一种变电站爬壁清洗机器人主体结构的制作方法

本发明涉及一种爬壁清洗机器人，特别是涉及一种爬壁、变道、实时检测、自平衡等多功能相结合的变电站爬壁清洗机器人主体结构。

背景技术：

变电站彩钢板清洗行业由于工作环境苛刻，清洗作业限制因素太多，目前还是主要以人工清洗为主。由于彩钢板往往高达数十米，清洗人员一般需要搭乘吊篮或升降台进行清洗作业，该方式工作效率低、劳动强度大、人工成本高，并且人工高空作业存在相当的安全隐患。

在现有技术中，市场上比较常见的柔索悬吊式爬壁机器人往往通过在清洗壁面顶端安装导轨滑台或可移动小车，用来控制爬壁机器人的横向移动，并且柔索的卷扬机构也安装在滑台或小车上，爬壁清洗机器人本身不具备运动功能，只是被动地在柔索的牵引下进行往复上下运动。然而，这种结构势必导致位于顶端的牵引装置较重且占据一定空间，对于一些作业环境比如变电站的彩钢板，顶端作业空间有限，无法安放牵引装置，因此极大限制了该种类型的爬壁清洗机器人的应用领域。此外，传统的柔索悬吊式爬壁机器人为了保证机器人主体在作业过程中保持平衡，一般选择采用双柔索悬吊，且保持双柔索始终等长，即平行或等腰悬吊，这种悬吊方式的爬壁机器人换道清洗时必然需要平移吊点，具有吊点移动频繁的缺点。再者，现有的爬壁机器人执行机构和主体往往一体化设计，不可拆卸，一般只执行特定任务，导致爬壁机器人功能单一，适应性不强。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种变电站爬壁清洗机器人主体结构，该主体机构用于变电站彩钢板爬壁、变道、自平衡等清洗作业。

根据本发明的一个方面，提供了一种变电站爬壁清洗机器人主体结构，包括第一电气控制柜、第二电气控制柜、位姿调节系统、伺服卷扬系统、供液系统以及主梁。第一电气控制柜和第二电气控制柜相对设置，位姿调节系统设置于上述两个电气控制柜之间。其中，变电站爬壁清洗机器人主体结构利用相应的柔索悬吊于变电站彩钢板顶端的两个支点，通过卷筒对柔索的卷扬实现上升和下降；伺服卷扬系统驱动卷筒的转动和变速；位姿调节系统负责实时监测柔索的长度变化量以及柔索的倾角值，并对所述倾角值进行角度校正；第一电气控制柜和第二电气控制柜安装有控制器、驱动器、倾角仪和电源，用于负责爬壁清洗机器人的运动控制和供能；所述供液系统负责为爬壁清洗机器人提供清洗所需的水和清洗剂；主梁负责支撑和连接所述变电站爬壁清洗机器人主体结构的位姿调节系统、伺服卷扬系统和所述供液系统。

在一具体实施例，伺服卷扬系统由卷筒、卷扬伺服电机、往复丝杠、导向杆、第一滑块、多个链轮以及安装板组成。其中，卷筒通过螺栓固定在安装板上，卷扬伺服电机与卷筒对接且用于驱动卷筒的转动，往复丝杠与卷筒平行安装，导向杆与往复丝杠平行安装且为第一滑块起导向作用，第一滑块套在往复丝杠和导向杆上，柔索穿过第一滑块并随第一滑块水平往复运动。

在一具体实施例，卷筒由绕绳部、传动部、离合杆和支撑杆组成。其中，所述绕绳部为圆筒状结构，两侧各有一个挡板限制所述柔索的范围，所述传动部位于所述绕绳部内部并通过转接装置将卷扬伺服电机的扭矩传递给卷筒左侧的三级行星齿轮进而驱动所述绕绳部转动，离合杆位于卷筒左侧以调节齿轮啮合与分离，所述支撑杆的数量为两个且用于增加卷筒的刚度。

