一种导线可越障机器人行走装置.pdf

本发明提出了一种导线可越障机器人行走装置，其采用双臂三关节轮式结构，越障时双臂交替握线以避开障碍，行走时采用轮以保证行驶速度，包括前行走轮1、后行走轮2、前压紧轮3、后压紧轮4、前行走轮臂5、后行走轮臂6、前压紧轮臂7、后压紧轮臂8、四个前电机9、四个后电机10、前关节臂11、后关节臂12和本体13。本机器人行走装置可以跨越典型导线障碍如防振锤、压接管、间隔棒、悬垂线夹等，可作为高压输电线路巡线机器人以及导线除冰机器人行走装置。该平台具有机构较为简单，控制方式简单，控制精度要求较低，行走及越障速度较快等优点。

1、  一种导线可越障机器人行走装置，其采用双臂三关节轮式结构，越障时双臂交替握线以避开障碍，包括前行走轮1、后行走轮2、前压紧轮3、后压紧轮4、前行走轮臂5、后行走轮臂6、前压紧轮臂7、后压紧轮臂8、四个前电机9、四个后电机10、前关节臂11、后关节臂12和本体13等构成，所述本体13为椭球形，所述本体13包括驱动关节臂运动的驱动电机、减速箱，控制系统及电源。

2、  如权利要求1所述的装置，其特征在于在本体13沿导线方向的一侧前后对称设置所述的两条三关节的机械臂：前关节臂11和后关节臂12，所述前关节臂11和后关节臂12分别由第一关节臂、第二关节臂和第三关节臂构成，第一关节臂是由本体13延伸出来的关节臂，第一关节臂可沿固定设置于本体内部的驱动电机旋转，第一关节的驱动电机输出轴垂直于导线，以完成越障时整个行走装置的抬起与放下；第二关节臂由连接行前后走轮臂和第一关节臂的轴构成，第二关节臂通过驱动电机驱动，第二关节臂的驱动电机输出轴平行于导线，该关节可使前后行走轮臂绕与导线平行的轴旋转，以放下或抬起行走轮；第三关节臂由连接前后压紧轮臂与前后行走轮臂的轴构成，第三关节臂的驱动电机输出轴平行于导线，可实现压紧轮绕平行于导线的轴线旋转，以完成压紧轮的压紧动作并增大行走轮的摩擦力及保证行走轮不脱线。

3、  如权利要求1-2所述的装置，其特征在于该装置的越障方式包括以下步骤：
(1)当接近障碍物时，前行走轮脱线；
(2)然后前行走轮绕平行于导线的轴线旋转一定角度以避开障碍物；
(3)后行走轮继续前进，直至前行走轮越过障碍物；
(4)前行走轮上线；
(5)后行走轮脱线，并绕平行于导线的轴线旋转一定角度，避开障碍物；
(6)前行走轮前进，直至后行走轮越过障碍物；
(7)后行走轮上线，至此，机器人成功越障。

4、  如权利要求1-3所述的装置，其特征在于所述本体13、前行走轮臂5、后行走轮臂6、前压紧轮臂7和后压紧轮臂8的横截面外形均为圆形，能够有效的防止带电运行时产生的电晕现象。

5、  如权利要求1-4所述的装置，其特征在于所述前行走轮1和后行走轮2与导线14的接触表面设置有增加摩擦力的塑胶材料。

6、  如权利要求1-5所述的装置，其特征在于前压紧轮3和后压紧轮4采用金属材料制造，整个装置的各个部件均采用铝合金薄壳结构，从而实现机体外壳与导线等电位。

7、  如权利要求1-6所述的装置，其特征在于本体13的重心位于前行走轮1和后行走轮2的正下方，从而保证装置行走及越障时的稳定性。

8、  如权利要求1-7所述的装置，其特征在于所述四个前电机9和四个后电机10均具有自锁功能。

9、  如权利要求1-8所述的装置，其特征在于所述本体13中还具有电源，所述电源可以是蓄电池或发电机或高压抽能装置。

10、  如权利要求1-9所述的装置，其特征在于所述本体13中还具有接近传感器或接触传感器，用于判断到达障碍和离开障碍。

11、  一种使用权利要求1-10所述装置，其特征在于所述本体13中还可安装不同用途的模块从而实现不同的功能，当安装摄像设备和视频传输设备时，作为巡线机器人，或当安装除冰机构时作为除冰机器人。

