線航兩棲電力線路綜合維護機器人的製作方法

2023-12-09 04:50:51

專利名稱：線航兩棲電力線路綜合維護機器人的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及電力技術領域，特別涉及一種線航兩棲電力線路綜合維護機器人。
背景技術：
我國水電資源集中在西南部，太陽能資源集中在西北地區的戈壁、沙漠中，而電力消耗大戶卻集中在東部地區。因此，未來「綠電」的長距離運輸無法避免。我國幅員遼闊、地形多變，而且近年極端天氣頻繁，這都對智能電網的可靠性、安全性提出了更高的要求。保障電網「堅強」、提高智能電網可靠性的重要一環是線路的巡檢與維護。現行高壓輸電線路的運行維護模式多為人工常規作業方式，不僅勞動強度大、工 作條件艱苦，而且勞動效率低，特別是在遇到電網穿越高山、大川等特殊地形，線路緊急故障，異常氣候條件，滑坡、泥石流、冰雪等地質災害，線路維護人員要依靠地面交通工具或徒步行走、利用肉眼來巡查電網設施、利用普通工具處理設備缺陷、人工進行覆冰清除、清障等線路作業。隨著我國國民經濟的持續快速發展，這種人工作業方式已經不適應現代化電網建設與發展的需求。「堅強智能電網」急需「智能」、「堅強」的電力巡檢和維護方式。基於此，以現代智能技術為基礎，研究一種高效的智能維護裝備，以實現輸電線路的自動日常巡檢和緊急處理，進而保障智能電網的「堅強」，具有重要的現實價值和社會意義。目前線上機器人的研究主要集中於巡線和除冰作業。一、巡線機器人巡線機器人的發展大致經歷了兩個階段。始於20世紀80年代末的早期巡線機器人沒有越障能力，只能在一個檔距內運行。這類巡線機器人的代表機型有日本佐藤建設工業株式會社於1993年研製的「架空輸電導線損傷自動檢測機器人」和加拿大魁北克水電研究院的Serge Montambault等人研製的HQ LineRover0此外,泰國國王科技大學和日本工業大學於2001年合作研製的「自主巡線機器人」也只能在一個檔距內運行、不具備越障能力。此後，加拿大魁北克水電研究院開發的LineScout、日本多家機構合作開發的Expliner等多種機器人可以在一個耐張段內行走，但存在機構複雜、重量大、控制難度大等缺點。從上世紀末開始，國內也對巡檢機器人進行了大量的研究和開發。瀋陽自動化研究所研製的機器人，通過手臂繞豎直方向的軸線旋轉實現越障。山東科技大學、山東大學等研製了三臂巡檢機器人，該機器人由行走驅動裝置和柔性擺動臂機構組成。其中行走驅動裝置由三個獨立的單體(或稱為手掌)組成，柔性擺動臂由肩關節、大臂、肘關節、小臂、腕關節和手等部分組成。武漢大學、上海大學、北京航空航天大學、中科院自動化研究所等也進行了巡線機器人的研究。北京國網富達科技發展有限責任公司也在巡線機器人方面做了大量了研究。上述巡線機器人中，具有越障能力的，一般結構尺寸大、質量大、實用性差；不具備越障能力的，其巡線作業範圍則受到極大限制。目前仍沒有十分成熟、可靠的產品可用。[0009]關於直升機巡線系統的研究和開發方面，華北電力大學於2004年開發了一種電力巡檢線路機器人及其控制系統，使用蓄電池為發動電機、檢測傳感器以及數據鏈路系統提供電源。2007年8月份，福建省首次利用直升機對超高壓輸電線路進行空中巡檢，使用一架紅色Z-Il直升機載著2名電力巡線人員從福建羅源停機坪出發，巡檢福建連接華東電網的重要線路。東北電網公司齊齊哈爾超高壓局研發的科研項目直升機巡線自動提示系統，已在2009年在送電專業中得到應用。相比於有人機，無人機機器人利用 無人直升機靈活機動的特點，能夠代替巡線工作人員進入地形複雜的區域進行巡視，可以提高巡檢效率，降低巡檢工作風險，與有人機相比，無人機巡線一次性投資小，巡線成本更低。山東電力科學研究院所研製的巡檢無人機可以攜帶紅外熱像儀、可見光CXD等設備，在導線的側方或側上方，按事先設定的路徑和速度沿輸電線路飛行，對杆塔的損壞、變形、被盜、絕緣子的破損和汙穢、線夾鬆脫、銷釘脫落、異物懸掛、導線斷股、接頭接觸不良、局部熱點等故障進行檢查，並將實時的可見光視頻與紅外視頻展示到後臺軟體，為巡檢人員提供事故隱患的相關數據。該系統於2010年4月年在山東電力公司獲得成功應用和推廣。二、除冰機器人國內外對輸電線路覆冰的除冰技術和裝置的開發都相當重視，先後提出了 30餘種除冰技術。根據工作原理，這些除冰技術可歸納為4類熱力除冰法、機械除冰法、自然被動法和其他方法，應用最多的是熱力除冰和機械除冰兩種方式。這些除冰技術中只有7種方法通過了防冰或除冰檢驗(4種為熱力法，3種為機械法)。熱力除冰方法雖然除冰效果好，但是採用的融冰技術耗費的成本較高，能耗比機械除冰方法高出100多倍，並且有的需要增加線路負荷，還有的線路不便進行融冰，熱力融冰方法存在一定的弊端。