CN113560839B - 一种基于无人机系统的多自由度检修装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无人机系统的多自由度检修装置，包括主旋转轴、机械爪、机械爪推进机构、双自由度对准机构、销钉微调对准机构、打火机构及机械臂，主旋转轴顶端安装机械臂，主旋转轴上套装双自由度对准机构及销钉微调对准机构，销钉微调对准机构的一端设置有打火机构，销钉微调对准机构的另一端设置有机械爪推进机构，机械爪推进机构上固定安装机械爪，机械爪用于夹持销钉。本发明设计科学合理，主要完成输电线路导线上金具部位补装锁紧销作业，通过与无人机系统连接，实现检修作业功能。

Description

一种基于无人机系统的多自由度检修装置

技术领域

本发明属于无人机检修作业技术领域，涉及无人机系统工作平台带电作业工具，特别涉及一种基于无人机系统的多自由度检修装置。

背景技术

架空输电线路运行检修过程中，导线金具上锁紧销缺失问题极为常见，且此类问题属于危急缺陷，危急缺陷消除时间不应超过24小时，或临时采取确保线路安全的技术措施进行处理，随后消除。若金具连接部位开口销缺失，极易引起螺帽脱落，导致掉线事故的发生，造成人身或者电网负荷及财产的重大损失。

目前，根据全部缺陷具体分析后，一般缺陷和严重缺陷均可不停电处理，锁紧销缺失类的危急缺陷目前有两种处理方式，一是申请临时停电进行停电作业处理，二是进行带电作业。每年停电数量应根据公司承载力及电网运行方式确定，在承载力一定的条件下，无法满足每一年全部线路均进行一次停电消缺，导致每年均会遗留部分危急缺陷，危及线路安全稳定运行。带电作业无法实现人员远离带电体，作业风险极大，且停电和带电作业均面临人员高处坠落、触电、人为差错风险。

故根据目前所面临的问题，结合无人机系统研制补装锁紧销专用工具的研究具有重大意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于无人机系统的多自由度检修装置，主要完成输电线路导线上金具部位补装锁紧销作业，通过与无人机系统连接，实现检修作业功能。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种基于无人机系统的多自由度检修装置，其特征在于：包括主旋转轴、机械爪、机械爪推进机构、双自由度对准机构、销钉微调对准机构、打火机构及机械臂，所述主旋转轴顶端安装所述机械臂，所述主旋转轴上套装所述双自由度对准机构及销钉微调对准机构，所述销钉微调对准机构的一端设置有所述打火机构，所述销钉微调对准机构的另一端设置有机械爪推进机构，所述机械爪推进机构上固定安装所述机械爪，所述机械爪用于夹持销钉。

而且，所述机械爪推进机构包括推进电机、推进导轨座及推进丝杆，所述推进电机与机械爪通过推进导轨座连接，所述推进电机与机械爪之间通过所述推进丝杆传动。

而且，所述销钉微调对准机构包括微调对准盘、微调转轴及伺服电机，所述微调对准盘套装于所述主旋转轴上，所述微调对准盘的一侧设置有微调转轴及伺服电机，所述伺服电机与微调转轴通过微调齿轮连接，所述微调转轴的下端连接至所述推进导轨座。

而且，所述双自由度对准机构包括上下对准电机、丝杆、轴向固定齿轮及旋转对准电机，所述上下对准电机安装于所述机械臂上，所述上下对准电机与所述微调对准盘通过丝杆连接，所述轴向固定齿轮套装于所述主旋转轴下端，所述旋转对准电机安装于所述微调对准盘上，所述旋转对准电机与所述轴向固定齿轮啮合安装。

而且，所述机械臂包括平行设置的两条轨道、移动小车及L臂旋转单元，所述移动小车通过驱动电机及定位轮卡装在所述两条轨道上内，所述移动小车内设置有同步带，所述驱动电机驱动同步带使移动小车沿轨道运动，所述L臂旋转单元与所述移动小车一体组装，所述L臂旋转单元包括L臂、L臂转盘电机、L臂旋转轴、L臂旋转电机及L臂转盘，L臂转盘电机驱动L臂转盘使得L臂沿自身自转，L臂旋转电机驱动L臂旋转轴使得L臂沿垂直方向转动。

