适用于输电线路的无人机-机器人协同作业装置及方法与流程

本发明属于输电线路检修，尤其涉及适用于输电线路的无人机-机器人协同作业装置及方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、输电线路检修中，验电、挂拆接地线、装拆后备保护绳是保障作业安全的核心环节，《电力安全工作规程 电力线路部分》（dl/t 409-2023）明确要求严格执行相关操作流程，确保作业人员人身安全。传统作业模式依赖人工登塔操作，面临高空坠落、触电等安全风险，且作业效率受地形、天气影响显著，难以满足大规模电网的高效运维需求。

3、随着无人机技术与机器人技术的融合发展，行业内逐步探索无人机辅助作业方案，但现有技术仍存在诸多瓶颈：一是机器人装备拓扑结构适应性差，传统设计多针对单一作业场景，模块复用率低，导致装备成本高、落地难度大，难以覆盖多类型检修任务；二是运动学建模精度不足，现有模型未充分考虑无人机悬停稳定性与机器人动作的耦合影响，且部分采用的建模方法存在参数敏感性问题，导致作业轨迹偏差较大，难以满足精准操作需求；三是协同控制系统缺乏统一架构，无人机与机器人之间的通信延迟、模块接口不兼容等问题突出，影响作业协调性与实时性；四是安全保障机制不完善，现有技术多侧重单一安全指标控制，缺乏对位可靠性、夹紧力、设备状态的综合闭环管控，作业可靠性不足。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供了适用于输电线路的无人机-机器人协同作业装置及方法，为具备自适应拓扑结构、运动学建模、模块化协同控制及多重安全保障的无人机、机器人辅助人工作业装置及方法，推动输电线路检修向无人化、智能化转型。

2、为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

3、第一方面，公开了适用于输电线路的无人机-机器人协同作业装置，

4、地面控制站、无人机平台、机器人执行端；

5、所述地面控制站向所述无人机平台输出飞行控制指令、向所述机器人执行端输出关节控制指令，实现所述无人机平台的飞行控制与所述机器人执行端的关节控制的协调调度；

6、所述机器人执行端包括多自由度机械臂，所述多自由度机械臂包含旋转关节与移动关节；所述机器人执行端设置功能模块接口，功能模块通过快换接口与所述机器人执行端连接。

7、作为进一步的技术方案，还包括柔性连接组件，所述柔性连接组件为万向连杆，所述万向连杆连接所述无人机平台与所述机器人执行端，所述万向连杆具有多个转动自由度，以使所述无人机平台与所述机器人执行端之间形成解耦连接，抵消所述无人机平台悬停时的姿态抖动对所述机器人执行端作业精度的影响。

8、作为进一步的技术方案，所述快换接口包括快拆式卡扣、导向定位槽、锁紧机构；所述快拆式卡扣与所述导向定位槽卡合；所述锁紧机构用于锁止所述功能模块；所述功能模块包括验电模块、接地夹模块、摘挂模块；所述验电模块包括电压检测单元与信号处理单元；所述接地夹模块包括夹紧部与力反馈部；所述摘挂模块包括电磁驱动结构。

9、作为进一步的技术方案，所述万向连杆具有横滚、俯仰、偏航三个转动自由度；所述多自由度机械臂包括3个旋转关节与2个移动关节。

10、作为进一步的技术方案，所述快换接口还包括电气接口，所述电气接口采用防水航插，支持双路电源接口与双路数据传输接口；

11、所述验电模块的电压检测单元为高压电压传感器；所述接地夹模块的夹紧部为电动夹紧机构；所述力反馈部为压力反馈单元；所述摘挂模块用于实现后备保护绳的挂设与摘除。

12、第二方面，公开了适用于输电线路的无人机-机器人协同作业方法，

13、接收作业任务并进行拓扑结构参数配置，根据作业类型选择对应功能模块安装至所述机器人执行端；作业类型包括：验电作业、挂拆接地线作业及装拆后备保护绳作业；

14、启动作业辅助感知单元并完成校准；根据作业辅助感知单元回传的信息完成作业对位，控制所述机器人执行端执行相应作业动作；

15、作业过程中实时监测安全保障机制，当出现安全预警时执行相应处置；作业完成后控制设备返航并生成作业报告。

16、作为进一步的技术方案，所述作业辅助感知单元包括定位单元、图像采集单元和测距单元中的一种或多种；在一实施例中，所述定位单元可采用北斗rtk定位单元，所述图像采集单元可采用双目视觉slam单元，所述测距单元可采用线激光雷达或线激光测距单元；地面控制站根据定位单元、图像采集单元和测距单元回传的信息完成作业区域定位、目标作业点识别和近距离作业对位。

