CN112692845A - 一种架空线路巡检机器人及巡检方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种架空线路巡检机器人及巡检方法，包括控制箱体、安装于控制箱体上的巡检机构和行走机构；其中行走机构包括至少两个机械臂组件，机械臂组件包括依次连接的机械臂底座、第一关节模组、第二关节模组、第一机械臂、第三关节模组、第二机械臂和第四关节模组，第二机械臂上设有上下布置的行走轮和压紧轮，第二机械臂上设有张紧机构，用于实现压紧轮与行走轮的张紧控制。本发明通过四自由度机械臂和行走张紧机构的控制提供多种越障方式，同时可针对不同路段实现自适应过程，转弯爬坡能力强，防护等级高，具有结构简单、成本较低、寿命较长等优点。

Description

一种架空线路巡检机器人及巡检方法

技术领域

本发明涉及架空输电线路巡检技术领域，具体涉及一种架空线路巡检机器人及巡检方法。

背景技术

随着现代社会用电需求的猛增，我国输电线路总里程已达到159万公里，这些线路的巡检和保养成为电网的一大难题，目前架空输电线路的巡检方法主要有：

1)望远镜人工检测：该方法劳动强度大，不易检测出细微故障，探测精度低，当输电线路跨域山河湖泊以及密林等人员难以到达的区域时，巡检工作便无法进行。

2)直升飞机航测：考虑到直升机与输电线路之间的安全距离，直升机无法对线路进行近距离观测，该方法存在费用高、难度大、观测精度低等问题，且存在视觉死角，受气候影响明显。

3)人工线上检修：虽然运用这种方法检修观测精度高，但检修时巡检人员作业难度大、效率低，危险性极高。

4)无人机航测：由于高压输电线周围的强磁场对无人机飞行控制系统的干扰，无人机无法靠近且无法环绕导线检测，存在视觉死角，同时受天气影响较大，飞行时间短，成本较高。

5)架空巡线机器人：可长时间在线路上进行巡检并自主充电，不受地理环境和天气的影响，巡检效率高，不用人工干预，同时巡检成本较低，目前已应用于现有的输电线路上。

然而现有的架空巡检机器人仍然存在以下问题：自由度低，需要对现有输电线的防震锤、悬垂线夹和耐张塔等障碍物进行全面改造后才能进行巡检，转弯爬坡能力差，结构复杂笨重，成本较高，防护等级低，受下雨和冰雪天气影响大，寿命低，不利于长时间运行。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种架空线路巡检机器人及巡检方法，通过四自由度机械臂和行走张紧机构的控制提供多种越障方式，同时转弯爬坡能力强，防护等级高，具有结构简单、成本较低、寿命较长等优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供一种架空线路巡检机器人，包括控制箱体、安装于控制箱体上的巡检机构和行走机构；

其中，所述行走机构包括至少两个机械臂组件，所述机械臂组件包括依次连接的机械臂底座、第一关节模组、第二关节模组、第一机械臂、第三关节模组、第二机械臂和第四关节模组，所述第二机械臂上设有上下布置的行走轮和压紧轮；

所述第一关节模组用于实现第二关节模组围绕机械臂底座的旋转驱动，所述第二关节模组、第三关节模组分别用于实现第一机械臂两端在同一竖直面内的旋转驱动，所述第四关节模组用于实现行走轮的旋转驱动，所述第二机械臂上设有张紧机构，用于实现压紧轮与行走轮的张紧控制。

进一步地，为保证行走轮与压紧轮对线路的压紧力，所述行走轮与压紧轮的轮心连线与第二机械臂的中心轴线共面，即行走轮与压紧轮沿第二机械臂布置于线路的上下两侧，而不是错位夹线。

进一步地，所述张紧机构包括驱动电机、齿轮副、齿轮轴、连杆、压紧轮安装板；所述齿轮轴的两端通过连杆与压紧轮安装板固定，所述压紧轮连接于压紧轮安装板上，所述驱动电机通过齿轮副的传动结构带动齿轮轴的转动，进而带动压紧轮绕齿轮轴的转动实现压紧轮与行走轮的张紧控制，结构简单，控制方便。

进一步地，所述第二机械臂上设有障碍检测元件，用于检测识别线路上的障碍物，进而根据识别的障碍特征选择合适的越障策略。

本发明还提供一种基于上述架空线路巡检机器人的巡检方法，包括：所述巡检机器人通过行走机构实现沿线行走和越障行走，并通过巡检机构进行巡检识别；在沿线行走过程中各机械臂组件通过第一关节模组、第二关节模组、第三关节模组调整第一机械臂、第二机械臂的姿态，使行走轮始终沿线路行走。

