CN108608512B - 一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人和调节方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人和调节方法，包括为空中机器人提供升力的多旋翼平台、固定连接在多旋翼平台正下方的机身、布置于多旋翼平台下方位于机身两侧的两个纵向推进器、位于空中机器人左右对称面内且与机身纵向轴平行的前臂和后臂、固连于前臂前端的刀具组件、固连于后臂后端的电池组，前臂和后臂共轴活动嵌套。本发明采用同步伸展或收缩的前臂与后臂结构，便于机器人重心前后位置的调节，可始终确保空中机器人的姿态稳定，有利于工程实现；前臂与后臂收缩后，有效缩小了整机尺寸，便于收纳与携带。

Description

一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人和调节方法
技术领域
本发明涉及一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人和调节方法，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：提供一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人和调节方法，能够实现机器人前后重心位置的自动调节，系统安全性好，清理效率高，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：一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人，包括为空中机器人提供飞行动力的多旋翼平台、固定连接在多旋翼平台正下方的机身、安装于机身上的纵向推进器、位于空中机器人左右对称面内且与机身纵向轴平行的前臂和后臂、固连于前臂前端的刀具组件、固连于后臂后端的电池组，前臂和后臂共轴活动嵌套，纵向推进器朝向刀具组件方向安装。
优选的，上述前臂以前后滑动方式从机身的前方与其连接，后臂以前后滑动方式从机身的后方与其连接，机身内置驱动前臂前后滑动的前臂电机和驱动后臂前后滑动的后臂电机。
优选的，上述多旋翼平台包括左右对称布置的M个电动旋翼，M≥4且为偶数。
优选的，上述纵向推进器的推力轴线与刀具组件的工作平面重合。
优选的，上述前臂为两段结构，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，固定叉的后部与前臂的后段固连，圆柱套的前部与前臂的前段固连，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，上述机身为前后狭长结构。
优选的，上述电池组包括向刀具组件供电的电池和用于飞行控制器供电的电池。
优选的，上述空中机器人，其作业臂动态伸缩调节方法如下：
设左右对称的空中机器人重心为O，多旋翼平台旋翼布局的前后对称面为S0，过O点且平行于S0的面为S，则重心O的前后位置可根据悬停时所有旋翼的转速控制量综合计算获得，首先有俯仰力矩平衡方程
式中，Fi为面S前方旋翼i的升力，Fj为面S后方旋翼j的升力，Li为面S前方旋翼i至面S的距离，Lj为面S后方旋翼j至面S的距离，m、n为偶数，且m+n＝M，设翼的转速控制量与旋翼升力成正比，则上式转化为
式中，Ni为面S前方旋翼i的转速控制量，Nj为面S后方旋翼j的转速控制量。将面S前方所有旋翼等效为一个前部等效旋翼，将面S后方所有旋翼等效为一个后部等效旋翼，则有
式中，LF为前部等效旋翼至面S的距离，LR为后部等效旋翼至面S的距离，计算重心偏移系数
若Q＝1，说明重心O与多旋翼平台的几何中心水平投影重合，即回中，前臂与后臂的长度不需调整；若Q<1，说明重心偏前，可调短前臂或调长后臂使重心后移回中；若Q>1，说明重心偏后，可调长前臂或调短后臂使重心前移回中。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
1)本发明通过清障专用的刀具组件、提供飞行动力的多旋翼平台以及提供水平进给或回退动力的纵向推进器，能够实现输电线路通道内树障的空中快速清理，避免操作人员靠近树障处的高压线路，作业安全性高，可有效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；
2)本发明采用同步伸展或收缩的前臂与后臂结构，便于空中机器人重心位置的前后自动调节，确保空中机器人的姿态稳定，且有利于工程实现；
2)前臂与后臂收缩后，有效缩小了整机尺寸，便于收纳与携带；
3)电池组置于空中机器人的后臂上，起到良好的配重作用，同时前臂与后臂相对机体均可前后动态伸缩，方便空中机器人重心的快速调节，相对单边调节，调节更加快速；
4)本发明采用前臂电机和后臂电机分别带动前臂与后臂进行伸缩，重心调节更加精确；
5)空中机器人由多个电动旋翼提供机器人升力并实施姿态稳定与位置控制，由纵向推进器对清障作业的刀具组件实施进给与退出控制，这种组合驱动的控制方式解耦，十分有利于工程实现；
6)狭长扁平结构的空中机器人，适合于进入树障密集或与导线相交区域实施清障作业；
7)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刀具组件的振动对空中机器人飞行姿态的影响；
