CN110900629B - 一种高压线扫雪机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高压线扫雪机器人，包括支撑体，转轴，夹持轮，太阳能电池板，旋转轴，机械臂，转动关节，第一连接臂，第二连接臂，第三连接臂，第四连接臂，连接管，冰钻，滚刷，夹持手，捡拾手和环境输入装置，其中：夹持轮通过转轴安装在支撑体的底部，且太阳能电池板通过支撑杆安装在支撑体的顶部，该旋转轴通过螺栓安装在支撑体的表面；所述机械臂通过轴承安装在旋转轴的表面，且第一连接臂，第二连接臂，第三连接臂和第四连接臂通过转动关节安装在机械臂的顶端。本实用新稳夹持轮，太阳能电池板，机械臂冰钻，滚刷，夹持手，捡拾手和环境输入装置的设置，除雪效率快，不会被积雪卡住，能够清理多条线路。

Description

一种高压线扫雪机器人

技术领域

本发明属于高压线除雪技术领域，尤其涉及一种高压线扫雪机器人。

背景技术

近年来我国高压输电线路受冰灾次数不断增长，由于高压输电线路特殊的地理位置，很容易受气候影响，在冬季恶劣天气下很容易结冰，从而造成断电甚至断线，严重影响了人们正常生活，高压线路除冰成为了电力工作人员的一大难题，目前存在的除冰方法大概有人工除冰，机械除冰，热力除冰法等，然而高压线路以及结冰情况都很复杂，对除冰装置有着很高的要求。

当前采用高压线除冰除雪设备中存在着不能在高压线上稳定行走的功能；且除冰和除雪均采用同样的工作模式，这种两功能用同一种工作模式解决的方式难以起到很好的技术效果，以上问题急需解决，但是现有的高压线除雪机器人依然存在着除雪效率慢，容易被积雪卡住，只能清理单条线路的问题。

因此，发明一种高压线扫雪机器人显得非常必要。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种高压线扫雪机器人，以解决现有的高压线除雪机器人依然存在着除雪效率慢，容易被积雪卡住，只能清理单条线路的问题。一种高压线扫雪机器人，包括支撑体，转轴，夹持轮，太阳能电池板，旋转轴，机械臂，转动关节，第一连接臂，第二连接臂，第三连接臂，第四连接臂，连接管，冰钻，滚刷，夹持手，捡拾手和环境输入装置，其中：支撑体的底部通过转轴安装有夹持轮，且在支撑体的顶部通过支撑杆安装有太阳能电池板，该支撑体的侧表面通过螺栓对称安装有旋转轴；所述旋转轴的表面通过轴承安装有机械臂，且机械臂的顶端通过转动关节安装有第一连接臂，第二连接臂，第三连接臂和第四连接臂，该第一连接臂和第二连接臂的顶端均开设有用于固定连接管的卡扣；所述冰钻和滚刷分别通过卡扣安装在连接管的内部，且夹持手通过螺栓安装在第三连接臂的顶部，该捡拾手通过螺栓安装在第四连接臂的顶部；所述滚刷包括外壳，连接轴，清理刷和第一连接杆，外壳的内部通过连接轴安装有清理刷，且连接轴的一端焊接有第一连接杆；所述夹持手包括支撑座，夹合抓，夹合臂，移动块，螺纹杆和第二连接杆，且支撑座的表面通过轴承安装有夹合抓，该夹合抓的中部通过轴承安装有夹合臂；所述夹合臂的另一端通过轴承对称安装在移动块的两端，且移动块嵌套在螺纹杆的表面，该螺纹杆通过螺纹安装在支撑座的内部；所述螺纹杆的底端焊接有第二连接杆；所述环境输入装置通过螺栓安装在支撑体的表面。

所述夹持轮采用8个PVC高分子塑料轮，且夹持轮两两为一对，其中部留有缝隙，夹持轮缝隙的内部设置有破冰锯齿，有利于在本发明中在运动的过程中用来除冰减少前进的阻碍，使得本发明可以更加稳定的安置在高压线表面，防止因外部力的参与导致掉落。

