CN101938095B - 基于气动式的输电线路除冰机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于气动式的输电线路除冰机器人，包括前臂单元、中间臂单元、后臂单元及重心调节平衡机构，前臂单元、中间臂单元及后臂单元依次与位于下方的重心调节平衡机构连接，前臂单元与后臂单元对称设置；前臂单元包括叠式机械臂机构、行走驱动机构、除冰机构、掌开合机构及刹车制动机构，中间臂单元包括垂直式伸缩臂机构、行走驱动机构、手掌开合机构及刹车制动机构，后臂单元与前臂单元结构相同；上述除冰机器人还包括能使各臂单元作出包括伸缩、行走、越障及除冰动作的以压缩空气作为动力源的气动控制回路。本发明在智能控制条件下能够完成除冰作业、在线稳定行走和高效率自主越障，具有结构紧凑、重量轻、控制简单等优点。

Description

基于气动式的输电线路除冰机器人

技术领域

本发明涉及一种基于气动式的除冰机器人机械本体结构，实现输电线路的除冰和自主检测，确保输电线路的安全稳定运行。

背景技术

输电线路作为电力系统的重要组成部分，采用高压和超高压架空输电线路是长距离输配电力的主要方式。近年来，输电线路冰灾事故在我国发生数千次，严重危及电网安全可靠运行。因此，对输电线路进行日常的巡检以及恶劣气候条件下的除雪除冰是十分必要的。鉴于传统高压线路除冰方法效率低和安全性差的问题，利用机器人进行输电线路除冰作业，不但可以提高工作效率和质量，降低线路因覆冰或故障带来的损失，而且对促进智能电网建设、提高电网自动化作业水平、保障电网安全稳定运行、促进经济发展均具有重要的战略意义。

现有技术中的高压输电线路除冰机器人是用于检测和维修各种高压输电线路的一种智能机器人，它的意义在于将除冰技术与巡检技术有机融合起来，不仅可以用于线路除冰作业，也可以用于高压输电线路的巡检工作，并能够自主地跨越高压线上各种障碍。因此，开展高压输电线路除冰机器人研究与产品开发，不仅具有重大的理论意义，而且具有显著的社会及经济效益。

发明内容

本发明的任务在于提供一种基于气动式的输电线路除冰机器人，该输电线路除冰机器人能够在智能控制条件下具有高效除冰、自主在线行走及越障等功能。

其技术解决方案是：

一种基于气动式的输电线路除冰机器人，包括前臂单元、中间臂单元、后臂单元及重心调节平衡机构，前臂单元、中间臂单元及后臂单元依次与位于下方的重心调节平衡机构连接，前臂单元与后臂单元对称设置；上述前臂单元包括第一柔性折叠式机械臂机构、第一行走驱动机构、第一除冰机构、第一手掌开合机构及第一刹车制动机构，其中第一手掌开合机构及第一刹车制动机构设置在第一柔性折叠式机械臂机构上，第一行走驱动机构与第一除冰机构设置在第一手掌开合机构上；上述中间臂单元包括垂直式伸缩臂机构、中央行走驱动机构、中央手掌开合机构及中央刹车制动机构，其中中央手掌开合机构及中央刹车制动机构设置在垂直式伸缩臂机构上，中央行走驱动机构设置在中央手掌开合机构上；上述后臂单元包括第二柔性折叠式机械臂机构、第二行走驱动机构、第二除冰机构、第二手掌开合机构及第二刹车制动机构，其中第二手掌开合机构及第二刹车制动机构设置在第二柔性折叠式机械臂机构上，第二行走驱动机构与第二除冰机构设置在第二手掌开合机构上；上述基于气动式的输电线路除冰机器人还包括能使上述前臂单元、中间臂单元及后臂单元作出包括伸缩、行走、越障及除冰动作的以压缩空气作为动力源的气动控制回路。

上述第一除冰机构与第二除冰机构均采用由组合切削刀具组成的高速铣削除冰装置。

上述第一手掌开合机构、中央手掌开合机构与第二手掌开合机构的结构相同；就其中某一只手掌开合机构来说，由左手掌部、右手掌部及能使左右手掌部开合的双轴开合气缸组成，左、右手掌部能够在顶部相对张开或相对合拢，且相对合拢后两手掌部的主体之间形成中空，第一行走驱动机构与第一除冰机构或第二行走驱动机构与第二除冰机构设置在左手掌部或右手掌部的顶部。

