一种具备角度及高度调节功能的夹持组件的制作方法

[0001]
本发明属于电力作业攀爬机器人技术领域，具体涉及一种具备角度及高度调节功能的夹持组件。


背景技术：

[0002]
电力的稳定、安全是促进各行各业发展的基本保障，在我国，输电角钢塔数量多、分布广，且长期显露于野外环境甚至多尘强风高湿的恶劣环境下。传统方式下，需由检修人员背负检修设备沿脚钉侧攀爬角钢塔，逐步挂接安全绳防坠，导致巡检周期长，攀爬危险性大，工作效率低。因此，适用于角钢塔的攀爬机器人应运而生，并逐渐衍生出各种形态结构的攀爬种类，如蛇形机器人、轮式机器人及尺蠖式机器人等；其中，尺蠖式机器人结构简单，应用相对而言更为广泛，但攀登角钢主材的越障难度大是一贯以来困扰尺蠖式机器人结构发展的关键问题所在。究其原因，在于角钢塔是将角钢通过螺栓或焊接而成的桁架结构，主要由四根主角钢(主材)和一些用于斜拉支撑的辅材构造而成。主材与地基呈一定倾斜角度布置，主材间采用外包角钢并加螺栓固定连接，斜材与主材间采用螺栓直连或外加节点板，同时还会沿角钢塔高度方向布置大量水平外延的脚钉从而供人工检查所用。由此可见，角钢塔具备阻碍物众多的特点，包括但不仅限于脚钉、包覆螺栓、节点板等。一方面，尺蠖式机器人在攀爬过程中，其机械爪需可靠实现相对上述阻碍物的主动避让功能，从而保证攀爬效率；另一方面，在攀爬过程中，机器人的主机又必须始终与角钢主材平行，这样才能保证机器人的稳固夹持与平稳攀爬；但由于角钢并非垂直于地面，且尺蠖式机器人的前后机械爪多呈前后分置并交替夹持角钢，这使得一旦后机械爪松开夹持，在尺蠖式机器人自身巨大质量的作用下，机器人的主机往往出现角度倾斜状况，使得后机械爪的下次抓取动作的可靠性存疑。如何研发出一种新型的尺蠖式机器人，在使之具备高越障能力的同时，又能确保其相对角钢的抓取可靠性，从而实现攀爬效率与攀爬稳定性间的可靠平衡，为本领域近年来所亟待解决的技术难题。


技术实现要素：

[0003]
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供结构合理紧凑的一种具备角度及高度调节功能的夹持组件，本发明能提供攀爬机器人以极高的越障能力和攀爬效率，亦可同步保证攀爬机器人进行攀爬作业的动作稳定性及动作可靠性，从而能大大节省人力巡检成本，提高检修效率，并保障输电系统安全可靠运行。
[0004]
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0005]
一种具备角度及高度调节功能的夹持组件，其特征在于包括夹爪、安装于夹爪上的可使产生相对角钢的俯仰角度调节的角度调节组件以及可使夹爪产生相对角钢的相近及相离动作的升降组件；所述角度调节组件的铰接轴线水平布置且垂直角钢长度方向。
[0006]
优选的，所述夹爪包括固定座以及布置于固定座前方的用于直接夹持角钢的夹持端，角度调节组件包括角度调节板以及固定于角度调节板上的轴线水平设置的底部铰接
耳，所述底部铰接耳与固定座的后端面的下部间构成铰接配合；角度调解组件还包括由角度调节丝杆及角度调节滑块配合形成的丝杆滑块单元，所述角度调节丝杆简支梁式的回转式装配在角度调节板上，并依靠角度调节电机驱动而产生回转动作；固定座的后端面的上部延伸设置有顶部铰接耳，所述角度调节滑块与所述顶部铰接耳间构成水平铰接配合。
[0007]
优选的，所述角度调节组件的调整动作依靠布置在主机上的倾角仪实现。
[0008]
优选的，所述升降组件包括与角度调节板板面平行的铅垂底板，铅垂底板上布置导向轴套，导向轴套处同轴的滑动或滚动配合有导向柱，导向柱垂直角度调节板板面并向角度调节板处延伸，直至与角度调节板间形成固接配合；铅垂底板上贯穿有轴线平行导向柱轴线的螺纹孔，定向丝杆的尾端与螺纹孔间形成螺纹配合，定向丝杆的首端延伸至角度调节板处并与固定在角度调节板上的升降电机间形成动力配合。