所述太阳能电池板采用若干片多晶硅太阳能电池片，且太阳能电池板通过导线与支撑体内部的用电设备相连接，有利于可以通过阳光远远不断的为本发明提供运动所使用的电力，防止出现使用过程中突然没电导致无法继续工作的情况。

所述机械臂采用八根可单独工作的机械臂，且支撑体的四个侧面皆设置有两根机械臂，有利于根据需要单独的进行工作，快速的通过其表面不同的设备进行不同的工作。

所述冰钻采用钢制金属钻头，且冰钻的顶端镶嵌有一颗金刚石，该冰钻可与滚刷进行替换，有利于利用高速旋转的冰钻破除高压线表面的冰壳，使冰壳可以快速的脱离高压线的表面。

所述滚刷采用圆柱形刷子，且滚刷的内部水平设置有若干圆形清理刷，该清理刷之间留有可供高压线嵌入的空隙，有利于产生高速的旋转，清理高压线表面的积雪；滚刷转速750r/min，前进速度0.48m/s，其中的两只机械放于夹持轮前，为其清理前进路程，实现保护，减少阻力的作用，从而稳定前行；高压线几乎不存在单独一条，所以另外两只滚刷机械臂即可精准定位清理其他高压线。

所述夹持手和捡拾手分别采用两个，且相互对应的安装在支撑体两端的机械臂上，有利于用于换线，避障方面，然而捡拾手主要是清理捡拾异物，也可以通过机械臂的延展性铜制清理多条线路表面的异物。

所述环境输入装置内部包括由STM32***控制的多种检测传感器，且环境输入装置包括无线传输摄像头、红外线测距仪和夜视灯，有利于可以试试观测、记录并传输本发明周边的环境情况，使周边的环境全部数据化，以便进行远程的操控。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明夹持轮的设置，有利于在本发明中在运动的过程中用来除冰减少前进的阻碍，使得本发明可以更加稳定的安置在高压线表面，防止因外部力的参与导致掉落。

2.本发明滚刷的设置，有利于产生高速的旋转，清理高压线表面的积雪；滚刷转速750r/min，前进速度0.48m/s，其中的两只机械放于夹持轮前，为其清理前进路程，实现保护，减少阻力的作用，从而稳定前行；高压线几乎不存在单独一条，所以另外两只滚刷机械臂即可精准定位清理其他高压线。

3.本发明夹持手和捡拾手的设置，有利于用于换线，避障方面，然而捡拾手主要是清理捡拾异物，也可以通过机械臂的延展性铜制清理多条线路表面的异物。

4.本发明环境输入装置的设置，有利于可以试试观测、记录并传输本发明周边的环境情况，使周边的环境全部数据化，以便进行远程的操控。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明底部结构示意图。

图3是本发明的侧视结构示意图。

图4是本发明冰钻的结构示意图。

图5是本发明滚刷的结构示意图。

图6是本发明夹持手的结构示意图。

图中：

1-支撑体，2-转轴，3-夹持轮，4-太阳能电池板，5-旋转轴，6-机械臂，7-转动关节，8-第一连接臂，9-第二连接臂，10-第三连接臂，11-第四连接臂， 12-连接管，13A-冰钻，13B1-外壳，13B2-连接轴，13B3-清理刷，13B4-第一连接杆，13B-滚刷，14-夹持手，141-支撑座，142-夹合抓，143-夹合臂，144-移动块，145-螺纹杆，146-第二连接杆，15-捡拾手，16-环境输入装置。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

如附图1至附图6所示。

本发明提供的一种高压线扫雪机器人，包括支撑体1，转轴2，夹持轮3，太阳能电池板4，旋转轴5，机械臂6，转动关节7，第一连接臂8，第二连接臂 9，第三连接臂10，第四连接臂11，连接管12，冰钻13A，滚刷13B，夹持手 14，捡拾手15和环境输入装置16，其中：夹持轮3的使用，通过超声波传感器检测距离将信号转给STC89C52RC单片机控制由八个步进电机做成的双夹持轮滚动前进，夹持轮上安装锯齿，提高除冰效率，大大减少前进的阻碍，为其清理前进路程，稳定前行；

