CN108370746A - 一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构和控制方法，包括Y型刀具架、安装于刀具架前部末端的两个刀具电机、由两个刀具电机分别驱动且位于刀具架下方的两片圆盘锯、两根对称固定于刀具架两侧且端部向前向外伸展至圆盘锯下方的导向叉。本发明提出双锯刀具加导向叉的结构，在作业向前推进的同时，利用导向叉及双圆盘锯向内相向同速旋转，使树枝自动进入双圆盘锯的共同切割区域，从而有效降低作用于空中机器人上的水平不平衡力与力矩，避免刀具与树枝之间的打滑，提高树障清理的效率。

Description

一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构和控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构和控制方法，属于输电线路树障清理装置技术领域。

背景技术

空中机器人在对电力线路通道树障进行清理时，所用刀具应能快速切割树枝，同时又能避免对空中机器人本体姿态的影响，并且具有防卡阻等安全保护措施。

目前园林修剪树枝多采用单锯类型的清理刀具，若将该类刀具直接安装于空中机器人上进行树障清理，刀具的水平受力不对称，给空中机器人带来航向推斥力矩，影响空中机器人力与力矩的平衡，且造成刀具与树枝之间的打滑；实际中的树障呈现各种形态，极易滑出刀具的有效作业区域，导致了刀具切割效率不高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构和控制方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明采取的技术方案为：一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，包括Y型刀具架、安装于刀具架前部末端的两个刀具电机、由两个刀具电机分别驱动且位于刀具架下方的两片圆盘锯、两根对称固定于刀具架两侧且端部向前向外伸展至圆盘锯下方的导向叉。

优选的，上述两根导向叉构成“Y”形的前导入槽和“一”字形的后导出槽，前导入槽用于收拢树枝并导向双圆盘锯的共同切割区域，后导出槽用于引导切割后的下方树枝自动向后移动并脱离刀具。

优选的，上述前导入槽的开放角为30-150度。

优选的，上述一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，还包括固定于或内置于刀具架的刀具控制器、位于刀具架后部并与空中机器人机械臂连接的接头。

优选的，上述圆盘锯为金属、陶瓷或复合材料材质的薄片状圆盘锯。

优选的，上述双锯刀具结构的外侧设有防止枝叶飞溅或锯片碎裂后飞射的安全保护罩。

优选的，上述刀具架上安装有温度传感器，温度传感器的探头正对圆盘锯的边缘，刀具电机内置感知圆盘锯转速的转速传感器。

优选的，上述温度传感器和转速传感器连接到刀具控制器，刀具控制器内置有检测刀具电机工作电流的电流传感器，刀具控制器连接到空中机器人的飞行控制器。

优选的，上述一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构的控制方法，该方法为：刀具控制器通过采集刀具电机的转速与电流以及圆盘锯的温度，①实时评估圆盘锯的过载、卡阻及损伤状态，一旦评估值超过预定门限，即向刀具电机输出刹车指令，然后驱动两片圆盘锯同时反转，以使被清理树枝退出刀具，同时向空中机器人的飞行控制器发送回退指令，从而对空中机器人及刀具实施保护性退避；②对双刀具的平衡作业状态进行检测并实施补偿保护。

优选的，上述评估圆盘锯运行状态的方法采用多传感器数据门限判定算法，算法如下：

1)若当前圆盘锯转速N≤其过载阈值N_overload，或电机电流I≥其过载阈值I_overload，或锯片温度T≥其过载阈值T_overload，判定圆盘锯处于过载状态，刀具控制器据此做出反旋回退控制；

2)若当前圆盘锯转速N≤其卡阻阈值N_blocking，且电机电流I≥其卡阻阈值I_blocking，判定圆盘锯处于卡阻状态，其中，N_blocking<N_overload，I_blocking≥I_overload，刀具控制器据此做出反旋回退控制；

