具有可弯曲双爪结构的缆索检测维护机器人的制作方法

本实用新型涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一种具有可弯曲双爪结构的缆索检测维护机器人。

背景技术：

缆索作为拉索在悬空场合广泛应用，可靠性非常重要。

在日常生活中，缆索长时间暴露在空气中，受到风吹、日晒、雨淋和环境污染的侵蚀，会使得缆索的表面PE保护层出现硬化或破损的现象，继而引起内部钢丝束或钢绞线受到腐蚀，甚至可能会出现断丝的现象，另一方面，由于风振、雨振等原因，缆索内部的钢丝束产生摩擦，引起钢丝磨损，严重者也会发生断丝现象，严重危害的人们的安全。随着这些桥梁服役时间的延长，对拉索、悬索等的检测需求也不断增加，对其表面保护层损伤的检测尤为重要，及时发现并维护，更有利于保护索内钢丝，增加索体使用寿命，维护大桥安全。随着桥梁建设的不断发展，新的大型斜拉索、悬索桥得到广泛的应用。而缆索作为该种桥梁的主要受力机构，其好坏直接决定着桥梁的使用寿命。缆索表面的聚乙烯（PE）保护层长期暴露在江、河、湖、海上面和山谷的空气中，会出现不同程度的老化硬化等破坏。同时由于江海面上风大、雨急，缆索会在风雨作用下产生风雨震，因此现在缆索表面 PE 层制作螺旋线或压花凹坑，或者二者结合使用来减少风雨震对缆索及桥梁的损害，并得到普遍的应用，这同时也给缆索检测带来新的问题。随着这些桥梁服役时间的延长，对拉索、悬索等的检测需求也不断增加，对其表面保护层损伤的检测尤为重要，及时发现并维护，更有利于保护索内钢丝，增加索体使用寿命，维护大桥安全。

维护缆索有爬索机器人和无人机两个方向的方案。近些年来，爬索机器人以对缆索的追随性好、方向和位置可控度高以及经济实用获得较多关注和研究。

有一些科研机构也做了这方面相应的研究，例如专利号为 99252056.8的专利文件公开了一种电驱动缆索维护机器人爬升机构，该机器人能较好的完成涂装维护功能，但是结构复杂，比较笨重，且采用电缆供电，受工作环境影响大，适合高空长索作业环境，且检测效率很低。这些机器人能够部分的满足检测要求，但是检测效率较低，对桥梁占用时间长，影响交通。

目前已经公开的技术方案以及其他现有技术普遍存在着以下问题：（1）维护过程中，滚轮与缆索之间的机械力，本身就会造成缆索损害的风险；（2）缆索上可能存在设置的附着物，或者缆索经过维护的薄弱环节，爬索机器人无法绕开的缺陷；（3）有些爬索机器人想用于电线杆的维护，但电线杆上常有多种附着物，现有的爬索机器人无法绕开。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述不足，提供一种具有可弯曲双爪结构的缆索检测维护机器人，智能地减轻维护作业对缆索的损害，同时能快速准确地避开障碍。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种具有可弯曲双爪结构的缆索检测维护机器人，它包括前爪、前爪掌、机身、后爪和后爪掌；

所述机身上设有前爪机架和后爪机架，所述前爪通过前爪掌与前爪机架的一端固定连接，所述后爪通过后爪掌与后爪机架的一端固定连接；所述前爪掌上设有前爪夹紧机构，所述后爪掌上设有后爪夹紧结构；

