CN105730540A - 一种具有爬杆功能的变电站巡检机器人及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有爬杆功能的变电站巡检机器人及其驱动方法，变电站巡检机器人包括监测装置、驱动控制模块和爬行机构，监测装置、驱动控制模块分别装设于爬行机构上，爬行机构包括多节躯体单元和躯体关节，相邻的躯体单元之间通过躯体关节相连，相邻的躯体单元之间设有躯体关节电机，躯体单元上设有一对机器手臂，机器手臂的端部设有行走旋转万向轮及万向轮驱动机构，万向轮驱动机构、躯体关节电机分别与驱动控制模块相连；驱动方法包括驱动变电站巡检机器人进行地面移动、上下杆柱和沿杆柱爬行/旋转/停止。本发明能够实现地面移动、上下杆柱和沿杆柱爬行/旋转/停止功能，结构紧凑、控制精度高、能够全方位、无死区地监测变电设备运行状态。

Description

一种具有爬杆功能的变电站巡检机器人及其驱动方法

技术领域

本发明涉及电力***的自动巡检技术，具体涉及一种具有爬杆功能的变电站巡检机器人及其驱动方法。

背景技术

目前，电力***变电站已基本实现了无人值守，为了弥补人工定期巡检的不足，国内外均出现了采用地面移动机器人进行巡检，获取变电设备可见光图像和红外热像数据并进行状态监测、分析的应用报道。机器人能够一定程度地解决设备自动巡检问题，但机器人在地面沿固定的路径运行，存在监测死区，尤其对于位置高的变电设备或设备部件，如位于变压器顶部的附件、线路绝缘子、避雷针等，由于距离、视角、阴雾和黑夜等复杂环境条件因素的影响，往往不能清楚、准确地检测其状态并识别其缺陷和隐患，此外，机器人需在地下埋设磁轨才能导航，工程量大，成本高，而且一旦路径确定就不易更改，不利于机器人巡检在变电站的应用推广。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种能够实现地面移动、上下杆柱和沿杆柱爬行/旋转/停止功能，结构紧凑、控制精度高、能够全方位、无死区地监测变电设备运行状态的具有爬杆功能的变电站巡检机器人及其驱动方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明提供一种具有爬杆功能的变电站巡检机器人，包括监测装置、驱动控制模块和爬行机构，所述监测装置、驱动控制模块分别装设于爬行机构上，所述爬行机构包括多节躯体单元和躯体关节，相邻的躯体单元之间通过躯体关节相连，相邻的躯体单元之间设有用于控制躯体关节转动状态的躯体关节电机，所述躯体单元的底部设有底轮以及至少一对用于爬杆及移动的机器手臂，所述机器手臂的端部设有行走旋转万向轮以及用于驱动行走旋转万向轮进行行走或旋转的万向轮驱动机构，所述万向轮驱动机构、躯体关节电机分别与驱动控制模块相连。

优选地，所述机器手臂包括依次相连的手臂前节、手臂关节和手臂后节，所述手臂前节和手臂后节之间设有手臂关节电机，所述手臂后节的根部设有手臂根关节，所述手臂后节通过手臂根关节和躯体单元相连，所述手臂后节和躯体单元之间设有用于控制手臂根关节状态的根关节电机，所述手臂关节电机、根关节电机分别与驱动控制模块相连。

优选地，所述手臂前节和手臂后节均为弧形，且所述手臂前节的弧形圆心、手臂后节的弧形圆心位于同一侧。

优选地，所述监测装置包括云台和视频检测组件，所述云台装设于爬行机构上，所述视频检测组件装设于云台上。

优选地，所述视频检测组件包括红外摄像头和高清摄像头。

优选地，所述监测装置装设于爬行机构中位于中部的一节躯体单元上。

优选地，所述底轮为万向轮。

本发明还提供一种前述具有爬杆功能的变电站巡检机器人的驱动方法，步骤包括：

1）当变电站巡检机器人在地面移动时，所述机器手臂通过行走旋转万向轮支承于地面上，通过各个躯体单元的万向轮驱动机构驱动对应的行走旋转万向轮在地面上移动及转向；

2）当变电站巡检机器人从地面接近杆柱时，驱动躯体关节电机使得爬行机构上仰并接近杆柱，首先控制第一个躯体单元的一对机器手臂环抱杆柱使得底轮和行走旋转万向轮将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮沿杆柱上移，然后依次控制后续各个躯体单元的一对机器手臂环抱杆柱使得底轮和行走旋转万向轮将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮沿杆柱上移，最终使得所有躯体单元爬上杆柱；

