1.本发明属于风电机组的维护设备领域，特别是涉及一种大中型风电机组外表面检测与维护设备的、可携带的无人化爬壁系统。
背景技术：2.随着风电机组的批量装机和使用，越来越多的风电机组逐渐进入频繁维护阶段。风电机组维护过程成本高、技术难度大，原始的低效率维修方式会降低风电场收益。风电机组一般安装于地理位置偏僻、环境恶劣的地区，且风电机组高达百米量级，增加了风电机组检测和维修过程的技术繁杂度，造成风电机组检测和维护成本较高。此外，近年来海上风力发电技术发展迅猛，受海上风电生产条件制约，风电机组维护难度更大。
3.风电机组的检测和维护主要包括：经常性维护、特殊维护和定期维护。经常性维护通常随巡回检查进行，包括检查、清理、调整、注油及临时故障的排除。特殊维护在发现机组存在重大安全隐患或主要部件发生损坏的情况下进行。此类维护技术复杂、工作量大、工期长、耗用器材多、费用高或者需对系统设备做出重大调整。定期维护也称定期检修，不同的周期有不同的检修内容。定期维护工作必须严格执行设备维护标准，准确及时的设备维护有利于保持提高设备的可靠性，减少设备故障率，延长设备的使用寿命。目前，风电机组维护和检修主要还是依靠人工完成，尤其是外表面检测需要工人携带检修设备，乘坐吊篮登临机组外表面，风电机组外表面的维护和检测难度更大、安全风险更高。因此，用无人系统进行风电机组外表面的维护和检测是风电运维行业的必然趋势。
4.风电机组由塔筒、机舱、叶轮等部件组成，不同部件外表面的形貌、材料、尺度等各不相同，这导致维护、检测的环境相对复杂。若想实现不同部件外表面的无人化维护和检测，要求无人系统应具备很强的风电机组外表面适应能力和越障能力，要求无人系统要求足够的运动灵活性和设备携带能力。
5.为了解决上述一系列难题，满足风电机组外表面维护与检测的无人化、自动化要求，风电机组外表面维护与检测用爬壁无人系统必须能够适应风电机组外表面复杂多变的形貌和空间特点。尽管风电运维、机器人等行业的研究学者也都做相关研究和尝试，但尚未开发出高灵活性、高承载能力和较高越障能力的无人系统。
技术实现要素：6.发明目的：本发明提供一种风电机组外表面维护用全向运动多足爬壁无人系统，其目的在于解决现有的风电检测维修设备在高灵活性、高承载能力和较高越障能力方面存在的问题。
7.技术方案：风电机组外表面维护用全向运动多足爬壁无人系统，主机架与足部机构连接，其特征在于：主机架与四个足部机构连接，每个足部机构设有一个旋转构件，旋转构件与δ方向的移动副连接；旋转构件与α方向的转动副的一端连接，转动副的另一端连接到移动副的
前端上；旋转构件还与θ方向回转的球副连接。
8.旋转构件为一个叉型结构，叉型的下部连接移动副，叉型的上部连接转动副。
9.移动副为δ方向移动推力缸，δ方向移动推力缸的尾部与旋转构件连接，δ方向移动推力缸头部的活塞处连接α方向的转动副。
10.转动副为α方向转动推力缸，α方向转动推力缸的尾部与旋转构件连接，α方向转动推力缸头部的活塞处连接δ方向移动推力缸头部。
11.θ方向回转的球副为θ方向转动主推力缸和θ方向转动辅助推力缸构成，θ方向转动主推力缸头部的活塞处与旋转构件连接，θ方向转动主推力缸尾部部的活塞处与θ方向转动辅助推力缸连接，θ方向转动辅助推力缸连接在一个固定板上，固定板分为前后两个，分别设置在前后两个足部机构的旋转构件上。
12.优点及效果：本发明提供了一种爬壁无人系统，不仅能够较好解决上述技术问题、完全满足上述全部性能要求，而且不仅适应于风电机组全部外表面的维护与检测要求，而且适用性更加广泛。
