CN114865530A - 巡线机器人及其避障方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种巡线机器人，包括X轴移动模组，X轴移动模组滑动连接至少一个机械臂，机械臂沿X轴方向水平运动；机械臂包括行走机构、伸缩机构和倾斜机构，行走机构包括悬张爪、行走轮和行走轮电机，悬张爪设置于行走轮之上，行走电机驱动行走轮沿地线行走；伸缩机构包括第三驱动源和升降座，第三驱动源的输出端连接升降座，驱动升降座升降避让障碍物；倾斜机构包括第四驱动源、底座和倾斜轴承，倾斜轴承和行走机构连接，底座开设至少一个滑槽且倾斜轴承沿滑槽滚动，第四驱动源驱动行走机构倾斜避让障碍物；底座和X轴移动模组滑动连接。本发明能在大高差场景下完成越障巡检。

Description

巡线机器人及其避障方法

技术领域

本发明涉及电力线路巡检技术领域，尤其是指一种巡线机器人及其避障方法。

背景技术

在电力行业，最主要的长距离输送电方式是架空输电线路，因此输电线路的稳定安全就直接影响着整个供电系统的稳定安全，是国家基础设施和社会发展的“动脉”，起着至关重要的作用。

目前主要的巡检方式为人工巡检与无人机巡检。人工巡检目前主要靠肉眼或者望远镜等辅助装备去观察线路的缺损，上述方式效率低。

无人机巡检是靠无人机的摄像头来观察线路的情况，上述方式操控难，飞行速度快，勘察的准确性不高。

因此输电线路沿地线巡线机器人在架空线路巡检应用上有很大的前景。

目前国内外已有一些不同类型的输电线路巡线机器人，它们可以快速沿着输电线路地线通过输电塔，有一定的越障能力，但在大高差输电线路场景中，即输电线路倾斜角度较大时，目前的输电线路巡线机器人基本没有安全、可靠的越障方式，为了提高电力巡检的效率和智能化程度，亟需解决该问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种巡线机器人及其避障方法。

本发明所采用的技术方案如下：

一种巡线机器人，包括X轴移动模组，所述X轴移动模组滑动连接至少一个机械臂，所述机械臂沿X轴方向水平运动；

所述机械臂包括行走机构、伸缩机构和倾斜机构，所述行走机构包括悬张爪、行走轮和行走轮电机，所述悬张爪设置于所述行走轮之上，所述行走电机驱动所述行走轮沿地线行走；

所述伸缩机构包括第三驱动源和升降座，所述第三驱动源的输出端连接所述升降座，驱动所述升降座升降避让障碍物；

所述倾斜机构包括第四驱动源、底座和倾斜轴承，所述倾斜轴承和所述行走机构连接，所述底座开设至少一个滑槽且所述倾斜轴承沿所述滑槽滚动，所述第四驱动源驱动所述行走机构倾斜避让障碍物；所述底座和所述X轴移动模组滑动连接。

其进一步的技术特征在于：所述悬张爪包括爪骨和多个爪叶，多个所述爪叶沿所述爪骨的径向等角度设置，且所述爪骨的中心和所述行走轮的中心重合。

其进一步的技术特征在于：所述爪叶的数量为三个，三个所述爪叶之间形成120°的夹角。

其进一步的技术特征在于：所述爪叶的形状为月牙型或圆形尖口。

其进一步的技术特征在于：所述滑槽呈45°圆弧状。

其进一步的技术特征在于：所述机械臂还包括夹紧机构，和所述行走机构相互配合压紧所述地线；所述夹紧机构包括第一驱动源、第二支座和至少一个夹紧轮，所述第一驱动源连接并驱动所述第二支座进行升降运动，所述第二支座内固定至少一个所述夹紧轮。

其进一步的技术特征在于：所述机械臂还包括旋转机构，所述旋转机构连接所述行走机构，驱动所述行走机构绕其中心旋转，适配所述地线在水平方向存在角度变化。

其进一步的技术特征在于：所述机械臂还包括Y轴移动机构，所述Y轴移动机构和所述底座滑动连接，所述Y轴移动机构驱动所述机械臂沿Y轴方向水平运动。

其进一步的技术特征在于：还包括机箱，所述机箱支承所述X轴移动模组。

一种避障方法，利用上述所述的巡线机器人，其特征在于：所述巡线机器人判断地线的障碍物类型，若障碍物为防震锤时，所述伸缩机构驱动所述升降座下降避让所述防震锤；若障碍物为拖挂时，所述伸缩机构驱动所述升降座下降，并且所述倾斜机构驱动所述行走机构倾斜避让所述拖挂。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本发明在大高差输电线路场景中，可以通过夹紧轮组增大行走轮与地线的摩擦力，避免发生严重打滑或机械臂脱落等意外情况，增强了大高差地线巡线机器人的可靠性。