3）当变电站巡检机器人爬上杆柱后，当需要继续爬升或者下降时，控制所有躯体单元的一对机器手臂环抱杆柱使得底轮和行走旋转万向轮将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮沿杆柱上移爬升；当需要沿杆柱旋转运动时，控制万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮旋转，使得行走旋转万向轮的行走方向和杆柱相互垂直，通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮沿杆柱旋转运动；当需要在杆柱上停止时，控制万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮旋转，使得行走旋转万向轮的行走方向和杆柱相互垂直，并通过底轮和行走旋转万向轮夹持停止在杆柱上；

4）当变电站巡检机器人下上杆柱时，控制最后一个躯体单元的一对机器手臂环抱杆柱使得底轮和行走旋转万向轮将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮沿杆柱下移，同时驱动躯体关节电机使得爬行机构的前端上仰接近地面，从第一个躯体单元开始依次从杆柱上松开机器手臂并通过行走旋转万向轮支承于地面上，最终使得所有躯体单元的机器手臂通过行走旋转万向轮支承于地面上。

优选地，所述步骤1）中机器手臂通过行走旋转万向轮支承于地面上时，驱动手臂关节电机使得手臂前节、手臂后节之间的夹角大于90°。

优选地，所述步骤1）中变电站巡检机器人在地面移动时，所述监测装置（1）采集杆柱图像，针对采集得到的杆柱图像以杆柱的直径、轮廓特征来识别杆柱，当识别出杆柱时，则变电站巡检机器人开始从地面爬上杆柱。

本发明具有爬杆功能的变电站巡检机器人具有下述优点：

1、本发明包括监测装置、驱动控制模块和爬行机构，通过爬行机构作为监测装置的载体，爬行机构包括多节躯体单元和躯体关节，相邻的躯体单元之间通过躯体关节相连，相邻的躯体单元之间设有用于控制躯体关节转动状态的躯体关节电机，躯体单元上设有一对用于爬杆及移动的机器手臂，机器手臂的端部设有行走旋转万向轮以及用于驱动行走旋转万向轮进行行走或旋转的万向轮驱动机构，通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮，并结合躯体关节的控制、机器手臂的控制，使得变电站巡检机器人能够实现地面移动、上下杆柱和沿杆柱爬行/旋转/停止功能，具有结构紧凑、控制精度高的优点，能够全方位、无死区地监测变电设备运行状态。

2、本发明通过监测装置对周围环境的图像识别实现监测，能全方位、无死区地准确采集变电设备包括温度和外观图像在内的监测数据，能够实现变电设备过热、污秽、移位、***、漏油、放电、起火、目标侵入等异常状态的监测、识别与定位，对变电站内设备准确无误的在线监测，能够全方位、无死区地监测变电设备运行状态。

3、本发明原理简单，控制精准可靠，能广泛应用于变电站中取代人工巡检和现有机器人巡检，提高经济和社会效益。

本发明具有爬杆功能的变电站巡检机器人的驱动方法具有下述优点：本发明具有爬杆功能的变电站巡检机器人的驱动方法是基于本发明具有爬杆功能的变电站巡检机器人的应用控制方法，通过对变电站巡检机器人的躯体关节的状态、机器手臂的状态，通过万向轮驱动机构驱动控制行走旋转万向轮的状态，能够实现地面移动、上下杆柱和沿杆柱爬行/旋转/停止功能，从而以通过监测装置对周围环境的图像识别实现监测，能够实现全方位、无死区的变电站电力设备的在线巡检与监测。

附图说明

图1为本发明实施例的俯视结构示意图。

图2为本发明实施例在地面移动时的侧视结构示意图。

图3为本发明实施例在爬上/爬下杆柱时的侧视结构示意图。

图4为本发明实施例在杆柱上爬行时的侧视结构示意图。

图5为本发明实施例在杆柱上爬行时的主视结构示意图。

图6为本发明实施例在杆柱上爬行时的俯视结构示意图。

图例说明：1、监测装置；11、云台；12、视频检测组件；2、爬行机构；21、躯体单元；210、底轮；22、躯体关节；23、机器手臂；231、手臂前节；232、手臂关节；233、手臂后节；234、手臂根关节；24、行走旋转万向轮。