一种导线可越障机器人行走装置
技术领域
本发明涉及高压输电线的巡线及保护领域，特别关于一种可越障式单导线及多分裂导线机器人行走装置。
背景技术
为了保障电力线路的正常运行，需要对输电线路进行定期维护。巡检不仅了解掌握线路的运行状况，也能及时发现线路及设备的缺陷和周边环境情况的变化，为线路维修维护提供资料。目前主要是采用人工目测检查的方式，但我国输电线路里程长、覆盖范围广，有些线路还跨越山区、大河、草地及原始森林等，这就使巡检工作劳动强度大且难以保证巡检到位率并且影响巡检质量。为了弥补在这些线路上人工巡检的不足，就迫切需要用基于机器人技术的巡线机器人来辅助人工巡检。这不仅保证了巡检效率、巡检质量，也降低了巡检成本。
针对我国输电线路里程长、覆盖范围广，很大一部分线路需要经过高山大河原始森林等地区，人工巡检难度大等等实际情况，也随着机器人技术的不断进步，采用基于机器人技术的巡线机器人来辅助人工巡检并且逐步代替人工巡检已成为大势所趋。这对于提高电力部门自动化作业程度，改善巡检作业人员劳动条件，提高巡检作业水平，以及提高巡检作业质量都具有重要的意义，对保证我国输电线路的良好运行有着积极的作用。
本发明的导线可越障机器人行走装置在搭载视频传输设备后即可成为巡线机器人，搭载除冰机构即可成为除冰机器人。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：机器人在导线上行走时要遇到各种金具，如防震锤、压接管、悬垂线夹等。为了提高工作效率，机器人要具有自主跨越上述障碍的能力。本发明提出了一种通过旋转机器人手臂以避开障碍物的方法，使机器人快速、稳定的越过障碍物。
因此，本发明提出了一种导线可越障机器人行走装置，其采用双臂三关节轮式结构，越障时双臂交替握线以避开障碍，包括前行走轮1、后行走轮2、前压紧轮3、后压紧轮4、前行走轮臂5、后行走轮臂6、前压紧轮臂7、后压紧轮臂8、四个前电机9、四个后电机10、前关节臂11、后关节臂12和本体13，所述本体13为椭球形，所述本体13包括驱动关节臂运动的驱动电机、减速箱，控制系统及电源。
其中，本体13沿导线方向的一侧前后对称设置所述的两条三关节的机械臂：前关节臂11和后关节臂12，所述前关节臂11和后关节臂12分别由第一关节臂、第二关节臂和第三关节臂构成，第一关节臂是由本体13延伸出来的关节臂，第一关节臂可沿固定设置于本体内部的驱动电机旋转，第一关节的驱动电机输出轴垂直于导线，以完成越障时整个行走装置的抬起与放下；第二关节臂由连接行前后走轮臂和第一关节臂的轴构成，第二关节臂通过驱动电机驱动，第二关节臂的驱动电机输出轴平行于导线，该关节可使前后行走轮臂绕与导线平行的轴旋转，以放下或抬起行走轮；第三关节臂由连接前后压紧轮臂与前后行走轮臂的轴构成，第三关节臂的驱动电机输出轴平行于导线，可实现压紧轮绕平行于导线的轴线旋转，以完成压紧轮的压紧动作并增大行走轮的摩擦力及保证行走轮不脱线。
其中，该装置的越障方式包括以下步骤：
(1)当接近障碍物时，前行走轮脱线；
(2)然后前行走轮绕平行于导线的轴线旋转一定角度以避开障碍物；
(3)后行走轮继续前进，直至前行走轮越过障碍物；
(4)前行走轮上线；
(5)后行走轮脱线，并绕平行于导线的轴线旋转一定角度，避开障碍物；
(6)前行走轮前进，直至后行走轮越过障碍物；
(7)后行走轮上线，至此，机器人成功越障。
其中，所述本体13、前行走轮臂5、后行走轮臂6、前压紧轮臂7和后压紧轮臂8的横截面外形均为圆形，能够有效的防止带电运行时产生的电晕现象。
其中，所述前行走轮1和后行走轮2与导线14的接触表面设置有增加摩擦力的塑胶材料。
其中，前压紧轮3和后压紧轮4采用金属材料制造，整个装置的各个部件均采用铝合金薄壳结构，从而实现机体外壳与导线等电位，。
其中，本体13的重心位于前行走轮1和后行走轮2的正下方，从而保证装置行走及越障时的稳定性。
其中，所述四个前电机9和四个后电机10均具有自锁功能。
其中，所述本体13中还具有电源，所述电源可以是蓄电池或发电机或高压抽能装置。
其中，所述本体13中还具有接近开关或接触传感器，用于判断到达障碍和离开障碍。
其中，所述本体13中还可安装不同用途的模块从而实现不同的功能，当安装摄像设备和视频传输设备时，作为巡线机器人，或当安装除冰机构时作为除冰机器人。
本发明的有益效果是：
1)整机结构均为圆弧造型，可以在导线带电的情况下进行作业；
2)轮臂结合式设计，无障碍物时以轮行走，可以保证工作时的行走速度；
3)行走轮内设置新型塑胶材料，可有效的提高导线与轮的摩擦力，提高整体的爬行角度；
4)机器人的越障适应性广，可有效的避让绝大多数规格导线上的障碍，在一个耐张段内往复行走；
5)机体均采用铝合金薄壳结构，整体重量轻；
6)电机采用蓄电池供电或导线抽能装置供电，一次充电可行走多个耐张段；
7)最大爬坡角度较大，不小于30°；
8)行走速度快，非越障时行走速度不小于15m/min。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是依据本发明的可越障式单导线及多分裂导线机器人行走装置的整体结构立体示意图；