而且，所述机械臂与所述微调对准盘之间设置有二连杆。

而且，所述主旋转轴包括中空主轴及同轴套装于所述中空主轴内的电磁芯轴，所述中空主轴采用碳纤维材料。

而且，所述L臂旋转电机选用扭矩大于30kg*cm的蜗杆大扭矩减速电机。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，通过无人机系统控制降落并锁止在绝缘子串前端，在线路不停电情况下通过操控机载机械臂直接处理锁紧销缺失类危急缺陷，代替传统人工高处作业处理的方式，可直接避免人员高空作业所面临的高处坠落和触电以及人为差错风险，直接避免人身事故的发生。

2、本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，可及时消除输电线路中的危急缺陷，降低电网运行的安全风险，提高危急缺陷处理的时效性，保证了电网安全稳定运行，深化无人机在检修作业中的智能化应用，实用性及可推广性极强。

3、本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，机械爪推进机构包括推进电机、推进导轨座及推进丝杆，推进电机与机械爪通过推进导轨座连接，推进电机与机械爪之间通过推进丝杆传动，整体重量轻，推进电机与机械爪之间通过推进丝杆传动，提高推进力，用以推动夹持销钉的机械爪向螺栓内销钉孔推进，达到穿入销钉的目的。

4、本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，销钉微调对准机构包括微调对准盘、微调转轴及伺服电机，微调对准盘套装于主旋转轴上，微调对准盘的一侧设置有微调转轴及伺服电机，伺服电机与微调转轴通过微调齿轮连接，微调转轴的下端连接至推进导轨座，通过伺服电机控制机械爪进行旋转微调，使销钉微调后顺利进入螺栓销钉孔。

5、本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，双自由度对准机构包括上下对准电机、丝杆、轴向固定齿轮及旋转对准电机，上下对准电机安装于机械臂上，上下对准电机与微调对准盘通过丝杆连接，轴向固定齿轮套装于主旋转轴下端，旋转对准电机安装于微调对准盘上，旋转对准电机与轴向固定齿轮啮合安装，当主旋转轴与目标销钉对齐后，通过控旋转对准电机沿轴向固定齿轮的转动，使机械爪旋转寻找销钉孔水平方向的位置，然后控制上下对准电机转动沿主旋转轴垂直方转动，使机械爪旋转寻找销钉孔垂直方向的位置，通过两自由度配合确保销钉准确穿入螺栓内，保证销钉的准确钉入。

6、本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，机械臂包括平行设置的两条轨道、移动小车及L臂旋转单元，移动小车通过驱动电机及定位轮卡装在两条轨道上内，移动小车内设置有同步带，驱动电机驱动同步带使移动小车沿轨道运动，L臂旋转单元与所述移动小车一体组装，L臂旋转单元包括L臂、L臂转盘电机、L臂旋转轴、L臂旋转电机及L臂转盘，L臂转盘电机驱动L臂转盘使得L臂沿自身自转，L臂旋转电机驱动L臂旋转轴使得L臂沿垂直方向转动，通过移动小车沿轨道移动带动L臂下方的任务部移动，使得任务部从无人机端向杆塔金具螺栓端移动，通过L臂转盘电机驱动L臂转盘控制L臂沿自身自传，通过L臂旋转电机驱动L臂旋转轴控制L臂沿垂直方向转动，通过二者的联合作用，使得L臂端部的机械爪能够到达螺栓位置，保证销钉准确进入销钉孔内。

7、本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，机械臂与微调对准盘之间设置有二连杆，增强运动稳定性。

8、本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，主旋转轴包括中空主轴及同轴套装于中空主轴内的电磁芯轴，中空主轴采用碳纤维材料，用以降低整体重量，同时由于机械臂臂展较大，销钉通过机械臂对准销钉孔难度技术难度极大，通过使用旋转轴末端再次磁吸固定的方式，实现机械臂两端固定，保证机械臂的稳定性。

