CN112498719A - 一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，包括飞行平台、连接于飞行平台下方的悬挂机构和连接于悬挂机构下方的刀具***；所述悬挂机构包括水平安置的工字架、挂接于工字架下方的伸缩装置、连接于伸缩装置下端并与刀具***对接的下连接座；所述刀具***为以左右几何对称或质量对称方式布置的M(M≥1)个电锯组件的阵列组合；悬挂机构与刀具***之间设有可将两者挂接或分离的脱钩装置。本发明的树障清理飞行机器人，采用可动态伸缩的剪刀叉式悬挂机构挂载刀具***，适合于从树障顶部实施平推式的大面积快速清理，作业效率高，避免操作人员靠近树障处的高压输电线，解决了现有技术中存在的清理效率不高和安全风险大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种剪刀叉式悬挂刀具的电力线路树障清理飞行机器人，尤其涉及一种适合于快速清理大面积树障的飞行机器人，属于输电线路树障清理装置技术领域。
背景技术
树障是输电线路通道存在的一种安全隐患，表现为通道内树木的不断增生逐渐威胁到输电线路的运行安全。为此，各级电力部门每年都要投入大量的人力、物力与财力对辖区内的通道树障进行清理整治。目前的树障清理主要有三种方式：1)人工清障作业，多采用特制的加长切割刀具，安全风险大，作业效率不高；2)基于地面设备的树障清理作业，由于受到地形环境和树木生长态势的严重限制，难以对高空树障进行快速削巅清理；3)基于无人机的树障清理技术，已有不少探索性的工作，但依然存在着抗树木干扰能力较弱、单次切割范围较小、作业效率相对不高等不足。
因此，亟需研制一种可对电力线路通道内树障进行大范围自动清理的飞行机器人，其搭载的刀具***应具备较大的单次切割范围，同时又能避免切割力对飞行机器人本体姿态的影响，并且具有防卡阻等安全保护措施。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，通过旋翼类飞行器挂载多个刀具组成的刀具***，实现对线路通道内的树障进行大面积、高效率的清理，满足输电线路环境下树障清理安全作业的需求。
本发明的技术方案为：一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，包括飞行平台、连接于飞行平台下方的悬挂机构和连接于悬挂机构下方的刀具***；所述悬挂机构包括水平安置的工字架、挂接于工字架下方的伸缩装置、连接于伸缩装置下端并与刀具***对接的下连接座；所述刀具***为以左右几何对称或质量对称方式布置的M(M≥1)个电锯组件的阵列组合。
优选的，上述悬挂机构与刀具***之间之间设有可将两者挂接或分离的脱钩装置。
优选的，上述悬挂机构为剪刀叉式悬挂机构，其特征为：所述工字架包括位于中心位置且横向布置的主梁、左右对称固连于主梁两侧呈前后走向的一对导杆、位于导杆外端并与飞行平台连接的法兰座，主梁的中心安装有电机，电机的输出轴垂直向下并连接升降螺杆；
所述伸缩装置包括左右对称平行布置的一对剪刀叉组件，剪刀叉组件自上而下包含端对端串联铰接的N(N≥1)个X形剪刀叉和1个V形剪刀叉；X形剪刀叉由一对中部交叉且可相互转动的长连杆组合而成，每根长连杆的中部与两端设有圆孔；V形剪刀叉由一对底部相互交叉且可相互转动的短连杆组合而成，每根短连杆的两端设有圆孔，下连接座的转轴穿过此对短连杆下端的圆孔；所述的一对剪刀叉组件之间自上而下依次设有起连接和加强作用的横向连接杆，所述横向连接杆包括：穿过第一对X形剪刀叉上端圆孔且前后对称分布的一对滑动杆、穿过第一对X形剪刀叉中心圆孔的升降调节杆、穿过相邻X形剪刀叉外端串联铰接圆孔的加强杆、穿过其它对X形剪刀叉中心圆孔的中心加强杆；所述滑动杆设有一对左右对称、套接于导杆并可沿导杆前后运动的滑环，所述升降调节杆中部的柱体内置有与升降螺杆相配合的螺纹，所述中心加强杆中部的柱体内置有容纳升降螺杆上下自由穿过的圆孔；
所述的V形剪刀叉与下连接座之间，设有限制刀具***前后自由摆动的阻尼装置；
所述导杆的外端设有感知悬挂机构向上收缩到极限位置的上行程开关，所述导杆的内端设有感知悬挂机构向下伸展到极限位置的下行程开关，上行程开关和下行程开关的输出信号线、电机的控制信号线均与飞行平台的主控制器连接；
优选的，所述阻尼装置包括一对安装于下连接座的转轴且位于V形剪刀叉外侧和下连接座内侧的扭转弹簧，扭转弹簧的一端固定于下连接座，另一端固定于相邻的短连杆。
优选的，上述刀具***包括外形左右对称的刀具架、以左右几何对称或质量对称的方式安装于刀具架的N(N≥1)个电锯组件、固连于刀具架且位于相邻电锯组件之间尖端向外的“V”形导向器、内置于刀具架用于控制电锯组件的刀具控制器；电锯组件包括刀具电机、由刀具电机驱动的电锯和驱动刀具电机的电机驱动器；刀具控制器通过通信总线与飞行平台的主控制器连接；所述电锯组件设有分别感知刀具电机工作时的电流、转速和温度的电流传感器、转速传感器和温度传感器，电流传感器、转速传感器和温度传感器的输出信号分别连接至刀具控制器。
优选的，上述电锯为圆盘锯或链锯；所述圆盘锯固连于刀具电机的输出轴上；所述链锯包含导板与链条，导板上安装有引导约束树枝并加速切割的外导向叉。
优选的，所述链锯刀具***的链锯组件的数量N取2。
优选的，所述的脱钩装置为机械式脱钩装置或电磁式脱钩装置。
所述脱钩装置为机械式脱钩装置，包括上脱钩组件和可与上脱钩组件相互挂接的下脱钩组件；所述上脱钩组件包括上基座、固连于上基座且输出杆向下的直线舵机、固连于上基座的上挂钩轴、以上挂钩轴为转轴呈“L”形的上挂钩、安装于上基座和上挂钩的横向杆的末端之间且能为上挂钩提供逆时针恢复力矩的拉簧、以及固连于上基座的上电气接口，直线舵机的输出杆的末端设有轴承；所述下脱钩组件包括下基座、固连于下基座且可与上挂钩形成上下挂接的下挂扣、固连于下基座的下电气接口；上电气接口与下电气接口形成对插连接，用于传递电能与控制信号；所述上挂钩的下端为向右的弯钩，弯钩的右下侧呈斜角外形，下挂扣的左上侧具有与上挂钩的弯钩斜角外轮廓呈挤压推让配合的斜角外形；所述下挂扣设有配合上挂钩的弯钩的方孔，一旦上挂钩的弯钩旋入方孔即可使下挂扣与上挂钩形成可靠挂接；所述下脱钩组件还包括嵌于下基座与上基座之间，并与二者形成紧密接触的弹性垫圈；所述直线舵机与飞行平台中的控制器连接，直线舵机收到该控制器的指令后将驱动其输出杆伸长或收缩，从而使上挂钩顺时针或逆时针随动旋转。
