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一种角钢塔攀爬机器人及攀爬方法
申请号	CN202410240551.9	申请日	2024-03-04	公开(公告)号	CN118046974A	公开(公告)日	2024-05-17
申请人	河海大学;			发明人	於祖庆; 齐婷玉;
摘要	本发明公开了一种角钢塔攀爬机器人及攀爬方法，该角钢塔攀爬机器人包括吸震板、尺蠖式攀爬机构和腕部定位机构，通过模仿尺蠖这种昆虫的攀爬模式，通过摆动的方式实现伸缩从而实现步进的过程，大大缩减体积，提高灵活性，充分利用角钢塔主体的“Ｌ形”结构采用左右对称布置机械和电磁复合的定位固定结构，从而达到稳定地钩住角钢的目的。本发明有效确保攀爬动作的灵活性和稳定性。
权利要求	1.一种角钢塔攀爬机器人，其特征在于，包括吸震板、尺蠖式攀爬机构和腕部定位机构；尺蠖式攀爬机构包括前臂、后臂、丝杠、丝杠螺母和步进电机，前臂和后臂的一端分别铰接于吸震板两端，丝杠螺母和步进电机分别铰接于前臂和后臂中部，步进电机的输出端固定连接丝杠，丝杠螺纹连接丝杠螺母；腕部定位机构包括夹爪外壳、腕部电机、蜗杆轴、蜗轮、机械夹爪和电磁铁，腕部电机固定在夹爪外壳上，腕部电机的输出端固定连接蜗杆轴，蜗杆轴和蜗轮轴转动连接于夹爪外壳内，蜗杆轴上的齿和蜗轮啮合，前臂和后臂的另一端分别固定连接一腕部定位机构中伸出夹爪外壳两侧的蜗轮轴，两机械夹爪固定连接于夹爪外壳下方且位于前部两侧，电磁铁固定连接于夹爪外壳下方且位于后部，机械夹爪和电磁铁分别与角钢塔的脚钉和角钢塔的表面可拆卸地固定连接。 2.根据权利要求1所述角钢塔攀爬机器人，其特征在于，吸震板为弧形，吸震板包括钢质框架和中间填料，中间填料填充于钢质框架内，中间填料为橡胶材质且为两层。 3.根据权利要求1所述角钢塔攀爬机器人，其特征在于，吸震板两端均设置有一铰接部，铰接部包括两个铰接板，两个铰接板相距设置且关于吸震板板厚向的中心对称，铰接板上开设有铰接孔，前臂和后臂的一端通过平头带孔销轴、开口销与铰接孔的安装配合分别铰接于一铰接部的两个铰接板之间。 4.根据权利要求1所述角钢塔攀爬机器人，其特征在于，前臂和后臂均包括两等长配对的连杆，连杆的一端和中部开设有铰孔，用于铰接吸震板、丝杠螺母和步进电机。 5.根据权利要求1所述角钢塔攀爬机器人，其特征在于，还包括夹爪底板支架和电磁铁支撑板，夹爪底板支架固定连接于夹爪外壳下方，两机械夹爪对称地固定连接于夹爪地板支架下方且位于前部两侧，两电磁铁支撑板对称地固定连接于夹爪底板支架下方且位于后部两侧，两电磁铁分别固定连接于一电磁铁支撑板下方。 6.根据权利要求5所述角钢塔攀爬机器人，其特征在于，夹爪底板支架包括上板和两边板，夹爪底板支架的横截面呈无下底的等腰梯形，两腰所对应边板的夹角为90°。 7.根据权利要求1所述角钢塔攀爬机器人，其特征在于，蜗杆轴和蜗轮为垂直布置。 8.根据权利要求7所述角钢塔攀爬机器人，其特征在于，夹爪外壳的上、下两侧和左、右两侧开设有轴承孔，轴承孔上安装有轴承，轴承承载蜗杆轴和蜗轮轴。 9.根据权利要求1所述角钢塔攀爬机器人，其特征在于，前臂、后臂和夹爪外壳于其强度承载能力强的位置镂空有若干规则的孔。 10.一种权利要求1至9任一项所述角钢塔攀爬机器人的攀爬方法，其特征在于，包括：动作a：一腕部定位机构通过其机械夹爪和电磁铁固定在角钢塔的一脚钉及相邻的角钢塔表面上，另一腕部定位机构在尺蠖式攀爬机构的步进电机驱动丝杠至丝杆螺母而将前臂斥离后臂以及其腕部电机驱动蜗杆轴至蜗轮而夹爪外壳相对于前臂转动的协同控制下向角钢塔的下一脚钉攀爬和定位；动作b：另一腕部定位机构通过其机械夹爪和电磁铁固定在角钢塔的下一脚钉及相邻的角钢塔表面上，一腕部定位机构在尺蠖式攀爬机构的步进电机驱动丝杠至丝杆螺母而将后臂靠近前臂以及其腕部电机驱动蜗杆轴至蜗轮而夹爪外壳相对于后臂转动的协同控制下向另一腕部定位机构离开的角钢塔的一脚钉攀爬和定位；重复动作a和动作b。
