CN108551906A - 一种树障清理空中机器人的刀具保护装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种树障清理空中机器人的刀具保护装置和方法，包括连接在飞行平台和作业刀具间的作业臂上的保护关节，保护关节内置有感知树障作用于作业刀具的轴向力、俯仰力矩、航向力矩和滚转力矩的轴向力传感器、俯仰力矩传感器、航向力矩传感器和滚转力矩传感器，上述传感器连接到飞行平台内的飞行控制器，飞行控制器连接到刀具控制器和飞行动力装置，刀具控制器连接着刀具电机、感知作业刀具转速与温度的转速传感器与温度传感器、感知刀具电机工作电流的电流传感器。本发明保护关节中设置能够感知圆盘锯受力或力矩的传感器，当大于设定值时，自动进行退出作业刀具，并结合圆盘锯的转速、电流和温度值实时监测过载、卡阻及损伤状态，及时进行回退和处理，起到保护圆盘锯和机器人的作用。

Description

一种树障清理空中机器人的刀具保护装置和方法

技术领域

本发明涉及一种树障清理空中机器人的刀具保护装置和方法，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，表现为树木的增生极大地影响了输电线路的运行安全。各级电力部门每年都要投入大量的人力、物力对辖区内的树障进行清理整治，目前主要依赖于人工清理，效率不高，安全风险大，因此需要一种电力线路通道树障自动清理空中机器人。

当空中机器人进行树障清理时，前端刀具会受到树木的轴向反作用力以及上下俯仰、左右偏航、滚转等反作用力矩，不利于空中机器人的飞行姿态稳定与控制，因此需要设计针对树障反作用力与力矩的检测与机器人保护控制方法，以及针对作业刀具的过载、卡死与损伤的检测与保护方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种树障清理空中机器人的刀具保护装置和方法，能够实现机器人作业刀具和飞行机器人的保护，以解决现有技术中存在的的问题。

本发明采取的技术方案为：一种树障清理空中机器人的刀具保护装置，包括连接在飞行平台和作业刀具间的作业臂上的保护关节，保护关节内置有感知树障作用于作业刀具的轴向力、俯仰力矩、航向力矩和滚转力矩的轴向力传感器、俯仰力矩传感器、航向力矩传感器和滚转力矩传感器，轴向力传感器、俯仰力矩传感器、航向力矩传感器和滚转力矩传感器连接到飞行平台内的飞行控制器，飞行控制器连接到刀具控制器和飞行平台内的飞行动力装置，刀具控制器连接着驱动作业刀具的刀具电机、感知作业刀具转速与温度的转速传感器与温度传感器、感知刀具电机工作电流的电流传感器。

优选的，一种树障清理空中机器人的刀具保护装置的保护方法，该方法如下：

1)通过保护关节感知的作业刀具所受树障轴向反作用力或俯仰、航向、滚转反作用力矩，一旦达到或超过预定的保护门限，判定刀具处于过载状态，即令刀具控制器和飞行控制器自动同步进入保护模式：控制作业刀具先刹车后反转，同时控制空中机器人向后运动退出作业。

2)步骤1)中反作用力或力矩若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，具体控制方法如下：

A)设清理树障时保护关节感知的轴向力为X，向后为正，相应的作业门限为λ_X、不灵敏区为δ_X，其中，λ_X＞0，0≤δ_X＜λ_X，有：

若X<0，判定空中机器人受到树障的前向拉力，飞行控制器可采取如下方法之一：①控制飞行平台向前运动微调，若X正向增加则继续当前清障作业，若X不变或负向增加则转到②；②控制飞行平台进入悬停，同时通过飞行平台内的通信模块向地面人员发送安全报警信息，以求人工干预；

