CN106786170A - 输电线路巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路巡检机器人，包括机器人本体、控制装置以及检测装置，检测装置的信号输出端连接控制装置的输入端，控制装置的输出端连接机器人本体各受控部件的受控端；所述机器人本体包括固定支架，固定支架上并列设置有三套运动检测单元，每套运动检测单元分别包括越障机械手臂、带动越障机械手臂上下运动的上下运动机构和带动上下运动机构以及越障机械手臂做水平旋转运动的旋转机构；所述旋转机构固定设置在固定支架上，上下运动机构设置在旋转机构上，越障机械手臂固定设置在上下运动机构的顶端。本发明不仅能够实现输电线路的日常巡检，而且还能够实现越障巡检，提高输电线路巡检的精度和准确度，为输电线路的安全运行提供保障。

Description

输电线路巡检机器人

技术领域

本发明涉及电力系统中输电线路的巡检技术领域，特别是一种能够沿输电线路行走并完成巡检的装置。

背景技术

输电线路设备由于长期露置在野外环境，受到各种气象条件（如大风、覆冰雪、气温变化、雷击等）的侵袭、化学气体的腐蚀以及外力的破坏，时间长了不仅会产生断股、磨损、腐蚀等线路损伤，而且绝缘子闪烙、杆塔塔材丢失以及金具脱落等故障的几率也较高，如不及时检修更换，原本微小的损伤就有可能扩大，最终导致输电中断甚至发生输电事故。因此，高压输电线路巡检对保证输电线路安全稳定运行具有十分重要的意义。

目前，对输电线路巡检主要有以下三种方式：1）人工目测法：人工巡检目前仍是国内最主要的巡检方法，人工目测法即，巡线工人采用目测或通过望远镜、测距仪及红外热像等设备在地面沿线路逐塔巡检。该方法虽然具有较强的灵活性和适应能力等优点，但其劳动强度大、危险系数高、工作效率和巡检精度低的缺点更加突出。2）航测法：航测发分为直升机巡检和无人机巡检。直升机巡检方式存在巡检成本高、受天气影响大的缺点，并且对巡检人员和飞行员的技术要求都较高；无人机巡检虽小巧无人驾驶，可以自主GPS 导航，但载荷有限，续航时间短。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种用于输电线路巡检的机器人，不仅能够实现输电线路的日常巡检，而且还能够实现越障巡检，提高输电线路巡检的精度和准确度，从而为输电线路的安全运行提供保障。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

输电线路巡检机器人，包括机器人本体、控制装置以及设置在机器人本体上的检测装置，检测装置的信号输出端连接控制装置的输入端，控制装置的输出端连接机器人本体各受控部件的受控端；

所述机器人本体包括平行设置的两根一字型固定支架，固定支架上并列设置有三套运动检测单元，每套运动检测单元分别包括越障机械手臂、带动越障机械手臂上下运动的上下运动机构和带动上下运动机构以及越障机械手臂做水平旋转运动的旋转机构；所述旋转机构固定设置在固定支架上，上下运动机构设置在旋转机构上，越障机械手臂固定设置在上下运动机构的顶端。

上述输电线路巡检机器人，所述越障机械手臂包括竖直安装在上下运动机构顶端的机械手臂机架，机械手臂机架上设置有用于控制机器人行走的驱动行走装置、用于控制机器人停止的刹车制动装置以及用于实现越过障碍物的手掌开合装置，所述驱动行走装置设置在机械手臂机架顶端，手掌开合装置设置在机械手臂机架底端，刹车制动装置设置在驱动行走装置与手掌开合装置之间的机械手臂机架上。

上述输电线路巡检机器人，所述驱动行走装置包括直流驱动电机、锥齿轮传动机构以及相对设置的左驱动半和右驱动半轮，直流驱动电机经锥齿轮传动机构驱动同传动轴设置的左驱动半轮和右驱动半轮在输电线路上行走。

上述输电线路巡检机器人，所述刹车制动装置包括电磁自锁器、压紧轮以及顶紧弹簧，电磁自锁器设置在传动轴的末端，压紧轮位于左驱动半轮和右驱动半轮的下方，顶紧弹簧位于压紧轮下方的机械手臂机架上，压紧轮在顶紧弹簧的作用下将输电线路压紧在左驱动半轮和右驱动半轮之间。

上述输电线路巡检机器人，所述手掌开合装置包括能够开合以实现越过障碍物的平行四边形机构以及控制平行四边形机构开合的蜗轮蜗杆减速电机，蜗轮蜗杆减速电机和平行四边形机构之间通过齿轮机构连接；所述齿轮机构为固定设置在蜗轮蜗杆减速电机输出轴上的直齿轮。