而採用能耗低的機械碰撞除冰法，其效果比熱力除冰法要高出30 100倍，其成本也遠遠低於熱力融冰。此外還開發了多種輸電線路除冰裝置，如加拿大魁北克水電局研製出一種手動牽拉滑輪除冰裝置，通過操作人員在地面拉動牽引繩，使滑輪沿著導線除冰方向運動，利用滾輪上前端的刀片將冰破壞。為克服手動牽拉滑輪除冰裝置的不足，加拿大魁北克水電局研製出一種遠程遙控緊湊型電車除冰裝置，但該裝置無越障能力。美國Roger Hansen於2001年發明了一種架空輸電線路振動除冰裝置，該裝置為可控電子機械式振動器，半永久性安裝於導線上，冰雪傳感器安裝於機械式振動器附近。振動器通過一個安裝於附近的電流變壓器驅動。進入21世紀，隨著線路覆冰現象的增多，國內對輸電線路除冰的研究也在增多。例如山東電力科學研究院研製的非越障除冰機器人、中國科學院自動化所研製的多臂除冰機器人系統、哈爾濱工業大學研製的小型單導線除冰機器人等。山東電力科學研究院於2009年引進加拿大魁北克水電公司的除冰檢測機器人，通過一年左右的時間消化吸收再創新，研製出架空輸電線路除冰檢測機器人。該機器人以移動機構為本體，裝配除冰刀具，融合可見光檢測、紅外檢測等技術，以遙控方式，在單檔間距內、單根線路上進行帶電除冰和檢測作業。在國內首次實現了在同一移動平臺上集成除冰、可見光檢測、紅外檢測、壓接管電阻測量等帶電作業功能。該機器人還具備抗強電磁幹擾能力，在500KV、1000A的架空線路上作業時具有安全性、可靠性和環境適應性。該機器人於2011年I月在南方電網公司獲得成功應用。從目前的技術現狀可以看出，現有的輸電線路用機器人系統或者不能越障，僅僅能夠在單檔內運行；或者質量過重、越障功能不可靠；並且往往功能單一，投入產出比小。更重要的是，上述的所有巡線和除冰機器人的上、下線問題和線間故障問題完全沒有解決，採用常規的人抬肩扛上、下線的方式無疑使機器人的應用受到極大限制，極大地降低了機器人的實用性，甚至使輸電線路機器人應用陷入了「以智能技術解決問題卻帶來更大問題」的尷尬局面。而簡單的巡線無人機系統雖然起、落、上、下，靈活機動，但僅僅限於遠距離巡視，功能較為單一，不能近距離執行線上複雜任務，如除冰或者清障等。輸電線路智能維護裝備亟需技術突破「智而不能」的尷尬局面，真正做到「上能上的去、下能下的來、遠能飛的遠、近能靠的近、障能越得過、行能用的省、專能幹得好、廣能多功能」；使智慧機器人技術在輸電線路綜合維護中「既好用又能用、既智能又可靠」，為堅強 智能電網的「堅強」運行提供有力支撐。

實用新型內容針對現有技術的缺陷，本實用新型實施例提供一種線航兩棲電力線路綜合維護機器人，該方案既利用多旋翼無人機技術的高穩定性、易操控性和靈活性，又利用線上機器人技術的針對性和智能性，使二者有機結合，從而克服兩種技術各自的局限性，最大限度地發揮二者在「堅強智能電網」綜合維護中的優越性。為了實現上述目的，本實用新型實施例提供一種線航兩棲電力線路綜合維護機器人，所述線航兩棲電力線路綜合維護機器人包括飛行子系統，當所述機器人處於飛行作業模式時，通過所述飛行子系統執行電力線路的遠距離或近距離巡航；線上子系統，當所述機器人處於線上作業模式時，通過所述線上子系統實現所述機器人在所述電力線路上的行走；作業子系統，當所述機器人處於線上作業模式時，通過所述作業子系統對所述電力線路進行維護作業；所述飛行子系統、所述線上子系統和所述作業子系統採用獨立可拆裝的模塊化結構，所述線上子系統和所述作業子系統安裝於所述飛行子系統的主框架上。所述飛行子系統包括機翼框架模塊，通過方形排列的4對共軸雙旋翼結構，實現所述機器人的飛行與降落；飛控模塊，通過對所述機翼框架模塊中各個旋翼的旋轉方向以及轉速進行控制，實現對所述機器人飛行姿態的調整。所述機翼框架模塊包括中心杆以及可繞所述中心杆旋轉的一對側翼；每個側翼包括方形機翼框架以及設置於所述方形機翼框架頂角上的2對共軸雙旋翼結構；當所述機器人切換至所述飛行作業模式時，所述一對側翼繞所述中心杆向上旋轉並展平；當所述機器人切換至所述線上作業模式時，所述一對側翼繞所述中心杆向下旋轉併合攏於所述電力線路的下方。所述線上子系統包括行走輪模塊，採用履帶式輪的結構，在所述電力線路上行走；抱爪模塊，包括位於當所述行走輪模塊兩側的一對抱爪，當所述機器人處於線上作業模式時，一對抱爪處於抱緊狀態，將所述電力線路環抱於所述行走輪模塊和所述抱爪模塊之間；當所述機器人處於所述飛行作業模式或者等待下線模式時，所述一對抱爪處於張開狀態；線控模塊，控制所述行走輪模塊和所述抱爪模塊的工作狀態。