若X＜λ_X-δ_X，飞行控制器控制飞行平台向前运动微调，使轴向力增大，实现轴向自动作业进给；

若|X-λ_X|≤δ_X，飞行控制器控制飞行平台保持悬停，轴向进给量为零；

若X＞λ_X+δ_X，飞行控制器控制飞行平台向后运动微调，使轴向力减小，实现轴向自动保护回退；

B)设清理树障时保护关节感知的航向力矩为N，俯视向右为正，相应的作业门限为λ_N、不灵敏区为δ_N，其中，λ_N＞0，0≤δ_N＜λ_N，有：

若|N|＜λ_N-δ_N，飞行控制器控制飞行平台向使|N|增大的方向运动微调航向，实现水平侧向自动作业进给；

若||N|-λ_N|≤δ_N，飞行控制器控制飞行平台保持当前航向，水平侧向进给量为零；

若|N|＞λ_N+δ_N，飞行控制器控制飞行平台向使|N|减小的方向运动微调航向，实现水平侧向自动保护回退；

C)设清理树障时保护关节感知的俯仰力矩为M，向上为正，相应的不灵敏区为δ_M，其中，δ_M≥0，有：

若|M|＞δ_M，飞行控制器控制飞行平台向使|M|减小的方向运动微调高度；

若|M|≤δ_M，飞行控制器控制飞行平台保持当前高度。

优选的，一种树障清理空中机器人的刀具保护装置的保护方法，该方法如下：

在树障清理过程中，根据刀具控制器所感知的刀具转速、刀具温度和电机电流，可对刀具的过载、卡阻及损伤状态进行评估：

1)若电机电流超过电流预定门限，判定刀具过载或卡阻；

2)若刀具转速低于转速预定门限，判定刀具过载或卡阻；

3)若刀具温度超过温度预定门限，判定刀具过载或卡阻；

4)若电机电流或刀具转速出现周期性的脉动，判定刀具有损伤，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脉动变化，将引起刀具转速和电机电流的周期性脉动；

一旦出现1)-4)中任一情况，即快速通过刀具控制器向刀具电机输出先刹车后反转指令、通过飞行控制器向飞行动力装置输出反向回退指令，以实现空中机器人保护性退避，同时通过飞行平台内的通信模块向地面人员发送安全报警信息。

本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

1)本发明在保护关节中设置能够感知作业刀具所受树障反作用力与力矩的轴向力传感器、俯仰力矩传感器、航向力矩传感器和滚转力矩传感器，据此设计了空中机器人作业保护与控制方法，一方面提高了空中机器人在树障清理过程中的自我安全保护能力，另一方面通过自动作业进给机制有效提升了空中机器人的清障作业效率与自动化程度；

2)根据刀具控制器所感知的刀具转速、刀具温度和电机电流，设计了刀具过载、卡阻及损伤状态的门限评估机制，并在刀具出现过载、卡阻及损伤情况时，通过刀具控制器对刀具电机实施先刹车后反转控制，并配合空中机器人保护性退避，实现对刀具、电机、空中机器人的有效保护。

附图说明

图1为本发明的空中机器人结构示意图；

图2为本发明的保护关节结构示意图；

图3为本发明的控制系统结构示意图。

图中，1—飞行平台，2—机械臂，3—保护关节，4—接头，5—刀具控制器，6—刀具架，7—刀具电机，8—作业刀具，9—温度传感器；

1201—固定叉，1202—十字轴，1203—活动叉，1204—圆柱套，1205—弹簧，1206—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3所示，一种树障清理空中机器人，包括飞行平台1、固连于飞行平台1前方向前伸出的机械臂2、位于机械臂2前部具有受力缓冲与作业力度感知功能的保护关节3、与机械臂2前端连接的刀具组件；刀具组件包括通过接头4与机械臂2前端连接的刀具架6、位于刀具架6前端的刀具电机7、由刀具电机7驱动且位于刀具架6下方的作业刀具8、固定于或内置于刀具架6并对刀具电机7实施转速控制的刀具控制器5；飞行平台1包括飞行动力装置和飞行控制器，飞行动力装置在飞行控制器的控制下，能为空中机器人提供升力、前进推力与侧向动力以及三轴操纵力矩，使空中机器人具有姿态稳定与位置控制功能(包括悬停)，并且可在清障作业过程中为空中机器人提供前向进给或后向回退的精确微调水平动力，同时保持机器人的姿态水平与高度不变。在多旋翼飞行器上安装前后推进的涵道推进器是飞行平台1的一种解决方案。