17、作为进一步的技术方案，所述基于运动学逆解计算各关节参数的步骤包括：基于d-h参数法建立所述多自由度机械臂的运动学模型，根据末端执行器目标位姿采用代数法求解运动学逆解，获得各关节驱动参数。

18、作为进一步的技术方案，所述安全保障机制实时监测包括：实时采集无人机平台电池电压、机器人执行端关节电机的关节温度、无人机平台北斗/lora通信模块的通信信号强度、机器人执行端关节电机及功能模块执行电机的工作电流状态参数，建立多维度状态预警模型；当任一状态参数超出安全阈值时触发预警，判断为高危状态时执行紧急停机与故障处理，判断为非高危状态时继续执行作业轨迹。

19、作为进一步的技术方案，对于验电作业：

20、地面控制站选择作业类型“验电”，通过ros下发任务与末端目标位姿；

21、采集北斗rtk定位单元、双目视觉slam单元和线激光雷达回传的信息，经处理后得到作业对位信息，基于运动学逆解将末端目标位姿映射为关节参数，采用梯形速度规划生成关节空间轨迹，协同控制输入分别作用于无人机飞行控制和机器人关节控制；

22、末端到达作业位姿后，验电模块高压电压传感器接触导线，信号处理单元对采集到的电压数据进行处理，电压数据回传至地面控制站，超限则触发声光告警并中止后续动作，验明无电压后进入接地线装设流程或结束返回。

23、作为进一步的技术方案，对于挂拆接地线作业：

24、地面控制站选择作业类型“挂拆接地线”，通过ros下发任务与夹紧力期望值参数；

25、获取作业区域位置信息、夹持位置图像信息以及接地夹模块与夹持位置之间的距离信息，地面控制站根据上述信息控制机器人执行端调整接地夹模块的位置或姿态，使接地夹模块到达允许夹持位置；

26、进入夹紧力闭环控制：设定期望夹紧力，压力反馈单元实时采集实际夹紧力，计算力偏差并由pid控制器输出控制量，动态调整电动夹紧机构驱动力，实现对不同规格导线的可靠夹持；

27、无人机先完成导线端线夹夹紧，压力传感器确认到位后再完成杆塔端线夹夹紧，激光测距确认到位，接地线形成可靠接地通道，地面端实时显示线夹状态。

28、对于装拆后备保护绳作业：

29、地面控制站选择作业类型：装拆后备保护绳，通过ros下发任务；

30、获取作业区域位置信息、杆塔挂点图像信息以及后备保护绳摘挂模块与杆塔挂点之间的距离信息，地面控制站根据上述信息进行挂点识别与到位确认；

31、根据挂点识别与到位确认结果，控制机器人执行端调整后备保护绳摘挂模块的位置或姿态，使其到达允许摘挂作业位置；

32、无人机携主钩与电磁摘挂组件飞抵杆塔顶部挂点，主钩触碰后重力闭锁完成挂设，地面可视终端实时回传图像辅助判断挂设状态；

33、将保护绳下端固定并使用速差自锁器登塔作业；作业完成后，摘挂模块电磁驱动结构接收控制指令，通过电磁吸附与导引结构回收主钩并摘除保护绳；

34、全过程通过北斗、lora双模通信采集并回传电池电压、关节温度、通信信号强度、电机工作电流状态参数，多维度预警模型持续综合评估，高危状态立即触发声光预警并停止作业、启动保护机制。

35、以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

36、本发明技术方案解决现有输电线路高空人工作业中安全风险高、作业效率受环境影响大、无人机与机器人协同精度不稳定、装备通用性与快速部署能力不足以及作业过程缺乏闭环安全管控等问题，提出一种适用于输电线路的无人机-机器人协同辅助作业装置。本发明采用分层递进的技术方案对装备结构、运动求解、协同控制与安全保障进行系统化设计：首先构建无人机、柔性连接组件、机器人执行端的拓扑结构，通过柔性连接解耦外界扰动并实现多场景自适应；然后建立机器人运动学正解与逆解模型，实现末端目标位姿与关节参数之间的可计算映射，以保证作业点到达的准确性与可行性；接着采用模块化设计统一机械/电气接口及通信机制，实现验电、接地夹、后备保护绳等功能模块的快速装配与可靠互换，并基于机器人操作系统构建协同控制架构，实现无人机飞行控制与机器人关节控制的协调调度；最后构建作业对位、夹紧力闭环、状态监测预警的安全闭环机制，并结合梯形速度规划与环境参数在线修正实现轨迹平滑与抗扰动调整。通过上述技术组合，本发明能够在复杂工况下提升作业安全性、协同效率与作业对位可靠性，降低人工高空作业风险，具备良好的工程可实施性。

37、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。