所述前爪采用可弯曲结构；所述前爪包括若干指节，所述若干指节依次首尾通过铰链连接，最末一段指节与前爪的前爪掌铰接；

所述后爪的结构与前爪的结构相同，所述后爪掌的结构与前爪掌的结构相同，所述后爪夹紧机构的结构与前爪夹紧机构的结构相同。

一种具有可弯曲双爪结构的缆索检测维护机器人，所述前爪夹紧机构包括相互连接的驱动电机和驱动轴。

一种具有可弯曲双爪结构的缆索检测维护机器人，所述前爪机架上设有前爪收放丝杠，所述前爪收放丝杠一端与前爪收放驱动电机连接，所述前爪收放丝杠上通过前爪收放螺母设置有爬索驱动电机；所述后爪机架与爬索驱动电机之间设有爬索驱动丝杠连接，所述爬索驱动丝杠的一端通过驱动螺母与后爪机架连接，所述后爪机架与前爪机架之间设有角向定位杆。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用可弯曲双爪结构智能控制，减轻与缆索表面接触对缆索带来的摩擦损坏，避开缆索表面的障碍。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型的前爪1握紧缆索状态的示意图。

图3是图2的C-C剖面示意图。

其中：

前爪1、铰链1.6、缆索2、前爪掌3、前爪夹紧机构4、驱动电机4.1、驱动轴4.3、机身5、前爪收放丝杠6、爬索驱动电机7、前爪收放螺母8、角向定位杆9、前爪机架10、前爪收放驱动电机11、后爪12、后爪掌13、后爪夹紧机构14、后爪机架15、驱动螺母16、爬索驱动丝杠17。

具体实施方式

实施例1：

参见图1-3，本实用新型涉及的一种具有可弯曲双爪结构的缆索检测维护机器人，它包括前爪1、前爪掌3、前爪夹紧机构4、机身5、前爪收放丝杠6、爬索驱动电机7、角向定位杆9、前爪机架10、前爪收放驱动电机11、后爪12、后爪掌13、后爪夹紧机构14、后爪机架15和爬索驱动丝杠17。

所述前爪1通过前爪掌3与前爪机架10的一端固定连接，所述前爪机架10设置在机身5上，所述前爪机架10上设有前爪收放丝杠6，所述前爪收放丝杠6一端与前爪收放驱动电机11连接，所述前爪收放丝杠6上通过前爪收放螺母8设置有爬索驱动电机7。

所述后爪12的结构与前爪1的结构相同，所述后爪掌13的结构与前爪掌3的结构相同，所述后爪夹紧机构14的结构与前爪夹紧机构4的结构相同。

所述前爪1采用可弯曲结构，不工作时可以伸直甚至弯曲到相反方向，工作时可以弯曲围住缆索2；

所述前爪1包括若干指节，如前爪1第一节1.3、前爪1第二节1.8、前爪1第三节1.9和最末一段指节1.11；所述若干指节依次连接，从前爪1第一节1.3开始，前一节的末尾端与下一节的起始端连接，最后一节的末尾端与前爪1的前爪掌3铰接，所述指节依次首尾通过铰链1.6连接；

所述前爪1第一节1.3内设有两个上下布置的牵引线固定点1.4，每个牵引线固定点1.4固定一条牵引线1.10。

所述前爪掌3上设有前爪夹紧机构4，所述前爪夹紧机构4包括驱动电机4.1和驱动轴4.3，所述驱动电机4.1与驱动轴4.3连接，所述牵引线1.10包括内侧牵引线1.10.1和外侧牵引线1.10.2，所述内侧牵引线1.10.1的末端固定在驱动轴4.3的外圆上，所述外侧牵引线1.10.2以相反的旋向固定在驱动轴4.3上，驱动轴4.3向不同方向旋转即可带动内侧牵引线1.10.1和外侧牵引线1.10.2分别收紧和放松。所述爪掌3固定在机身5上，所述前爪掌3通过连接铰链3.4与前爪1的最末一段指节1.11连接，前爪1的最末一段指节1.11引出的内测牵引线1.10.1和外侧牵引线1.10.2旋向相反地固定在驱动轴4.3的外圆上。

各个指节前端的铰链1.6的旋转轴心与后端的铰链1.6的旋转轴心之间的连接线段的两侧各设置有两个销轴1.7，所述销轴1.7的轴线与铰链1.6的旋转轴心平行，所述销轴1.6固定在指节上；所述销轴1.6的半径小于销轴的圆心到两个铰链旋转轴心之间连接线段的距离；所述销轴可用槽轮代替，铰链轴的外圆也可设置槽轮。