一种树障清理空中机器人的刀具保护装置，包括连接在飞行平台1和作业刀具8间的作业臂上的保护关节3，保护关节3内置有感知树障作用于作业刀具8的轴向力、俯仰力矩、航向力矩和滚转力矩的轴向力传感器、俯仰力矩传感器、航向力矩传感器和滚转力矩传感器，轴向力传感器、俯仰力矩传感器、航向力矩传感器和滚转力矩传感器连接到飞行平台1内的飞行控制器；刀具架6上安装有温度传感器9，温度传感器9的探头正对作业刀具8的边缘，用于感知作业刀具8的温度；刀具电机7内置感知作业刀具8转速的转速传感器；刀具控制器5内置有感知刀具电机7工作电流的电流传感器；飞行控制器连接到刀具控制器5和飞行动力装置，刀具控制器5连接着刀具电机7、刀具转速传感器、刀具温度传感器9及电机电流传感器。

上述转速传感器可采用光电式(如光电编码器)、磁电式(包括霍尔效应)等类型，温度传感器9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、霍尔传感器、串接电阻分压取样等类型；刀具控制器5为定制设计，需要针对具体类型的传感器设置相应的模拟量(电压或电流)或脉冲量、数字量(包括总线)等类型接口。

上述作业臂为两段结构，并通过保护关节3连接为一体，保护关节3具有受力缓冲与作业力度感知功能，包括固定叉1201、十字轴1202、活动叉1203、圆柱套1204、弹簧1205和螺钉1206，固定叉1201、活动叉1203、圆柱套1204均为中空圆柱形，十字轴1202分别通过轴承与固定叉1201的前部、活动叉1203的后部连接，由此构成具有上下旋转(俯仰)和左右旋转(航向)自由度的万向节，固定叉1201的后部与作业臂的后段固连，圆柱套1204的前部与作业臂的前段固连，圆柱套1204的后部以可轴向滑动、可相对旋转(滚转)的套筒形式与活动叉1203的前部连接，弹簧1205为圆柱形，以包裹形式安装于固定叉1201、活动叉1203和圆柱套1204的外部，弹簧1205的两端通过两螺钉1206分别与固定叉1201和圆柱套1204固连。

十字轴1202与固定叉1201之间设有感知二者相对左右旋转(航向)幅度的航向角度传感器，十字轴1202与活动叉1203之间设有感知二者相对上下旋转(俯仰)幅度的俯仰角度传感器，圆柱套1204与活动叉1203之间设有感知二者轴向相对运动(轴向)幅度的轴向位移传感器、感知二者相对旋转运动(滚转)幅度的滚转角度传感器。其中，上述各角度传感器均可采用光电编码器或电位器等，上述位移传感器可采用滑动变阻器或光栅尺等，作用力或力矩的计算：通过各位移传感器和角度传感器测得的位移与弹簧的拉伸刚度、弯曲刚度以及扭转刚度，进行计算获得各个作用力(拉伸或压缩)或力矩(俯仰力矩、航向力矩、扭转力矩)。

采用标定方法标定保护关节12的两端(圆柱套1204与固定叉1201)相对受力-位移或受力矩-角度的曲线，从而得出保护关节12的轴向刚度曲线、俯仰刚度曲线、航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12两端的受力或力矩。

保护关节3的工作原理如下：

A)保护关节3构建的轴向、俯仰、航向、滚转四个方向的机械缓冲自由度，可在空中机器人作业时对作业刀具8受到的树障反作用力或力矩进行有效缓冲，减弱反作用力或力矩对空中机器人飞行姿态的影响；当反作用力或力矩为0时，保护关节3回复原样；

B)保护关节3内置的轴向、俯仰、航向、滚转四个方向位移或角度的传感器，可用于感知作业刀具8作业时受到的树障反作用力或力矩，这些反作用力或力矩可作为刀具进给或退出、空中机器人专业保护与控制的输入，使清障控制更加安全、准确与高效。作用力或力矩的计算：通过各位移传感器或角度传感器测得的位移与弹簧的拉伸刚度、弯曲刚度以及扭转刚度，进行计算获得各个作用力(拉伸或压缩)或力矩(俯仰力矩、航向力矩、扭转力矩)。

飞行控制器为定制设计，针对上述线位移传感器和角度传感器设有相应的模拟量(电压或电流)、脉冲量、数字量(包括总线)等类型接口，与飞行动力装置之间采用PWM或总线接口，与通信模块、刀具控制器5之间分别采用总线接口。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，飞行平台1还包含向所述刀具组件供电的电池，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，作业刀具8为金属、陶瓷或复合材料材质的薄片状圆盘锯。

优选的，接头4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4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。