3)若当前圆盘锯转速N≥其空切阈值N_empty，判定圆盘锯处于空切状态，其中，N_empty≤圆盘锯的给定转速，刀具控制器据此做出圆盘锯停转控制；

4)若圆盘锯转速或电机电流出现周期性脉动，则判定圆盘锯存在损伤；

5)不属于上述情况时，判定圆盘锯当前工作在正常状态，刀具控制器据此做出正常的正旋进给控制。

优选的，上述评估圆盘锯运行状态的方法采用多传感器数据融合检测算法，算法如下：

设圆盘锯转速的下限阈值为N₁、上限阈值为N₂，电机电流的下限阈值为I₁、上限阈值为I₂，锯片温度的下限阈值为T₁、上限阈值为T₂，圆盘锯工作状态综合指数为：

其中，C_N、C_I、C_T分别为圆盘锯的转速权重、电机电流权重、锯片温度权重；设置区间阈值f₁、f₂、f₃，且有0≤f₁<f₂<f₃；

当F≤f₁时，则判定圆盘锯工作于空切状态，刀具控制器据此做出圆盘锯停转控制；

当f₁＜F≤f₂时，则判定圆盘锯工作于正常状态，刀具控制器据此实施清障进给控制；

当f₂＜F≤f₃时，则判定圆盘锯工作于过载状态，刀具控制器据此做出反旋回退控制；

当F＞f₃时，则判定圆盘锯工作于卡阻状态，刀具控制器据此做出反旋回退控制。

优选的，上述双刀具平衡作业状态检测与补偿保护方法如下：

1)双刀具平衡作业状态的检测算法

设两个圆盘锯的平均转速分别为瞬时转速分别为N_a、N_b；设电机的平均电流分别为瞬时电流分别为I_a、I_b；设锯片的平均温度分别为瞬时温度分别为T_a、T_b；

定义两个圆盘锯的平均转速差瞬时转速差ΔN＝N_a-N_b；电机的平均电流差瞬时电流差ΔI＝I_a-I_b；锯片的平均温度差瞬时温度差ΔT＝T_a-T_b；有：

A)若|ΔN|≥δ_N、|ΔI|≥δ_I、|ΔT|≥δ_T中任一成立，判定两个圆盘锯平衡作业失常，其中的δ_N、δ_I、δ_T均大于等于0，分别为各对应物理参数的平衡作业判定阈值；

B)若判定两个圆盘锯平衡作业失常，其中的δ≥0，为平衡作业综合判定阈值，k₁～k₆为权值系数；

2)双刀具平衡补偿及保护控制方法

将各圆盘锯的转速、电机电流、锯片温度及平衡作业状态信息反馈给空中机器人的飞行控制器，若判定两个圆盘锯平衡作业失常，则

A)刀具控制器立即做出先刹车后反旋控制，使圆盘锯退出作业，同时向空中机器人的飞行控制器发送保护性回退指令；

B)由飞行控制器控制空中机器人向转速高、电流小、温度低的一侧圆盘锯运动微调，实施双刀具平衡补偿。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

1)本发明提出双锯刀具加导向叉的结构，在作业向前推进的同时，利用导向叉及双圆盘锯向内相向同速旋转，使树枝自动进入双圆盘锯的共同切割区域，从而有效降低作用于空中机器人上的水平不平衡力与力矩，避免刀具与树枝之间的打滑，提高树障清理的效率；

2)本发明提出双锯刀具结构，在作业向前推进的同时，利用双锯向内相向同速旋转，双锯刀具结构具有一定的自动聚拢树枝和切割导向作用，使树枝自动进入双锯共同切割区域，从而有效降低作用于空中机器人上的水平不平衡力与力矩，避免刀具与树枝之间的打滑，提高树障清理的效率；

