CN107069534A - 一种飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，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，还包括用于抓握高压线的两功能手爪，两功能手爪包括腕部、手掌、两功能固定爪、两功能移动爪和蜗轮蜗杆机构，高压输电线路巡检机器人通过模仿长臂猿在线上通过摆荡的形式来实现移动，通过滑动电机带动两功能移动爪旋转，两功能移动爪带动两功能固定爪旋转，实现机器人整体结构在高压线的滑行，通过四旋翼螺旋桨实现机器人的飞行，本发明能实现三模态巡检，可以近距离接近输电线路，移动速度高，巡检精度高，工作效率高。

Description

一种飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人

【技术领域】

本发明涉及高压电线巡线检测机器人领域，特别是一种飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人。

【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，人为检修，高空攀爬，带电作业，危险性高强度大，而且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；地面目测法巡检人员在地面携带检测设备进行巡检，劳动强度大，距离线塔远，探测精度低，跨江河和高山等线塔就无法巡检；航测法(直升机\无人机巡检)航测法巡检速度快，但为保持飞机与线塔的安全距离，无法进行近距离检查；恶劣天气条件下无法巡检；直升机巡检需飞行员，程序繁琐，成本高；无人机巡检，可自主GPS导航，载荷有限，续航时间短；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。因此多功能、多模态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。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，既可以实现飞行巡检又能实现线上移动巡检，滑行移动巡检的功能，进而实现高压输电线路巡检。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，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，控制四旋翼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；

用于抓握高压线的两功能手爪连接在仿生手臂前端，两功能手爪包括腕部、手掌、两功能固定爪、两功能移动爪和蜗轮蜗杆机构；腕部与手掌固定连接，腕部通过旋转轴与仿生手臂连接，腕部的旋转轴安装有腕部电机；固定爪支撑板固定在手掌上，用于驱动蜗轮蜗杆机构运动的爪部电机固定在固定爪支撑板上，两功能固定爪通过固定爪轴承安装在固定爪支撑板上；两功能移动爪通过移动爪轴承安装在移动爪支撑板上，移动爪支撑板固定在移动爪底板上，移动爪底板与手掌平行设置通过蜗轮蜗杆机构驱动沿手掌滑动；两功能移动爪与两功能固定爪相对的面上安装有销轴，两功能固定爪上开设有与销轴位置对应的开孔；移动爪支撑板上安装有滑动电机，滑动电机与两功能移动爪的轴端连接。

进一步，所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮轴和蜗杆轴，蜗轮轴通过滚动轴承安装在手掌上，蜗轮轴安装有蜗轮，蜗杆轴通过轴承安装在固定爪支撑板上，蜗杆轴与爪部电机连接并与蜗轮啮合，移动爪底板与蜗轮轴通过螺纹连接，通过蜗轮轴驱动移动爪底板移动。

进一步，所述两功能固定爪与两功能移动爪相对的面上位置对应分别开设有半圆柱沟槽，两功能移动爪上的销轴对称分布在半圆柱沟槽两侧。

进一步，所述销轴包括圆柱销和削边销，二者对称两分布在功能移动爪半圆柱沟槽的两侧。

进一步，所述两功能固定爪和两功能移动爪为圆盘形，两圆盘相对面的边缘开设有周向的凹槽。

进一步，固定爪轴承通过固定爪轴承固定座安装在固定爪支撑板上，固定爪轴承固定座安装有实现固定爪轴承轴向定位的锁紧螺母。

进一步，所述四旋翼螺旋桨采用无刷电机。

本发明的飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，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，还包括用于抓握高压线的两功能手爪，两功能手爪包括腕部、手掌、两功能固定爪、两功能移动爪和蜗轮蜗杆机构，高压输电线路巡检机器人通过模仿长臂猿在线上通过摆荡的形式来实现移动，通过滑动电机带动两功能移动爪旋转，两功能移动爪带动两功能固定爪旋转，实现机器人整体结构在高压线的滑行，通过四旋翼螺旋桨实现机器人的飞行，本发明能实现三模态巡检，可以近距离接近输电线路，移动速度高，巡检精度高，工作效率高。

进一步，本发明具有三种运动模态，飞行模态巡检速度快，爬行模态具有仿生性能，运动灵活，可实现自主越障；滑动模态轮式移动方式为滚动摩擦，阻力小，节省能源，运行平稳，巡检精确度高。

