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专利名称：一种输电铁塔攀爬四足机器人及其攀爬方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110088488.8

专利申请（专利权）人：华侨大学
权利人地址：福建省泉州市丰泽区城东城华北路269号

专利发明（设计）人：刘红生,廖承龙,汤海彬

专利摘要：本发明公开了一种输电铁塔攀爬四足机器人及其攀爬方法，该机器人包括车身和结构相同的四肢，每一肢包括基座、丝杆、丝杆电机、第三电机和机械爪，该丝杆的一端与基座传动连接，该丝杆的另一端与丝杆电机的转轴传动连接，该第三电机的转轴与该丝杆电机传动连接并能带动该丝杆电机、丝杆在垂直第三电机的转轴轴向的平面内转动，该第三电机的本体与机械爪固定连接，该车身的两侧沿其长度方向间隔地固设有四个第一电机，该四个第一电机的转轴一一对应地与四肢的基座传动连接并能带动相应的基座、丝杆在垂直第一电机的转轴轴向的平面内转动，该第一电机的转轴轴向平行第三电机的转轴轴向。它具有如下优点：负载能力大，攀爬稳定、结构可靠。

主权利要求：
1.一种输电铁塔攀爬四足机器人，其特征在于：包括车身和结构相同的四肢，每一肢包括基座、丝杆、丝杆电机、第三电机和机械爪，该丝杆的一端与基座传动连接，该丝杆的另一端与丝杆电机的转轴传动连接，该第三电机的转轴与该丝杆电机传动连接并能带动该丝杆电机、丝杆在垂直第三电机的转轴轴向的平面内转动，该第三电机的本体与机械爪固定连接，该车身的两侧沿其长度方向间隔地固设有四个第一电机，该四个第一电机的转轴一一对应地与四肢的基座传动连接并能带动相应的基座、丝杆在垂直第一电机的转轴轴向的平面内转动，该第一电机的转轴轴向平行第三电机的转轴轴向；该车身两侧沿其长度方向呈两侧交替且均匀间隔地固设有四个第一电机；该机械爪包括爪指和第二电机，该第二电机与爪指传动连接并能带动爪指收紧抓握或撑开松释；具有第一连接板，该第三电机的转轴通过第一连接板与该丝杆电机传动连接，该丝杆电机的本体与该第一连接板固定连接，该第三电机的转轴与该第一连接板固定连接，该丝杆的长度方向垂直第三电机的转轴；具有第二连接板，该第三电机的本体通过该第二连接板与机械爪固定连接，该第二连接板与该第三电机的本体和机械爪固定连接；四肢左右交替地连接在车身长度方向的两侧。
2.如权利要求1所述的一种输电铁塔攀爬四足机器人的攀爬方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，沿着车身两侧长度方向的四肢分别设为第一肢、第二肢、第三肢、第四肢，该四肢的机械爪自上而下一一对应地抓住输电铁塔上的四根脚钉；
步骤2，第一肢的机械爪松释当前抓握的脚钉，在丝杆电机工作下收缩丝杆，在第一电机作用下将第一肢置于车身长度方向平行的位置；
步骤3，第二肢、第三肢、第四肢的第三电机驱动各自的丝杆电机、丝杆旋转，同时丝杆电机工作使得基座、第一电机、车身沿丝杆方向伸缩移动，在第三电机和丝杆电机协调工作下促使第二肢、第三肢、第四肢同时工作使得车身沿着输电铁塔高度方向运动一个步距并使车身的长度方向与输电铁塔的角钢平行且车身与输电铁塔的角钢之间的距离不变，同时使得第一肢向前方脚钉运动；
步骤4，第一肢对应的第一电机工作使得第一肢向第一目标脚钉方向回转，同时第一肢的丝杆电机工作使得丝杆向第一目标脚钉方向回伸，当第一肢的机械爪接近第一目标脚钉时，机械爪抓握第一目标脚钉；
步骤5，第二肢的机械爪松释当前抓握的脚钉，并在丝杆电机、第一电机的工作作用下使得第二肢向第二目标脚钉方向靠近并通过机械爪抓握第二目标脚钉；
步骤6，第三肢的机械爪松释当前抓握的脚钉，并在丝杆电机、第一电机的工作作用下使得第三肢向第三目标脚钉方向靠近并通过机械爪抓握第三目标脚钉；
步骤7，第四肢的机械爪松释当前抓握的脚钉，并在丝杆电机、第一电机的工作作用下使得第四肢向第四目标脚钉方向靠近并通过机械爪抓握第四目标脚钉；至此，完成一个步距的攀爬；
步骤8，按照步骤1?7，依次循环，完成多个步距的攀爬。
3.根据权利要求2所述的一种输电铁塔攀爬四足机器人的攀爬方法，其特征在于：每相邻两肢的间隔距离等于相邻两个脚钉的距离，脚钉的间距均匀。