实施例2：一种树障清理空中机器人的刀具保护装置的保护方法，该方法如下：

1)通过保护关节3感知的作业刀具8所受树障轴向反作用力或俯仰、航向、滚转反作用力矩，一旦达到或超过预定的保护门限，可判定刀具处于过载状态，即令刀具控制器5和飞行控制器自动同步进入保护模式：控制作业刀具8先刹车后反转，同时控制空中机器人向后运动退出作业；

2)步骤1)中反作用力或力矩若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，具体控制方法如下：

A)设清理树障时保护关节3感知的轴向力为X，向后为正，相应的作业门限为λ_X、不灵敏区为δ_X，其中，λ_X＞0，0≤δ_X＜λ_X，有：

若X<0，判定空中机器人受到树障的前向拉力，飞行控制器可采取如下方法之一：①控制飞行平台1向前运动微调，若X正向增加则继续当前清障作业，若X不变或负向增加则转到②；②控制飞行平台1进入悬停状态，同时通过飞行平台1内的通信模块向地面人员发送安全报警信息，以求人工干预；

若X＜λ_X-δ_X，飞行控制器控制飞行平台1向前运动微调，使轴向力增大，实现轴向自动作业进给；

若|X-λ_X|≤δ_X，飞行控制器控制飞行平台1保持悬停，轴向进给量为零；

若X＞λ_X+δ_X，飞行控制器控制飞行平台1向后运动微调，使轴向力减小，实现轴向自动保护回退；

B)设清理树障时保护关节3感知的航向力矩为N，俯视向右为正，相应的作业门限为λ_N、不灵敏区为δ_N，其中，λ_N＞0，0≤δ_N＜λ_N，有：

若|N|＜λ_N-δ_N，飞行控制器控制飞行平台1向使|N|增大的方向运动微调航向，实现水平侧向自动作业进给；

若||N|-λ_N|≤δ_N，飞行控制器控制飞行平台1保持当前航向，水平侧向进给量为零；

若|N|＞λ_N+δ_N，飞行控制器控制飞行平台1向使|N|减小的方向运动微调航向，实现水平侧向自动保护回退；

C)设清理树障时保护关节3感知的俯仰力矩为M，向上为正，相应的不灵敏区为δ_M，其中，δ_M≥0，有：

若|M|＞δ_M，飞行控制器控制飞行平台1向使|M|减小的方向运动微调高度；

若|M|≤δ_M，飞行控制器控制飞行平台1保持当前高度。

实施例3：一种树障清理空中机器人的刀具保护装置的保护方法，该方法如下：

在树障清理过程中，根据刀具控制器5所感知的刀具转速、刀具温度和电机电流，可对刀具的过载、卡阻及损伤状态进行评估：

1)若电机电流超过电流预定门限，判定刀具过载或卡阻；

2)若刀具转速低于转速预定门限，判定刀具过载或卡阻；

3)若刀具温度超过温度预定门限，判定刀具过载或卡阻；

4)若电机电流或刀具转速出现周期性的脉动，判定刀具有损伤。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1)-4)中任一情况，即快速通过刀具控制器5向刀具电机7输出先刹车后反转指令、通过飞行控制器向飞行动力装置输出反向回退指令，以实现空中机器人保护性退避，同时通过飞行平台1内的通信模块向地面人员发送安全报警信息。

上述空中机器人具有如下优点：

1)保护关节设有轴向、俯仰、航向、滚转四个方向的机械缓冲自由度，可对作业刀具受到的树障反作用力或力矩进行缓冲与衰减；

2)保护关节设有感知树障施加的轴向、俯仰、航向、滚转四个方向反作用力和力矩的传感器，配合所设计的空中机器人作业保护与控制方法，提高了空中机器人(包括刀具组件)在树障清理过程中的安全保护能力；

3)对保护关节感知的树障轴向反作用力和航向反作用力矩设置作业门限与不灵敏区，实现了清障作业期间的自动进给与进给量自动调整，有效提升了空中机器人清障作业的效率与自动化程度；

4)根据所感知的刀具转速、刀具温度和电机电流，刀具控制器可对刀具的过载、卡阻及损伤状态进行评估，一旦判定作业刀具过载、卡阻或有损伤，立即对刀具电机实施先刹车后反转控制，并通过飞行控制器向飞行动力装置输出反向回退指令，从而对电机、刀具及空中机器人实施安全保护。

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 (3)