冰钻13A的使用，利用物理方法使覆冰以块状大面积脱落，较热力除冰节约大量能量，实现真正的高效节能除冰。该机器人采用直流电机经一级减速后带动除冰钻头，除冰钻头可360°旋转除冰，两个除冰钻头包裹输电线进行高效除冰且不损伤线路。除冰钻头与覆冰之间碰撞产生的后坐力由连杆和从动轮之间的摩擦力来平衡。在靠近线路处增加一对螺旋刀片，以除去贴近线路的圆柱形；

滚刷13B的使用，应用安装在其上的机械手的推杆，可以控制其相对转动。在扫雪时，五段毛刷分别伸展开。用马达带动毛刷旋转，进行清扫积雪工作。为了防止毛刷滚筒在旋转时把线卷起，在相应的位置安装了压线装置。毛刷是在轴上呈螺旋布置，最后一段倾斜放置，既可以将积雪清扫，同时又可以往下输送，避免了在扫的过程中因局部受较大的力而损坏的危险。利用太阳能实现广泛吸收能源，然而太阳能的利用率可能达不到启动机器，但将太阳能集中起来，用于毛刷加热，加快除雪效率；

机械臂6采用了机电传动机构使机械手的往复闭合，实现对物体的抓取、递送。利用杠杆原理实现剪刀的闭合功能，蜗轮蜗杆的传动功能。机械指部位采用特殊设计，可随物体的重心在一定范围内自动进行左右调节，其设计完全模拟人手的左右旋转角度。机械腕部位采用插销定位，两个传动滑轮定向，实现90度变换；

环境输入装置16内部设置了超声波传感器，超声波是一种一定频率范围的声波它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用其具体的计算公式如下：s＝v×t/2注：s：为障碍物与夹持轮之间的距离；t：为发射到接收经历的时间；v：为声波在空气中传播的速度在八臂扫雪机器人上，避障功能的实现正是利用了这一超声波测距的原理它的传感器部分由三对(每对包括一个发射探头和一个接收探头) 共六个超声波传感头组成由单独的振荡电路产生频率固定为40kHz，幅值为 5V的超声波信号在控制器送来的路选信号的作用下，40kHz的振荡信号被加在超声发射探头的两端，从而产生超声信号向外发射；该信号遇到障碍物时，产生反射波，当这一反射波被接收器接收后，根据前述测距的原理，就可以精确地判断障碍物的远近；同时，根据信号的幅值大小，也可以初步确定障碍物的大小。超声波传感器采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物，经单片机***处理判断前方物体的大小、远近及大体属性。

红外测距传感器：红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，即可利用红外线的返回信号来识别周围环境的变化。

防碰撞传感器：因各种因素的影响，机器人难免会有撞上障碍物的可能。为了处理这种情况，利用光电开关传感器来感应机器人受到的碰撞，及碰撞的大概位置，以使机器人做出相应的决策。在机器人的前端设计了约180°的碰撞板，在碰撞板左右两侧各装有一个光电开关。光电开关由一对红外发射对管组成，发光二极管发射的红外光线通过机器人机身特制的小孔被光敏二极管接受，当机身碰撞板受到碰撞时，碰撞板就会挡住机身特制小孔，阻碍红外线的接受从而向控制***传达信息。此结构可避免测量盲区带来的误差。机器人在任何方向上的碰撞，都会引起左右光电开关的响应，从而根据碰撞的方向做出相应的反应。

陀螺仪：针对电子罗盘容易受到电磁干扰以及光电编码器会受到轮子打滑等不确定因素造成的角度测量不准的特点，确定物体的运动方向还需要一个传感器，在上述情况发生时能够精确测量运动物体运动的角度。陀螺仪是用来测量运动物体的角度、角速度和角加速度的传感器，它能够有效解决上述问题。