图2是图1所示装置的主视图；
图3是图1所示装置的左视图；
图4是图2所示装置的A-A剖面图；
图5是图4中关节臂21从本体13中延伸出来后的结构示意图；
图6是本发明的可越障式单导线及多分裂导线机器人行走装置的轴测图；
图7是典型的障碍物中的防振捶示意图；
图8是典型的障碍物中的间隔棒示意图；
图9是典型的障碍物中的悬垂线夹示意图；
图10是本发明的装置接近障碍时的示意图；
图11是本发明的装置前压紧轮由压紧轮臂带动扭转向下运动的示意图；
图12是本发明的装置前压紧轮由压紧轮臂带动扭转向下运动的立体示意图；
图13是本发明的装置后关节臂旋转，本体向上抬起的示意图；
图14是本发明的装置前关节臂向内侧旋转，前行走轮放下的示意图；
图15是本发明的装置前关节臂向内侧旋转，前行走轮放下的立体示意图；
图16是本发明的装置后行走轮驱动机器人整体前近的示意图；
图17是本发明的装置前行走轮复位，压紧轮复位的示意图；
图18是本发明的装置前关节臂顺时针方向旋转，本体后端抬起，放下后压紧轮的示意图；
图19是本发明的装置放下后行走轮的示意图；
图20是本发明的装置前行走轮驱动机器人前行的示意图；
图21是本发明的装置后行走轮复位，压紧轮复位，完成越障的示意图；
图22为本发明装置的越障过程流程图；
图23为本发明装置的系统原理示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明的可越障式单导线及多分裂导线机器人行走装置的整体结构立体示意图，图2为该装置的主视图，图3为该装置的左视图，本发明的可越障式单导线及多分裂导线机器人行走装置包括前行走轮1、后行走轮2、前压紧轮3、后压紧轮4、前行走轮臂5、后行走轮臂6、前压紧轮臂7、后压紧轮臂8、四个前电机9、四个后电机10、前关节臂11、后关节臂12和本体13，所述本体13为椭球形，所述本体13包括驱动关节臂运动的驱动电机、减速箱，控制系统及电源。前关节臂11和后关节臂12的下端通过旋转关节与装置的本体13相连，前行走轮臂5、后行走轮臂6的上端与装置的行走轮相连。手臂由一个旋转关节连接手臂的关节臂及行走轮臂组成。压紧轮机构由压紧轮及压紧轮臂组成，压紧轮机构的一端通过旋转关节与行走轮臂相连。
图4是图2所示装置的A-A剖面图，显示了本发明装置的本体13内部结构示意图，电机16固连在机器人本体13上，关节臂21与电机16的输出轴固定连接在一起。通过电机16的旋转可带动整个关节臂及与其相连的机构相对于机器人本体旋转运动，图4中的15是电机输出轴及平键、16是驱动电机和减速箱，控制单元18和蓄电池20安装在器件固定架19上，器件固定架19连接在本体13上。
图5是图4中关节臂21从本体13中延伸出来后的结构示意图，电机及减速器24固定连接在关节臂23上，行走轮臂25与电机及减速器24的输出轴26固定连接。电机24的轴线与导线14平行，通过电机24的旋转可使行走轮臂及与其相连的行走轮、压紧轮旋转运动，从而远离障碍物。
图6是本发明的可越障式单导线及多分裂导线机器人行走装置的轴测图；
图7为典型的障碍物中的防振捶示意图。
图8为典型的障碍物中的间隔棒示意图。
图9为典型的障碍物中的悬垂线夹示意图。
下面以越过导线上的防震锤为例说明本发明装置的越障过程，本发明的装置悬挂于单根导线上，对于多分裂导线则悬挂于分裂导线的下部子导线上：1)由接近开关或接触传感器判断到达障碍，机器人停止前进(图10)；2)前压紧轮由压紧轮臂带动扭转向下(图11、图12)；3)后臂关节1逆时针方向旋转，机器人本体向上抬起(由于行走轮有沟槽，需要行走轮抬起一定高度才能松开导线而放下)，前行走轮脱线，图13；4)前臂关节2向内侧旋转，放下前行走轮，图14，图15；5)后行走轮驱动机器人整体前近，传感器判断后轮接近障碍时停止，图16；6)前行走轮复位，压紧轮复位，图17；7)前臂关节1顺时针方向旋转，本体后端抬起，放下后压紧轮，图18；8)放下后行走轮，图19；9)前行走轮驱动机器人前行，传感器判断完全越过障碍后停止，图20；10)后行走轮复位，压紧轮复位，完成越障，图21。
图22为本发明的装置的越障过程流程图。
图23为本发明装置的系统原理示意图，由控制装置控制电机和电源，电机驱动导线爬行装置，机器人由高压抽能装置或发电机提供电源，并存储在蓄电池中，发电机或蓄电池两者都可给系统供电，按照需要进行切换调整。控制装置负责通讯和任务分解，控制电机的动作，并驱动机器人完成各种动作。
此外本发明的装置的所述本体13中还具有接近开关或接触传感器，用于判断到达障碍和离开障碍。在所述本体13中设置摄像设备和视频传输设备就可以将本发明的装置作为巡线机器人使用。在所述本体13上设置现有的各种除冰机构就可以将本发明的装置作为使用。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。