CN106741942A - 一种用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人，包括四旋翼飞行器和连接在四旋翼飞行器上的两个仿生手臂；本发明的机器人可以进行飞行巡检，锁定可能存在的局部损伤目标后，才会转换为线上移动巡检，对于长距离的高压输电线而言，其即保存着飞行巡检，效率高的优势，又保存着线上巡检机器人准确性高的优势；具有两种运动模态，当环境恶劣不适合飞行巡检时，可以转化为线上移动巡检，以便应对突发的情况，而且线上移动机构采用了仿生机构，能快速实现的线上越障，运动灵活适合复杂的巡检情况。

Description

一种用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人

【技术领域】

本发明涉及高压电线巡线检测机器人领域，特别是一种用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人。

【背景技术】

高输电线路的缺陷主要有断股、松股、生锈、缺损、缺失、移位、雷击、污秽、磨损、腐蚀等，尤其是输电线路上金具的氧化腐蚀、接头松动以及绝缘子老化、开裂和击穿等缺陷及故障严重威胁输电系统的安全运行，为此对高压输电线路实施有效及时的巡检具有重要的工程意义。

长期以来，对高压输电线路巡检主要依靠人工观测作业方式，然而由于高压输电线路分布点广、地理条件复杂和冬季山区积雪等环境因素，使得人工巡检劳动强度大、工作效率低、检测精度低和可靠性差，因此高压线路巡检机器人关键技术的研究及其系统开发研制成为电网发展的迫切需要。

现有的非人工高压线巡检方法有无人机巡检和机器人线上巡检，飞行巡检巡检速度快，但为保持飞机与线塔的安全距离，无法进行近距离检查，巡检的准确性较差，恶劣天气条件下无法巡检；机器人巡检以高压输电线路的相线或地线为作业路径，携带检测设备，对输电线路走廊进行侦查。可以近距离接近输电线路，巡检精度高，可以对线路上设备进行常规检测，还能对输电线路进行缺陷维修，但其移动速度慢，工作效率低。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人，利用机器人即可实现飞行及高压线上移动的功能，为实现高压输电线路巡检打下基础，解决人工检修线路，工作强度大，效率地下的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人，包括四旋翼飞行器和连接在四旋翼飞行器上的两个仿生手臂；四旋翼飞行器包括连接在一起的四旋翼顶部、四旋翼中部和四旋翼起落架，四个四旋翼机臂通过转轴等夹角分别连接在四旋翼顶部，控制机臂转轴转动的电机及传动机构放置在四旋翼中部内，四旋翼螺旋桨通过转轴安装在四旋翼机臂的端部，其内部安装有电机；

两个仿生手臂分别通过转轴连接在四旋翼中部的两侧，四旋翼中部内设有控制仿生手臂动作的电机和传动机构，用于抓握高压输电线的抓线手爪与爪部旋转块连接，爪部旋转块通过转轴铰链连接在仿生手臂端部，仿生手臂上安装有与爪部旋转块转轴连接的手部转角电机；

电源及控制部分的硬件均在设置在四旋翼中部内；

移动时，处于前进方向后方的仿生手臂上的抓线手爪松开，仿生手臂和机器人进行摆荡，当抓线手爪摆荡至高压线附近时抓住高压线，四旋翼飞行器同时翻滚180度，抓线手爪抓稳后就完成半个运动周期，不断重复此过程，实现仿生两运动模态机器人的高压线上的移动。

进一步，所述抓线手爪包括手掌、固定爪、移动爪，蜗轮轴通过滚动轴承安装在手掌上，蜗轮轴上安装有的蜗轮，固定爪和爪部电机固定在手掌上，蜗杆轴通过轴承安装在固定爪上且与爪部电机连接，移动爪通过蜗轮轴上的螺纹实现沿蜗轮轴轴向移动。

进一步，两个仿生手臂分别通过转轴连接在四旋翼中部的两侧，四旋翼中部内通过减速器固定座安装有蜗轮蜗杆减速器，手臂电机通过蜗轮蜗杆减速器与转轴连接。

进一步，两个仿生手臂对称安装在四旋翼中部的两侧。

进一步，四旋翼螺旋桨安装有无刷电机。

进一步，两个仿生手臂与四旋翼中部连接的转轴上设置有仿生手臂轴向定环，仿生手臂轴向定环包括左右两个部分，通过定位螺钉固定在转轴上，实现仿生手臂在轴向移动时定位。

本发明用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人，包括四旋翼飞行器和连接在四旋翼飞行器上的两个仿生手臂；首先进行飞行巡检，锁定可能存在的局部损伤目标后，才会转换为线上移动巡检，对于长距离的高压输电线而言，其即保存着飞行巡检，效率高的优势，又保存着线上巡检机器人准确性高的优势。