所述作業子系統包括下列模塊中的一種或多種巡檢模塊，用於完成電力線路的線上巡檢作業；除冰模塊，用於採用棍棒敲擊的方式清除所述電力線路的覆冰；清障模塊，用於清除所述電力線路上的障礙；吊裝模塊，用於吊裝所述電力線路上的其他線上作業設備；所述飛巡檢模塊、除冰模塊、清障模塊和吊裝模塊採用獨立可拆裝的模塊化結構。所述飛行子系統，還用於當所述機器人處於線上作業模式，且檢測到所述電力線路上的障礙為不可逾越的大型障礙時，將所述機器人的工作模式切換為飛行作業模式以跨越所述大型障礙。所述的線航兩棲電力線路綜合維護機器人還包括電源模塊，用於為所述機器人提供電力支持；所述機器人，當檢測到電源電量低於設定閾值時，停止執行線路巡航以及線上作業，等待操作指令後，執行下線和降落任務。本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人，既利用多旋翼無人機技術的高穩定性、易操控性和靈活性，又利用線上機器人技術的針對性和智能性，使二者有機結合，從而克服兩種技術各自的局限性；該方案可以取得以下有益效果 (I)可以促進電力線路智慧機器人和無人機的技術改進和完善，為機器人技術的研究和開發提供理想的開發和應用平臺；(2)可以促進電力線路智能巡檢和維護系統方案的建立和實施；(3)可以促進建立具有相當規模的、國際先進的智能電網機器人和相關智能裝備基地，為後續的研發工作提供系統的、完善的專業級試驗環境； (4)可以革新電力線路巡檢和維護的人工作業方式，提高線路維護的自動化水平和作業效率；(5)為電力線路的巡檢和維護提供了實用化、創新性的解決方案；實用新型實施後，可以帶來巨大的經濟效益和社會效益。

圖I為本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人總體功能框圖；圖2為本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人飛行狀態示意圖；圖3為本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人線上運行狀態示意圖；圖4為本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人上線過程示意圖；圖5為本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人下線過程示意圖。
具體實施方式
為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型權利要求保護的範圍。本實用新型實施例提供一種線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統，為輸電線路日常巡檢和緊急處理提供了一個良好的平臺。該機器人系統是一種全新的技術方案，在國內外相關研究領域尚無其他先例。它融合了多旋翼無人機技術和線上機器人技術，可以說是起源於線上機器人，而具有了無人機一樣的翼。該機器人系統將多旋翼無人機技術和線上機器人技術融合應用於電力線路的綜合維護，既利用多旋翼無人機技術的高穩定性、易操控性和靈活性，又利用線上機器人技術的針對性和智能性，使二者有機結合，從而克服兩種技術各自的局限性，最大限度地發揮二者在「堅強智能電網」綜合維護中的優越性。該機器人系統採用蜂式兩棲8旋翼無人機總體結構。不僅能如蜜蜂般靈活地上、下線和跨越塔杆等難越障礙；而且採用多用途、模塊化設計，更換安裝不同操作模塊可實現不同的功能，如配備無線視覺系統，可用於日常的線路巡檢；配備機械除冰模塊，可用於輸電線路的覆冰清除；配備清障機械手，可進行清障操作；甚至加裝特殊的主動夾持模塊還能完成對普通除冰機器人等線上設備的吊裝上、下線操作。本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統具有如下十個主要特性I、遠距離巡檢線航兩棲機器人以無人機方式代替人工巡線，可設定航點自動巡航，實現長距離、全天候、多地形智能巡線；加裝可見光、紅外、紫外、熱成像等特殊模塊實現晝夜巡航、故障檢測等多種功能。機器人構成正方排列的4個共軸雙旋翼(8旋翼驅動)結構，能如蜜蜂般靈活地上下線、跨越塔杆，順利完成在線監測、除冰、及直升機高空巡檢等等功能；實現垂直起降、懸 停和原位轉向等高難度動作。具體地，通過共軸雙旋翼的反向旋轉抵消旋翼反作用力，通過共軸雙旋翼的轉速控制實現機器人原地轉向等複雜動作。8旋翼的優點提高70%的主動升力，高穩定性、易操控性和靈活性，易於實現垂直起降、懸停和原位轉向等高難度動作。多旋翼冗餘，更高系統穩定性和可靠性，如單個旋翼失效後，其他旋翼通過轉速控制仍能保持系統平衡。