CN107221906A - 一种悬挂式双臂线缆破冰机器人 - Google Patents

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周川
李兴成
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    • H02G—INSTALLATION OF ELECTRIC CABLES OR LINES, OR OF COMBINED OPTICAL AND ELECTRIC CABLES OR LINES
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

本发明公开了一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其包括机体、控制系统以及设置在所述机体上的机械臂；所述机械臂包括大臂和小臂；所述机体背面安装有螺旋桨；所述机体的一侧安装大臂，所述大臂的两端通过第一转动关节安装小臂，所述小臂的尾端安装有破冰装置；所述控制系统为悬挂式双臂线缆破冰机器人的运动提供控制指令。本发明提出的双臂机器人可实现一次行走同时破除两根线缆覆冰，同时，可以通过控制螺旋桨的转速来控制机器人的行走速度，从而控制破冰速度的快慢。本发明涉及的悬挂式双臂线缆破冰机器人具有灵活性强、操作精度高、稳定性好的优点，适合代替人类完成一些高危作业任务。

Description

一种悬挂式双臂线缆破冰机器人
技术领域
本发明涉及悬挂式双臂线缆破冰机器人，具体涉及一种悬挂式双臂线缆破冰机器人。
背景技术
在气温较低和相对湿度较高的环境下，高压输电线路容易发生落雪或覆冰现象。覆冰持续时间长，覆盖面积大，并且容易在同一地区反复形成，若不及时处理，将会给高压线路带来电气或机械方面的故障，像覆冰会导致过载荷、电路振荡及绝缘子闪络等事故。
目前，国内外执行线缆破冰作业的机器人破冰速度慢且一次只能对单根线缆进行破冰操作。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，能够协助人工同时破除两根线缆上的覆冰或落雪，降低人员伤亡的可能性，提高作业效率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明公开了一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其包括机体、控制系统以及设置在所述机体上的机械臂；所述机械臂包括大臂和小臂；所述机体背面安装有螺旋桨；所述机体的一侧安装大臂，所述大臂的两端通过第一转动关节安装小臂，所述小臂的尾端安装有破冰装置；所述控制系统为悬挂式双臂线缆破冰机器人的运动提供控制指令。
进一步地，所述的破冰装置包括第二转动关节，所述第二转动关节上通过支臂对称设置有两个破冰套。
进一步地，所述支臂包括第一支臂和第二支臂，所述第一支臂和第二支臂之间通过铰链连接。
进一步地，所述的螺旋桨包括无刷电机和旋翼头；所述无刷电机和旋翼头通过联轴器连接，所述旋翼头上设置有桨叶。螺旋桨提供双臂机器人向前运动的操纵力与力矩；所述的螺旋桨的桨叶共有三片，均采用玻璃钢材质，被固接到旋翼头上。
进一步地，所述控制系统由地面发射系统与机载系统组成；所述的地面发射系统包括中央处理器、接收器和供电系统；所述的机载系统包括中央处理器、加速度计、ATHENA嵌入式模块、GPS模块、惯性测量单元、磁力计、高度计、角速度计、线速度计、多通道输出端口和供电系统。
进一步地，所述的转动关节都由电机模块控制，可以进行大范围角度的转动；所述电机模块根据所述机载系统的控制信号，控制每个关节处伺服电机和夹持器上的舵机，从而实现机械臂的力/位控制。
进一步地，所述机械臂的运动是由控制系统按照关节最佳柔顺性准则来控制的，该准则根据下式计算机械臂运动学逆解：
其中，F(L)为求解机械臂逆解的目标函数，L为当前描述的机械臂，n为关节数目，qi(L)为第i个关节的目标位置，qid为第i个关节的当前位置。
进一步地，所述机体采用碳纤维材质。
本发明所达到的有益效果是：
本发明提出的双臂机器人可实现一次行走同时破除两根线缆覆冰，同时，可以通过控制螺旋桨的转速来控制机器人的行走速度，从而控制破冰速度的快慢。本发明涉及的悬挂式双臂线缆破冰机器人具有灵活性强、操作精度高、稳定性好的优点，适合代替人类完成一些高危作业任务。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为悬挂式双臂线缆破冰机器人总体结构示意图；
图2为螺旋桨结构示意图；
图3为破冰装置结构示意图；
图4为悬挂式双臂线缆破冰机器人控制系统的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3所示，本发明提供了一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其包括机体1、控制系统2以及设置在所述机体1上的机械臂；所述机械臂包括大臂4和小臂6；所述机体1背面安装有螺旋桨；所述机体1的一侧安装大臂4，所述大臂4的两端通过第一转动关节5安装小臂6，所述小臂6的尾端安装有破冰装置7；所述控制系统2为悬挂式双臂线缆破冰机器人的运动提供控制指令。所述的破冰装置2包括第二转动关节12，所述第二转动关节12上通过支臂13对称设置有两个破冰套15。所述支臂13包括第一支臂131和第二支臂132，所述第一支臂131和第二支臂132之间通过铰链14连接。所述的螺旋桨包括无刷电机8和旋翼头11；所述无刷电机8和旋翼头11通过联轴器9连接，所述旋翼头11上设置有桨叶10。螺旋桨提供双臂机器人向前运动的操纵力与力矩；所述的桨叶10共有三片，均采用玻璃钢材质，被固接到旋翼头11上。
