CN1658460A - 沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，由机器人本体、控制装置、传感器、检测装置和无线图像传输设备组成；控制装置和无线图像传输设备安装在机器人本体中间的控制箱内，位置传感器安装在机器人的各个关节电机的末端，测距传感器和检测障碍用的视觉传感器CCD安装在每只手的前方，检测装置包括高速球摄像机和热成像仪通过云台与机器人本体相连。能够在110kV输电线路上平稳行走，自主地跨越输电线上的各种障碍，代替人进行输电线路的巡线工作，减轻输电线路巡线的工作量，提高工作效率和检测的精度，达到确保输电线路安全运行的突出特点。

Description

沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法

(一)技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是一种沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法。

(二)背景技术

电力传输必须依靠高压输电线路，它的安全稳定运行直接影响到电力***的可靠性，由于输电线路分布点多面广，很多处在远离城镇，所处地形复杂，自然环境恶劣。电力线及杆塔附件长期暴露在野外，因受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时修复更换，原本微小的破损和缺陷就可能扩大，最终导致严重事故，造成大面积停电，从而造成极大的经济损失和严重的社会影响。所以，必须对输电线路进行定期巡视检查，随时掌握和了解输电线路的运行情况以及线路周围环境和线路保护区的变化情况，以便及时发现和消除隐患，预防事故的发生，确保供电安全。

传统的安全检查称为巡线，主要包括人力巡线、车辆巡线和直升飞机巡线。人力巡线效率低，劳动强度大，还受到大江、大河，高山等地理条件的限制；车辆巡线受地面交通的限制，很多地方无法实现车辆巡线；直升机巡线的费用较高，很难达到需要的巡视精度。目前多采用人力目测或借助望远镜观察完成巡线工作。

机器人技术的快速发展，为高压输电线路的巡检提供了新的途径，使采用机器人代替人力巡线成为可能。

(三)发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种能够在110kV输电线路上平稳行走、自主地跨越输电线上的各种障碍、可代替人工进行输电线路的巡线、减轻输电线路巡线的工作量、提高工作效率和检测精度、达到确保输电线路安全运行的沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法。

一种沿110kV输电线自主行走的机器人，由机器人本体、控制装置、传感器、检测装置和无线图像传输设备组成；控制装置和无线图像传输设备安装在机器人本体中间的控制箱内，位置传感器安装在机器人的各个关节电机的末端，测距传感器和检测障碍用的视觉传感器CCD安装在每只手的前方，检测装置包括高速球摄像机和热成像仪通过云台与机器人本体相连。

所述的机器人本体由控制箱、前后柔性臂、驱动装置、刹车装置、手掌开合装置组成，如图1所示。前后柔性臂结构相同、位于控制箱两侧成对称结构，控制箱上方是一只具有伸缩功能的手臂，前后两个柔性臂，分别通过涡轮蜗杆减速器连接在控制箱上；每只手由两个手掌构成，手掌开合装置安装在手腕处，驱动装置和刹车装置安装在手掌上。

所述的前后柔性臂均由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和手组成，其中前柔性臂如图2所示。前肩关节与控制箱固定连接，前大臂连接在前肩关节上，前大臂和前小臂通过由电机驱动的减速器构成的前肘关节相连，前小臂和前手与前腕关节相连，后柔性臂与前柔性臂结构相同，如图1所示；肩关节由电机和精密蜗轮蜗杆减速器、水平转盘和垂直转盘组成，电机通过精密蜗轮蜗杆减速器与水平转盘和垂直转盘连接。

所述的驱动装置包括结构相同的后手驱动装置、前手驱动装置和中间手驱动装置，各驱动装置由驱动电机、伞齿轮减速器和驱动轮组成，其结构示意图如图3所示。驱动电机通过伞齿轮减速器与驱动轮的传动轴相连，伞齿轮的输入输出轴呈垂直关系，驱动装置安装在手掌支架上；在跨越线夹、悬垂及跳线时能够打开、实现跨越的驱动轮为中间分离式，驱动轮采用高强度、高弹性、高摩擦系数材料。