所述脱钩装置为电磁式脱钩装置，包括分别固连于脱钩装置两端所连接部件的电磁铁与衔铁；电磁铁通电后与衔铁吸合，脱钩装置两端所连接部件完成挂接；电磁铁断电后释放衔铁，脱钩装置两端所连接部件实现分离；电磁铁通过开关与飞行机器人上的电源相连接。清障作业中，当刀具***相对树障发生卡阻且无法分离时，通过脱钩装置可使刀具***脱离飞行机器人，从而对飞行机器人实施安全保护。
优选的，上述飞行平台为左右对称布局的多旋翼飞行器，不局限于任意固定已知的四、六、八等多旋翼。
优选的，上述多旋翼飞行器的任意一对左右对称的旋翼与各自旋翼臂之间，设有可使旋翼相对对应旋翼臂的轴线旋转的倾转电机。
优选的，上述飞行平台设有用于近距离观察树障生长态势和刀具***切割状态的前视摄像头和下视摄像头。
所述树障清理飞行机器人的工作方法与控制方法如下：
一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人的工作方法如下：
将飞行平台、悬挂机构和刀具***自上而下依次连接，形成一个飞行机器人整体；当飞行机器人飞行到树障附近后，首先调整悬挂机构的长度和飞行高度，并使刀具***朝向待切割树木，然后根据接收到的树障清理遥控指令后，控制飞行机器人前飞，利用刀具***对机器人下方的树障进行平推式的切割清理；清理过程中，可动态调整悬挂机构的长度以适应不同的清理需求。
一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人的控制方法：
包括悬挂机构的控制方法、刀具***的控制方法以及脱钩装置的控制方法，具体控制方法如下：
1)悬挂机构的控制方法为：悬挂机构的工作模式有三种，分别为悬挂机构上升、悬挂机构锁定和悬挂机构下降：
A)悬挂机构上升：飞行平台的主控制器向电机输出正转指令，电机转动将驱动升降螺杆正转，使得升降调节杆上升，带动伸缩装置向上收缩，滑动杆向外移动，从而令悬挂机构上升；当悬挂机构上升到极限位置时，滑动杆触发上行程开关，飞行平台的主控制器向电机输出停转指令，使电机停转，从而对悬挂机构实施上升保护；
B)悬挂机构锁定：在悬挂机构的升降过程中，一旦飞行平台的主控制器向电机输出停转指令，电机带动的升降螺杆将停止转动，由于升降螺杆与升降调节杆之间存在着自锁关系，将使得悬挂机构锁定在当前位置；
C)悬挂机构下降：飞行平台的主控制器向电机输出反转指令，电机转动将驱动升降螺杆反转，使得升降调节杆下降，带动伸缩装置向下伸展，滑动杆向内移动，从而令悬挂机构下降；当悬挂机构下降到极限位置时，滑动杆触发下行程开关，飞行平台的主控制器向电机输出停转指令，使电机停转，从而对悬挂机构实施下降保护。
2)刀具***的控制方法为：
A)刀具控制器实时采集刀具电机工作时的电流、转速和温度，并发送至飞行平台的主控制器以用于监控。
B)实时评估电锯组件的工作状态：
①设过载对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若刀具电机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定电锯组件过载；
②设卡阻对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若刀具电机的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定电锯组件卡阻；
③若刀具电机的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过预定门限，可判定电锯组件发生损伤。
C)工作状态的异常处理方法：
①若判定为过载，即向飞行平台发送悬停指令，停止切割进给；
②若判定为卡阻或损伤，即令刀具电机刹车，同时向飞行平台发送回退指令；
③对于卡阻，若电锯组件被树枝卡住且难以挣脱，则启动脱钩装置使刀具***脱离飞行机器人，从而最大限度地保护飞行机器人的安全，避免引发坠机。
D)对刀具***的平衡作业状态进行检测并实施补偿控制：
①检测方法：设左右两侧对称位置的刀具电机的瞬时转速分别为Nia、Nib，瞬时电流分别为Iia、Iib，瞬时温度分别为Tia、Tib，其中i＝1,…,N；
定义电锯组件的切割强度：
xij＝f(Nij,Iij,Tij)
其中，i＝1,…,N，j＝a,b。若取线性结构，则
xij＝kN(N0-Nij)+kIIij+kTTij
其中，kN、kI、kT为权重系数，N0为空载转速；
定义一对电锯组件的切割强度差：
Δxi＝xia-xib，i＝1,…,N
定义刀具***的综合切割强度差：
若|Δxi|≥δx，可判定电锯组件的平衡作业失常，其中δx>0，为电锯组件平衡作业失常判定阈值；
若|Δy|≥δy，可判定刀具***的平衡作业失常，其中δy>0，为刀具***平衡作业失常判定阈值。
②刀具***的平衡作业补偿控制方法：
若εx<|Δxi|<δx及ε<|Δy|<δy，其中εx>0和ε>0，为不灵敏区，则取如下方法之一：a)航向随动：控制飞行机器人的航向向切割强度较小的一侧运动调整，以对刀具***的两侧实施平衡补偿；b)航向保持：控制飞行机器人悬停，待|Δxi|及|Δy|均减小后，再控制飞行机器人前飞以实施清障进给，从而维持飞行机器人的航向；