3)刀具控制器通过采集刀具电机的转速与电流以及锯片温度，判断圆盘锯的过载、卡阻及损伤状态，有利于实现刀具与空中机器人的保护性退避，并实现双圆盘锯作业的动态平衡；

4)模块化的接头方式，可实现刀具的快速更换，且装卸收纳运输方便，而且接头起到机械连接和电气连接的双重作用，结构更加紧凑。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的俯视结构示意图；

图3为本发明的仰视结构示意图；

图4为本发明的仰视立体结构示意图。

图中，1—刀具架，2—刀具电机，3—圆盘锯，4—刀具控制器，5—接头，6—温度传感器，7—导向叉，8—前导入槽，9—后导出槽。

具体实施方式

下面，结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图4所示，一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，包括Y型刀具架1、安装于刀具架1前部末端的两个刀具电机2、由两个刀具电机2分别驱动且位于刀具架1下方的两片圆盘锯3、两根对称固定于刀具架1两侧且端部向前向外伸展至圆盘锯3下方的导向叉7。

优选的，上述两根导向叉7构成“Y”形的前导入槽8和“一”字形的后导出槽9，前导入槽8用于收拢树枝并导向双圆盘锯3的共同切割区域，后导出槽9用于引导切割后的下方树枝自动向后移动并脱离刀具，前导入槽8的开放角θ为30-150度。

优选的，上述一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，还包括固定于或内置于刀具架1的刀具控制器4。

优选的，上述一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，还包括位于刀具架1后部并与空中机器人机械臂连接的接头5；接头5采用法兰盘连接或螺帽-螺杆快速连接，相应的连接部位设有电气接插头，因此接头5具有机械和电气双重连接功能，结构紧凑，可实现刀具的快速更换。

优选的，上述圆盘锯3为金属、陶瓷或复合材料材质的薄片状圆盘锯。

优选的，上述双锯刀具结构的外侧设有防止枝叶飞溅或锯片碎裂后飞射的安全保护罩。

优选的，上述刀具架1上安装有温度传感器6，温度传感器6的探头正对圆盘锯3的边缘，刀具电机2内置感知圆盘锯3转速的转速传感器，通过温度传感器6、转速传感器能够实时监控作业刀具的温度和转速情况，从而判断作业刀具的运行状态，提高操作安全性。

优选的，上述温度传感器6和转速传感器连接到刀具控制器4，刀具控制器4内置有检测刀具电机2工作电流的电流传感器，刀具控制器4连接到空中机器人的飞行控制器；通过温度传感器6、转速传感器与电流传感器，刀具控制器4可实时监控锯片温度、电机转速和电机电流，判断两个圆盘锯3的工作状态，做出正常进给或回退保护或双锯动态切割平衡的调整，同时将该状态信息发送到飞行控制器，飞行控制器据此实施空中机器人的进给或退出微调，自动实现刀具的切割保护和有效切割。

上述转速传感器可采用光电编码器或霍尔传感器，温度传感器6可选择非接触类型的红外测温传感器(如MLX90614)，电流传感器可采用电流互感器；刀具控制器4定制设有针对上述具体类型传感器的模拟量(电压或电流)或数字量(包括总线)、脉冲量、频率量等类型接口。

双锯刀具结构通过接头5从空中机器人平台获取刀具控制指令与驱动电源，送入刀具控制器4，以驱动刀具电机2旋转并控制其转速；树障清理时，两片圆盘锯3向内相向等速旋转，以自动卷入被清理树枝并实施切割。

实施例2：一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构的控制方法，该方法为：刀具控制器4通过采集刀具电机2的转速与电流以及圆盘锯3的温度，①实时评估圆盘锯3的过载、卡阻及损伤状态，一旦评估值超过预定门限，即向刀具电机2输出刹车指令，然后驱动两片圆盘锯3同时反转，以使被清理树枝退出刀具，同时向空中机器人的飞行控制器发送回退指令，从而对空中机器人及刀具实施保护性退避；②对双刀具的平衡作业状态进行检测并实施补偿保护。

