一种基于弹性框架的高空缆索爬升机构及机器人

摘要

本发明公开了一种基于弹性框架的高空缆索爬升机构及机器人，包括三个驱动轮组、连接装置、下降限速装置和障碍感应装置。连接装置为相互平行的三根连接杆。每个滚轮均能为驱动轮，每个滚轮均呈锥形，每个滚轮与缆索相接触的一侧均设置有条纹，每个驱动轮组中两个滚轮上的条纹偏转方向相反。采用上述结构后，当同向转动时，机器人爬升；当反向转动时，机器人不爬升，绕缆索中心角速度旋转，实现整个外圆柱面的检测。另外，制动力的大小将能随下降速度的增加而增加，下降速度和制动力是一个动态平衡的过程，能够实现匀速或者近似匀速下降。同时，还能对缆索外圆柱面进行360°全周向的故障检测，检测无死角。

权利要求

1.一种基于弹性框架的高空缆索爬升机构，其特征在于：包括左半驱动部件、右半驱动部件以及将左半驱动部件和右半驱动部件相连接的连接装置，左半驱动部件和右半驱动部件均包括三个滚轮和弹簧，左半驱动部件和右半驱动部件上的三个滚轮均通过弹簧连接，呈“V”字型的悬臂式支撑结构；左半驱动部件和右半驱动部件上的三个滚轮均一一对应设置，形成三个驱动轮组；每个滚轮均能为驱动轮，每个驱动轮组中的两个滚轮能同向或反向转动；每个滚轮均呈锥形，每个滚轮与缆索相接触的一侧均设置有条纹。

2.根据权利要求1所述的基于弹性框架的高空缆索爬升机构，其特征在于：所述连接装置为若干根连接杆。

3.根据权利要求2所述的基于弹性框架的高空缆索爬升机构，其特征在于：所述连接杆有三根，三根连接杆相互平行，每个驱动轮组中包含一根所述连接杆，每个驱动轮组中的连接杆均与两个滚轮同轴设置，并与两个滚轮转动连接。

4.根据权利要求1所述的基于弹性框架的高空缆索爬升机构，其特征在于：每个所述驱动轮组中两个滚轮上的条纹偏转方向相反。

5.一种具有如权利要求1所述高空缆索爬升机构的基于弹性框架的高空缆索机器人，其特征在于：还包括下降限速装置，该下降限速装置与任意一个滚轮的轮轴轴端相连接。

6.根据权利要求5所述的基于弹性框架的高空缆索机器人，其特征在于：所述下降限速装置包括制动器外壳、制动器转子、离心弹簧和离心块，其中制动器转子、离心弹簧和离心块均设置在制动器外壳内，离心块与制动器转子相铰接，离心块与制动器转子之间设置有离心弹簧。

7.根据权利要求5所述的基于弹性框架的高空缆索机器人，其特征在于：所述下降限速装置包括定子、叶轮、压紧弹簧、固定盘和球阀，定子和固定盘同轴套装在轮轴轴端的外周；

固定盘邻近定子的一侧沿圆周方向设置有若干个锥形阀芯；定子从内向外依次设置有相互贯通的液压腔、内侧盲孔和外侧盲孔；液压腔内设置有套装在轮轴轴端上的叶轮；内侧盲孔内设置有球阀；外侧盲孔邻近固定盘的一端设置有与锥形阀芯相配合的锥形阀孔。

8.根据权利要求6或7所述的基于弹性框架的高空缆索机器人，其特征在于：所述下降限速装置还包括同轴套装在轮轴轴端上的增速器。

9.根据权利要求5所述的基于弹性框架的高空缆索机器人，其特征在于：还包括障碍感应装置，障碍感应装置固定设置在爬升机构的顶部和/或底部，障碍感应装置包括至少两个感应开关，每个感应开关均包括探针和开关体，每根探针包括一段弧形探头和至少一根针阀，针阀的一端与弧形探头固定连接，针阀的另一端与开关体浮动连接，针阀能触动开关体中开关量信号的导通与断开；至少两段弧形探头同轴设置，且能围合形成一个环状结构。

