CN108423175B - 一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，包括平台支架和作业刀具，平台支架对称连接在机体上，平台支架上连接有多个旋翼组件，机体底部通过挂绳连接到刀具架，刀具架上固定连接有刀具电机，刀具电机的输出轴连接作业刀具。本发明通过机体上安装旋翼组件以及挂绳连接的自然悬垂的水平作业刀具，适合于从树障顶部自上而下或从树障侧面自外而内地实施“剃头式”大面积快速清理，作业效率高，避免操作人员近距离接触树障处的高压输电线，操作更加安全，可有效提升清理作业的效率并降低操作风险，采用柔性挂绳悬挂刀具，自动对作业刀具的振动、冲击进行隔离，有效提升了空中机器人姿态控制的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于电力线路的绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，尤其涉及一种适合于从大面积树障快速上部及侧面清理的机器人，属于输电线路树障清理装置技术领域。
背景技术
树障是输电线路通道存在的一种安全隐患，表现为通道内树木的不断增生逐渐威胁到输电线路的运行安全。为此，各级电力部门每年都要投入大量的人力、物力与财力对辖区内的通道树障进行清理整治。目前的树障清理主要依赖于人工清理，存在着效率不高，安全风险大的不足，因此亟需一种电力线路通道树障自动清理空中机器人。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种应用于电力线路的绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，适合于从大面积树障快速上部及侧面清理，以解决现有技术中存在的人工清理效率不高和安全风险大的问题。
本发明采取的技术方案为：一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，包括平台支架和作业刀具，平台支架对称连接在机体上，平台支架上连接有多个旋翼组件，机体的底部通过挂绳与刀具架连接，刀具架上固定连接有刀具电机，刀具电机的输出轴连接作业刀具。
优选的，上述空中机器人还包括设置在挂绳上的脱钩机构。
优选的，上述挂绳上端通过保护关节连接到机体底部。
优选的，上述保护关节包括圆柱芯、圆柱套、弹簧和螺钉，圆柱芯和圆柱套均为中空圆柱形，圆柱芯上端固定连接在机体底部，圆柱套的上部以可轴向滑动、可相对旋转的套筒形式与圆柱芯的下部连接，圆柱套下端固定连接挂绳，弹簧为圆柱形，以包裹形式安装于圆柱芯和圆柱套的外部，弹簧的两端通过两螺钉分别与圆柱芯和圆柱套固连。
优选的，上述平台支架通过折叠关节连接至机体，折叠关节包括设置于平台支架内端的外拐臂、与机体固连的内拐臂和锁定装置，外拐臂与内拐臂通过铰接轴铰接并通过锁定装置锁定。
优选的，上述锁定装置包括固连在内拐臂水平段前端并与内拐臂水平段共轴的台阶轴、固连在外拐臂水平段后端并与外拐臂水平段共轴的螺杆和套接在台阶轴上的锁定螺母，锁定螺母的内孔后端设有内凸台阶，台阶轴的前端设有防止锁定螺母脱落的外凸台阶，锁定螺母可将台阶轴与螺杆共轴对接并锁定。
优选的，上述脱钩机构包括基座、舵机、摇臂、拉杆、伸缩杆和挂舌；挂绳为两段结构，基座的顶部与挂绳上段的下端固连，基座的底部向下设有两个左右对称的凸台，舵机安装于基座上，摇臂的一端固连于舵机的输出轴，另一端与拉杆的一端铰接，拉杆的另一端与伸缩杆的一端铰接，伸缩杆的另一端水平活动地穿过两个凸台，摇臂旋转驱动伸缩杆水平左右伸缩；挂舌设置在挂绳下段的上端，挂舌的上部设有水平方向的锁定孔，挂舌穿入两个凸台中间的凹槽后通过锁定孔挂接在伸缩杆上。
优选的，上述旋翼组件包括旋翼和旋翼电机，旋翼固定连接在旋翼电机的输出轴上，旋翼电机固定连接在平台支架上。
优选的，上述作业刀具的数量为偶数。
优选的，上述挂绳的下端固定连接刀具动力电池，刀具动力电池的下端固定连接刀具架。
优选的，上述机体底部设置有起落架。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