上述第一刹车制动机构、中央刹车制动机构与第二刹车制动机构的结构相同；就其中某一刹车制动机构来说，其采取模仿人手握线方式，通过刹车气缸推动刹车块直接抱线制动。

上述第一柔性折叠式机械臂机构与第二柔性折叠式机械臂机构的结构相同；就其中某一柔性折叠式机械臂机构来说，包括垂直伸缩臂、水平伸缩臂、肘关节和肩关节。

上述重心调节平衡机构包括平衡机构和控制箱；平衡机构的运动采用三位阀控制，控制箱用来承载的部分包括控制系统与电源。

上述气动控制回路包括空气压缩泵、储气罐、调压过滤器、消声器、对应前臂单元的前臂控制阀块、对应中间臂单元的中臂控制阀块、对应后臂单元的后臂控制阀块及对应重心调节平衡机构的重心调整阀块；空气压缩泵连接储气罐，储气罐连接调压过滤器，调压过滤器以并联的方式通过进气管路连接前臂控制阀块、中间臂控制阀块、后臂控制阀块及重心调整阀块中的气缸的进气端上，消声器以并联的方式通过排气管路连接前臂控制阀块、中间臂控制阀块、后臂控制阀块及重心调整阀块中的气缸的排气端上。

上述前臂控制阀块包括前臂水平摆臂小气缸、前臂水平摆臂大气缸、前臂竖直摆臂气缸、前臂刹车气缸、前臂竖直伸缩气缸及前臂行走开合气缸；中臂控制阀块包括中臂刹车气缸、中臂竖直伸缩气缸及中臂行走开合气缸；上述后臂控制阀块包括后臂水平摆臂小气缸、后臂水平摆臂大气缸、后臂竖直摆臂气缸、后臂刹车气缸、后臂竖直伸缩气缸及后臂行走开合气缸；重心调整阀块包括重心调节气缸。

上述前臂控制阀块中，前臂水平摆臂小气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一中封式三位五通电磁阀，并通过中封式三位五通电磁阀连接进气管路与排气管路，前臂水平摆臂大气缸、前臂竖直摆臂气缸、前臂刹车气缸、前臂竖直伸缩气缸或前臂行走开合气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一二位五通电磁阀，并通过二位五通电磁阀连接进气管路与排气管路；上述中臂控制阀块中，中臂刹车气缸、中臂竖直伸缩气缸或中臂行走开合气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一二位五通电磁阀，并通过二位五通电磁阀连接进气管路与排气管路；上述后臂控制阀块中，后臂水平摆臂小气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一中封式三位五通电磁阀，并通过中封式三位五通电磁阀连接进气管路与排气管路，后臂水平摆臂大气缸、后臂竖直摆臂气缸、后臂刹车气缸、后臂竖直伸缩气缸或后臂行走开合气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一二位五通电磁阀，并通过二位五通电磁阀连接进气管路与排气管路；上述重心调整阀块中，重心调节气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一中封式三位五通电磁阀，并通过中封式三位五通电磁阀连接进气管路与排气管路。

本发明具有以下有益技术效果：

本发明采用以压缩空气作为动力源进行气动驱动，结构简单，动作迅速、可靠，节能无污染，能够有效减轻机器人的整体重量；柔性折叠式机械臂机构，在智能控制条件下，各组成臂和关节协调动作，采用仿人攀援策略调整姿态，实现高压线上各种障碍的跨越，结构紧凑，提高了机器人的作业空间；上述手掌开合机构，在常速行走的状态下能够直接跨越防震锤等障碍，提高了越障效率；采用刹车制动机构，有效防止机器人倾覆，使机器人在足够驱动力条件下具有一定的爬坡能力。综上，基于气动式的输电线路除冰机器人，在智能控制条件下完成除冰作业的同时，能够实现在线稳定行走和高效率自主越障，具有结构紧凑、重量轻、控制简单等优点。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种实施方式的整体结构原理示意图。