此外，为保证机器人受力均匀以及压紧轮对电线的压紧力(尤其是爬升段需要较大的压紧力)，该巡检机器人在沿线行走过程中，通过各机械臂组件的姿态调整进一步保证：控制箱体与地面保持平行，且行走轮与压紧轮的轮心连线与线路保持垂直，以实现该巡检机器人对平行、升降、转弯等不同路段的自适应过程。

进一步地，该巡检机器人在巡检过程中会根据识别的障碍特征选择设定的越障策略，进而控制各机械臂组件进行越障行走。

进一步地，所述越障策略包括：当机械臂组件遇到障碍物时，该机械臂组件通过张紧机构驱动压紧轮脱离线路，而后控制机械臂组件继续沿线行走，直至该机械臂组件通过障碍物，则控制该机械臂组件的压紧轮夹紧线路；由此完成各机械臂组件的越障过程。

进一步地，所述越障策略还包括：在机械臂组件的越障过程中，根据识别的障碍特征进一步调整机械臂组件的位姿以避开障碍物或适应线路变化。

进一步地，所述机械臂组件的位姿调整方法包括机械臂组件本身的姿态调整以及相对于其他机械臂组件的位置调整中的一种或多种。

有益效果：本发明提供的架空线路巡检机器人及巡检方法，相对于现有技术，具有以下优点：

1、通过四自由度机械臂和行走张紧机构的控制提供多种越障方式，控制方式灵活多变，不需要改造防震锤和悬垂线夹就可以直接越障，大大降低了巡检成本。

2、通过四自由度机械臂实现机器人的姿态控制，从而实现针对平行、升降、转弯等不同路段的自适应过程，具有较强的适应能力，且结构简单，成本较低，防护等级高，可自主充电并在输电线路上长时间运行。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步描写和阐述。

图1为本发明优选实施例中巡检机器人的整体结构示意图；

图2为本发明优选实施例中第二机械臂末端的结构示意图；

图3为本发明优选实施例中巡检机器人在输电线上行走的状态示意图；

图4-5为本发明优选实施例中巡检机器人跨越防震锤的状态示意图；

图6-9为本发明优选实施例中巡检机器人跨越悬垂线夹的状态示意图；

图10-12为本发明优选实施例中巡检机器人跨越耐张线夹和耐张塔的状态示意图；

图13为本发明优选实施例中巡检机器人的爬坡示意图；

图中的附图标记包括：1、3D激光雷达，2、红外相机，3、控制箱体，4、可见光相机，5、机械臂底座，6、第一关节模组，7、第二关节模组，8、第一机械臂，9、第三关节模组，10、第二机械臂，11、第四关节模组，12、直流电机，13、电机安装板，14、主动斜齿轮，15、从动斜齿轮，16、行走轮，17、齿轮轴，18、压紧轮，19、压紧轮安装板，20、连杆，21、深度相机安装板，22、深度相机，23、电线塔，24、输电线，25、防震锤，26、悬垂线夹，27、耐张线夹，28、辅助线，29、辅助线安装臂，30、爬坡线，31、耐张塔。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的优选实施方式进行描述，以更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。

如图1所示为本发明提供的一种架空线路巡检机器人的优选实施方式，包括控制箱体3、安装于控制箱体上的巡检机构和行走机构，其中控制箱体用于放置电路板和电池等，是机器人的大脑，巡检机构一般包括传感检测、图像采集、定位导航的一种或多种。

本实施例中，巡检机构包含3D激光雷达1、红外相机2、可见光相机4，3D激光雷达用于机器人的环境建图和导航，红外相机用于输电线路的红外测温，可见光相机用于输电线路的拍照和巡检识别。

本实施例中，行走机构包括对称布置的两个四自由度机械臂组件，所述机械臂组件包括依次连接的机械臂底座5、第一关节模组6、第二关节模组7、第一机械臂8、第三关节模组9、第二机械臂10和第四关节模组11，且第二机械臂10上设有上下布置的行走轮16和压紧轮18。

其中机械臂底座5安装于控制箱体3顶部，第一关节模组6用于实现第二关节模组7围绕机械臂底座5的旋转驱动，第二关节模组7、第三关节模组9分别用于实现第一机械臂8两端在同一竖直面内的旋转驱动，第四关节模组11用于实现行走轮16的旋转驱动。

进一步地，为保证行走轮与压紧轮对线路的压紧力，行走轮16与压紧轮18的轮心连线与第二机械臂10的中心轴线共面，即行走轮16与压紧轮18沿第二机械臂10布置于线路的上下两侧，而不是错位夹线。

