CN110416916A - 用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法及调控机构 - Google Patents

用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法及调控机构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法及调控机构。该姿态调控方法中，位于巡检机器人内部的中央处理器驱动设置在巡检机器人背风侧的姿态调控机构，姿态调控机构产生的拉力与巡检机器人受到的横向风力合力为零。该姿态调控机构包括旋翼组件、轴向旋转组件和摆动旋转组件；中央处理器接收到超声波传感器传递的风力、风向等信息后对迎风侧及背风侧的旋翼进行姿态调控。本发明的巡检机器人姿态调控机构结构简单、可靠性高，可行性好，易于生产和制造，适应于大多数单线双臂巡检机器人，同时还可有效解决风载荷下巡检机器人的平衡问题，具有良好应用前景。

Description

用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法及调控机构
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法及调控机构。
背景技术
高压输电线路一般架设在距离地面60m的高空中，主要受到风、覆冰和气温等环境因素的影响，其中风力影响最为频繁。巡检机器人在架空线路上行驶时，风作用于机器人机体上形成风压，产生水平方向上的载荷，风速越高，风压越大，风载荷也越大，对机器人行驶安全性与巡检可靠性造成很大影响。风载荷对巡检机器人的影响主要包括以下三点：
1、由于强风的存在，使巡检机器人在高压电线上处于大角度的摆动状态，造成巡检机器人运行不平稳，甚至有脱线的可能；
2、巡检机器人处于大角度的摆动中，使机器人在巡检时拍摄的照片不清晰，造成巡检效率的低下；
3、巡检机器人处于大角度的摆动中，对机器人的视觉系统造成影响，由于机器人是根据视觉的来识别障碍物的类型，进而选择不同的越障方式，如果巡检机器人的视觉系统不能正常工作，将造成机器人无法工作，甚至导致误操作的出现。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决巡检机器人在风载荷下的平衡问题，减小风载荷下的机器人摆动倾角，本发明提供一种用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法及调控机构。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：
本发明提供了一种用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法，该姿态调控方法中，位于巡检机器人内部的中央处理器驱动设置在巡检机器人背风侧的姿态调控机构，姿态调控机构产生的拉力与巡检机器人受到的横向风力合力为零。
根据本发明，该姿态调控方法包括以下步骤：
S1：超声波传感器实时检测风速、风向信息并传递给中央处理器；
S2：中央处理器接收到风速、风向信息后进行计算，得出巡检机器人在水平方向的横向受力FX及设置在背风侧的姿态调控机构所需要提供的拉力F；
S3：中央处理器通过电机分别控制迎风侧姿态调控机构的姿态，以及背风侧姿态调控机构输出的转速，保持拉力F与横向受力FX合力为零；
S4：位于巡检机器人内部的角度传感器实时检测巡检机器人的摆动角度θ，判断是否需要启动补偿策略，保持拉力F与横向受力FX合力为零。
根据本发明，步骤S3中，中央处理器控制迎风侧的姿态调控机构的姿态，使其始终朝向风刮来的方向。
根据本发明，步骤S4中，当摆动角度θ超过某设定数值α时，姿态调控机构所产生的拉力F与横向风力FX的合力方向始终与巡检机器人的摆动方向相反。
根据本发明，所述中央处理器和角度传感器连接，所述中央处理器与姿态调控机构连接；
