CN112003190B - 一种用于输电线路维护的空中作业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于输电线路维护的空中作业机器人，包括无人机平台、Delta并联机构以及切除作业机构，所述Delta并联机构固定在所述无人机平台下方，所述切除作业机构固定在所述Delta并联机构的末端；所述切除作业机构至少包括夹紧机构支撑板、夹紧机构以及电热丝，所述夹紧机构固定于所述夹紧机构支撑板上，所述夹紧机构上形成容纳空间用于容纳输电线路，所述电热丝设固定于所述夹紧机构上并横穿所述容纳空间。本发明提供的所述空中作业机器人能够从上方对飘挂物进行切除，由于电热丝直接将飘挂物与输电线路的连接点进行了切除，所以不存在残留物剩下的情况，切除效果更好。

Description

一种用于输电线路维护的空中作业机器人

技术领域

本发明属于输电线路异物处理的技术领域，具体涉及一种用于输电线路维护的空中作业机器人。

背景技术

输电线路障碍物是影响电网安全稳定运行的重要隐患，而飘挂物为最为常见的一类障碍物，且出现地点不可预测，特别是在沿海地区，由于台风的影响地面上的广告横幅、塑料薄膜等生活垃圾很容易被吹起而缠绕在输电线路上，从而极易造成线路跳闸影响电网稳定运行。同时，飘挂物种类繁多且遍布范围广也给电网巡查工作人员来很大的劳动强度和不便。

目前的飘挂物清理主要依赖于人工清理或者采用无人机加喷火装置的方式将输电线路上的漂浮物焚烧处理，其中人工清理方法需要工作人员攀爬到输电线路上人工手动将漂浮物定点清除存在效率不足，安全风险大的缺点，而无人机加喷火装置的方式危险系数高、且在输电线路上会剩余残渣对线路输电性能有一定的影响，同时如果是在山区作业飘落的可燃物在大风的影响下容易造成森林火灾。

为此，需要一种空中作业机器人能够替代人工清理，保证工人的安全问题以及避免对环境造成安全威胁，以及降低输电线路残渣残留的概率。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中所存在安全问题以及环境问题，提供一种全新的用于输电线路维护的空中作业机器人，能够保证工人的安全，同时操作简单，既能快速、高效地完成清理工作，也不会对环境安全造成威胁。

一种用于输电线路维护的空中作业机器人，包括无人机平台、Delta并联机构以及切除作业机构，所述Delta并联机构固定在所述无人机平台下方，所述切除作业机构固定在所述Delta并联机构的末端；

所述切除作业机构至少包括夹紧机构支撑板、夹紧机构以及电热丝，所述夹紧机构固定于所述夹紧机构支撑板上，所述夹紧机构上形成容纳空间用于容纳输电线路，所述电热丝设固定于所述夹紧机构上并横穿所述容纳空间。

本发明提供的空中作业机器人，一方面在无人机平台下加载了一个Delta并联机构，基于Delta并联机构的高动态响应特性，可以对无人机在飞行过程中的姿态变换进行动态补偿，实现自稳云台的效果，进而最终降低切除作业机构的扰动程度，提高切除作业机构的定点切除的准确性。二方面，本发明的电热丝横穿了容纳空间，使得夹紧机构固定输电线路时，电热丝必然会与飘挂物充分有效接触，切除效果更好，且利用空中作业机器人可以从输电线路上方作业，为准确控制切除作业机构在飘挂物与输电线路的连接点进行切除提供了帮助，且在连接点进行切除可以更进一步降低剩余物残留的概率。

进一步优选，所述切除作业机构上还设有弹簧支撑板和弹簧，所述弹簧设置于弹簧支撑板与夹紧机构支撑板之间，所述弹簧支撑板、弹簧以及夹紧机构支撑板构成所述切除作业机构的柔顺机构。

当空中机器人的接触输电线路的瞬间或者收到外力作用瞬间，切除作业机构的末端容易受到干扰而左右或上下摆动，导致定位不准。基于本发明构建的所述可伸缩转动的柔顺机构，使空中作业机器人与输电线路柔性接触，相比于刚性接触来说更加安全。