所述牵引线1.10分别沿着连接各指节的两个销轴1.5之间穿过，贴着所在一侧销轴1.6外圆和铰链轴的外圆，引到最后一节，并进入手掌，用作控制前爪1的弯曲；拉紧哪一侧的牵引线, 前爪1的指节就会向哪一侧弯曲；实现抱紧缆索和松开缆索的目的；并根据检测装置测到的下一个握紧位置缆索尺寸智能地决定松开的大小，缩短工作时间和减少能源消耗。

所述销轴1.6的圆心到两个铰链1.6的旋转轴心之间连接线段的距离减去销轴1.6半径等于铰链轴的外圆的半径；

所述销轴在每个节上起始端的铰链轴和末尾端的铰链轴之间，沿铰链轴心连线对称，靠近每个铰链轴位置各两个销轴，销轴中心与其所靠近的铰链中心的中心距等于销轴半径与铰链外圆半径之和的1.2倍。

所述前爪1第一节1.3上的牵引线固定点1.4与销轴1.5圆心的连线平行于铰链轴的连线；

各个指节上，在两个铰链圆心连线上至少布置一个直径大于铰链外圆直径1.00108~8.18倍的大销轴1.7，优选直径大于铰链外圆直径1.08~1.26倍的大销轴1.7。

所述后爪12通过后爪掌13与后爪机架15的一端固定连接，所述后爪机架15间接设置在机身5上，所述后爪机架15与爬索驱动电机7之间设有爬索驱动丝杠17连接，所述爬索驱动丝杠17的一端通过驱动螺母16与后爪机架15连接，所述后爪机架15与前爪机架10之间设有角向定位杆9。

所述前爪1上设有若干检测装置20和作业装置21，所述检测装置20可以是视觉传感器、速度传感器、陀螺仪、加速度传感器、超声波传感器、海拔高度检测仪、气体检测仪、位移传感器、微波测距传感器、漏磁传感器、正弦传感器、温度传感器、湿度传感器、位置传感器、风力传感器、重量传感器、力传感器、光传感器、酸度仪、气体样本采集器等；所述作业装置21可以是喷涂系统、清洗系统、PE修复系统等。

所述机身5上设有核心处理器和保护装置，所述核心处理器建立缆索维护台账，避免修复位置受力，统计缆索损坏和失效的规律，修复方法的效果。安全、科学、经济地安排维护作业，为大修、更新缆索、采购、设计缆索的材料、状态、品牌、动力配置提供原始数据；核心处理器根据检测到的数据发出指令，采集所处空间气体样本，供分析缆索变化因素；核心处理器根据检测到的重量、电力以及近期电力与工作结果数据，提示供电和可负担任务；执行任务过程中，根据已经执行任务的缆索状况，例如长度、坡度、动力消耗，估算返回需要的动力，及时返回，避免过度电力消耗造成不易顺利返回；核心处理器根据检测到的重量、以及坡度等参数，决定施力元件在缆索上的正压力，通过控制正压力，减少动力消耗和对缆索的伤害；高空电机故障不能运动时，核心处理器控制机器人通过不断调整抱紧力，使机器人依靠重力以恒定速度滑行到地面，进行维修。

所述机身5安装加速度传感器，当加速度超过设定值时，能够强行切断动力输出，增加抱紧力，防止失控。

所述机身5底部设置有脚轮，便于在地面移动。

工作原理：

工作时，把前爪1从缆索2的一侧送进，松开远离缆索2的牵引线，拉紧靠近缆索2的牵引线，前爪1就会向着缆索2弯曲，并且握紧缆索2。相反地，松开靠近缆索2的牵引线，拉紧远离缆索2的牵引线，前爪1就会离开缆索2伸直，并且松开缆索2。

