一种自动换接工具的室外带电作业机器人作业系统的制作方法

本发明设计一种自动换接工具的室外带电作业机器人作业系统，属于室外带电作业机器人设计技术领域。

背景技术：

目前，广泛采用的带电作业技术主要是人工带电作业，要求操作人员攀爬高压铁塔或借助绝缘斗臂车进行不停电作业。但人工带电作业，意味着操作人员要处在高空、高压、强电磁场的危险环境中，劳动强度大，且人体姿态不易控制，稍有不慎就容易发生人身伤亡事故。为解决人工带电作业带来的危险，以及提高作业效率，国内外出现了使用机器人代替人工作业的带电作业技术。

带电作业机器人的研究成果主要采用主从机械臂的遥操作方法，作业人员通过主操作手遥控从机械臂。该方法保障了操作人员的安全，但仍对操作人员有较高要求，且具有如下缺点：要求作业人员具有较高的技术熟练度，且在作业过程中精神高度集中；作业缓慢，必须确保作业环境的安全后再进行下一步操作；若操作不当，可能损毁机械臂，严重影响作业效率。

因此，需开发一种具有自主作业工作功能的带电作业机器人，可以自主完成带电断线、带电接线、带电更换避雷器、带电更换隔离开关、带电更换跌落式熔断器、带电更换绝缘护管等操作，因而要求机器人具有自动更换带电作业工具的能力。

技术实现要素：

发明目的：为了解决上述问题，本发明提供一种自动换接工具的室外带电作业机器人作业系统，具有结构简单、操作方便、换接高效等特点，通过驱动组件控制拨爪块的转动实现锁紧块与对接槽的锁定和松脱切换，从而实现机械臂上带电作业工具的自动更换，保证高压环境下工作人员的安全，有效提高作业效率。

技术方案：

一种自动换接工具的室外带电作业机器人作业系统，包括：

线性工具台，线性排列设置有若干用于放置带电作业工具组件的工具位；

带电作业机械臂，包括通过关节依次连接的机械大臂、机械小臂和机械前臂；所述机械前臂包括连接管及套于连接管末端的连接套，且连接套侧壁上开设有对接槽；

带电作业工具组件，包括上下布置的连接部和工具部；所述连接部包括连接座及连接座上的套接环，且套接环的内径与连接套的外径相配合；所述套接环侧壁上开设有圆槽，且圆槽内设置有转动片；所述转动片的内外两侧分别连接有锁紧块和拨爪块，通过拨爪块的转动实现锁紧块与对接槽的锁定和松脱切换；

驱动组件，包括驱动电机、传动组件、拨爪安装座、转动轴、拨爪；所述拨爪安装座固定于线性工具台上工具位后侧，且与工具位相对应的转动轴通过轴承穿设于拨爪安装座上；所述拨爪安装于转动轴前端，且驱动电机通过传动组件带动转动轴的转动，进而通过拨爪和拨爪块的配合实现工具位上带电作业工具组件与机械前臂的对接取放。

进一步的，所述锁紧块的横截面呈长条形，且沿长边的两端呈与圆槽相适配的圆弧形；

所述对接槽包括相连通的进口槽和容纳槽，且进口槽呈长条形，其下端延伸至连接套底部；所述进口槽的宽度不小于锁紧块的宽度但小于锁紧块的长度，且容纳槽形成可容纳锁紧块自由转动的空间。

进一步的，所述转动片上设置有用于实现锁紧块水平复位的扭簧。

进一步的，为了实现锁紧块的运动限制，所述套接环外侧壁上设置有限位片，且限位片上设置有限位槽，用于实现拨爪块90°范围内的转动限制，进而实现锁紧块由水平至竖直之间的转动限制。

进一步的，所述传动组件包括传动齿轮组、传动轴，且传动轴通过两端轴承座布置于拨爪安装座后侧，驱动电机通过传动齿轮组带动传动轴的转动；所述传动轴与转动轴的轴线交错设置，并通过齿轮传动实现传动轴与转动轴的传动。