上述输电线路巡检机器人，所述平行四边形机构包括两根齿轮连杆、两根连杆以及两个半开合手，其中两根齿轮连杆的齿轮端通过轴承安装在机械手臂机架上并相啮合，其中一个齿轮连杆的齿轮端与直齿轮啮合；两根连杆的一端分别通过销轴设置在位于齿轮连杆上方的机械手臂机架上，连杆的另一端与齿轮连杆的另一端分别铰接半开合手的上下两端；所述连杆与齿轮连杆平行设置。

上述输电线路巡检机器人，所述机械手臂机架顶端还设置有防坠落装置，防坠落装置包括贯穿式步进电机和减载销，贯穿式步进电机通过连扳设置在机械手臂机架上，减载销与贯穿式步进电机的输出轴固定连接。

上述输电线路巡检机器人，所述上下运动机构包括直流电机、丝杆以及设置在丝杆上的滑块，直流电机和丝杆之间通过齿轮传动机构连接；所述越障机械手臂固定安装在滑块上。

上述输电线路巡检机器人，所述旋转机构包括伺服电机、传动齿轮、内圈带齿的圆形导轨以及直角Z型连接板，传动齿轮连接在伺服电机的输出轴上，传动齿轮与圆形导轨的内圈齿啮合，所述直角Z型连接板的上水平面板与圆形导轨的顶端面固定连接，直角Z型连接板的下水平面板上固定安装上下运动机构的直流电机。

由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

本发明用于对高压输电线路进行日常巡检，可以近距离接近输电线路，具有巡检成本低、精度高以及安全可靠等优点，不仅能够实现输电线路的日常巡检，而且还能够实现越障巡检，提高输电线路巡检的精度和准确度，从而为输电线路的安全运行提供保障。

本发明采用三臂悬挂式结构，具有足够的检测仪器安装空间和越障机构与其他物体的安全间距，操作安全；巡检时，始终能保证至少两个机械手臂在架空输电线路上，爬坡与抗风能力强。其中，越障机械手臂上集装了驱动行走装置、防坠落装置、手掌开合装置和刹车制动装置，既满足越障行走、刹车制动功能性要求，又保证了设备的紧凑型，方便越障机械手臂升降和旋转运动；当发生故障或遇到恶劣天气时，防坠落装置能够保证机器人可靠自锁，以免从输电线路摔落。越障机械手臂与旋转机构之间设置的上下运动机构，仅通电时间与竖直方向移动距离成正比关系，控制极为方便，且机构功能上实现收缩与伸长的一体化，收缩时尺寸小节省空间，保证机器人的体积紧凑。旋转机构采用内圈带齿的圆形导轨，刚度大、定位准确，同时保证三个手臂的相对旋转运动，增加了设备的实用性和可靠性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明所述越障机械手臂的主视图；

图5为图4的侧视图；

图6为本发明所述越障机械手臂的立体图。

其中：1.越障机械手臂；11.驱动行走装置；111.直流驱动电机；112.锥齿轮传动机构；113.传动轴；114.右驱动半轮；115.左驱动半轮；12.刹车制动装置；121.电磁制动器；122.压紧轮；123.行程开关；124.弹簧装置；13.防坠落装置；131.贯穿式步进电机；132.减载销；14.手掌开和装置；141.蜗轮蜗杆减速电机142.直齿轮；143.齿轮连杆；144.连杆；145.半开合手；15.机械手臂机架；2.上下运动机构；21.直流电机；22.齿轮传动机构；23.丝杆；24.滑块；3.旋转机构；31.伺服电机；32.传动齿轮；33.圆形导轨；4.固定支架。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

一种输电线路巡检机器人，包括机器人本体、控制装置和检测装置，检测装置的信号输出端连接控制装置的输入端，控制装置的输出端连接机器人本体各受控部件的受控端；机器人本体和检测装置在控制装置的控制下完成输电线路的越障巡检工作。

机器人本体的结构如图1至图6所示。包括平行设置的两根一字型固定支架4，固定支架4上并列设置有三套运动检测单元，每套运动检测单元分别包括越障机械手臂1、上下运动机构2和旋转机构3，旋转机构3固定设置在固定支架4上，上下运动机构2设置在旋转机构3上，越障机械手臂1固定设置在上下运动机构2的顶端。