[0009]
优选的，所述夹持端由两根对称的爪杆配合形成，各爪杆的首端构成用于定位角钢对应槽边的配合端，各爪杆的尾端分别穿过一组旋转滑套，从而使相应爪杆可沿配套的旋转滑套的轴向作直线往复动作，所述旋转滑套再通过铅垂铰接座铰接于固定座上；所述固定座包括水平设置的下安装板，下安装板的上板面凹设有定向槽，定向槽外形呈由固定座后端向固定座前端口部逐渐外扩的“八”字状，下安装板正上方布置推拉板，推拉板的下板面凹设有“一”字状的引导槽，各爪杆的尾端布置铅垂推拉轴，铅垂推拉轴的两轴端分别配合所述定向槽与引导槽，从而使得铅垂推拉轴的两轴端可在所述定向槽与引导槽内作同步的滑轨导向动作；推拉板通过水平驱动组件驱动从而产生垂直铅垂推拉轴方向的水平往复动作，且引导槽的槽长方向垂直于推拉板的水平动作方向；所述固定座还包括槽长方向铅垂布置且槽口朝向角钢所在方向的v型块， v型块的槽底线构成用于配合角钢的棱边的配合线，v型块的两槽面构成用于配合角钢的两槽面的配合面；所述v型块布置于夹持端所围合形成的区域内。
[0010]
优选的，v型块的顶端及底端均布置有用于感应角钢到位信息的触动开关，每组触动开关均包括成对设置的一组子滚轮开关，v型块的槽腔内布置有用于感应角钢外槽面的到位信息的压力开关。
[0011]
优选的，所述水平驱动组件包括由推拉滑块及推拉丝杆配合形成的丝杆滑块机构，所述推拉滑块的底端固定在推拉板的上板面处，推拉丝杆水平向固定座后方延伸并与推拉电机的输出轴间构成动力配合。
[0012]
优选的，所述固定座还包括上安装板，所述上安装板与下安装板间通过后安装板彼此衔接，从而形成开口朝向角钢所在方向的方槽状结构；所述推拉电机通过定位块固定于上安装板的尾端处，后安装板上贯穿设置有可供推拉丝杆穿过的避让孔；上安装板的下板面处布置导向杆，推拉滑块的顶端凹设有可供导向杆穿过的配合槽，所述推拉滑块与导向杆间构成导轨滑块配合。
[0013]
优选的，所述爪杆包括插接在四方套筒状的旋转滑套内的滑动杆以及螺纹配合在滑动杆顶端处的抓取杆；所述抓取杆的前端呈便于钩住角钢的相应槽边的内弯钩状。
[0014]
优选的，所述铅垂推拉轴为两根且同轴的分置于爪杆尾端的上部及下部处；两根铅垂推拉轴的相应轴端布置有便于与所述定向槽及引导槽间形成滚动配合的滚动轴承。
[0015]
本发明的有益效果在于：
[0016]
1)、在传统的尺蠖式机器人的结构基础上，通过增设升降组件，从而保证了本发明
相对脚钉、包覆螺栓、节点板等障碍物的高效越障功能；每当攀爬机器人行进至障碍物所在点时，可通过升降组件的伸缩动作从而将夹爪抬至高于障碍物的高度，并在该夹爪越过障碍物后依靠升降组件复位，最终实现高效越障目的。更重要的是，本发明在上述结构的基础上，还增设了可控制夹爪及主机产生相对的铰接动作的角度调节组件。通过角度调节组件，即使角钢并非垂直地面，也能始终确保主机始终与当前所夹持的角钢相平行，从而保证了本发明相对角钢的稳固夹持及平稳攀爬效果。
[0017]
通过上述机构，可使得攀爬机器人在具备强越障能力和高攀爬效率的同时，亦可同步保证攀爬作业的动作稳定性及动作可靠性，从而能大大节省人力巡检成本，提高检修效率，并保障输电系统安全可靠运行。
[0018]
