基于高速飞行的牵引式大负载缆索检测机器人及检测方法与流程

1.本发明涉及一种缆索机器人，特别是一种基于高速飞行的牵引式大负载缆索检测机器人及检测方法。


背景技术：

2.传统轮式驱动缆索检测机器人，采用电机驱动，依靠轮子与缆索间的摩擦力爬升，当所需要携带的设备较重时，需要的摩擦力也更大，过大的摩擦力会导致缆索表面pe层的磨损。另外，由于电机驱动能力有限，因而采用电机轮式驱动的缆索检测机器人的负载能力也将有限，能牵引的最大极限负载不超过17.4kg。
3.然而，现有的检测设备，如能对缆索内部裂纹损伤进行检测的漏磁(mfl)传感器，其重量通常高达30公斤，其远远超出了现有技术中的采用电机轮式驱动的缆索检测机器人的负载能力范围。即使通过增加电机数量的方式增加驱动力，使其达到超过30公斤的牵引负载，然而，滚轮或履带与缆索间的摩擦力过大，会导致缆索表面pe层的磨损，而不便使用与推广。另外，在大负载牵引时，由于滚轮或履带与缆索间的摩擦力大，因而越障能力差，运行不稳定，对于高空缆索的检测变得更加困难，且检测耗费时间长。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于高速飞行的牵引式大负载缆索检测机器人及检测方法，该基于高速飞行的牵引式大负载缆索检测机器人及检测方法能用于携带30公斤及以上的大负载检测装置，如漏磁传感器，且爬升性能稳定，越障能力强。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于高速飞行的牵引式大负载缆索检测机器人，包括四旋翼飞行器、牵引机构和大负载检测机器人。
6.四旋翼飞行器套设在缆索外周，能沿缆索外壁飞行并悬停在设定的缆索高度位置。
7.大负载检测机器人安装在四旋翼飞行器下方的缆索上，大负载检测机器人顶部通过牵引机构与四旋翼飞行器相连接，并能在四旋翼飞行器的牵引作用下，沿缆索向上爬升。
8.大负载检测机器人上携带有漏磁传感器，漏磁传感器能用于检测缆索内部损伤。
9.四旋翼飞行器包括机体、第一攀爬机构、旋翼搭载机构和第一抱紧机构。
10.机体为矩形框结构，包括两块驱动侧板、两块旋翼搭载平板和两块抱紧安装侧板。
11.两块驱动侧板对称布设在缆索两侧，两块旋翼搭载平板可拆卸式安装在两块驱动侧板的顶部，两块抱紧安装侧板可拆卸式安装在两块驱动侧板的底部。
12.第一攀爬机构包括四个导轮和四个单轮悬架。四个导轮对称布设在两块驱动侧板的内侧，每个导轮均通过一个单轮悬架与对应驱动侧板相连接。
13.旋翼搭载机构包括四个旋翼和四个旋翼驱动组件，四个旋翼对称布设在两块旋翼
搭载平板外侧，每个旋翼均能在对应旋翼驱动组件的驱动下旋转。
14.第一抱紧机构包括第一自锁抱闸和第一夹持器。第一自锁抱闸套设在机体下方的缆索外周，且顶端安装在两块抱紧安装侧板上。
15.第一夹持器设置在第一自锁抱闸下方，并在第一自锁抱闸的驱动下，抱紧缆索。
16.每个单轮悬架均包括第一羊角架、第一拉伸弹簧和第一拉力传递轴；导轮的转轴两端各铰接一根第一羊角架；两根第一羊角架的另一端分别与第一拉力传递轴的两端相铰接；第一拉伸弹簧的一端安装在第一拉力传递轴中部，另一端安装在驱动侧板上；每个第一羊角架的中心拐角处均通过一根第一转动关节与驱动侧板转动连接。
17.第一夹持器包括两块开口相对设置的第一弧形板。