所述超声波传感器设置在巡检机器人的电气箱上部中心位置。
本发明还提出了一种应用在该姿态调控方法中的姿态调控机构，该姿态调控机构包括旋翼组件、轴向旋转组件和摆动旋转组件；
旋翼组件，包括有旋翼、第一电机和旋翼支架，所述旋翼与第一电机的电机轴转动连接，所述第一电机固定在旋翼支架顶部；
摆动旋转组件，包括旋转支座和第二电机，所述旋转支座的一端固定有第二电机，另一端套设在所述旋翼支架的管状支架上，所述旋转支座与所述管状支架之间设有滚针轴承，所述第二电机通过齿轮啮合带动所述旋翼支架转动；
轴向旋转组件，包括旋转轴、第三电机和固定支架，所述旋转轴一端与所述旋转支座固定连接，另一端通过轴承座与所述固定支架固定连接；所述第三电机设置在固定支架内，且与固定支架一端固定连接，所述第三电机的电机轴伸入旋转轴内，带动旋转轴转动。
根据本发明，所述旋翼支架包括有L型支架，所述L型支架分为垂直侧与平行侧，所述管状支架固定在垂直侧，所述第一电机固定在平行侧。
根据本发明，所述第一电机为电动机及发电机一体机，可电力驱动旋翼对外做功，还可受转动的旋翼驱动而进行发电。
根据本发明，第二电机的电机轴伸入旋转支座，且电机轴上套有小齿轮，所述管状支架内固定连接有内齿轮，所述小齿轮与所述内齿轮相啮合。
根据本发明，所述旋转轴上还套有轴用弹性挡圈，用于所述滚针轴承轴向定位。
(三)有益效果
本发明的有益效果是：本发明提出来的巡检机器人姿态调控机构结构较简单、可靠性高，可行性较好，易于生产和制造，具有良好的应用前景，同时巡检机器人风载荷下的姿态调控机构及其调控方法可以适应于大多数单线双臂巡检机器人，有效地解决风载荷下巡检机器人的平衡问题。
附图说明
图1为本发明的姿态调控方法的调控流程示意图；
图2为本发明的姿态调控机构的结构示意图；
图3为本发明的风载荷下的巡检机器人的受力模型图；
图4为本发明的巡检机器人的迎风侧、背风侧示意图；
图5为本发明的姿态调控方法的补偿策略原理示意图；
图6为本发明的巡检机器人输电线运行示意图。
【附图标记说明】
1：旋翼；2：第一电机；3：旋翼支架；31：L型支架；32：管状支架；4：内齿轮；5：第一滚针轴承；6：旋转支座；7：小齿轮；8：第二电机；9：旋转轴；10：第二滚针轴承；11：轴用弹性挡圈；12：轴承座；13：第三电机；14：固定支架；15：超声波传感器。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
如图1所示，本发明提供了一种风载荷下巡检机器人的姿态调控方法，该姿态调控方法中，位于巡检机器人内部的中央处理器驱动设置在巡检机器人背风侧的姿态调控机构，姿态调控机构产生的拉力与巡检机器人受到的横向风力合力为零。
在姿态调控过程中，姿态调控方法主要利用超声波传感器15进行风向信息采集，如图6所示，巡检机器人侧面均对称安装有两个姿态调控机构，为了保证不对机器人的运动产生任何影响，超声波传感器15具体设置在巡检机器人的电气箱上方中心位置处，且该位置处没有较大遮挡，可以更加准确的感受风的信息，精确度较高，野外的环境适应性较好。
如图2所示，该姿态调控机构包括旋翼组件、轴向旋转组件和摆动旋转组件。
旋翼组件包括有旋翼1、第一电机2和旋翼支架3，其中旋翼支架3包括有L型支架31，其中L型支架31分为垂直侧与平行侧，垂直侧固定有管状支架32，平行侧通过螺栓固定有第一电机2，旋翼1设在第一电机2上，其中第一电机2为电动机及发电机一体机，可电力驱动旋翼1对外做功，还可受转动的旋翼1驱动而进行发电。
摆动旋转组件包括旋转支座6和第二电机8，第二电机8通过螺栓固定在旋转支座6上，其中第二电机8伸入旋转支座6的电机轴上套有小齿轮7，旋转支座6套在管状支架32上，旋转支座6与管状支架32之间设有第一滚针轴承5，管状支架32内固定连接有内齿轮4，小齿轮7与内齿轮4相啮合，第二电机8通过齿轮啮合带动旋翼支架3转动。