优选的，上述评估圆盘锯3运行状态的方法采用多传感器数据门限判定算法，算法如下：

1)若当前圆盘锯3转速N≤其过载阈值N_overload，或电机电流I≥其过载阈值I_overload，或锯片温度T≥其过载阈值T_overload，判定圆盘锯3处于过载状态，刀具控制器4据此做出反旋回退控制；

2)若当前圆盘锯3转速N≤其卡阻阈值N_blocking，且电机电流I≥其卡阻阈值I_blocking，判定圆盘锯3处于卡阻状态，其中，N_blocking<N_overload，I_blocking≥I_overload，刀具控制器4据此做出反旋回退控制；

3)若当前圆盘锯3转速N≥其空切阈值N_empty，判定圆盘锯3处于空切状态，其中，N_empty≤圆盘锯3的给定转速，刀具控制器4据此做出圆盘锯3停转控制；

4)若圆盘锯3转速或电机电流出现周期性脉动，则判定圆盘锯3存在损伤。原因在于，往复工作的刀具若存在缺损，其动平衡失调及所受树障阻力的周期性变化，将引起刀具转速和电机电流的周期性脉动；

5)不属于上述情况时，判定圆盘锯3当前工作在正常状态，刀具控制器4据此做出正常的正旋进给控制。

优选的，上述评估圆盘锯3运行状态的方法采用多传感器数据融合检测算法，算法如下：

设圆盘锯3转速的下限阈值为N₁、上限阈值为N₂，电机电流的下限阈值为I₁、上限阈值为I₂，锯片温度的下限阈值为T₁、上限阈值为T₂，圆盘锯3工作状态综合指数为：

其中，C_N、C_I、C_T分别为圆盘锯3的转速权重、电机电流权重、锯片温度权重；设置区间阈值f₁、f₂、f₃，且有0≤f₁<f₂<f₃；

当F≤f₁时，则判定圆盘锯3工作于空切状态，刀具控制器4据此做出圆盘锯3停转控制；

当f₁＜F≤f₂时，则判定圆盘锯3工作于正常状态，刀具控制器4据此实施清障进给控制；

当f₂＜F≤f₃时，则判定圆盘锯3工作于过载状态，刀具控制器4据此做出反旋回退控制；

当F＞f₃时，则判定圆盘锯3工作于卡阻状态，刀具控制器4据此做出反旋回退控制。

优选的，上述其双刀具平衡作业状态检测与补偿保护方法如下：

1)双刀具平衡作业状态的检测算法

设两个圆盘锯3的平均转速分别为瞬时转速分别为N_a、N_b；设电机的平均电流分别为瞬时电流分别为I_a、I_b；设锯片的平均温度分别为瞬时温度分别为T_a、T_b；

定义两个圆盘锯3的平均转速差瞬时转速差ΔN＝N_a-N_b；电机的平均电流差瞬时电流差ΔI＝I_a-I_b；锯片的平均温度差瞬时温度差ΔT＝T_a-T_b；有：

A)若|ΔN|≥δ_N、|ΔI|≥δ_I、|ΔT|≥δ_T中任一成立，判定两个圆盘锯3平衡作业失常，其中的δ_N、δ_I、δ_T均大于等于0，分别为各对应物理参数的平衡作业判定阈值；

