后移动关节（603）实现沿第一导轨（9）移动的自由度；所述第一后旋转关节（602）安装在第二后移动关节（603）上，第一后移动关节（601）与第一后旋转关节（602）的输出端相连；后手臂（6）上分别安装有后行走机构（2）及后夹持机构（4），所述后行走机构（2）及后夹持机构（4）均安装在第一后移动关节（601）上；所述第一后移动关节（601)、后行走机构（2）及后夹持机构（4）通过第一后旋转关节（602）的驱动实现在竖直方向旋转的自由度，后行走机构（2）及后夹持机构（4）通过第一后移动关节（601）实现在竖直方向升降的自由度。

4.按权利要求1所述适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构，其特征在于：所述行走机构包括行走轮驱动电机（10)、支架（11）及行走轮（3），所述夹持机构包括升降机构、夹紧驱动电机（17)、连杆机构及夹紧轮（18），其中支架（11）安装在前手臂（5）或后手臂（6）上，行走轮驱动电机（10）设置在所述支架（11）上，所述行走轮（12）位于架空地线（20）的上方，与行走轮驱动电机（10）的输出轴相连，由行走轮驱动电机（10）驱动在架空地线（20）上行走；所述升降机构安装在支架（11）上，并与夹紧驱动电机（17）相连，由该夹紧驱动电机（17）驱动升降；所述夹紧轮（18）位于架空地线（20）的下方，通过连杆机构与升降机构连接，由升降机构带动夹紧或松开架空地线（20）。

5.按权利要求4所述适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构，其特征在于：所述连杆机构包括夹紧连杆（13）及驱动连杆（14），其中夹紧连杆（13）铰接在所述支架（11）上，所述夹紧轮（18）连接于夹紧连杆（13）一端，夹紧连杆（13）的另一端与驱动连杆（14）的一端铰接，驱动连杆（14）的另一端与所述升降机构相连。

6.按权利要求5所述适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构，其特征在于：所述升降机构包括丝杠（15）及丝母（16），其中丝杠（15）的一端转动安装在所述支架（11）上，另一端与所述夹紧驱动电机（17）相连，由夹紧驱动电机（17）驱动旋转；所述丝母（16）螺纹连接在丝杠（15）上，所述驱动连杆（14）的另一端与丝母（16）固接。

7.按权利要求6所述适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构，其特征在于：所述支架（11）上安装有第二导轨（22），丝母（16）上固接有沿第二导轨（22）上下升降的滑块（21），所述驱动连杆（14）的另一端与该滑块（21）固接。

8.按权利要求5所述适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构，其特征在于：所述升降机构为气缸，所述驱动连杆（14）的另一端与该气缸的活塞连接。

9.按权利要求1所述适用于狭窄巡检工作空间的巡检机器人机构，其特征在于：所述前箱体（7）及后箱体（8）分别通过第二前旋转关节（701）及第二后旋转关节（801）安装在第一导轨（9）上。

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