18.第一自锁抱闸包括抱闸基座和两组伸缩传动连杆，每组伸缩传动连杆均包括两根第一伸缩杆、h型连板和夹持器连接板。h型连板的一端分别与抱闸基座底部相铰接，h型连板的另一端分别与两根伸缩杆的一端相铰接，两根伸缩杆的另一端分别与抱闸基座的顶部相铰接。夹持器连接板的一端与其中一块第一弧形板的背部相铰接，夹持器连接板的另一端h型连板的中部相铰接。
19.牵引机构为绞盘式牵引机构，牵引机构包括两根牵引绳、两个牵引定滑轮和两个绞盘。两个绞盘通过收卷支架安装在大负载检测机器人的顶端，每个绞盘的绕线半径均不小于100mm，每根牵引绳的中部均套装在对应的牵引定滑轮上，每根牵引绳的两端均安装在绞盘上的收卷驱动装置上。
20.大负载检测机器人包括安装框体、第二攀爬机构和第二抱紧机构。
21.安装框体的顶端外侧与牵引机构底端相连接。
22.第二攀爬机构与缆索之间的攀爬摩擦力大于第一攀爬机构与缆索之间的攀爬摩擦力。
23.第二抱紧机构能用于抱紧缆索。
24.第二抱紧机构包括上抱闸基座、下抱闸基座、第二夹持器和两组驱动连杆组件。
25.上抱闸基座顶端安装在安装框体底部外侧，且位于下抱闸基座的正上方。
26.第二夹持器包括两块开口相对设置的第二弧形板，且两块第二弧形板套设在上抱闸基座和下抱闸基座之间的缆索外侧。
27.每组驱动连杆组件均包括上连杆、上u型板、下u型板、下连杆和第二伸缩杆。
28.上u型板的两个开口腿部各铰接一根上连杆，两根上连杆的另一端分别与上抱闸基座底部相铰接。上u型板的底部和下u型板的两个开口腿部分别与对应第二弧形板的外侧壁中部相铰接，下u型板的底部两端分别安装在两根下连杆的中部。每根下连杆的一端分别与下抱闸基座的顶部相铰接，每根下连杆的另一端分别与第二伸缩杆的一端相铰接，第二伸缩杆的另一端分别与下抱闸基座的底部相铰接。
29.一种基于高速飞行的牵引式大负载缆索检测机器人的缆索检测方法，包括如下步骤。
30.步骤1、飞行提升：四旋翼飞行器在自身旋翼驱动组件的驱动下沿缆索外壁飞行。四旋翼飞行器在飞行过程中，通过牵引机构，带动大负载检测机器人沿缆索向上爬升。大负载检测机器人上携带有重量不低于30公斤的缆索检测装置。
31.步骤2、四旋翼飞行器悬停：当四旋翼飞行器飞行至设定高度时，第一抱紧机构中
第一夹持器在第一自锁抱闸的驱动下，抱紧缆索。四旋翼飞行器停止飞行并悬停。
32.步骤3、当前位置缆索检测：缆索检测装置启动，对所处当前位置的缆索进行性能检测。
33.步骤4、爬升检测：牵引机构中的收卷驱动装置动作，牵引绳逐渐缩短，带动大负载检测机器人中的第二爬升机构沿缆索向上爬升。大负载检测机器人在向上爬升的同时，缆索检测装置实时对所爬升的缆索进行性能检测。
34.步骤5、第二抱紧机构抱紧缆索：当牵引绳缩至最短时，第二抱紧机构中的所有第二伸缩杆伸长，第二夹持器抱紧在缆索外周。
35.步骤6，重复步骤1至步骤5，直至完成整根缆索的性能检测。
36.第一夹持器包括两块开口相对设置的第一弧形板，第二夹持器包括两块开口相对设置的第二弧形板。第一弧形板和第二弧形板的内侧均设置有弹性垫层。第一弧形板和第二弧形板沿缆索长度方向的高度均不小于500mm。
37.本发明具有如下有益效果：本发明中采用四旋翼飞行器实现缆索的快速移动与悬停；飞行过程中，四旋翼飞行器通过牵引机构，带动大负载检测机器人沿缆索向上爬升，从而能够携带30公斤及以上的大负载检测装置，如漏磁传感器等。在爬升过程中，第一攀爬机构和第二攀爬机构中的导轮及导轮组仅与缆索弹性压紧接触，其导向作用，而不需要为大负载检测机器人提供爬升动力，故而滚动摩擦小，不会对缆索造成损伤，且越障性能强。另外，在悬停或四旋翼飞行器飞行时，第一抱紧机构或第二抱紧机构抱紧缆索，第一夹持器或第二夹持器与缆索之间为静摩擦，且接触面积大，故而对缆索损伤小，运行稳定。