图2为图1方式中的后臂单元的右视结构原理示意图。

图3为图1方式中的前臂单元的右视结构原理示意图。

图4为图1的俯视结构原理示意图。

图5中的a～f示出了本发明的一种越障过程。

图6为本发明中的气动控制回路的原理示意图，主要示出了对应前臂单元与中间臂单元的前臂控制阀块与中臂控制阀块等部分。

图7为本发明中的气动控制回路的原理示意图，主要示出了对应后臂单元的后臂控制阀块部分。

具体实施方式

参看图1至图4、图6及图7，一种基于气动式的输电线路除冰机器人，包括前臂单元1、中间臂单元2、后臂单元3、重心调节平衡机构4及气动控制回路。重心调节平衡机构4位于前臂单元1、中间臂单元2与后臂单元3的下方，重心调节平衡机构包括平衡机构和控制箱，平衡机构的运动采用三位阀即下述重心调节气缸控制，控制箱用来承载的部分包括控制系统与电源，前臂单元1、中间臂单元2及后臂单元3依次与重心调节平衡机构连接，前臂单元1与后臂单元3对称设置。上述前臂单元1包括第一柔性折叠式机械臂机构、第一行走驱动机构、第一除冰机构、第一手掌开合机构及第一刹车制动机构，第一柔性折叠式机械臂机构包括垂直伸缩臂101、水平伸缩臂102、肘关节103和肩关节104，第一手掌开合机构105及第一刹车制动机构106设置在垂直伸缩臂101上，第一行走驱动机构108与第一除冰机构107设置在第一手掌开合机构105上；第一手掌开合机构105由左手掌部1051、右手掌部1052及能使左右手掌部开合的双轴开合气缸1053组成，左手掌部与右手掌部能够在顶部相对张开或相对合拢，且相对合拢后两手掌部的主体之间形成中空1054，便于在越障或转弯时抱线，第一行走驱动机构与第一除冰机构设置在左手掌部或右手掌部的顶部；第一除冰机构采用由组合切削刀具组成的高速铣削除冰装置；第一刹车制动机构采取模仿人手握线方式，通过刹车气缸推动刹车块直接抱线制动。上述中间臂单元2包括垂直式伸缩臂机构、中央行走驱动机构、中央手掌开合机构及中央刹车制动机构，其中中央手掌开合机构201及中央刹车制动机构202设置在垂直式伸缩臂机构上，中央行走驱动机构203设置在中央手掌开合机构上；中央手掌开合机构201可采取与第一手掌开合机构105相同的结构方式，中央刹车制动机构202可采取与第一刹车制动机构106相同的结构方式。上述后臂单元3包括第二柔性折叠式机械臂机构、第二行走驱动机构、第二除冰机构、第二手掌开合机构及第二刹车制动机构，第二柔性折叠式机械臂机构包括垂直伸缩臂301、水平伸缩臂302、肘关节303和肩关节304，第二手掌开合机构305及第二刹车制动机构306设置在垂直伸缩臂301上，第二行走驱动机构308与第二除冰机构307设置在第二手掌开合机构305上；第二手掌开合机构305由左手掌部3051、右手掌部3052及能使左右手掌部开合的双轴开合气缸3053组成，左手掌部与右手掌部能够在顶部相对张开或相对合拢，且相对合拢后两手掌部的主体之间形成中空3054，第二行走驱动机构与第二除冰机构设置在左手掌部或右手掌部的顶部；第二除冰机构采用由组合切削刀具组成的高速铣削除冰装置。

上述气动控制回路以压缩空气作为动力源，以气动驱动的方式使上述前臂单元1与后臂单元3作出伸缩、行走、越障及除冰等动作，使上述中间臂单元2作出伸缩、行走、越障等动作。上述气动控制回路包括空气压缩泵9、储气罐10、调压过滤器11、消声器12、对应前臂单元的前臂控制阀块5、对应中间臂单元的中臂控制阀块6、对应后臂单元的后臂控制阀块7及对应重心调节平衡机构的重心调整阀块8；空气压缩泵9连接储气罐10，储气罐10连接调压过滤器11，调压过滤器11以并联的方式连接前臂控制阀块5、中间臂控制阀块6、后臂控制阀块7及重心调整阀块8中的气缸的进气路上，消声器12以并联的方式连接前臂控制阀块5、中间臂控制阀块6、后臂控制阀块7及重心调整阀块中8的气缸的排气路上。上述前臂控制阀块5包括前臂水平摆臂小气缸501、前臂水平摆臂大气缸502、前臂竖直摆臂气缸503、前臂刹车气缸504、前臂竖直伸缩气缸505及前臂行走开合气缸506；中臂控制阀块6包括中臂刹车气缸601、中臂竖直伸缩气缸602及中臂行走开合气缸603；上述后臂控制阀块7包括后臂水平摆臂小气缸701、后臂水平摆臂大气缸702、后臂竖直摆臂气缸703、后臂刹车气缸704、后臂竖直伸缩气缸705及后臂行走开合气缸706；重心调整阀块8包括重心调节气缸801。上述前臂控制阀块中，前臂水平摆臂小气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一中封式三位五通电磁阀，并通过中封式三位五通电磁阀连接进气管路与排气管路，前臂水平摆臂大气缸、前臂竖直摆臂气缸、前臂刹车气缸、前臂竖直伸缩气缸或前臂行走开合气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一二位五通电磁阀，并通过二位五通电磁阀连接进气管路与排气管路；上述中臂控制阀块中，中臂刹车气缸、中臂竖直伸缩气缸或中臂行走开合气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一二位五通电磁阀，并通过二位五通电磁阀连接进气管路与排气管路；上述后臂控制阀块中，后臂水平摆臂小气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一中封式三位五通电磁阀，并通过中封式三位五通电磁阀连接进气管路与排气管路，后臂水平摆臂大气缸、后臂竖直摆臂气缸、后臂刹车气缸、后臂竖直伸缩气缸或后臂行走开合气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一二位五通电磁阀，并通过二位五通电磁阀连接进气管路与排气管路；上述重心调整阀块中，重心调节气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一中封式三位五通电磁阀，并通过中封式三位五通电磁阀连接进气管路与排气管路。