10.根据权利要求9所述的基于弹性框架的高空缆索机器人，其特征在于：每根所述针阀上均同轴设置有若干个球形触点，开关体内设置有与球形触点数量相等的球窝；球窝的容积大于球形触点的体积，当球形触点与球窝任一点接触时，均能触动开关体中开关量信号的导通。

说明书

一种基于弹性框架的高空缆索爬升机构及机器人

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于大跨斜拉桥拉索或其它高空杆类、输电线类结构故障检测的机器人，特别是一种基于弹性框架的高空缆索爬升机构。

背景技术

[0002] 现有技术的机器人都是旋转自由度不可控，因此不能完成整个外圆柱面检测。

[0003] 另外，已有机器人大都结构复杂，重量大，爬升能力不强，越障能力也不强；适应不同管径时调整麻烦，如当管径不同时，机构的姿态不同，弹簧的伸长长度不同，为保证滚轮压紧力恒定，需要经常更换弹簧，调整相当麻烦。

[0004] 另外，缆索由于长期使用，环境恶劣，表面防护层经常出现破损，导致内部钢丝断开并翘起来。爬升机器人在经过这些障碍时极易被挂住，被迫停留在高空缆索上，无法成功返回地面。而爬升机器人停留在高空缆索上，本身就很危险。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种重量轻，控制安装方便，负载能力强，管径适应性好，越障能力强的基于弹性框架的高空缆索爬升机构及机器人。

[0006] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

[0007] 一种基于弹性框架的高空缆索爬升机构，包括左半驱动部件、右半驱动部件以及将左半驱动部件和右半驱动部件相连接的连接装置，左半驱动部件和右半驱动部件均包括三个滚轮和弹簧，左半驱动部件和右半驱动部件上的三个滚轮均通过弹簧连接，呈“V”字型的悬臂式支撑结构；左半驱动部件和右半驱动部件上的三个滚轮均一一对应设置，形成三个驱动轮组；每个滚轮均能为驱动轮，每个驱动轮组中的两个滚轮能同向或反向转动；每个滚轮均呈锥形，每个滚轮与缆索相接触的一侧均设置有条纹。

[0008] 所述连接装置为若干根连接杆。

[0009] 所述连接杆有三根，三根连接杆相互平行，每个驱动轮组中包含一根所述连接杆，每个驱动轮组中的连接杆均与两个滚轮同轴设置，并与两个滚轮转动连接。

[0010] 每个所述驱动轮组中两个滚轮上的条纹偏转方向相反。

[0011] 还包括下降限速装置，该下降限速装置与任意一个滚轮的轮轴轴端相连接。

[0012] 所述下降限速装置包括制动器外壳、制动器转子、离心弹簧和离心块，其中制动器转子、离心弹簧和离心块均设置在制动器外壳内，离心块与制动器转子相铰接，离心块与制动器转子之间设置有离心弹簧。

[0013] 所述下降限速装置包括定子、叶轮、压紧弹簧、固定盘和球阀，定子和固定盘同轴套装在轮轴轴端的外周；固定盘邻近定子的一侧沿圆周方向设置有若干个锥形阀芯；定子从内向外依次设置有相互贯通的液压腔、内侧盲孔和外侧盲孔；液压腔内设置有套装在轮轴轴端上的叶轮；内侧盲孔内设置有球阀；外侧盲孔邻近固定盘的一端设置有与锥形阀芯相配合的锥形阀孔。

[0014] 所述下降限速装置还包括同轴套装在轮轴轴端上的增速器。

[0015] 还包括障碍感应装置，障碍感应装置固定设置在爬升机构的顶部和/或底部，障碍感应装置包括至少两个感应开关，每个感应开关均包括探针和开关体，每根探针包括一段弧形探头和至少一根针阀，针阀的一端与弧形探头固定连接，针阀的另一端与开关体浮动连接，针阀能触动开关体中开关量信号的导通与断开；至少两段弧形探头同轴设置，且能围合形成一个环状结构。

[0016] 每根所述针阀上均同轴设置有若干个球形触点，开关体内设置有与球形触点数量相等的球窝；球窝的容积大于球形触点的体积，当球形触点与球窝任一点接触时，均能触动开关体中开关量信号的导通。