8)将纵向推进器的推力轴线设置与刀具组件的工作平面重合，使得纵向推进器的进给推力正向施加在作业刀具上，避免对空中机器人的俯仰姿态产生附加力矩，从而有利于空中机器人的稳定与控制。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为保护关节结构示意图。
图中，1—多旋翼平台，2—机身，3—纵向推进器，4—前臂，5—后臂，6—刀具组件，7—电池组，12—保护关节。
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2所示，一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人，包括为空中机器人提供飞行动力的多旋翼平台1、固定连接在多旋翼平台1正下方的机身2、安装于机身2上的纵向推进器3、位于空中机器人左右对称面内且与机身2纵向轴平行的前臂4和后臂5、固连于前臂4前端的刀具组件6、固连于后臂5后端的电池组7；前臂4和后臂5共轴活动嵌套，纵向推进器3朝向刀具组件6方向安装，刀具组件6通过可拆卸的接头连接到前臂4的前端，接头具有机械与电气双重连接功能，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，便于快速装卸或更换；多旋翼平台1内置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。
优选的，上述前臂4以前后滑动方式从机身2的前方与其连接，后臂5以前后滑动方式从机身2的后方与其连接，机身2内置驱动前臂4前后滑动的前臂电机和驱动后臂5前后滑动的后臂电机。当空中机器人悬停时，通过前臂电机驱动的前臂4与通过后臂电机驱动的后臂5，两者的伸展或收缩保持比例同步，以确保整机重心始终与多旋翼平台1的几何中心水平投影重合；前臂电机固定连接在机身2上，前臂电机的输出轴固定连接前臂齿轮，与前臂齿轮相啮合的前臂齿条固定连接在前臂4上，后臂电机固定连接在机身2上，后臂电机的输出轴固定连接后臂齿轮，与后臂齿轮相啮合的后臂齿条固定连接在后臂5上。
优选的，上述多旋翼平台1包括左右对称布置的M个电动旋翼，M≥4且为偶数。
优选的，上述空中机器人，其作业臂动态伸缩调节方法如下：
设左右对称的空中机器人重心为O，多旋翼平台1上左旋旋翼与右旋旋翼的数量、尺寸及材质相同，定义旋翼布局的前后对称面为S0，过O点的S0的平行面为S，则重心O的前后位置可根据悬停时所有旋翼的转速控制量综合计算获得，首先有俯仰力矩平衡方程
式中，Fi为面S前方旋翼i的升力，Fj为面S后方旋翼j的升力，Li为面S前方旋翼i至面S的距离，Lj为面S后方旋翼j至面S的距离，m、n为偶数，分别为面S前方旋翼和后方旋翼的数量，且m+n＝M，设旋翼的转速控制量与其旋翼升力成正比，则上式转化为
式中，Ni为面S前方旋翼i的转速控制量，Nj为面S后方旋翼j的转速控制量，将面S前方所有旋翼等效为一个前部等效旋翼，将面S后方所有旋翼等效为一个后部等效旋翼，则有
式中，LF为前部等效旋翼至面S的距离，LR为后部等效旋翼至面S的距离。计算重心偏移系数
若Q＝1，说明重心O与多旋翼平台1的几何中心水平投影重合，即回中，前臂4与后臂5的长度不需调整；若Q<1，说明重心偏前，可调短前臂4或调长后臂5使重心后移回中；若Q>1，说明重心偏后，可调长前臂4或调短后臂5使重心前移回中。
优选的，上述纵向推进器3为涵道构型，内置可正反旋转以提供正反推力的涵道螺旋桨，可在保持空中机器人水平姿态和高度不变的前提下，为其精确清障作业提供前进或后退的动力；纵向推进器3的推力轴线与刀具组件6的工作平面重合，可使水平进给推力正向施加在作业刀具上，避免对空中机器人产生附加的俯仰力矩，从而有利于空中机器人的稳定与控制。
优选的，上述前臂4为两段结构，并通过保护关节12连接为一体；如图2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的后部与前臂4的后段固连，圆柱套1204的前部与前臂4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刀具组件6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可感知刀具组件6所受四个方向的树障反作用力或力矩，并作为刀具清障进给或保护退出、空中机器人运动微调的控制输入，使清障控制更加精确。
上述角度传感器可采用光电编码器或电位器，位移传感器可采用滑动变阻器或光栅尺，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)，所述飞行控制器针对以上两种传感器，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，还针对多旋翼平台1的动力装置设置PWM或总线接口，针对通信模块和刀具组件6内置的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。
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。
优选的，基于保护关节12的空中机器人控制方法如下：