9、本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，L臂旋转电机选用扭矩大于30kg*cm的蜗杆大扭矩减速电机。

附图说明

图1为本发明的结构示意图(机械臂未示出)；

图2为本发明机械爪的结构示意图；

图3为本发明机械爪推进机构的结构示意图；

图4为本发明的另一结构示意图(机械臂未示出)；

图5为本发明主旋转轴的结构示意图；

图6为本发明打火机构的结构示意图；

图7为本发明机械臂的结构示意图；

图8为本发明机械臂的局部结构示意图。

附图标记说明

1-打火机构、2-旋转对准电机、3-二连杆、4-主旋转轴、5-上下对准电机、6-机械臂、7-销钉微调对准机构、8-机械爪推进机构、9-机械爪、10-销钉、11-螺栓、12-推进导轨座、13-推进电机、14-推进丝杆、15-伺服电机、16-微调转轴、17-丝杆、18-轴向固定齿轮、19-微调对准盘、20-电磁芯轴、21-中空主轴、22-点火曲臂、23-点火舵机、24-轨道、25-同步带、26-移动小车、27-主转盘、28-转盘电机、29-L臂、30-驱动电机、31-定位轮、32-L臂转盘电机、33-L臂旋转轴、34-L臂旋转电机、35-L臂转盘。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种基于无人机系统的多自由度检修装置，其创新之处在于：包括主旋转轴4、机械爪9、机械爪推进机构8、双自由度对准机构、销钉10微调对准机构7、打火机构1及机械臂6，所述主旋转轴4顶端安装所述机械臂6，所述主旋转轴4上套装所述双自由度对准机构及销钉10微调对准机构7，所述销钉10微调对准机构7的一端设置有所述打火机构1，所述销钉10微调对准机构7的另一端设置有机械爪推进机构8，所述机械爪推进机构8上固定安装所述机械爪9，所述机械爪9用于夹持销钉10。

本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，通过无人机系统控制降落并锁止在绝缘子串前端，在线路不停电情况下通过操控机载机械臂6直接处理锁紧销缺失类危急缺陷，代替传统人工高处作业处理的方式，可直接避免人员高空作业所面临的高处坠落和触电以及人为差错风险，直接避免人身事故的发生。

本发明基于无人机系统的多自由度检修装置，可及时消除输电线路中的危急缺陷，降低电网运行的安全风险，提高危急缺陷处理的时效性，保证了电网安全稳定运行，深化无人机在检修作业中的智能化应用，实用性及可推广性极强。

机械爪推进机构8包括推进电机13、推进导轨座12及推进丝杆14，推进电机13与机械爪9通过推进导轨座12连接，推进电机13采用N20微型电机，推进电机13与机械爪9之间通过推进丝杆14传动，整体重量轻，推进电机13与机械爪9之间通过推进丝杆14传动，提高推进力，用以推动夹持销钉10的机械爪9向螺栓11内销钉孔推进，达到穿入销钉10的目的。

销钉10微调对准机构7包括微调对准盘19、微调转轴16及伺服电机15，微调对准盘19套装于主旋转轴4上，微调对准盘19的一侧设置有微调转轴16及伺服电机15，伺服电机15与微调转轴16通过微调齿轮连接，微调转轴16的下端连接至推进导轨座12，通过伺服电机15控制机械爪9进行旋转微调，使销钉10微调后顺利进入螺栓11销钉孔，机械臂6与微调对准盘19之间设置有二连杆3，增强运动稳定性。