进一步的，所述传动轴与转动轴之间的齿轮传动采用锥型齿配合结构或涡轮蜗杆配合结构实现。

进一步的，所述拨爪块包括两个上下对称布置的条形块，且拨爪包括两个呈左右对称布置的扇形块；所述扇形块顶点之间的距离大于条形块的宽度，且转动时通过扇形块与条形块的侧面配合实现扇形块与条形块的传动。

进一步的，所述连接管内设置有延伸至连接套内的连接轴，且机械前臂还包括设置于连接管前端、用于驱动连接轴的步进电机；

所述套接环内设置有贯穿连接座而与工具部驱动连接的中心轴，且中心轴顶部穿设有定位销；所述连接轴底部设置有定位槽，通过定位槽与定位销的配合实现连接轴与中心轴的传动，进而实现工具部的驱动控制。

进一步的，所述定位槽包括与中心轴相适配的中心圆形槽和相对两侧扇形槽，且两侧扇形槽与中心圆形槽相连通。为了保证定位槽与定位销的配合，带电作业工具组件初始人工放入工具位时保证统一的角度。

进一步的，所述工具位两侧设置有定位钉，且连接座两侧设置有对应的定位孔，通过定位孔与定位钉的配合实现连接座在工具位上的定位。

有益效果：本发明提供的一种自动换接工具的室外带电作业机器人作业系统，相对于现有技术，具有以下优点：1、通过驱动组件控制拨爪块的转动实现锁紧块与对接槽的锁定和松脱切换，从而实现机械臂上带电作业工具的自动更换，换接高效，保证高压环境下工作人员的安全，有效提高作业效率；2、通过轴传动实现步进电机对带电作业工具的高效控制，且控制精度高，结构简单，操作方便，可实现不同带电作业工具组件的有效驱动。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中机械大臂和机械小臂的结构示意图；

图3为本发明实施例中机械前臂和线夹工具组件的装配结构示意图；

图4为本发明实施例中连接管及连接套的结构示意图；

图5为本发明实施例中连接管底部的结构示意图；

图6为本发明实施例中剥线器工具组件的结构示意图；

图7为本发明实施例中拨爪与拨爪块的截面示意图；

图中包括：1、机械大臂，2、机械小臂，301、步进电机，302、连接管，303、连接套，304、对接槽，305、连接轴，306、定位槽，

401、连接座，402、套接环，403、锁紧块，404、拨爪块，405、中心轴，406、定位销，

501、传动齿轮组，502、转动轴，503、拨爪，504、驱动电机，505、传动轴，506、拨爪安装座，

601、线性工具台，602、工具位，603、定位钉。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

如图1-3所示为一种自动换接工具的室外带电作业机器人作业系统，包括：

线性工具台601，线性排列设置有若干用于放置带电作业工具组件的工具位602；

带电作业机械臂，包括通过关节依次连接的机械大臂1、机械小臂2和机械前臂；所述机械前臂包括连接管302及套于连接管302末端的连接套303，且连接套303侧壁上开设有对接槽304；

带电作业工具组件，包括上下布置的连接部和工具部；所述连接部包括连接座401及连接座401上的套接环402，且套接环402的内径与连接套303的外径相配合；所述套接环402侧壁上开设有圆槽，且圆槽内设置有转动片；所述转动片的内外两侧分别连接有锁紧块403和拨爪块404，通过拨爪块404的转动带动锁紧块403实现与对接槽304的锁定和松脱切换；

驱动组件，包括驱动电机504、传动组件、拨爪安装座506、转动轴502、拨爪503；所述拨爪安装座506固定于线性工具台601上工具位602后侧，且与工具位602相对应的转动轴502通过轴承穿设于拨爪安装座506上；所述拨爪503安装于转动轴502前端，且驱动电机504通过传动组件带动转动轴502的转动，进而通过拨爪503和拨爪块404的配合实现工具位602上带电作业工具组件与机械前臂的对接取放。

本实施例中，所述锁紧块403的横截面呈长条形，且沿长边的两端呈与圆槽相适配的圆弧形；

如图4所示，所述对接槽304包括相连通的进口槽和容纳槽，且进口槽呈长条形，其下端延伸至连接套303底部；所述进口槽的宽度不小于锁紧块403的宽度但小于锁紧块403的长度，且容纳槽形成可容纳锁紧块403自由转动的空间。