2)、对于角度调节组件而言，可采用多种方式来实现，诸如采用常规的铰接结构并搭配气动推杆等作为动力源，或者采用万向节构造搭配对应的动力推动结构等。考虑到主机的巨大质量，单纯的铰接机构配合气动推杆等已经无法满足角度调节需求，因此优选采用底部铰接耳搭配顶部铰接耳，并通过丝杆滑块单元来实现动力推动需求，从而满足巨大质量下的强力调节目的。具体工作时，一旦需要调节夹爪与主机之间的角度，可通过角度调节组件的动作，带动角度调节丝杆回转，进而使得角度调节滑块产生直线往复动作，即可推动顶部铰接耳连同整个夹爪才相对底部铰接耳的铰接摆动动作。由于角度调节组件的铰接轴线水平布置且垂直角钢长度方向，因此可始终保证主机相对角钢的平行姿态。
[0019]
3)、对于升降组件而言，其所起到的功能在于抬升夹爪，从而使得松开夹持后的夹爪能迅速的远离角钢至一定高度，该高度需大于待越过的障碍物高度，之后夹爪方可沿主机前行或后行，最终实现越障效果。因此，本发明采用导向柱搭配带有导向轴套的铅垂底板，从而构成所述的升降组件；在动力构成上，采用定向丝杆配合升降电机，从而利用升降电机的巨大扭力来驱动定向丝杆转动，进而带动作为滑块的铅垂底板产生沿定向丝杆的往复动作，以保证高负载下的升降组件的动作可靠性及稳定性。
[0020]
4)、对于夹持端而言，一方面需要其有稳定的夹持力，从而可在夹持角钢时具备可靠的力封闭性及形状封闭性；另一方面，由于角钢外形的特殊性，夹持端又需要有足够的张开区域，从而满足对角钢的包覆式夹持需求。有鉴于此，本发明提供了通过爪杆、旋转滑套及固定座而形成的夹持端构造，实际操作时，通过水平驱动组件的动作来带动推拉板前行，推拉板处引导槽则推动爪杆处铅垂推拉轴，使得爪杆在沿旋转滑套前行时同时沿铅垂推拉轴产生滑移动作；与此同时，由于爪杆处铅垂推拉轴又同时与“八”字状的定向槽形成滑轨配合，因此爪杆在前行的同时由因定向槽的槽向作用而产生外移动作；又因铰接于固定座处的旋转滑套的存在，爪杆的尾端被推动产生向前向外的斜向动作，旋转滑套则强行限制爪杆仅产生沿旋转滑套的前行及铰接动作，此时爪杆形成的外张的复合动作。两组爪杆彼此同步产生复合式的外张动作，其张开角度相交常规夹爪而言开口更大，更利于夹持角钢这类形状特异的主材，同时一旦夹持后收紧时，配合v型块进行双向夹紧，其收紧力和夹持稳定性也更高，更能可靠的承载质量巨大的主机沿角钢产生前移动作，成效显著。
[0021]
5)、对于v型块而言，其功能在于当两组爪杆向内收紧并夹拉角钢的两槽边时，v型块的槽腔能吻合的向外抵紧角钢的外槽面乃至棱线，从而实现了相向夹紧效果，以显著提升相对角钢的夹持可靠性。当角钢的外槽面接触触动开关处的子滚轮开关时，子滚轮开关受压并发出信号；同时，当角钢的外槽面接触压力开关时，压力开关也会发出到位信号。只
有上述两组到位信号均确认到位时，主机处控制单元才会明确当前夹爪确已可靠的夹紧在角钢上，之后才会进行下一步动作，否则会重新夹持一次，进而最大化的保证装置沿角钢塔行进的可靠性。
[0022]
6)、对于水平驱动组件而言，实际使用时可采用诸如电动推杆甚至气动活塞缸等常规驱动方式；同样的，考虑到主机的巨大质量，本发明提供了利用推拉电机带动由推拉滑块及推拉丝杆配合形成的丝杆滑块机构，从而实现对推拉板的强力推拉功能。
[0023]
7)、对于固定座而言，其主要起到承载爪杆的功能，并可承载一系列驱动件从而用于驱动爪杆产生对应的夹持和松开动作。考虑到丝杆滑块机构在推动推拉板前行时，推拉滑块完全依靠底面配合推拉板，且推拉板完全依靠位于单侧的引导槽施予爪杆尾端巨大的推动力，因此，推拉滑块及推拉板极其容易产生行进动作的不准确或者说是斜向受力状况。为保证推拉板行进的准确性，也是为了确保推拉滑块与推拉丝杆的使用寿命，本发明增设了导向杆，且导向杆固定在上安装板的下板面处，从而确保推拉滑块能顶端与底端双向均衡受力，确保其动作的精准性、可靠性及高使用寿命。
[0024]