所述的刹车装置包括结构相同的后手刹车装置、中间手刹车装置和前手刹车装置，刹车装置安装在手掌支架上，该装置由刹车电机，螺旋机构和曲柄滑块机构组成，如图4所示。刹车电机与螺旋机构直接相连，曲柄滑块机构通过一个齿轮与螺旋机构啮合。

所述的手掌开合装置由螺旋机构和三角形增力机构26组成，如图4下半部分所示。驱动电机安装在螺旋机构的下部，螺旋机构与三角形增力机构相连，三角形的两个斜边分别装有滑块。

所述的控制装置安装在机器人本体中间的控制箱内，由管理层、规划层和执行层组成，管理层与规划层通过无线信道连接，规划层与执行层(下位机)通过串行通讯线相连；其整体结构框图如图5所示。管理层由地面监控计算机和无线设备组成，地面监控计算机和无线设备组成通过通信线连接；规划层由机器人本体主计算机PC104及图像采集卡，I/O卡，超声传感器，CCD，高速球摄像机及红外热成像仪组成，超声传感器，CCD，高速球摄像机及红外热成像仪通过图像采集卡，I/O卡与计算机PC104连接；执行层(下位机)由单片机AT89S52、带编码器的电机及驱动模块、限位开关组成，电机通过驱动模块与单片机AT89S52连接，限位开关安装在升降装置和开合装置的两个极限位置处。

所述的传感器中，超声测距传感器用美国产PID#615078-6500，辅助识别障碍物类型的视觉传感器CCD用日本产STC-635CC；关节位置传感器用瑞士产MAXON500线3通道数字MR编码器；超长寿命小型限位开关用1LS-J700。

所述的检测装置采用HS-PT480C智能高速球摄像机和hermaCAM E2热成像仪，均均通过云台与机器人本体相连；无线图像传输设备安装在机器人本体中间的控制箱内，无线设备的天线伸出控制箱外；无线图像传输设备用国产Transvideo 900系列移动式无线图像设备。

沿110kV输电线自主行走的机器人的工作方法如下：

1)机器人上线；

2)地面监控计算机发出开机控制命令，机器人本体计算机PC104在接收到运行命令后，驱动机器人沿输电线相线行走；

3)行走过程中，检测装置不断检测前方障碍物的情况，同时高速球摄像机对线路和机器人本身的工作状态进行拍摄，拍到的图像通过无线设备实时传输到地面工作基站，地面工作基站对线路的情况进行判断，决定是否对线路进行维护；同时对机器人本身的工作状态进行监控，决定是否对机器人的运动给予干预。

4)机器人检测到前方有防震锤时，由于手掌采用中空设计，因此机器人无需做任何调整，直接爬越。

5)检测到悬垂线夹时，机器人停止行走，进行调整；首先，使前臂上举直至驱动轮脱线，然后接通手掌开合装置的驱动电机，使两手掌分开，其开合度要大于障碍宽度；之后，接通后面两只手的驱动电机，使机器人继续行走，当中间手接近悬垂线夹时，停止行走，调节前臂，使线路在两分离驱动轮之间，启动手掌开合装置使两手掌合拢并让驱动轮挂在线上；然后打开中间的手，接通前后两只手的驱动电机，继续行走。当后手接近悬垂线夹时，控制中间手抱线，之后打开后手，接通前手和中间手的驱动电机，当后手跨越线夹后，停止行走，使后手抱线，机器人完成跨越悬垂线夹的任务，继续前行；