[0017] 本发明采用上述结构后，具有如下有益效果：

[0018] 1.上述每个滚轮均能为驱动轮，每个滚轮组中的两个滚轮能同向或反向转动。因此，当同向转动时，机器人爬升；当反向转动时，机器人不爬升，绕缆索中心角速度旋转，通过对两侧滚轮转速与转向变化的控制，从而实现爬升和旋转的两个运动的叠加，进而实现整个外圆柱面的检测，检测更加完整全面，具有重要的意义。

[0019] 2.安装便利：将左半驱动部件或右半驱动部件与连接杆连接为一个整体，并放置在缆索的一侧；然后在与另一半驱动部件进行拼装，然后拧紧压紧螺栓即可使滚轮压紧在缆索上，从而控制安装方便。

[0020] 3.零部件少，重量轻，可以为多滚轮驱动，负载能力强。另外，可以通过在滚轮上设置条纹，增加滚轮与缆索间摩擦力，进一步提升负载能力。

[0021] 4.管径适用能力强：通过调整每个驱动组件中两个滚轮的间距来适应不同的管径，在机构的可调整范围内，缆索与滚轮中心距保持不变。即爬升不同外径缆索时，机构的姿态不变，能够保持弹簧力的恒定不变，这点对于稳定爬升尤为重要。

[0022] 5.动态制动下降：通过对锥形阀孔（也即阻尼孔）开口度的调节，实现对下降速度的调节，当机器人爬升不同倾角的缆索时，更具有实际的意义。流体阻尼，与机械式摩擦制动相比，热稳定性好，适合长时间，长距离制动，制动力不会衰减。另外，当采用第一种或第三种下降限速装置时，制动力的大小将能随下降速度的增加而增加，下降速度和制动力是一个动态平衡的过程，能够实现匀速或者近似匀速下降。

[0023] 6.越障能力强：当缆索表面防护层出现破损，如内部钢丝断开翘起时，很容易将机器人挂住，使其停留在高空不能返回地面。本申请中，每个驱动组件中两个滚轮分开设置，中间没有直接连接，两个对应滚轮间预留出很大的空间，这个空间将有利于跨过翘起来的钢丝，且滚轮对翘起来的钢丝等障碍，还具有滚压效应，不会被挂住，能够顺利返回地面。

[0024] 7.上述障碍感应装置的设置，能覆盖缆索整个外圆周，能对缆索外圆柱面进行360°全周向的故障检测，检测无死角。同时，感应开关碰到任何形状的障碍均能够被灵敏地触发，产生报警开关量信号。且整体结构小巧，可靠，重量轻，有利于高空作业。

