一种架空线路全程巡检机器人及方法与流程

1.本发明属于架空线路巡检技术领域，具体涉及一种架空线路全程巡检机器人及方法。


背景技术：

2.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。
3.架空输电线路巡检机器人作为辅助和代替人工巡线的智能工具，已经成为保卫电力线路安全运行的重要力量。架空输电线很多架设于高山峻岭地带，这就导致架空线路会因架设地形原因有很多的上下坡度，而运行于其上的特种线路巡检机器人就需要上坡、下坡、越障和防跌落。
4.据发明人了解，目前巡线机器人的研究技术方案大多是双臂或三臂的攀爬模式，如下缺点：
5.(1)机器人运行于坡度较大的线路时，由于机器人的重量和行走轮提供的摩擦力有限，产生行走轮打滑无法向前运行的情况。
6.(2)机器人在跨越防振锤、悬垂绝缘子时需要双臂或多臂进行各种复杂的越障动作，甚至有的机器人无法完成耐张塔的跨越，对复杂环境下的多种障碍物适应性低，越障时运动规划较为复杂，导致越障效率较低且在越障过程中存在安全隐患，自主越障较困难。
7.为了解决上述问题，现有技术尝试采用增大行走轮所用材料摩擦系数、增大自重、设计机器人保护和越障机构等等这些方式，上述方式虽然能够保证机器人在平直线路上的安全有效行驶，但是也存在机械结构复杂，依靠机械结构进行锁紧操作，不利于控制机械臂的旋转角度，同时，在线路倾斜或需要爬坡时，机器人也会由于自重，机械臂发生倾斜，同时机器人不能满足爬坡时摩擦力的需求，有一定的安全隐患等问题。


技术实现要素：

8.本发明为了解决上述问题，提出了一种架空线路全程巡检机器人及方法，本发明利用行走轮压紧力的控制，保证机器人在线路倾斜或爬坡时，不会出现由于摩擦力不足等造成的打滑问题；在机器人需要经过防振锤、直线塔及耐张塔时，能够通过控制驱动臂自主平衡自重、自适应变曲率轨道，保证越障安全性和可靠性。
9.根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
10.一种架空线路全程巡检机器人，包括机器人本体，所述机器人本体具有若干并排布设的行走臂，每个行走臂均包括行走轮和电机直驱回转部件，至少部分行走臂上设置有导向部件或/和辅助压紧部件；
11.所述行走轮、导向部件和电机直驱回转部件的中心处于同一条竖直轴线上；
12.所述行走轮位于行走臂上端，包括第一驱动单元和主动轮，所述第一驱动单元用于驱动主动轮转动；
13.所述导向部件包括支座和导向轮，所述支座可以沿相应行走臂移动，所述支座上设置有多个导向轮，所述导向轮沿所述竖直轴线对称布设；
14.所述电机直驱回转部件位于行走臂的下端，包括第二驱动单元、轴承座和吊臂，所述吊臂与行走臂可转动连接，第二驱动单元用于驱动吊臂转动，以调整所提供的力矩，从而平衡行走臂的重力不平衡状态；
15.所述辅助压紧部件设置于行走轮旁，包括第三驱动单元、传动件和辅助压紧件，所述辅助压紧件为开合式手爪结构，第三驱动单元产生的驱动力能够经过传动件传动至辅助压紧件，以控制所述辅助压紧件的开合程度，从而控制辅助压紧件与架空线路的压紧程度。
16.上述技术方案中，在架空线路上正常直线行走时，利用行走轮，本机器人能够满足快速行走的任务，当线路发生倾斜或需要爬坡时，根据机器人和线路的倾斜角度，控制辅助压紧件与架空线路的压紧程度，以增大行走轮的压紧力增大行走轮的摩擦力，保证机器人的安全。
17.在需要机器人跨越杆塔、在变曲率轨道上运行时，利用导向部件的可上下移动，导向轮能够包裹住轨道下沿，自适应轨道的曲率；在轨道的拐弯处运行时发生倾斜时，电机直驱回转部件提供一个适当的力矩，平衡行走臂的重力不平衡状态，保证机器人平稳运行，提高了作业安全性。
18.作为可选择的实施方式，所述主动轮周向具有一凹部，该凹部表面设置有若干卡爪。
19.作为可选择的实施方式，所述导向轮的顶部成弧形，以适配轨道的曲率。