4.根据权利要求3所述的一种输电铁塔攀爬四足机器人的攀爬方法，其特征在于：所述一个步距等于两倍的脚钉间距。 说明书 : 一种输电铁塔攀爬四足机器人及其攀爬方法技术领域[0001] 本发明涉及输电铁塔攀爬机器人，特别涉及一种借助输电铁塔脚钉攀爬的四足机器人及其攀爬方法。背景技术[0002] 国家发展离不开输电发展，输电发展是国家发展的动脉，这就需要保证高压、超高压及特高压输电线路的稳定性、可靠性，因此高压、超高压及特高压输电线路连接铁塔需要不定期进行检修。目前，检修方式往往采用人工攀爬至数十米的铁塔上对输电线路进行检修，但攀爬只采用简单的安全装置，检修者攀爬中容易发生跌落或其他威胁生命安全的事故,此类攀爬方式危险系数极高。因此，这对铁塔攀爬检修类工作，迫切需要找到一种能保证检修人员铁塔攀爬安全的装置，为检修者的输电铁塔攀爬或检修过程中提供基本生命保障。[0003] 现有几种输电铁塔攀爬机器人的设计，一种是“人”字形攀爬机器人设计，该机器人借助于输电铁塔脚钉攀爬，其结构简单，控制系统简单易于实现，但由于“人”字形机器人攀爬输电铁塔中仅有单肢作为支撑，在风速较大的气候或较大负载条件下，该机器人设计存在结构不稳定和负载不大的不足，机器人易从铁塔跌落。此外，还有多种借助输电铁塔桁架攀爬的机器人，但该类机器人存在难以越障、适应性差等不足。发明内容[0004] 本发明提供了一种输电铁塔攀爬四足机器人及其攀爬方法，其克服了背景技术中所述的现有技术的不足。[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：[0006] 一种输电铁塔攀爬四足机器人，它包括车身和结构相同的四肢，每一肢包括基座、丝杆、丝杆电机、第三电机和机械爪，该丝杆的一端与基座传动连接，该丝杆的另一端与丝杆电机的转轴传动连接，该第三电机的转轴与该丝杆电机传动连接并能带动该丝杆电机、丝杆在垂直第三电机的转轴轴向的平面内转动，该第三电机的本体与机械爪固定连接，该车身两侧沿其长度方向间隔地固设有四个第一电机，该四个第一电机的转轴一一对应地与四肢的基座传动连接并能带动相应的基座、丝杆在垂直第一电机的转轴轴向的平面内转动，该第一电机的转轴轴向平行第三电机的转轴轴向。[0007] 一实施例之中：该车身两侧沿其长度方向呈两侧交替且均匀间隔地固设有四个第一电机。[0008] 一实施例之中：该机械爪包括爪指和第二电机，该第二电机与爪指传动连接并能带动爪指收紧抓握或撑开松释。[0009] 一实施例之中：具有第一连接板，该第三电机的转轴通过第一连接板与该丝杆电机传动连接，该丝杆电机的本体与该第一连接板固定连接，该第三电机的转轴与该第一连接板固定连接，该丝杆的长度方向垂直第三电机的转轴。[0010] 一实施例之中：具有第二连接板，该第三电机的本体通过该第二连接板与机械爪固定连接，该第二连接板与该第三电机的本体和机械爪固定连接。[0011] 一实施例之中：该四肢左右交替地连接在车身长度方向的两侧。[0012] 一种输电铁塔攀爬四足机器人的攀爬方法，它包括如下步骤：[0013] 步骤1，沿着车身长度方向的四肢分别设为第一肢、第二肢、第三肢、第四肢，该四肢的机械爪自上而下一一对应地抓住输电铁塔上的四根脚钉；[0014] 步骤2，第一肢的机械爪松释当前抓握的脚钉，在丝杆电机工作下收缩丝杆，在第一电机作用下将第一肢置于于车身长度方向平行的位置；[0015] 步骤3，第二肢、第三肢、第四肢的第三电机驱动各自的丝杆电机、丝杆旋转，同时丝杆电机工作使得基座、第一电机、车身沿丝杆方向伸缩移动，在第三电机和丝杆电机协调工作下促使第二肢、第三肢、第四肢同时工作使得车身沿着输电铁塔高度方向运动一个步距并使车身长度方向与输电铁塔角钢平行且车身与输电铁塔角钢之间的距离不变，同时使得第一肢向前方脚钉运动；[0016] 步骤4，第一肢对应的第一电机工作使得第一肢向第一目标脚钉方向回转，同时第一肢的丝杆电机工作使得丝杆向第一目标脚钉方向回伸，当第一肢的机械爪接近第一目标脚钉时，机械爪抓握第一目标脚钉；[0017] 步骤5，第二肢的机械爪松释当前抓握的脚钉，并在丝杆电机、第一电机的工作作用下使得第二肢向第二目标脚钉方向靠近并通过机械爪抓握第二目标脚钉；[0018] 步骤6，第三肢的机械爪松释当前抓握的脚钉，并在丝杆电机、第一电机的工作作用下使得第三肢向第三目标脚钉方向靠近并通过机械爪抓握第三目标脚钉；[0019] 步骤7，第四肢的机械爪松释当前抓握的脚钉，并在丝杆电机、第一电机的工作作用下使得第四肢向第四目标脚钉方向靠近并通过机械爪抓握第四目标脚钉；至此，完成一个步距的攀爬；[0020] 步骤8，按照步骤1?7，依次循环，完成多个步距的攀爬。