附图说明

[0025] 图1显示了本发明一种基于弹性框架的高空缆索爬升机构的结构示意图；

[0026] 图2显示了左半驱动部件的结构示意图；

[0027] 图3显示了本发明高空缆索爬升机构另一种实施例的结构示意图；

[0028] 图4显示了本发明高空缆索机器人的结构示意图；

[0029] 图5显示了第一种下降限速装置的立体结构示意图；

[0030] 图6显示了图5的纵向剖视图；

[0031] 图7显示了图5中制动器转子的立体结构示意图；

[0032] 图8显示了图5中离心块的立体结构示意图；

[0033] 图9显示了第二种下降限速装置的结构示意图；

[0034] 图10显示了图9中定子的剖面结构示意图；

[0035] 图11显示了第三种下降限速装置的结构示意图；

[0036] 图12显示了障碍感应装置的立体结构示意图；

[0037] 图13显示了感应开关的立体结构示意图；

[0038] 图14显示了感应开关的立体剖面结构示意图；

[0039] 图15显示了右半驱动部件与缆索的安装结构示意图；

[0040] 图16显示了左半驱动部件与图15中缆索安装的结构示意图；

[0041] 图17显示了图16中通过调节压紧螺栓使滚轮与缆索表面压紧的结构示意图；

[0042] 图18显示了现有技术中V字型滚轮越障时的结构示意图；

[0043] 图19显示了本发明中滚轮越障时的结构示意图；

[0044] 图20显示了本发明高空缆索爬升机构越障能力分析示意图；

[0045] 图21显示了两侧滚轮同向转动时的结构示意图；

[0046] 图22显示了滚轮的侧视图；

[0047] 图23显示了两侧滚轮反向转动时的结构示意图。

[0048] 其中有：

[0049] 1.连接杆；

[0050] 2.滚轮；21.轮轴轴端；22.条纹；

[0051] 3.弹簧；

[0052] 4.下降限速装置；

[0053] 41.悬架；42.增速器；43.制动器转子；44.离心块；45.离心弹簧；46.制动器外壳；

[0054] 51.固定盘；511.锥形阀芯；512.调整螺栓；52.定子；521.液压腔；522.内侧盲孔；523.外侧盲孔；53.叶轮；54.压紧弹簧；55.锥形阀孔；56.球阀；57.转子；571.倾斜滑槽；58.惯性块；581.倾斜面；

[0055] 6.障碍感应装置；

[0056] 61.弧形探头；62.针阀；621.弧形触点；63.感应开关连接块；631.球窝；64.弹性连接块；641.弹性变形空腔；65.支架；

[0057] 7.翘起钢丝；

[0058] 8.压紧螺栓；

[0059] 9.左半驱动部件；

[0060] 10.右半驱动部件。

具体实施方式

[0061] 下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0062] 如图1所示，一种基于弹性框架的高空缆索爬升机构，包括左半驱动部件9、右半驱动部件10、将左半驱动部件9和右半驱动部件10相连接的连接装置。

[0063] 如图4所示，一种基于弹性框架的高空缆索机器人包括上述爬升机构、下降限速装置4和障碍感应装置6。其中，障碍感应装置6可以根据实际需要进行设置。

[0064] 如图2所示，左半驱动部件9和右半驱动部件10均包括三个滚轮2和弹簧3。

[0065] 左半驱动部件9和右半驱动部件10上的三个滚轮2均通过弹簧3连接，呈“V”字型的悬臂式支撑结构。

[0066] 左半驱动部件9和右半驱动部件10上的三个滚轮2均一一对应设置，形成三个驱动轮组。每个滚轮2均能为驱动轮，每个驱动轮组中的两个滚轮2能同向或反向转动。

[0067] 上述连接装置为若干根连接杆1。

[0068] 连接杆1优选有三根，三根连接杆相互平行，每个驱动轮组中包含一根连接杆。

[0069] 如图3所示，每个驱动轮组中的连接杆1可以与两个滚轮同轴设置。这时，连接杆与两个滚轮均转动连接，两个滚轮仍能同向或反向转动。

[0070] 进一步，每个滚轮均优选呈锥形，滚轮的锥形母线为直线或弧线。当然，每个滚轮也可为圆柱形等。优选，每个滚轮表面均设置有如图21所示的条纹，增加滚轮与缆索间摩擦力，进一步提升负载能力。

[0071] 如图22所示，条纹与锥形母线所呈角度α，左右两侧滚轮上的条纹偏转方向相反。如图21所示，当两侧滚轮以同向角速度ω1旋转时，则以速度V爬升。如图23所示，当两侧滚轮反向角速度ω1旋转时，则爬升机构将绕缆索以转速为ω0进行旋转。

[0072] 上述下降限速装置4可以与任意一个滚轮2的轮轴轴端21相连接。

[0073] 下降限速装置4有如下三种优选实施例。

[0074] 实施例1

[0075] 如图5、图6、图7和图8所示，下降限速装置包括悬架41、增速器42、制动器外壳46、制动器转子43、离心弹簧45和离心块44。

[0076] 其中制动器转子、离心弹簧和离心块均设置在制动器外壳内，离心块与制动器转子相铰接，离心块与制动器转子之间设置有离心弹簧。

[0077] 悬架设置在增速器的左侧，并套装在轮轴轴端上，轮轴轴端与增速器的左侧输入端固定连接，增速器的输出轴端与制动器转子固定连接。其中，增速器可以根据实际需要进行设置，可以没有。

