CN108551907A - 一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可纵向弯曲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，机体前端通过作业臂连接到作业刀具，作业刀具连接有刀具电机，刀具电机固定连接在作业臂的前端，作业臂上设有使其纵向折弯的内置驱动电机的纵向弯曲关节。本发明通过机体安装旋翼组件以及在作业臂上设置纵向弯曲关节，可使作业臂在纵向平面内弯曲，确保作业刀具垂直于待清理树枝，有效提升树障清理效率，减少刀具打滑，通过空中机器人清理树障，效率高，避免操作人员靠近树障处的高压输电线，操作更加安全，可有效降低操作风险，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。
Description
技术领域
本发明涉及一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，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：提供一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，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：一种可纵向弯曲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，机体的前端通过作业臂连接到作业刀具，作业刀具连接有刀具电机，刀具电机固定连接在作业臂的前端，作业臂上设有使其纵向折弯的内置驱动电机的纵向弯曲关节。
优选的，上述作业臂包括机械臂和刀具杆，机械臂一端固定连接在机体上，另一端固定连接刀具杆。
优选的，上述平台支架或机体或作业臂上安装有摄像头，摄像头的镜头朝向作业刀具方向。
优选的，上述作业臂包括从前到后依次连接的前臂、中臂和后臂，前臂与中臂通过纵向弯曲关节连接，中臂与后臂采用折叠结构或伸缩结构连接。
优选的，上述中臂的后端通过折叠关节连接于后臂的前端。
优选的，上述中臂的后端活动地套接在后臂的前端并采用锁紧器锁紧。
优选的，上述作业臂为两段结构，并通过保护关节连接为一体，保护关节包括固定叉、十字轴、活动叉、圆柱套、弹簧和螺钉，固定叉、活动叉、圆柱套均为中空圆柱形，十字轴分别通过轴承与固定叉的前部、活动叉的后部连接，由此构成万向节，固定叉的后部与作业臂的后段固连，圆柱套的前部与作业臂的前段固连，圆柱套的后部以可轴向滑动、可相对旋转的套筒形式与活动叉的前部连接，弹簧为圆柱形，以包裹形式安装于固定叉、活动叉和圆柱套的外部，弹簧的两端通过两螺钉分别与固定叉和圆柱套固连。
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，上述作业臂通过减振装置连接到机体的下端。
优选的，上述作业臂活动地穿过减振装置并在其后端固定连接电池组，或减振装置的后端通过伸缩杆固定连接电池组。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
1)本发明在机体安装旋翼组件并在作业臂上设置纵向弯曲关节，通过在纵向平面内弯曲作业臂，尽可能使作业刀具垂直于待清理树枝进行作业，从而有效提升树障清理效率，减少刀具打滑；采用该空中机器人清理树障，可避免操作人员靠近树障处的高压输电线，有效降低风险提高作业安全性，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)空中机器人由旋翼组件提供升力并实施姿态稳定与位置控制，作业时结合纵向弯曲关节的同步控制以实现清障进给，系统结构与控制方式简单，易于工程实现；
3)空中机器人中臂与后臂之间采用折叠方式或伸缩方式连接，有效缩小了整机尺寸，便于收纳与携带，伸缩方式也便于重心位置的调整；
4)空中机器人总体结构扁平，配合纵向弯曲关节和摄像头观察带来的可视化作业刀具变向，相比单纯的水平进给方式，可在对树障实施精准切割的同时减少空中机器人深入枝叶茂密区域的几率，从而降低了作业风险；
5)通过摄像头可对树障的外部形态、树障清理的效果进行近距离观察，并实时监视作业刀具的工作状态；
6)所设置的保护关节具有四个方向的机械缓冲自由度，可有效减弱树障反作用力或力矩以及作业刀具的振动对空中机器人飞行姿态的影响；
7)通过减振装置可有效滤除作业刀具的振动对机体的影响；
8)电池组置于空中机器人的后部，起到良好的配重作用，同时作业臂相对机体可前后调节或电池组通过伸缩杆连接到机体后部，可实现空中机器人重心快速调节；
9)本空中机器人可用于对大型设备与建筑物进行高空安装、清洁或维修等作业。
附图说明
图1为本发明的结构示意图(折叠式作业臂)；
图2为本发明的结构示意图(伸缩式作业臂)；
图3为减振装置结构示意图；
图4为折叠关节结构示意图(伸展使用状态)；
图5为折叠关节结构示意图(折叠收纳状态)；
图6为保护关节结构示意图；
图7为保护关节整体示意图。
图中，1—旋翼，2—旋翼电机，3—平台支架，4—机体，5—电池组，6—纵向弯曲关节，7—后臂，8—减振装置，9—中臂，10—折叠关节，11—前臂，12—保护关节，13—刀具杆，14—刀具电机，15—作业刀具，16—接头，17—摄像头，18—锁紧器，19—机械臂，20—作业臂；
801—上板，802—弹簧-阻尼器，803—下板；
1001—前拐臂，1002—后拐臂，1003—铰接轴，1004—台阶轴，1005—锁定螺母，1006—螺杆；
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7所示，一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，包括平台支架3和作业刀具15，平台支架3对称连接在机体4上，机体4位于平台支架3的中心部位，平台支架3上连接有多个旋翼组件，机体4的前端通过作业臂20连接到作业刀具15，作业刀具15连接有刀具电机14，刀具电机14固定连接在作业臂20的前端，作业臂20上设有使其纵向折弯的内置驱动电机的纵向弯曲关节6，纵向弯曲关节6类似于现有机器人的机械臂，通过电机与减速器驱动作业臂20弯曲；还包括安装于平台支架3或机体4上用于空中机器人姿态稳定与轨迹控制的飞行控制器、用于传输飞行数据与机载图像的通信模块，其中飞行控制器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。