本发明控制电路的工作原理如下，此机器人的电路设计基于STC89C52RC单片机控制板电路设计，在其基础上外加多个传输信号口，并外加多个传感器控制端口。通过外部传感器检测信号，利用模块转换将信号传输改为高低电平变换，单片机检测到各个传感器发送的高低电平信号，从而做出判断，单片机利用程序对数据进行整合处理得到相应的控制信息，输出对应的PWM信号到MOS 管电机驱动中进而控制步进电机，实现前进、减速、停止等行走。单片机利用程序与舵机上位机达成协议，通过高低电平触发协议，从而控制舵机完成事先保存在舵机上位机的动作组。实现前进行走，扫雪，除冰，捡拾垃圾等智能控制。

本发明八臂的工作原理：八根机械臂分为四组分别是夹持机械臂两只、捡拾机械臂两只、毛刷机械臂两只、除冰机械臂两只。八只机械手的基础结构都由由5个JR DS3421HV舵机、传动杆组成，其中夹持机械臂外加机械手，捡拾机械臂外加传动机械手，毛刷机械臂外加创新五段毛刷结构，除冰机械臂外加创新除冰设计。通过摄像头模块、超声波传感器、红外测距传感器等视觉、触觉“感官”传输给STC89C52RC单片机P2.0、P2.1、P2.2等端口，当检测到信号时，模块处理信号讲信号转换为高电平，发送给各个端口，STC89C52RC单片机接收到信号，驱动舵机上位机协议，从而使舵机上位机控制机械臂上的各个舵机完成事先调好的动作组。

本发明整体的工作原理为传感器加自动遥控：

本***以STC89C52RC单片机和舵机上位机为控制核心，通过STC89C52RC 单片机与上位机建立***协议，利用单片机编写pwm程序进行调节端口高低电平从而控制步进电机速度，实现机器人的行走。其上利用安装锯齿的双夹持轮滚动前进，一方面除冰，另一方面减少前进的阻碍。其中采用OV7620数字摄像头，内置10位双通道A/D转换器，输出8位图像数据具有自动增益和自动白平衡控制，能进行亮度、对比度、饱和度、γ校正等多种调节功能；其视频时序产生电路可产生行同步、场同步、混合视频同步等多种同步信号和像素时钟等多种时序信号；16.67ms采集一幅画面，数字摄像头采集数字信号，充当“机器人的眼睛”一方面检测高压线上的冰，另一方面检测高压线上的垃圾，将处理好的信息传给单片机控制***，然后通过协议驱动上位机完成各个机械臂的动作组。两只机械臂安装新的除冰设计，两只机械臂安装高速旋转的滚刷扫雪，滚刷转速750r/min，前进速度0.48m/s，放于夹持轮前，为其清理前进路程，实现保护，减少阻力的作用。另外四只机械臂安装机械手(分为夹持手和捡拾手)。夹持手，主要作用于换线，避障方面。然而捡拾手主要是清理捡拾异物。

本发明分为两种运行方式：不越障时的行走机制、越障时的行走机制。

①不越障时的行走机制：该夹机器人采用压轮推进方式，机体上的两组动力压轮A组、B组通过持滑道水平夹持在输电线上以保持机体平衡，机体的重心位于输电线下方，这样机器人在行进过程中不会发生反转。在无需越障时，两只手臂折叠在机体内部，夹持机械手呈打开状态，依靠动力压轮与输电线的滚动摩擦力平稳高效的向前推进。

②越障时的行走机制：分为四个步骤：第一步，检测模块检测到障碍，动力压轮制动，机器人整体停前进，机械手闭合抓紧，限位开关接触发送高电平信号准备进行下一步；第二步，动力压轮通过夹持滑道水平打开，释放输电线，限位开关接触发送高电平信号准备进行下一步；第三步，机械手臂伸展并按设定程序进行协调越障，检测模块检测到越障完成准备进行下一步；第四步，机械手臂折叠，动力压轮水平闭合加紧，机械手打开释放输电线，各限位传感发送检测电平信号，动作完成。

此外在机器人上安装***控制的各种检测传感器。例如无线传输摄像头、红外、夜视灯等一系列“感官”。用来检测周围环境，并特殊环境做出判断发送给STC89C52RC单片机。由单片机根据情况控制相应的电机、舵机上位机进行工作。此机器人秉承节能、高效，利用太阳能实现广泛吸收能源，集中于毛刷加热，加快除雪效率。