另外，每个机械臂既可以独立完成旋转、倾斜、X轴平移等动作，亦可以通过复合动作执行高效简洁的越障动作，跨越地线上的悬挂障碍物例如防震锤或拖挂，大大提高了输电线路的巡线效率。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的第一视角的结构示意图。

图2是本发明的第二视角的结构示意图。

图3是本发明的侧视图。

图4是机械臂的第一视角的结构示意图。

图5是机械臂的第二视角的结构示意图。

图6是机械臂的主视图。

图7是行走轮的结构示意图。

图8是第一越障动作的第一状态示意图。

图9是第一越障动作的第二状态示意图。

图10是第二越障动作的第一状态示意图。

图11是第二越障动作的第二状态示意图。

说明书附图标记说明：1、机械臂；2、X轴移动模组；3、机箱；100、行走机构；101、悬张爪；1011、爪骨；1012、第一爪叶；1013、第二爪叶；1014、第三爪叶；102、行走轮；103、传动模块；104、上沿微动开关；105、第一支座；200、夹紧机构；201、夹紧轮；202、第二支座；203、下沿微动开关；204、第一驱动源；300、旋转机构；301、第二驱动源；302、第三支座；400、伸缩机构；401、第三驱动源；402、升降座；500、倾斜机构；501、连接轴；502、滚轮；503、倾斜滑槽；504、第四驱动源；505、底座；600、Y轴移动机构；601、Y轴直线模组；602、Y轴滑块支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考附图对实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明，此外，在全部实施例中，相同的附图标号表示相同的元件。

实施例1：

结合图1-图6，一种巡线机器人，包括X轴移动模组2，X轴移动模组2滑动连接至少一个机械臂1，机械臂1沿X轴方向水平运动。

机械臂1包括行走机构100、伸缩机构400和倾斜机构500，行走机构100包括悬张爪101、行走轮102和行走轮电机，悬张爪101设置于行走轮102之上，行走电机驱动行走轮沿地线行走。

伸缩机构400包括第三驱动源401和升降座402，第三驱动源401的输出端连接升降座402，驱动升降座402升降避让障碍物。

倾斜机构500包括第四驱动源504、底座505和倾斜轴承，倾斜轴承和行走机构100连接，底座505开设至少一个滑槽503且倾斜轴承沿滑槽503滚动，第四驱动源504驱动行走机构100倾斜避让障碍物。底座505和X轴移动模组2滑动连接。

上述提供一种巡线机器人，通过伸缩机构400和/过倾斜机构500完成在大高差场景下的越障巡检。

在本实施例中，X轴移动模组2包括X轴滑块支架、X轴平移电机和X轴滚珠丝杠，底座505和X轴滑块支架固定连接。X轴平移电机通过X轴滚珠丝杠实现直线运动，带动X轴滑块支架沿X轴发生平移，实现所在机械臂1的X轴平移运动。X轴滚珠丝杠套件与机箱上表面使用焊接方式进行固定。

在本实施例中，行走升降弹簧装设于行走机构100下方，采用拉簧进行实现。当行走轮102在Z轴方向需要发生升降时，拉簧将被动拉伸和复原，使得行走轮102适应场景需要进行升降。升降高度在装配机器人时，根据任务需求和拉簧性能进行确定。

在本实施例中，行走机构100还包括第一支座105，第一支座105支承行走轮102。

在本实施例中，行走轮102为带有凹槽的胶轮，在行走轮电机的带动下，可沿着地线进行前后行走，行走轮102的凹槽宽度略大于地线线径，且行走轮102的凹槽面为斜坡面，便于地线嵌入其中。

如图7所示，在本实施例中，悬张爪101包括爪骨1011和多个爪叶，多个爪叶沿爪骨1011的径向等角度设置，且爪骨1011的中心和行走轮102的中心重合。其中，爪叶的形状为月牙型或圆形尖口。

在本实施例中，为限定倾斜机构500的倾斜角度，设计滑槽503呈45°圆弧状。

实施例2：

基于实施例1，机械臂1还包括夹紧机构200，和行走机构100相互配合压紧地线。夹紧机构200包括第一驱动源204、第二支座202和至少一个夹紧轮201，第一驱动源204连接并驱动第二支座202进行升降运动，第二支座202内固定至少一个夹紧轮201。

上述提供了一种夹紧机构200，通过夹紧轮201增大行走轮102与地线的摩擦力，避免发生严重打滑或机械臂脱落等意外情况，增强了大高差地线巡线机器人的可靠性。

在本实施例中，夹紧轮201为带有凹槽的小型胶轮。

在本实施例中，第一驱动源204通过夹紧滚珠丝杠实现直线运动，进而带动夹紧轮201沿着Z轴进行升降运动。第一驱动源204为伺服电机，当夹紧轮组反馈回的力矩超过一定阈值时，说明此时夹紧轮组已与行走轮102压紧，不再继续上升。