双自由度对准机构包括上下对准电机5、丝杆17、轴向固定齿轮18及旋转对准电机2，上下对准电机5安装于机械臂6上，上下对准电机5与微调对准盘19通过丝杆17连接，轴向固定齿轮18套装于主旋转轴4下端，旋转对准电机2安装于微调对准盘19上，旋转对准电机2与轴向固定齿轮18啮合安装，当主旋转轴4与目标销钉10对齐后，通过控旋转对准电机2沿轴向固定齿轮18的转动，使机械爪9旋转寻找销钉孔水平方向的位置，然后控制上下对准电机5转动沿主旋转轴4垂直方转动，使机械爪9旋转寻找销钉孔垂直方向的位置，通过两自由度配合确保销钉10准确穿入螺栓11内，保证销钉10的准确钉入。

打火机构1包括点火舵机23及点火曲臂22，点火曲臂22下方通过固定盒装有防风火机，通过点火舵机23控制点火曲臂22提供压力使防风火机点火，由于销钉10本身为单侧开口，带有张力无法直接插入销钉孔，需要使用细棉线将销钉10捆扎，使其前端闭合，才能使用机械爪9，将销钉10插入销钉孔内，待插入销钉孔后，使用打火机构1点火，将销钉10捆扎棉线烧断，销钉10通过自身张力自动弹开。

机械臂6包括平行设置的两条轨道24、移动小车26及L臂旋转单元，移动小车26通过驱动电机30及定位轮31卡装在两条轨道24上内，移动小车26内设置有同步带25，驱动电机30驱动同步带25使移动小车26沿轨道24运动，L臂旋转单元与所述移动小车26一体组装，L臂旋转单元包括L臂29、L臂转盘电机32、L臂旋转轴33、L臂旋转电机34及L臂转盘35，L臂转盘电机32驱动L臂转盘35使得L臂沿自身自转，L臂旋转电机34驱动L臂旋转轴33使得L臂沿垂直方向转动，轨道24上通过四点定位抱箍固定安装有主转盘27，所述主转盘27的端部安装于无人机下方的卡座上，主转盘27有转盘电机28驱动，机械臂6上的L臂29端部与械爪、机械爪推进机构8、双自由度对准机构、销钉10微调对准机构7及打火机构1连接，与无人机形成一个整体，通过移动小车26沿轨道24移动带动L臂29下方的任务部移动，使得任务部从无人机端向杆塔金具螺栓11端移动，通过L臂转盘电机32驱动L臂转盘35控制L臂29沿自身自传，通过L臂旋转电机34驱动L臂旋转轴33控制L臂29沿垂直方向转动，通过二者的联合作用，使得L臂29端部的机械爪9能够到达螺栓11位置，保证销钉10准确进入销钉孔内，L臂旋转电机34选用扭矩大于30kg*cm的蜗杆大扭矩减速电机。

主旋转轴4包括中空主轴21及同轴套装于中空主轴21内的电磁芯轴20，中空主轴21采用碳纤维材料，用以降低整体重量，同时由于机械臂6臂展较大，销钉10通过机械臂6对准销钉孔难度技术难度极大，通过使用旋转轴末端再次磁吸固定的方式，实现机械臂6两端固定，保证机械臂6的稳定性。

本发明的工作原理为：

在机械爪9上夹持安装锁紧销，锁紧销开口端提前使用棉线绑扎，调整机械臂6方向，使其沿机头方向放置，将任务部移动至无人机下方，无人机操控人员控制带有检修装置的无人机从地面起飞至与绝缘子串平行的高度处，调整机头放线与线路方向平行，无人机降落至绝缘子串上方，操控机械臂6沿主转盘27旋转，使机械臂6前端靠近需要检修的金具部位，驱动移动小车26带动L臂29及机械爪9沿机械臂6的轨道24向前移动，使L臂29接近金具部位的螺栓11，驱动L臂旋转电机34使机械爪9与螺栓11垂直方向对齐，驱动转盘电机28使机械爪9沿水平方向接近金具部位的螺栓11，驱动上下对准电机5使电磁芯轴20前端靠近螺栓11端头，驱动旋转对准电机2使机械爪9夹持的锁紧销对准螺栓11的销钉孔，电磁芯轴20通电，使其磁吸与螺栓11顶端，保证任务部与螺栓11相对固定，驱动销钉10微调对准机构7旋转消除不同心影响，使锁紧销能够顺利穿入销钉孔，机械爪推进机构8沿推进导轨座12向前移动，使锁紧销插入销钉孔中；