在一具体实施例，位姿调节系统包括梯形丝杠、位姿伺服电机、导轨、第二滑块、转动副和封装板。其中，位姿伺服电机用于驱动梯形丝杠精确运动，梯形丝杠安装在导轨的下端且可自由转动，导轨与两个第二滑块配合，使第二滑块在导轨上水平移动，第二滑块与梯形丝杠螺母固定连接并随所述梯形丝杠螺母在梯形丝杠的驱动下水平运动，转动副有两个且分别安装在第二滑块上方，转动副的一端与第二滑块固定，另一端与上方的封装板固连，封装板可绕转动副在一定范围内转动。

在一具体实施例，封装板由入口导向装置、出口导向装置、滑轮、增量式编码器、绝对式编码器和肋板组成。其中，入口导向装置的数量为两个，其内部有4根转轴并呈“井”字型排列，柔索从中间穿过；出口导向装置的数量为两个，并与滑轮和增量式编码器同轴线装配；绝对式编码器与出口导向装置连接，用来采集柔索的倾角值并反馈给控制器；滑轮跟随柔索不断转动并改变柔索方向；增量式编码器与滑轮连接，用来采集滑轮转动信号，进而得到柔索的长度变化量并反馈给所述控制器；肋板负责增加封装板的刚度和结构强度。

在一具体实施例，所述控制器负责控制位姿伺服电机运动，并提供串行通信接口、输入输出接口、模拟量采集接口，所述驱动器还包括直流电机的驱动器，统一布置在第一电气控制柜和第二电气控制柜内，所述倾角仪用于采集所述柔索的左右和前后倾角值从而确定所述爬壁清洗机器人的位姿信息，所述电源负责为各种电子器件供电。

在一具体实施例，所述供液系统由水箱、清洗剂箱、底置水泵和相关的管道组成，其中，水箱和清洗剂箱放置于主梁的底部，所述底置水泵负责将液体输送到执行模块的喷头进行喷洗。

在一具体实施例，主梁分为上层、中层和下层，主梁的上层放置第一电气控制柜和第二电气控制柜，主梁的中层放置伺服卷扬系统，且主梁的下层放置所述供液系统。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明的主体机构设有伺服卷扬系统，柔索收放依靠爬壁清洗机器人自身的卷扬，从而避免了在变电站彩钢板顶部安装相应的卷扬或牵引装置，对于顶部空间有限的变电站彩钢板具有实际应用价值；

2)本发明突破传统的双柔索等长的局限，柔索在作业过程中长度和倾角始终在变，两根柔索独立驱动，一次固定吊点可以进行多次上下清洗作业，减少了固定吊点的次数，提高了工作效率；当机器人爬壁不处于两吊点中心线位置时，由于受力不平衡，主体会出现倾斜问题，本发明通过实时采集主体的位姿信息，并通过相应的自平衡机构进行调平，保证机器人工作过程中始终处于正常的位姿；

3)本发明的主体结构作为爬壁清洗作业的主体，预留有各种接口，除了支持清洗模块，还可以支持其他功能模块的作业，实现了爬壁机器人的多用途、宽领域、模块化以及智能化作业。

附图说明

读者在参照附图阅读了本发明的具体实施方式以后，将会更清楚地了解本发明的各个方面。其中：

图1示出本发明的变电站爬壁清洗机器人主体结构的示意图。

图2示出图1的变电站爬壁清洗机器人主体结构的伺服卷扬系统的俯视图。

图3示出图1的变电站爬壁清洗机器人主体结构的位姿调节系统的局部示意图。

具体实施方式

为了使本申请所揭示的技术内容更加详尽与完备，可参照附图以及本发明的下述各种具体实施例，附图中相同的标记代表相同或相似的组件。然而，本领域的普通技术人员应当理解，下文中所提供的实施例并非用来限制本发明所涵盖的范围。此外，附图仅仅用于示意性地加以说明，并未依照其原尺寸进行绘制。

下面参照附图，对本发明各个方面的具体实施方式作进一步的详细描述。

图1示出本发明的变电站爬壁清洗机器人主体结构的示意图。图2示出图1的变电站爬壁清洗机器人主体结构的伺服卷扬系统的俯视图。图3示出图1的变电站爬壁清洗机器人主体结构的位姿调节系统的局部示意图。