6)检测到直线跳线线夹时，手的脱线和抱线方法与跨越悬垂线夹时一样；首先，前手脱线，调整前臂姿态使前手抓住跳线，然后，中间手脱线，启动前后手的驱动电机使机器人行走。中间手接近跳线线夹时，停止行走，调整前后柔性臂，使中间手抓住跳线，启动行走。当后手接近跳线时，停止行走，后手脱线；用前手和中间手驱动机器人继续行走，越过跳线线夹后，停止行走，调整柔性臂，使后手抓住跳线，完成从直线到跳线的跨越；机器人由跳线到直线的跨越方法与上述过程相同，由于是一个上坡过程，为了使机器人不至于滑下来，需使用刹车装置，当中间手刹车后，打开前手，前手抱线后，再打开刹车装置。

7)检测到转弯跳线时，运动过程与跨越直线跳线不同的地方是柔性臂的姿态除了上下调整外，还需要水平调整，其余完全相同。

本发明具有设计合理，能够在110kV输电线路上平稳行走，自主地跨越输电线上的各种障碍，代替人进行输电线路的巡线工作，减轻输电线路巡线的工作量，提高工作效率和检测的精度，达到确保输电线路安全运行的突出特点。

(四)附图说明

图1本发明的本体结构示意图。

图2本发明中柔性臂结构示意图。

图3本发明中驱动装置结构示意图。

图4本发明中刹车制动与手掌开合装置结构示意图。

图5本发明中控制器整体结构框图。

图6本发明中机器人工作流程图。

其中，1.、后手驱动装置，2、后手刹车装置，3、中间手驱动装置，4、中间手刹车装置，5、前手驱动装置，6、前手刹车装置，7、后腕关节，8、后小臂，9、后肘关节，10、后大臂，11、后肩关节，12、控制箱，13、前肩关节，14、前大臂，15、前肘关节，16、前小臂，17、前腕关节，18、锁紧器，19、左半驱动轮20、右半驱动轮，21、伞齿轮减速器，22、驱动电机，23、异形刹车片，24、曲柄滑块机构，25、刹车电机，26、三角形增力机构，27、输电线，28、肩关节涡轮蜗杆减速器，29、刹车装置螺旋机构，30、开合装置螺旋机构。

(五)具体实施方式

实施例：本发明的结构如图1、图2、图3、图4和图5所示，机器人工作流程如图6所示。一种沿110kV输电线自主行走的机器人，由机器人本体、控制装置、传感器、检测装置和无线图像传输设备组成；控制装置和无线图像传输设备安装在机器人本体中间的控制箱12内，位置传感器安装在机器人的各个关节电机的末端，测距传感器和检测障碍用的视觉传感器CCD安装在每只手的前方，检测装置包括摄像机和热成像仪通过云台与机器人本体相连。

所述的机器人本体由控制箱12、前后柔性臂、驱动装置1、3、5、刹车装置2、4、6、手掌开合装置组成，如图1所示。前后柔性臂结构相同、位于控制箱12两侧成对称结构，控制箱12上方是一只具有伸缩功能的手臂，前后两个柔性臂，分别通过肩关节涡轮蜗杆减速器28连接在控制箱12上；每只手由两个手掌构成，手掌开合装置安装在手腕处，驱动装置1、3、5和刹车装置2、4、6安装在手掌上。

所述的前后柔性臂均由肩关节11、13、大臂10、14、肘关节9、15、小臂8、16、腕关节7、17和手组成，其中前柔性臂如图2所示。前肩关节13与控制箱12固定连接，前大臂14连接在前肩关节13上，前大臂14和前小臂16通过由电机驱动的减速器构成的前肘关节15相连，前小臂16和前手与前腕关节17相连，后柔性臂与前柔性臂结构相同，如图1所示；肩关节由电机和精密蜗轮蜗杆减速器、水平转盘和垂直转盘组成，电机通过精密蜗轮蜗杆减速器与水平转盘和垂直转盘连接。