[0078] 当转速低时，惯性力较小，在弹簧力作用下，离心块压在制动器转子上，不起制动作用。随着转速增加，惯性力增大，克服弹簧力的约束，离心块向外甩，压在制动器外壳上，转速越高压力越大，起到动态限速的作用。

[0079] 实施例2

[0080] 如图9和图10所示，下降限速装置包括定子52、叶轮53、压紧弹簧54、固定盘51、球阀56、增速器42和调整螺栓512。增速器可以根据实际需要进行设置，可以没有。

[0081] 增速器42、定子52、固定盘51和调整螺栓512依次同轴套装在轮轴轴端21的外周。

[0082] 固定盘51邻近定子52的一侧沿圆周方向设置有若干个锥形阀芯511，优选为2个。

[0083] 如图10所示，定子52从内向外依次设置有相互贯通的液压腔521、内侧盲孔522和外侧盲孔523；液压腔521内设置有套装在轮轴轴端21上的叶轮53。内侧盲孔522内设置有球阀56。外侧盲孔523邻近固定盘的一端设置有与锥形阀芯511相配合的锥形阀孔55。

[0084] 通过对锥形阀孔55（也即阻尼孔）开口度的调节，实现对下降速度的调节，当机器人爬升不同倾角的缆索时，更具有实际的意义。

[0085] 实施例3

[0086] 如图11所示，下降限速装置除了包括实施例2中的所有部件外，还包括转子57和惯性块58。转子57套装在位于固定盘51右侧的轮轴轴端21上。转子的左侧沿圆周方向设置有若干个倾斜滑槽571，每个倾斜滑槽571内设置有一个惯性块58，每个惯性块58均具有一个与倾斜滑槽571相配合的倾斜面581。

[0087] 流体流经上述阻尼孔时，产生阻力，阻力的大小与阻尼孔的开口度相关。上升时，流体经过内侧盲孔，从钢球的右侧流向左侧，阻尼孔不起作用。下降时，内侧盲孔被钢球（弹簧力的作用）截断，流体通过外侧盲孔，经过阻尼孔，自左侧向右侧流通，流体流经阻尼孔时产生制动阻力。

[0088] 在压紧弹簧弹簧力的作用下，固定盘推动惯性块的左侧断面，压紧在转子上并靠向中心位置，惯性块右侧的倾斜面与转子的倾斜滑槽相配。当芯轴速度提高时，惯性块由于离心力的作用，会向外“甩”，由于倾斜面的存在，惯性块会产生两个方向的运动：1、向外甩；2、向左的滑动。向左的运动将压紧弹簧“压缩”，此时离心力的水平分力与弹簧力相平衡，随着速度的增加，固定盘向左运动，进而阻尼孔的开口度会变小，流体流经阻尼孔时的阻力会变大。即实现了下降制动力随着下降速度的变化而动态变化。

[0089] 爬升过程中，流体经内侧盲孔，自右侧向左通过钢球流通，不产生任何阻力。

[0090] 下降过程中，芯轴带动叶轮反转，流体自左向右，弹簧压紧钢球将内侧盲孔封死。流体经外侧盲孔，流体流经阻尼孔，产生阻力，下降速度越快，阻尼孔开口度越小，阻力越大。

[0091] 下降过程中，如果速度继续增大，在惯性块离心力水平分力推动下，固定盘继续向左侧移动，阻尼孔被封死。

[0092] 当阻尼孔被封死后，阻力瞬间急剧增大，下降速度降低，惯性块离心力水平分力减小，固定盘右移，阻尼孔开口度增大，阻力变小，下降速度增加，惯性力分离加大，阻尼孔开口度再度减小（封死），循环往复，实现动态调整，最终达到恒定速度下降。