若判定某对电锯组件的平衡作业失常或刀具***的平衡作业失常，先令飞行平台保持悬停，然后持续观察各|Δxi|及|Δy|一段时间T(T>0)，若|Δxi|及|Δy|未全部回落，则令所有刀具电机反转后再刹车，使刀具***退出切割作业，同时向飞行平台发出保护性回退指令。
3)机械式的脱钩装置的控制方法：
A)当脱钩装置收到飞行平台中的主控制器的“脱钩”指令时，直线舵机的输出杆伸长，带动轴承向下移动，轴承与上挂钩的横向杆的上平面挤压接触，推动上挂钩顺时针旋转，使上挂钩下端的弯钩与下挂扣脱离，从而实现脱钩装置下方连接的部件与脱钩装置上方连接的部件的机械脱钩，同时也完成电气接口的分离；之后，直线舵机的输出杆收缩，上挂钩在拉簧的拉力作用下逆时针旋转复位；
B)当挂接时，下挂扣向上运动对上挂钩的弯钩形成向左的挤压，推动上挂钩顺时针旋转退让，下挂扣向上运动到位时，上挂钩的弯钩快速旋入下挂扣的方孔，由此形成脱钩装置下方连接的部件与脱钩装置上方连接的部件之间稳定可靠的挂接，同时也完成电气接口的连接。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
1)本发明采用飞行平台悬挂多个电锯组件组成的刀具***，适合于从树障顶部实施平推式(亦称“剃头式”)的大面积快速清理，作业效率高，避免操作人员靠近树障处的高压输电线，操作更加安全，可有效降低树障清理的作业风险，解决现有技术中存在的清理效率不高和安全风险大的问题；
2)悬挂刀具***的飞行机器人，作业时刀具***始终位于旋翼组件的下方，可有效避免树障对旋翼组件的干涉，减少坠机风险，提高飞行机器人作业的安全性；
3)该剪刀叉式悬挂机构，可在飞行机器人的飞行与作业过程中动态伸缩，通过可调整刀具***与飞行平台的距离，满足不同树障清理高度的需求，一方面使用灵活机动，作业效率高，另一方面可有效降低飞行机器人的起飞与降落难度，易于收纳运输；
4)悬挂机构与刀具***位于飞行平台的下方，使飞行机器人的重心处于飞行平台的正下方，提升了飞行机器人的稳定性，降低了飞行机器人的操控难度；
5)由于采用工字架+伸缩装置的构型，特别是剪刀叉组件之间起连接和加强作用的横向连接杆，该悬挂机构具有良好的结构刚度与强度，***的稳定性与可靠性更好，结构简单且易于实现；当刀具***遭受外力时不易使悬挂机构发生过度扭曲、形变，以致带来结构破坏，保证了机器人的安全性；
6)本发明采用升降螺杆与升降调节杆螺纹相配合的结构，通过电机驱动升降螺杆旋转，带动升降调节杆上升或下降，由此驱动悬挂机构向上收缩或向下伸展；电机停转后又可保持悬挂机构的伸缩长度，从而增强了飞行机器人的整体刚度；
7)下连接座与相连的V形剪刀叉之间设有机械式的阻尼装置，可使刀具***在任意升降高度保持稳定，不易发生前后自由摆动，并在切割过程中提供一定的退让柔性，从而提升作业的有效性与安全性；
8)导杆设有约束滑动杆前后运动的限位器，可防止悬挂机构收缩与伸展时超过机械极限，确保悬挂机构运动的安全性。
9)刀具***为左右几何对称或质量对称布置的多个盘锯组件或链锯组件的阵列组合，具有较大的横向作业宽度，一次作业范围大，切割效率高，适用性好；同时降低了飞行机器人前进作业时受到的航向力矩影响，确保了飞行机器人的航向稳定性；
10)每个盘锯组件或链锯组件都设有感知其工作电流、转速和温度的传感器，控制***分析处理传感器数据，对飞行机器人及刀具实施保护性退避或对刀具的平衡作业状态实施补偿保护，保证了飞行机器人作业的安全性和可靠性；
11)刀具***可为多种构型，且具有多种安装方式，在不同作业目标和作业环境下，更换不同刀具***类型，即可满足要求，方便可靠；
12)当枝叶缠绕住刀具***时，可人工或自动启用脱钩装置，使刀具***与悬挂机构或者悬挂机构与飞行平台快速“脱离”，以保障飞行机器人的安全，降低故障带来的损失。
附图说明
图1为飞行机器人伸展状态示意图；
图2为飞行机器人收缩状态示意图；
图3为剪刀叉式悬挂机构的结构示意图；
图4为工字架结构示意图；
图5为伸缩装置结构示意图；
图6为剪刀叉组件结构示意图；
图7为剪刀叉式悬挂机构的俯视图；
图8为圆盘锯刀具***结构示意图；
图9为机械式脱钩装置的分离状态示意图；
图10为机械式脱钩装置的挂接状态示意图；
图11为阻尼装置示意图；
图12为链锯刀具***结构示意图；
图13为电磁式脱钩装置结构示意图；
图14为倾转旋翼构型示意图。
图中，1—飞行平台，2—悬挂机构，3—刀具***，4—脱钩装置；
1011—旋翼，1012—旋翼臂，1013—倾转电机；
211—工字架，212—伸缩装置，213—下连接座；
2101—主梁，2102—导杆，2103—法兰座，2104—升降螺杆，2105—电机，2106—滑动杆，2107—升降调节杆，2108—加强杆，2109—中心加强杆，2110—长连杆，2111—短连杆，2112—剪刀叉组件，2113—X形剪刀叉，2114—V形剪刀叉，2115—扭转弹簧。
3001—刀具架，3002—刀具电机，3003A—圆盘锯，3003B—链锯，3004—电机驱动器，3005—刀具控制器，3006—导向器，3007—外导向叉；
41—上脱钩组件，4101—上基座，4102—直线舵机，4103—轴承，4104—拉簧，4105—上挂钩，4106—上挂钩轴，4107—上电气接口；
42—下脱钩组件，4201—下基座，4202—下挂扣，4203—下电气接口，4204—弹性垫圈；
401—电磁铁，402—衔铁。
具体实施方式
下面，结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1～图11所示，一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，包括飞行平台1、连接于飞行平台1下方的悬挂机构2和连接于悬挂机构2下方的刀具***3；所述悬挂机构2包括水平安置的工字架211、挂接于工字架211下方的伸缩装置212、连接于伸缩装置212下端并与刀具***3对接的下连接座213；所述刀具***3为以左右几何对称或质量对称方式布置的M(M≥1)个电锯组件的阵列组合。