20.作为可选择的实施方式，所述机器人本体还具有一箱体结构，所述箱体结构上设置有工控机，所述工控机用于控制机器人本体运动，箱体结构与所述吊臂连接。
21.作为可选择的实施方式，所述箱体结构上还设置有检测元件。
22.作为可选择的实施方式，所述检测元件包括角度采集模块。
23.作为可选择的实施方式，所述行走臂有两个，且左右对称设置在所述机器人本体上，每个行走臂上均设置有导向部件和辅助压紧部件。
24.作为可选择的实施方式，所述行走臂上设置有升降机构，所述导向部件设置于所述升降部件上。
25.作为可选择的实施方式，所述导向轮有四个，呈中心对称设置，用于将轨道包裹在中间。
26.作为可选择的实施方式，所述行走臂和吊臂通过轴承座连接。
27.作为可选择的实施方式，所述传动件包括传动齿轮和蜗杆，第三驱动单元输出轴能够带动传动齿轮转动，传动齿轮能够带动蜗杆转动。
28.作为可选择的实施方式，所述辅助压紧件包括：分别与传动件连接的两个相对设置且互不干涉的手爪滚轮，每一个手爪滚轮通过连接件连接涡轮，所述涡轮与蜗杆啮合；涡轮转动能够带动手爪滚轮移动以实现开合控制。
29.作为可选择的实施方式，还包括压力传感器和倾角传感器，所述压力传感器实时检测辅助压紧件与线路之间的压力值，所述倾角传感器实时测量线路的倾斜角度。
30.基于上述机器人的巡检控制方法，包括以下步骤：
31.在架空线路上运行时，控制所述电机直驱回转部件处于锁紧状态，保持所述行走
臂与架空线路平行，保证机器人直线行驶状态，对架空线路进行检测；
32.在有坡度的架空线路上运行时，确定机器人和线路的倾斜角度，控制辅助压紧件与线路的压紧程度，保证机器人安全行走；
33.在地线轨道上运行时，根据机器人的运行状态控制行走臂和电机直驱回转部件，使机器人保持平衡运行状态。
34.在地线轨道上运行时，根据机器人的运行状态控制行走臂和电机直驱回转部件的具体过程包括：
35.当机器人在无坡度的线路上运行时，电机直驱回转部件处于锁紧状态，保持机器人的各个行走臂与架空线路平行，同时，导向部件处于行走臂的最低位置；
36.辅助压紧件与线路仅接触无压力。
37.当机器人有部分行走臂位于轨道上，另一部分行走臂位于架空线路上时，控制电机直驱回转部件动作，使吊臂相对于行走臂转动设定角度，提供设定力矩，以平衡行走臂的重力不平衡状态。
38.所述设定角度/设定力矩的大小，根据行走臂的重量和机器人的倾角值计算得到。
39.当机器人整体运行到轨道上时，电机直驱回转部件处于解锁状态，控制导向部件上升，使其导向轮始终与轨道下端相切，保证机器人整体姿态稳定性。
40.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
41.本发明创新性提出一种架空线路全程巡检机器人，在机器人需要经过防振锤、直线塔及耐张塔时，能够通过导向部件、电机直驱回转部件的配合，控制驱动臂自主平衡自重、自适应变曲率轨道，保证越障安全性和可靠性，同时，在架空线路出现坡度时，利用行走轮压紧力的控制，保证机器人在线路倾斜或爬坡时，不会出现由于摩擦力不足等造成的打滑问题，真正实现全程无障碍、安全、智能巡检。
42.本发明创新性提供了一种自适应辅助爬坡巡检机器人，可以根据倾角传感器返回的线路坡度信息和压力传感器返回的压力信息，调节电机的驱动力大小，实现随机器人所爬线路坡度的变化，动态提供所需的压紧力，从而为机器人行走轮爬坡提供足够的爬坡摩擦力，保证机器人爬坡时的安全。
43.本发明创新性提出一种具有自主平衡行走臂自重的巡检机器人，通过电机直驱回转部件提供一个适当的力矩，使机器人在轨道的拐弯处运行时发生倾斜时，利用该力矩平衡行走臂的重力不平衡状态，保证机器人平稳运行，提高了作业安全性。
44.本发明创新性提出了一种自适应变曲率双轨道的巡检机器人，利用主动轮的v型结构，且v型面上有均布的凸起卡爪，保证机器人平时运行的安全性，同时利用导向部件的上下移动，且包裹住轨道，引导机器人沿轨道路径行驶，自适应变曲率轨道。