所述的驱动装置包括结构相同的后手驱动装置1、前手驱动装置5和中间手驱动装置3，各驱动装置由驱动电机22、伞齿轮减速器21和驱动轮19、20组成，其结构示意图如图3所示。驱动电机22通过伞齿轮减速器21与驱动轮19、20的传动轴相连，伞齿轮的输入输出轴呈垂直关系，驱动装置安装在手掌支架上；在跨越线夹、悬垂及跳线时能够打开、实现跨越的驱动轮19、20为中间分离式，驱动轮19、20采用高强度、高弹性、高摩擦系数材料。

所述的刹车装置包括结构相同的后手刹车装置2、中间手刹车装置4和前手刹车装置6，刹车装置安装在手掌支架上，该装置由刹车电机25，螺旋机构29、30和曲柄滑块机构24组成，如图4所示。刹车电机25与螺旋机构29、30直接相连，曲柄滑块机构24通过一个齿轮与螺旋机构29、30啮合。

所述的手掌开合装置由螺旋机构29、30和三角形增力机构26组成，如图4下半部分所示。驱动电机22安装在刹车装置螺旋机构29的下部，开合装置螺旋机构30与三角形增力机构26相连，三角形的两个斜边分别装有滑块。

所述的控制装置安装在机器人本体中间的控制箱内，由管理层、规划层和执行层组成，管理层与规划层通过无线信道联接，规划层与执行层(下位机)通过串行通讯线相连；其整体结构框图如图5所示。管理层由地面监控计算机和无线设备组成，地面监控计算机和无线设备组成通过通信线连接；规划层由机器人本体主计算机PC104及图像采集卡，I/O卡，超声传感器，CCD，高速球摄像机及红外热成像仪组成，超声传感器，CCD，高速球摄像机及红外热成像仪通过图像采集卡，I/O卡与计算机PC104连接；执行层(下位机)由单片机AT89S52、带编码器的电机及驱动模块、限位开关组成，电机通过驱动模块与单片机AT89S52连接，限位开关安装在升降装置和开合装置的两个极限位置处。

所述的传感器中，超声测距传感器用美国产PID#615078-6500，辅助识别障碍物类型的视觉传感器CCD用日本产STC-635CC；关节位置传感器用瑞士产MAXON500线3通道数字MR编码器；超长寿命小型限位开关用1LS-J700。

所述的检测装置采用HS-PT480C智能高速球摄像机和hermaCAM E2热成像仪，均通过云台与机器人本体相连；无线图像传输设备安装在机器人本体中间的控制箱内，无线设备的天线伸出控制箱外；无线图像传输设备用国产Transvideo 900系列移动式无线图像设备。

沿110kV输电线自主行走的机器人的工作方法如下：

1)机器人上线；

2)地面监控计算机发出开机控制命令，机器人本体计算机PC104在接收到运行命令后，驱动机器人沿相线行走；

3)行走过程中，检测装置不断检测前方障碍物的情况，同时通过带有云台的高清晰度高速球摄像机对线路和机器人本身的工作状态进行拍摄，拍到的图像通过无线设备实时传输到地面工作基站，地面工作基站对线路的情况进行判断，决定是否对线路进行维护；同时对机器人本身的工作状态进行监控，决定是否对机器人的运动给予干预。

4)机器人检测到前方有防震锤时，由于手掌采用中空设计，因此机器人无需做任何调整，直接爬越。

5)检测到悬垂线夹时，机器人停止行走，进行调整；首先，使前臂上举直至驱动轮脱线，然后接通手掌开合装置的驱动电机，使两手掌分开，其开合度要大于障碍宽度；之后，接通后面两只手的驱动电机，使机器人继续行走，当中间手接近悬垂线夹时，停止行走，调节前臂，使线路在两分离驱动轮之间，启动手掌开合装置使两手掌合拢并让驱动轮挂在线上；然后打开中间的手，接通前后两只手的驱动电机，继续行走。当后手接近悬垂线夹时，控制中间手抱线，之后打开后手，接通前手和中间手的驱动电机，当后手跨越线夹后，停止行走，使后手抱线，机器人完成跨越悬垂线夹的任务，继续前行；