说明书全文	一种角钢塔攀爬机器人及攀爬方法技术领域 [0001] 本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种角钢塔攀爬机器人及攀爬方法。背景技术 [0002] 随着我国社会的不断发展和科技的日益进步，如何提高电力系统的稳定性和可靠性已经成为亟待解决的问题。高压输电线路作为维护电力系统安全稳定的重要一环，其正常运行已经成为关注的重点。高压输电角钢铁塔由于长时间暴露在室外一年四季变化的空气中，容易产生螺栓腐蚀和松动的现象，定期对角钢塔的巡检和维护工作已经成为电力系统长期保持稳定运转的重要手段。对于输电铁塔的监测，还是借助人工服务线路巡视为主导，但由于我国的输电铁塔分布广泛，且分布的地带多为城镇乡村或高山农林等地形复杂的环境中，角钢塔的检测维修依靠人工不仅效率低下，而且容易出现安全隐患，造成生命财产的损失。根据2020年的国家能源局的数据统计，在发生的电力事故中，从事故类型来看，占比排在前三的事故类型为高处坠落、触电和物体打击，其中高处坠落事故占比28%。当前机器人行业也逐渐成为国家大力发展的热门行业，各种新型机器人的研发和应用已经逐渐走向模块化、智能化。由此可见，角钢塔攀爬和紧固机器人的研制十分重要。 [0003] 目前，我国在特高压铁塔的攀爬和螺栓紧固机器人的研制和应用存在稳定性低下、结构复杂、体积大笨重、越障能力差等缺点，例如发明专利CN102815348A公开了一种四足攀爬机器人，由于手爪的设计结构为单一线条型，在攀爬过程中，手爪难以提供足够的抓握力，导致在抓紧输电塔主体材料时容易发生滑脱。所以，研制一种新型高效稳定的特高压铁塔攀爬和螺栓紧固机器人可以大大弥补当前研究的不足，具有十分现实的意义。发明内容 [0004] 本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种角钢塔攀爬机器人及攀爬方法，以解决角钢塔攀爬机器人存在稳定性低下、结构复杂、体积大笨重及越障能力差的问题。 [0005] 为解决上述技术问题，本发明是采用下述方案实现的：本发明提供一种角钢塔攀爬机器人，包括吸震板、尺蠖式攀爬机构和腕部定位机构；尺蠖式攀爬机构包括前臂、后臂、丝杠、丝杠螺母和步进电机，前臂和后臂的一端分别铰接于吸震板两端，丝杠螺母和步进电机分别铰接于前臂和后臂中部，步进电机的输出端固定连接丝杠，丝杠螺纹连接丝杠螺母；腕部定位机构包括夹爪外壳、腕部电机、蜗杆轴、蜗轮、机械夹爪和电磁铁，腕部电机固定在夹爪外壳上，腕部电机的输出端固定连接蜗杆轴，蜗杆轴和蜗轮轴转动连接于夹爪外壳内，蜗杆轴上的齿和蜗轮啮合，前臂和后臂的另一端分别固定连接一腕部定位机构中伸出夹爪外壳两侧的蜗轮轴，两机械夹爪固定连接于夹爪外壳下方且位于前部两侧，电磁铁固定连接于夹爪外壳下方且位于后部，机械夹爪和电磁铁分别与角钢塔的脚钉和角钢塔的表面可拆卸地固定连接。 [0006] 进一步地，吸震板为弧形，吸震板包括钢质框架和中间填料，中间填料填充于钢质框架内，中间填料为橡胶材质且为两层。 [0007] 进一步地，吸震板两端均设置有一铰接部，铰接部包括两个铰接板，两个铰接板相距设置且关于吸震板板厚向的中心对称，铰接板上开设有铰接孔，前臂和后臂的一端通过平头带孔销轴、开口销与铰接孔的安装配合分别铰接于一铰接部的两个铰接板之间。 [0008] 进一步地，前臂和后臂均包括两等长配对的连杆，连杆的一端和中部开设有铰孔，用于铰接吸震板、丝杠螺母和步进电机。 [0009] 进一步地，还包括夹爪底板支架和电磁铁支撑板，夹爪底板支架固定连接于夹爪外壳下方，两机械夹爪对称地固定连接于夹爪地板支架下方且位于前部两侧，两电磁铁支撑板对称地固定连接于夹爪底板支架下方且位于后部两侧，两电磁铁分别固定连接于一电磁铁支撑板下方。 [0010] 进一步地，夹爪底板支架包括上板和两边板，夹爪底板支架的横截面呈无下底的等腰梯形，两腰所对应边板的夹角为90°。 [0011] 进一步地，蜗杆轴和蜗轮为垂直布置。 [0012] 进一步地，夹爪外壳的上、下两侧和左、右两侧开设有轴承孔，轴承孔上安装有轴承，轴承承载蜗杆轴和蜗轮轴。 [0013] 进一步地，前臂、后臂和夹爪外壳于其强度承载能力强的位置镂空有若干规则的孔。 [0014] 本发明提供一种前述角钢塔攀爬机器人的攀爬方法，包括：动作a：一腕部定位机构通过其机械夹爪和电磁铁固定在角钢塔的一脚钉及相邻的角钢塔表面上，另一腕部定位机构在尺蠖式攀爬机构的步进电机驱动丝杠至丝杆螺母而将前臂斥离后臂以及其腕部电机驱动蜗杆轴至蜗轮而夹爪外壳相对于前臂转动的协同控制下向角钢塔的下一脚钉攀爬和定位；动作b：另一腕部定位机构通过其机械夹爪和电磁铁固定在角钢塔的下一脚钉及相邻的角钢塔表面上，一腕部定位机构在尺蠖式攀爬机构的步进电机驱动丝杠至丝杆螺母而将后臂靠近前臂以及其腕部电机驱动蜗杆轴至蜗轮而夹爪外壳相对于后臂转动的协同控制下向另一腕部定位机构离开的角钢塔的一脚钉攀爬和定位；重复动作a和动作b。 [0015] 与现有技术相比，本发明所达到的有益效果为：1、从攀爬主体灵活性而言，摒弃了传统的复杂，体积过大而笨重的结构，以仿尺蠖的运动模式，通过采用双边对称的机械臂结构，以梯形丝杠机构带动双臂伸缩实现摆动前进，结构简易灵活。 [0016] 2、从克服攀爬所产生的冲击性而言，在原本连接前后臂的一个顶部关节改为两个顶部关节，在中间设置了橡胶钢板复合吸震弧形板，在机构中引入了一定的柔性，起到了良好的吸振作用，减少冲击振动，提高机构的稳定性和使用寿命。 [0017] 3、从足部固定的稳定性而言，新型电磁复合结构采用了三点定位原理，最大程度确保了夹持的可靠性和稳定性。 [0018] 4、从减轻臂部和腕部自身重量角度而言，分别在强度承载能力较强的位置设置类椭圆形或者三角形的孔，进一步减轻机构总体质量。附图说明 [0019] 图1是本发明实施例提供的一种角钢塔攀爬机器人的结构示意图；图2是本发明实施例提供的一种角钢塔攀爬机器人最大极限位置的状态示意图；图3是本发明实施例提供的一种角钢塔攀爬机器人最小极限位置的状态示意图；图4是本发明实施例提供的一种角钢塔攀爬机器人中吸震板的结构示意图；图5是本发明实施例提供的一种角钢塔攀爬机器人中腕部定位机构的外部结构示意图；图6是本发明实施例提供的一种角钢塔攀爬机器人中腕部定位机构的内部结构示意图；图7是本发明实施例提供的一种角钢塔攀爬机器人中腕部定位机构的底部结构示意图；图8是本发明实施例提供的一种角钢塔攀爬机器人的攀爬过程示意图；图9是本发明实施例提供的一种角钢塔攀爬机器人中夹爪外壳的示意图；图中：1、前臂；2、丝杠螺母；3、梯形丝杠；4、腕部定位机构；5、后臂；6、步进电机；7、步进电机支撑架；8、吸震板；9、中间填料；10、钢质框架；11、铰接孔；12、铰接板；13、平头带孔销轴；14、开口销；15、腕部电机；16、夹爪外壳；17、轴承固定螺钉；18、轴承；19、夹爪底板支架；20、机械夹爪固定螺栓；21、蜗杆轴；22、蜗轮；23、蜗轮轴；24、机械夹爪；25、夹爪底板支架固定螺母；26、夹爪底板支架固定螺栓；27、电磁铁；28、电磁铁支撑板；29、上轴承孔； 30、下轴承孔。