13.本发明通过优化设计该无人系统的机构连接方式和总体布局，得到了一种4-rrps的足部机构，该足部机构使爬壁无人系统的结构刚性更大，提高了无人系统爬壁过程中爬行稳定性。此外，本发明无人系统的承载平台可完全贴附于风电机组外表面，一方面可以缩短无人系统所搭载设备与风电机组外表面之间的距离，以满足风电机组外表面的抵近维护与检测的工程要求，另一方面可最大限度降低无人系统重心与支点高度，从而降低倾覆力矩对无人系统运动稳定性的影响。以上特点使本发明具有更好的工程适用性。
14.附图说明图1为本发明的主要结构示意图；图2为图1的侧视图；图3为本发明无人系统的移动步态图；图4为本发明无人系统的转动步态图；图5为本发明无人系统的越障碍步态图。
15.图中标注：主机架1，θ方向转动主推力缸2，θ方向转动辅助推力缸3，旋转构件4，α方向转动推力缸5，δ方向移动推力缸6，脚轮7。
16.目前，市场上的风电机组爬壁机器人主要用于塔筒的维护与检测，不能同时满足高自由度、高负载能力、强越障能力等多方面要求。
17.为解决其技术问题所采用的技术方案是：风电机组外表面具有表面积大、高度高等外形特点，本发明无人系统在风电机组外表面运动时，整体可以沿垂直、平行于地面方向以及垂直于风电机组外表面方向分别进行移动与转动，一共具有6个运动自由度，驱动系统全部用直线驱动液压/气动缸进行各自由度方向的独立运动驱动，此种方案使爬壁无人系统具有较高的负载能力与越障能力。
18.如图1、2所示，本发明无人系统的每个足部机构均采用了转动副(r)、移动副(p)和球副(s)的串行联接，使每个足部机构具有两个转动（θ、α）和一个移动自由度（δ），三个自由度彼此相互独立、互不影响。本发明无人系统有四个足部机构即四足，当四足同时与风电机组外表面接触时，无人系统整机架构为4-rrps足部机构；当该无人系统运动时，仅其中三足
与风电机组外表面接触，无人系统整机架构为3-rrps足部机构。此种结构的爬壁无人系统具有较大的结构刚性和较高的爬行稳定性。以下为本发明无人系统的机构原理及运动控制方法。
19.（1）4-rrps足部机构及整机等效机构；图1中δ方向移动推力缸6为δ方向移动推力缸，标注1为主机架1，δ方向移动推力缸6与θ方向的旋转构件4在e点铰接，θ方向的旋转构件4与主机架1在c点铰接，δ方向移动推力缸6提供的推拉动力为足部机构提供沿δ方向的移动自由度，使无人系统的足可沿δ方向伸缩。α方向转动推力缸5与旋转构件4在b点铰接，α方向转动推力缸5与δ方向移动推力缸6在a点铰接，由α方向转动推力缸5提供的推拉动力使δ方向移动推力缸6绕铰接点e在α方向上做回转运动。构件2为θ方向转动主推力缸，θ方向转动辅助推力缸3在θ方向转动主推力缸2与旋转构件4在f点铰接，构件3与构件2在g点铰接，θ方向转动主推力缸2提供的推拉动力使旋转构件4绕铰接点c在θ方向上做回转运动，θ方向转动辅助推力缸3为旋转构件4提供辅助转动力矩，并帮助旋转构件4冲过死点。上述足部机构在δ、α和θ方向的自由度，分别由各自的推力缸提供运动动力，在机构上彼此不发生联系，可独立控制。从单独角度看，每个足部机构均可视为由主机架1，θ方向转动主推力缸2，θ方向转动辅助推力缸3，旋转构件4，α方向转动推力缸5，δ方向移动推力缸6构成的rrps机构。但从无人系统整体角度看，四个rrps足部机构与主机架、风电机组外表面之间构成了等效4-ups机构。随着无人系统在不同步态下切换，无人系统会动态表现为4-ups/3-ups机构。
20.（2）无人系统步态。