上述基于气动式的输电线路除冰机器人，在智能控制条件下能够具有高效的除冰技术，有效切除高压输电线路上的覆冰；自主在线行走，并具有一定的爬坡能力；能跨越防震锤、悬垂线夹等障碍；能够实现转弯跳线跨越。同时结合仿生机械的设计原理，该机器人各关节具有较高的自由度，伸缩范围较大，并且各机构动作准确可靠，从而实现机器人的稳定行走和越障。

机器人的越障是通过模仿人体遇到线路障碍时，从线路下方越障的动作序列实现。具体动作规划如下：

1.跨越防震锤

在正常条件下，机器人以常规姿态在线行走，前臂单元、中间臂单元及后臂单元均挂线，在各自驱动气缸的驱动下进行除冰作业并稳定行走。遇到防震锤时，机器人不需要做任何调整，可直接跨越防震锤。

2.跨越线夹或绝缘子串

结合图5，机器人遇到悬垂线夹或绝缘子串时，首先，前臂单元中的伸缩臂上升，第一手掌开合机构打开，第一柔性折叠式机械臂机构使第一行走机构和第一除冰机构脱线(如图5a)，同时重心平衡调节机构后移至中间臂单元与后臂单元的下方，然后机器人在中间臂单元和后臂单元的驱动下继续行走，直到中间臂单元遇到障碍，此时调节前臂单元中的第一柔性机械臂机构及其肩关节，使高压线处在第一手掌开合机构的两手掌部中间(如图5b)，第一手掌开合机构闭合，调节第一柔性折叠式机械臂机构，实现前臂单元抱线，然后调节重心平衡调节机构至初始状态(如图5c)。以同样的方式打开中间臂单元的中央手掌开合机构，机器人在前臂单元和后臂单元的驱动下，行走至后臂单元遇到障碍后，调节中间臂单元的垂直伸缩臂机构，实现中间臂单元的抱线(如图5d)。后臂单元的越障方式与前臂单元相同(如图5e)。最后，机器人整体完成越障(如图5f)。

3.转弯跳线

机器人转弯跳线时，越障方式与跨越悬垂线夹时一样。

需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所作出的任何等同替代方式，或明显变型方式均在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于气动式的输电线路除冰机器人，包括前臂单元、中间臂单元、后臂单元及重心调节平衡机构，前臂单元、中间臂单元及后臂单元依次与位于下方的重心调节平衡机构连接，前臂单元与后臂单元对称设置；其特征在于：所述前臂单元包括第一柔性折叠式机械臂机构、第一行走驱动机构、第一除冰机构、第一手掌开合机构及第一刹车制动机构，其中第一手掌开合机构及第一刹车制动机构设置在第一柔性折叠式机械臂机构上，第一行走驱动机构与第一除冰机构设置在第一手掌开合机构上；所述中间臂单元包括垂直式伸缩臂机构、中央行走驱动机构、中央手掌开合机构及中央刹车制动机构，其中中央手掌开合机构及中央刹车制动机构设置在垂直式伸缩臂机构上，中央行走驱动机构设置在中央手掌开合机构上；所述后臂单元包括第二柔性折叠式机械臂机构、第二行走驱动机构、第二除冰机构、第二手掌开合机构及第二刹车制动机构，其中第二手掌开合机构及第二刹车制动机构设置在第二柔性折叠式机械臂机构上，第二行走驱动机构与第二除冰机构设置在第二手掌开合机构上；所述基于气动式的输电线路除冰机器人还包括能使上述前臂单元、中间臂单元及后臂单元作出包括伸缩、行走、越障及除冰动作的以压缩空气作为动力源的气动控制回路。