具体实施方式 [0020] 下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。 [0021] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0022] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。实施例一 [0023] 如图1所示，本实施例提供一种角钢塔攀爬机器人，由尺蠖式攀爬机构、腕部定位机构4和吸震板8组成，三者旋转连接，可在多电机的控制下发生相对转动，从而完成相应攀爬动作。 [0024] 尺蠖式攀爬机构由四根完全相同的连杆、丝杠螺母2、梯形丝杠3、步进电机6和步进电机支撑架7组成。两个连杆组成前臂1，另外两个连杆组成后臂5，前臂1和后臂5的一端分别铰接于吸震板8两端部。步进电机支撑架7通过其上设置的铰孔与后臂5中两连杆中间设有的铰孔通过短轴连接形成转动副，其可以与后臂5之间发生相对转动且内径尺寸恰好可以容纳步进电机6，主要作用为支撑步进电机6；组成前臂1的两连杆在中间同样设有铰孔与丝杠螺母2铰接。步进电机6的输出端固定连接梯形丝杠3，步进电机6驱动梯形丝杠3转动，在梯形丝杠3和丝杠螺母2的配合下化旋转运动为直线运动，从而带动前臂1和后臂5完成类似尺蠖状的一伸一缩运动（蠕动），从而实现攀爬角钢塔的动作。此外，四个连杆在其强度承载能力较强的位置设有类椭圆形和三角形的孔，用于减轻整体机构重量，增加灵活性。 [0025] 如图4所示，吸震板8为弧形，其外围为钢质框架10作为支撑，中间填料9填充于钢质框架10内，中间填料9为橡胶材质且有两层，从而引入了一些柔性，为前臂1和后臂5之间的相对转动提供缓冲吸振的作用，降低刚性。吸震板8与前臂1、后臂5的铰接采用对称连接形式，防止摩擦时产生偏载，具体为：吸震板8两端均设置有一铰接部，铰接部包括两个铰接板12，两个铰接板12相距设置且关于吸震板8板厚向的中心对称，铰接板12上开设有铰接孔 11，前臂1和后臂5的一端用平头带孔销轴13和开口销14分别连接于一铰接部的两个铰接板 12之间形成旋转副并发生相对转动，其中开口销14插入平头带孔销轴13的孔中用于实现静态固定，平头带孔销轴13与吸震板8的铰接孔11及前臂1、后臂5一端的铰孔进行配合铰接。 [0026] 如图5、图6、图7和图9所示，腕部定位机构4为机械夹爪24和圆形电磁铁27复合的静态定位机构，设有两组。腕部定位机构4主体所占面积最大者为有着特殊形状（横截面为半圆弧形和矩形衔接）呈左右对称的夹爪外壳16，用于完整地容纳蜗轮蜗杆的同时节省夹爪外壳16重量；此外，夹爪外壳16在其强度承载能力较强的位置采用三角形镂空设计，进一步减轻腕部定位机构4的质量，使之更轻便灵活。夹爪外壳16的上部设置有腕部电机15，腕部电机15的输出端固定连接蜗杆轴21；夹爪外壳16上、下两侧分别开设有上轴承孔29和下轴承孔30，上轴承孔29和下轴承孔30上通过轴承固定螺钉17安装有两个大小相等的轴承 18，轴承18承载蜗杆轴21使得蜗杆轴21转动连接于夹爪外壳16内，夹爪外壳16左、右两侧同样开设有轴承孔，轴承孔通过轴承固定螺钉安装有两个大小相等的轴承（图9中未示出，结构参照图5），轴承承载蜗轮轴23使得蜗轮轴23转动连接于夹爪外壳16内，蜗杆轴21上的齿和蜗轮22啮合，蜗轮轴23与蜗杆轴21为垂直布置，以实现自锁、减速。