一种巡检机器人机构的制作方法

本发明涉及移动机器人机构，具体地说是一种适用于狭小巡检作业空间的巡检机器人机构。

背景技术：

输电线路是电力系统极为重要的组成部分，为了保证其安全稳定的运行，需要定期进行巡视检查。目前采用的方法主要有人工巡检、直升机巡检和机器人巡检。其中人工巡检的效率低，劳动强度大，危险性高；直升机巡检的费用昂贵，巡检质量易受气候影响。国际上对输电线路巡检机器人技术的研究始于20世纪80年代，根据机器人机构是否具有跨越杆塔障碍物的功能，可将巡检机器人分为一档内巡检机器人和具有越障功能的巡检机器人，一档内巡检机器人主要在输电线路的一档内行走，通过携带的摄像头进行线路通道的检查，东京电力公司的Sawada等人研制了光纤复合架空地线(OPGW)巡检机器人，采用搭接弧形臂的方式跨越杆塔，朱兴龙等人研制了轮臂复合型巡检机器人，提出质量调节的控制方法，Paulo Debenest等人开发研制了具有越障功能的Expliner巡检机器人，操作臂与箱体结合实现了质心的快速调节，但是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的输电线路作业情况。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种巡检机器人机构，该机构越障能力强、作业空间小、安全保护性好。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种巡检机器人机构，包括前行走机构、后行走机构、前手臂、后手臂、导轨及箱体，其中箱体设置于所述导轨的下方、并与所述导轨滑动连接，所述前手臂和后手臂设置于所述导轨的上方、并均与所述导轨滑动连接，所述前行走机构和后行走机构分别设置于所述前手臂和后手臂上，所述巡检机器人机构通过所述前行走机构和后行走机构在输电线路上行走，进行巡检作业。

所述巡检机器人机构进一步包括前开和机构和后开和机构，所述前开和机构和后开和机构分别铰接在所述前手臂和后手臂的末端，所述前行走机构和后行走机构分别安装在所述前开和机构和后开和机构上；当所述前开和机构和后开和机构处于闭合状态时，所述前行走机构和后行走机构分别位于所述前开和机构和后开和机构内。

所述前手臂包括第一旋转关节、第一移动关节、第二移动关节、第三移 动关节及第四移动关节，所述第二移动关节和第四移动关节沿水平方向安装在所述导轨上，通过所述第二移动关节和第四移动关节实现沿导轨移动，所述第一移动关节和第三移动关节分别沿垂直方向安装在所述第二移动关节和第四移动关节上，所述第一旋转关节安装在所述第一移动关节和第三移动关节上，所述第一旋转关节沿垂直方向放置，实现所述前手臂的水平旋转。

所述后手臂与所述前手臂结构相同。

所述前开和机构包括第一支架、第二支架、第一连杆机构、第二连杆机构及直线驱动机构，其中直线驱动机构设置于所述前手臂上，所述第一连杆机构和第二连杆机构分别位于所述直线驱动机构的两侧、并均与所述前手臂和所述直线驱动机构的输出端连接，所述第一支架和第二支架的一端分别与所述第一连杆机构和第二连杆机构连接，所述第一支架和第二支架的另一端为闭合端、并相对应，所述前行走机构设置于所述第一支架或第二支架上靠近闭合端的位置上，所述直线驱动机构驱动两侧的所述第一连杆机构和第二连杆机构运动，从而带动所述第一支架和第二支架闭合端的打开或闭合。

所述后开和机构与所述前开和机构结构相同。

所述直线驱动机构为水平设置的双向直线驱动机构，所述第一连杆机构和所述第二连杆机构分别位于所述双向直线驱动机构的两侧下方，所述第一连杆机构和所述第二连杆机构分别与所述双向直线驱动机构的两侧输出端铰接。