2.根据权利要求1所述的基于气动式的输电线路除冰机器人，其特征在于：所述第一除冰机构与第二除冰机构均采用由组合切削刀具组成的高速铣削除冰装置。

3.根据权利要求1所述的基于气动式的输电线路除冰机器人，其特征在于：所述第一手掌开合机构、中央手掌开合机构与第二手掌开合机构的结构相同；就其中某一只手掌开合机构来说，由左手掌部、右手掌部及能使左右手掌部开合的双轴开合气缸组成，左、右手掌部能够在顶部相对张开或相对合拢，且相对合拢后两手掌部的主体之间形成中空，第一行走驱动机构与第一除冰机构或第二行走驱动机构与第二除冰机构设置在左手掌部或右手掌部的顶部。

4.根据权利要求1所述的基于气动式的输电线路除冰机器人，其特征在于：所述第一刹车制动机构、中央刹车制动机构与第二刹车制动机构的结构相同；就其中某一刹车制动机构来说，其采取模仿人手握线方式，通过刹车气缸推动刹车块直接抱线制动。

5.根据权利要求1所述的基于气动式的输电线路除冰机器人，其特征在于：所述第一柔性折叠式机械臂机构与第二柔性折叠式机械臂机构的结构相同；就其中某一柔性折叠式机械臂机构来说，包括垂直伸缩臂、水平伸缩臂、肘关节和肩关节。

6.根据权利要求1所述的基于气动式的输电线路除冰机器人，其特征在于：所述重心调节平衡机构包括平衡机构和控制箱；平衡机构的运动采用三位阀控制，控制箱用来承载的部分包括控制系统与电源。

7.根据权利要求1所述的基于气动式的输电线路除冰机器人，其特征在于：所述气动控制回路包括空气压缩泵、储气罐、调压过滤器、消声器、对应前臂单元的前臂控制阀块、对应中间臂单元的中臂控制阀块、对应后臂单元的后臂控制阀块及对应重心调节平衡机构的重心调整阀块；空气压缩泵连接储气罐，储气罐连接调压过滤器，调压过滤器以并联的方式通过进气管路连接前臂控制阀块、中间臂控制阀块、后臂控制阀块及重心调整阀块中的气缸的进气端上，消声器以并联的方式通过排气管路连接前臂控制阀块、中间臂控制阀块、后臂控制阀块及重心调整阀块中的气缸的排气端上。

8.根据权利要求7所述的基于气动式的输电线路除冰机器人，其特征在于：所述前臂控制阀块包括前臂水平摆臂小气缸、前臂水平摆臂大气缸、前臂竖直摆臂气缸、前臂刹车气缸、前臂竖直伸缩气缸及前臂行走开合气缸；中臂控制阀块包括中臂刹车气缸、中臂竖直伸缩气缸及中臂行走开合气缸；上述后臂控制阀块包括后臂水平摆臂小气缸、后臂水平摆臂大气缸、后臂竖直摆臂气缸、后臂刹车气缸、后臂竖直伸缩气缸及后臂行走开合气缸；重心调整阀块包括重心调节气缸。

9.根据权利要求8所述的基于气动式的输电线路除冰机器人，其特征在于：所述前臂控制阀块中，前臂水平摆臂小气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一中封式三位五通电磁阀，并通过中封式三位五通电磁阀连接进气管路与排气管路，前臂水平摆臂大气缸、前臂竖直摆臂气缸、前臂刹车气缸、前臂竖直伸缩气缸或前臂行走开合气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一二位五通电磁阀，并通过二位五通电磁阀连接进气管路与排气管路；上述中臂控制阀块中，中臂刹车气缸、中臂竖直伸缩气缸或中臂行走开合气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一二位五通电磁阀，并通过二位五通电磁阀连接进气管路与排气管路；上述后臂控制阀块中，后臂水平摆臂小气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一中封式三位五通电磁阀，并通过中封式三位五通电磁阀连接进气管路与排气管路，后臂水平摆臂大气缸、后臂竖直摆臂气缸、后臂刹车气缸、后臂竖直伸缩气缸或后臂行走开合气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一二位五通电磁阀，并通过二位五通电磁阀连接进气管路与排气管路；上述重心调整阀块中，重心调节气缸的进气端与排气端各通过一单向节流阀连接一中封式三位五通电磁阀，并通过中封式三位五通电磁阀连接进气管路与排气管路。

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