[0093] 上述障碍感应装置6可以固定设置在爬升机构的顶部，也可设置在爬升机构的底部，也可同时设置在爬升机构的顶部和底部。

[0094] 如图12、图13和图14所示，障碍感应装置6包括至少两个感应开关和一个支架，感应开关的数量优选为三个。

[0095] 支架包括圆环和沿圆环周向固定设置的若干个连接件，感应开关优选固定在圆环上。连接件的另一端固定在爬升机器人上。

[0096] 每个感应开关均包括探针和开关体。

[0097] 探针有如下两种优选实施例。

[0098] 实施例1：每根探针包括一段弧形探头和一根针阀。

[0099] 实施例2：每根探针包括一段弧形探头和两根相互平行设置的针阀。

[0100] 作为替换，针阀的数量还可以是3根或3根以上，均在本申请的保护范围之内。

[0101] 上述每根针阀的一端与弧形探头固定连接，优选针阀的顶端与弧形探头的中部固定连接。

[0102] 针阀的另一端与开关体浮动连接，针阀能触动开关体中开关量信号的导通与断开。

[0103] 上述弧形探头均同轴设置，且能围合形成一个环状结构。优选，弧形探头的首尾相互拼接，形成一个圆环。作为替换，弧形探头的首尾之间也可仅为相互靠近无拼接关系，或者弧形探头不同心设置，但同轴设置，弧形探头的首尾之间有重合等，也均在本申请的保护范围之内。

[0104] 弧形探头围合形成的环状结构，能覆盖缆索整个外圆周，能对缆索外圆柱面进行360°全周向的故障检测，检测无死角。

[0105] 每根针阀上均同轴设置有若干个球形触点，优选为两个。

[0106] 开关体包括感应开关连接块和同轴固定设置在感应开关连接块两端的两个弹性连接块。每个弹性连接块内优选均设置有弹性变形空腔。

[0107] 感应开关连接块内同轴设置有与球形触点数量相等的球窝；球窝的容积大于球形触点的体积。因此，在感应开关未触碰到障碍时，球形触点能位于球窝的正中心，而不与球窝接触。

[0108] 当球形触点与球窝任一点接触时，均能触动开关体中开关量信号的导通。

[0109] 上述针阀与弹性连接块固定连接，针阀与感应开关连接块间能进行浮动的弹性支承连接，在弹性连接块的弹性支承作用下能实现空间6个自由度的运动，这就保证了探针在任意位置碰触到任意形状的障碍时，球形触点能够在任意位置以任意姿态与感应开关连接块内部的球窝接触，产生开关量信号。

[0110] 上述爬升机构，安装便利：

[0111] 步骤一：如图15所示，将右半驱动部件与连接杆连接为一个整体，并放置在缆索的一侧；

[0112] 步骤二：如图16所示，再将左半驱动部件与步骤一组装好的部分进行拼装；

[0113] 步骤三：如图17所示，拧紧压紧螺栓，这样由于滚轮具有一定锥度，因此随着压紧螺栓的拧紧，弹簧产生变形，机构产生内力，滚轮压紧在缆索上。

[0114] 另外，上述爬升机构，能够螺旋爬升，本申请中采用双边支撑，动力学特性极佳，采用弹簧作为框架，各个方向均可以产生弹性变形，能够抵抗更大的冲击载荷，更适合爬升螺旋线缆索。另外，各个方向具有弹性，包括扭转，可以适用非直线管状物体的爬升，因此可以实现圆弧，曲线等爬升，环境适用性更好，比如高压线，环境适应性更强。包括变截面管，比如锥形灯杆。

[0115] 进一步，缆索表面防护层出现破损，严重时会有内部钢丝会断开，并翘起来，很容易将机器人挂住，使其停留在高空不能返回地面。

[0116] 现有技术中，如图18所示，V字轮结构，缆索与中间轴间的距离“h”通常较小，当缆索上有障碍（比如翘起来的钢丝）很容易挂在轴上，使得机器人挂在高空缆索上无法返回地面。

[0117] 如图19所示，在本发明中，左右两侧滚轮分开设置，中间没有连接，两个滚轮间预留出很大的空间，这个空间可以用于障碍的通过。再如图20所示，缆索除了与滚轮接触的四点外，上下方向距离机架存在距离为“H”的空间，左右方向与机架存在距离为“W”的空间，便于跨过翘起来的钢丝，而滚轮碰到钢丝翘起来的障碍时具有滚压效应，一般不会被挂住，所以本案技术方案不会存在被翘起来钢丝挂住的问题，能够顺利返回地面。

[0118] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。