1)本发明在机体上安装旋翼组件以及挂绳连接的自然悬垂的水平作业刀具，适合于从树障顶部自上而下或从树障侧面自外而内地实施“剃头式”大面积快速清理，作业效率高，避免操作人员近距离接触树障处的高压输电线，操作更加安全，可有效提升清理作业的效率并降低操作风险，解决了现有技术中存在的人工清理效率不高和安全风险大的问题；
2)采用柔性挂绳悬挂刀具，自动对作业刀具的振动、冲击进行隔离，有效提升了空中机器人姿态控制的稳定性；
3)采用悬挂刀具结构的空中机器人，作业时刀具始终位于旋翼组件的下方，可有效避免树障对旋翼组件的干涉，减少坠机风险，大大提高空中机器人作业的安全性；
4)作业刀具悬挂于空中机器人重心的下方，降低了机器人的整体重心，提升了空中机器人飞行的稳定性；
5)平台支架采用折叠方式连接，收纳时可有效缩小了整机尺寸，便于收纳与携带；所设计的折叠关节，结构简单，锁定可靠，分别操作，易于实现，能有效避免振动导致的锁定松脱；
6)空中机器人由旋翼组件提供机器人升力和进给力并实施姿态稳定与位置控制，偶数片的作业刀具相比奇数片刀具，受力更均衡，安全性更好；
7)刀具动力电池布置于刀具架上，进一步降低整机重心，提升空中机器人飞行的稳定性；在相同挂绳倾斜角度下，能有效增加作业刀具的水平推进力，提升树障清理效率；此外，还增加了挂绳下方部件的整体惯性，增强了作业刀具的姿态稳定性；
8)所设置的保护关节具有两个方向的机械缓冲自由度(拉伸与扭转)，可有效减弱树障反作用力对空中机器人飞行姿态的影响；
9)本发明在作业刀具无法脱离树障时，采用脱钩机构实现机体与机体下方部件的快速脱离，从而对飞行平台实施安全保护。
附图说明
图1为本发明的结构示意图(刀具水平并列)；
图2为本发明的结构示意图(刀具水平并列，上下共轴双桨)；
图3为脱钩机构结构示意图；
图4为折叠关节结构示意图；
图5为保护关节结构示意图；
图6为本发明的结构示意图(刀具竖直纵列)。
图中，1—旋翼，2—旋翼电机，3—平台支架，4—飞行控制器，5—机体，6—保护关节，7——脱钩机构，8—挂绳，9—刀具动力电池，10—折叠关节，11—刀具电机，12—作业刀具，13—刀具架；
701—基座，702—舵机，703—摇臂，704—拉杆，705—伸缩杆，706—凸台，707—挂舌，708—锁定孔，709—挂孔；
1001—外拐臂，1002—内拐臂，1003—铰接轴，1004—台阶轴，1005—锁定螺母，1006—螺杆；
601—圆柱芯，602—圆柱套，603—弹簧，604—螺钉。
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5所示，一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，包括平台支架3和作业刀具12，平台支架3对称连接在机体5上，平台支架3上连接有多个旋翼组件，机体5的底部通过挂绳8与刀具架13连接，刀具架13上固定连接有刀具电机11，刀具电机11输出轴连接作业刀具12；刀具电机11对称等距分布在刀具架13上方，作业刀具12位于刀具架13下方，还包括位于平台支架3中心上部的飞行控制器4、用于传输飞行数据与机载图像的通信模块、位于机体5内的飞行动力电池、固定于或内置于刀具架13并对刀具电机11实施转速控制的刀具控制器，飞行控制器4与现有的多旋翼无人机飞行控制器硬件相似，包括惯性测量单元(IMU)、气压高度计、卫星导航接收机、飞行控制计算机；刀具控制器与飞行控制器4连接，挂绳8采用内含抗拉芯材的电缆。
优选的，上述空中机器人还包括设置在挂绳8上的脱钩机构7。脱钩机构7包括基座701、舵机702、摇臂703、拉杆704、伸缩杆705、挂舌707；挂绳8为两段结构，基座701的顶部与挂绳8上段的下端固连，基座701的底部向下设有两个左右对称的凸台706，舵机702安装于基座701上，摇臂703的一端固连于舵机702的输出轴，另一端与拉杆704的一端铰接，拉杆704的另一端与伸缩杆705的一端铰接，伸缩杆705的另一端水平活动地穿过两个凸台706，摇臂703旋转驱动伸缩杆705水平左右伸缩；挂舌707设置在挂绳8下段的上端，其上部设有水平方向的锁定孔708，挂舌707穿入两个凸台706中间的凹槽后挂接在伸缩杆705上；挂绳8下段的上端穿过挂孔709与挂舌707结连。