进一步优选，所述夹紧机构内设有隔热柱用于固定电热丝，所述电热丝呈Z字型、X字型或两个Z字反向叠加形状布置。

进一步优选，所述切除作业机构上设有视觉传感器，所述视觉传感器的检测方向朝向所述电热丝，并与水平面呈45度角，以便于机器人作业时，对飘挂物的位置进行准确定位。

进一步优选，所述Delta并联机构包括固定基座、并联机构、移动平台以及Delta并联机构控制板，所述并联机构设置于所述固定基座与所述移动平台之间，所述移动平台上安装有与所述Delta并联机构控制板连接的转动电机，所述转动电机通过移动平台底部的转动电机安装板固定；

所述切除作业机构上设有旋转安装支架，所述切除作业机构与所述Delta并联机构通过转动电机安装板与旋转安装支架连接而相连。

进一步优选，所述Delta并联机构包括固定基座、并联机构、移动平台以及Delta并联机构控制板，所述并联机构设置于所述固定基座与所述移动平台之间；

所述并联机构包括三个驱动关节，所述固定基座的底部设置三个呈120度角分布的位置驱动电机，所述位置驱动电机与所述Delta并联机构控制板连接，用于驱动对应驱动关节，所述驱动关节中主动连杆一端与对应驱动位置电机的输出轴连接，另一端通过半球轴承与从动连杆一端连接，所述从动连杆的另一端通过半球轴承与移动平台连接。

进一步优选，每组从动连杆由至少两根杆件组成，相邻两个杆件之间设有弹簧，利用弹簧可以拉近两个杆件以防止掉落。

进一步优选，所述Delta并联机构包括固定基座、并联机构以及移动平台，所述并联机构设置于固定基座与所述移动平台之间；

所述固定基座上设有用于支撑无人机平台的支架，所述无人机平台与所述Delta并联机构通过所述支架连接。

进一步优选，所述无人机平台为多旋翼无人机平台，所述多旋翼无人机平台包括：至少2个机翼、机架、飞行控制器、电源模块以及机载电脑模块，所述机翼安装于机架最外端，所述飞行控制器、所述电源模块均与所述机载电脑模块连接。

有益效果

本发明提供的用于输电线路维护的空中作业机器人操作简单，使用方便，可以替代人工清理，同时，利用加热丝的热熔技术清理飘挂物的方式相较于喷火方式更安全。且本发明的电热丝横穿了容纳空间，使得夹紧机构固定输电线路时，能够从上方对飘挂物进行切除，由于电热丝直接将飘挂物与输电线路的连接点进行了切除，所以不存在残留物剩下的情况，切除效果更好。

附图说明

图1为本发明实施例提供的空中作业机器人的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的Delta并联作业机构结构示意图；

图3为本发明实施例提供的Delta并联机构结构倒置示意图；

图4为本发明实施例提供的切除作业机构示意图；

图5为本发明实施例提供的进行输电线路维护作业过程示意图；

图6为本发明实施例提供的空中作业机器人姿态变换过程的示意图；

图7为本发明实施例提供的输电线路飘挂物切除作业过程示意图；

图中：101GPS装置，102机翼，103碳纤维安装板1号，104碳纤维安装板2号，105碳纤维安装板3号，106机架，107Delta控制安装板，201铝柱支架，202固定基座，203转动电机，204半球轴承，205从动连杆，206主动连杆，207移动平台，301转动电机安装板，302弹簧，303位置驱动电机，304法兰座，401旋转安装支架，402弹簧支撑板，403视觉传感器，404弹簧，405夹紧机构支撑板，406压缩行程开关，407销轴，408自适应夹紧机构，409电热丝，410隔热铜柱，501输电线路，502飘挂物。