45.本发明创新性提出了一种巡检控制方法，根据机器人运行状态、线路情况、运行通道类型，自主控制、调整机器人的姿态，利用辅助装置，动态调整所需的压紧力，保证机器人整体姿态稳定性、安全性。
46.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
47.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
48.图1是实施例一中的巡检机器人结构图；
49.图2是实施例一中的巡检人侧视图；
50.图3是实施例一中的行走轮结构图；
51.图4(a)、图4(b)是实施例一中的导向部件结构图；
52.图5是实施例一中的电机直驱回转部件结构图。
53.图6是实施例一中的机器人位于轨道和地线交界处时的运行状态。
54.图7是实施例二中的辅助压紧装置结构示意图；
55.图8是实施例二中的机器人线路上无坡或小坡时的运行示意图；
56.图9为实施例二中的机器人在线路上爬坡时的运行示意图。
具体实施方式：
57.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
58.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
59.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
60.在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
61.本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
62.实施例一：
63.一种架空线路全程巡检机器人，应用于架空输电线路上，在本实施例中，以行走臂为两个为例进行说明，但并不代表，行走臂只能是两个。
64.如图1、图2所示，巡检机器人包括行走臂、导向部件和控制箱部件，用于沿架空输电线路、杆塔轨道16运行，自主跨越防振锤、直线塔及耐张塔，实现机器人对架空线路23检测。
65.行走臂1左右对称设置在控制箱部件3的顶部，成竖直状态，用于带动机器人沿架空输电线路直线运行及适应杆塔22变曲率轨道16运行；每个行走臂1包括行走轮4、升降部件5和电机直驱回转部件6，且每个升降部件5上都设置有导向部件2，可带动导向部件2上下
运动。
66.当然，在其他实施例中，可以增加行走臂1的数量，如三个行走臂，各行走臂沿机器人本体主体或控制箱部件3并排布设。
67.机器人的行走轮4、导向部件2与电机直驱回转部件6位于同一条轴线上，机器人整体中心重心也位于此轴线上，有利于保证机器人平衡性。
68.上述设计，在机器人直线运行时，有效减轻了电机直驱回转部件6的锁紧扭矩；并且，机器人整体重心重合也处于此轴线，保证了机器人高空运行姿态，提高安全性。
69.行走轮位于行走臂的顶端，包括第一驱动单元7、铰接支撑座8和主动轮9，铰接支撑座8内设轴承，第一驱动单元7通过铰接支撑座8驱动主动轮9转动；通过第一驱动单元7带动主动轮9转动，当机器人处于悬挂状态时，铰接支撑座8承受机器人的整体重量；
70.如图3所示，主动轮9内侧成v型结构，在v型面上有均布的凸起卡爪，当机器人需要压过防振锤时，由于防振锤上表面为光滑的圆弧形状，凸起的卡爪可为机器人提供额外的抓地力，防止打滑；主动轮9内侧为橡胶材料，具有导电功能，机器人处于架空地线上时，可降低架空导线对机器人产生的感应电的影响。
71.当然，在其他实施例中，主动轮9上的凹部也可以不是v型的，可以是圆弧状，或者u型结构。