所述第一连杆机构包括第一连杆和第二连杆，其中第二连杆的一端通过第三旋转关节与所述前手臂铰接，另一端与所述第一支架的一端固定连接，所述第一连杆的一端通过第四旋转关节与所述第二连杆的铰接，另一端通过第五旋转关节与所述双向直线驱动机构的一侧输出端铰接。

所述第二连杆机构包括第三连杆和第四连杆，其中第四连杆的一端通过第六旋转关节与所述前手臂铰接，另一端与所述第二支架的一端固定连接，所述第三连杆的一端通过第七旋转关节与所述第四连杆铰接，另一端通过第八旋转关节与所述双向直线驱动机构的另一侧输出端铰接。

所述双向直线驱动机构为丝杠螺母机构，包括丝杠、第一丝母、第二丝母及开合驱动电机，其中丝杠水平安装在所述前手臂上、并可转动，所述开合驱动电机安装在所述前手臂上、并输出端通过传动装置与所述丝杠传动连接，所述丝杠上设有两段反向螺纹，所述第一丝母和第二丝母分别与该两段反向螺纹连接，所述丝杠由所述开合驱动电机驱动旋转，所述第一丝母和第二丝母同时向相反方向运动，所述第一连杆机构和第二连杆机构分别与所述第一丝母和第二丝母铰接。

所述直线驱动机构竖直设置，所述第一连杆机构和所述第二连杆机构均 与所述直线驱动机构的输出端铰接。

所述第一连杆机构包括第一连杆和第二连杆，其中第二连杆的一端通过第三旋转关节与所述前手臂铰接，另一端与所述第一支架的一端固定连接，所述第一连杆的一端通过第四旋转关节与所述第二连杆的另一端铰接，所述第一连杆的另一端通过第五旋转关节与所述直线驱动机构的输出端铰接。

所述第二连杆机构包括第三连杆和第四连杆，其中第四连杆的一端通过第六旋转关节与所述前手臂铰接，另一端与所述第二支架的一端固定连接，所述第三连杆的一端通过第七旋转关节与所述第四连杆的另一端铰接，所述第三连杆的另一端通过第八旋转关节与所述直线驱动机构的输出端铰接。

所述直线驱动机构包括开合驱动电机、传动装置及丝杠螺母机构，其中丝杠螺母机构包括丝杠和第一丝母，所述第一丝母可转动地安装在所述前手臂上，所述丝杠竖直设置、并与所述第一丝母螺纹连接，所述开合驱动电机设置于所述前手臂上、并输出端通过传动装置与所述第一丝母传动连接，所述第一连杆机构和第二连杆机构均与所述丝杠的上端铰接。

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.本发明通过前后手臂和箱体的同时移动调节机器人重心，越障过程快。

3.本发明利用行走轮、开合机构、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障碍类型(防震锤、悬垂金具及线夹、压接管、耐张导轨等)。

4.本发明开合机构保证输电线路始终在前开合机构和后开合机构中间，防止机器人脱线，安全保护性好。

6.本发明适用于超高压输电线路环境下的机器人巡检机构，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中前后手臂的结构示意图；

图3为发明实施例一中开和机构的结构示意图；

图4为发明实施例二中开和机构的结构示意图；

图5为超高压输电线路单线夹障碍环境示意图；

图6为超高压输电线路双线夹障碍环境示意图。

其中：1为前行走机构，101为前行走驱动电机，102为前行走轮，2为后行走机构，3为前手臂，301为第一旋转关节，302为第一移动关节，303为第二移动关节，304为第三移动关节，305为第四移动关节，4为后手臂，401为第二旋转关节，402为第五移动关节，403为第六移动关节，404为第七移 动关节，405为第八移动关节，5为导轨，6为第九移动关节，7为箱体，8为前开和机构，801为第三旋转关节，802为第六旋转关节，803为第四旋转关节，804为第二连杆，805为第一连杆，806为开合驱动电机，807为第一锥齿轮，808为第二锥齿轮，809为丝杠，810为第一丝母，811为第五旋转关节，812为第一支架，813为第七旋转关节，814为第四连杆，815为第三连杆，816为第二丝母，817为第八旋转关节，818为第二支架，819为第一带轮，820为皮带，821为第二带轮，9为后开和机构，10为第一防震锤，11为绝缘子，12为悬垂金具及线夹，13为架空地线，14为第二防震锤。