具体实施方式

本发明提供的空中作业机器人将无人机的三维空间运动能力与机器人的操作作业能力结合起来，兼具飞行与作业的功能。同时，选用Delta型并联机构的形式，能够利用其高动态响应性对无人机的姿态变换进行动态补偿，且将切除作业机构中的电热丝安装于机构末端以得到最大的灵巧性。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例1提供的一种用于输电线路维护的空中机器人，其包括为空中机器人提供飞行动力的多旋翼无人机平台、动态补偿无人机姿态变化的四自由度Delta并联机构、进行飘挂清除的切除作业机构。

本实施例中，多旋翼无人机平台包括四个机翼102、机架106、GPS装置101、飞行控制器、电源模块、机载电脑模块。机翼102安装于机架106最外端，机翼102旋转能够为空中作业机器人提供飞行的升力，且四组机翼102分别呈90度分布。

飞行控制器是多旋翼无人机的控制中心，安装于碳纤维安装板2号104上，机载电脑模块安装在碳纤维安装板1号103上，飞行控制器与机载电脑模块相连，具体是通过网口通讯以及串口通讯。其中，运行在机载电脑模块上的应用软件为整个空中作业机器人算法控制的核心，其与飞行控制器和Delta机构控制板107进行信息交互。电源模块安装在碳纤维安装板3号105上，用于直接给机载电脑模块供电。

GPS装置101能够作为无人机定位信息反馈，GPS装置101设于碳纤维安装板1号103上，且处于空中作业机器人的最高点，GPS装置101与机载电脑模块连接，具体是通过网口通讯以及串口通讯，反馈定位信息给机载电脑模块。

其他可行的具体实施例中，GPS装置101、电源模块、机载电脑模块、飞行控制器的安装位置可以进行适当合理的调整，只需其连接满足：GPS装置101、电源模块、飞行控制器均与机载电脑模块电连接或通信连接。

本实施例1中，如图2-图3，Delta并联机构设置在多旋翼无人机平台的下方，且Delta机构为四自由度形式，机器人进行作业时可通过位置驱动电机303驱动关节从而控制机构的空间坐标位置，进而控制末端的切除作业机构。Delta并联机构其主要是包括固定基座202、并联机构、移动平台以及Delta并联机构控制板107。

具体地，Delta并联机构通过固定基座202与多旋翼无人机平台相连，固定基座202上方安装有Delta并联机构控制板107以及三根用于支撑无人机平台的铝柱支架201。

固定基座202下方设置有三个呈120度角分布的位置驱动电机303，用于驱动Delta并联机构的驱动关节。位置驱动电机303与Delta并联机构控制板107连接，本实施例中优选轻量级的电机。位置驱动电机303通过法兰座304固定在固定基座202下方，主动连杆206一侧通过所述法兰座304与驱动位置电机303输出轴连接，且在另一侧通过两个半球轴承204与从动连杆205连接，其中，半轴轴承204能够增大末端运动范围，每组从动连杆205中间设有两个弹簧302以拉紧两个从动连杆205防止掉落，从动连杆205另一端也是通过半球轴承204与移动平台207连接，并且三组机构在移动平台207上构成闭链。

移动平台207中央安装有转动电机203，转动电机203与Delta并联机构控制板107连接，转动电机203驱动末端作业机构并控制其进行旋转，转动电机203通过移动平台207底部的转动电机安装板301固定。

由于旋翼无人机的欠驱动特性，其必须通过调整其姿态角来实现空间运动，从而使得固连在其底部的Delta型作业机构末端出现较大扰动，对精确作业具有较大影响，本发明利用Delta型作业工具的逆运动学来补偿由无人机姿态变动而导致末端作业工具扰动的问题。具体流程为通过接收Delta机构的目标位置和当前无人机平台的IMU姿态信息数据经过逆运动学的姿态扰动补偿得到Delta并联机构的设定关节角度向量，并将其发送给Delta并联机构控制板107。具体如下：

先建立无人空中作业机器人的坐标系，如图6所示，

表示世界坐标系，z_I竖直向上且为重力的反方向，O_I为世界坐标系的原点。

表示飞行平台的机体坐标系，其坐标原点O_V优选设置于飞行平台的几何中心，且z_V方向为上。

为Delta机构坐标系，其原点O_B为Delta机构与飞行平台的安装点。飞行平台姿态变化时(图中为偏离中间位置)，若无姿态补偿控制则末端作业工具会运动到P点之外的位置P’，因此，本实施例的目标是通过主动控制作业机构的运动使得末端作业工具维持在P点，执行过程如下：