越障机械手臂1的结构如图4至6所示，包括竖直安装在上下运动机构2顶端的机械手臂机架15，机械手臂机架15上设置有驱动行走装置11、刹车制动装置12、防坠落装置13以及手掌开合装置14，驱动行走装置设置在机械手臂机架15顶端，手掌开合装置14设置在机械手臂机架15底端，刹车制动装置12设置在驱动行走装置11与手掌开合装置14之间的机械手臂机架15上。

驱动行走装置11用于控制机器人行走，包括直流驱动电机111、锥齿轮传动机构112以及相对设置的左驱动半轮115和右驱动半轮114，锥齿轮传动机构112包括两个垂直啮合的锥齿轮，其中一个锥齿轮与左驱动半轮115和右驱动半轮114均固定安装在传动轴上，另一个锥齿轮安装在直流驱动电机的输出轴上，直流驱动电机提供动力，通过锥齿轮传动机构完成90°方向传动，驱动左驱动半轮115和右驱动半轮114在输电线路上行走。

刹车制动装置12提供制动摩擦力，保证机器人能够及时、准确的制动停车。包括电磁自锁器121、压紧轮122以及顶紧弹簧124，电磁自锁器121设置在传动轴的末端，压紧轮122位于左驱动半轮115和右驱动半轮114的下方，顶紧弹簧124位于压紧轮下方的机械手臂机架15上，压紧轮122在顶紧弹簧124的作用下将输电线路压紧在左驱动半轮115和右驱动半轮114之间。由控制装置控制实现电磁自锁器与直流驱动电机同时得电与失电，直流驱动电机得电工作时电磁自锁器处于放松状态不产生制动摩擦力，一旦直流驱动电机断电停机电磁自锁器会立刻处于抱紧状态产生制动摩擦力，再加上弹簧装置的压紧力与直流驱动电机的自锁性配合，可以及时准确的实现刹车制动；其次，在手掌开合装置张开状态下，电磁自锁器与直流驱动电机自锁性能保证两驱动半轮不发生自行转动，两半轮对中性准确。本发明中的顶紧弹簧不仅能够在驱动行走装置工作状态时，与巡检机器人自身重力相配合为驱动半轮有提供足够的驱动摩擦力；而且还能够在驱动行走装置停机状态时，为驱动轮产生制动摩擦力。

手掌开合装置14用于实现在输电线路上越过障碍物。包括平行四边形机构、齿轮机构和蜗轮蜗杆减速电机141；齿轮机构连接蜗轮蜗杆减速电机141和平行四边形机构，实现动力传输；蜗轮蜗杆减速电机141通过齿轮机构控制平行四边形机构的开合。本实施例中，齿轮机构为固定设置在蜗轮蜗杆减速电机141输出轴上的直齿轮142。

平行四边形机构能够开合以实现越过障碍物。平行四边形机构的结构如图4和图6所示，包括两根齿轮连杆143、两根连杆141以及两个半开合手145，连杆与齿轮连杆143平行设置；其中两根齿轮连杆143的齿轮端通过轴承安装在机械手臂机架15上并相啮合，其中一个齿轮连杆143的齿轮端与直齿轮142啮合；两根连杆的一端分别通过销轴设置在位于齿轮连杆上方的机械手臂机架15上，连杆的另一端与齿轮连杆143的另一端分别铰接半开合手的上下两端。

防坠落装置13提供手掌开合装置闭合的准确性，防止巡检机器人沿输电线路巡检时脱落。包括贯穿式步进电机131和减载销132，贯穿式步进电机131通过连扳设置在机械手臂机架15上，减载销132与贯穿式步进电机的输出轴固定连接。当手掌开合机构打开前，通过贯穿式步进电机先带动减载销到预定位置，才能进行手掌的开合运动；当手掌开合机构合拢后，通过贯穿式步进电机将减载销插到预定位置，才能保证机器人不发生坠落事故。

上下运动机构2在控制装置的指令下带动越障机械手臂在竖直方向上做上下运动。包括直流电机21、丝杆23以及滑块24，滑块24设置在丝杆上，直流电机21和丝杆23之间通过齿轮传动机构连接；越障机械手臂1固定安装在滑块24上。直流电机提供动力与齿轮传动机构连接，带动丝杆做旋转运动，滑块在丝杆上做直线移动，整体特制成单一控制变量上下运动机构，伸长或者收缩的长度仅与通电时间有关系，速度为24mm/s，功能上实现了手速与伸长的有机统一。