8)、现实操作时，不同大小的角钢塔，所使用的角钢的型号可能都有所差异，为保证本发明的高适用性，本发明的夹爪的抓取端也即爪杆是可更换的。换言之，在针对不同型号的角钢时，可通过拆卸位于爪杆前端处的抓取杆并更换新尺寸的抓取杆，从而适配当前型号的角钢，操作上灵活度显然更高。同时，又由于更换部位仅为爪杆的顶端位置，而需配合旋转滑套乃至推拉板等动件的滑动杆无需更换，也有效了保证了现场更换的效率性及便捷性，一举多得。
附图说明
[0025]
图1为攀爬机器人相对角钢塔的夹持位置图；
[0026]
图2为攀爬机器人相对角钢的夹持状态图；
[0027]
图3、图4、图5及图6为攀爬机器人的动作流程图；
[0028]
图7及图8为夹持端的动作状态立体图；
[0029]
图9为图7的剖视示意图；
[0030]
图10为图7的立体结构爆炸图；
[0031]
图11为图10的立体结构爆炸图；
[0032]
图12为爪杆、旋转滑套、铅垂推拉轴、推拉滑块及下安装板的配合状态爆炸图；
[0033]
图13为升降组件处于升程状态下，本发明的立体结构示意图；
[0034]
图14为本发明的工作状态图；
[0035]
图15为图14的i部分局部放大图；
[0036]
图16及图17为升降组件处于回程状态下，本发明的立体结构示意图；
[0037]
图18为本发明的立体结构爆炸图；
[0038]
图19及图20为角度调节组件动作时，夹持端的俯仰动作示意图；
[0039]
图21为攀爬机器人的行走控制方法的流程图。
[0040]
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
[0041]
a-角钢 b-障碍物
[0042]
a-上夹持组件 b-下夹持组件
[0043]
10-主机 20-夹爪
[0044]
21-固定座 21a-下安装板 21b-定向槽 21c-推拉板
[0045]
21d-引导槽 21e-v型块 21f-推拉滑块 21g-推拉丝杆
[0046]
21h-推拉电机 21i-上安装板 21j-后安装板
[0047]
21k-导向杆 21l-定位块
[0048]
22-爪杆 22a-滑动杆 22b-抓取杆 22c-导向凹槽
[0049]
23-旋转滑套 23a-铅垂铰接座
[0050]
24-铅垂推拉轴 24a-滚动轴承
[0051]
25-触动开关 26-压力开关
[0052]
30-角度调节组件 31-角度调节板 32-底部铰接耳
[0053]
33-顶部铰接耳 34-角度调节丝杆 35-角度调节滑块
[0054]
36-角度调节电机
[0055]
40-升降组件 41-铅垂底板 42-导向柱 43-定向丝杆
[0056]
44-升降电机
具体实施方式
[0057]
为便于整体了解，此处对整个角钢塔用攀爬机器人的具体实施例的结构及工作方式作以下描述：
[0058]
角钢塔用攀爬机器人，如图1-20所示的，其主要结构包括长条形框架状的主机10以及布置在主机10上的夹持组件，该夹持组件也即本发明；实际工作时，主机10长度方向应当平行角钢a的长度方向。主机10的朝向角钢a的一面布置滑移轨道，滑移轨道上设置电控的滑移块，从而可根据控制单元动作而言主机10长度方向产生往复动作；滑移块上再一对一的固定一组夹持组件。在图1-6所示的具体实施例结构中，可看出，本发明为两组，也即上夹持组件a和下夹持组件b。工作时，上夹持组件a和下夹持组件b的其中之一或者两者均可通过滑移块沿主机10长度方向在滑移轨道上产生上下滑移动作，从而实现类似尺蠖的动作功能。而当主机10沿角钢a行进至指定点并停下时，可通过预先装配在主机10首端或其他部位处的工作部来实现指定动作。如工作部为带有扭矩扳手的机械头时，即可实现对角钢a处已装配的安装螺钉的拧紧动作。
[0059]