B)若判定两个圆盘锯3平衡作业失常，其中的δ≥0，为平衡作业综合判定阈值，k₁～k₆为权值系数；

2)双刀具平衡补偿及保护控制方法

将各圆盘锯3的转速、电机电流、锯片温度及平衡作业状态信息反馈给空中机器人的飞行控制器，若判定两个圆盘锯3平衡作业失常，则

A)刀具控制器4立即做出先刹车后反旋控制，使圆盘锯3退出作业，同时向空中机器人的飞行控制器发送保护性回退指令；

B)由飞行控制器控制空中机器人向转速高、电流小、温度低的一侧圆盘锯3运动微调，实施双刀具平衡补偿。

以上阈值和权值系数的确定，可采用基于物理原理的理论计算、基于实验数据分析的经验统计、基于神经网络的建模训练等方法来完成。

本发明的优点如下：

1)双圆盘锯设计，向内相向同速旋转，辅以导向叉的导向配合，可自动卷入树枝并实施切割，树障清理效率高，作用于空中机器人上的水平不平衡力与力矩相对较小；

2)本发明提出双锯刀具结构，在作业向前推进的同时，利用双锯向内相向同速旋转，双锯刀具结构具有一定的自动聚拢树枝和切割导向作用，使树枝自动进入双锯共同切割区域，从而有效降低作用于空中机器人上的水平不平衡力与力矩，避免刀具与树枝之间的打滑，提高树障清理的效率；

3)刀具控制器通过采集刀具电机的转速与电流以及锯片温度，判断圆盘锯的过载、卡阻及损伤状态，有利于实现刀具与空中机器人的保护性退避，并实现双圆盘锯作业的动态平衡；

4)模块化的接头方式，可实现刀具的快速更换，且装卸收纳运输方便，而且接头起到机械连接和电气连接的双重作用，结构更加紧凑。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式实例，本发明的保护范围并不局限于此。熟悉该技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易找到变化或替换方式，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。为此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，其特征在于：包括Y型刀具架(1)、安装于刀具架(1)前部末端的两个刀具电机(2)、由两个刀具电机(2)分别驱动且位于刀具架(1)下方的两片圆盘锯(3)、两根对称固定于刀具架(1)两侧且端部向前向外伸展至圆盘锯(3)下方的导向叉(7)。

2.根据权利要求1所述的一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，其特征在于：两根导向叉(7)构成“Y”形的前导入槽(8)和“一”字形的后导出槽(9)，前导入槽(8)用于收拢树枝并导向双圆盘锯(3)的共同切割区域，后导出槽(9)用于引导切割后的下方树枝自动向后移动并脱离刀具。

3.根据权利要求2所述的一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，其特征在于：前导入槽(8)的开放角为30-150度。

4.根据权利要求1所述的一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，其特征在于：还包括固定于或内置于刀具架(1)的刀具控制器(4)、位于刀具架(1)后部并与空中机器人机械臂连接的接头(5)。

5.根据权利要求1所述的一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，其特征在于：刀具架(1)上安装有温度传感器(6)，温度传感器(6)的探头正对圆盘锯(3)的边缘，刀具电机(2)内置感知圆盘锯(3)转速的转速传感器。

6.根据权利要求5所述的一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构，其特征在于：温度传感器(6)和转速传感器连接到刀具控制器(4)，刀具控制器(4)内置有检测刀具电机(2)工作电流的电流传感器，刀具控制器(4)连接到空中机器人的飞行控制器。

7.根据权利要求1-6任一所述的一种用于树障清理空中机器人的导向刀具结构的控制方法，其特征在于：该方法为：刀具控制器(4)通过采集刀具电机(2)的转速与电流以及圆盘锯(3)的温度，①实时评估圆盘锯(3)的过载、卡阻及损伤状态，一旦评估值超过预定门限，即向刀具电机(2)输出刹车指令，然后驱动两片圆盘锯(3)同时反转，以使被清理树枝退出刀具，同时向空中机器人的飞行控制器发送回退指令，从而对空中机器人及刀具实施保护性退避；②对双刀具的平衡作业状态进行检测并实施补偿保护。

8.根据权利要求7所述的一种用于树障清理空中机器人的双锯刀具结构的控制方法，其特征在于：评估圆盘锯(3)运行状态的方法采用多传感器数据门限判定算法，算法如下：

1)若当前圆盘锯(3)转速N≤其过载阈值N_overload，或电机电流I≥其过载阈值I_overload，或锯片温度T≥其过载阈值T_overload，判定圆盘锯(3)处于过载状态，刀具控制器(4)据此做出反旋回退控制；