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，本发明提供的一种巡检机器人机构，包括前行走机构1、后行走机构2、前手臂3、后手臂4、导轨5及箱体7，其中箱体7设置于所述导轨5的下方、并与所述导轨5滑动连接，所述前手臂3和后手臂4设置于所述导轨5的上方、并均与所述导轨5滑动连接，所述前行走机构1和后行走机构2分别设置于所述前手臂3和后手臂4上，所述巡检机器人机构通过所述前行走机构1和后行走机构2在输电线路上行走，进行巡检作业。

如图2所示，所述前手臂3包括第一旋转关节301、第一移动关节302、第二移动关节303、第三移动关节304及第四移动关节305，所述第二移动关节303和第四移动关节305沿水平方向安装在所述导轨5上，通过所述第二移动关节303和第四移动关节305实现沿导轨5移动，所述第一移动关节302和第三移动关节304分别沿垂直方向安装在所述第二移动关节303和第四移动关节305上，所述第一旋转关节301安装在所述第一移动关节302和第三移动关节304上，所述第一旋转关节301沿垂直方向放置，实现所述前手臂3的水平旋转。

所述第二移动关节303和第四移动关节305可由两个电机驱动，或者其中一个移动关节只由一个电机驱动，另外一个移动关节为被动关节。所述第一移动关节302和第三移动关节304分别由两个电机驱动，或者其中一个移动关节由一个电机驱动，另外一个移动关节为被动关节。

所述后手臂4与所述前手臂3结构相同，包括第二旋转关节401、第五移动关节402、第六移动关节403、第七移动关节404及第八移动关节405，所述第六移动关节403和第八移动关节405沿水平方向安装在所述导轨5上，通过所述第六移动关节403和第八移动关节405实现沿导轨5移动，所述第五移动关节402和第七移动关节404分别沿垂直方向安装在所述第六移动关节403和第八移动关节405上，所述第二旋转关节401安装在所述第五移动关节402和第七移动关节404上，所述第二旋转关节401沿垂直方向放置， 实现所述后手臂4的水平旋转。

所述第六移动关节403和第八移动关节405可由两个电机驱动，或者其中一个移动关节只由一个电机驱动，另外一个移动关节为被动关节。所述第五移动关节402和第七移动关节404分别由两个电机驱动，或者其中一个移动关节由一个电机驱动，另外一个移动关节为被动关节。

综上所述。所述前手臂3和后手臂4分别通过移动关节与导轨5连接，具有水平移动、垂直移动和水平旋转三个自由度，另外通过旋转关节实现手臂的打开和闭合。

所述巡检机器人机构进一步包括前开和机构8和后开和机构9，所述前开和机构8和后开和机构9分别铰接在所述前手臂3和后手臂4的末端，所述前行走机构1和后行走机构2分别安装在所述前开和机构8和后开和机构9上；当所述前开和机构8和后开和机构9处于闭合状态时，所述前行走机构1和后行走机构2分别位于所述前开和机构8和后开和机构9内。

所述前行走机构1包括前行走驱动电机101和前行走轮102，所述前行走驱动电机101安装在所述前开和机构8上，所述前行走轮102设置于所述前行走驱动电机101的输出轴上，通过前行走机构1驱动前行走轮102实现机器人沿输电线路行走；所述后行走机构2与所述前行走机构1结构相同。

所述箱体7通过沿水平方向放置的第九移动关节6与导轨5连接，实现箱体7沿导轨5水平方向的移动。所述导轨5至少为两根(本实施例为三根)，各导轨相互平行，箱体7通过第九移动关节6与位于中间的导轨5连接，