本发明提供的巡检机器人具有两种运动模态，当环境恶劣不适合飞行巡检时，可以转化为线上移动巡检，以便应对突发的情况，而且线上移动机构采用了仿生机构，能快速实现的线上越障，运动灵活适合复杂的巡检情况。

【附图说明】

图1是机器人处于线上移动状态时的整体结构立体示意图；

图2是图1中具有自锁性能的夹持机构；

图3是本发明机器人处于飞行状态时的整体结构立体示意图；

图4是仿生手臂与四旋翼中部连接结构示意图；

图5是四旋翼飞行器飞行状态示意图；

图5(a)是垂直运动示意图；

图5(b)是俯仰运动示意图；

图5(c)是滚转运动示意图；

图5(d)是偏航运动示意图；

图中：1高压输电线，2抓线手爪，3手部转角电机，4仿生手臂，5四旋翼顶部，6四旋翼中部，7四旋翼起落架，8四旋翼螺旋桨，9四旋翼机臂，10爪部旋转块，11蜗轮蜗杆减速器，12仿生手臂轴向定环，13手臂电机，14减速器固定座，2-1固定爪，2-2爪部电机，2-3手掌，2-4蜗轮轴，2-5蜗杆轴，2-6移动爪。

【具体实施方式】

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下结合附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明的机器人包括：可实现抓握高压输电线1的抓线手爪2，与抓线手爪2通过螺栓连接的爪部旋转块10，通过转轴与爪部旋转块10铰链连接仿生手臂4，通过联轴器与转轴连接的手部转角电机3，仿生手臂4通过转轴连接在四旋翼中部6，四旋翼中部6内有控制仿生手臂4的电机和与其相关传动机构。四旋翼顶部5与四旋翼中部6通过螺栓固定，四旋翼机臂9通过转轴连接在四旋翼顶部5，控制其的电机及传动机构放置在四旋翼中部6，四旋翼起落架7焊接在四旋翼中部6，四旋翼螺旋桨8通过转轴安装在四旋翼机臂9的端部，其内部有无刷电机，这个机构的电源及控制部分的硬件均在四旋翼中部6。

如图2所示，所述抓线手爪2包括手掌2-3，通过滚动轴承安装在手掌上的蜗轮轴2-4，蜗轮轴上有通过过度配合安装的蜗轮、通过螺栓固定在手掌上的固定爪2-1，固定爪2-1上有通过螺栓固定的爪部电机2-2，还有通过联轴器与电机相连且通过轴承安装在固定爪2-1上的蜗杆轴2-5、还有通过蜗轮轴2-4上的螺纹实现沿蜗轮轴轴向移动的移动爪2-6，其与手掌2-1是可实现相对滑动的间隙配合。

两个仿生手臂4与四旋翼中部6连接的转轴上设置有仿生手臂轴向定环12，仿生手臂轴向定环12包括左右两个部分，通过定位螺钉固定在转轴上，实现仿生手臂在轴向移动时定位。

上述机器人的工作原理如下：

1、仿生两运动模态机器人的飞行：

仿生两运动模态机器人是一种具有两对相互垂直分布的四旋翼螺旋桨8所组成的飞行器，它通过四个四旋翼螺旋桨8不同的转速借以改变其升力，最终实现飞行器在上下、前后、左右的六个方向上飞行的效果。如图3所示在处于飞行状态时仿生手臂4处于收起状态。

基本的运动状态分别为：

(1)垂直运动：垂直运动即四旋翼飞行器在上下两个方向上进行运动，在进行垂直运动的时候，需要保持四个旋翼一致的转速。当四个旋翼同时增大相同转速的时候，整体飞行器的升力将相应的增加，当增加的升力与机身的装备质量相抵消时，则可以使飞行器垂直上升。相应的，当四个旋翼同时减小相同转速的时候，整体飞行器的升力将相应的减小，当升力小于机身装备质量的时候，则可以使飞行器垂直下降，示意图如图5(a)。