松开远离缆索2的牵引线，拉紧靠近缆索2的牵引线时，远离缆索2的牵引线处于松弛状态，并且可以从前爪1的第三节1.9的右侧送进，从而不对前爪1产生作用力。

从前爪1的第三节1.9右侧拉紧上侧的靠近缆索2的牵引线，由于柔性的牵引线只能承受拉伸力，不可承受弯曲力，在所有的两个固定点之间形成只能承受沿着两个固定点连线方向拉伸力的二力杆（或者叫二力构件），这里的固定点有：牵引线固定点1.4、销轴1.5、铰链1.6、大销轴 1.7与牵引线接触线的端部；

在前爪第一节1.3上，牵引线固定点1.4与销轴1.5之间的牵引线向右下方倾斜，牵引线固定点1.4与销轴1.5之间的牵引线形成的二力杆，对销轴1.5产生指向左上侧沿着牵引线的牵引力；

在前爪1第二节1.8上设有大销轴1.7，大销轴1.7与销轴1.5之间的牵引线向右上方倾斜，大销轴1.7与销轴1.5之间的牵引线形成的二力杆，对销轴1.5产生指向右上侧沿着牵引线的牵引力；

前爪第一节1.3上的销轴1.5产生指向左上牵引力与前爪1第二节1.8上的销轴1.5产生指向右上牵引力，对前爪第一节1.3与前爪1第二节1.8之间的铰链1.6产生向上的弯矩；当前爪1第一节1.3和前爪1第二节1.8绕着它们之间的铰链1.6向上弯曲时，所述铰链1.6上部两侧的两个销轴1.5之间的距离缩短，期间需要的牵引线的长度得以缩短，化解了牵引线的拉紧力，从而使得前爪1第一节1.3和前爪1第二节1.8绕着它们之间的铰链1.6进一步向上弯曲；

同样地，拉紧上侧的靠近缆索的牵引线时，前爪1第二节1.8和前爪1第三节19绕着它们之间的铰链进一步向上弯曲；直到前爪1的上侧面接触到缆索2的表面，通过机械接触形成正压力，前爪1逐步只可“有限”弯曲，铰链1.6上部两侧的两个销轴1.5之间的距离只可“有限”缩短，期间需要的牵引线的长度只可“有限”缩短，这里的“有限”意思是通过机械接触力量产生机械弹性甚至塑性变形或位移；重新建立拉紧力；通过改变拉紧力的大小，可以调整正压力的大小，在前爪1与缆索2之间形成静摩擦力。

随着前爪1向上弯曲的同时，虽然铰链下部两侧的两个销轴之间的距离缩短，但由于下侧的牵引线在铰链上的包角增大，部分直线距离变为曲线，前述两个销轴之间需要下侧的牵引线长度增大；同时，铰链下部两侧的两个销轴之间下侧的牵引线铺垫适应前爪1伸开的走向，左侧销轴与铰链下侧的牵引线向右下方倾斜，右侧销轴与铰链下侧的牵引线向左下方倾斜；只要松开上侧的牵引线，拉紧下侧的牵引线，铰链下部两侧的两个销轴之间下侧的牵引线形成类似握紧过程的二力杆，对左侧的销轴形成指向右下且通过铰链下侧的力量，对右侧的销轴形成指向左下且通过铰链下侧的力量，产生铰链两侧的节绕着该铰链向下弯曲的力矩，由于前爪1向下伸直时下侧的牵引线在铰链上的包角减小，铰链下部两侧的两个销轴之间下侧的牵引线需要的长度缩短；由于销轴的圆心到两个铰链旋转轴心之间连接线段的距离减去销轴半径等于铰链轴的外圆的半径，从而前爪1逐步伸直。

本实用新型的有益特征原理之一，最大静摩擦系数大于最大动摩擦系数，从而实现较小的正压力建立足够的摩擦力，减轻机器人工作时，施力元件与缆索表面接触对缆索的损伤；施力元件与缆索表面保持相对静止，更主要避免了现有技术滚轮反复接触、脱离缆索表面克服库伦摩擦对缆索表面造成以撕裂为主要形式的损害。智能型机器人的有益特征还有，根据每次作业及作业不同阶段自身重量和工况阻力等不同，设定相适应的支撑力，并结合具体摩擦系数，设定运行速度和正压力，实现减轻缆索损害的目的。