2、上、下線需近距離執行任務時，機器人首先落線，後降翅，進而抱線前進，完成給定巡檢、維護或除冰作業。具體地機器人通過飛行的方法上下線，自動運行，無需人工爬塔和手工拉拽、大大降低高壓帶電作業的危險性；上線時機器人從地面飛起至線路正上方，緩慢下落至線上，抱緊保護裝置；下線時，飛控和旋翼系統開始運行，垂下機翼受力自然升起，鬆開保護裝置後，機器人向線路正上方飛起，穩定後飛落地面。3、線上帶電運行線上完全帶電作業運行。4、多作業模式A、近距離導線巡檢B、除冰C、清障D、近距離故障處理E、加裝其他部件實現的其他相關線上設備的上、下線與安裝、拆卸機器人落線後可以在導線上行走，利用攜帶的巡檢模塊、除冰模塊、清障模塊、吊裝模塊等實現可見光檢測、紅外檢測、自動除冰等作業，構成一種線路綜合維護機器人，做到有險即至、有冰即除、有障即清，最大限度的減小覆冰、雜物等對輸電線路的影響，保證供電安全。5、緊急狀況處理快速進入現場，飛行或落線執行火災、恐怖襲擊等惡性事件監控和處理。6、更換電池該機器人可以進行能源電量的自動檢測，當檢測到電源電量低於設定閾值時，機器人自動停止線路巡航或線上作業，等待操作指令後，執行下線和降落任務。該設定閾值可以是保證機器人飛離導線並降落所需電池能量的2倍。降落後電池更換完成繼續作業任 務。 7、跨越各種障礙A、小型障礙自動跨越針對小障礙頻繁的線路，通過特殊設計的履帶式輪結構，使線航兩棲機器人不必下線即可自動越過小型障礙，從而大大的減少了系統的操作複雜度。B、飛越大型障礙線上作業時，遇到不可自動逾越的障礙，如耐張線塔等，機器人飛起，飛越障礙後落線，繼續執行近距離作業任務。8、採用飛控、線控雙系統，雙傳感器冗餘設計，保障系統可靠性。即，對於機器人的飛行作業模式和線上作業模式採用獨立的控制體系，利用控制系統冗餘大大提高機器人的穩定性和可靠性。通過空中和線上兩棲作業的解決方案，為線路自動巡檢和維護提供了全新的工作方法。9、模塊化設計綜合維護，一機多用採用多用途、模塊化設計，更換安裝不同操作模塊可實現不同的功能線路巡檢配備的無線視覺模塊、機械除冰模塊、清障機械手、特殊夾持模塊等。機器人的所有部件模塊化設計，方便更換和拆裝。例如共軸雙旋翼為一個整體，可以獨立拆裝。所有線上作業部件甚至行走輪組件均為模塊化設計，既方便換裝也能夠完全拆除。如，當僅進行無人機巡檢作業時可以完全拆除線上作業的相關部件，從而大大節省系統耗能。10、可擴展的智能性採用飛控和線控雙系統設計使機器人的控制中心為現代高速數位訊號處理系統，為線航兩棲機器人的進一步智能化和拓展提供了巨大的空間。利用人工智慧和模式識別技術實現線路和障礙識別，實現完全自主上下線和故障自動識別，直至實現基於線路識別的完全自主巡檢和任務處理等。本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統採用仿生總體結構設計，如蜜蜂般靈活，既能快速飛行又能線上作業。因此，線航兩棲機器人系統又可以稱為蜂式兩棲機器人。該系統為線上智慧機器人這隻虎，插上了飛的翅膀。「為虎添翼」，可以概括整個線航兩棲機器人系統的設計理念。即，將現有的無人機技術、多旋翼技術、線上機器人技術有機融合，構成了整個線航兩棲機器人系統的理論和實踐基礎。本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統包括下列子系統1、飛行子系統；2、線上子系統；3、作業子系統；三大子系統互相融合而又相對獨立。子系統間配合採用模塊化的連接方式，既能夠快速更換不同系統，又能夠使某一子系統獨立工作，從而極大地提高了機器人的靈活性和實用性。本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統採用飛行子系統、線上子系統和作業子系統，三極並進、平行聯動的系統設計思路。整個線航兩棲機器人系統遵循模塊化設計原則、可靠性高的雙重冗餘設計原則，其總體架構為I、機器人構成正方排列的4個共軸雙旋翼(8翼驅動)結構，實現垂直起降、懸停和原位轉向等高難度動作，並通過遙控方式實現機器人上、下線路。2、飛行子系統的主框架上可安裝不同的模塊化作業部件和線上運動部件，完成具體線上任務，如I)巡檢2)除冰3)異物清除4)吊裝等。3、圖I為本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統的整體功能框圖，如圖I所示，該機器人系統包括3大子系統，每個子系統下面又包含多個功能模塊，這些子系統以及下述的功能模塊都採用獨立可拆裝的模塊化設計，使該機器人的使用更靈活、方便。