优选的，上述悬挂机构2与刀具***3之间设有可将两者挂接或分离的脱钩装置4。
优选的，上述悬挂机构2为剪刀叉式悬挂机构：如图4所示，所述工字架211包括位于中心位置且横向布置的主梁2101、左右对称固连于主梁2101两侧呈前后走向的一对导杆2102、位于导杆2102外端并与飞行平台1连接的法兰座2103，主梁2101的中心安装有电机2105，电机2105的输出轴垂直向下并连接升降螺杆2104；
如图5～图7所示，所述伸缩装置212包括左右对称平行布置的一对剪刀叉组件2112，剪刀叉组件2112自上而下包含端对端串联铰接的N(N≥1)个X形剪刀叉2113和1个V形剪刀叉2114；X形剪刀叉2113由一对中部交叉且可相互转动的长连杆2110组合而成，每根长连杆2110的中部与两端设有圆孔；V形剪刀叉2114由一对底部相互交叉且可相互转动的短连杆2111组合而成，每根短连杆2111的两端设有圆孔，下连接座213的转轴穿过此对短连杆2111下端的圆孔；所述的一对剪刀叉组件2112之间自上而下依次设有起连接和加强作用的横向连接杆，所述横向连接杆包括：穿过第一对X形剪刀叉2113上端圆孔且前后对称分布的一对滑动杆2106、穿过第一对X形剪刀叉2113中心圆孔的升降调节杆2107、穿过相邻X形剪刀叉2113外端串接圆孔的加强杆2108、穿过其它对X形剪刀叉2113中心圆孔的中心加强杆2109；所述滑动杆2106设有一对左右对称、套接于导杆2102并可沿导杆2102前后运动的滑环，所述升降调节杆2107中部的柱体内置有与升降螺杆2104相配合的螺纹，所述中心加强杆2109中部的柱体内置有容纳升降螺杆2104上下自由穿过的圆孔；
所述的V形剪刀叉2114与下连接座213之间，设有限制刀具***3前后自由摆动的阻尼装置；
所述导杆2102的外端设有感知悬挂机构2向上收缩到极限位置的上行程开关，所述导杆2102的内端设有感知悬挂机构向下伸展到极限位置的下行程开关，上行程开关和下行程开关的输出信号线、电机2105的控制信号线均与飞行平台1的主控制器连接。
优选的，如图11所示，所述阻尼装置包括一对安装于下连接座213的转轴且位于V形剪刀叉2114外侧和下连接座213内侧的扭转弹簧2115，扭转弹簧2115的一端固定于下连接座213，另一端固定于相邻的短连杆2111。
优选的，上述刀具***3包括外形左右对称的刀具架3001、以左右几何对称或质量对称的方式安装于刀具架3001的N(N≥1)个电锯组件、固连于刀具架3001且位于相邻电锯组件之间尖端向外的“V”形导向器3006、内置于刀具架3001用于控制电锯组件的刀具控制器3005；电锯组件包括刀具电机3002、由刀具电机3002驱动的电锯和驱动刀具电机3002的电机驱动器3004；刀具控制器3005通过通信总线与飞行平台1的主控制器连接；所述电锯组件设有分别感知刀具电机3002工作时的电流、转速和温度的电流传感器、转速传感器和温度传感器，电流传感器、转速传感器和温度传感器的输出信号分别连接至刀具控制器3005。
优选的，上述电锯为圆盘锯3003A，固连于刀具电机3002的输出轴上。
优选的，上述脱钩装置4为机械式脱钩装置，包括上脱钩组件41和可与上脱钩组件41相互挂接的下脱钩组件42；所述上脱钩组件41包括上基座4101、固连于上基座4101且输出杆向下的直线舵机4102、固连于上基座4101的上挂钩轴4106、以上挂钩轴4106为转轴呈“L”形的上挂钩4105、安装于上基座4101和上挂钩4105的横向杆的末端之间且能为上挂钩4105提供逆时针恢复力矩的拉簧4104、以及固连于上基座4101的上电气接口4107，直线舵机4102的输出杆的末端设有轴承4103；所述下脱钩组件42包括下基座4201、固连于下基座4201且可与上挂钩4105形成上下挂接的下挂扣4202、固连于下基座4201的下电气接口4203；上电气接口4107与下电气接口4203形成对插连接，用于传递电能与控制信号；所述上挂钩4105的下端为向右的弯钩，弯钩的右下侧呈斜角外形，下挂扣4202的左上侧具有与上挂钩4105的弯钩斜角外轮廓呈挤压推让配合的斜角外形；所述下挂扣4202设有配合上挂钩4105的弯钩的方孔，一旦上挂钩4105的弯钩旋入方孔即可使下挂扣4202与上挂钩4105形成可靠挂接；所述下脱钩组件42还包括嵌于下基座4201与上基座4101之间，并与二者形成紧密接触的弹性垫圈4204；所述直线舵机4102与飞行平台中的主控制器连接，直线舵机4102收到该主控制器的指令后将驱动其输出杆伸长或收缩，从而带动上挂钩4105顺时针或逆时针随动旋转。
优选的，所述的飞行平台1为左右对称布局的多旋翼飞行器，不局限于任意固定已知的四、六、八等多旋翼。
优选的，上述飞行平台1设有用于近距离观察树障生长态势和刀具***3切割状态的前视摄像头和下视摄像头。
本发明一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人的工作方法与控制方法如下：
一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人的工作方法如下：
将飞行平台1、悬挂机构2和刀具***3自上而下依次连接，形成一个飞行机器人整体；当飞行机器人飞行到树障附近后，首先调整悬挂机构2的长度和飞行高度，并使刀具***3朝向待切割树木，然后根据接收到的树障清理遥控指令，控制飞行机器人前飞，利用刀具***3对飞行机器人下方的树障进行平推式的切割清理；清理过程中，可动态调整悬挂机构2的长度以适应不同的清理需求。
一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人的控制方法：
包括悬挂机构2的控制方法、刀具***3的控制方法以及脱钩装置4的控制方法，具体控制方法如下：