21.该无人系统在运动过程中表现为4-ups/3-ups不断切换，具体步态分为移动步态、转体步态和越障步态：1）移动步态；无人系统在前、后、左、右移动过程如附图3所示。图3以无人系统向前移动为例，图3中a、b、c、d、e描述其移动过程中的步态。假设图中分别对应左前足、右前足、左后足和右后足。
22.第一步:左前足对应吸附装置松开，左前足在δ方向移动推力缸作用下推杆伸长，左前足到达预定位置后吸附装置与风电机组外表面吸合；第二步：右前足对应吸附装置松开，然后左后足和右后足在各自的δ方向移动推力缸作用下，左后足和右后足的推杆同时伸长，表现为无人系统的本体向前移动，移动到预定位置后，右前足的吸附装置与风电机组外表面吸合；第三步：左后足对应吸附装置松开，左后足在δ方向移动推力缸作用下其推杆缩短，待左后足收缩到位后，其对应吸附装置与风电机组外表面吸合；第四步：右后足对应吸附装置松开，右后足在δ方向移动推力缸作用下其推杆缩短，待右后足收缩到位后，其对应吸附装置与风电机组外表面吸合，至此完整的移动步态完成。其他方向移动步态与上述过程类似。
23.2）转体步态；无人系统可完成顺时针或逆时针转体动作，转体动作对应步态如图4所示。图4中a、b、c、d、e以逆时针转体为例描述了无人系统实现转体的步态。假设图中分别对应左前足、右前足、左后足和右后足。
24.第一步：左前足对应吸附装置松开，在其θ方向转动主推力缸作用下左前足绕θ方
向逆时针旋转给定角度，旋转到位后左前足的吸附装置与风电机组外表面吸合；第二步：右后足对应吸附装置松开，在其θ方向转动主推力缸作用下右后足绕θ方向逆时针旋转给定角度，旋转到位后右后足的吸附装置与风电机组外表面吸合；第三步：右前足对应吸附装置松开，在左前足、左后足、右后足的δ方向移动推力缸和θ方向转动主推力缸的联合作用下，使无人系统本体带动右前足绕θ方向逆时针方向转动，转动到位后，右前足对应吸附装置与风电机组外表面吸合。第四步：左后足对应吸附装置松开，在其θ方向转动主推力缸作用下左后足绕θ方向逆时针旋转给定角度，旋转到位后右后足的吸附装置与风电机组外表面吸合；至此完整的转动步态完成。其他方向转体步态与上述过程类似。
25.3）越障步态无人系统在运动过程中会碰到高度变化区域，其中本发明无人系统面对凹陷区域利用移动步态可轻松越过，当无人系统面对凸起区域时，则需要依照图5所示，图5中以a、b、c、d、e、f、g步态进行越障。假设图中分别对应左前足、右前足、左后足和右后足。
26.第一步：左前足、右前足、左后足、右后足各自在对应的δ方向移动推力缸、θ方向转动主推力缸以及α方向转动推力缸共同作用下各自在δ方向上推杆均伸长相同长度；左前足、右前足、左后足、右后足分别随之绕α方向和θ方向旋转相同角度，使无人系统本体表现为总体高度升高，并与风电机组外表面保持平行。
27.第二步：左前足对应吸附装置松开，左前足在对应的δ方向移动推力缸、θ方向转动主推力缸以及α方向转动推力缸共同作用下，左前足分别绕α方向顺时针转动、绕θ方向顺时针转动、沿δ方向推杆继续伸长，使左前足向前迈出，带左前足运动到位后，左前足的对应吸附装置与风电机组外表面吸合。
28.第三步：右前足对应吸附装置松开；左前足在对应的δ方向移动推力缸、θ方向转动主推力缸以及α方向转动推力缸共同作用下，左前足分别绕α方向逆时针转动、绕θ方向逆时针转动、沿δ方向推杆缩短；左后足在对应的δ方向移动推力缸、θ方向转动主推力缸以及α方向转动推力缸共同作用下，左后足绕α方向顺时针转动、绕θ方向逆时针转动、沿δ方向推杆伸长；右后足在对应的δ方向移动推力缸、θ方向转动主推力缸以及α方向转动推力缸共同作用下，右后足绕α方向顺时针转动、绕θ方向顺时针转动、沿δ方向推杆伸长；右前足在对应的δ方向移动推力缸、θ方向转动主推力缸以及α方向转动推力缸共同作用下，右前足绕α方向逆时针转动、绕θ方向顺时针转动、沿δ方向推杆伸长量变为与左前足推杆伸长量相同；在整个过程中，无人系统本体与风电机组外表面始终保持平行。