在上述结构的基础上，本发明的结构参照图13-20所示，其主要包括夹爪20、角度调整组件30及升降组件40三大部分。其中：
[0060]
一、夹爪20
[0061]
夹爪20的设置目的，在于能直接实现相对角钢a的夹持抱紧和松开功能。如图7-12所示的，本发明所用的夹爪20包括固定座21以及布置于固定座21前方的夹持端。
[0062]
固定座21的结构如图10-11所示，由下安装板21a、后安装板21j 及上安装板21i配合形成，并在固定座21的槽腔内安装诸如导向杆21k、推拉丝杆21g、推拉滑块21f、推拉板21c、定位块21l、v型块21e及推拉电机21h等。而夹持端的结构则包括两组彼此对称的爪杆22，两组爪杆22均插接在旋转滑套23内，而旋转滑套23则通过铅垂铰接座23a 固定在固定座21上。组装时，将夹持端相对固定座21固定，此时需确保位于爪杆22尾端处的铅垂推拉轴24的下轴端应当准确配合在定向槽 21b内，也即铅垂推拉轴24处的滚动轴承24a能准确与
定向槽21b的槽壁间形成滚动配合。再后，将推拉快处引导槽21d卡入铅垂推拉轴24 的上轴端处，并随后依序安装推拉滑块21f及推拉丝杆21g。再后，将导向杆21k装配在上安装板21i处，再将上安装板21i固定在后安装板 21j上，推拉电机21h则通过定位块21l安装在后安装板21j相应板面或上安装板21i的尾端。最后，将v型块21e的两端分别固定在上安装板21i及下安装板21a的首端处，即完成夹持端的全部装配动作。实际上，“一”字状的引导槽21d也可以由两组水平子槽体沿推拉板21c长度方向依序排布形成，每组水平子槽体对应配合位于爪杆22尾端处的一组铅垂推拉轴24，参照图10及图12所示。
[0063]
在针对不同型号的角钢a时，可通过拆卸位于爪杆22前端处的抓取杆22b并更换新尺寸的抓取杆22b，从而适配当前型号的角钢a，操作上灵活度显然更高。同时，又由于更换部位仅为爪杆22的顶端位置，而需配合旋转滑套23乃至推拉板21c等动件的滑动杆22a无需更换，也有效了保证了现场更换的效率性及便捷性，一举多得。导向凹槽22c 则起到进一步保证滑动杆22a的直线动作准确性的目的。
[0064]
二、角度调整组件30
[0065]
角度调整组件30，如图18-20所示的，包括一块角度调节板31、两组底部铰接耳32、一组顶部铰接耳33、一组由角度调节丝杆34及角度调节滑块35配合形成的丝杆滑块单元以及一组角度调节电机36。
[0066]
实际装配时，首先在角度调节板31的上部安装丝杆滑块单元，对应装配角度调节电机36；同时，在角度调节板31的下部安装底部铰接耳32；此时，一组丝杆滑块单元与两组底部铰接耳32形成的稳固的等腰三角形的三点式布局。夹爪20的固定座21的下部对应的配合底部铰接耳32，从而可使得夹爪20相对底部铰接耳32产生铰接动作；固定座 21的上部则向上延伸有顶部铰接耳33，顶部铰接耳33再如图16-20所示的铰接在角度调节滑块35上。
[0067]
当上述结构装配完毕后，每当角度调节电机36产生旋转动作时，可带动通过装配槽装配在角度调节板31上的角度调节丝杆34产生回转动作，随之带动位于角度调节丝杆34上的角度调节滑块35产生相对角钢a的相近及相离动作。角度调节滑块35的导向动作随之带动顶部铰接耳33乃至整个夹爪20产生绕底部铰接耳32的摆动动作，从而实现了整个夹爪20的俯仰角度调节效果。
[0068]
三、升降组件40
[0069]
升降组件40如图13-20所示的，包括一组铅垂底板41、四组导向柱42、一组定向丝杆43及一组升降电机44。
[0070]
实际装配时，首先在角度调节板31上安装四组导向柱42，之后在铅垂底板41上螺纹配合定向丝杆43后，与位于角度调节板31上的升降电机44构成动力配合；此时，同步确保导向柱42与铅垂底板41处的导向轴套的插接配合即可。