如图2所示，第二机械臂10上还设有张紧机构，用于实现压紧轮18与行走轮16的张紧控制，以增大机器人在线路上行走的摩擦力，实现爬坡、越障和防跌落功能。

本实施例中，张紧机构包括直流电机12、电机安装板13、齿轮副、齿轮轴17、连杆20、压紧轮安装板19。其中直流电机12通过电机安装板13固定于第二机械臂10上，齿轮副包括交错啮合的主动斜齿轮14、从动斜齿轮15，主动斜齿轮14与直流电机12的输出轴直连，从动斜齿轮15通过齿轮轴17安装于电机安装板13上，齿轮轴17的两端通过连杆20与压紧轮安装板19固定，压紧轮18连接于压紧轮安装板19上。

首先直流电机12通过主动斜齿轮14带动从动斜齿轮15旋转，进而通过齿轮轴17带动连杆20旋转，最后通过压紧轮安装板19带动压紧轮18随之旋转，实现与电线的张紧与脱离控制，结构简单，控制方便，且整个行走与张紧机构的结构基本是对称的，从而保证机器人受力均匀，不易侧翻。

进一步地，所述第二机械臂10上设有障碍检测元件，本实施例中采用深度相机22进行障碍物识别，深度相机22通过深度相机安装板21固定在连杆20上，具有结构简单、成本较低、识别精准等优点。

如图3所示，常见输电线路包含电线塔23、输电线24、防震锤25、悬垂线夹26、耐张线夹27、辅助线28、辅助线安装臂29、爬坡线30和耐张塔31等组成，输电线路巡检主要的障碍物为防震锤25、悬垂线夹26、耐张线夹27和耐张塔31，其中辅助线和辅助线安装臂是为了机器人过耐张线和耐张线塔而搭建的辅助设施。

下面以图3中的输电线路为例，对该巡检机器人的行走过程进行具体说明。

首先当机器人在平行的输电线上行走时，为保证机器人受力均匀，同时保证压紧轮对电线的压紧力，控制两个机械臂的第一机械臂和第二机械臂保持平行并与电线垂直。

如图4-5所示，当前机械臂上的深度相机识别到电线上的防震锤时，通过前机械臂上的直流电机驱动压紧轮旋转以实现与电线的脱离，而后通过前后机械臂的第四关节模组驱动行走轮继续在电线上前进，直至前机械臂通过防震锤，则控制前机械臂上的压紧轮重新夹紧电线。同理后机械臂的越障过程与前机械臂一致：当后机械臂上的深度相机识别到电线上的防震锤时，通过后机械臂上的直流电机驱动压紧轮与电线脱离，而后通过前后机械臂的第四关节模组驱动行走轮继续在电线上前进，直至后机械臂通过防震锤，则控制后机械臂上的压紧轮重新夹紧电线。由此完成电线上防震锤的越障过程。

如图6-8所示，当前机械臂上的深度相机识别到电线上的悬垂线夹时，首先控制前机械臂上的压紧轮与电线脱离，接着后机械臂通过第二关节模组、第三关节模组的驱动实现其第二机械臂与电线保持垂直的同时其第一机械臂向后侧转动，以使控制箱体和前机械臂被整体抬高，即实现前机械臂上的行走轮与电线脱离，而后通过前机械臂的第一关节模组进行旋转运动，使得前机械臂转向避开悬垂线夹，最后通过后机械臂第四关节模组驱动行走轮前进，直至前机械臂通过悬垂线夹，则通过前机械臂第一关节模组的旋转重新将行走轮运动到电线上方，并通过后机械臂第二关节模组、第三关节模组的旋转将控制箱体和前机械臂抬低，这样前机械臂的行走轮就重新落在电线上，进而控制压紧轮压紧电线，由此完成前机械臂对悬垂线夹的越障过程。同理后机械臂的越障过程与前机械臂一样，如图8-9所示。

如图10-12所示，当前机械臂上的深度相机识别到电线上的耐张夹和耐张塔时，首先控制前机械臂上的压紧轮与电线脱离，接着通过前后机械臂上的第四关节模组驱动行走轮在电线上继续前进，同时前机械臂的第一关节模组进行微小的旋转运动，以实现前机械臂转向从输电线运动到辅助线上，并控制前机械臂上的压紧轮压紧电线，由此实现对耐张线夹和耐张塔的越障(也就是换线过程)。而后通过前后机械臂的第四关节模组驱动行走轮使得机器人继续前进，同时通过前后机械臂的第一关节模组进行自适应旋转运动实现机器人的转弯。