其中(I)飛行子系統包括機翼框架模塊，飛控模塊，無線通信模塊以及遙操作模塊；(2)線上子系統包括行走輪模塊，抱爪模塊和線控模塊；(3)作業子系統包括巡檢模塊，除冰模塊，清障模塊和吊裝模塊。此外，該機器人系統還包括為這幾個子系統提供電力支持的電源模塊以及提供傳感數據的傳感模塊。下面詳細介紹本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統的3個子系統工作原理線航兩棲電力線路綜合維護機器人包括飛行子系統，當所述機器人處於飛行作業模式時，通過所述飛行子系統執行電力線路的遠距離或近距離巡航；線上子系統，當所述機器人處於線上作業模式時，通過所述線上子系統實現所述機器人在所述電力線路上的行走；作業子系統，當所述機器人處於線上作業模式時，通過所述作業子系統對所述電力線路進行維護作業。優選地，所述飛行子系統、所述線上子系統和所述作業子系統採用獨立可拆裝的模塊化結構，所述線上子系統和所述作業子系統安裝於所述飛行子系統的主框架上。一、飛行子系統飛行子系統主要包括機翼框架模塊，通過方形排列的4個共軸雙旋翼結構，實現所述機器人的飛行與降落；飛控模塊，通過對所述機翼框架模塊中各個旋翼的旋轉方向以及轉速進行控制，實現對所述機器人飛行姿態的調整。此外，還包括用於傳輸數據的無線通信模塊以及對飛行子系統的飛行進行控制的遙操作模塊。所述飛行子系統，還用於當所述機器人處於線上作業模式，且檢測到所述電力線路上的障礙為不可逾越的大型障礙時，將所述機器人的工作模式切換為飛行作業模式以跨越所述大型障礙。優選地，本實施例的線航兩棲機器人採用創新的新型絕緣材料機器人主框架及高壓保護方法，新型絕緣材料充當電控系統和高壓線路間的絕緣屏障，提高電控部件可靠性和穩定性。I)機翼框架模塊和飛控模塊圖2為本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統的飛行狀態示意圖，圖3為本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統的線上運行狀態示意圖。圖4為本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統的上線過程示意圖，圖5為本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統的下線過程示意圖。如圖2-5所示所述機翼框架模塊包括中心杆以及可繞所述中心杆旋轉的一對側翼；每個側翼包括方形機翼框架以及設置於所述方形機翼框架頂角上的2個共軸雙旋翼結構；當所述機器人切換至所述飛行作業模式時，所述一對側翼繞所述中心杆向上旋轉並展平；當所述機器人切換至所述線上作業模式時，所述一對側翼繞所述中心杆向下旋轉併合攏於所述電力線路的下方。通過該機翼框架模塊，線航兩棲機器人以無人機方式代替人工巡線，可設定航點自動巡航，實現長距離、全天候、多地形智能巡線；加裝可見光、紅外、紫外、熱成像等特殊模塊實現晝夜巡航、故障檢測等多種功能。通過正方排列的4個共軸雙旋翼(8翼驅動)結構，線航兩棲機器人可以實現垂直起降、懸停和原位轉向等高難度動作；其中，8旋翼的優點是提高70%的主動升力，高穩定性、易操控性和靈活性，易於實現垂直起降、懸停和原位轉向等高難度動作。本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統的飛控模塊可以採用下述產品型號A、電機可以採用Scorpion S5545_150Kv無刷電機設計，最高功率可達3800W。Scorpion馬達使用目前最高的生產加工技術製作，金屬材料也是選擇最好的，定子上的矽鋼片採用O. 2mm，使得馬達效率提高，採用耐高溫200度的N50磁鐵及膠水，以及耐高溫達180度的線材，使用耐高溫材料的Scorpion馬達飛行使用中可避免馬達產生的高溫而燒毀。B、電調Scoprion Commander系列電調是市場上最佳性價比的產品,所有的零組件皆採用高品質零組件，並在最先進的工廠進行生產組裝測試、優越的製造與設計能力提供了長年無故障的運行保證。Scoprion Commander系列電調包裝中還包括了一個如郵票大小的編程紅外線接收模快、以及一個如信用卡大小的紅外線遙控器、有了此編程系統、對電調進行編程就如同調整電視般容易。2)傳感模塊採用MEMS LandMark20 GPS/AHRS作為機器人系統位姿的主傳感器。MEMSLandMark20 GPS/AHRS是一個超低功耗、小體積、輕重量、高精度的數字姿態和航向參考系統(AHRS)，它提供了內置溫度補償的RS485輸出，包括加速度，角速度，航向，橫滾和俯仰角度及海拔高度信息，並有一個IOHz位置數據更新率的16頻道C/A編碼GPS接收器。