优选的，上述挂绳8通过保护关节6连接机体5底部，保护关节6包括圆柱芯601、圆柱套602、弹簧603和螺钉604，圆柱芯601和圆柱套602均为中空圆柱形，圆柱芯601上端通过法兰盘固定连接在机体5底部，圆柱套602的上部以可轴向滑动、可相对旋转的套筒形式与圆柱芯601的下部连接，圆柱套602下端固定连接挂绳8，弹簧603为圆柱形，以包裹形式安装于圆柱芯601和圆柱套602的外部，弹簧603的两端通过两螺钉604分别与圆柱芯601和圆柱套602固连。保护关节6拥有轴向和扭转两个方向的机械缓冲自由度，可有效减弱树障轴向拉伸力和扭转力矩以及作业刀具12的振动对空中机器人飞行姿态的影响。
圆柱套602与圆柱芯601之间设有感知二者轴向相对运动幅度的轴向位移传感器和感知二者相对扭转运动幅度的扭转角位移传感器，因此保护关节6可感知树障通过作业刀具12施加在挂绳8上的拉力和水平扭转力矩，可作为刀具进给或退出、空中机器人运动微调的控制输入，使控制更加精确。其中，上述角度传感器可采用光电编码器或电位器，上述位移传感器可采用滑动变阻器或光栅尺，两种传感器均连接到飞行控制器4，作用力或力矩的计算：通过位移传感器或角度传感器测得的位移与弹簧的拉伸刚度或扭转刚度，进行计算获得轴向力度(拉伸或压缩)或扭转力矩。
采用标定方法标定保护关节6的两端(圆柱套602与圆柱芯601)相对受力-位移或受力矩-角度的曲线，从而得出保护关节6的轴向刚度曲线、和扭转刚度曲线，通过各刚度曲线和对应的位移或角度，即可求得保护关节6两端的受力或力矩。
飞行控制器4针对上述角度传感器和位移传感器，设有相应的模拟量(电压或电流)或数字量(包括总线)、脉冲量、频率量等类型接口，还针对旋翼组件设置PWM或总线接口，针对通信模块和刀具控制器设置总线接口。所述总线包括CAN、RS-485/422/232、以太网或机载总线等类型。
优选的，上述平台支架3通过折叠关节10连接机体5，折叠关节10包括设置于平台支架3内端的外拐臂1001、与机体5固连的内拐臂1002和锁定装置，外拐臂1001与内拐臂1002通过铰接轴1003铰接并通过锁定装置锁定；锁定装置包括固连在内拐臂1002水平段前端并与内拐臂1002水平段共轴的台阶轴1004、固连在外拐臂1001水平段后端并与外拐臂1001水平段共轴的螺杆1006和套接在台阶轴1004上的锁定螺母1005，锁定螺母1005的内孔后端设有内凸台阶，台阶轴1004的前端设有防止锁定螺母1005脱落的外凸台阶，锁定螺母1005可将台阶轴1004与螺杆1006共轴对接并锁定。平台支架3采用折叠方式连接，收纳时可有效缩小整机尺寸，便于收纳与携带。
优选的，上述旋翼组件包括旋翼1和旋翼电机2以及电机调速器，旋翼1固定连接在旋翼电机2的输出轴上，旋翼电机2固定连接在平台支架3上方或下方，相邻旋翼组件的旋翼1转向相反；电机调速器接收飞行控制器4的转速指令，并依此驱动旋翼电机2转动，产生向上的升力。旋翼组件的数量为≥4的偶数。
旋翼组件还可采用如下共轴双桨方式：旋翼组件中的旋翼1、旋翼电机2和电机调速器各有一对，两个旋翼电机2尾部相对、转轴向外、上下共轴安装于平台支架3的外端，两个旋翼1为正反旋向配对，分别安装于两个旋翼电机2的转轴上，通过调整电机调速器与旋翼电机2连线的极性使同一旋翼组件的两个旋翼1的升力均为向上。该方式下旋翼组件的数量≥3。
优选的，刀具电机11内置有感知作业刀具12转速的转速传感器，刀具控制器内置有感知刀具电机11工作电流的电流传感器，转速传感器采用光电编码器或霍尔传感器，电流传感器采用电流互感器，二者均与刀具控制器连接；刀具控制器定制设有对应上述具体类型传感器的模拟量或数字量、脉冲量、频率量等类型接口。
优选的，上述作业刀具12的数量为偶数。
优选的，上述挂绳8的下端固定连接刀具动力电池9，刀具动力电池9的下端固定连接刀具架13。
优选的，上述机体5底部设置有起落架。
优选的，上述旋翼组件为奇数时，均采用上下共轴双桨设置。
飞行控制器4实现的功能包括：
1)实时采集空中机器人的姿态角、角速率、加速度、卫星定位、高度和速度等信息，结合地面遥控指令(通过飞行控制器与地面遥控器的无线连接)，计算所有旋翼的转速指令并输出给上述旋翼组件，以实现空中机器人姿态与位置的稳定与控制；