附图说明
38.图1显示了本发明基于高速飞行的牵引式大负载缆索检测机器人与缆索的安装示意图。
39.图2显示了本发明中四旋翼飞行器的结构示意图。
40.图3显示了本发明第一攀爬机构中单独悬架的结构示意图。
41.图4显示了本发明中第一、第二抱紧机构的结构示意图。
42.图5显示了本发明中第二攀爬机构的结构示意图。
43.图6显示了本发明中大负载检测机器人的结构示意图。
44.图7显示了本发明中第一抱紧机构的自锁原理及自锁过程示意图。
45.图8显示了本发明中第二抱紧机构的自锁原理及自锁过程示意图。
46.其中有：100.缆索；10. 四旋翼飞行器：11.机体；111.驱动侧板；112.旋翼安装侧板；113.抱紧安装侧板；12.第一攀爬机构；121.单轮悬架；1211.第一羊角架；1212.第一转动关节；1213.第一拉动弹簧；1214.第一拉力传递轴；122.导轮；13.旋翼搭载机构；131.旋翼驱动电机；132.旋翼；133.旋翼支架；14.第一抱紧机构；141.第一自锁抱闸；142.第一夹持器；143.第一伸缩杆；144.h
型连板；145.夹持器连接板；146.牵引定滑轮；147.抱闸基座；20.牵引机构；21.牵引绳；22.收卷驱动装置；221.收卷支架；222.绞盘；223.收卷电机；30.大负载检测机器人；31.安装框体；32.第二攀爬机构；321.双轮悬架；3211.第二羊角架；3212.第二双轮连接杆；3213.第二转动关节；3214.第二拉力传递轴；3215.第二拉伸弹簧；322.轮组；33.第二抱紧机构；331.上抱闸基座；332.下抱闸基座；333.第二夹持器；334.上连杆；335.上u型板；336.下u型板；337.下连杆；338.第二伸缩杆。
具体实施方式
47.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。
48.本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
49.如图1所示，一种基于高速飞行的牵引式大负载缆索检测机器人，包括四旋翼飞行器10、牵引机构20和大负载检测机器人30。
50.四旋翼飞行器套设在缆索100外周，能沿缆索外壁飞行并悬停在设定的缆索高度位置。
51.如图2所示，四旋翼飞行器包括机体11、第一攀爬机构12、旋翼搭载机构13和第一抱紧机构14。
52.机体为矩形框结构，包括两块驱动侧板111、两块旋翼搭载平板112和两块抱紧安装侧板113。
53.两块驱动侧板对称布设在缆索两侧，每块驱动侧板均优选为u型板，每块驱动侧板的u型开口均朝向缆索设置，每块驱动侧板的顶端和底端中心均设置有弹簧安装槽。
54.两块旋翼搭载平板可拆卸式安装在两块驱动侧板的顶部，也即安装在两块驱动侧板顶部的u型侧腿外壁面上。
55.两块抱紧安装侧板可拆卸式安装在两块驱动侧板的底部，每块抱紧安装侧板均优选为v型板，每块抱紧安装侧板的两个v型开口端分别安装在两块驱动侧板底部的u型侧腿外壁面上。
56.第一攀爬机构包括四个导轮122和四个单轮悬架121。四个导轮对称布设在两块驱动侧板的内侧，也即每块驱动侧板的顶部内侧u型腔和底部内侧u型腔各设置一个导轮，每个导轮均通过一个单轮悬架与对应驱动侧板相连接。进一步，每个导轮均优选为v型，能适用于不能直接的缆索，且与缆索接触面大，导向性能稳定。