旋转机构3带动上下运动机构以及越障机械手臂做水平旋转运动。旋转机构3包括伺服电机31、传动齿轮32、内圈带齿的圆形导轨33以及直角Z型连接板，传动齿轮32连接在伺服电机31的输出轴上，传动齿轮32与圆形导轨33的内圈齿啮合；直角Z型连接板的上水平面板与圆形导轨33的顶端面固定连接，直角Z型连接板的下水平面板上固定安装上下运动机构的直流电机21。伺服电机在控制装置的指令下通过传动齿轮带动圆形导轨旋转，实现越障机械手臂的转动。

每套运动检测单元均可以实现手掌开合运动、上下移动、沿竖直轴旋转运动，旋转机构可提供同一平面的旋转运动，所以巡检机器人在沿输电线路方向上仍保持刚性连接，这样当其中一个越障机械手臂的手掌开合装置打开后才能稳定定位，实现沿线巡检功能。当巡检机器人遇到障碍物需要越障时，三个越障机械手臂按要求依次越过障碍物，越障过程中始终保证至少有两个越障机械手臂在输电线路上，待三个越障机械手臂全部越过同一障碍物即为一个越障周期。

巡检机器人的检测装置主要包括多个行程开关123、距离传感器、压力传感器以及角度传感器，检测装置的各部件分别与控制装置的输入端连接。因为高压输电线路上的障碍物类型繁多，分布规律性多变，金具、防震锤等障碍物尺寸差异较大，需要距离传感器进行在线测量，为控制装置控制驱动行走装置动作提供准确的依据；行程开关为机器人防坠落装置的减载销提供位置定位，保证防坠落装置与手掌开合装置的准确配合；压力传感器检测顶紧弹簧的压力数值，保证上下运动机构在竖直方向的准确定位；巡检机器人需要转弯越障时，角度传感器用来检测旋转机构的旋转角度，进一步控制越障机械手臂转弯角度。

本发明能够实现沿输电线路进行越障巡检，进而逐步代替人工沿线路巡检。该巡检机器人不但能在输电线路上以一定的速度平稳运行，而且能够灵活稳定的跨越输电线路上的障碍物（包括防震锤、悬垂线夹、跳线线夹杆塔等），进而利用机载设备完成输电线路巡检；对比人工巡检方式，机器人巡检方式效率大大提高，降低了劳动成本，而且整个设备结构简单、易于操作、加工制造方便、制造成本低。

本发明用于在输电线路上进行越障时，其工作过程如下所述。

首先，通过绝缘斗臂车或人工爬到线塔上吊装的方式将巡检机器人安装到输电线路上；然后，地面控制装置发出开机控制命令，机器人本体在接收到运行命令后，驱动行走装置开始工作，驱动机器人沿输电线路行走；行走过程中，检测装置不断检测前方障碍物的情况。

当检测到1号障碍物时，机器人停止行走，进行调整，调整步骤如。为方便描述，本发明将三个越障机械手臂按照位于输电线路上的前后位置依次命名为前臂、中臂和后臂。

1）直流驱动电机断电，刹车制动装置同步启动，巡检机器人停车动作完成。

2）前臂上下运动机构得电1s后断电（稍微向上移动即可），防坠落装置的贯穿式步进电机立刻得电，当减载销完全脱离后自行断电，手掌开合装置驱动电机得电，使手掌开合装置两手掌张开，待其开合宽度大于障碍宽度时断电。

3）前臂上下运动机构得电，整体向下移动，内置行程开关会自行断电。

4）中臂与后臂直流驱动电机得电，机器人整体前行，前臂开始穿越障碍物，待距离传感器发出到位信号后（不同障碍物发出长度信号不同），中臂与后臂的直流驱动电机断电，同时接通前臂上下运动机构，前臂上移，到达规定位置断电。

5）判断旋转机构旋转方向与角度，以适应输电线路转弯的情形。

6）前臂手掌开合装置的蜗轮蜗杆减速电机得电，使两半开合手合拢，待其完全合拢后断电，同时防坠落装置的贯穿式步进电机得电，减载销完全穿入预定孔后自行断电，至此完成前臂的越障工作。

7）机器人三个驱动行走装置的直流驱动电机得电，行走过程中，检测装置不断检测前方障碍物的情况，发现1号障碍物后，中臂与后臂的越障过程与前臂相同。

8）当巡检机器人的三个越障机械手臂完全越过1号障碍物时，表明一个完整的越障周期结束，机器人三个驱动行走装置的直流驱动电机得电，继续进行巡检工作。

当遇到2号，3号…障碍物时，机器人越障过程与1号障碍物越障过程相同。

Claims (9)

