CN102570349A - 一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，包括由至少两个机器人单元组件首尾连接组成，所述机器人单元组件包括舵盘连接器（1）以及设置在舵盘连接器（1）一端的并能驱动舵盘连接器（1）做±60°偏转运动的偏转驱动器（2）；所述舵盘连接器（1）另一端设有能驱动舵盘连接器（1）做±60°俯仰运动的俯仰驱动器（3）以及驱动舵盘连接器（1）前进的行走驱动器（4）。因此，本发明具有如下优点：1.体积小，重量轻，造价低廉；2.对输电线路环境的适应能力好，可以对大多数的导线金具具有较强的适应能力；3.扩展性强，可以通过级联的方式在机器人中添加特殊功能的检测传感器，满足智能电网的日异月新的需求。

Description

一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，尤其是涉及一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人。 

背景技术

架空高压输电线路是电力能源输送的大动脉，其特点是架空悬挂结构、高电压、大电流，以及它所经历的特殊地理环境如跨越大江大河、穿越崇山峻岭和原始森林。电缆、金具及杆塔长期暴露在野外，受持续机械张力、风力舞动、电气闪络以及材料老化因素的影响，导致高压线缆出现断股、磨损、腐蚀、脱落，给电力供应造成安全隐患。为保障输电线路的安全正常运行，需要定期和不定期地对线路进行检测和维护作业。目前，这类在危险、恶劣环境下的特殊作业均是由人工来完成的。随着送电质量与作业安全的考核指标越来越高，以及现代电力的快速发展，这种人工作业的方式与现代电力输送要求间的矛盾愈发凸显。而机器人技术的发展与各种先进机器人的应用，尤其是输电线路巡线机器人技术的突破及其应用，为解决这一矛盾创造了必要的技术前提。 

架空高压线路自动巡检机器人可以在没有人工干预的情况下实现自动巡检，劳动强度相对较低，巡检效率高，巡检费用也相对较低，受到电力行业和政府的高度重视，近几年国外研究机构对高压巡检机器人的研究也非常活跃，中国、日本、美国、加拿大、泰国等国的一些研究机构先后开展了巡线机器人的研究。近十年来，国内外有一些研究机构从事高压线路机器人的研究，国外比较突出的研究机构有加拿大魁北克水电研究院研院、日本Kyushu公司、日本chubu电气公司、日本政法大学、美国North Carolina大学、韩国电气研究院等，sawada等人研究了能够在地线上巡检移动机器 人，它可以通过自身携带导轨实现越障，但适应性较差。日本sato公司生产输电线路探伤巡线小车，可以实现地面遥控行走，但不能实现越障，加拿大魁北克水电研究院的Serge Montam bault等人研制的HQ LineROver遥控小车，可以实现电力线缆除冰、巡检、维护等功能，但无越障能力，只能在两线塔间工作。斯洛文尼亚Ljubljana大学的Jaka Katrasnik提出一种既能攀爬又能飞行的机器人，可以通过在线感应取能的方式，保证飞行的续航能力，这种机器人具有直升机巡线效率高的特点，同时又不需要配套的地勤支持，但控制难度比较大，造价昂贵。Nicolas Pouliot提出一种基于LineScout技术的巡线机器人，它具有两个并列臂，一个臂用于在线缆上滚动另一个臂用于爬行，Paulo Debenset设计出一种能在四分裂导线上攀爬的巡线机器人。 

国内在国家863计划的大力支持下发展也很迅速，中国科学院沈阳自动化研究所、中科院自动化所、武汉大学、山东大学、山东科技大学、天津大学，上海大学等科研院所分别在沿不同电压等级的单分裂或多分裂火线、地线巡检的机器人做了许多重要研究，部分样机可以实现自动跨越防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、跳线等各种典型障碍。1998年武汉水利电力大学吴功平教授研制出高压线路巡线小车，采用单体三驱动轮结构能够实现越过防震锤、悬垂绝缘子等障碍^[4]，在国家863计划和公牛电器公司的支持下研制出220KV单分裂相线巡线机器人，该机器人采用双臂交错攀爬的运动模式，能够实现自动越过防震锤、悬垂线夹、耐张线夹和跳线等障碍物[28]。中国科学院沈阳自动化研究所王洪光等采用单目摄像头定位和视觉伺服的方法，实现巡线机器人的自主越障^[6]，运动学上采用的是双臂攀爬的方式实现。山东科技大学、山东大学、天津大学针对110KV输电线路特点，设计出110KV输电线路自动巡线机器人，采用的是3手臂结构模式，可以跨越诸如防震锤、耐张线夹、悬垂线夹、跳线等各种典型障碍。 