1)悬挂机构2的控制方法为：悬挂机构2的工作模式有三种，分别为悬挂机构上升、悬挂机构锁定和悬挂机构下降：
A)悬挂机构上升：飞行平台1的主控制器向电机2105输出正转指令，电机2105转动将驱动升降螺杆2104正转，使得升降调节杆2107上升，带动伸缩装置212向上收缩，滑动杆2106向外移动，从而令悬挂机构2上升；当悬挂机构上升到极限位置时，滑动杆2106触发上行程开关，飞行平台1的主控制器向电机2105输出停转指令，使电机2105停转，从而对悬挂机构2实施上升保护；
B)悬挂机构锁定：在悬挂机构2的升降过程中，一旦飞行平台1的主控制器向电机2105输出停转指令，电机2105带动的升降螺杆2104将停止转动，由于升降螺杆2104与升降调节杆2107之间存在着自锁关系，将使得悬挂机构2锁定在当前位置；
C)悬挂机构下降：飞行平台1的主控制器向电机2105输出反转指令，电机2105转动将驱动升降螺杆2104反转，使得升降调节杆2107下降，带动伸缩装置212向下伸展，滑动杆2106向内移动，从而令悬挂机构2下降；当悬挂机构下降到极限位置时，滑动杆2106触发下行程开关，飞行平台1的主控制器向电机2105输出停转指令，使电机2105停转，从而对悬挂机构2实施下降保护。
2)刀具***3的控制方法为：
A)刀具控制器3005实时采集刀具电机3002工作时的电流、转速和温度，并发送至飞行平台1的主控制器以用于监控。
B)实时评估电锯组件的工作状态：
①设过载对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若刀具电机3002的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定电锯组件过载；
②设卡阻对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若刀具电机3002的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定电锯组件卡阻；
③若刀具电机3002的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过预定门限，可判定电锯组件发生损伤。
C)工作状态的异常处理方法：
①若判定为过载，即向飞行平台1发送悬停指令，停止切割进给；
②若判定为卡阻或损伤，即令刀具电机3002刹车，同时向飞行平台1发送回退指令；
③对于卡阻，若电锯组件被树枝卡住且难以挣脱，则启动脱钩装置4使刀具***3脱离飞行机器人，从而最大限度地保护飞行机器人的安全，避免引发坠机。
D)对刀具***3的平衡作业状态进行检测并实施补偿控制：
①检测方法：设左右两侧对称位置的刀具电机3002的瞬时转速分别为Nia、Nib，瞬时电流分别为Iia、Iib，瞬时温度分别为Tia、Tib，其中i＝1,…,N；
定义电锯组件的切割强度：
xij＝f(Nij,Iij,Tij)
其中，i＝1,…,N，j＝a,b。若取线性结构，则
xij＝kN(N0-Nij)+kIIij+kTTij
其中，kN、kI、kT为权重系数，N0为空载转速；
定义一对电锯组件的切割强度差：
Δxi＝xia-xib，i＝1,…,N
定义刀具***3的综合切割强度差：
若|Δxi|≥δx，可判定电锯组件的平衡作业失常，其中δx>0，为电锯组件平衡作业失常判定阈值；
若|Δy|≥δy，可判定刀具***3的平衡作业失常，其中δy>0，为刀具***平衡作业失常判定阈值。
②刀具***3的平衡作业补偿控制方法：
若εx<|Δxi|<δx及ε<|Δy|<δy，其中εx>0和ε>0，为不灵敏区，则取如下方法之一：a)航向随动：控制飞行机器人的航向向切割强度较小的一侧运动调整，以对刀具***3的两侧实施平衡补偿；b)航向保持：控制飞行机器人悬停，待|Δxi|及|Δy|均减小后，再控制飞行机器人前飞以实施清障进给，从而维持飞行机器人的航向；
若判定某对电锯组件的平衡作业失常或刀具***3的平衡作业失常，先令飞行平台1保持悬停，然后持续观察各|Δxi|及|Δy|一段时间T(T>0)，若|Δxi|及|Δy|未全部回落，则令所有刀具电机3002反转后再刹车，使刀具***3退出切割作业，同时向飞行平台1发出保护性回退指令。
3)机械式的脱钩装置4的控制方法：
A)当脱钩装置4收到飞行平台1中的主控制器的“脱钩”指令时，直线舵机4102的输出杆伸长，带动轴承4103向下移动，轴承4103与上挂钩4105的横向杆的上平面挤压接触，推动上挂钩4105顺时针旋转，使上挂钩4105下端的弯钩与下挂扣4202脱离，从而实现脱钩装置4下方连接的部件与脱钩装置4上方连接的部件的机械脱钩，同时也完成电气接口的分离；之后，直线舵机4102的输出杆收缩，上挂钩4105在拉簧4104的拉力作用下逆时针旋转复位；
B)当挂接时，下挂扣4202向上运动对上挂钩4105的弯钩形成向左的挤压，推动上挂钩4105顺时针旋转退让，下挂扣4202向上运动到位时，上挂钩4105的弯钩快速旋入下挂扣4202的方孔，由此形成脱钩装置4下方连接的部件与脱钩装置4上方连接的部件之间稳定可靠的挂接，同时也完成电气接口的连接。
实施例2：如图12所示，一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，实施例1中所述的电锯为链锯3003B，所述链锯3003B包含导板与链条，导板上安装有引导约束树枝并加速切割的外导向叉3007。所述链锯刀具***的链锯组件的数量N取2。
实施例3：一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，所述的脱钩装置4为电磁式脱钩装置，包括分别固连于脱钩装置4两端所连接部件的电磁铁401与衔铁402；电磁铁401通过开关与飞行机器人上的电源相连接。