具体实施方式

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例具有爬杆功能的变电站巡检机器人包括监测装置1、驱动控制模块和爬行机构2，监测装置1、驱动控制模块分别装设于爬行机构2上，爬行机构2包括多节躯体单元21和躯体关节22，相邻的躯体单元21之间通过躯体关节22相连，相邻的躯体单元21之间设有用于控制躯体关节22转动状态的躯体关节电机，躯体单元21的底部设有底轮210以及一对用于爬杆及移动的机器手臂23，机器手臂23的端部设有行走旋转万向轮24以及用于驱动行走旋转万向轮24进行行走或旋转的万向轮驱动机构，万向轮驱动机构、躯体关节电机分别与驱动控制模块相连。通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮24，并结合躯体关节的控制、机器手臂23的控制，使得变电站巡检机器人能够实现地面移动、上下杆柱和沿杆柱爬行/旋转/停止功能，通过监测装置1对环境图像的识别实现监测，能够实现变电设备过热、污秽、移位、***、漏油、放电、起火、目标侵入等异常状态的监测、识别与定位，具有结构紧凑、控制精度高的优点，能够全方位、无死区地监测变电设备运行状态。

如图2、图3、图4和图6所示，机器手臂23包括依次相连的手臂前节231、手臂关节232和手臂后节233，手臂前节231和手臂后节233之间设有手臂关节电机，手臂后节233的根部设有手臂根关节234，手臂后节233通过手臂根关节234和躯体单元21相连，手臂后节233和躯体单元21之间设有用于控制手臂根关节234状态的根关节电机，手臂关节电机、根关节电机分别与驱动控制模块相连。通过对手臂关节电机、根关节电机分别的协调控制，能够实现机器手臂23的协调控制，实现一对机器手臂23的打开和收拢，以便控制机器手臂23和杆柱的稳定接触，以及在地面上的稳定支撑，进一步结合躯体关节22以及万向轮驱动机构、行走旋转万向轮24的协调控制，实现本实施例变电站巡检机器人地面移动、上下杆柱和沿杆柱爬行/旋转/停止功能。

如图2所示，监测装置1包括云台11和视频检测组件12，云台11装设于爬行机构2上，视频检测组件12装设于云台11上，利用成熟的云台11技术，能够控制方便地控制视频检测组件12的姿态，从而能够获得更多角度和位置的巡检图像信息。

本实施例中，视频检测组件12包括红外摄像头和高清摄像头。本实施例变电站巡检机器人对变电站内的设备状态检测，是通过红外摄像头和高清摄像头两者进行图像采集，基于红外摄像头和高清摄像头的双目视觉，红外摄像头能够检测变电站变电设备温度，高清摄像头能够检测设备外部形状和基本状态，从而能够更加清楚和方便地了解电力设备的工作状态，从而提高变电设备状态信息获取的准确性。

如图2所示，本实施例中监测装置1装设于爬行机构2中位于中部的一节躯体单元21上，使得爬行机构2的运动对于监测装置1的影响更小，有利于提高监测装置1的成像稳定性。

如图6所示，手臂前节231和手臂后节233均为弧形，且手臂前节231的弧形圆心、手臂后节233的弧形圆心位于同一侧。通过上述结构，能够使得用于爬杆及移动的一对机器手臂23在环绕杆柱时，尽量避免手臂前节231和手臂后节233中部和杆柱发生碰撞和摩擦，能够提升本实施例变电站巡检机器人在杆柱上运动时的稳定性。

本实施例中，底轮210为万向轮，使得变电站巡检机器人可沿着杆柱旋转。

本实施例具有爬杆功能的变电站巡检机器人的驱动方法主要包括各个万向轮驱动机构、躯体关节电机、手臂关节电机、根关节电机等部件的协调控制，详细步骤包括：

1）当变电站巡检机器人在地面移动时，机器手臂23通过行走旋转万向轮24支承于地面上（如图2所示），通过各个躯体单元21的万向轮驱动机构驱动对应的行走旋转万向轮24在地面上移动及转向；