蜗轮轴23伸出复合夹爪外壳两侧与前臂1、后臂5的另一端固定连接形成腕部关节，腕部电机15驱动蜗杆轴21转动，蜗杆轴21通过轴承18的支撑作用从而实现正常地转动，蜗轮蜗杆的啮合使得蜗轮22被蜗杆带动转动，蜗轮轴23在蜗轮22的带动下发生转动，这样腕部的转动实现夹爪外壳16及其上机械夹爪24相对前臂1或后臂5运动，完成机械夹爪24的抓握固定的动作，有利于完成越障动作。夹爪底板支架19通过夹爪底板支架固定螺母25和夹爪底板支架固定螺栓26配合固定于复合夹爪外壳16下方，两个机械夹爪24通过机械夹爪固定螺栓20和螺母配合对称地固定于夹爪底板支架19下方且位于前部两侧，电磁铁支撑板28通过螺栓和螺母对称固定于夹爪底板支架19下方且位于后部两侧，两个圆形电磁铁27对称地布置在电磁铁支撑板28 上。电磁铁支撑板28、夹爪底板支架19和机械夹爪24采用三个独立的结构，便于检修更换。夹爪底板支架19包括上板和两边板，两机械夹爪24对称地分别固定连接于一边板下方且位于前部两侧，两电磁铁27支撑板对称地分别固定连接于一边板下方且位于后部两侧；夹爪底板支架19的横截面呈无下底的等腰梯形，两腰所对应边板的夹角为90°，用于与角钢塔横截面呈90°的“L形”结构相匹配，攀爬时机械夹爪24和电磁铁27分别对称布置于角钢棱线的两侧。 [0027] 由于角钢塔的脚钉呈圆柱状，机械夹爪24与脚钉的接触部分与脚钉直径相匹配且为弧线形，弧线型设计用于紧固地钩住角钢，使机械夹爪24夹持部分和角钢有效的接触，从而显著提高稳定性。实施例二 [0028] 本实施例提供一种实施例一所述角钢塔攀爬机器人的攀爬方法，攀爬过程如图8所示，实现攀爬运动的一个周期过程可以分为下列两个子过程： 1）后腕部定位机构通过其机械夹爪和电磁铁固定在角钢塔的一脚钉及相邻的角钢塔表面上，在尺蠖式攀爬机构的步进电机驱动丝杠至丝杆螺母而将前臂斥离后臂以及其腕部电机驱动蜗杆轴至蜗轮而夹爪外壳相对于前臂转动的协同控制下，前腕部定位机构向角钢塔的下一脚钉攀爬和定位，即类似于尺蠖身体向前伸展的动作；其中，该子过程的初始状态为图3的最小极限位置，终止状态为图2的最大极限位置，过程中电磁铁是否吸附角钢塔表面根据攀爬情况而定：腕部定位机构需要离开时吸附取消，需要固定时适时吸附； 2）前腕部定位机构通过其机械夹爪和电磁铁固定在角钢塔的下一脚钉及相邻的角钢塔表面上，在尺蠖式攀爬机构的步进电机驱动丝杠至丝杆螺母而将后臂靠近前臂以及其腕部电机驱动蜗杆轴至蜗轮而夹爪外壳相对于后臂转动的协同控制下，后腕部定位机构向前腕部定位机构刚刚离开的角钢塔的一脚钉攀爬和定位，类似于尺蠖身体中尾部向前收缩的动作；其中，该子过程的初始状态为图2的最大极限位置，终止状态为图3的最小极限位置，过程中电磁铁是否吸附角钢塔表面根据攀爬情况而定：腕部定位机构需要离开时吸附取消，需要固定时适时吸附；重复前述两个子过程完成对角钢塔稳定的攀爬动作。 [0029] 综上，本发明从攀爬主体灵活性而言，摒弃了传统的复杂，体积过大而笨重的结构，以仿尺蠖的运动模式，通过采用双边对称的机械臂结构，以梯形丝杠机构带动双臂伸缩实现摆动前进，结构简易灵活；从克服攀爬所产生的冲击性而言，在原本连接前后臂的一个顶部关节改为两个顶部关节，在中间设置了橡胶钢板复合吸震弧形板，在机构中引入了一定的柔性，起到了良好的吸振作用，减少冲击振动，提高机构的稳定性和使用寿命；从足部固定的稳定性而言，新型电磁复合结构采用了三点定位原理，最大程度确保了夹持的可靠性和稳定性；从减轻臂部和腕部自身重量角度而言，分别在强度承载能力较强的位置设置类椭圆形或者三角形的孔，进一步减轻机构总体质量。 [0030] 显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

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