如图13所示，电磁铁401通电后与衔铁402吸合，刀具***3挂接至悬挂机构2的下方；磁铁401断电后释放衔铁402，刀具***3与悬挂机构2分离。清障作业中，当刀具***3相对树障发生卡阻且无法分离时，通过脱钩装置4可使刀具***3脱离飞行机器人，从而对飞行机器人实施安全保护。
实施例4：如图14所示，一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，所述的多旋翼飞行器的任意一对左右对称的旋翼1011与各自旋翼臂1012之间，设有可使旋翼1011相对对应旋翼臂1012的轴线旋转的倾转电机1013，由此实现倾转旋翼。
基于倾转旋翼，飞行平台1能产生较大的航向力矩来克服刀具***3受到的树木不平衡反作用力矩，并可能在不改变姿态的前提下实现水平飞行。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式实例，本发明的保护范围并不局限于此。熟悉该技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易找到变化或替换方式，这些都应涵盖在本发明的保护范围之内。为此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，其特征在于：包括飞行平台(1)、连接于飞行平台(1)下方的悬挂机构(2)和连接于悬挂机构(2)下方的刀具***(3)；所述悬挂机构(2)包括水平安置的工字架(211)、挂接于工字架(211)下方的伸缩装置(212)、连接于伸缩装置(212)下端并与刀具***(3)对接的下连接座(213)；所述刀具***(3)为以左右几何对称或质量对称方式布置的M(M≥1)个电锯组件的阵列组合。
2.根据权利要求1所述的一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，其特征在于：悬挂机构(2)与刀具***(3)之间设有可将两者挂接或分离的脱钩装置(4)。
3.根据权利要求1所述的一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，其特征在于：上述悬挂机构(2)为剪刀叉式悬挂机构：所述工字架(211)包括位于中心位置且横向布置的主梁(2101)、左右对称固连于主梁(2101)两侧呈前后走向的一对导杆(2102)、位于导杆(2102)外端并与飞行平台(1)连接的法兰座(2103)，主梁(2101)的中心安装有电机(2105)，电机(2105)的输出轴垂直向下并连接升降螺杆(2104)；
所述伸缩装置(212)包括左右对称平行布置的一对剪刀叉组件(2112)，剪刀叉组件(2112)自上而下包含端对端串联铰接的N(N≥1)个X形剪刀叉(2113)和1个V形剪刀叉(2114)；X形剪刀叉(2113)由一对中部交叉且可相互转动的长连杆(2110)组合而成，每根长连杆(2110)的中部与两端设有圆孔；V形剪刀叉(2114)由一对底部相互交叉且可相互转动的短连杆(2111)组合而成，每根短连杆(2111)的两端设有圆孔，下连接座(213)的转轴穿过此对短连杆(2111)下端的圆孔；所述的一对剪刀叉组件(2112)之间自上而下依次设有起连接和加强作用的横向连接杆，所述横向连接杆包括：穿过第一对X形剪刀叉(2113)上端圆孔且前后对称分布的一对滑动杆(2106)、穿过第一对X形剪刀叉(2113)中心圆孔的升降调节杆(2107)、穿过相邻X形剪刀叉(2113)外端串接圆孔的加强杆(2108)、穿过其它对X形剪刀叉(2113)中心圆孔的中心加强杆(2109)；所述滑动杆(2106)设有一对左右对称、套接于导杆(2102)并可沿导杆(2102)前后运动的滑环，所述升降调节杆(2107)中部的柱体内置有与升降螺杆(2104)相配合的螺纹，所述中心加强杆(2109)中部的柱体内置有容纳升降螺杆(2104)上下自由穿过的圆孔；
所述的V形剪刀叉(2114)与下连接座(213)之间，设有限制刀具***(3)前后自由摆动的阻尼装置；
所述导杆(2102)的外端设有感知悬挂机构(2)向上收缩到极限位置的上行程开关，所述导杆(2102)的内端设有感知悬挂机构向下伸展到极限位置的下行程开关，上行程开关和下行程开关的输出信号线、电机(2105)的控制信号线均与飞行平台(1)的主控制器连接。
4.根据权利要求3所述的一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，其特征在于：所述阻尼装置包括一对安装于下连接座(213)的转轴且位于V形剪刀叉(2114)外侧和下连接座(213)内侧的扭转弹簧(2115)，扭转弹簧(2115)的一端固定于下连接座(213)，另一端固定于相邻的短连杆(2111)。
5.根据权利要求1所述的一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，其特征在于：上述刀具***(3)包括外形左右对称的刀具架(3001)、以左右几何对称或质量对称的方式安装于刀具架(3001)的N(N≥1)个电锯组件、固连于刀具架(3001)且位于相邻电锯组件之间尖端向外的“V”形导向器(3006)、内置于刀具架(3001)用于控制电锯组件的刀具控制器(3005)；电锯组件包括刀具电机(3002)、由刀具电机(3002)驱动的电锯和驱动刀具电机(3002)的电机驱动器(3004)；刀具控制器(3005)通过通信总线与飞行平台(1)的主控制器连接；所述电锯组件设有分别感知刀具电机(3002)工作时的电流、转速和温度的电流传感器、转速传感器和温度传感器，电流传感器、转速传感器和温度传感器的输出信号分别连接至刀具控制器(3005)。
6.根据权利要求5所述的一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，其特征在于：上述电锯为圆盘锯(3003A)或链锯(3003B)；所述圆盘锯(3003A)固连于刀具电机(3002)的输出轴上；所述链锯(3003B)包含导板与链条，导板上安装有引导约束树枝并加速切割的外导向叉(3007)。