实施例3：

基于实施例1，机械臂1还包括旋转机构300，旋转机构300连接行走机构100，驱动行走机构100绕其中心旋转，适配地线在水平方向存在角度变化。

上述提供一种旋转机构300，当行走机构100所在地线在水平方向存在角度变化时，旋转机构300会带动行走机构沿着地线发生相应变化，当角度恢复后则会使得行走机构恢复原样。

在本实施例中，旋转机构300包括第二驱动源301和第三支座302，第二驱动源301的输出端连接第一支座105，驱动第一支座105绕其中线旋转，第三支座302支承第二驱动源301。第二驱动源301为伺服电机。旋转机构300可根据需要最大的旋转角度。

实施例4：

基于实施例1，机械臂1还包括Y轴移动机构600，Y轴移动机构600和底座504滑动连接，Y轴移动机构600驱动机械臂1沿Y轴方向水平运动。

Y轴移动机构600包括Y轴直线模组601和Y轴滑块支架602，Y轴直线模组601的活动部连接Y轴滑块支架602，Y轴滑块支架602和底座505固定连接。Y轴直线模组601通过Y轴滚珠丝杠实现直线运动，带动Y轴滑块支架602沿Y轴发生平移，实现机械臂1的Y轴平移运动。

实施例5：

基于实施例2，巡线机器人还包括机箱3，机箱3支承X轴移动模组2。

机箱3呈长方体，其外壳由航空铝制成，内部装有巡线机器人的电源、控制电路模块、通讯电路模块和传感器组。传感器组包括GPS定位模块、惯性测量模块、温湿度传感器和气压计。

电源为锂电池，置于机箱3的底层，可提供48V的直流电压输出，并配有电量检测电路。当锂电池的电量过低时，巡线机器人将向云平台发送告警信息，然后转换至低功耗模式，并前往最近的杆塔休息平台进行充电。锂电池还配有电压转换电路，可将48V直流电压转换为其他电路需要的5V和12V直流电压或各电机需要的交流励磁电压。

控制电路模块置于锂电池上方，通过螺丝与机箱3的内壁刚性连接，负责控制巡线机器人的所有动作。

通讯电路模块分为遥控通讯电路和4G通讯电路两部分。遥控通讯电路通过433MHz无线通信手段，与工作人员的遥控器建立数据通路，接收遥控指定，并回传必要的传感器数据。4G通讯电路通过4G网络与云平台建立数据通路，按照一定频率向云平台发送打包后的数据，包含传感器数据，任务目标，工作模式，锂电池剩余电量等信息。低功耗模式下，4G通讯电路发送数据的频率将大幅降低，以节省电量。

GPS定位模块本体处于机箱3内，天线则安装在机箱3外侧，用于实现巡线机器人的全局定位，通过查询杆塔数据库，则可获知巡线机器人附近的杆塔编号和线路悬挂障碍物分布情况。

惯性测量模块安装于机箱3的中心位置，由加速度计和陀螺仪组成，通过扩展卡尔曼滤波算法实时估计机箱3的姿态，为巡线机器人姿态控制系统提供姿态反馈。

温湿度传感器和气压计安装于机箱3的内部，实时测量巡线机器人附近的温湿度数据和气压变化，监测外界天气情况，当监测到如暴雨、冰雹等极端恶劣天气时，控制巡检机器人，前往最近的杆塔休息平台待机。

在本实施例中，行走轮102之上设置上沿微动开关104，上沿微动开关104一旦触碰到位于地线上方的障碍物，则会向控制电路模块发送电信号。

在本实施例中，夹紧机构200的侧面设置下沿微动开关203，下沿微动开关203一旦触碰到位于地线下方的障碍物，则会向控制电路模块发送电信号。

实施例6：

基于实施例1，在本实施例中，为平衡重量，爪叶的数量为三个，为方便描述，三个爪叶分别为第一爪叶1012、第二爪叶1013和第三爪叶1014，第一爪叶1012和第二爪叶1013之间、第二爪叶1013和第三爪叶1014之间、第一爪叶1012和第三爪叶1014之间均形成120°的夹角。

第一爪叶1012的形状为月牙型，第二爪叶1013和第三爪叶1014的形状均为圆形尖口。

实施例7：

基于实施例1，机械臂1的数量为三个，为方便描述，三个机械臂分别为第一机械臂、第二机械臂和第三机械臂，巡线机器人在无障碍路段行走时，只有第一机械臂和第三机械臂的行走轮挂靠在地线上，并同步沿地线行走，第二机械臂的行走轮则悬于地线上方，节省巡线机器人的电能。