参照图1、图2和图3，本发明的变电站爬壁清洗机器人主体结构至少包括第一电气控制柜1、第二电气控制柜3、位姿调节系统2、伺服卷扬系统4、供液系统以及主梁7。在图1中，主梁7分为上层、中层和下层，主梁7的上层放置第一电气控制柜1和第二电气控制柜3，主梁7的中层放置伺服卷扬系统4，且主梁7的下层放置供液系统。第一电气控制柜1和第二电气控制柜3相对设置，位姿调节系统2设置于上述两个电气控制柜1和3之间。

详细而言，位姿调节系统2包括梯形丝杠2-6、位姿伺服电机2-5、导轨2-8、第二滑块2-7、转动副2-9和封装板2-10。伺服卷扬系统4由卷筒4-3、卷扬伺服电机4-10、往复丝杠4-7、导向杆4-8、第一滑块4-6、多个链轮4-1、4-2、4-4以及安装板4-9组成。本发明的主体结构利用相应的柔索悬吊于变电站彩钢板顶端的两个支点，通过卷筒4-3对柔索的卷扬实现上升和下降。例如，柔索从卷筒4-3出发，先后穿过第一滑块4-6上的导向孔、入口导向装置2-4，绕过滑轮2-11之后再从出口导向装置2-1伸出。伺服卷扬系统4驱动卷筒4-3的转动和变速。位姿调节系统2负责实时监测柔索的长度变化量以及柔索的倾角值，并通过水平方向的导轨对倾角值进行角度校正。第一电气控制柜1和第二电气控制柜3安装有控制器、驱动器、倾角仪和电源，用于负责爬壁清洗机器人的运动控制和供能。供液系统负责为爬壁清洗机器人提供清洗所需的水和清洗剂。主梁7负责支撑和连接变电站爬壁清洗机器人主体的位姿调节系统2、伺服卷扬系统4和供液系统。供液系统由水箱5、清洗剂箱6、底置水泵和相关的管道组成。其中，水箱5和清洗剂箱6放置于主梁7的底部，底置水泵负责将液体输送到执行模块的喷头进行喷洗。

卷筒4-3通过螺栓固定在安装板4-9上，卷扬伺服电机4-10与卷筒4-3对接且用于驱动卷筒4-3的转动，往复丝杠4-7与卷筒4-3平行安装，导向杆4-8与往复丝杠4-7平行安装且为第一滑块4-6起导向作用，第一滑块4-6套在往复丝杠4-7和导向杆4-8上，柔索穿过第一滑块4-6并随第一滑块4-6水平往复运动。卷筒4-3由绕绳部、传动部、离合杆4-5和支撑杆组成。绕绳部为圆筒状结构，两侧各有一个挡板限制柔索的范围，传动部位于绕绳部内部并通过转接装置将卷扬伺服电机4-10的扭矩传递给卷筒4-3左侧的三级行星齿轮进而驱动绕绳部转动，离合杆4-5位于卷筒左侧以调节齿轮啮合与分离。支撑杆的数量为两个且用于增加卷筒4-3的刚度。

在实际操作中，本发明的主体结构放置在彩钢板的底部，打开离合杆4-5，此时卷筒4-3可以自由转动，把两根柔索拉出分别固定到彩钢板顶部的吊点上，再转动离合杆4-5，将卷筒4-3锁住。启动两台卷扬伺服电机4-10，卷扬伺服电机4-10将扭矩传递给卷筒4-3内部的三级行星齿轮带动卷筒4-3转动，柔索开始收缩。随着柔索的不断收缩，柔索在卷筒4-3上的绕点开始水平移动，卷筒转速按一定的比例经链轮4-1、4-2、4-4传递给往复丝杠4-7，使第一滑块4-6和柔索绕点同步移动，当第一滑块4-6平移到往复丝杠4-7端点，第一滑块4-6进入逆向螺旋槽开始反向平移，保证柔索均匀缠绕在卷筒4-3上。