7.根据权利要求2所述的一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，其特征在于：上述脱钩装置(4)为机械式脱钩装置，包括上脱钩组件(41)和可与上脱钩组件(41)相互挂接的下脱钩组件(42)；所述上脱钩组件(41)包括上基座(4101)、固连于上基座(4101)且输出杆向下的直线舵机(4102)、固连于上基座(4101)的上挂钩轴(4106)、以上挂钩轴(4106)为转轴呈“L”形的上挂钩(4105)、安装于上基座(4101)和上挂钩(4105)的横向杆的末端之间且能为上挂钩(4105)提供逆时针恢复力矩的拉簧(4104)、以及固连于上基座(4101)的上电气接口(4107)，直线舵机(4102)的输出杆的末端设有轴承(4103)；所述下脱钩组件(42)包括下基座(4201)、固连于下基座(4201)且可与上挂钩(4105)形成上下挂接的下挂扣(4202)、固连于下基座(4201)的下电气接口(4203)；上电气接口(4107)与下电气接口(4203)形成对插连接，用于传递电能与控制信号；所述上挂钩(4105)的下端为向右的弯钩，弯钩的右下侧呈斜角外形，下挂扣(4202)的左上侧具有与上挂钩(4105)的弯钩斜角外轮廓呈挤压推让配合的斜角外形；所述下挂扣(4202)设有配合上挂钩(4105)的弯钩的方孔，一旦上挂钩(4105)的弯钩旋入方孔即可使下挂扣(4202)与上挂钩(4105)形成可靠挂接；所述下脱钩组件(42)还包括嵌于下基座(4201)与上基座(4101)之间，并与二者形成紧密接触的弹性垫圈(4204)；所述直线舵机(4102)与飞行平台(1)中的主控制器连接，直线舵机(4102)收到该主控制器的指令后将驱动其输出杆伸长或收缩，从而带动上挂钩(4105)顺时针或逆时针随动旋转。
8.根据权利要求1所述的一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，其特征在于：飞行平台(1)为左右对称布局的多旋翼飞行器。
9.根据权利要求8所述的一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人，其特征在于：所述多旋翼飞行器的任意一对左右对称的旋翼(1011)与各自旋翼臂(1012)之间，设有可使旋翼(1011)相对对应旋翼臂(1012)的轴线旋转的倾转电机(1013)。
10.一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人的工作方法与控制方法，其特征在于：
一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人的工作方法如下：
将飞行平台(1)、悬挂机构(2)和刀具***(3)自上而下依次连接，形成一个飞行机器人整体；当飞行机器人飞行到树障附近后，首先调整悬挂机构的长度和飞行高度，并使刀具***(3)朝向待切割树木，然后根据接收到的树障清理遥控指令，控制飞行机器人前飞，利用刀具***(3)对机器人下方的树障进行平推式的切割清理；清理过程中，可动态调整悬挂机构(2)的长度以适应不同的清理需求；
一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人的控制方法：
包括悬挂机构(2)的控制方法、刀具***(3)的控制方法以及脱钩装置(4)的控制方法，具体控制方法如下：
1)悬挂机构(2)的控制方法为：悬挂机构(2)的工作模式有三种，分别为悬挂机构上升、悬挂机构锁定和悬挂机构下降：
A)悬挂机构上升：飞行平台(1)的主控制器向电机(2105)输出正转指令，电机(2105)转动将驱动升降螺杆(2104)正转，使得升降调节杆(2107)上升，带动伸缩装置(212)向上收缩，滑动杆(2106)向外移动，从而令悬挂机构(2)上升；当悬挂机构上升到极限位置时，滑动杆(2106)触发上行程开关，飞行平台(1)的主控制器向电机(2105)输出停转指令，使电机(2105)停转，从而对悬挂机构(2)实施上升保护；
B)悬挂机构锁定：在悬挂机构(2)的升降过程中，一旦飞行平台(1)的主控制器向电机(2105)输出停转指令，电机(2105)带动的升降螺杆(2104)将停止转动，由于升降螺杆(2104)与升降调节杆(2107)之间存在着自锁关系，将使得悬挂机构(2)锁定在当前位置；
C)悬挂机构下降：飞行平台(1)的主控制器向电机(2105)输出反转指令，电机(2105)转动将驱动升降螺杆(2104)反转，使得升降调节杆(2107)下降，带动伸缩装置(212)向下伸展，滑动杆(2106)向内移动，从而令悬挂机构(2)下降；当悬挂机构下降到极限位置时，滑动杆(2106)触发下行程开关，飞行平台(1)的主控制器向电机(2105)输出停转指令，使电机(2105)停转，从而对悬挂机构(2)实施下降保护；
2)刀具***(3)的控制方法为：
A)刀具控制器(3005)实时采集刀具电机(3002)工作时的电流、转速和温度，并发送至飞行平台(1)的主控制器以用于监控；
B)实时评估电锯组件的工作状态：
①设过载对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若刀具电机(3002)的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定电锯组件过载；
②设卡阻对应的电流门限、转速门限、温度门限已知，若刀具电机(3002)的电流超过电流门限，或转速低于转速门限，或温度超过温度门限，可判定电锯组件卡阻；
③若刀具电机(3002)的电流或转速出现周期性的脉动且幅度超过预定门限，可判定电锯组件发生损伤；