2)若当前圆盘锯(3)转速N≤其卡阻阈值N_blocking，且电机电流I≥其卡阻阈值I_blocking，判定圆盘锯(3)处于卡阻状态，其中，N_blocking<N_overload，I_blocking≥I_overload，刀具控制器(4)据此做出反旋回退控制；

3)若当前圆盘锯(3)转速N≥其空切阈值N_empty，判定圆盘锯(3)处于空切状态，其中，N_empty≤圆盘锯(3)的给定转速，刀具控制器(4)据此做出圆盘锯(3)停转控制；

4)若圆盘锯(3)转速或电机电流出现周期性脉动，则判定圆盘锯(3)存在损伤；

5)不属于1)-4)的情况时，判定圆盘锯(3)当前工作在正常状态，刀具控制器(4)据此做出正常的正旋进给控制。

9.根据权利要求7所述的一种用于树障清理空中机器人的双锯刀具结构的控制方法，其特征在于：评估圆盘锯(3)运行状态的方法采用多传感器数据融合检测算法，算法如下：

设圆盘锯(3)转速的下限阈值为N₁、上限阈值为N₂，电机电流的下限阈值为I₁、上限阈值为I₂，锯片温度的下限阈值为T₁、上限阈值为T₂，圆盘锯(3)工作状态综合指数为：

其中，C_N、C_I、C_T分别为圆盘锯(3)的转速权重、电机电流权重、锯片温度权重；设置区间阈值f₁、f₂、f₃，且有0≤f₁<f₂<f₃；

当F≤f₁时，则判定圆盘锯(3)工作于空切状态，刀具控制器(4)据此做出圆盘锯(3)停转控制；

当f₁＜F≤f₂时，则判定圆盘锯(3)工作于正常状态，刀具控制器(4)据此实施清障进给控制；

当f₂＜F≤f₃时，则判定圆盘锯(3)工作于过载状态，刀具控制器(4)据此做出反旋回退控制；

当F＞f₃时，则判定圆盘锯(3)工作于卡阻状态，刀具控制器(4)据此做出反旋回退控制。

10.根据权利要求7所述的一种用于树障清理空中机器人的双锯刀具结构的控制方法，其特征在于：双刀具平衡作业状态检测与补偿保护方法如下：

1)双刀具平衡作业状态的检测算法

设两个圆盘锯(3)的平均转速分别为瞬时转速分别为N_a、N_b；设电机的平均电流分别为瞬时电流分别为I_a、I_b；设锯片的平均温度分别为瞬时温度分别为T_a、T_b；

定义两个圆盘锯(3)的平均转速差瞬时转速差ΔN＝N_a-N_b；电机的平均电流差瞬时电流差ΔI＝I_a-I_b；锯片的平均温度差瞬时温度差ΔT＝T_a-T_b；有：

A)若|ΔN|≥δ_N、|ΔI|≥δ_I、|ΔT|≥δ_T中任一成立，判定两个圆盘锯(3)平衡作业失常，其中的δ_N、δ_I、δ_T均大于等于0，分别为各对应物理参数的平衡作业判定阈值；

B)若判定两个圆盘锯(3)平衡作业失常，其中的δ≥0，为平衡作业综合判定阈值，k₁～k₆为权值系数；

2)双刀具平衡补偿及保护控制方法

将各圆盘锯(3)的转速、电机电流、锯片温度及平衡作业状态信息反馈给空中机器人的飞行控制器，若判定两个圆盘锯(3)平衡作业失常，则

A)刀具控制器(4)立即做出先刹车后反旋控制，使圆盘锯(3)退出作业，同时向空中机器人的飞行控制器发送保护性回退指令；

B)由飞行控制器控制空中机器人向转速高、电流小、温度低的一侧圆盘锯(3)运动微调，实施双刀具平衡补偿。