实施例一

如图3所示，所述前开和机构8包括第一支架812、第二支架818、第一连杆机构、第二连杆机构及直线驱动机构，其中直线驱动机构设置于所述前手臂3上，所述第一连杆机构和第二连杆机构分别位于所述直线驱动机构的两侧、并均与所述前手臂3和所述直线驱动机构的输出端连接，所述第一支架812和第二支架818的一端分别与所述第一连杆机构和第二连杆机构连接，所述第一支架812和第二支架818的另一端为闭合端、并相对应，所述前行走机构1设置于所述第一支架812或第二支架818上靠近闭合端的位置，所述直线驱动机构驱动两侧的所述第一连杆机构和第二连杆机构运动，从而带动所述第一支架812和第二支架818闭合端的打开或闭合。

所述直线驱动机构为水平设置的双向直线驱动机构，所述第一连杆机构和所述第二连杆机构分别位于所述双向直线驱动机构的两侧下方，所述第一连杆机构和所述第二连杆机构分别与所述双向直线驱动机构的两侧输出端铰接。

所述双向直线驱动机构为丝杠螺母机构，包括丝杠809、第一丝母810、 第二丝母816及开合驱动电机806，其中丝杠809水平安装在所述前手臂3上、并可转动，所述开合驱动电机806安装在所述前手臂3上、并输出端通过传动装置与所述丝杠809传动连接，所述丝杠809上设有两段反向螺纹，所述第一丝母810和第二丝母816分别与该两段反向螺纹连接，所述丝杠809由所述开合驱动电机806驱动旋转，所述第一丝母810和第二丝母816同时向相反方向运动。

所述传动装置为齿轮传动装置，包括第一锥齿轮807和第二锥齿轮808，所述第一锥齿轮807安装在所述开合驱动电机806的输出轴上，所述开合驱动电机806的输出轴与所述丝杠809垂直，所述第二锥齿轮808套设于所述丝杠809上、并与所述丝杠809固定连接，所述第一锥齿轮807和第二锥齿轮808为45度啮合。所述开合驱动电机806驱动第一锥齿轮807旋转，所述第一锥齿轮807驱动所述第二锥齿轮808旋转，从而带动所述丝杠809旋转。

所述第一连杆机构包括第一连杆805和第二连杆804，其中第二连杆804的一端通过第三旋转关节801与所述前手臂3铰接，另一端与所述第一支架812的一端固定连接，所述第一连杆805的一端通过第四旋转关节803与所述第二连杆804的铰接，另一端通过第五旋转关节811与所述第一丝母810铰接。

所述第二连杆机构包括第三连杆815和第四连杆814，其中第四连杆814的一端通过第六旋转关节802与所述前手臂3铰接，另一端与所述第二支架818的一端固定连接，所述第三连杆815的一端通过第七旋转关节813与所述第四连杆814铰接，另一端通过第八旋转关节817与所述第二丝母816铰接。

本实施例的工作原理是：

所述第一锥齿轮807的轴线沿竖直方向放置，所述第二锥齿轮808的轴线沿水平方向放置，并所述第二锥齿轮808与第一锥齿轮807为45度啮合，所述开合驱动电机806垂直方向放置，通过所述开合驱动电机806驱动第一锥齿轮807转动，带动第二锥齿轮808沿水平方向转动。所述丝杠809与第二锥齿轮808固连，所述第一丝母810为左旋，所述第二丝母816为右旋。当第二锥齿轮808带动丝杠809转动，所述第一丝母810和第二丝母816分别向相反方向运动，通过所述第一连杆805带动第二连杆804绕第三旋转关节801转动，通过所述第三连杆815带动第四连杆814绕第六旋转关节802转动。由于第一支架812与第二连杆804固连，第二支架818与第四连杆814固连，因此实现第一支架812与第二支架818的打开与闭合。当所述第一丝母810和所述第二丝母816向远离对方的方向运动时，所述第一支架812与第二支架818张开；当所述第一丝母810和所述第二丝母816相向运动时，所述第一支架812与第二支架818闭合。