轴向旋转组件包括旋转轴9、第三电机13和固定支架14，旋转轴9上套有第二滚针轴承10，第二滚针轴承10外还套有轴承座12，旋转轴9一端与旋转支座6固定连接，另一端并通过轴承座12与固定支架14螺栓连接，旋转轴9上还套轴用弹性挡圈11，用于第二滚针轴承10轴向定位，第三电机13设置在固定支架14内，且与固定支架14一端螺栓连接，固定支架14另一端则与巡检机器人侧面螺栓连接，第三电机13的电机轴伸入旋转轴9内，带动旋转轴9转动。
具体的，机器人电气箱内部设置有中央处理器，该中央处理器分别与第一电机、第二电机和第三电机电性连接，控制各电机的转速和转动角度，其中轴向旋转组件可360°内旋转，摆动旋转组件可180°内旋转，两者共同带动旋翼，使旋翼具有两个自由度，可以朝向巡检机器人侧面的任何方向，旋翼的高速旋转产生拉力，进而控制机器人在风载荷下的姿态。
如图3所示，风载荷下的巡检机器人受力可分解为：横向风力FX、升力FY和平行于机器人行驶速度v方向的风力FZ。其中，FZ与v同向或反向，影响巡检机器人的速度与加速度的大小；横向风力FX与升力FY引起机器人两个方向的扰动，具体为以行进线路为轴线的左右横向摆动和上下纵向振动，且呈现一定的周期性。在不考虑地线舞动的情况下，非极端风速下由风载荷引起的升力FY<<mg，对巡检机器人姿态影响较小，故在此不对其进行考虑，因此，如要使巡检机器人在风载荷下保持平衡，就必须在巡检机器人行走过程中尽可能地平衡横向风力。
如图4所示，当巡检机器人在输电线上运行时，机器人的两侧分别为迎风侧和背风侧。其中迎风侧和背风侧均设置有姿态调控机构，超声波传感器检测实时的风速、风向等信息后将其传递给中央处理器；根据得到的风速与风向信息，中央处理器可以计算得出实时风况下的机器人横向所产生的横向风力，并得出背风侧的姿态调控机构所需的转速，进而驱动该姿态调控机构输出同样大小的拉力，使其反向加在巡检机器人本体上，保持巡检机器人受力平衡，进而保持稳定，在这个过程中，背风侧的姿态调控机构不需转动，始终指向机器人的侧面即可。同时，中央处理器还控制迎风侧的姿态调控机构的姿态，使其始终朝向风刮来的方向，风吹动姿态调控机构上的旋翼1转动，旋翼1带动与其连接的第一电机2发电，增加巡检机器人的续航能力。
在姿态调控过程中，野外风况会根据不同地区、不同天气产生巨大差异，更不排除有极端恶劣的大风情况，这时由于超声波传感器和电机等的延迟时间的存在，旋翼所产生的拉力F与横向风力FX必然在某些瞬间不能达到实时平衡或者说两者之间的时间差若超出了一定范围，巡检机器人便会在输电线上摆动起来，当巡检机器人摆动的角度达到一定程度时需要启动补偿策略，迫使巡检机器人快速地停止摆动。因此，中央处理器在控制迎风侧姿态调控机构的转动角度时，还要控制背风侧的姿态调控机构的旋翼1的转速，使其产生的拉力F平衡巡检机器人所受的风载荷在横向的风力FX，进而保持机器人的平衡。一旦机器人在某些极端的风况下失去平衡，摆动角度过大，还会启动补偿措施，使巡检机器人尽快地返回平衡姿态。
补偿策略的原理示意如图5所示，巡检机器人内部装有角度传感器，可实时检测机器人的摆动角度，当设定摆动角度超过某一设定数值α时，旋翼所产生的拉力F与横向风力FX的合力方向始终与巡检机器人的摆动方向相反，从而增大巡检机器人摆动的阻力，使其尽快停止摆动，进而保持平衡。
本发明提出的巡检机器人姿态调控机构结构简单、可靠性高，并易于生产和制造，且该风载荷下的姿态调控机构及其调控方法适应于大多数单线双臂巡检机器人，并有效地解决风载荷下巡检机器人的平衡问题。
需要理解的是，以上对本发明的具体实施例进行的描述只是为了说明本发明的技术路线和特点，其目的在于让本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，但本发明并不限于上述特定实施方式。凡是在本发明权利要求的范围内做出的各种变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法，其特征在于：
该姿态调控方法中，位于巡检机器人内部的中央处理器驱动设置在巡检机器人背风侧的姿态调控机构，姿态调控机构产生的拉力与巡检机器人受到的横向风力合力为零。