同样地，当后机械臂运动到耐张线夹前面时，首先控制后机械臂上的压紧轮与电线脱离，而后通过前后机械臂上的第四关节模组驱动行走轮在电线上进行前进，同时后机械臂的第一关节模组进行微小的旋转运动，以实现后机械臂转向从输电线运动到辅助线上，并控制后机械臂上的压紧轮压紧电线，由此实现对耐张线夹和耐张塔的越障。

在沿辅助线行走过程中，前后机械臂通过压紧轮与辅助线的脱离与张紧控制实现对辅助线安装臂的越障。最后当机器人离开辅助线时，越障操作流程与前面机器人进入辅助线时一致。

如图13所示，当机器人遇到爬坡线时，由于爬坡需要较大的压紧力才能保证机器人不会打滑，同样保证前后机械臂的第二机械臂与电线垂直，具体包括：通过前后机械臂的第二关节模组、第三关节模组进行旋转运动保证第二机械臂与爬坡线垂直，使得机器人具有较强的爬坡能力，同时也保证机器人控制箱体与地面平行，保证机器人在输电线路上的巡检识别和红外测温。

上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。

Claims (10)

1.一种架空线路巡检机器人，其特征在于，包括控制箱体、安装于控制箱体上的巡检机构和行走机构；

其中，所述行走机构包括至少两个机械臂组件，所述机械臂组件包括依次连接的机械臂底座、第一关节模组、第二关节模组、第一机械臂、第三关节模组、第二机械臂和第四关节模组，所述第二机械臂上设有上下布置的行走轮和压紧轮；

所述第一关节模组用于实现第二关节模组围绕机械臂底座的旋转驱动，所述第二关节模组、第三关节模组分别用于实现第一机械臂两端在同一竖直面内的旋转驱动，所述第四关节模组用于实现行走轮的旋转驱动，所述第二机械臂上设有张紧机构，用于实现压紧轮与行走轮的张紧控制。

2.根据权利要求1所述的一种架空线路巡检机器人，其特征在于，所述行走轮与压紧轮的轮心连线与第二机械臂的中心轴线共面。

3.根据权利要求1所述的一种架空线路巡检机器人，其特征在于，所述张紧机构包括驱动电机、齿轮副、齿轮轴、连杆、压紧轮安装板；

所述齿轮轴的两端通过连杆与压紧轮安装板固定，所述压紧轮连接于压紧轮安装板上，所述驱动电机通过齿轮副的传动结构带动齿轮轴的转动，进而带动压紧轮绕齿轮轴的转动实现压紧轮与行走轮的张紧控制。

4.根据权利要求1所述的一种架空线路巡检机器人，其特征在于，所述第二机械臂上设有障碍检测元件，用于检测识别线路上的障碍物。

5.一种基于权利要求1所述架空线路巡检机器人的巡检方法，其特征在于，包括：该巡检机器人通过行走机构实现沿线行走和越障行走，并通过巡检机构进行巡检识别；在沿线行走过程中，各机械臂组件通过第一关节模组、第二关节模组、第三关节模组调整第一机械臂、第二机械臂的姿态，使行走轮始终沿线路行走。

6.一种基于权利要求5所述架空线路巡检机器人的巡检方法，其特征在于，包括：该巡检机器人在沿线行走过程中通过各机械臂组件的姿态调整，进一步保证控制箱体与地面保持平行，且行走轮与压紧轮的轮心连线与线路保持垂直。

7.根据权利要求5所述的一种架空线路巡检机器人的巡检方法，其特征在于，还包括：该巡检机器人在巡检过程中根据识别的障碍特征选择设定的越障策略，进而控制各机械臂组件进行越障行走。

8.根据权利要求7所述的一种架空线路巡检机器人的巡检方法，其特征在于，所述越障策略包括：

当机械臂组件遇到障碍物时，该机械臂组件通过张紧机构驱动压紧轮脱离线路，而后控制机械臂组件继续沿线行走，直至该机械臂组件通过障碍物，则控制该机械臂组件上的压紧轮夹紧线路；由此完成各机械臂组件的越障过程。

9.根据权利要求8所述的一种架空线路巡检机器人的巡检方法，其特征在于，所述越障策略还包括：在机械臂组件的越障过程中，根据识别的障碍特征进一步调整机械臂组件的位姿以避开障碍物或适应线路变化。

10.根据权利要求9所述的一种架空线路巡检机器人的巡检方法，其特征在于，所述机械臂组件的位姿调整方法包括机械臂组件本身的姿态调整以及相对于其他机械臂组件的位置调整中的一种或多种。

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