1.一种树障清理空中机器人的刀具保护装置，其特征在于：包括连接在飞行平台(1)和作业刀具(8)间的作业臂上的保护关节(3)，保护关节(3)内置有感知树障作用于作业刀具(8)的轴向力、俯仰力矩、航向力矩和滚转力矩的轴向力传感器、俯仰力矩传感器、航向力矩传感器和滚转力矩传感器，轴向力传感器、俯仰力矩传感器、航向力矩传感器和滚转力矩传感器连接到飞行平台(1)内的飞行控制器，飞行控制器连接到刀具控制器(5)和飞行平台(1)内的飞行动力装置，刀具控制器(5)连接着驱动作业刀具(8)的刀具电机(7)、感知作业刀具(8)转速与温度的转速传感器与温度传感器(9)、感知刀具电机(7)工作电流的电流传感器。

2.根据权利要求1所述的一种树障清理空中机器人的刀具保护装置的保护方法，其特征在于：该方法如下：

1)通过保护关节(3)感知的作业刀具(8)所受树障轴向反作用力或俯仰、航向、滚转反作用力矩，一旦达到或超过预定的保护门限，判定刀具处于过载状态，即令刀具控制器(5)和飞行控制器自动同步进入保护模式：控制作业刀具(8)先刹车后反转，同时控制空中机器人向后运动退出作业。

2)步骤1)中反作用力或力矩若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，具体控制方法如下：

A)设清理树障时保护关节(3)感知的轴向力为X，向后为正，相应的作业门限为λ_X、不灵敏区为δ_X，其中，λ_X＞0，0≤δ_X＜λ_X，有：

若X<0，判定空中机器人受到树障的前向拉力，飞行控制器可采取如下方法之一：①控制飞行平台(1)向前运动微调，若X正向增加则继续当前清障作业，若X不变或负向增加则转到②；②控制飞行平台(1)进入悬停状态，同时通过飞行平台(1)内的通信模块向地面人员发送安全报警信息，以求人工干预；

若X＜λ_X-δ_X，飞行控制器控制飞行平台(1)向前运动微调，使轴向力增大，实现轴向自动作业进给；

若|X-λ_X|≤δ_X，飞行控制器控制飞行平台(1)保持悬停，轴向进给量为零；

若X＞λ_X+δ_X，飞行控制器控制飞行平台(1)向后运动微调，使轴向力减小，实现轴向自动保护回退；

B)设清理树障时保护关节(3)感知的航向力矩为N，俯视向右为正，相应的作业门限为λ_N、不灵敏区为δ_N，其中，λ_N＞0，0≤δ_N＜λ_N，有：

若|N|＜λ_N-δ_N，飞行控制器控制飞行平台(1)向使|N|增大的方向运动微调航向，实现水平侧向自动作业进给；

若||N|-λ_N|≤δ_N，飞行控制器控制飞行平台(1)保持当前航向，水平侧向进给量为零；

若|N|＞λ_N+δ_N，飞行控制器控制飞行平台(1)向使|N|减小的方向运动微调航向，实现水平侧向自动保护回退；

C)设清理树障时保护关节(3)感知的俯仰力矩为M，向上为正，相应的不灵敏区为δ_M，其中，δ_M≥0，有：

若|M|＞δ_M，飞行控制器控制飞行平台(1)向使|M|减小的方向运动微调高度；

若|M|≤δ_M，飞行控制器控制飞行平台(1)保持当前高度。

3.根据权利要求1所述的一种树障清理空中机器人的刀具保护装置的保护方法，其特征在于：该方法如下：

在树障清理过程中，根据刀具控制器(5)所感知的刀具转速、刀具温度和电机电流，可对刀具的过载、卡阻及损伤状态进行评估：

1)若电机电流超过电流预定门限，判定刀具过载或卡阻；

2)若刀具转速低于转速预定门限，判定刀具过载或卡阻；

3)若刀具温度超过温度预定门限，判定刀具过载或卡阻；

4)若电机电流或刀具转速出现周期性的脉动，判定刀具有损伤；

一旦出现1)-4)中任一情况，即快速通过刀具控制器(5)向刀具电机(7)输出先刹车后反转指令、通过飞行控制器向飞行动力装置输出反向回退指令，以实现空中机器人保护性退避，同时通过飞行平台(1)内的通信模块向地面人员发送安全报警信息。