[0071]
当升降组件40装配完成后，每当升降电机44产生动作时，即可带动定向丝杆43产生回转动作，随之带动位于定向丝杆43上的滑块也即铅垂底板41产生动作，铅垂底板41在导向柱42的导向作用下产生相对角度调节板31的相近及相离动作。当铅垂底板41固定在主机10处的滑移块上时，显然的，每当升降组件40产生伸缩动作，那么夹爪20 也就会相对主机10产生相近及相离动作。
[0072]
为进一步描述本发明所述的攀爬机器人的动作状态，此处以双足尺蠖式结构为例，结合图1-6及图21，给出攀爬机器人的行走控制流程如下：
[0073]
1)、图1-2所示为正常情况下，攀爬机器人的两足也即两组本发明同时夹紧角钢a的状态图，此时可显然看出，主机10长度方向平行当前所夹持的角钢a长度方向；
[0074]
2)、当主机10需上行时，首先下夹持组件b松开，此时由于主机 10自身重力作用，主机10出现相对当前所夹持的角钢a的角度倾斜现象，参照图3所示；
[0075]
3)、位于主机10上的倾角仪采集到主机10相对当前所夹持角钢a 的倾斜角度，发送信号给主机10上的控制单元，控制单元控制上夹持组件a处的角度调节组件30动作；此时，角度调节电机36开始动作，从而通过对顶部铰接耳33的推动及回拉动作，使得上夹持组件a处的夹爪20产生相对底部铰接耳32的铰接动作，进而实现以上夹持组件a 为支点调节主机10与角钢a的相对角度的功能，直至主机10与当前所夹持的角钢a相平行，此时主机10姿态参照图4所示；
[0076]
4)、下夹持组件b通过滑移导轨及滑移块沿主机10产生上行动作，当下夹持组件b上行到位后，同理，下夹持组件b通过自身的角度调节组件30来调整角度，以便能以合适角度夹持角钢a；当下夹持组件b角度调节完毕后，即可通过升降组件40伸向角钢a处并夹紧角钢a，此时主体姿态参照图5所示；
[0077]
5)、同理2)、3)及4)步骤，当上夹持组件a松开时，由于主机10自身重力作用，主机10出现相对当前所夹持的角钢a的角度倾斜现象；此时，控制单元控制下夹持组件b处的角度调节组件30动作，从而以下夹持组件b为支点调节主机10与角钢a的相对角度，直至主机10与当前所夹持的角钢a相平行；
[0078]
6)、主机10相对下夹持组件b产生上行动作，当主机10上行到位后，此时上夹持组件a通过自身的角度调节组件30来调整角度；上夹持组件a角度调节完毕后，即可通过升降组件40伸向角钢a处并夹紧角钢a，最终主机10恢复至如图6所示的主机10与角钢a相平行的状态，而图6所示状态也即图2所示状态的上行一步后的状态，至此完成一轮行走控制动作。
[0079]
当主机10需携带工作部继续上行时，以上述步骤为一轮循环，重复上述循环即可。反之，若主机10需下行时，同理亦可实现。同样的，当主机10需避让障碍物b时，也只需将对应的夹持组件收缩至最低位即可。
[0080]
对于工作部而言，其可以为扭矩扳手、摄像头甚至是电焊头等等，具体视现场状况可酌情改变。作为执行精确操作的功能件，工作部可安装在主机10上的任意位置，甚至可与主机10形成一体结构或相对主体形成便捷拆装结构，此处就不再赘述。
[0081]
当然，以上为攀爬机器人的其中一种具体的实施例。实际操作时，对各动力源的等同替换，如采用驱动气缸甚至是齿轮齿条方式来替代各电机的旋转驱动动作等，以及增加本发明的数目，或者改变本发明的安装排列方式，甚至还可以将多组攀爬机器人的主机10首尾铰接串联后形成更为拟虫化的机器人结构等等；这些在已知本发明的具体结构后，所作出的常规思路下的惯常结构变化，均应当作为等同或相似设计而落入本发明的保护范围内。