6)检测到直线跳线线夹时，手的脱线和抱线方法与跨越悬垂线夹时一样；首先，前手脱线，调整前臂姿态使前手抓住跳线，然后，中间手脱线，启动前后手的驱动电机使机器人行走。中间手接近跳线线夹时，停止行走，调整前后柔性臂，使中间手抓住跳线，启动行走。当后手接近跳线时，停止行走，后手脱线；用前手和中间手驱动机器人继续行走，越过跳线线夹后，停止行走，调整柔性臂，使后手抓住跳线，完成从直线到跳线的跨越；机器人由跳线到直线的跨越方法与上述过程相同，由于是一个上坡过程，为了使机器人不至于滑下来，需使用刹车装置，当中间手刹车后，打开前手，前手抱线后，再打开刹车装置。

7)检测到转弯跳线时，运动过程与跨越直线跳线不同的地方是柔性臂的姿态除了上下调整外，还需要水平调整，其余完全相同。

Claims (10)

1、一种沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，其特征在于，机器人由机器人本体、控制装置、传感器、检测装置和无线图像传输设备组成；控制装置和无线图像传输设备安装在机器人本体中间的控制箱内，位置传感器安装在机器人的各个关节电机的末端，测距传感器和检测障碍用的视觉传感器CCD安装在每只手的前方，检测装置包括高速球摄像机和热成像仪通过云台与机器人本体相连。

2、如权利要求1所述的沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，其特征在于，所述的机器人本体由控制箱、前后柔性臂、驱动装置、刹车装置、手掌开合装置组成，前后柔性臂结构相同、位于控制箱两侧成对称结构，控制箱上方是一只具有伸缩功能的手臂，前后两个柔性臂，分别通过涡轮蜗杆减速器连接在控制箱上；每只手由两个手掌构成，手掌开合装置安装在手腕处，驱动装置和刹车装置安装在手掌上。

3、如权利要求1或2所述的沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，其特征在于，所述的前后柔性臂均由肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节和手组成，前肩关节与控制箱固定连接，前大臂连接在前肩关节上，前大臂和前小臂通过由电机驱动的减速器构成的前肘关节相连，前小臂和前手与前腕关节相连，后柔性臂与前柔性臂结构相同，肩关节由电机和精密蜗轮蜗杆减速器、水平转盘和垂直转盘组成，电机通过精密蜗轮蜗杆减速器与水平转盘和垂直转盘连接。

4、如权利要求1或2所述的沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，其特征在于，所述的驱动装置包括结构相同的后手驱动装置、前手驱动装置和中间手驱动装置，各驱动装置由驱动电机、伞齿轮减速器和驱动轮组成，驱动电机通过伞齿轮减速器与驱动轮的传动轴相连，伞齿轮的输入输出轴呈垂直关系，驱动装置安装在手掌支架上；在跨越线夹、悬垂及跳线时能够打开、实现跨越的驱动轮为中间分离式，驱动轮采用高强度、高弹性、高摩擦系数材料。

5、如权利要求1或2所述的沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，其特征在于，所述的刹车装置包括结构相同的后手刹车装置、中间手刹车装置和前手刹车装置，刹车装置安装在手掌支架上，该装置由刹车电机，螺旋机构和曲柄滑块机构组成，刹车电机与螺旋机构直接相连，曲柄滑块机构通过一个齿轮与螺旋机构啮合。

6、如权利要求1或2所述的沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，其特征在于，所述的手掌开合装置由螺旋机构和三角形增力机构26组成，驱动电机安装在螺旋机构的下部，螺旋机构与三角形增力机构相连，三角形的两个斜边分别装有滑块。