进一步，两功能手爪的结构设计，该手爪所占空间较小，但能构实现抓取和滑行两种功能。在两功能固定爪和两功能移动爪上有用于抓取的沟槽，滑行时两功能移动爪旋转90°，防止沟槽对滑动的平稳性产生影响。而且两功能均具有自锁功能，机构的稳定性很强。

进一步，圆柱销及定位销的设计即保证了能够实现两功能移动爪和两功能固定爪的精准定位，又不会导致装置的过定位。

【附图说明】

图1是本发明飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检机器人处于飞行状态时的整体结构立体示意图；

图2是飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检机器人处于线上移动状态时的整体结构立体示意图；

图3是飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检机器人处于线上滑动状态时的整体结构立体示意图；

图4是图2中两功能手爪；

图5是图4的剖视图；

图6飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检机器人的四旋翼飞行器飞行的原理图；

图6(a)垂直运动原理图；图6(b)俯仰运动原理图；图6(c)滚转运动原理图；图6(d)偏航运动原理图；

图中：1两功能手爪，2仿生手臂，3四旋翼机臂，4四旋翼螺旋桨，5四旋翼起落架，6四旋翼中部，7四旋翼顶部，8高压线，1-1两功能固定爪，1-2固定爪轴承固定座，1-3固定爪支撑板，1-4蜗杆轴，1-5蜗轮，1-6爪部电机，1-7手掌，1-8蜗轮轴，1-9腕部，1-10腕部电机，1-11移动爪底板，1-12移动爪支撑板，1-13圆柱销，1-14滑动电机，1-15联轴器，1-16轴承透盖，1-17两功能移动爪，1-18削边销，1-19固定爪轴承，1-20锁紧螺母，1-21移动爪轴承，1-22移动爪轴承固定座。

【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和图2所示，本发明飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检机器人包括：四旋翼飞行器和连接在四旋翼飞行器上的两个仿生手臂2；四旋翼飞行器包括连接在一起的四旋翼顶部7、四旋翼中部6和四旋翼起落架5，四个四旋翼机臂3通过转轴等夹角分别连接在四旋翼顶部7，控制四旋翼机臂3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4通过转轴安装在四旋翼机臂3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在四旋翼中部6；两个仿生手臂2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2动作的电机和传动机构；

用于抓握高压线8的两功能手爪1连接在仿生手臂2前端，所述两功能手爪1如图4和图5所示，包括手掌1-7、通过滚动轴承安装在手掌上的蜗轮轴1-8，蜗轮轴上有通过过度配合安装的蜗轮1-5、焊接在手掌上的固定爪支撑板1-3，固定爪支撑板1-3上有通过螺栓固定的爪部电机1-6，还有通过联轴器与电机相连，通过轴承安装在固定爪支撑板1-3上的蜗杆轴1-4，与固定爪支撑板1-3焊接的固定爪轴承固定座1-2，通过固定爪轴承1-19安装在固定爪轴承固定座1-2上的两功能固定爪1-1，实现固定爪轴承1-19轴向定位的锁紧螺母1-20，可通过圆柱销1-13、削边销1-18与两功能固定爪1-1实现同步转动的两功能移动爪1-17，滑动电机1-14通过联轴器1-15与两功能移动爪1-17的轴端连接，两功能移动爪1-17通过移动爪轴承1-21安装在移动爪轴承固定座1-22上，移动爪轴承固定座1-22焊接在移动爪支撑板1-12上，移动爪支撑板1-12焊接在移动爪底板1-11上，移动爪底板1-11与蜗轮轴1-8通过螺纹连接，与手掌1-7是平面间的间隙配合可实现相对滑动，腕部1-9与手掌1-7通过螺栓连接，在腕部1-9的旋转轴心处安装有腕部电机1-10。

两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17相对的面上位置对应分别开设有半圆柱沟槽，圆柱销1-13和削边销1-18对称两分布在功能移动爪1-17半圆柱沟槽的两侧，两功能固定爪1-1和两功能移动爪1-17为圆盘形，两圆盘相对面的边缘开设有周向的凹槽。

