一种仿生多功能高压电缆爬行器

技术领域

本发明涉及高压电缆检修领域，特别涉及一种仿生多功能高压电缆爬行器。

背景技术

随着现代化加速发展，高压电缆铺设的范围逐渐加大，对高压电缆需要进行巡检以保证其正常运行。根据《架空输电线路运行规程》(DL/T 741-2019)，高压电缆巡检包含定期检查和专项检查两大类，检修内容有：外观检查、电气检查、结构检查等。

目前高压电缆巡检的主要方式有人工高空巡检、无人机巡检、机器人巡检三类。人工高空巡检是最传统的方式，但是存在工人劳动强度大，检测不准确、危险性高等缺点，无人机巡检在高压线路巡检中存在着安全隐患，并且存在续航能力弱的痛点，现对爬线机器人的研究较多。

在现有的爬线机器人技术中，通常为采用滑轮在电缆上运动，在实际使用中有时爬线机器人需要切换线路，现有技术中的爬线机器人遇到这种情况仍需要人工进行切换调整，导致适配性不强，工作效率低。

发明内容

本发明实施例提供了一种仿生多功能高压电缆爬行器，能够解决现有技术中切换线路时仍需要人工进行切换调整，适配性不强，工作效率低的问题。所述技术方案如下：

一种仿生多功能高压电缆爬行器，用于设置在相互平行的两根所述电缆之间并沿所述电缆方向爬行，其特征在于，包括：连杆机构、驱动机构和抓放机构，

所述连杆机构沿所述电缆延伸方向可滑动地设置于所述两根所述电缆之间，所述连杆机构包含第一连杆和第二连杆，所述第一连杆一端和所述第二连杆一端铰接，所述驱动机构配置为可使所述第一连杆与所述第二连杆夹角变化的状态，所述第一连杆和所述第二连杆的另一端均设置有所述抓放机构；

所述抓放机构包含夹持爪和角度控制电机，所述夹持爪可滑动地设置于所述电缆上，所述夹持爪通过所述角度控制电机与所述第一连杆或所述第二连杆连接，且被配置为与所述连杆机构的间距可调，所述角度控制电机的转轴与所述电缆平行，且与所述夹持爪固定连接；

可选地，所述驱动机构包括主步进电机、第一齿轮、第四连杆和滑块，所述第一连杆靠近所述电缆的侧面设有第一齿轮，所述第四连杆的一端与所述第一齿轮靠近所述电缆的侧端面铰接，所述第四连杆的另一端与所述第二连杆靠近所述电缆的侧面铰接所述第一连杆上设有主步进电机，所述主步进电机与所述第一齿轮传动连接。

可选地，所述第一连杆和所述第二连杆都设有两根，所述第一齿轮设有两个，两根所述第一连杆相互平行且固定连接，两根所述第二连杆相互平行且固定连接。

可选地，所述连杆机构还含有第五连杆，所述第五连杆的一端与所述第一连杆的另一端铰接，所述抓放机构与所述第五连杆固定连接，所述第五连杆上设置有智能传感器模块。

可选地，所述连杆机构还含有第六连杆，所述第六连杆的一端与所述第二连杆的另一端铰接，与所述第五连杆固定连接，所述第六连杆上设置有陀螺仪。

可选地，所述夹持爪为圆弧夹爪。

可选地，所述夹持爪内侧设有凹槽，凹槽内设有万向滚珠。

可选地，所述凹槽底部与所述万向滚珠间设有压缩弹簧。

可选地，每个所述抓放机构都含有沿所述电缆方向并列布置的两个夹持爪。

可选地，所述夹持爪在所述爬行方向上的一侧端面设有破冰钻头。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

相比现有的爬线机器人技术中，通常为采用滑轮在电缆上运动，在实际使用中切换线路时仍需要人工进行切换调整，适配性不强，工作效率低，本发明提供的一种仿生多功能高压电缆爬行器可以通过抓放机构的配合自主的进行线路切换，能够有效解决实际使用中爬线机器人遇到需要切换线路的时候仍需要人工进行切换调整，适配性不强，工作效率低的问题。

本发明利用仿生尺蠖运动的原理，在运动过程中可以提供较大的抓握力，实现对电缆的清洁、维护等固定作业的需求，有效解决了现有机器人功能较为单一的问题。本发明采用抓放机构抓握电线的方式，有效提升了装置运行时的稳定性。抓放机构还具有较高的灵活性，可以跨越较为复杂的障碍，有效解决了目前爬线机器人越障难、越障机构复杂等问题。本发明通过在抓放机构上设置破冰钻头，能够有效的清除电缆上的强力附着物。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的整体装配示意图；