2）当变电站巡检机器人从地面接近杆柱时，驱动躯体关节电机使得爬行机构2上仰并接近杆柱，首先控制第一个躯体单元21的一对机器手臂23环抱杆柱使得底轮210和行走旋转万向轮24将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮24沿杆柱上移，然后依次控制后续各个躯体单元21的一对机器手臂23环抱杆柱使得底轮210和行走旋转万向轮24将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮24沿杆柱上移，最终使得所有躯体单元21爬上杆柱；

3）当变电站巡检机器人爬上杆柱后：

①、当需要继续爬升或者下降时，控制所有躯体单元21的一对机器手臂23环抱杆柱使得底轮210和行走旋转万向轮24将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮24沿杆柱上移爬升，如图3、图4和图5所示；

②、当需要沿杆柱旋转运动时，控制万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮24旋转，使得行走旋转万向轮24的行走方向和杆柱相互垂直，通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮24沿杆柱旋转运动，底轮210为万向轮，跟随行走旋转万向轮24一起沿杆柱旋转运动；

③、当需要在杆柱上停止时，控制万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮24旋转，使得行走旋转万向轮24的行走方向和杆柱相互垂直（确保机器人能安稳地夹持夹紧杆柱，从停止状态开始爬升或者下降时需要将行走旋转万向轮24旋转90度，使得行走旋转万向轮24的行走方向和杆柱相互平行），并通过底轮210和行走旋转万向轮24夹持停止在杆柱上；

4）当变电站巡检机器人下上杆柱时，控制最后一个躯体单元21的一对机器手臂23环抱杆柱使得底轮210和行走旋转万向轮24将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮24沿杆柱下移，同时驱动躯体关节电机使得爬行机构2的前端上仰接近地面，从第一个躯体单元21开始依次从杆柱上松开机器手臂23并通过行走旋转万向轮24支承于地面上，最终使得所有躯体单元21的机器手臂23通过行走旋转万向轮24支承于地面上。

如图2所示，本实施例步骤1）中机器手臂23通过行走旋转万向轮24支承于地面上时，驱动手臂关节电机使得手臂前节231、手臂后节233之间的夹角大于90°。通过上述结构，能够使得变电站巡检机器人能够更好地支撑在地面上以及实现在地面的移动。

本实施例步骤1）中变电站巡检机器人在地面移动时，监测装置1采集杆柱图像，针对采集得到的杆柱图像以杆柱的直径、轮廓特征来识别杆柱，当识别出杆柱时，则变电站巡检机器人开始从地面爬上杆柱。通过上述方法，实现了基于图像导航的机器人无轨运动方法，通过基于图像特征提取与图像目标匹配的变电站巡检机器人无轨导航方法，通过对目标杆柱的图像识别与追踪，能够实现爬杆机器人沿目标杆柱方向的准确移动。

在应用本实施例具有爬杆功能的变电站巡检机器人及其驱动方法时，首先通过选定某变电站，根据变电站站内杆柱的布置、杆柱的尺寸，设计该监测机器人的综合构型并规划机器人在杆柱之间的行走路径，以及基于图像导航的机器人无轨运动方法的相关参数，然后研究机器人沿杆柱爬行、旋转以及在地面行走三种运动状态，控制变电站巡检机器人各关节电机的协调运动，实现机器人对变电站内设备的在线监测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有爬杆功能的变电站巡检机器人，其特征在于：包括监测装置（1）、驱动控制模块和爬行机构（2），所述监测装置（1）、驱动控制模块分别装设于爬行机构（2）上，所述爬行机构（2）包括多节躯体单元（21）和躯体关节（22），相邻的躯体单元（21）之间通过躯体关节（22）相连，相邻的躯体单元（21）之间设有用于控制躯体关节（22）转动状态的躯体关节电机，所述躯体单元（21）的底部设有底轮（210）以及至少一对用于爬杆及移动的机器手臂（23），所述机器手臂（23）的端部设有行走旋转万向轮（24）以及用于驱动行走旋转万向轮（24）进行行走或旋转的万向轮驱动机构，所述万向轮驱动机构、躯体关节电机分别与驱动控制模块相连。