在巡线机器人攀爬过障实现方式上国内已经形成两种主流结构模式，一种是以武汉大学、中科院沈阳自动化所、中科院自动化所等为代表的双臂交错攀爬结构，另一种是以天津大学、山东科技大学、山东大学为代表的三臂攀爬结构。他们的实现方式各有千秋，都能够满足巡线过障要求。国外在巡线机器人实现方式多样，有采用分体蛇技术，有采用LineScout技术，有采用爬行飞行融合技术。 

目前，巡线机器人的研究技术方案大多是基于双臂或三臂的攀爬模式。这两种模式只能针对有限种类的障碍物进行越障，而高压线路上金具种类繁多，并且不断更新，单一的机械结构难以满足电力输送线路金具日新月异的变化。巡线机器人大多基于刚体少自由度多轴协调控制实现攀爬的，采用这种方式具有负载能力强的优点，可以加载各种便携式设备，但也存在携带不方便，操作复杂，成本较高等不足，同时除了爬行飞行融合技术对电缆类型和障碍物金具形式要求不高外，其它实现方式都只针对某一类型的电缆如单分裂，多分裂和某些类型的金具障碍物。这是刚性少自由度机器人不可避免存在的问题。而实际电缆及金具种类繁多，而且不断涌现新型电缆和金具，用户更希望使用一种适应程度更高的机器人。 

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的携带不方便，操作复杂，成本较高的技术问题；提供了一种体积小，重量轻，造价低廉的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人。 

本发明还有一目的是解决现有技术所存在的现有机器人只针对某一类型的电缆如单分裂，多分裂和某些类型的金具障碍物，适应程度低的技术问题；提供了一种对输电线路环境的适应能力好，可以对大多数的导线金具具有较强的适应能力一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人。 

本发明再有一目的是解决现有技术所存在的扩展性低的技术问题；提 供了一种扩展性强，可以通过级联的方式在机器人中添加特殊功能的检测传感器，满足智能电网的日异月新的需求的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人。 

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的： 

一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，其特征在于，包括由至少两个机器人单元组件首尾连接组成，所述机器人单元组件包括舵盘连接器以及设置在舵盘连接器一端的并能驱动舵盘连接器做偏转运动的偏转驱动器；所述舵盘连接器另一端设有能驱动舵盘连接器做俯仰运动的俯仰驱动器以及驱动舵盘连接器前进的行走驱动器。 

在上述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，所述舵盘连接器包括一个由第一偏转连接片、第二偏转连接片以及连接中间件构成的一端开口C型连接器；所述的C型连接器另一端上下平行固定有第一俯仰连接片以及第二俯仰连接片。 

在上述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，所述偏转驱动器包括分别一个偏转舵机、以及分别设置在第一偏转连接片和第二偏转连接片上的偏转主舵盘和偏转副舵盘；所述偏转舵机两端分别与偏转主舵盘和偏转副舵盘配接并能做旋转运动。 

在上述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，所述俯仰驱动器包括分别一个俯仰舵机、以及分别设置在第一俯仰连接片和第二俯仰连接片上的俯仰主舵盘和俯仰副舵盘；所述俯仰舵机两端分别与俯仰主舵盘和俯仰副舵盘配接并能做旋转运动。 

在上述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，所述的行走驱动器包括通过一法兰盘固定在第一俯仰连接片上的行走轮电机以及与所述行走轮电机配接的行走轮。 

在上述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，所述的舵机连接 器包括一个舵机连接块以及至少四个设置在舵机连接块一端面四角用于连接舵机的第一连接件、第二连接件、第三连接件以及第四连接件；所述舵机连接块另一端面四角设有至少四个用于连接舵机的第五连接件、第六连接件、第七连接件以及第八连接件；所述第一连接件、第二连接件、第三连接件、第四连接件、第五连接件、第六连接件、第七连接件以及第八连接件上均设有用于和舵机配接的螺栓孔，所述舵机连接块上还设有用于固定舵机的至少一个椭圆形固定孔。 

在上述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，所述第一连接件、第二连接件、第三连接件以及第四连接件分别与第五连接件、第六连接件、第七连接件以及第八连接件对应设置；且第一连接件所在平面、第二连接件所在平面、第三连接件所在平面以及第四连接件所在平面分别与第五连接件所在平面、第六连接件所在平面、第七连接件所在平面以及第八连接件所在平面夹角为90°。 

在上述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，所述机器人单元组件为若干个，首尾相配接。 

因此，本发明具有如下优点：1.体积小，重量轻，造价低廉；2.对输电线路环境的适应能力好，可以对大多数的导线金具具有较强的适应能力；3.扩展性强，可以通过级联的方式在机器人中添加特殊功能的检测传感器，满足智能电网的日异月新的需求。 