7、如权利要求1所述的沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，其特征在于，所述的控制装置安装在机器人本体中间的控制箱内，由管理层、规划层和执行层组成，管理层与规划层通过无线信道连接，规划层与执行层(下位机)通过串行通讯线相连；管理层由地面监控计算机和无线设备组成，地面监控计算机和无线设备组成通过通信线连接；规划层由机器人本体主计算机PC104及图像采集卡，I/O卡，超声传感器，CCD，高速球摄像机及红外热成像仪组成，超声传感器，CCD，高速球摄像机及红外热成像仪通过图像采集卡，I/O卡与计算机PC104连接；执行层(下位机)由单片机AT89S52、带编码器的电机及驱动模块、限位开关组成，电机通过驱动模块与单片机AT89S52连接，限位开关安装在升降装置和开合装置的两个极限位置处。

8、如权利要求1所述的沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，其特征在于，所述的传感器中，超声测距传感器用美国产PID#615078-6500，辅助识别障碍物类型的视觉传感器CCD用日本产STC-635CC；关节位置传感器用瑞士产MAXON500线3通道数字MR编码器；超长寿命小型限位开关用1LS-J700。

9、如权利要求1所述的沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，其特征在于，所述的检测装置采用HS-PT480C智能高速球摄像机和hermaCAM E2热成像仪，均通过云台与机器人本体相连；无线图像传输设备安装在机器人本体中间的控制箱内，无线设备的天线伸出控制箱外；无线图像传输设备用国产Transvideo 900系列移动式无线图像设备。

10、如权利要求1所述的沿110kV输电线自主行走的机器人及其工作方法，其特征在于，机器人的工作方法如下：

1)机器人上线；

2)地面监控计算机发出开机控制命令，机器人本体计算机PC104在接收到运行命令后，驱动机器人沿输电线相线行走；

3)行走过程中，检测装置不断检测前方障碍物的情况，同时高速球摄像机对线路和机器人本身的工作状态进行拍摄，拍到的图像通过无线设备实时传输到地面工作基站，地面工作基站对线路的情况进行判断，决定是否对线路进行维护；同时对机器人本身的工作状态进行监控，决定是否对机器人的运动给予干预。

4)机器人检测到前方有防震锤时，由于手掌采用中空设计，因此机器人无需做任何调整，直接爬越。

5)检测到悬垂线夹时，机器人停止行走，进行调整；首先，使前臂上举直至驱动轮脱线，然后接通手掌开合装置的驱动电机，使两手掌分开，其开合度要大于障碍宽度；之后，接通后面两只手的驱动电机，使机器人继续行走，当中间手接近悬垂线夹时，停止行走，调节前臂，使线路在两分离驱动轮之间，启动手掌开合装置使两手掌合拢并让驱动轮挂在线上；然后打开中间的手，接通前后两只手的驱动电机，继续行走。当后手接近悬垂线夹时，控制中间手抱线，之后打开后手，接通前手和中间手的驱动电机，当后手跨越线夹后，停止行走，使后手抱线，机器人完成跨越悬垂线夹的任务，继续前行；

6)检测到直线跳线线夹时，手的脱线和抱线方法与跨越悬垂线夹时一样；首先，前手脱线，调整前臂姿态使前手抓住跳线，然后，中间手脱线，启动前后手的驱动电机使机器人行走。中间手接近跳线线夹时，停止行走，调整前后柔性臂，使中间手抓住跳线，启动行走。当后手接近跳线时，停止行走，后手脱线；用前手和中间手驱动机器人继续行走，越过跳线线夹后，停止行走，调整柔性臂，使后手抓住跳线，完成从直线到跳线的跨越；机器人由跳线到直线的跨越方法与上述过程相同，由于是一个上坡过程，为了使机器人不至于滑下来，需使用刹车装置，当中间手刹车后，打开前手，前手抱线后，再打开刹车装置。

7)检测到转弯跳线时，运动过程与跨越直线跳线不同的地方是柔性臂的姿态除了上下调整外，还需要水平调整，其余完全相同。

Images