优选的，刀具电机14连接有驱动其旋转的刀具控制器，刀具控制器内置于作业臂20或机体4内，并与飞行控制器连接；刀具电机14内置感知作业刀具15转速的转速传感器，刀具控制器内置有感知刀具电机14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，上述作业臂20包括机械臂19和刀具杆13，机械臂19一端固定连接在机体4上，另一端通过接头16固定连接刀具杆13，接头16具有机械与电气双重连接功能，便于快速装卸或更换，收纳更方便；接头16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。
优选的，上述平台支架3或机体4或作业臂20上安装有摄像头17，摄像头17的镜头朝向作业刀具15方向；摄像头17安装在作业臂20上时采用套接架；摄像头17用于监视前方树障的外部形态、树障的被清理状况、作业刀具15的工作状态，便于进行作业刀具15的进给或退出控制。
优选的，上述作业臂20包括从前到后依次连接的前臂11、中臂9和后臂7，前臂11与中臂9通过纵向弯曲关节6连接，中臂9和后臂7采用折叠结构或伸缩结构连接；伸缩结构可使空中机器人的整体重心与平台支架3中心的投影重合，也便于收纳；前臂11、中臂9和后臂7为多边形截面管或圆管，当为伸缩结构时，圆管带有防扭转导向凹槽。
优选的，上述中臂9的后端通过折叠关节10连接于后臂7的前端，如图4、图5所示，折叠关节10包括设置在中臂9后端的前拐臂1001、设置在后臂7前端的后拐臂1002和锁定装置，前拐臂1001与后拐臂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后臂7前端并与后臂7共轴的台阶轴1004、固连在中臂9的后端并与中臂9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。该折叠关节结构简单，易于实现，能有效避免振动导致的锁定松脱，可对作业臂20进行快速伸展锁定或折叠收纳。
优选的，上述中臂9的后端活动地套接在后臂7的前端并采用锁紧器18锁紧，中臂9和后臂7共轴线，锁紧器18包括设置在套接外管上的一或多个相对于作业臂20轴线的径向锁紧螺栓。
优选的，上述作业臂20为两段结构，并通过保护关节12连接为一体；如图6、图7所示，保护关节12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20的后段固连，圆柱套1204的前部与作业臂20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。保护关节12拥有四个方向的机械缓冲自由度，可有效减弱树障反作用力或力矩以及作业刀具15的振动对空中机器人飞行姿态的影响。
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，因此保护关节12可感知作业刀具15所受四个方向的树障反作用力或力矩，并作为刀具进给或退出、空中机器人姿态或高度微调的控制输入，使清障控制更加精确。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：通过各个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。
所述飞行控制器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，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的转速指令，并依此驱动旋翼电机2转动；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，上述机体4的下端设置有减振装置8，作业臂20通过减振装置8连接到机体4的下端。如图3所示，减振装置8包括上板801、下板803和弹簧-阻尼器802，上板801与机体4固连，下板803通过一组或多组左右对称分布的弹簧-阻尼器802连接到上板801，后臂7与下板803连接。
优选的，上述作业臂20活动地穿过减振装置8的下板803并在其后端固定连接电池组5，通过锁紧螺栓可将作业臂20锁紧在减振装置8上，由此可对空中机器人的整体重心进行调节。
优选的，减振装置8后端通过伸缩杆固定连接电池组5，并采用锁紧螺栓对伸缩杆进行锁定，由此可对空中机器人的整体重心进行调节。
优选的，电池组5包括向旋翼组件供电、向纵向弯曲关节6的驱动电机供电、向刀具电机14和刀具控制器供电、向飞行控制器和机载传感器供电的电池。
优选的，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，机体4底部还设置有起落架。
优选的，机体4中设置有飞行控制器，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)，计算各个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)执行清障进给指令时，根据树障枝条的生长方向与切割位置，同步：①向纵向弯曲关节6输出运动指令，驱动该关节转动以保持作业刀具15相对被清理树枝的垂直角度；②向所有旋翼组件输出转速指令，驱动机体4向前倾转并配合调整升力，使空中机器人形成沿刀具平面向前进给的推进动力，同时保持树障枝条干扰下的机器人姿态稳定；两者的协同最终使作业刀具15沿其旋转平面向前推进并以接近垂直的角度切入树障枝条；
3)执行退出指令时，首先驱动作业刀具15先刹车后反转，然后同步：①调节纵向弯曲关节6以保持作业刀具15相对被清理树枝的垂直角度；②调节旋翼转速使机体4向后倾转并配合调节升力，使空中机器人沿刀具平面向后运动退出作业；以上两者的相同可避免退出过程中刀具的卡阻或折损；当作业刀具15脱离树障一定距离后，空中机器人自动恢复水平悬停；
4)通过保护关节12感知作业刀具15所受的树障反作用力(轴向)或力矩(俯仰、航向、滚转)，一旦反作用力或力矩达到或超过预定的保护门限，可判定刀具处于过载状态，即令刀具控制器和飞行控制器自动同步进入保护模式：控制作业刀具15先刹车后反转，同时控制空中机器人沿作业刀具15的旋转平面向后运动退出作业；若上述反作用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，具体控制方法如下：