2)根据地面遥控指令调整空中机器人的航向、高度与速度，使作业刀具12以适当的角度、力度、前向推进速度，对树障进行水平“剃头”式的顶部切割作业，或以适当的速度使作业刀具12退出清障作业；
3)通过保护关节6感知的树障经作业刀具12施加在挂绳8上的拉力和扭转力矩，一旦达到或超过预定的保护门限，即自动进入保护模式：令作业刀具12先刹车后反转，同时控制空中机器人向后、向使拉力或扭转力矩减小的方向运动退出作业；若上述力或力矩小于预定的保护门限，将作为空中机器人运动微调的控制输入，控制方法如下：
A)设清障时保护关节6感知的轴向拉力为Z，向下为正，相应的作业门限为λZ、不灵敏区为δZ，其中，λZ＞0，0≤δZ＜λZ，有：
——若Z＜λZ-δZ，控制空中机器人向前运动微调，使轴向拉力增大，实现水平自动进给；
——若|Z-λZ|≤δZ，控制空中机器人保持悬停，水平进给量为零；
——若Z＞λZ+δZ，控制空中机器人向后运动微调，使轴向拉力减小，实现水平自动回退。
B)设清障时保护关节6感知的挂绳8所受的扭转力矩为N，相应的作业门限为λN、不灵敏区为δN，对于偶数个圆盘锯，λN＝0，δN≥0，有：
——若|N|＞δN，控制空中机器人向使|N|减小的方向进行航向微调，实现航向自动平衡调整；
——若|N|≤δN，控制空中机器人保持当前航向。
4)根据刀具控制器采集的电机电流与刀具转速信息，实时评估作业刀具12的过载、卡阻及损伤状态，评估方法如下：
——若电机电流超过电流预定门限，可判定作业刀具12过载或卡阻；
——若刀具转速低于转速预定门限，可判定作业刀具12过载或卡阻；
——若电机电流或刀具转速出现周期性的脉动，可判定作业刀具12有损伤。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。
一旦出现上述任一情况即快速通过刀具控制器向刀具电机11输出先刹车后反转指令、向空中机器人输出后退指令，以实现空中机器人保护性退避，同时通过所述通信模块向地面人员发送安全报警信息。
5)当作业刀具12无法脱离树障时，向脱钩机构7发送指令使脱钩机构7动作，实现脱钩机构7下方部件的快速脱离，从而对脱钩机构7及其上方的空中机器人的飞行平台实施安全保护。
实施例2：如图6所示，一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，在实施例1的基础上，刀具架13竖直安装于刀具动力电池9的下方，沿刀具架13的轴向自上而下以等距纵列方式固定连接有刀具电机11，刀具电机11的输出轴连接作业刀具12，作业刀具12位于刀具架13的中间槽内。
优选的，上述作业刀具12的数量≥1。
采用该纵列方式刀具结构的空中机器人，适合于从树障侧面自外而内地对树障实施快速切割清理。
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 (8)
1.一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，其特征在于：包括平台支架(3)和作业刀具(12)，平台支架(3)对称连接在机体(5)上，平台支架(3)上连接有多个旋翼组件，机体(5)的底部通过挂绳(8)与刀具架(13)连接，刀具架(13)上固定连接有刀具电机(11)，刀具电机(11)的输出轴连接作业刀具(12)；挂绳(8)上端通过保护关节(6)连接到机体(5)底部；保护关节(6)包括圆柱芯(601)、圆柱套(602)、弹簧(603)和螺钉(604)，圆柱芯(601)和圆柱套(602)均为中空圆柱形，圆柱芯(601)上端固定连接在机体(5)底部，圆柱套(602)的上部以可轴向滑动、可相对旋转的套筒形式与圆柱芯(601)的下部连接，圆柱套(602)下端固定连接挂绳(8)，弹簧(603)为圆柱形，以包裹形式安装于圆柱芯(601)和圆柱套(602)的外部，弹簧(603)的两端通过两螺钉(604)分别与圆柱芯(601)和圆柱套(602)固连；圆柱套与圆柱芯之间设有感知二者轴向相对运动幅度的轴向位移传感器和感知二者相对扭转运动幅度的扭转角位移传感器，通过保护关节感知的树障经作业刀具施加在挂绳上的拉力和扭转力矩，一旦达到或超过预定的保护门限，即自动进入保护模式：令作业刀具先刹车后反转，同时控制空中机器人向后、向使拉力或扭转力矩减小的方向运动退出作业；若拉力或扭转力矩小于预定的保护门限，将作为空中机器人运动微调的控制输入，控制方法如下：