此元件堅固耐用，能夠抵抗環境的衝擊和震動。3)無線通信模塊以及遙操作模塊無線通信模塊包含了視頻採集及無線通信功能，可以採集機器人及線路的圖像，並通過無線網絡傳輸到遠端的地面控制系統。這樣可以在遠端地面上觀察運行狀態。無線通信模塊還負責傳輸機器人自身工作狀態信息到地面控制系統，然後通過遙操作模塊將地面控制人員的遙操作指令發送給該線航兩棲機器人。無線通信模塊以及遙操作模塊解決了在山巒起伏地區採用機器人進行線路巡檢和維護的問題。達到提高巡線效率，及時發現隱患、加快危機狀態反應速度、實時處理線上緊急事故、降低勞動強度的目的。無線通信模塊可提供下行視頻和雙向數據通道，實現機上多路圖像的切換傳輸，在監控中心可以對遠在數百公裡外的電力塔和輸電線做仔細觀察，遙操作模塊可支持操作人員遙控機器人，保證了在惡劣環境下也能對電力線路進行安全監 控和實時維護。二、線上子系統線上運行子系統具有可擴展的智能性。採用雙系統設計使機器人的控制中心為現代高速數位訊號處理系統，為線航兩棲機器人的進一步智能化和拓展提供了巨大的空間。利用人工智慧和模式識別技術實現線路和障礙識別，實現了完全自主上下線和故障自動識另IJ，而且實現了基於線路識別的完全自主巡檢和任務處理等。飛控、線控雙系統，雙傳感器冗餘設計，保障可靠性。再次參考圖2，該線航兩棲機器人的線上子系統包括行走輪模塊，採用履帶式輪的結構，在所述電力線路上行走；抱爪模塊，包括位於所述行走輪模塊兩側的一對抱爪，當所述機器人處於線上作業模式時，一對抱爪處於抱緊狀態，將所述電力線路環抱於所述行走輪模塊和所述抱爪模塊之間；當所述機器人處於所述飛行作業模式或者等待下線模式時，所述一對抱爪處於張開狀態；線控模塊(圖中未示)，控制所述行走輪模塊和所述抱爪模塊的工作狀態。I)線控模塊本實施例中，線上子系統的控制部分採用Maxon公司的高精密度直流無刷伺服電機系統，配套行星齒輪減速機，加裝高解析度MR系列磁編碼器，配合可組網的Can些列ACJ驅動器和核心部件為TI28系列高性能數位訊號處理器的主控板，構成高精密直流伺服運動控制系統。系統特性A、速控速度同步性極高且扭矩波動極低，PI控制器確保電機速度的實際值與預
設值高度一致；B、複合運動合成可以實現諸如斜線、三角形、梯形和更多更複雜輪廓的運動曲線、輕鬆設置軟啟動和制動；C、位控零點可任意定義，對於帶線性霍爾傳感器的無刷伺服電機，其位置精度高達 1/3000 圈；D、參考信號採集與限位開關運動過程中可隨時捕捉和定義；[0121]E、扭矩控制通過調整限流值來實現對扭矩的控制；F、參數存儲驅動器的所有設置參數均可保存，不會因為斷電而丟失。2)行走輪模塊通過特殊設計的履帶式輪結構，使線航兩棲機器人不必下線即可自動越過小型障礙，從而大大的減少了系統的操作複雜度。3)抱爪模塊當進行線上作業時，採用抱爪模塊來抱緊輸電線路；當執行巡線任務時，鬆開抱爪模塊，通過飛行子系統進行輸電線路的巡檢。三、作業子系統本實用新型實施例的線航兩棲機器人系統的所有部件採用模塊化設計，方便更換和拆裝。例如，飛行子系統中，機翼框架模塊的共軸雙旋翼結構為一個整體，可方便的實現換裝；所有線上作業部件甚至行走輪模塊均為模塊化設計，既方便換裝也能夠完全拆除，僅進行無人機巡檢作業，從而大大節省系統耗能。本實施例線航兩棲機器人的作業子系統包括下列模塊中的一種或多種巡檢模塊，用於完成電力線路的線上巡檢作業；除冰模塊，用於採用棍棒敲擊的方式清除所述電力線路的覆冰；清障模塊，用於清除所述電力線路上的障礙；吊裝模塊，用於吊裝所述電力線路上的其他線上作業設備。I)巡檢模塊A、遠距離巡檢該機器人可以攜帶紅外熱像儀、可見光CCD等設備，在導線的側方或側上方，按事先設定的路徑和速度沿輸電線路飛行，對杆塔的損壞、變形、被盜、絕緣子的破損和汙穢、線夾鬆脫、銷釘脫落、異物懸掛、導線斷股、接頭接觸不良、局部熱點等故障進行檢查，並將實時的可見光視頻與紅外視頻展示到後臺軟體，為巡檢人員提供事故隱患的相關數據。該機器人利用無人機靈活機動的特點，代替了巡線工作人員進入地形複雜的區域進行巡視，提高巡檢效率，降低巡檢工作風險，與有人機相比，無人機巡線一次性投資小，巡線成本更低。與單旋翼無人直升機相比，該系統具有更高的能源利用效率、更好的操控性、更靈活的飛行動作、更加穩定的姿態和抗風等級、更智能化的飛行過程等優點。該系統還具有自主起降、自動返航等功能，降低了該系統的使用門檻。B、近距離巡檢通過自動控制方式或遙操作方式完成輸電線路線上巡檢作業。巡線作業包括對線路安全通道內的安全事故隱患進行巡視，以及對線路的機械電氣故障，包括絕緣子劣化和汙穢、導線的機械破損、連接金具機械鬆脫等故障進行檢測。