57.如图3所示，每个单轮悬架均包括第一羊角架1211、第一拉伸弹簧1213和第一拉力传递轴1214。导轮的转轴两端各铰接一根第一羊角架，两根第一羊角架的另一端分别与第一拉力传递轴的两端相铰接，第一拉力传递轴优选位于每块驱动侧板顶部和底部外侧，且与对应导轮位置相对应。每个第一羊角架1211的中心拐角处均优选通过一根第一转动关节
1212与驱动侧板转动连接。
58.第一拉伸弹簧一端安装在第一拉力传递轴中部，另一端安装在驱动侧板的弹簧安装槽中。
59.如图2所示，旋翼搭载机构包括四个旋翼132和四个旋翼驱动组件，四个旋翼对称布设在两块旋翼搭载平板外侧，每个旋翼均能在对应旋翼驱动组件的驱动下旋转。
60.本实施例中，旋翼驱动组件均优选为旋翼驱动电机131，每个旋翼中的旋翼叶片均通过旋翼支架133安装在旋翼搭载平板外侧。
61.如图4和图7所示，第一抱紧机构包括第一自锁抱闸141和第一夹持器142。第一自锁抱闸套设在机体下方的缆索外周，且顶端安装在两块抱紧安装侧板上。
62.第一夹持器包括两块开口相对设置的第一弧形板，其设置在第一自锁抱闸下方，并在第一自锁抱闸的驱动下，抱紧缆索。
63.第一自锁抱闸包括抱闸基座147和两组伸缩传动连杆，每组伸缩传动连杆均包括两根第一伸缩杆143、h型连板144和夹持器连接板145。h型连板的一端分别与抱闸基座底部相铰接，h型连板的另一端分别与两根伸缩杆的一端相铰接，两根伸缩杆的另一端分别与抱闸基座的顶部相铰接。夹持器连接板的一端与其中一块第一弧形板的背部相铰接，夹持器连接板的另一端h型连板的中部相铰接。
64.牵引机构设置在四旋翼飞行器下方，用于牵引大负载检测机器人。
65.如图1和图6所示，牵引机构 为绞盘式牵引机构，优选包括两根牵引绳21、两个牵引定滑轮146和两个绞盘222。两个绞盘通过收卷支架221安装在大负载检测机器人的顶端。每根牵引绳的中部均套装在对应的牵引定滑轮上，每根牵引绳的两端均安装在绞盘上的收卷驱动装置上。收卷驱动装置优选为收卷电机223。
66.在本发明中，每个绞盘的绕线半径均不小于100mm，优选为150mm；每个绞盘的外径优选为200mm。收卷电机型号优选为maxon dcx32l电机，在24v电压下，额定转矩为108n
·
mm，绞盘输出的转矩大，电机输出能量损失小，故而在收卷电机驱动绞盘收卷时，对收卷电机的驱动载荷要求不高，比采用常规电机驱动滚轮沿缆索滚动爬升所需要的载荷低很多。
67.大负载检测机器人安装在牵引机构下方的缆索上，其顶部通过牵引机构与四旋翼飞行器相连接，并能在四旋翼飞行器的牵引作用下，沿缆索向上爬升。
68.大负载检测机器人上携带有重量不低于30公斤的漏磁传感器，漏磁传感器能用于检测缆索内部损伤。
69.如图6所示，大负载检测机器人包括安装框体31、第二攀爬机构32和第二抱紧机构33。
70.安装框体的顶端外侧与牵引机构底端相连接，安装框体也为矩形框，与旋翼飞行器中机体结构类似，主要由第二攀爬机构中的两块驱动侧板、用于安装绞盘的绞盘支架以及下述的两块上抱闸基座可拆卸围合连接形成。
71.第二攀爬机构的结构与第一攀爬机构的机构基本类似，但第二攀爬机构与缆索之间的攀爬摩擦力大于第一攀爬机构与缆索之间的攀爬摩擦力。
72.如图5所示，第二攀爬机构包括四个轮组322和四个双轮悬架321。
73.每组导轮均包括两个平行布设的导轮，两个导轮通过两块双轮连接杆3212相连接，每个导轮均与双轮连接杆转动连接，且每个轮组分别位于第二攀爬机构中两块驱动侧板顶部和底部的u型腔内，每个导轮均优选为v型。