[0021] 一实施例之中：每相邻两肢的间隔距离等于相邻两个脚钉的距离，脚钉的间距均匀。[0022] 一实施例之中：所述一个步距等于两倍的脚钉间距。[0023] 本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：[0024] 本发明提供的借助输电铁塔脚钉攀爬的四足机器人通过四肢攀爬脚钉实现沿输电铁塔高度方向可靠攀爬，始终保证三肢握住脚钉，保证借助输电铁塔脚钉攀爬的四足机器人在攀爬过程的负载能力、结构稳定性、攀爬的可靠性，车身可携带安全保障安全索具，为检修者的输电铁塔攀爬或检修过程中提供基本生命保障。附图说明[0025] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。[0026] 附图1是一种输电铁塔攀爬四足机器人的右视结构示意图；[0027] 附图2是一种输电铁塔攀爬四足机器人的主视结构示意图；[0028] 附图3是一种输电铁塔攀爬四足机器人的肢结构示意图；[0029] 附图4是一种输电铁塔攀爬四足机器人一个周期工作流程示意图；[0030] 附图4?1是一种输电铁塔攀爬四足机器人在步骤1下的侧视状态示意图；[0031] 附图4?2是一种输电铁塔攀爬四足机器人在步骤1下的主视状态示意图；[0032] 附图4?3是一种输电铁塔攀爬四足机器人在步骤2下的状态示意图；[0033] 附图4?4是一种输电铁塔攀爬四足机器人在步骤3下的状态示意图；[0034] 附图4?5是一种输电铁塔攀爬四足机器人在步骤4下的状态示意图；[0035] 附图4?6是一种输电铁塔攀爬四足机器人在步骤5、6、7下的状态示意图；[0036] 附图5是一种输电铁塔攀爬四足机器人的运动示意图；[0037] 附图中：1?车身，2?第一肢，3?第二肢，4?第三肢，5?第四肢，6?第一电机一，7?第一电机二，8?第一电机三，9?第一电机四，21?机械爪，22?第一连接板，23?丝杆电机，24?丝杆，25?基座，26?第二电机，27?第三电机，28?爪指，29?第二连接板。具体实施方式[0038] 请查阅图1至图3，一种输电铁塔攀爬四足机器人，它包括车身1和结构相同的四肢，每一肢包括基座25、丝杆24、丝杆电机23、第三电机27和机械爪21，该丝杆24的一端与基座25传动连接，该丝杆24的另一端与丝杆电机23的转轴传动连接，该第三电机27的转轴与该丝杆电机23传动连接并能带动该丝杆电机23、丝杆24在垂直第三电机27的转轴轴向的平面内转动，该第三电机27的本体与机械爪21固定连接，该车身1的两侧沿其长度方向间隔地固设有四个第一电机，分别为第一电机一6、第一电机二7、第一电机三8、第一电机四9(本实施例中，该车身1的两侧沿其长度方向呈两侧交替且均匀间隔地固设有四个第一电机6、7、8、9)，该四个第一电机6、7、8、9的转轴一一对应地分别与四肢的基座25传动连接并能带动相应的基座25、丝杆24在垂直第一电机6、7、8、9的转轴轴向的平面内转动，该第一电机6、7、8、9的转轴轴向平行第三电机27的转轴轴向。[0039] 该机械爪21包括爪指28和第二电机26，该第二电机26与爪指28传动连接并能带动爪指28收紧抓握或撑开松释。[0040] 具有第一连接板22，该第三电机27的转轴通过第一连接板22与该丝杆电机23传动连接，该丝杆电机23的本体与该第一连接板22固定连接，该第三电机27的转轴与该第一连接板22固定连接，该丝杆24的长度方向垂直第三电机27的转轴。[0041] 具有第二连接板29，该第三电机27的本体通过该第二连接板29与机械爪21固定连接，该第二连接板29与该第三电机27的本体和机械爪21固定连接。[0042] 本实施例中，该四肢左右交替地连接在车身1长度方向的两侧，形成左前肢、右前肢、左后肢和右后肢。