2.根据权利要求1所述的用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法，其特征在于：该姿态调控方法包括以下步骤：
S1：超声波传感器实时检测风速、风向信息并传递给中央处理器；
S2：中央处理器接收到风速、风向信息后进行计算，得出巡检机器人在水平方向的横向受力FX及设置在背风侧的姿态调控机构所需要提供的拉力F；
S3：中央处理器通过电机分别控制迎风侧姿态调控机构的姿态，以及背风侧姿态调控机构输出的转速，保持拉力F与横向受力FX合力为零；
S4：位于巡检机器人内部的角度传感器实时检测巡检机器人的摆动角度θ，判断是否需要启动补偿策略，保持拉力F与横向受力FX合力为零。
3.根据权利要求1所述的用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法，其特征在于：
步骤S3中，中央处理器控制迎风侧的姿态调控机构的姿态，使其始终朝向风刮来的方向。
4.根据权利要求1所述的用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法，其特征在于：
步骤S4中，当摆动角度θ超过某设定数值α时，姿态调控机构所产生的拉力F与横向风力FX的合力方向始终与巡检机器人的摆动方向相反。
5.根据权利要求1所述的用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控方法，其特征在于：
所述中央处理器和角度传感器连接，所述中央处理器与姿态调控机构连接；
所述超声波传感器(15)设置在巡检机器人的电气箱上部中心位置。
6.一种应用在权利要求1-5任一所述的姿态调控方法中的姿态调控机构，其特征在于：
该姿态调控机构包括旋翼组件、轴向旋转组件和摆动旋转组件；
旋翼组件，包括有旋翼(1)、第一电机(2)和旋翼支架(3)，所述旋翼(1)与第一电机(2)的电机轴转动连接，所述第一电机(2)固定在旋翼支架(3)顶部；
摆动旋转组件，包括旋转支座(6)和第二电机(8)，所述旋转支座(6)的一端固定有第二电机(8)，另一端套设在所述旋翼支架(3)的管状支架(32)上，所述旋转支座(6)与所述管状支架(32)之间设有滚针轴承(5)，所述第二电机(8)通过齿轮啮合带动所述旋翼支架(3)转动；
轴向旋转组件，包括旋转轴(9)、第三电机(13)和固定支架(14)，所述旋转轴(9)一端与所述旋转支座(6)固定连接，另一端通过轴承座(12)与所述固定支架(14)固定连接；所述第三电机(13)设置在固定支架(14)内，且与固定支架(14)一端固定连接，所述第三电机(13)的电机轴伸入旋转轴(9)内，带动旋转轴(9)转动。
7.根据权利要求6所述的用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控机构，其特征在于：
所述旋翼支架(3)包括有L型支架(31)，所述L型支架(31)分为垂直侧与平行侧，所述管状支架(32)固定在垂直侧，所述第一电机(2)固定在平行侧。
8.根据权利要求6所述的用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控机构，其特征在于：
所述第一电机(2)为电动机及发电机一体机，可电力驱动旋翼(1)对外做功，还可受转动的旋翼(1)驱动而进行发电。
9.根据权利要求6所述的用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控机构，其特征在于：
第二电机(8)的电机轴伸入旋转支座(6)，且电机轴上套有小齿轮(7)，所述管状支架(32)内固定连接有内齿轮(4)，所述小齿轮(7)与所述内齿轮(4)相啮合。
10.根据权利要求6所述的用于巡检机器人在风载荷下的姿态调控机构，其特征在于：
所述旋转轴(9)上还套有轴用弹性挡圈(11)，用于所述滚针轴承(10)轴向定位。
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