所有的转动关节均由伺服电机驱动，并由电机模块控制，且旋转角度为0-360°。
如图4所示，控制系统由ATHENA嵌入式模块21、惯性测量单元20、高度计17、磁力计18组成，可以用来采集双臂机器人实时的位/姿数据，包括姿态角、三轴加速度、三轴角速度、高度和位置信息，这些被采集到的信息均由处理速度为500MHzATHENA嵌入式模块进行处理后产生指令，指令通过I/O端口30与电调31进行实时传输，最终去控制螺旋桨上的无刷电机；控制系统中的加速度计16、线速度计18和角速度计19，可用来测量机械臂各关节的位置、线速度、角速度及相应的加速度信息。机械臂控制系统可根据采集到的信息来发出指令给电调去控制相应的伺服电机26，进而调整各转动关节的角度和机械手爪的位置及姿态。
工作时，悬挂式双臂线缆破冰机器人依靠人为协助用机械手爪夹持两根高压线缆，机械臂与螺旋桨通过控制系统根据作业要求调整机械臂的位置与姿态精确地快速完成作业任务。
本发明引入关节最佳柔顺性准则来优化机械臂的可操作性，采用基于人工杂草优化算法求解机械臂运动学逆解的目标函数为：
其中，F(L)为求解机械臂逆解的目标函数，L为当前描述的机械臂，n为关节数目，qi(L)为第i个关节的目标位置，qid为第i个关节的当前位置。因此，求运动学逆解可转换成求解目标函数F(L)极小值问题。本发明使用人工杂草算法求解此最优化问题，具体的伪代码为：
目标函数通过人工杂草算法优化后，不仅可以得到关节的最佳柔顺性，也可以得到机械臂的连杆、机械手爪长度的比例为：1:15.6:0.33。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其特征在于，包括机体、控制系统以及设置在所述机体上的机械臂；所述机械臂包括大臂和小臂；所述机体背面安装有螺旋桨；所述机体的一侧安装大臂，所述大臂的两端通过第一转动关节安装小臂，所述小臂的尾端安装有破冰装置；所述控制系统为悬挂式双臂线缆破冰机器人的运动提供控制指令。
2.根据权利要求1所述的一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其特征在于，所述的破冰装置包括第二转动关节，所述第二转动关节上通过支臂对称设置有两个破冰套。
3.根据权利要求2所述的一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其特征在于，所述支臂包括第一支臂和第二支臂，所述第一支臂和第二支臂之间通过铰链连接。
4.根据权利要求1所述的一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其特征在于，所述的螺旋桨包括无刷电机和旋翼头；所述无刷电机和旋翼头通过联轴器连接，所述旋翼头上设置有桨叶。
5.根据权利要求1所述的一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其特征在于，所述控制系统由地面发射系统与机载系统组成；所述的地面发射系统包括中央处理器、接收器和供电系统；所述的机载系统包括中央处理器、加速度计、ATHENA嵌入式模块、GPS模块、惯性测量单元、磁力计、高度计、角速度计、线速度计、多通道输出端口和供电系统。
6.根据权利要求5所述的一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其特征在于，所述的第一转动关节和第二转动关节都由电机模块控制，可以进行大范围角度的转动；所述电机模块根据所述机载系统的控制信号，控制每个关节处伺服电机和夹持器上的舵机，从而实现机械臂的力/位控制。
7.根据权利要求1所述的一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其特征在于，所述机械臂的运动是由控制系统按照关节最佳柔顺性准则来控制的，该准则根据下式计算机械臂运动学逆解：
<mrow> <mi>min</mi> <mi> </mi> <mi>F</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>L</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>min</mi> <munderover> <mi>&amp;Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <msub> <mi>q</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>L</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <msub> <mi>q</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow>
其中，F(L)为求解机械臂逆解的目标函数，L为当前描述的机械臂，n为关节数目，qi(L)为第i个关节的目标位置，qid为第i个关节的当前位置。
8.根据权利要求1所述的一种悬挂式双臂线缆破冰机器人，其特征在于，所述机体采用碳纤维材质。
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