图2是本发明实施例提供的连杆机构和驱动机构示意图；

图3是本发明实施例提供的夹持爪示意图；

图4是本发明实施例提供的夹持爪内部结构示意图；

图5是本发明实施例提供的越障过程示意图；

图6是本发明实施例提供的跨线过程示意图；

图7是本发明实施例提供的正常巡检运动状态示意图；

图8是本发明实施例提供的破冰模式运动状态示意图。

图中：1-连杆机构；11-第一连杆；12-第二连杆；13-第五连杆；14-第六连杆；15-智能传感器模块；16-陀螺仪；2-驱动机构；21-主步进电机；22-第一齿轮；23-第四连杆；24-第一锥齿轮；25-第二锥齿轮；26-第二齿轮；3-抓放机构；31-夹持爪；32-角度控制电机；33-凹槽；34-万向滚珠；35-压缩弹簧；36-破冰钻头；37-夹持爪驱动电机；38-第三连杆；4-电缆；41-上行电缆；42-下行电缆；5-供能模块。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在现有的爬线机器人技术中，通常采用滑轮在电缆上运动，在实际使用中存在切换线路时仍需要人工进行调整，适配性不强，工作效率低的问题。

图1是本发明实施例提供的整体装配示意图；图2是本发明实施例提供的连杆机构和驱动机构示意图；图3是本发明实施例提供的夹持爪示意图；图4是本发明实施例提供的夹持爪内部结构示意图；图5是本发明实施例提供的越障过程示意图；图6是本发明实施例提供的跨线过程示意图；图7是本发明实施例提供的正常巡检运动状态示意图；图8是本发明实施例提供的破冰模式运动状态示意图。如图1至8所示，通过实践本发明提供了一种仿生多功能高压电缆爬行器，用于设置在相互平行的两根电缆4之间并沿电缆4方向爬行，该爬行器主要包括：连杆机构1、驱动机构2和抓放机构3。

连杆机构1沿电缆4延伸方向可滑动地设置于两根电缆4之间，连杆机构1包含第一连杆11和第二连杆12，第一连杆11一端和第二连杆12一端铰接，驱动机构2配置为可使第一连杆11与第二连杆12夹角变化的状态，第一连杆11和第二连杆12的另一端均设置有抓放机构3。

抓放机构3包含夹持爪31和角度控制电机32，夹持爪31可滑动地设置于电缆4上，夹持爪31通过角度控制电机32与第一连杆11或第二连杆12连接，且被配置为与连杆机构1的间距可调，角度控制电机32的转轴与电缆4平行，且与夹持爪31固定连接。

示例性地，在本发明实施例中，在第二连杆12上还设置有供能模块5，供能模块5采用两组磷酸铁锂电池组进行供电，每组磷酸铁锂电池中用若干节磷酸铁锂电池串联，磷酸铁锂电池虽然能量密度低于聚合物锂电池，但是其安全性和性价比更高，且容量也足够需求，因此可以保障本装置的长时间稳定工作。角度控制电机32与供能模块5电连接，角度控制电机32上还集成了第三连杆38，第三连杆38为伸缩杆，角度控制电机32可以控制第三连杆38伸缩，第三连杆38通过角度控制电机32的转轴与夹持爪31连接，第三连杆38的另一端与第一连杆11或第二连杆12可转动地连接。抓放机构3还包含夹持爪驱动电机37，夹持爪驱动电机37设置在夹持爪31上，夹持爪驱动电机37可控制夹持爪31的夹紧和放松，夹持爪驱动电机37与供能模块5电连接。在第一连杆11和第二连杆12靠近电缆4的两侧均设有抓放机构3，以保证装置在电缆4上的平衡性。电缆4分为上行电缆41和下行电缆42。

在正常的巡检运动状态下，本发明实施例可以通过连杆机构1和抓放机构3来使装置整体沿电缆4方向运动，具体运动方式如下：初始状态下，第一连杆11和第二连杆12具有一定夹角，控制与第二连杆12相连的夹持爪驱动电机37驱动夹持爪31为夹紧状态，控制与第一连杆11相连的夹持爪驱动电机37驱动夹持爪31为放松状态，再通过控制第一连杆11与第二连杆12的夹角，使得第一连杆11与第二连杆12的夹角达到最大后，此时第一连杆11的另一端沿电缆4运动到距离第二连杆12的最远处，再控制与第一连杆11相连的夹持爪驱动电机37驱动夹持爪31为夹紧状态，控制与第二连杆12相连的夹持爪驱动电机37驱动夹持爪31为放松状态，再通过控制第一连杆11与第二连杆12的夹角，使得第一连杆11与第二连杆12的夹角达到最小后，使得第二连杆12的另一端沿电缆4运动到距离第一连杆12的最近处，此时完成一个运动周期，装置整体沿电缆4往第一连杆11方向运动了一段距离，重复以上运动周期，可以实现装置沿电缆4方向的运动。