29.第四步：左后足对应吸附装置松开，左后足在对应的δ方向移动推力缸、θ方向转动主推力缸以及α方向转动推力缸共同作用下，左后足绕α方向逆时针转动使其处于与风电机组外表面平行位置；随后左后足绕θ方向顺时针转动、绕α方向逆时针转动，沿δ方向推杆缩短，直到运动到设定位置后，左后足对应吸附装置与风电机组外表面再次吸合。
30.第五步：右后足对应吸附装置松开，右后足在对应的δ方向移动推力缸、θ方向转动主推力缸以及α方向转动推力缸共同作用下，右后足绕α方向逆时针转动使其处于与风电机组外表面平行位置；随后右后足绕θ方向逆时针转动、绕α方向逆时针转动，沿δ方向推杆缩短，直到运动到设定位置后，右后足对应吸附装置与风电机组外表面再次吸合。
31.第六步：左前足、右前足、左后足、右后足各自在对应的δ方向移动推力缸、θ方向转动主推力缸以及α方向转动推力缸共同作用下各自在δ方向上推杆均缩短相同长度，左前
足、右前足、左后足、右后足分别随之绕α方向和θ方向旋转相同角度，使无人系统本体表现为总体高度降低，并与风电机组外表面保持平行。
技术特征：1.风电机组外表面维护用全向运动多足爬壁无人系统，主机架（1）与足部机构连接，其特征在于：主机架（1）与四个足部机构连接，每个足部机构设有一个旋转构件（4），旋转构件（4）与δ方向的移动副连接；旋转构件（4）与α方向的转动副的一端连接，转动副的另一端连接到移动副的前端上；旋转构件（4）还与θ方向回转的球副连接。2.根据权利要求1所述的风电机组外表面维护用全向运动多足爬壁无人系统，其特征在于：旋转构件（4）为一个叉型结构，叉型的下部连接移动副，叉型的上部连接转动副。3.根据权利要求1所述的风电机组外表面维护用全向运动多足爬壁无人系统，其特征在于：移动副为δ方向移动推力缸（6），δ方向移动推力缸（6）的尾部与旋转构件（4）连接，δ方向移动推力缸（6）头部的活塞处连接α方向的转动副。4.根据权利要求1所述的风电机组外表面维护用全向运动多足爬壁无人系统，其特征在于：转动副为α方向转动推力缸（5），α方向转动推力缸（5）的尾部与旋转构件（4）连接，α方向转动推力缸（5）头部的活塞处连接δ方向移动推力缸（6）头部。5.根据权利要求1所述的风电机组外表面维护用全向运动多足爬壁无人系统，其特征在于：θ方向回转的球副为θ方向转动主推力缸（2）和θ方向转动辅助推力缸（3）构成，θ方向转动主推力缸（2）头部的活塞处与旋转构件（4）连接，θ方向转动主推力缸（2）尾部与θ方向转动辅助推力缸（3）连接，θ方向转动辅助推力缸（3）连接在一个固定板上，固定板分为前后两个，分别设置在前后两个足部机构的旋转构件（4）上。
技术总结本发明一种风电机组外表面维护用全向运动多足爬壁无人系统，属于风电机组的维护设备领域，特别是涉及一种大中型风电机组外表面检测与维护设备的、可携带的无人化爬壁系统。其特征在于：主机架与四个足部机构连接，每个足部机构设有一个旋转构件，旋转构件与δ方向的移动副连接；旋转构件与α方向的转动副的一端连接，转动副的另一端连接到移动副的前端上；旋转构件还与θ方向回转的球副连接。本发明的目的在于解决现有的风电检测维修设备在高灵活性、高承载能力和较高越障能力方面存在的问题。题。题。
技术研发人员：马铁强 崔晓森
受保护的技术使用者：沈阳工业大学
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/7/5