用可見光成像和機器人視覺檢測技術檢測大部分表面故障現象，用紅外成像檢測諸如局部過熱等故障。在該機器人系統中，安裝了攝像頭和配套的雲臺系統，它一方面用來直觀地遠程觀察線路周邊的情況，另一方面它用來獲取線路圖像，再經過圖像處理技術識別出道路的方向，從而實現機器人自主行走。這裡選用的雲臺系統可以是進口的車載高速雲臺攝像機。視頻圖像採集模塊採集攝像頭傳過來的圖像信息，並輸到用戶端。另外值得一提的是，在照明系統失效的或者低照度的情況，該攝像頭具有夜視功能，因此在選擇雲臺攝像頭系統時還定做了紅外夜視燈，安裝在攝像頭上方。[0137]2)除冰模塊為預防覆冰引起的災害，可以採用一種有效的除冰手段，在災害發生前就將冰除去。線航兩棲機器人能夠根據輸電線路覆冰情況及時除冰，從而最大限度的減小覆冰對輸電線路的影響，保證其安全運行。輸電線路導線除冰模塊採用模擬棍棒敲擊的方式除冰，是屬於機械式除冰的一種。經過多次試驗驗證，表明該裝置可以除去單邊厚度達30mm的覆冰，除冰效果良好。3)清障模塊線航兩棲機器人通過裝配特定的清除工具，如夾鉗、動力扳手、斷接引工具等進行異物清除作業。4)吊裝模塊 線航兩棲機器人可以針對不同設備定製吊裝方案和模塊。四、線航兩棲機器人的其他模塊I)功能傳感器根據功能需求可選用1、超聲波測距及避障系統，2、溫度傳感器，3、可燃氣體傳感器等多種傳感器。2)電源模塊由於隧道內的特殊環境，機體內自備高能量密度的24v20Ah鋰聚合物(Li-Poly)電池，同時也可外接交流220v電源，機體自帶適配器；實現雙電源系統供電模式。該線航兩棲機器人可以進行能源電量的自動檢測，達到保證機器人飛離導線並降落所需電池能量的2倍時，機器人自動停止線上運行或巡航作業，等待操作者命令，運行下線和降落任務。降落後電池更換完成繼續作業任務。結合前述實施例的線航兩棲機器人結構原理，本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人系統的運行過程為I、遠距離作業時，機器人以8旋翼無人機形式執行巡檢等任務。單獨執行此任務過程中，可完全拆除線上子系統和作業子系統，整個飛行子系統單獨運行。由於線航兩棲機器人系統所採用的4個共軸雙旋翼(8旋翼)的獨特結構，使機器人既能夠快速飛行，又能夠執行原地改變航向、側飛、後飛等靈活飛行任務。這一過程如同蜜蜂尋找目標的飛行動作。I)巡檢利用巡檢模塊的可見光、紅外或紫外傳感器對線路及其周邊環境進行巡查。2)緊急事故監控與處理對緊急事故線段進行全方位監控和應急處理(應急處理時需加裝應急處理模塊)。2、作業初期，機器人以8旋翼無人機形式飛行至作業地點，準備執行作業任務。這一過程如同蜜蜂飛至實物地點的飛行動作。該過程中，由於線航兩棲機器人系統所採用的4個共軸雙旋翼(8旋翼)的獨特結構，使機器人既能夠快速飛入任務區，又能夠原地改變航向、側飛、後飛等靈活飛行以達到執行任務的最佳位姿。3、當需要近距離執行任務時，機器人降落至作業線上，夾緊抱爪，然後自然降低側邊旋翼，依靠線上子系統實現線路上的行進。從而最大限度的接近線路，以利於執行線上巡檢、清除異物、除冰等複雜任務；並減少飛行耗能，從而大大增加了機器人的作業任務時間。線上運行過程啟動後，作業子系統中相應的作業模塊同步啟動，執行相應線上近距離作業。這一過程如同蜜蜂飛達目標後的覓食動作。這些線上作業包括I)巡檢利用巡檢模塊的可見光、紅外或紫外傳感器對線路進行近距離檢查。2)除冰利用作業子系統中的除冰模塊對線路覆冰進行清除。3)異物清除利用作業子系統中的異物清除模塊對線路異物進行清除。 4)吊裝利用作業子系統中的吊裝模塊吊裝其他線上作業設備。4、線上運行過程中，遇到各種障礙時，跨越各種障礙。I)小型障礙自動跨越針對小障礙頻繁的線路，通過特殊設計的履帶式輪結構，使線航兩棲機器人不必下線即可自動越過小型障礙，從而減少了系統的操作複雜度。2)飛越大型障礙線上作業時，遇到不可自動逾越的障礙，如耐張線塔等，機器人飛起，飛越障礙後落線，繼續執行近距離作業任務。5、任務執行完畢或者需要更換電池時，機器人飛起，飛離作業點後降落，更換電池後繼續前述步驟。本實用新型實施例的線航兩棲電力線路綜合維護機器人，既利用多旋翼無人機技術的高穩定性、易操控性和靈活性，又利用線上機器人技術的針對性和智能性，使二者有機結合，從而克服兩種技術各自的局限性；該方案可以取得以下有益效果(I)本實用新型可以促進電力線路智慧機器人和無人機的技術改進和完善，為機器人技術的研究和開發提供理想的開發和應用平臺；(2)本實用新型可以促進電力線路智能巡檢和維護系統方案的建立和實施；(3)本實用新型可以促進建立具有相當規模的、國際先進的智能電網機器人和相關智能裝備基地，為後續的研發工作提供系統的、完善的專業級試驗環境；(4)本實用新型可以革新電力線路巡檢和維護的人工作業方式，提高線路維護的自動化水平和作業效率；(5)本實用新型為電力線路的巡檢和維護提供了實用化、創新性的解決方案；實用新型實施後，可以帶來巨大的經濟效益和社會效益。