74.每个双轮悬架321均包括第二羊角架3211、第二拉力传递轴3214和第二拉伸弹簧3215。
75.每个轮组的两块双轮连接杆中部各铰接一根第二羊角架，两根第二羊角架的另一端分别与第二拉力传递轴的两端相铰接，第二拉力传递轴优选位于每块驱动侧板顶部和底部外侧，且与对应轮组的中心位置相对应。每个第二羊角架3211的中心拐角处均优选通过一根第二转动关节3213与第二攀爬机构中的驱动侧板转动连接。
76.第二抱紧机构能用于抱紧缆索。
77.如图4和图8所示，第二抱紧机构包括上抱闸基座331、下抱闸基座332、第二夹持器333和两组驱动连杆组件。
78.上抱闸基座顶端安装在安装框体底部外侧，且位于下抱闸基座的正上方。上抱闸基座和下抱闸基座均优选包括对称布设在缆索两侧的两块t型板。
79.第二夹持器包括两块开口相对设置的第二弧形板，且两块第二弧形板套设在上抱闸基座和下抱闸基座之间的缆索外侧。
80.本发明中，上述第一弧形板和第二弧形板的内侧均优选设置有弹性垫层。第一弧形板和第二弧形板沿缆索长度方向的高度均不小于500mm，因而第一夹持器或第二夹持器与缆索之间的接触面积大，静摩擦大，对缆索损伤小，运行稳定。
81.每组驱动连杆组件均包括上连杆334、上u型板335、下u型板336、下连杆337和第二伸缩杆338。
82.上u型板的两个开口腿部各铰接一根上连杆，两根上连杆的另一端分别与上抱闸基座底部相铰接。上u型板的底部和下u型板的两个开口腿部分别与对应第二弧形板的外侧壁中部相铰接，下u型板的底部两端分别安装在两根下连杆的中部。每根下连杆的一端分别与下抱闸基座的顶部相铰接，每根下连杆的另一端分别与第二伸缩杆的一端相铰接，第二伸缩杆的另一端分别与下抱闸基座的底部相铰接。
83.一种基于高速飞行的牵引式大负载缆索检测机器人的缆索检测方法，包括如下步骤。
84.步骤1、飞行提升：四旋翼飞行器在自身旋翼驱动组件的驱动下沿缆索外壁飞行。四旋翼飞行器在飞行过程中，通过牵引机构，带动大负载检测机器人沿缆索向上爬升。大负载检测机器人上携带有重量不低于30公斤的缆索检测装置。
85.步骤2、四旋翼飞行器悬停：当四旋翼飞行器飞行至设定高度时，第一抱紧机构中第一夹持器在第一自锁抱闸的驱动下，抱紧缆索，抱紧过程如图7所示，四旋翼飞行器停止飞行并悬停。
86.步骤3、当前位置缆索检测：缆索检测装置启动，对所处当前位置的缆索进行性能检测。
87.步骤4、爬升检测：牵引机构中的收卷驱动装置动作，牵引绳逐渐缩短，带动大负载检测机器人中的第二爬升机构沿缆索向上爬升。大负载检测机器人在向上爬升的同时，缆索检测装置实时对所爬升的缆索进行性能检测。
88.步骤5、第二抱紧机构抱紧缆索：当牵引绳缩至最短时，第二抱紧机构中的所有第二伸缩杆伸长，第二夹持器抱紧在缆索外周，抱紧过程如图8所示。
89.步骤6，重复步骤1至步骤5，直至完成整根缆索的性能检测。
90.本发明得益于分体式结构，检测机器人可以携带大质量的检测设备，完成传统轮式/履带式机器人很难完成的拉索内部损伤检测工作，分步式运动，因为四旋翼飞行器较快的飞行速度，提高了机器人整体的运行速度，提高了机器人检测的效率，不依赖轮子与拉索表面摩擦力，消除了重载荷对机器人爬坡速度和运动稳定性的负面影响，具有更好的越障性能，且很好的保护了拉索表面pe层。
91.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。