位姿伺服电机2-5用于驱动梯形丝杠2-6精确运动，梯形丝杠2-6安装在导轨2-8的下端且可自由转动，导轨2-8与两个第二滑块2-7配合，使第二滑块2-7在导轨2-8上水平移动，第二滑块2-7与梯形丝杠螺母固定连接并随该梯形丝杠螺母在梯形丝杠2-6的驱动下水平运动。转动副2-9有两个，且分别安装在第二滑块2-7上方，转动副2-9的一端与第二滑块2-7固定，另一端与上方的封装板2-10固定连接。封装板2-10可绕转动副2-9在一定范围内转动。此外，封装板2-10由入口导向装置2-4、出口导向装置2-1、滑轮2-11、增量式编码器2-12、绝对式编码器2-3和肋板2-2组成。其中，入口导向装置2-4的数量为两个，其内部有4根转轴并呈“井”字型排列，柔索从中间穿过。出口导向装置2-1的数量为两个，并与滑轮2-11和增量式编码器2-12同轴线装配。绝对式编码器2-3与出口导向装置2-1连接，用来采集柔索的倾角值并反馈给控制器。滑轮2-11跟随柔索不断转动并改变柔索方向，增量式编码器2-12与滑轮2-11连接，用来采集滑轮2-11转动信号，进而得到柔索的长度变化量并反馈给电气控制柜的控制器。肋板2-2负责增加封装板2-10的刚度和结构强度。控制器负责控制位姿伺服电机2-5运动，并提供串行通信接口、输入输出接口、模拟量采集接口。驱动器还包括直流电机的驱动器，统一布置在第一电气控制柜1和第二电气控制柜3内。倾角仪用于采集柔索的左右和前后倾角值从而确定爬壁清洗机器人的位姿信息，电源负责为各种电子器件供电。

举例而言，本发明的爬壁清洗机器人主体结构在上升过程中，两端柔索的倾角不断变化，出口导向装置2-1跟随柔索不断转动，安装在出口导向装置2-1上的绝对式编码器2-3采集到柔索的倾角值并反馈给控制器；同时，滑轮2-11在柔索的摩擦下同步转动，通过安装在滑轮2-11上的增量式编码器2-12可以采集到柔索的长度变化量并反馈给控制器。放置于电气控制柜中的倾角仪不断将左右、前后倾角值传送给控制器，当控制器监测到主体发生倾斜，则控制位姿伺服电机2-5驱动梯形丝杠2-6转动，梯形丝杠螺母带动整个封装板2-10在导轨2-8上平移，直到控制器检测到左右倾角值一致，此时停止位姿伺服电机2-5。在爬壁过程中，转动副2-9可以前后转动，以适应主体的前后摆动。

此外，当机器人主体在完成一个彩钢板纵道上的清洗作业，需要变更到下一个纵道时，一侧的卷筒4-3慢速绕绳，另一侧的卷筒4-3慢速放绳，达到预定位置后，电气控制柜的控制器不断地读取倾角仪的倾角值，控制两侧的卷扬伺服电机4-10转动，直到主体位姿平衡。控制器再根据两个绝对式编码器2-3的倾角值，确定转速控制函数，重新进行爬壁作业。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

1)本发明的主体机构设有伺服卷扬系统，柔索收放依靠爬壁清洗机器人自身的卷扬，从而避免了在变电站彩钢板顶部安装相应的卷扬或牵引装置，对于顶部空间有限的变电站彩钢板具有实际应用价值；

2)本发明突破传统的双柔索等长的局限，柔索在作业过程中长度和倾角始终在变，两根柔索独立驱动，一次固定吊点可以进行多次上下清洗作业，减少了固定吊点的次数，提高了工作效率；当机器人爬壁不处于两吊点中心线位置时，由于受力不平衡，主体会出现倾斜问题，本发明通过实时采集主体的位姿信息，并通过相应的自平衡机构进行调平，保证机器人工作过程中始终处于正常的位姿；

3)本发明的主体结构作为爬壁清洗作业的主体结构，预留有各种接口，除了支持清洗模块，还可以支持其他功能模块的作业，实现了爬壁机器人的多用途、宽领域、模块化以及智能化作业。

上文中，参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是，本领域中的普通技术人员能够理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。