以上實施例僅用以說明本實用新型實施例的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述實施例對本實用新型實施例進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本實用新型實施例各實施例技術方案的精神和範圍。
權利要求1.一種線航兩棲電力線路綜合維護機器人，其特徵在於，所述線航兩棲電力線路綜合維護機器人包括 飛行子系統，當所述機器人處於飛行作業模式時，通過所述飛行子系統執行電力線路的遠距離或近距離巡航； 線上子系統，當所述機器人處於線上作業模式時，通過所述線上子系統實現所述機器人在所述電力線路上的行走； 作業子系統，當所述機器人處於線上作業模式時，通過所述作業子系統對所述電力線路進行維護作業； 所述飛行子系統、所述線上子系統和所述作業子系統採用獨立可拆裝的模塊化結構，所述線上子系統和所述作業子系統安裝於所述飛行子系統的主框架上。
2.根據權利要求I所述的線航兩棲電力線路綜合維護機器人，其特徵在於，所述飛行子系統包括 機翼框架模塊，通過方形排列的4對共軸雙旋翼結構，實現所述機器人的飛行與降落； 飛控模塊，通過對所述機翼框架模塊中各個旋翼的旋轉方向以及轉速進行控制，實現對所述機器人飛行姿態的調整。
3.根據權利要求2所述的線航兩棲電力線路綜合維護機器人，其特徵在於，所述機翼框架模塊包括中心杆以及可繞所述中心杆旋轉的一對側翼； 每個側翼包括方形機翼框架以及設置於所述方形機翼框架頂角上的2對共軸雙旋翼結構； 當所述機器人切換至所述飛行作業模式時，所述一對側翼繞所述中心杆向上旋轉並展平；當所述機器人切換至所述線上作業模式時，所述一對側翼繞所述中心杆向下旋轉併合攏於所述電力線路的下方。
4.根據權利要求2所述的線航兩棲電力線路綜合維護機器人，其特徵在於，所述線上子系統包括 行走輪模塊，採用履帶式輪的結構，在所述電力線路上行走； 抱爪模塊，包括位於當所述行走輪模塊兩側的一對抱爪，當所述機器人處於線上作業模式時，一對抱爪處於抱緊狀態，將所述電力線路環抱於所述行走輪模塊和所述抱爪模塊之間；當所述機器人處於所述飛行作業模式或者等待下線模式時，所述一對抱爪處於張開狀態； 線控模塊，控制所述行走輪模塊和所述抱爪模塊的工作狀態。
5.根據權利要求I所述的線航兩棲電力線路綜合維護機器人，其特徵在於，所述作業子系統包括下列模塊中的一種或多種 巡檢模塊，完成電力線路的線上巡檢作業； 除冰模塊，採用棍棒敲擊的方式清除所述電力線路的覆冰； 清障模塊，清除所述電力線路上的障礙； 吊裝模塊，吊裝所述電力線路上的其他線上作業設備； 所述飛巡檢模塊、除冰模塊、清障模塊和吊裝模塊採用獨立可拆裝的模塊化結構。
6.根據權利要求I所述的線航兩棲電力線路綜合維護機器人，其特徵在於 所述飛行子系統，還用於當所述機器人處於線上作業模式，且檢測到所述電力線路上的障礙為不可逾越的大型障礙時，將所述機器人的工作模式切換為飛行作業模式以跨越所述大型障礙。
7.根據權利要求I所述的線航兩棲電力線路綜合維護機器人，其特徵在於，所述的線航兩棲電力線路綜合維護機器人還包括 電源模塊，用於為所述機器人提供電力支持； 所述機器人，當檢測到電源電量低於設定閾值時，停止執行線路巡航以及線上作業，等待操作指令後，執行下線和降落任務。
專利摘要一種線航兩棲電力線路綜合維護機器人，所述線航兩棲電力線路綜合維護機器人包括飛行子系統，當所述機器人處於飛行作業模式時，通過所述飛行子系統執行電力線路的遠距離或近距離巡航；線上子系統，當所述機器人處於線上作業模式時，通過所述線上子系統實現所述機器人在所述電力線路上的行走；作業子系統，當所述機器人處於線上作業模式時，通過所述作業子系統對所述電力線路進行維護作業；所述飛行子系統、所述線上子系統和所述作業子系統採用獨立可拆裝的模塊化結構，所述線上子系統和所述作業子系統安裝於所述飛行子系統的主框架上。
文檔編號B64C39/02GK202513492SQ20112054853
公開日2012年10月31日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者曹向勇, 李紅旗, 王啟源, 王睿, 解玉文, 鄧佔雲, 郭志廣 申請人:北京國網富達科技發展有限責任公司