驱动打火机构1的点火舵机23并按压点火曲臂22，使点火舵机23点火，锁紧销开口端的棉线烧断，锁紧销通过自身张力弹开，并松开机械爪9夹持力使得机械爪推进机构8后退离开螺栓11，驱动移动小车26带动任务部返回无人机下方，操控无人机起飞返回至地面后工作完成。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种基于无人机系统的多自由度检修装置，其特征在于：包括主旋转轴（4）、机械爪（9）、机械爪推进机构（8）、双自由度对准机构、销钉（10）微调对准机构（7）、打火机构（1）及机械臂（6），所述主旋转轴（4）顶端安装所述机械臂（6），所述主旋转轴（4）上套装所述双自由度对准机构及销钉（10）微调对准机构（7），所述销钉（10）微调对准机构（7）的一端设置有所述打火机构（1），所述销钉（10）微调对准机构（7）的另一端设置有机械爪推进机构（8），所述机械爪推进机构（8）上固定安装所述机械爪（9），所述机械爪（9）用于夹持销钉（10）；

所述机械爪推进机构（8）包括推进电机（13）、推进导轨座（12）及推进丝杆（14），所述推进电机（13）与机械爪（9）通过推进导轨座（12）连接，所述推进电机（13）与机械爪（9）之间通过所述推进丝杆（14）传动；

所述销钉（10）微调对准机构（7）包括微调对准盘（19）、微调转轴（16）及伺服电机（15），所述微调对准盘（19）套装于所述主旋转轴（4）上，所述微调对准盘（19）的一侧设置有微调转轴（16）及伺服电机（15），所述伺服电机（15）与微调转轴（16）通过微调齿轮连接，所述微调转轴（16）的下端连接至所述推进导轨座（12）；

所述双自由度对准机构包括上下对准电机（5）、丝杆（17）、轴向固定齿轮（18）及旋转对准电机（2），所述上下对准电机（5）安装于所述机械臂（6）上，所述上下对准电机（5）与所述微调对准盘（19）通过丝杆（17）连接，所述轴向固定齿轮（18）套装于所述主旋转轴（4）下端，所述旋转对准电机（2）安装于所述微调对准盘（19）上，所述旋转对准电机（2）与所述轴向固定齿轮（18）啮合安装。

2.根据权利要求1所述的基于无人机系统的多自由度检修装置，其特征在于：所述机械臂（6）包括平行设置的两条轨道（24）、移动小车（26）及L臂旋转单元，所述移动小车（26）通过驱动电机（30）及定位轮（31）卡装在所述两条轨道（24）上内，所述移动小车（26）内设置有同步带（25），所述驱动电机（30）驱动同步带（25）使移动小车（26）沿轨道（24）运动，所述L臂旋转单元与所述移动小车（26）一体组装，所述L臂旋转单元包括L臂（29）、L臂转盘（35）电机（32）、L臂旋转轴（33）、L臂旋转电机（34）及L臂转盘（35），L臂转盘（35）电机（32）驱动L臂转盘（35）使得L臂（29）沿自身自转，L臂旋转电机（34）驱动L臂旋转轴（33）使得L臂（29）沿垂直方向转动。

3.根据权利要求1所述的基于无人机系统的多自由度检修装置，其特征在于：所述机械臂（6）与所述微调对准盘（19）之间设置有二连杆（3）。

4.根据权利要求1所述的基于无人机系统的多自由度检修装置，其特征在于：所述主旋转轴（4）包括中空主轴（21）及同轴套装于所述中空主轴（21）内的电磁芯轴（20），所述中空主轴（21）采用碳纤维材料。

5.根据权利要求2所述的基于无人机系统的多自由度检修装置，其特征在于：所述L臂旋转电机（34）选用扭矩大于30kg*cm的蜗杆大扭矩减速电机。

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