A)设清障时保护关节12感知的轴向力为X，向后为正，相应的作业门限为λX、不灵敏区为为δX，其中，λX＞0，0≤δX＜λX，有：
——若X<0，判定作业刀具15受到树障的前向拉力，飞行控制器可采取如下措施之一：①控制空中机器人沿刀具平面向前运动微调，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控制空中机器人进入悬停状态，并通过通信模块向地面站发送安全报警信息，以求人工干预；
——若X＜λX-δX，飞行控制器控制空中机器人沿刀具平面向前运动微调，使轴向力增大，实现轴向自动作业进给；
——若|X-λX|≤δX，飞行控制器控制空中机器人保持悬停，轴向进给量为零；
——若X＞λX+δX，飞行控制器控制空中机器人沿刀具平面向后运动微调，使轴向力减小，实现轴向自动保护回退。
B)设清障时保护关节12感知的航向力矩为N，俯视向右为正，相应的作业门限为λN、不灵敏区为δN，其中，λN＞0，0≤δN＜λN，有：
——若|N|＜λN-δN，飞行控制器控制空中机器人向使|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|-λN|≤δN，飞行控制器控制空中机器人保持当前航向，水平侧向进给量为零；
——若|N|＞λN+δN，飞行控制器控制空中机器人向使|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)设清障时保护关节12感知的俯仰力矩为M，向上为正，相应的不灵敏区为δM，其中，δM≥0，有：
——若|M|＞δM，飞行控制器控制空中机器人向使|M|减小的方向运动微调高度；
——若|M|≤δM，飞行控制器控制空中机器人保持当前高度。
5)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15的过载、卡阻及损伤状态，评估方法如下：
——电流超过电流预定门限，可判定作业刀具15过载或卡阻；
——转速低于转速预定门限，可判定作业刀具15过载或卡阻；
——电流或转速出现周期性的脉动，可判定作业刀具15有损伤。原因在于，往复工作的作业刀具15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、电机电流的周期性脉动。
一旦出现上述步骤5)中任一情况即快速通过刀具控制器向刀具电机14输出先刹车后反转指令、向飞行控制器输出后退运动指令，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。
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)
1.一种可纵向弯曲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(15)，平台支架(3)对称连接在机体(4)上，平台支架(3)上连接有多个旋翼组件，机体(4)的前端通过作业臂(20)连接到作业刀具(15)，作业刀具(15)连接有刀具电机(14)，刀具电机(14)固定连接在作业臂(20)的前端，作业臂(20)上设有使其纵向折弯的内置驱动电机的纵向弯曲关节(6)。
2.根据权利要求1所述的一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，其特征在于：作业臂(20)包括机械臂(19)和刀具杆(13)，机械臂(19)一端固定连接在机体(4)上，另一端固定连接刀具杆(13)。
3.根据权利要求1所述的一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，其特征在于：平台支架(3)或机体(4)或作业臂(20)上安装有摄像头(17)，摄像头(17)的镜头朝向作业刀具(15)方向。
4.根据权利要求2所述的一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，其特征在于：机械臂(19)包括从前到后依次连接的前臂(11)、中臂(9)和后臂(7)，前臂(11)与中臂(9)通过纵向弯曲关节(6)连接，中臂(9)与后臂(7)采用折叠结构或伸缩结构连接。
5.根据权利要求4所述的一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，其特征在于：中臂(9)的后端通过折叠关节(10)连接于后臂(7)的前端。
6.根据权利要求4所述的一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，其特征在于：中臂(9)的后端活动地套接在后臂(7)的前端并采用锁紧器(18)锁紧。
7.根据权利要求1所述的一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，其特征在于：作业臂(20)为两段结构，并通过保护关节(12)连接为一体，保护关节(12)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，由此构成万向节，固定叉(1201)的后部与作业臂(20)的后段固连，圆柱套(1204)的前部与作业臂(20)的前段固连，圆柱套(1204)的后部以可轴向滑动、可相对旋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。
8.根据权利要求1所述的一种可纵向弯曲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。
9.根据权利要求1所述的一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，其特征在于：作业臂(20)通过减振装置(8)连接到机体(4)的下端。
10.根据权利要求9所述的一种可纵向弯曲的树障清理空中机器人，其特征在于：作业臂(20)活动地穿过减振装置(8)并在其后端固定连接电池组(5)，或减振装置(8)的后端通过伸缩杆固定连接电池组(5)。
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