当然，实际工作过程中，也可以一边送进前爪1，一边弯曲等，以避开障碍；也可以牵引线甚至整个前爪1采用非对称设置，以减轻自身重量和成本。

本实用新型涉及的一种具有可弯曲双爪结构的缆索检测维护机器人的使用方法，包括以下几个步骤：

（1）先把具有可弯曲双爪结构的缆索检测维护机器人移动到所要维护的缆索2附近适当方位，前爪和可弯曲后爪都处于松弛状态；

（2）把前爪从缆索2的一侧送进，驱动轴4.3按照驱动电机4.1的指令向不同方向旋转即可带动内侧牵引线1.10.1和外侧牵引线1.10.2分别收紧和放松，松开外侧牵引线1.10.2，拉紧内侧牵引线1.10.1，前爪1就会向着缆索2弯曲，并且握紧缆索2，相反地，松开靠近缆索2的牵引线，拉紧远离缆索2的牵引线，前爪1就会离开缆索2伸直，并且松开缆索2；

（3）可弯曲后爪与缆索2保持脱开状态，爬索驱动电机7按照智能指令驱动爬索驱动丝杠17正向旋转，爬索驱动丝杠17拉动与其螺旋传动配合的后爪机架15上的驱动螺母16接近前爪1，从而带动后爪12接近前爪1，后爪12到达指定位置停止并通过与前爪1握紧缆索2的方式相同的方式握紧缆索2；

（4）前爪松开缆索2保持脱开状态，爬索驱动电机7按照智能指令驱动爬索驱动丝杠17反向旋转，爬索驱动丝杠17推动与其螺旋传动配合的后爪机架上的驱动螺母16远离前爪，从而带动可弯曲后爪远离前爪；由于可弯曲后爪与缆索2握紧固定，前爪相对于缆索2向前运动到达指定位置停止并通过与第二步的方式相同的方式握紧缆索2，实现爬升等指向下一个作业部位向前运动的目的；如此循环，机器人就沿着缆索2向前运动；返回时前爪接近可弯曲后爪、可弯曲后爪远离前爪循环；

（5）当前爪的前方发现障碍时，第一步：前爪松开缆索2，前爪收放驱动电机11，根据智能指令确定行程参数和路径，以避开障碍或者不该握紧的缆索2表面，反向旋转驱动前爪收放丝杠6；前爪收放丝杠6驱动与其螺旋运动配合连接的前爪收放螺母8向着靠近缆索2的方向运动，带动与前爪收放螺母8固定连接的后爪支架15向着接近缆索2移动，由于可弯曲后爪握紧在缆索2上，前爪被收回退出缆索2；第二步：爬索驱动电机7根据智能指令确定行程参数和路径，以避开障碍或者不该握紧的缆索2表面，驱动爬索驱动丝杠17和驱动螺母16运动，带动前爪向前运动越过障碍；到达智能预测无障碍位置，检测是否有故障，假如仍有故障则继续寻找没有故障的部位；第三步：检测确认确无障碍后，前爪收放驱动电机11、前爪收放丝杠6和前爪收放螺母8驱动后爪支架15向内移动，前爪被放出到适合握紧缆索2的位置；

（6）当可弯曲后爪的前方发现障碍时，与前爪的避障方式相同，前爪收放驱动电机11、前爪收放丝杠6和前爪收放螺母8驱动后爪支架15向着离开缆索2的方向移动，可弯曲后爪被收回退出缆索2，在爬索驱动电机7、爬索驱动丝杠17和驱动螺母16的驱动下越过障碍，然后前爪收放驱动电机11、前爪收放丝杠6和前爪收放螺母8驱动后爪支架15向着缆索2移动，可弯曲后爪被放出到适合握紧缆索2的位置。

以上仅是本实用新型的具体应用范例，对本实用新型的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本实用新型权利保护范围之内。