[0043] 该一电机6、7、8、9，第二电机26、第三电机27、丝杆电机23均为步进电机。[0044] 请查阅图4至图5，一种输电铁塔攀爬四足机器人的攀爬方法，它包括如下步骤：[0045] 步骤1，请查阅图4?1和图4?2，沿着车身1长度方向的四肢分别设为第一肢2(在本实施例中为右前肢)、第二肢3(在本实施例中为左前肢)、第三肢4(在本实施例中为右后肢)、第四肢5(在本实施例中为左后肢)，该四肢的机械爪自上而下一一对应地抓住输电铁塔100上的四根脚钉101(本实施例中，该四根脚钉101为输电铁塔上连续的四根脚钉)；[0046] 步骤2，请查阅图4?3，第一肢2的机械爪松释当前抓握的脚钉(松释时，第二电机工作带动爪指松开脚钉)，在丝杆电机23工作下收缩丝杆24，并在第一电机一6作用下将第一肢2置于于车身1长度方向平行的位置；[0047] 步骤3，请查阅图4?4，第二肢3、第三肢4、第四肢5的第三电机27驱动各自的丝杆电机23、丝杆24旋转，同时丝杆24电机23工作使得基座25、第一电机二7、第一电机三8、第一电机四9、车身1沿丝杆24方向伸缩移动，在第三电机27和丝杆电机23协调工作下促使第二肢3、第三肢4、第四肢5同时工作使得车身1沿着输电铁塔100高度方向运动一个步距并使车身1长度方向与输电铁塔100角钢平行且车身1与输电铁塔100角钢之间的距离不变，同时使得第一肢2向前方脚钉运动，脚钉设在输电铁塔100角钢上；[0048] 步骤4，请查阅图4?5，第一肢2对应的第一电机一6工作使得第一肢2向第一目标脚钉方向回转，同时第一肢2的丝杆电机23工作使得丝杆24向第一目标脚钉方向回伸，当第一肢2的机械爪21接近第一目标脚钉时，机械爪21抓握第一目标脚钉(抓握时，第二电机26工作带动爪指28抓握脚钉)；本实施例中，当第一肢2向前运动到该第一肢2对应的第一电机一6在输电铁塔100上的投影位于第一目标脚钉下方的第一个脚钉时，第一肢2对应的第一电机一6和丝杆电机23开始工作；[0049] 步骤5，请查阅图4?6，第二肢3的机械爪21松释当前抓握的脚钉，并在丝杆电机23、第一电机二7的工作作用下使得第二肢3向第二目标脚钉方向靠近并通过机械爪21抓握第二目标脚钉；[0050] 步骤6，请查阅图4?6，第三肢4的机械爪21松释当前抓握的脚钉，并在丝杆电机23、第一电机三8的工作作用下使得第三肢4向第三目标脚钉方向靠近并通过机械爪21抓握第三目标脚钉；[0051] 步骤7，请查阅图4?6，第四肢5的机械爪21松释当前抓握的脚钉，并在丝杆电机23、第一电机四9的工作作用下使得第四肢5向第四目标脚钉方向靠近并通过机械爪21抓握第四目标脚钉；至此，完成一个步距的攀爬；[0052] 步骤8，按照步骤1?7，依次循环，完成多个步距的攀爬。[0053] 本实施例中，每相邻两肢的间隔距离等于相邻两个脚钉的距离，脚钉的间距均匀。一个步距等于两倍的脚钉间距。[0054] 输电铁塔攀爬四足机器人一个步距的攀爬过程中始终保证三肢握住脚钉，保证借助输电铁塔脚钉攀爬的四足机器人在攀爬过程的稳定性、可靠性，同时也可使机器人具有较大的负载能力。即保证第一肢2去抓前一个脚钉时，保证第二肢3、第三肢4、第四肢5握住脚钉；第二肢3去抓前一个脚钉过程中，保证第一肢2、第三肢4、第四肢5握住脚钉；第三肢4去抓前一个脚钉过程中，保证第一肢2、第二肢3、第四肢5握住脚钉；第四肢5去抓前一个脚钉过程中，保证第一肢2、第二肢3、第三肢4握住脚钉。[0055] 下面是关于任意一肢及车身1的相关运动方程：[0056] 所述任意肢在一个运动周期内的旋转时刻t的旋转角度Δθ(t)，w(t)为任意肢在时刻t的旋转角速度；[0057][0058] 所述任意肢在时刻t的长度L(t)，H为车身1与输电铁塔100的距离，为任意肢与输电铁塔100的初始角度；[0059][0060] 所述车身1在时刻t的位移ΔS(t)：[0061][0062] 以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

专利地区：福建

专利申请日期：2021-01-22

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN113022729B