并且，第一机械臂和第三机械臂的结构相同，相较于第一机械臂和第三机械臂，第二机械臂增设实施例4提供的Y轴移动机构600。

由上述可知，优选以三个机械臂1为一组，可以保证巡线机器人在运行时，任意时刻至少有两个机械臂1挂靠在地线上，且当其原地待机时或进入休息平台后，挂靠在地线上的机械臂1均需要驱动夹紧机构200，保持行走轮102与地线压紧。

结合图8-图11，一种避障方法，利用上述的巡线机器人，巡线机器人判断地线的障碍物类型，若障碍物为防震锤时，伸缩机构400驱动升降座402下降避让防震锤。若障碍物为拖挂时，伸缩机构400驱动升降座402下降，并且倾斜机构500驱动行走机构100倾斜避让拖挂。

具体地，巡检机器人触碰到防震锤时，夹紧机构200下降，避让防震锤，机械臂直接压过防震锤，通过防震锤后夹紧结构200上升夹紧。

当巡检机器人触碰到拖挂点时，夹紧机构200下降，伸缩机构400驱动升降座402下降，并且倾斜机构500驱动行走机构100倾斜，X轴移动模组2带动行走机构下部分移动避让拖挂。

机械臂1越过拖挂后，X轴移动模组2带动行走机构100下部分移动并旋转，同时伸缩机构400将行走机构100拉回初始位置，夹紧机构200上升，机械臂1回归正常行驶状态。

另外，当巡检机器人越过耐张塔时，旋转机构300可根据线路旋转角度并回正。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种巡线机器人，其特征在于：包括X轴移动模组(2)，所述X轴移动模组(2)滑动连接至少一个机械臂(1)，所述机械臂(1)沿X轴方向水平运动；

所述机械臂(1)包括行走机构(100)、伸缩机构(400)和倾斜机构(500)，所述行走机构(100)包括悬张爪(101)、行走轮(102)和行走轮电机，所述悬张爪(101)设置于所述行走轮(102)之上，所述行走电机驱动所述行走轮沿地线行走；

所述伸缩机构(400)包括第三驱动源(401)和升降座(402)，所述第三驱动源(401)的输出端连接所述升降座(402)，驱动所述升降座(402)升降避让障碍物；

所述倾斜机构(500)包括第四驱动源(504)、底座(505)和倾斜轴承，所述倾斜轴承和所述行走机构(100)连接，所述底座(505)开设至少一个滑槽(503)且所述倾斜轴承沿所述滑槽(503)滚动，所述第四驱动源(504)驱动所述行走机构(100)倾斜避让障碍物；所述底座(505)和所述X轴移动模组(2)滑动连接。

2.根据权利要求1所述的巡线机器人，其特征在于：所述悬张爪(101)包括爪骨(1011)和多个爪叶，多个所述爪叶沿所述爪骨(1011)的径向等角度设置，且所述爪骨(1011)的中心和所述行走轮(102)的中心重合。

3.根据权利要求2所述的巡线机器人，其特征在于：所述爪叶的数量为三个，三个所述爪叶之间形成120°的夹角。

4.根据权利要求2所述的巡线机器人，其特征在于：所述爪叶的形状为月牙型或圆形尖口。

5.根据权利要求1所述的巡线机器人，其特征在于：所述滑槽(503)呈45°圆弧状。

6.根据权利要求1所述的巡线机器人，其特征在于：所述机械臂(1)还包括夹紧机构(200)，和所述行走机构(100)相互配合压紧所述地线；所述夹紧机构(200)包括第一驱动源(204)、第二支座(202)和至少一个夹紧轮(201)，所述第一驱动源(204)连接并驱动所述第二支座(202)进行升降运动，所述第二支座(202)内固定至少一个所述夹紧轮(201)。

7.根据权利要求1所述的巡线机器人，其特征在于：所述机械臂(1)还包括旋转机构(300)，所述旋转机构(300)连接所述行走机构(100)，驱动所述行走机构(100)绕其中心旋转，适配所述地线在水平方向存在角度变化。

8.根据权利要求1所述的巡线机器人，其特征在于：所述机械臂(1)还包括Y轴移动机构(600)，所述Y轴移动机构(600)和所述底座(504)滑动连接，所述Y轴移动机构(600)驱动所述机械臂(1)沿Y轴方向水平运动。

9.根据权利要求1所述的巡线机器人，其特征在于：还包括机箱(3)，所述机箱(3)支承所述X轴移动模组(2)。

10.一种避障方法，利用如权利要求1-9任意一项所述的巡线机器人，其特征在于：所述巡线机器人判断地线的障碍物类型，若障碍物为防震锤时，所述伸缩机构(400)驱动所述升降座(402)下降避让所述防震锤；若障碍物为拖挂时，所述伸缩机构(400)驱动所述升降座(402)下降，并且所述倾斜机构(500)驱动所述行走机构(100)倾斜避让所述拖挂。

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