附图说明

图1是本发明的机器人单元组件的主视结构示意图。 

图2是图1的俯视结构示意图。 

图3是本发明的在直线段行走模式图。 

图4是本发明的跨越悬垂线夹的越障模式图。 

图5是本发明的立体结构示意图。 

图6是本发明中舵机连接器的一种主视结构示意图。 

图7是本发明中舵机连接器的一种立体结构示意图。 

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。图中，舵盘连接器1、第一偏转连接片101、第二偏转连接片102、连接中间件103、第一俯仰连接片104、第二俯仰连接片105、偏转驱动器2、偏转舵机201、偏转主舵盘202、偏转副舵盘203、俯仰驱动器3、俯仰舵机301、俯仰主舵盘302、俯仰副舵盘303、行走驱动器4、法兰盘401、行走轮电机402、行走轮403、绝缘子5、悬垂线夹6、输电线路7、机器人本体8、舵机连接器9、舵机连接块901、第一连接件902、第二连接件903、第三连接件904、第四连接件905、第五连接件906、第六连接件907、第七连接件908、第八连接件909、螺栓孔910、固定孔911。 

实施例： 

参见图1和图2，一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，包括由若干机器人单元组件首尾连接组成，所述机器人单元组件包括舵盘连接器1以及设置在舵盘连接器1一端的并能驱动舵盘连接器1做±60°偏转运动的偏转驱动器2；所述舵盘连接器1另一端设有能驱动舵盘连接器1做±60°俯仰运动的俯仰驱动器3以及驱动舵盘连接器1前进的行走驱动器4。 

舵盘连接器1包括一个由第一偏转连接片101、第二偏转连接片102以及连接中间件103构成的一端开口C型连接器；所述的C型连接器另一端上下平行固定有第一俯仰连接片104以及第二俯仰连接片105。 

偏转驱动器2包括分别一个偏转舵机201、以及分别设置在第一偏转连接片101和第二偏转连接片102上的偏转主舵盘202和偏转副舵盘203；所述偏转舵机201两端分别与偏转主舵盘202和偏转副舵盘203配接并能做旋转运动；俯仰驱动器3包括分别一个俯仰舵机301、以及分别设置在第一俯仰连接片104和第二俯仰连接片105上的俯仰主舵盘302和俯仰副舵盘303；所述俯仰舵机301两端分别与俯仰主舵盘302和俯仰副舵盘303配接 并能做旋转运动。 

行走驱动器4包括通过一法兰盘401固定在第一俯仰连接片104上的行走轮电机402以及与所述行走轮电机402配接的行走轮403。 

舵机连接器9包括一个舵机连接块901以及四个设置在舵机连接块901一端面四角用于连接舵机的第一连接件902、第二连接件903、第三连接件904以及第四连接件905；舵机连接块901另一端面四角设有四个用于连接舵机的第五连接件906、第六连接件907、第七连接件908以及第八连接件909；第一连接件902、第二连接件903、第三连接件904、第四连接件905、第五连接件906、第六连接件907、第七连接件908以及第八连接件909上均设有用于和舵机配接的螺栓孔910，所述舵机连接块901上还设有用于固定舵机的两个椭圆形固定孔911，第一连接件902、第二连接件903、第三连接件904以及第四连接件905分别与第五连接件906、第六连接件907、第七连接件908以及第八连接件909对应设置；且第一连接件902所在平面、第二连接件903所在平面、第三连接件904所在平面以及第四连接件905所在平面分别与第五连接件906所在平面、第六连接件907所在平面、第七连接件908所在平面以及第八连接件909所在平面夹角为90°。这样的连接器构造既可以让前后的连接舵机错开90°安装。 

工作时，参见图3，为蛇形机器人在直线段行走姿态。，机器人采用“Z”形压紧行走轮模式运行，每个单元模块上的行走轮与高压输电线路保持接触状态。俯仰舵机产生的偏转力矩使得行走轮与高压导线之间产生正压力，机器人呈交互夹持导线状态。行走轮电机带动行走轮旋转，产生滚动摩擦力，驱动机器人机体前进。 

当机器人遇到导线金具如悬垂线夹、防振锤、间隔棒等阻碍机器人直线行走时，机器人将调整自身姿态越过障碍物，以悬垂线夹为例加以说明，参见图4。图中包括有绝缘子5，悬垂线夹6，输电线路7，机器人本体8。 具体步骤如下： 