1.输电线路巡检机器人，其特征在于：包括机器人本体、控制装置以及设置在机器人本体上的检测装置，检测装置的信号输出端连接控制装置的输入端，控制装置的输出端连接机器人本体各受控部件的受控端；

所述机器人本体包括平行设置的两根一字型固定支架（4），固定支架（4）上并列设置有三套运动检测单元，每套运动检测单元分别包括越障机械手臂（1）、带动越障机械手臂上下运动的上下运动机构（2）和带动上下运动机构以及越障机械手臂做水平旋转运动的旋转机构（3）；所述旋转机构（3）固定设置在固定支架（4）上，上下运动机构（2）设置在旋转机构（3）上，越障机械手臂（1）固定设置在上下运动机构（2）的顶端。

2.根据权利要求1所述的输电线路巡检机器人，其特征在于：所述越障机械手臂（1）包括竖直安装在上下运动机构（2）顶端的机械手臂机架（15），机械手臂机架（15）上设置有用于控制机器人行走的驱动行走装置（11）、用于控制机器人停止的刹车制动装置（12）以及用于实现越过障碍物的手掌开合装置（14），所述驱动行走装置设置在机械手臂机架（15）顶端，手掌开合装置（14）设置在机械手臂机架（15）底端，刹车制动装置（12）设置在驱动行走装置（11）与手掌开合装置（14）之间的机械手臂机架（15）上。

3.根据权利要求2所述的输电线路巡检机器人，其特征在于：所述驱动行走装置（11）包括直流驱动电机（111）、锥齿轮传动机构（112）以及相对设置的左驱动半轮（115）和右驱动半轮（114），直流驱动电机经锥齿轮传动机构驱动同传动轴设置的左驱动半轮和右驱动半轮在输电线路上行走。

4.根据权利要求3所述的输电线路巡检机器人，其特征在于：所述刹车制动装置（12）包括电磁自锁器（121）、压紧轮（122）以及顶紧弹簧（124），电磁自锁器（121）设置在传动轴的末端，压紧轮（122）位于左驱动半轮（115）和右驱动半轮（114）的下方，顶紧弹簧（124）位于压紧轮下方的机械手臂机架（15）上，压紧轮（122）在顶紧弹簧（124）的作用下将输电线路压紧在左驱动半轮（115）和右驱动半轮（114）之间。

5.根据权利要求2所述的输电线路巡检机器人，其特征在于：所述手掌开合装置（14）包括能够开合以实现越过障碍物的平行四边形机构以及控制平行四边形机构开合的蜗轮蜗杆减速电机（141），蜗轮蜗杆减速电机（141）和平行四边形机构之间通过齿轮机构连接；所述齿轮机构为固定设置在蜗轮蜗杆减速电机（141）输出轴上的直齿轮（142）。

6.根据权利要求5所述的输电线路巡检机器人，其特征在于：所述平行四边形机构包括两根齿轮连杆（143）、两根连杆（141）以及两个半开合手（145），其中两根齿轮连杆（143）的齿轮端通过轴承安装在机械手臂机架（15）上并相啮合，其中一个齿轮连杆（143）的齿轮端与直齿轮（142）啮合；两根连杆的一端分别通过销轴设置在位于齿轮连杆上方的机械手臂机架（15）上，连杆的另一端与齿轮连杆（143）的另一端分别铰接半开合手的上下两端；所述连杆与齿轮连杆（143）平行设置。

7.根据权利要求2至6任一项所述的输电线路巡检机器人，其特征在于：所述机械手臂机架（15）顶端还设置有防坠落装置（13），防坠落装置（13）包括贯穿式步进电机（131）和减载销（132），贯穿式步进电机（131）通过连扳设置在机械手臂机架（15）上，减载销（132）与贯穿式步进电机的输出轴固定连接。

8.根据权利要求1所述的输电线路巡检机器人，其特征在于：所述上下运动机构（2）包括直流电机（21）、丝杆（23）以及设置在丝杆上的滑块（24），直流电机（21）和丝杆（23）之间通过齿轮传动机构连接；所述越障机械手臂（1）固定安装在滑块（24）上。

9.根据权利要求8所述的输电线路巡检机器人，其特征在于：所述旋转机构（3）包括伺服电机（31）、传动齿轮（32）、内圈带齿的圆形导轨（33）以及直角Z型连接板，传动齿轮（32）连接在伺服电机（31）的输出轴上，传动齿轮（32）与圆形导轨（33）的内圈齿啮合，所述直角Z型连接板的上水平面板与圆形导轨（33）的顶端面固定连接，直角Z型连接板的下水平面板上固定安装上下运动机构的直流电机（21）。