(2)俯仰运动：当1号电机T1的转速增加，3号电机T3转速减小，而2号电机T2和4号电机T4转速保持不变的情况下1号电机T1与3号电机T3的转速改变量绝对值相同，由于1号旋翼的升力变大，3号旋翼的升力变小，产生的不平衡力矩将使得机身围绕着1号电机T1以及3号电机T3所在轴进行旋转。类似的，当3号电机T3的转速增加，1号电机T1的转速减小的时候，机身将围绕着轴进行反方向的旋转示意图，如图5(b)。

(3)滚转运动：滚转运动与俯仰运动相类似，当改变2号电机T2，4号电机T4的转速，而保持1号电机T1和3号电机T3的转速相同，产生的不平衡力矩将使得四旋翼飞行器围绕着2号电机T2以及4号电机T4所在轴进行旋转，如图5(c)。

(4)偏航运动：当四旋翼飞行器相对的两个电机转速相同，相邻的两个电机转速不同的时候会造成不平衡的反扭矩，当1号电机T1和3号电机T3的转速增加，2号电机T2和4号电机T4的转速减小的时候，1号旋翼和3号旋翼所产生的反扭矩将大于2号电机T2和4号电机T4产生的反扭矩，这样会造成机身围绕垂直轴向进行转动，如图5(d)。

2、仿生两运动模态机器人的高压线上的移动：

仿生两运动模态机器人在高压线上的移动是通过模仿长臂猿在线上通过摆荡的形式来实现移动的。

如图4所示，在移动时，处于前进方向后方的仿生手臂4上的抓线手爪2松开，爪部电机2-2正转启动，通过联轴器带动蜗杆轴2-5旋转，蜗杆轴通过配合带动蜗轮旋转，蜗轮通过过盈配合带动蜗轮轴2-4旋转，移动爪2-6通过与蜗轮轴2-4上的螺旋机构实现沿蜗轮轴2-4轴向的移动，固定爪2-1与移动爪2-6之间的距离增大抓线手爪2松开，松开后将整个机构视为一个3杆机构，在前进方向后方抓线手爪松开高压线后，前进方向后方的手臂电机通过蜗轮蜗杆减速器带动通过轴承安装在四旋翼中部的转轴旋转，转轴通过过盈配合带动整个四旋翼主体部分及前进方向前方的仿生手臂4，实现绕转轴的旋转。手臂电机13通过蜗轮蜗杆减速器11带动通过轴承安装在四旋翼中部6的转轴旋转，转轴通过过盈配合带动左端仿生手臂4绕转轴的旋转。当前进方向后方的仿生手臂4上的抓线手爪摆动到前进方向前方的仿生手臂4端预定的位置时抓线手爪闭合，完成半个周期，不断重复此过程，实现仿生两运动模态机器人的高压线上的移动。

仿生手臂4向前摆动主要由有以下2种控制实现，仿生手臂4与旋转块10之间的转角由与铰接二者的转轴相连的爪部电机2-2控制，抓线手爪2的姿态控制，仿生手臂4与四旋翼中部6之间的转角由与铰接二者的转轴相连的电机控制仿生手臂的姿态控制，当松开的抓线手爪2到达预定的抓线位置时，抓线手爪2闭合，闭合原理与松开原理相似，唯一不同的是爪部电机2-2反转启动完成抓线。

仿生两运动模态机器人的高压输电线1上的移动前，通过控制四旋翼机臂9与四旋翼中部6之间的与铰接二者的转轴相连的电机的正转及传动机构实现四旋翼机臂9的收起，当高压输电线1上的移动结束，进行飞行模式的转换时，电机反转实现四旋翼机臂9的张开。

仿生两运动模态机器人在高压线上的移动是通过模仿长臂猿在线上通过摆荡的形式来实现移动的。将整体结构可简化为3个杆件，2个仿生手臂为两端的杆件。与飞行有关的部件简化为中间的杆件。在移动时，处于前进方向后方的仿生手臂上的抓线手爪松开，仿生手臂和飞行模块进行摆荡，当抓线手爪摆荡至高压线附近时，完成抓线。抓线手爪抓稳后就完成了半个运动周期，不断重复此过程，实现仿生两运动模态机器人的高压线上的移动。

手爪松开：爪部电机正转启动，通过联轴器带动蜗杆轴旋转，蜗杆轴通过配合带动蜗轮旋转，蜗轮通过过盈配合带动蜗轮轴旋转，移动爪通过与蜗轮轴上的螺旋机构实现沿蜗轮轴轴向的移动，固定爪与移动爪之间的距离增大抓线手爪松开，闭合原理与松开原理相似，唯一不同的是爪部电机反转启动。