本实施例中，所述后开和机构9的结构与所述前开和机构8相同，在此就不进行赘述。

实施例二

如图4所示，所述前开和机构8包括第一支架812、第二支架818、第一连杆机构、第二连杆机构及直线驱动机构，其中直线驱动机构设置于所述前手臂3上，所述第一连杆机构和第二连杆机构分别位于所述直线驱动机构的两侧、并均与所述前手臂3和所述直线驱动机构的输出端连接，所述第一支架812和第二支架818的一端分别与所述第一连杆机构和第二连杆机构连接，所述第一支架812和第二支架818的另一端为闭合端、并相对应，所述前行走机构1设置于所述第一支架812或第二支架818上靠近闭合端的位置，所述直线驱动机构驱动两侧的所述第一连杆机构和第二连杆机构运动，从而带动所述第一支架812和第二支架818闭合端的打开或闭合。

所述直线驱动机构竖直设置，所述第一连杆机构和所述第二连杆机构均与所述直线驱动机构的输出端铰接。

所述直线驱动机构包括开合驱动电机806、传动装置及丝杠螺母机构，其中丝杠螺母机构包括丝杠809和第一丝母810，所述第一丝母810可转动地安装在所述前手臂3上，所述丝杠809竖直设置、并与所述第一丝母810螺纹连接，所述开合驱动电机806设置于所述前手臂3上、并输出端通过传动装置与所述第一丝母810传动连接，所述第一连杆机构和第二连杆机构均与所述丝杠809的上端铰接。

所述传动装置为皮带传动装置，包括第一带轮819、皮带820及第二带轮821，其中第一带轮819设置于所述开合驱动电机806的输出轴上，所述第二带轮821套设于所述第一丝母810的外侧、并与所述第一丝母810固连，所述第一带轮819通过皮带820与第二带轮821传动连接。

所述第一连杆机构包括第一连杆805和第二连杆804，其中第二连杆804的一端通过第三旋转关节801与所述前手臂3铰接，另一端与所述第一支架812的一端固定连接，所述第一连杆805的一端通过第四旋转关节803与所述第二连杆804的另一端铰接，所述第一连杆805的另一端通过第五旋转关节811与所述第一丝母810铰接。

所述第二连杆机构包括第三连杆815和第四连杆814，其中第四连杆814的一端通过第六旋转关节802与所述前手臂3铰接，另一端与所述第二支架818的一端固定连接，所述第三连杆815的一端通过第七旋转关节813与所述第四连杆814的另一端铰接，所述第三连杆815的另一端通过第八旋转关节817与所述第一丝母810铰接。

本实施例的工作原理是：

所述开合驱动电机806带动第一带轮819转动，通过皮带820带动第一带轮819及第一丝母810转动，实现丝杠809的上下移动。由于第一连杆805 与第三连杆815分别通过第五旋转关节811和第八旋转关节817与丝杠809连接。因此，第一连杆805与第三连杆815通过丝杠809的带动上下移动的同时分别绕第五旋转关节811和第八旋转关节817转动。

由于，第二连杆804与第四连杆814分别通过第四旋转关节803和第七旋转关节813与第一连杆805与第三连杆815铰接，同时末端通过第三旋转关节801和第六旋转关节802与所述前手臂3铰接。因此，通过第一连杆805与第三连杆815带动实现第二连杆804与第四连杆814分别绕第三旋转关节801和第六旋转关节802转动，从而实现第一支架812和第二支架818的末端开合，实现所述开合机构的打开或者闭合。

当所述开合驱动电机806带动第一带轮819转动，通过皮带820带动第一带轮819及第一丝母810转动，实现丝杠809向上移动时，实现所述第一支架812和第二支架818的打开。