在需要进行越障操作的状态下，本发明实施例中角度控制电机32调整夹持爪31空隙的朝向与障碍物方向一致，同时角度控制电机32可以控制第三连杆38变动合适长度，使得第三连杆38与电缆4所在平面呈一定角度，通过上述巡检运动状态的爬行方式使得与装置爬行到障碍处，爬行方向前侧的夹持爪31先放松，待其穿过障碍后，爬行方向后侧的夹持爪31放松，运动通过障碍物，可以完成整个装置的避障，通过角度控制电机32对夹持爪31朝向的调整，可以跨越电缆4下方防震锤、电缆4侧方的束线板等不同方向上的障碍，具有良好的越障功能。

在需要进行跨线操作的状态下，本发明实施例从上行电缆41跨越到下行电缆42时，第一连杆11和第二连杆12相同一侧的夹持爪驱动电机37驱动夹持爪31调整为完全放松状态，同侧的角度控制电机32控制第三连杆38收回，该侧从上行电缆41上脱离，再控制相对侧的角度控制电机32旋转，使得装置整体向下侧旋转，通过控制脱离一侧的角度控制电机32使第三连杆38调整为合适长度，从而使得脱离一侧的夹持爪31与下行电缆42贴合，再控制该侧的夹持爪驱动电机37驱动夹持爪31为夹紧状态，此时夹持爪31均位于电缆4不同高度的同一侧，位于上行电缆41的另一侧抓放机构3重复以上操作，即可达到装置从上行电缆41跨越到下行电缆42的操作。完成跨线操作后，装置与在上行电缆41上时比，为镜像状态。

相比现有的爬线机器人技术，通常为采用滑轮在电缆上运动，本发明实施的连杆机构1和抓放机构3的配合，可以实现本装置在电缆4上的爬行及避障，以及实现本装置在上行电缆41和下行电缆42间的跨线操作，从而具有良好的越障能力和跨线作业能力，无需人工进行调整处理，适配性强，工作效率更高。

可选地，驱动机构2包括主步进电机21、第一齿轮22和第四连杆23，第一连杆11靠近电缆4的侧面设有第一齿轮22，第四连杆23的一端与第一齿轮22靠近电缆4的侧端面铰接，第四连杆23的另一端与第二连杆12靠近电缆4的侧面铰接，主步进电机21设置在第一连杆11上，主步进电机21与第一齿轮22传动连接。

示例性地，在本发明实施例中，驱动机构2还包含第一锥齿轮24，第一锥齿轮24设置在主步进电机21的末端，驱动机构2还包含第二锥齿轮25，第二锥齿轮25与第一锥齿轮24啮合，驱动机构2还包含第二齿轮26，第二齿轮26设置在第一连杆11靠近电缆4的侧面并与第一齿轮22啮合，第二齿轮26与第二锥齿轮25同轴固定。

主步进电机21的主轴沿第一连杆11方向设置，主步进电机21与供能模块5电连接，在供能模块5的供电下，主步进电机21的主轴转动，带动第一锥齿轮24转动，第一锥齿轮24与第二锥齿轮25啮合，使第二锥齿轮25沿装置行进方向转动，由于第二锥齿轮25和第二齿轮26同轴固定，使得第二齿轮26也沿装置行进方向转动，第一齿轮22与第二齿轮26啮合，使得第一齿轮22也沿装置行进方向转动。第四连杆23的一端与第一齿轮22靠近电缆4的侧端面铰接，第四连杆23的另一端与第二连杆12靠近电缆4的侧面铰接，使得第一齿轮22和第四连杆23形成曲柄摇杆结构，此曲柄滑块摇杆结构可以通过控制第一齿轮22的转动来控制第一连杆11和第二连杆12之间的角度，以此为装置提供沿电缆4方向行进的动力。驱动机构2巧妙的将装置沿电缆4的运动简化成了一个曲柄滑块结构，实现了仿尺蠖“一伸一缩”的运动，同时简化了驱动机构2的组成部件，相比现有的复杂运动结构的爬线机器人，本发明实施例减轻了装置的重量，以便更灵活的作业。同时，本发明实施例在上述正常巡检运动状态下，运动过程中，主步进电机21可以一直朝一个方向运转来控制第一连11和第二连杆12之间的角度，无需控制电机正转与反转切换，延长了电机的使用寿命。