上述样机的工作原理如下：

1、飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检机器人的飞行方式：

飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检机器人是一种具有两对相互垂直分布的四旋翼螺旋桨4所组成的飞行器，它通过四个四旋翼螺旋桨4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1所示在处于飞行状态时仿生手臂2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，如图6(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，如图6(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，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6(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6(d)。

2、飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检机器人的高压线上的移动：

飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检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。

在移动时，两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17上的半圆柱沟槽处于平行状态。处于前进方向后方的仿生手臂2上的两功能手爪1松开。松开原理：爪部电机1-6正转启动，通过联轴器带动蜗杆轴1-4旋转，蜗杆轴1-4通过配合带动蜗轮1-5旋转，蜗轮1-5通过过盈配合带动蜗轮轴1-8旋转，两功能移动爪1-17通过与蜗轮轴1-8上的螺旋机构实现沿蜗轮轴1-8轴向的移动，两功能固定爪1-1与两功能移动爪2-6之间的距离增大两功能手爪1松开，松开后将整个机构视为一个3杆机构，处于前进方向后方的仿生手臂2向前摆动，其摆动主要由有以下2种控制实现，仿生手臂2与腕部1-9之间的转角由与铰接二者的转轴相连的腕部电机1-10控制两功能手爪1的姿态，仿生手臂2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，当松开的两功能手爪1到达预定的抓线位置时，两功能手爪1闭合，闭合原理与松开原理相似，唯一不同的是爪部电机1-6反转启动完成抓线。两功能手爪抓稳后就完成了半个运动周期，不断重复此过程，实现仿生飞爬滑三模态运行机器人的高压线上的移动。

3、飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检机器人的高压线上的滑动：

如图3所示，两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17上的半圆柱沟槽呈90°。滑动电机1-14通过联轴器1-15带动移动两功能移动爪1-17旋转，两功能移动爪1-17通过焊接在其上的圆柱销1-13、削边销1-18与两功能固定爪1-1上的圆柱孔的配合带动两功能固定爪1-1旋转，实现整体结构在高压线的滑行。

4、飞爬滑三模态运行的高压输电线巡检机器人各运动模态之间的转换方式：

(1)飞行模式到线上移动模式的转换

仿生飞爬滑三模态运行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。两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17上的半圆柱沟槽平行，仿生手臂2张开，两功能手爪1抓稳高压线后，四个四旋翼螺旋桨4停止旋转，通过与铰接四旋翼中部6与四旋翼机臂3的转轴相连的电机正转及传动机构实现的收起，进行高压线上的移动。

(2)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2处于抓线状态，四旋翼螺旋桨4处于收起状态，进行运动模态转换时，四旋翼机臂3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4在其各自的电机的带动下旋转，飞行器能够承受自身重量的前提下，两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17之间的距离增大两功能手爪松开，仿生手臂2收起至竖直状态。通过四个四旋翼螺旋桨4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。

(3)飞行模式到线上滑动模式的转换

仿生飞爬滑三模态运行机器人保持飞行状态。仿生手臂2抬起，两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17上的半圆柱沟槽呈90°，两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17圆弧下沿高于高压线后，两者之间的距离减小至完全闭合，四个四旋翼螺旋桨4停止旋转，通过与铰接四旋翼中部6与四旋翼机臂3的转轴相连的电机正转及传动机构实现的收起，通过滑动电机进行高压线上的滑动。

(4)线上滑动模式到飞行模式的转换

此时四旋翼螺旋桨4处于收起状态，进行运动模态转换时，四旋翼机臂3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4在其各自的电机的带动下旋转，飞行器能够承受自身重量的前提下，两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17之间的距离增大两功能手爪松开，仿生手臂2收起至竖直状态。通过四个四旋翼螺旋桨4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。

(5)线上移动模式到线上滑动模式的转换

机器人在高压线上移动结束后，仿生手臂2处于抓线状态，两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17上的半圆柱沟槽平行。松开一个两功能固定爪1-1，通过四旋翼中部6与四旋翼机臂3之间的电机控制机器人的平衡，并使松开的两功能固定爪1-1上移，同时两功能移动爪1-17在滑动电机1-14的带动下旋转90°，当两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17圆弧下沿高于高压线后，两者之间的距离减小至完全闭合；第一个两功能固定爪1-1完成模式转换后，进行另一个两功能固定爪1-1模式转换，过程与第一个相同。