获取空中作业机器人的姿态信息；

基于姿态信息计算出位置补偿向量

基于逆运动学利用所述位置补偿向量进行姿态扰动补偿控制。如图6所示：

式中，O_B是初始状态下机械手基坐标系

的原点，O'_B是姿态变换后机械手基坐标系

的原点，P为末端作业工具的目标位置，

为位置补偿向量，

是初始状态的机械手基坐标

下末端作业工具的目标位置向量，^Vt_V'和^VR_V'分别是姿态变换前后飞行平台机体坐标系的平移偏移和旋转变换矩阵，I_3×3是恒等矩阵，^Vt_B为初始状态的机械手基坐标

与飞行平台机体坐标系

的原始偏移向量，T为矩阵转置符号。

最后，利用逆运动学求解出对应的关节角度变量，将其发送给Delta并联机构控制板。本发明在无人机平台下加载了一个Delta并联机构，基于Delta并联机构的高动态响应特性，可以对无人机在飞行过程中的姿态变换进行动态补偿，实现自稳云台的效果，进而最终降低切除作业机构的扰动程度，提高切除作业机构的定点切除的准确性。

具体地，Delta并联机构的大部分驱动电机都安装在基座部分使得质量大部分分布于基座202上，便于末端的高动态响应。

其他可行的具体实施例中，Delta并联机构的具体结构可以进行适当合理的调整，只需其至少能满足姿态扰动补偿功能以及控制切除作业机构旋转运动的功能，譬如：主动连杆、冲动连杆、移动平台之间的连接结构并未唯一结构，其他机械机构也能实现其连接关系，本发明对此不进行具体的限定。

如图4，切除作业机构设置在Delta并联机构的下方，切除作业机构与移动平台通过转动电机安装板301与旋转安装支架401连接而相连。旋转安装支架401下方通过螺丝与弹簧支撑板402相连，视觉传感器403安装于旋转安装支架401和弹簧支撑板402其中一边的连接处，并且镜头朝向电热丝409与水平面约45度角，便于机器人作业时对飘挂物的位置进行定位。弹簧支撑板402下方固定有两根弹簧404且弹簧404的另一边固定在夹紧机构支撑板405上，弹簧支撑板402与夹紧机构支撑板405通过一个销轴407固定，弹簧支撑板402、弹簧404、夹紧机构支撑板405以及销轴407构成柔顺机构，当空中机器人进行飘挂物清除作业时，如果电热丝409压到电线上则会补偿左右摆动的位移和上下位移，相对来说比刚性接触更加安全，夹紧机构支撑板405上还安装有一个压缩行程开关406，且夹紧机构支撑板405两头分别安装有自适应夹紧机构408，自适应夹紧机构408为自适应调节夹紧程度的元件，自适应夹紧机构408内设有4个隔热铜柱410用于固定电热丝409，电热丝409呈Z字型安装在夹紧机构支撑板405下方的对角线位置，如图7所示，这样就能从上方对飘挂物进行定点切除，并且切除效果非常好，没有剩余残留。其他可行的具体实施例中，电热丝呈X字型或两个Z字反向叠加形状布置也是可以实现较佳效果，对应隔热铜柱的个数以及材质可以进行改变。

如图5，空中机器人作业时，首先通过视觉传感器403引导使得作业机构从上方向输电线路501运动，作业机构与输电线路501进行接触，且在自适应夹紧机构408作用下加热丝409能够与输电线路501紧密接触，从而保证飘挂物502的有效快速切除，切除作业完成后机构向上运动离开输电线路501。

本实施例1中选择多旋翼无人机是基于其具有空中悬停、垂直起降等优势，适合输电线路的野外作业场合，在其他可行的具体实施例中，可以选择其他类型的无人机提供飞行功能；以及可以选择其他自由度的Delta并联机构，譬如3自由度、6自由度，本发明对此不进行具体的限定。