利用本发明所述技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种高压线扫雪机器人，其特征在于：包括支撑体(1)，转轴(2)，夹持轮(3)，太阳能电池板(4)，旋转轴(5)，机械臂(6)，转动关节(7)，第一连接臂(8)，第二连接臂(9)，第三连接臂(10)，第四连接臂(11)，连接管(12)，冰钻(13A)，滚刷(13B)，夹持手(14)，捡拾手(15)和环境输入装置(16)，其中：支撑体(1)的底部通过转轴(2)安装有夹持轮(3)，且在支撑体(1)的顶部通过支撑杆安装有太阳能电池板(4)，该支撑体(1)的侧表面通过螺栓对称安装有旋转轴(5)；所述旋转轴(5)的表面通过轴承安装有机械臂(6)，且机械臂(6)的顶端通过转动关节(7)安装有第一连接臂(8)，第二连接臂(9)，第三连接臂(10)和第四连接臂(11)，该第一连接臂(8)和第二连接臂(9)的顶端均开设有用于固定连接管(12)的卡扣；所述冰钻(13A)和滚刷(13B)分别通过卡扣安装在连接管(12)的内部，且夹持手(14)通过螺栓安装在第三连接臂(10)的顶部，该捡拾手(15)通过螺栓安装在第四连接臂(11)的顶部；所述滚刷(13B)包括外壳(13B1)，连接轴(13B2)，清理刷(13B3)和第一连接杆(13B4)，外壳(13B1)的内部通过连接轴(13B2)安装有清理刷(13B3)，且连接轴(13B2)的一端焊接有第一连接杆(13B4)；所述夹持手(14)包括支撑座(141)，夹合抓(142)，夹合臂(143)，移动块(144)，螺纹杆(145)和第二连接杆(146)，且支撑座(141)的表面通过轴承安装有夹合抓(142)，该夹合抓(142)的中部通过轴承安装有夹合臂(143)；所述夹合臂(143)的另一端通过轴承对称安装在移动块(144)的两端，且移动块(144)嵌套在螺纹杆(145)的表面，该螺纹杆(145)通过螺纹安装在支撑座(141)的内部；所述螺纹杆(145)的底端焊接有第二连接杆(146)；所述环境输入装置(16)通过螺栓安装在支撑体(1)的表面。

2.如权利要求1所述的一种高压线扫雪机器人，其特征在于：所述夹持轮(3)采用8个PVC高分子塑料轮，且夹持轮(3)两两为一对，其中部留有缝隙，夹持轮(3)缝隙的内部设置有破冰锯齿。

3.如权利要求1所述的一种高压线扫雪机器人，其特征在于：所述太阳能电池板(4)采用若干片多晶硅太阳能电池片，且太阳能电池板(4)通过导线与支撑体(1)内部的用电设备电性连接。

4.如权利要求1所述的一种高压线扫雪机器人，其特征在于：所述机械臂(6)采用八根可单独工作的机械臂，且支撑体(1)的四个侧面皆设置有两根机械臂(6)。

5.如权利要求1所述的一种高压线扫雪机器人，其特征在于：所述冰钻(13A)采用钢制金属钻头，且冰钻(13A)的顶端镶嵌有一颗金刚石，该冰钻(13A)可与滚刷(13B)进行替换。

6.如权利要求1所述的一种高压线扫雪机器人，其特征在于：所述滚刷(13B)采用圆柱形刷子，且滚刷(13B)的内部水平设置有若干圆形清理刷(13B3)，该清理刷(13B3)之间留有可供高压线嵌入的空隙。

7.如权利要求1所述的一种高压线扫雪机器人，其特征在于：所述夹持手(14)和捡拾手(15)分别采用两个，且相互对应的安装在支撑体(1)两端的机械臂(6)上。

8.如权利要求1所述的一种高压线扫雪机器人，其特征在于：所述环境输入装置(16)内部包括由STM32***控制的多种检测传感器，且环境输入装置(16)包括无线传输摄像头、红外线测距仪和夜视灯。

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