1)通过保护关节12感知刀具组件6所受的树障反作用力(轴向)或力矩(俯仰、航向、滚转)，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，即令刀具控制器和飞行控制器自动同步进入保护模式：控制刀具组件6先刹车后反转，同时控制空中机器人向后运动退出作业；
2)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，判定空中机器人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，同时通过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＜λX-δX，飞行控制器控制空中机器人向前运动微调，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。
优选的，上述机身2为前后狭长结构。
优选的，上述电池组7包括向刀具组件6供电的电池和用于空中机器人飞行控制器供电的电池。
优选的，多旋翼平台1包括平台支架、固定连接在平台支架上的多个电动旋翼(数量为≥4的偶数)，电动旋翼包括旋翼螺旋桨和旋翼电机，旋翼螺旋桨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，刀具组件6包括刀具杆和连接在刀具杆上的作业刀具，作业刀具连接有驱动电机，驱动电机固定连接在刀具杆上，刀具杆通过前述接头连接在前臂4的前端。
优选的，空中机器人机身2的下方设有起落架。
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 (5)

1.一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人，其特征在于：包括为空中机器人提供飞行动力的多旋翼平台(1)、固定连接在多旋翼平台(1)正下方的机身(2)、安装于机身(2)上的纵向推进器(3)、位于空中机器人左右对称面内且与机身(2)纵向轴平行的前臂(4)和后臂(5)、固连于前臂(4)前端的刀具组件(6)、固连于后臂(5)后端的电池组(7)，前臂(4)和后臂(5)共轴活动嵌套，纵向推进器(3)朝向刀具组件(6)方向安装；前臂(4)以前后滑动方式从机身(2)的前方与其连接，后臂(5)以前后滑动方式从机身(2)的后方与其连接，机身(2)内置驱动前臂(4)前后滑动的前臂电机和驱动后臂(5)前后滑动的后臂电机；前臂(4)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)的后部与前臂(4)的后段固连，圆柱套(1204)的前部与前臂(4)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；十字轴(1202)与固定叉(1201)之间设有感知二者相对左右旋转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幅度的轴向位移传感器、感知二者相对旋转运动幅度的滚转角度传感器；作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人的伸缩调节方法如下：
设左右对称的空中机器人重心为O，多旋翼平台(1)旋翼布局的前后对称面为S0，过O点且平行于S0的面为S，则重心O的前后位置根据悬停时所有旋翼的转速控制量综合计算获得，首先有俯仰力矩平衡方程
式中，Fi为面S前方旋翼i的升力，Fj为面S后方旋翼j的升力，Li为面S前方旋翼i至面S的距离，Lj为面S后方旋翼j至面S的距离，m、n为偶数，且m+n＝M，设旋翼的转速控制量与旋翼升力成正比，则上式转化为
式中，Ni为面S前方旋翼i的转速控制量，Nj为面S后方旋翼j的转速控制量，将面S前方所有旋翼等效为一个前部等效旋翼，将面S后方所有旋翼等效为一个后部等效旋翼，则有
式中，LF为前部等效旋翼至面S的距离，LR为后部等效旋翼至面S的距离，计算重心偏移系数
若Q＝1，说明重心O与多旋翼平台(1)的几何中心水平投影重合，即回中，前臂(4)与后臂(5)的长度不需调整；若Q<1，说明重心偏前，可调短前臂(4)或调长后臂(5)使重心后移回中；若Q>1，说明重心偏后，可调长前臂(4)或调短后臂(5)使重心前移回中。
2.根据权利要求1所述的一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人，其特征在于：多旋翼平台(1)包括左右对称布置的M个电动旋翼，M≥4且为偶数。
3.根据权利要求1所述的一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人，其特征在于：纵向推进器(3)的推力轴线与刀具组件(6)的工作平面重合。
4.根据权利要求2所述的一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人，其特征在于：机身(2)为前后狭长结构。
5.根据权利要求1所述的一种作业臂可动态伸缩的树障清理空中机器人，其特征在于：电池组(7)包括向刀具组件(6)供电的电池和用于飞行控制器供电的电池。
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