可选地，第一连杆11和第二连杆12都设有两根，第一齿轮22设有两个，两根第一连杆11相互平行且固定连接，两根第二连杆12相互平行且固定连接。

示例性地，同时设置有两根第一连杆11和两根第二连杆12，两根第一连杆11固定连接在电机21两侧，两个第二齿轮26通过转轴穿透两根第一连杆11并使其固定连接，两根第二连杆12固定连接在供能模块5两侧，第一连杆11与第二连杆12铰接处通过转轴固定连接，使得装置在电缆4上爬行的稳定性更高，同时主步进电机21和供能模块5可以更稳固的设置在装置之上，可以有效平衡本装置的中心，有利于本装置的平稳运行。

可选地，连杆机构1还含有第五连杆13，第五连杆13的一端与第一连杆11的另一端铰接，抓放机构3与第五连杆13固定连接，第五连杆13上设置有智能传感器模块15。

示例性地，第一连杆11通过第五连杆13与抓放机构3连接，增加了连接处的连接稳定性，同时减少了第一连杆11和抓放机构3之间的直接配合磨损，后期也可以对第五连杆13直接进行更换，增加了主体装置的使用寿命，并且第五连杆13上可以提供设置智能传感器模块15的空间，智能传感器模块15用于电路检修过程中对于电线状况的检查，主要包括有热成像传感器、超声波测距器，摄像头、GPS定位器、高压电缆故障测试仪等，采用stm32单片机作为主控芯片。超声波测距仪用于检测装置与电缆障碍中的距离，以便随时切换运动姿态。热成像传感器、摄像头、高压电缆故障测试仪等用于对电线的检测。检修员可以通过传输的图像与相应的数据对电缆当前状况进行判断。若检测到电缆出现外观破损、电阻值异常等情况，可以进行定位标记，后续再采取恰当的方式进行检修。第五连杆13增加了装置的功能性和可拓展性。

可选地，连杆机构1还含有第六连杆14，第六连杆14的一端与第二连杆12的另一端铰接，抓放机构3与第六连杆14固定连接，第六连杆14上设置有陀螺仪16。

示例性地，第二连杆12通过第六连杆14与抓放机构3连接，增加了连接处的连接稳定性，同时减少了第二连杆12和抓放机构3之间的直接配合磨损，后期也可以对第六连杆14直接进行更换，增加了主体装置的使用寿命，并且第六连杆14上可以提供设置陀螺仪16的空间，陀螺仪16用于对本装置的运动姿态进行判断，保障本装置在运行过程中不会出现倾斜、掉线等情况，也为本装置的跨线操作提供支持。第六连杆14增加了装置的功能性和可拓展性。

可选地，夹持爪31为圆弧夹爪。

示例性地，电缆4的截面为圆形，圆弧夹爪可以使夹持爪31更贴合的与电缆4配合，使得装置在作业过程中可以与电缆4更稳固的配合。

可选地，夹持爪31内侧设有凹槽33，凹槽33内设有万向滚珠34。

示例性地，在夹持爪31内侧设有凹槽33，凹槽内设置有多个万向滚珠34，万向滚珠34底部设有弹簧。在夹持爪驱动电机37驱动夹持爪31为夹紧状态时，万向滚珠34向内收缩，此时夹持爪31可以与电缆4完全贴合夹紧。在夹持爪驱动电机37驱动夹持爪31为放松状态时，万向滚珠34会弹出复位，夹持爪31通过万向滚珠34与电缆4接触，将夹持爪31与电缆4的滑动摩擦力转换成了万向滚珠34与电缆4的滚动摩擦力，以此减少了装置行进过程中的阻力，使得装置更顺畅在电缆4上运行，同时减少了夹持爪31对电缆4的磨损。

可选地，凹槽33底部与万向滚珠34间设有压缩弹簧35。

示例性地，多个万向滚珠34设置在隔板上，隔板与凹槽33的底部之间设置有压缩弹簧35，通过压缩弹簧35，可以更好的对夹持爪31夹紧过程中产生力进行缓冲，同时保证在夹持爪31放松过程中万向滚珠34顺利弹出与电缆4接触配合。

可选地，每个抓放机构3都含有沿电缆4方向并列布置的两个夹持爪31。

示例性地，每个抓放机构3都设置两个夹持爪31,可以使装置更稳固的设置于电缆4之上，使本装置在运行过程中不会出现倾斜，增加了装置运行时的稳定性。

可选地，夹持爪31在爬行方向上的一侧端面设有破冰钻头36。

示例性地，在正常巡检运动状态下，如在爬行方向上遇到强力附着物时，可以通过增大第一连杆11和第二连杆12的最大夹角，使得在装置在运动过程中，加大在运动方向上的力，在夹持爪31爬行方向上的一侧端面设置破冰钻头36，通过加大运动方向上的力可以使破冰钻头36清除电缆4上的强力附着物。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则所述相对位置关系也可能相应地改变。

以上所述仅为本发明的可选实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。