两运动模态之间的转换。

(1)进行线上移动模式到飞行模式的转换

机器人在高压线上移动结束后。仿生手臂处于抓线状态，四旋翼螺旋桨处于收起状态，进行运动模态转换时，四旋翼机臂在其控制电机的带动下，逐渐升起之水平状态，四个四旋翼螺旋桨在其各自的电机的带动下旋转，带飞行器能够承受自身重量的前提下，仿生手臂收起至竖直状态。通过四个四旋翼螺旋桨不同的转速借以改变其升力，最终实现飞行器在上下、前后、左右的六个方向上飞行的效果。

(2)进行飞行模式到线上移动模式的转换

仿生两运动模态机器人的高压线上的移动前，通过飞行模式运动到高压线的正下方，保持飞行状态。仿生手臂张开，抓线手爪抓稳高压线后，四个四旋翼螺旋桨停止旋转，翼中部之间的与铰接二者的转轴相连的电机的正转及传动机构实现四旋翼机臂的收起，进行高压线上的移动。

以上所述是本发明的优选实施方式，通过上述说明内容，本技术领域的相关工作人员可以在不偏离本发明技术原理的前提下，进行多样的改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人，其特征在于：包括四旋翼飞行器和连接在四旋翼飞行器上的两个仿生手臂(4)；

四旋翼飞行器包括连接在一起的四旋翼顶部(5)、四旋翼中部(6)和四旋翼起落架(7)，四个四旋翼机臂(9)通过转轴等夹角分别连接在四旋翼顶部(5)，控制机臂转轴转动的电机及传动机构放置在四旋翼中部(6)内，四旋翼螺旋桨(8)通过转轴安装在四旋翼机臂(9)的端部，其内部安装有电机；

两个仿生手臂(4)分别通过转轴连接在四旋翼中部(6)的两侧，四旋翼中部(6)内设有控制仿生手臂(4)动作的电机和传动机构，用于抓握高压输电线(1)的抓线手爪(2)与爪部旋转块(10)连接，爪部旋转块(10)通过转轴铰链连接在仿生手臂(4)端部，仿生手臂(4)上安装有与爪部旋转块(10)转轴连接的手部转角电机(3)；

电源及控制部分的硬件均在设置在四旋翼中部(6)内；

移动时，处于前进方向后方的仿生手臂(4)上的抓线手爪(2)松开，仿生手臂(4)和机器人进行摆荡，当抓线手爪(2)摆荡至高压线附近时抓住高压线，四旋翼飞行器同时翻滚180度，抓线手爪(2)抓稳后就完成半个运动周期，不断重复此过程，实现仿生两运动模态机器人的高压线上的移动。

2.如权利要求1所述的用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人，其特征在于：所述抓线手爪(2)包括手掌(2-3)、固定爪(2-1)、移动爪(2-6)，蜗轮轴(2-4)通过滚动轴承安装在手掌(2-3)上，蜗轮轴(2-4)上安装有的蜗轮，固定爪(2-1)和爪部电机(2-2)固定在手掌(2-3)上，蜗杆轴(2-5)通过轴承安装在固定爪(2-1)上且与爪部电机(2-2)连接，移动爪(2-6)通过蜗轮轴(2-4)上的螺纹实现沿蜗轮轴轴向移动。

3.如权利要求1所述的用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人，其特征在于：两个仿生手臂(4)分别通过转轴连接在四旋翼中部(6)的两侧，四旋翼中部(6)内通过减速器固定座(14)安装有蜗轮蜗杆减速器(11)，手臂电机(13)通过蜗轮蜗杆减速器(11)与转轴连接。

4.如权利要求1-3任一项所述的用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人，其特征在于：两个仿生手臂(4)对称安装在四旋翼中部(6)的两侧。

5.如权利要求1-3任一项所述的用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人，其特征在于：四旋翼螺旋桨(8)安装有无刷电机。

6.如权利要求1-3任一项所述的用于高压输电线路巡检的仿生两运动模态机器人，其特征在于：两个仿生手臂(4)与四旋翼中部(6)连接的转轴上设置有仿生手臂轴向定环(12)，仿生手臂轴向定环(12)包括左右两个部分，通过定位螺钉固定在转轴上，实现仿生手臂在轴向移动时定位。