(6)线上滑动模式到线上移动模式的转换

机器人在高压线上滑动结束后，两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17上的半圆柱沟槽呈90°。松开一个两功能固定爪1-1，同时两功能移动爪1-17在滑动电机1-14的带动下旋转90°，通过四旋翼中部6与四旋翼机臂3之间的电机控制机器人的平衡，并使松开的两功能固定爪1-1下移，当两功能固定爪1-1与两功能移动爪1-17沟槽围成的柱形腔轴线与高压线平行时，两者之间的距离减小至完全闭合；第一个两功能固定爪1-1完成模式转换后，进行另一个两功能固定爪1-1模式转换，过程与第一个相同。

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 (7)

1.一种飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，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(2)；

四旋翼飞行器包括连接在一起的四旋翼顶部(7)、四旋翼中部(6)和四旋翼起落架(5)，四个四旋翼机臂(3)通过转轴等夹角分别连接在四旋翼顶部(7)，控制四旋翼机臂(3)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(4)通过转轴安装在四旋翼机臂(3)的端部，其内部安装有电机；

两个仿生手臂(2)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(2)动作的电机和传动机构；

用于抓握高压线(8)的两功能手爪(1)连接在仿生手臂(2)前端，两功能手爪(1)包括腕部(1-9)、手掌(1-7)、两功能固定爪(1-1)、两功能移动爪(1-17)和蜗轮蜗杆机构；腕部(1-9)与手掌(1-7)固定连接，腕部(1-9)通过旋转轴与仿生手臂(2)连接，腕部(1-9)的旋转轴安装有腕部电机(1-10)；固定爪支撑板(1-3)固定在手掌(1-7)上，用于驱动蜗轮蜗杆机构运动的爪部电机(1-6)固定在固定爪支撑板(1-3)上，两功能固定爪(1-1)通过固定爪轴承(1-19)安装在固定爪支撑板(1-3)上；两功能移动爪(1-17)通过移动爪轴承(1-21)安装在移动爪支撑板(1-12)上，移动爪支撑板(1-12)固定在移动爪底板(1-11)上，移动爪底板(1-11)与手掌(1-7)平行设置通过蜗轮蜗杆机构驱动沿手掌滑动；两功能移动爪(1-17)与两功能固定爪(1-1)相对的面上安装有销轴，两功能固定爪(1-1)上开设有与销轴位置对应的开孔；移动爪支撑板(1-12)上安装有滑动电机(1-14)，滑动电机(1-14)与两功能移动爪(1-17)的轴端连接。

2.如权利要求1所述的飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，其特征在于：所述蜗轮蜗杆机构包括蜗轮轴(1-8)和蜗杆轴(1-4)，蜗轮轴(1-8)通过滚动轴承安装在手掌(1-7)上，蜗轮轴(1-8)安装有蜗轮(1-5)，蜗杆轴(1-4)通过轴承安装在固定爪支撑板(1-3)上，蜗杆轴(1-4)与爪部电机(1-6)连接并与蜗轮(1-5)啮合，移动爪底板(1-11)与蜗轮轴(1-8)通过螺纹连接，通过蜗轮轴(1-8)驱动移动爪底板(1-11)移动。

3.如权利要求1或2所述的飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，其特征在于：所述两功能固定爪(1-1)与两功能移动爪(1-17)相对的面上位置对应分别开设有半圆柱沟槽，两功能移动爪(1-17)上的销轴对称分布在半圆柱沟槽两侧。

4.如权利要求3所述的飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，其特征在于：所述销轴包括圆柱销(1-13)和削边销(1-18)，二者对称两分布在功能移动爪(1-17)半圆柱沟槽的两侧。

5.如权利要求3所述的飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，其特征在于：所述两功能固定爪(1-1)和两功能移动爪(1-17)为圆盘形，两圆盘相对面的边缘开设有周向的凹槽。

6.如权利要求3所述的飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，其特征在于：固定爪轴承(1-19)通过固定爪轴承固定座(1-2)安装在固定爪支撑板(1-3)上，固定爪轴承固定座(1-2)安装有实现固定爪轴承(1-19)轴向定位的锁紧螺母(1-20)。

7.如权利要求3所述的飞爬滑三模态运行的高压输电线路巡检机器人，其特征在于：所述四旋翼螺旋桨(4)采用无刷电机。