72.如图4(a)、图4(b)所示，导向部件2只有机器人跨越杆塔22、在变曲率轨道16上运行时才进行工作，其包括支座10、导向轮11和导向部件12；导向轮有4个，成矩形排布，可将直径为r的下轨道16包裹在内，其中，根据轨道16拐弯角度和机器人两吊臂的间距参数，沿轨道16径向方向上的两个导向轮的间距l1为：r 3mm≤l1≤r 8mm；导向轮11顶部设置有引导部件12，引导部件12顶端成圆弧形，随着导向部件2的上升并逐渐接近下轨道16时，引导部件12圆弧面与轨道16的圆表面接触，平滑运行到合适位置，将轨道下端包裹在导向轮矩形框内。
73.当机器人沿架空线路23直线段运行时，导向部件2位于行走臂1的最下端；当机器人沿变曲率轨道运行时，导向部件2随升降部件5上升到与轨道16下端，并与下轨道平齐，由于风力、重力的原因，机器人在轨道的拐弯处运行时有一定的倾斜，此时，始终有两个导向轮与轨道接触，引导机器人沿轨道路径行驶，自适应变曲率轨道。
74.如图5所示，电机直驱回转部件6位于行走臂1的底端，包括第二驱动单元13、轴承座14和吊臂15，轴承座14固定在控制箱3上，轴承座14与吊臂15铰接，通过第二驱动单元13驱动吊臂15左右转动，电机直驱回转部件6可进行锁紧及解锁操作；
75.控制箱部件设置有锂电池组17、电机驱动器18、工控机19、倾角仪20、光电传感器21。锂电池组17用于给机器人提供动力，电机驱动器18用于驱动各执行电机；工控机19用于控制行走轮4、导向部件2、电机直驱回转部件6等部件。倾角仪20用于检测机器人的倾斜角度，光电传感器21用于检测电机直驱回转部件6的回转角度零位。
76.当然，控制箱部件内还包括用于执行巡检任务的检测元件或/和巡检环境参数采集元件，如图像采集装置(包括但不限于可见光、红外、紫外图像)、风速、湿度和温度采集模块等。这为本领域技术人员根据巡检任务或巡检要求能够自行添加或变换的，理应属于本发明的保护范围。
77.实施例二：
78.在本实施例中，与实施例一不同之处在于，巡检机器人还包括辅助压紧装置。
79.为保证本领域技术人员能够更清楚技术方案，与实施例一一致的部分，除必要部件，在本实施例的附图中不进行体现。
80.辅助压紧装置设置于行走轮4旁，当行走轮4是两个时，可以设置在前行走轮4的前端和后行走轮4的后端。
81.当然，在其他实施例中，辅助压紧装置的设置为可以进行调整，设置辅助压紧装置的原因主要在于在机器人进行爬坡时，通过辅助压紧装置与架空线路接触，提高机器人与架空线路的摩擦力，避免打滑和跌落。
82.参照图7，包括：第三驱动单元、传动件和辅助压紧件；其中，辅助压紧件为开合式手爪结构，第三驱动单元产生的驱动力能够经过传动件传动至辅助压紧件，以控制辅助压紧件的开合程度，从而控制辅助压紧件与线路的压紧程度。
83.具体地，第三驱动单元为驱动电机27，传动件包括齿轮和蜗杆25，驱动电机27的输出轴与传动齿轮26连接，传动齿轮26与蜗杆25啮合。驱动电机27输出轴转动带动传动齿轮26转动，传动齿轮26转动带动蜗杆25转动。
84.辅助压紧件包括：两个相对设置且互不干涉的手爪滚轮24，每一个手爪滚轮24通过连接件连接涡轮，涡轮与蜗杆25啮合；蜗杆25转动带动涡轮转动，涡轮转动能够带动手爪滚轮24移动以实现开合控制。
85.将手爪滚轮24、传动蜗轮蜗杆25、传动齿轮26和驱动电机27安装组合在一起，形成具有两个手爪滚轮24的机械手爪，机械手爪的两个手爪滚轮24在闭合时可以环抱并紧紧压紧线路，从而防止机器人行走轮4脱离线路，防止机器人从线路上的跌落。
86.通过对驱动电机27的转动位置控制，将位置状态通过蜗轮蜗杆25和传动齿轮26传动到两个手爪滚轮24处，转换为手爪滚轮24的开合大小，并且电机的最大力矩限制功能可以使两个手爪滚轮24与线路之间的压力达到一个合适的值，使手爪滚轮24使用合适的夹持力紧紧夹持住线路。
87.在一些实施方式中，上述的机械手爪通过支撑件29安装到行走轮4内侧骨架上，支撑件29中嵌入有压力传感器28，通过压力传感器28可以实时获取到滚轮手爪与线路的压力值，驱动电机27根据该压力值实时调整两个手爪滚轮24的开合程度，从而调整辅助压紧件与线路的压紧程度。