2.根据权利要求1所述的具有爬杆功能的变电站巡检机器人，其特征在于：所述机器手臂（23）包括依次相连的手臂前节（231）、手臂关节（232）和手臂后节（233），所述手臂前节（231）和手臂后节（233）之间设有手臂关节电机，所述手臂后节（233）的根部设有手臂根关节（234），所述手臂后节（233）通过手臂根关节（234）和躯体单元（21）相连，所述手臂后节（233）和躯体单元（21）之间设有用于控制手臂根关节（234）状态的根关节电机，所述手臂关节电机、根关节电机分别与驱动控制模块相连。

3.根据权利要求2所述的具有爬杆功能的变电站巡检机器人，其特征在于：所述监测装置（1）包括云台（11）和视频检测组件（12），所述云台（11）装设于爬行机构（2）上，所述视频检测组件（12）装设于云台（11）上。

4.根据权利要求3所述的具有爬杆功能的变电站巡检机器人，其特征在于：所述视频检测组件（12）包括红外摄像头和高清摄像头。

5.根据权利要求4所述的具有爬杆功能的变电站巡检机器人，其特征在于：所述监测装置（1）装设于爬行机构（2）中位于中部的一节躯体单元（21）上。

6.根据权利要求5所述的具有爬杆功能的变电站巡检机器人，其特征在于：所述手臂前节（231）和手臂后节（233）均为弧形，且所述手臂前节（231）的弧形圆心、手臂后节（233）的弧形圆心位于同一侧。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的具有爬杆功能的变电站巡检机器人，其特征在于：所述底轮（210）为万向轮。

8.一种权利要求1～7中任意一项所述具有爬杆功能的变电站巡检机器人的驱动方法，其特征在于步骤包括：

1）当变电站巡检机器人在地面移动时，所述机器手臂（23）通过行走旋转万向轮（24）支承于地面上，通过各个躯体单元（21）的万向轮驱动机构驱动对应的行走旋转万向轮（24）在地面上移动及转向；

2）当变电站巡检机器人从地面接近杆柱时，驱动躯体关节电机使得爬行机构（2）上仰并接近杆柱，首先控制第一个躯体单元（21）的一对机器手臂（23）环抱杆柱使得底轮（210）和行走旋转万向轮（24）将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮（24）沿杆柱上移，然后依次控制后续各个躯体单元（21）的一对机器手臂（23）环抱杆柱使得底轮（210）和行走旋转万向轮（24）将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮（24）沿杆柱上移，最终使得所有躯体单元（21）爬上杆柱；

3）当变电站巡检机器人爬上杆柱后，当需要继续爬升或者下降时，控制所有躯体单元（21）的一对机器手臂（23）环抱杆柱使得底轮（210）和行走旋转万向轮（24）将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮（24）沿杆柱上移爬升；当需要沿杆柱旋转运动时，控制万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮（24）旋转，使得行走旋转万向轮（24）的行走方向和杆柱相互垂直，通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮（24）沿杆柱旋转运动；当需要在杆柱上停止时，控制万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮（24）旋转，使得行走旋转万向轮（24）的行走方向和杆柱相互垂直，并通过底轮（210）和行走旋转万向轮（24）夹持停止在杆柱上；

4）当变电站巡检机器人下上杆柱时，控制最后一个躯体单元（21）的一对机器手臂（23）环抱杆柱使得底轮（210）和行走旋转万向轮（24）将杆柱夹紧，并通过万向轮驱动机构驱动行走旋转万向轮（24）沿杆柱下移，同时驱动躯体关节电机使得爬行机构（2）的前端上仰接近地面，从第一个躯体单元（21）开始依次从杆柱上松开机器手臂（23）并通过行走旋转万向轮（24）支承于地面上，最终使得所有躯体单元（21）的机器手臂（23）通过行走旋转万向轮（24）支承于地面上。

9.根据权利要求8所述具有爬杆功能的变电站巡检机器人的驱动方法，其特征在于，所述步骤1）中机器手臂（23）通过行走旋转万向轮（24）支承于地面上时，驱动手臂关节电机使得手臂前节（231）、手臂后节（233）之间的夹角大于90°。

10.根据权利要求9所述具有爬杆功能的变电站巡检机器人的驱动方法，其特征在于，所述步骤1）中变电站巡检机器人在地面移动时，所述监测装置（1）采集杆柱图像，针对采集得到的杆柱图像以杆柱的直径、轮廓特征来识别杆柱，当识别出杆柱时，则变电站巡检机器人开始从地面爬上杆柱。