A)设清障时保护关节感知的轴向拉力为Z，向下为正，相应的作业门限为λZ、不灵敏区为δZ，其中，λZ＞0，0≤δZ＜λZ，有：
——若Z＜λZ-δZ，控制空中机器人向前运动微调，使轴向拉力增大，实现水平自动进给；
——若|Z-λZ|≤δZ，控制空中机器人保持悬停，水平进给量为零；
——若Z＞λZ+δZ，控制空中机器人向后运动微调，使轴向拉力减小，实现水平自动回退；
B)设清障时保护关节感知的挂绳所受的扭转力矩为N，相应的作业门限为λN、不灵敏区为δN，对于偶数个圆盘锯，λN＝0，δN≥0，有：
——若|N|＞δN，控制空中机器人向使|N|减小的方向进行航向微调，实现航向自动平衡调整；
——若|N|≤δN，控制空中机器人保持当前航向。
2.根据权利要求1所述的一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，其特征在于：还包括设置在挂绳(8)上的脱钩机构(7)。
3.根据权利要求1所述的一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，其特征在于：平台支架(3)通过折叠关节(10)连接至机体(5)，折叠关节(10)包括设置于平台支架(3)内端的外拐臂(1001)、与机体(5)固连的内拐臂(1002)和锁定装置，外拐臂(1001)与内拐臂(1002)通过铰接轴(1003)铰接并通过锁定装置锁定。
4.根据权利要求3所述的一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，其特征在于：锁定装置包括固连在内拐臂(1002)水平段前端并与内拐臂(1002)水平段共轴的台阶轴(1004)、固连在外拐臂(1001)水平段后端并与外拐臂(1001)水平段共轴的螺杆(1006)和套接在台阶轴(1004)上的锁定螺母(1005)，锁定螺母(1005)的内孔后端设有内凸台阶，台阶轴(1004)的前端设有防止锁定螺母(1005)脱落的外凸台阶，锁定螺母(1005)可将台阶轴(1004)与螺杆(1006)共轴对接并锁定。
5.根据权利要求1所述的一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，其特征在于：脱钩机构(7)包括基座(701)、舵机(702)、摇臂(703)、拉杆(704)、伸缩杆(705)、挂舌(707)；挂绳(8)为两段结构，基座(701)的顶部与挂绳(8)上段的下端固连，基座(701)的底部向下设有两个左右对称的凸台(706)，舵机(702)安装于基座(701)上，摇臂(703)的一端固连于舵机(702)的输出轴，另一端与拉杆(704)的一端铰接，拉杆(704)的另一端与伸缩杆(705)的一端铰接，伸缩杆(705)的另一端水平活动地穿过两个凸台(706)，摇臂(703)旋转驱动伸缩杆(705)水平左右伸缩；挂舌(707)设置在挂绳(8)下段的上端，其上部设有水平方向的锁定孔(708)，挂舌(707)穿入两个凸台(706)中间的凹槽后通过锁定孔(708)挂接在伸缩杆(705)上。
6.根据权利要求1所述的一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，其特征在于：旋翼组件包括旋翼(1)和旋翼电机(2)，旋翼(1)固定连接在旋翼电机(2)的输出轴上，旋翼电机(2)固定连接在平台支架(3)上。
7.根据权利要求1所述的一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，其特征在于：作业刀具(12)的数量为偶数。
8.根据权利要求1所述的一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人，其特征在于：挂绳(8)的下端固定连接刀具动力电池(9)，刀具动力电池(9)的下端固定连接刀具架(13)。
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