当所述开合驱动电机806带动第一带轮819转动，通过皮带820带动第一带轮819及第一丝母810转动，实现丝杠809向下移动时，实现所述第一支架812和第二支架818的闭合。所述第一支架812和第二支架818闭合，所述前行走轮102位于所述第一支架812和第二支架818之间，防止前行走轮102由输电线路脱落。

本实施例中，所述后开和机构的结构与所述前开和机构8相同，在此就不再进行赘述。

请参阅图5、图6，图5为超高压输电线路单线夹障碍环境示意图，图6为超高压输电线路双线夹障碍环境示意图。在架空地线13上主要的障碍物为第一防振锤10、单线夹、双线夹等障碍。本发明由伺服电机驱动，通过行走轮、开合机构、手臂和箱体的协调运动，可沿线跨越杆塔处的各障碍。

本发明的机构跨越第一防震锤10的过程为，巡检机器人行走第一防震锤10处附近停止，越障过程如下：

1)第一移动关节302和第三移动关节304伸长，前行走轮102脱线；

2)前手臂3和后手臂4沿导轨5向前进方向运动，同时箱体7沿导轨5向前进相反方向运动，将机器人重心移动到后手臂4下；

3)单独驱动后行走轮运动，前手臂3跨越第一防震锤10；

4)第一移动关节302和第三移动关节304收缩，前行走轮102落线；

5)第五移动关节402和第七移动关节404伸长，后行走轮脱线；

6)前手臂3和后手臂4沿导轨5向前进相反方向运动，同时箱体7沿导轨向前进方向运动，将机器人重心移动到前手臂3下；

7)单独驱动前行走轮102运动，后手臂4跨第一防震锤10；

8)第五移动关节402和第七移动关节404收缩，后行走轮落线。

本发明的机构跨单线夹的过程为，机器人行走至单线夹处附近停止，越障过程如下：

1)第一移动关节302和第三移动关节304伸长，前行走轮102脱线，前开合机构8打开；

2)前手臂3和后手臂4沿导轨5向前进方向运动，同时箱体7沿导轨5向前进相反方向运动，将机器人重心移动到后手臂4下；

3)单独驱动后行走轮运动，前手臂3跨越单线夹，前开合机构8闭合；

4)第一移动关节302和第三移动关节304收缩，调整第二旋转关节401，前行走轮102落线；

5)第五移动关节402和第七移动关节404伸长，后行走轮脱线，后开合机构9打开；

6)前手臂3和后手臂4沿导轨5向前进相反方向运动，同时箱体7沿导轨

5向前进方向运动，将机器人重心移动到前手臂3下；

7)单独驱动前行走轮102运动，后手臂4跨越单线夹；

8)后开合机构9闭合，第五移动关节402和第七移动关节404收缩，调整第一旋转关节301，后行走轮落线。

本发明的机构跨双线夹的过程为，巡检机器人行走至双线夹处附近停止，越障过程如下：

1)第一移动关节302和第三移动关节304伸长，前行走轮102脱线，前开合机构8打开；

2)前手臂3和后手臂4沿导轨5向前进方向运动，箱体7沿导轨5向前进相反方向运动，将机器人重心移动到后手臂4下；

3)单独驱动后行走轮运动，前手臂3跨越至双线夹中间位置，前开合机构8闭合；

4)第一移动关节302和第三移动关节304收缩，调整第二旋转关节401，前行走轮102落线；

5)第五移动关节402和第七移动关节404伸长，后行走轮脱线，后开合机构9打开；

6)前手臂3和后手臂4沿导轨5向前进相反方向运动，箱体7沿导轨5向前进方向运动，将机器人重心移动到前手臂3下；

7)第一旋转关节301旋转180度左右，后手臂4旋转至双线夹的另一侧；

8)后开合机构9闭合，第五移动关节402和第七移动关节404收缩，调整第一旋转关节301，后行走轮落线；

重复第5步至第10步，实现前手臂3跨越双线夹。