C)工作状态的异常处理方法：
①若判定为过载，即向飞行平台(1)发送悬停指令，停止切割进给；
②若判定为卡阻或损伤，即令刀具电机(3002)刹车，同时向飞行平台(1)发送回退指令；
③对于卡阻，若电锯组件被树枝卡住且难以挣脱，则启动脱钩装置(4)使刀具***(3)脱离飞行机器人，从而最大限度地保护飞行机器人的安全，避免引发坠机；
D)对刀具***(3)的平衡作业状态进行检测并实施补偿控制：
①检测方法：设左右两侧对称位置的刀具电机(3002)的瞬时转速分别为Nia、Nib，瞬时电流分别为Iia、Iib，瞬时温度分别为Tia、Tib，其中i＝1,…,N；
定义电锯组件的切割强度：
xij＝f(Nij,Iij,Tij)
其中，i＝1,…,N，j＝a,b。若取线性结构，则
xij＝kN(N0-Nij)+kIIij+kTTij
其中，kN、kI、kT为权重系数，N0为空载转速；
定义一对电锯组件的切割强度差：
Δxi＝xia-xib，i＝1,…,N
定义刀具***(3)的综合切割强度差：
若|Δxi|≥δx，可判定电锯组件的平衡作业失常，其中δx>0，为电锯组件平衡作业失常判定阈值；
若|Δy|≥δy，可判定刀具***(3)的平衡作业失常，其中δy>0，为刀具***(3)平衡作业失常判定阈值；
②刀具***(3)的平衡作业补偿控制方法：
若εx<|Δxi|<δx及ε<|Δy|<δy，其中εx>0和ε>0，为不灵敏区，则取如下方法之一：a)航向随动：控制飞行机器人的航向向切割强度较小的一侧运动调整，以对刀具***(3)的两侧实施平衡补偿；b)航向保持：控制飞行机器人悬停，待|Δxi|及|Δy|均减小后，再控制飞行机器人前飞以实施清障进给，从而维持飞行机器人的航向；
若判定某对电锯组件的平衡作业失常或刀具***(3)的平衡作业失常，先令飞行平台(1)保持悬停，然后持续观察各|Δxi|及|Δy|一段时间T(T>0)，若|Δxi|及|Δy|未全部回落，则令所有刀具电机(3002)反转后再刹车，使刀具***(3)退出切割作业，同时向飞行平台(1)发出保护性回退指令；
3)机械式的脱钩装置(4)的控制方法：
A)当脱钩装置(4)收到飞行平台(1)中的主控制器的“脱钩”指令时，直线舵机(4102)的输出杆伸长，带动轴承(4103)向下移动，轴承(4103)与上挂钩(4105)的横向杆的上平面挤压接触，推动上挂钩(4105)顺时针旋转，使上挂钩(4105)下端的弯钩与下挂扣(4202)脱离，从而实现脱钩装置(4)下方连接的部件与脱钩装置(4)上方连接的部件的机械脱钩，同时也完成电气接口的分离；之后，直线舵机(4102)的输出杆收缩，上挂钩(4105)在拉簧(4104)的拉力作用下逆时针旋转复位；
B)当挂接时，下挂扣(4202)向上运动对上挂钩(4105)的弯钩形成向左的挤压，推动上挂钩(4105)顺时针旋转退让，下挂扣(4202)向上运动到位时，上挂钩(4105)的弯钩快速旋入下挂扣(4202)的方孔，由此形成脱钩装置(4)下方连接的部件与脱钩装置(4)上方连接的部件之间稳定可靠的挂接，同时也完成电气接口的连接。
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|---|---|---|---|
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| CN202011363945.1A CN112498719A (zh) | 2020-11-27 | 2020-11-27 | 一种剪刀叉式悬挂刀具的树障清理飞行机器人 |
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ID=74967252
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Country Status (1)
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|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| LU500451A1 (de) * | 2021-07-07 | 2022-01-20 | Univ Zhengzhou Aeronautics | Spezielle Drohne für die Inspektion und Wartung von Stromleitungen |
| CN114326768A (zh) * | 2021-12-22 | 2022-04-12 | 南京航空航天大学 | 悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法及装置 |
| WO2023022937A1 (en) * | 2021-08-20 | 2023-02-23 | Valmont Industries, Inc. | System, method and apparatus for providing a work platform for use with an unmanned aerial vehicle |
-
2020
- 2020-11-27 CN CN202011363945.1A patent/CN112498719A/zh active Pending
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| CN114326768B (zh) * | 2021-12-22 | 2023-12-19 | 南京太司德智能科技有限公司 | 悬挂伸缩刀具的树障清理空中机器人飞行控制方法及装置 |
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