88.手爪滚轮24可以在接触到线路的时候被动摩擦滚动，通过调节驱动电机27输出力矩的大小，能够动态控制两个手爪滚轮24闭合时与架空线路的抓握松紧度。由此，手爪滚轮24可以根据机器人爬坡的不同坡度，提供相应的压力，来增大行走轮4的爬坡摩擦力。
89.驱动电机27工作在位置模式下，且对输出的最大力矩进行限制控制，既可以控制两个手爪滚轮24的开合大小，也限制了两个滚轮与导线接触的力矩最大值。
90.在一些实施方式中，在机器人上设置倾角传感器30，所述倾角传感器30可以测量出线路或者机器人的倾角信息，并通过倾角值计算出机器人爬坡所需要的摩擦力和手爪滚轮24所需要提供的压力值。
91.可以根据倾角传感器30返回的机器人或者线路的坡度信息，调节驱动电机27的输出力矩，进而调节手抓滚轮与架空线路的抓握松紧度，从而根据不同的坡度提供不同的压紧力，最终得到最为适合的爬坡摩擦力。
92.实施例三：
93.一种应用实施例二提供的架空线路巡检机器人巡检方法，包括以下步骤：
94.在架空线路上运行时，控制所述电机直驱回转部件处于锁紧状态，保持所述行走臂与架空线路平行，保证机器人直线行驶状态，对架空线路进行检测；
95.在有坡度的架空线路上运行时，确定机器人和线路的倾斜角度，控制辅助压紧件与线路的压紧程度，保证机器人安全行走；
96.在地线轨道上运行时，根据机器人的运行状态控制行走臂和电机直驱回转部件，使机器人保持平衡运行状态。
97.具体的，当巡检机器人在架空线路23上运行时，控制所述电机直驱回转部件处于锁紧状态，保持两个行走臂与架空线路23平行，保证机器人直线行驶状态，对所述架空输电线路进行检测。
98.机器人运检运行过程中，机器人状态分别对应架空线路23直线段、有一个行走臂位于轨道上、机器人整体都处于轨道上三种状态，其具体实施例为：
99.当机器人沿架空地线直线运行时，电机直驱回转部件6处于锁紧状态，保持机器人的两个行走臂1与架空线路23平行，同时，导向部件2处于上述的行走臂最低位置；
100.当机器人有一个行走臂位于轨道上，另一个位于架空线路23上时，由于线路弧垂造成的轨道倾斜，以及轨道路径发生弧形转变，此时机器人处于倾斜状态。两个行走臂的质心并非处于线路轨道平面上，而是在线路轨道平面外侧，由于重力作用机器人的倾斜导致行走臂的倾斜，此时需要电机直驱回转部件6提供一个适当的力矩，以平衡行走臂的重力不平衡状态。此力矩的大小是根据行走臂的重量和机器人的倾角值a计算所得。
101.当机器人整体运行到轨道16上时，电机直驱回转部件6处于解锁状态，此时导向部件2上升，使其导向轮始终与轨道16相切，保证机器人整体姿态稳定性。
102.当机器人在无坡或者小坡的线路上运行时，如图8所示，由于线路的坡度较小，行走轮4的常规摩擦力足够。出于节省电量和减小磨损的考虑，手爪滚轮24只是虚抓住线路31，这样就可以防止机器人行走轮4脱离线路导致机器人的跌落。
103.当机器人在较大坡度的线路上运行时，如图9所示，由于线路的坡度较大，行走轮4所提供的常规摩擦力不足以支持机器人爬坡时所需。这就需要辅助爬坡手爪装置提供给行走轮4的更大的压力，使行走轮4与线路31之间的摩擦力增大。同时为了提供适合的压力，通过倾角传感器30测量出机器人和/或线路的倾斜角度，从而计算出在此角度下机器人爬坡时所需的摩擦力和需要增加的辅助压力。计算出辅助压力后通过对电机的最大力矩限制来控制电机输出力矩的大小，进而控制手爪与线路31间的压力。
104.同时此压力的实时变化值可以从压力传感器28中读取到，进而更精确的调整电机的输出。
105.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。
106.上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。