1，机器人首端俯仰电机调整俯仰角度，使得机器人首端部分单元上行走轮脱离导线； 

2，继续调整机器人位置姿态，使机器人首端整体侧向偏离导线； 

3，机器人尾端夹持导线部分继续行走，机器人整体靠近悬垂线夹； 

4，将机器人脱离导线的逐步靠近悬垂线夹的另一端，首端3单元呈预夹持导线状态； 

5，首端夹持悬垂线夹另一端导线，尾端夹持单元逐渐松脱导线； 

6，调整机器人位置姿态，使尾端脱离导线； 

7，首端行走轮继续行走，使整个机器人进入悬垂线夹另一端； 

8，调整机器人姿态至直线端压紧行走模式，越障过程结束； 

本机器人越障和行走过程受单片机控制，借助机器人上自带的传感器实现机器人的自动越障和前进。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 

尽管本文较多地使用了舵盘连接器1、第一偏转连接片101、第二偏转连接片102、连接中间件103、第一俯仰连接片104、第二俯仰连接片105、偏转驱动器2、偏转舵机201、偏转主舵盘202、偏转副舵盘203、俯仰驱动器3、俯仰舵机301、俯仰主舵盘302、俯仰副舵盘303、行走驱动器4、法兰盘401、行走轮电机402、行走轮403、绝缘子5、悬垂线夹6、输电线路7、机器人本体8、舵机连接器9、舵机连接块901、第一连接件902、第二连接件903、第三连接件904、第四连接件905、第五连接件906、第六连接件907、第七连接件908、第八连接件909、螺栓孔910、固定孔911 等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。 

Claims (8)

1.一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，其特征在于，包括由至少两个机器人单元组件通过舵机连接器（9）首尾连接组成，所述机器人单元组件包括舵盘连接器（1）以及设置在舵盘连接器（1）一端的并能驱动舵盘连接器（1）做偏转运动的偏转驱动器（2）；所述舵盘连接器（1）另一端设有能驱动舵盘连接器（1）做俯仰运动的俯仰驱动器（3）以及驱动舵盘连接器（1）前进的行走驱动器（4）。

2.根据权利要求1所述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，其特征在于，所述舵盘连接器（1）包括一个由第一偏转连接片（101）、第二偏转连接片（102）以及连接中间件（103）构成的一端开口C型连接器；所述的C型连接器另一端上下平行固定有第一俯仰连接片（104）以及第二俯仰连接片（105）。

3.根据权利要求1所述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，其特征在于，所述偏转驱动器（2）包括分别一个偏转舵机（201）、以及分别设置在第一偏转连接片（101）和第二偏转连接片（102）上的偏转主舵盘（202）和偏转副舵盘（203）；所述偏转舵机（201）两端分别与偏转主舵盘（202）和偏转副舵盘（203）配接并能做旋转运动。

4.根据权利要求2所述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，其特征在于，所述俯仰驱动器（3）包括分别一个俯仰舵机（301）、以及分别设置在第一俯仰连接片（104）和第二俯仰连接片（105）上的俯仰主舵盘（302）和俯仰副舵盘（303）；所述俯仰舵机（301）两端分别与俯仰主舵盘（302）和俯仰副舵盘（303）配接并能做旋转运动。

5.根据权利要求2所述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，其特征在于，所述的行走驱动器（4）包括通过一法兰盘（401）固定在第一俯仰连接片（104）上的行走轮电机（402）以及与所述行走轮电机（402）配接的行走轮（403）。

6.根据权利要求1所述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，其特征在于，所述的舵机连接器（9）包括一个舵机连接块（901）以及至少四个设置在舵机连接块（901）一端面四角用于连接舵机的第一连接件（902）、第二连接件（903）、第三连接件（904）以及第四连接件（905）；所述舵机连接块（901）另一端面四角设有至少四个用于连接舵机的第五连接件（906）、第六连接件（907）、第七连接件（908）以及第八连接件（909）；所述第一连接件（902）、第二连接件（903）、第三连接件（904）、第四连接件（905）、第五连接件（906）、第六连接件（907）、第七连接件（908）以及第八连接件（909）上均设有用于和舵机配接的螺栓孔（910），所述舵机连接块（901）上还设有用于固定舵机的至少一个椭圆形固定孔（911）。

7.根据权利要求6所述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，其特征在于，所述第一连接件（902）、第二连接件（903）、第三连接件（904）以及第四连接件（905）分别与第五连接件（906）、第六连接件（907）、第七连接件（908）以及第八连接件（909）对应设置；且第一连接件（902）所在平面、第二连接件（903）所在平面、第三连接件（904）所在平面以及第四连接件（905）所在平面分别与第五连接件（906）所在平面、第六连接件（907）所在平面、第七连接件（908）所在平面以及第八连接件（909）所在平面夹角为90°。

8.根据权利要求1所述的一种用于架空输电线缆的攀爬蛇形机器人，其特征在于，所述机器人单元组件为若干个，首尾相配接。

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