所述转动片上设置有用于实现锁紧块403水平复位的扭簧(图中未示出)；所述套接环402外侧壁上设置有限位片，且限位片上设置有扇形限位槽，用于实现拨爪块404在90°范围内的转动限制，进而实现锁紧块403由水平至竖直的转动限制。

所述传动组件包括传动齿轮组501、传动轴505，且传动轴505通过两端轴承座布置于拨爪安装座506后侧，驱动电机504通过传动齿轮组501带动传动轴505的转动；所述传动轴505与转动轴502的轴线交错设置，并通过齿轮传动实现传动轴505与转动轴502的传动。

其中，所述传动轴505与转动轴502之间的齿轮传动可采用锥型齿配合结构或涡轮蜗杆配合结构实现。

如图7所示，所述拨爪块404包括两个上下对称布置的条形块，且拨爪503包括两个呈左右对称布置的扇形块(扇形块之间可通过弧形块相连，以提高稳定性和同步性)；所述扇形块顶点之间的距离大于条形块的宽度，且转动时通过扇形块与条形块的侧面配合实现扇形块与条形块的传动。

此外，所述连接管302内设置有延伸至连接套303内的连接轴305，且机械前臂还包括设置于连接管302前端、用于驱动连接轴305的步进电机301；

如图6所示，所述套接环402内设置有贯穿连接座401而与工具部驱动连接的中心轴405，且中心轴405顶部穿设有定位销406；所述连接轴305底部设置有定位槽306，通过定位槽306与定位销406的配合实现连接轴305与中心轴405的传动，进而实现工具部的驱动控制。

如图5所示，所述定位槽306包括与中心轴405相适配的中心圆形槽和相对两侧扇形槽，且两侧扇形槽与中心圆形槽相连通。

所述工具位602两侧设置有定位钉603，且连接座401两侧设置有对应的定位孔，通过定位孔与定位钉603的配合实现连接座401在工具位602上的定位。

本发明的具体实施方式如下：

室外作业时该机器人通过关节驱动实现机械大臂1、机械小臂2和机械前臂之间的多自由度活动(一般采用双机械臂配合进行带电作业)，并通过机械前臂实现不同带电作业工具组件的对接抓取和驱动作业，从而自主完成带电断线、带电接线、带电更换避雷器、带电更换隔离开关、带电更换跌落式熔断器、带电更换绝缘护管等操作。

机械臂更换工具时首先通过机械前臂带动原工具组件移动至工具位前侧，而后水平平移至工具位上方，下降将原工具组件放入工具位中，使得连接座401上定位孔与工具位两侧定位钉603相配合，此时驱动电机通过拨爪503带动拨爪块404的转动，将锁紧块403拨动至竖直状态，机械前臂上升与原工具组件松脱，进而抓取另一个工具组件。

机械臂抓取所需工具时首先通过关节驱动将机械前臂调整为竖直状态并平移至工具位上方，此时驱动电机再次通过拨爪503带动拨爪块404的转动，进而将锁紧块403拨动至竖直状态；而后机械前臂下降一定高度，使得锁紧块403沿进口槽进入容纳槽内，且定位槽306与定位销406配合，此时通过驱动电机(带编码器)将拨爪503和拨爪块404复位，锁紧块403在扭簧的作用下复位至水平状态，进而卡住进口槽，无法松脱，实现机械臂与带电作业工具组件的自动对接。

值得注意的是，为了保证定位槽306与定位销406的配合，带电作业工具组件初始人工放入工具位时保证统一的角度，而后每次通过机械臂放入工具位时在初始角度的基础上(在无传感器的情况下)通过步进电机301增加一定角度使得定位销406能够准确落入扇形槽的中部。

此外，在完成带电作业工具组件的自动对接后，机械臂可通过步进电机301带动连接轴305和中心轴405的转动，从而实现工具部的驱动控制(一般中心轴405采用丝杠组件实现与工具部的驱动连接)。

由于此场景是针对高压线进行操作，工具台上需摆放1个剥线器、1个扶线器、3个新型线夹，也可应用于其他工作场景，换成其他工具。

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(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。