需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于输电线路维护的空中作业机器人，其特征在于：包括无人机平台、Delta并联机构以及切除作业机构，所述Delta并联机构固定在所述无人机平台下方，所述切除作业机构固定在所述Delta并联机构的末端；

所述切除作业机构至少包括夹紧机构支撑板、夹紧机构以及电热丝，所述夹紧机构固定于所述夹紧机构支撑板上，所述夹紧机构上形成容纳空间用于容纳输电线路，所述电热丝固定于所述夹紧机构上并横穿所述容纳空间；

其中，所述Delta并联机构基于逆运动学利用位置补偿向量进行姿态扰动补偿控制，所述位置补偿向量的公式如下：

式中，O_B是初始状态下机械手基坐标系

的原点，O'_B是姿态变换后机械手基坐标系

的原点，P为末端作业工具的目标位置，

为位置补偿向量，

是初始状态的机械手基坐标

下末端作业工具的目标位置向量，^Vt_V'和^VR_V'分别是姿态变换前后飞行平台机体坐标系的平移偏移和旋转变换矩阵，I_3×3是恒等矩阵，^Vt_B为初始状态的机械手基坐标

与飞行平台机体坐标系

的原始偏移向量，T为矩阵转置符号。

2.根据权利要求1所述的空中作业机器人，其特征在于：所述切除作业机构上还设有弹簧支撑板和弹簧，所述弹簧设置于弹簧支撑板与夹紧机构支撑板之间，所述弹簧支撑板、弹簧以及夹紧机构支撑板构成所述切除作业机构的柔顺机构。

3.根据权利要求1所述的空中作业机器人，其特征在于：所述夹紧机构内设有隔热柱用于固定电热丝，所述电热丝呈Z字型、X字型或两个Z字反向叠加形状布置。

4.根据权利要求1所述的空中作业机器人，其特征在于：所述切除作业机构上设有视觉传感器，所述视觉传感器的检测方向朝向所述电热丝，并与水平面呈45度角。

5.根据权利要求1所述的空中作业机器人，其特征在于：所述Delta并联机构包括固定基座、并联机构、移动平台以及Delta并联机构控制板，所述并联机构设置于所述固定基座与所述移动平台之间，所述移动平台上安装有与所述Delta并联机构控制板连接的转动电机，所述转动电机通过移动平台底部的转动电机安装板固定；

所述切除作业机构上设有旋转安装支架，所述切除作业机构与所述Delta并联机构通过转动电机安装板与旋转安装支架连接而相连。

6.根据权利要求1所述的空中作业机器人，其特征在于：所述Delta并联机构包括固定基座、并联机构、移动平台以及Delta并联机构控制板，所述并联机构设置于所述固定基座与所述移动平台之间；

所述并联机构包括三个驱动关节，所述固定基座的底部设置三个呈120度角分布的位置驱动电机，所述位置驱动电机与所述Delta并联机构控制板连接，用于驱动对应驱动关节，所述驱动关节中主动连杆一端与对应位置 驱动电机的输出轴连接，另一端通过半球轴承与从动连杆一端连接，所述从动连杆的另一端通过半球轴承与移动平台连接。

7.根据权利要求6所述的空中作业机器人，其特征在于：每组从动连杆由至少两根杆件组成，相邻两个杆件之间设有弹簧。

8.根据权利要求1所述的空中作业机器人，其特征在于：所述Delta并联机构包括固定基座、并联机构以及移动平台，所述并联机构设置于固定基座与所述移动平台之间；

所述固定基座上设有用于支撑无人机平台的支架，所述无人机平台与所述Delta并联机构通过所述支架连接。

9.根据权利要求1所述的空中作业机器人，其特征在于：所述无人机平台为多旋翼无人机平台，所述多旋翼无人机平台包括：至少2个机翼、机架、飞行控制器、电源模块以及机载电脑模块，所述机翼安装于机架最外端，所述飞行控制器、所述电源模块均与所述机载电脑模块连接。

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