專利名稱：一種沿分裂導線的巡檢作業(yè)機器人系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種機器人系統(tǒng)，尤其是在分裂導線上進行檢測、作業(yè)的沿分裂導線的巡檢作業(yè)機器人系統(tǒng)。
背景技術：
超高壓輸電線路是高壓電網(wǎng)的重要組成部分，為保證其在運行過程中的安全性和穩(wěn)定性，需要定期的開展巡檢工作；由于輸電線路分布點多，遠離城鎮(zhèn)，地形復雜，并且導線暴漏在野外，長期風吹雨淋，且受到持續(xù)的機械張力，電氣閃烙，材料老化的影響，容易引起磨損，斷股，腐蝕等損傷，若不及時修復更換，易引起嚴重的事故，造成大面積停電及經(jīng)濟財產(chǎn)損失。所以，必須對輸電線路進行定期的巡視檢查，隨時掌握和了解輸電線路的安全運行情況，以便及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患，預防事故的發(fā)生。長期以來，我國對輸電線路的巡檢主要依靠人工，或望遠鏡，或紅外熱成像儀，邊走邊看,一些特殊的巡檢還需要電力工人攀上高壓線路進行檢查，費時費力，危險性極大，有些原始森林、山崖線路人工根本無法巡檢。利用機器人帶電巡檢和維護超高壓輸電網(wǎng)絡，不但可以減輕工人千里巡線和帶電作業(yè)的勞動強度，而且可提高檢測精度和檢測效率，取代人直接工作在高危險的場合，同時大大減少人力資源，對提高電網(wǎng)自動化作業(yè)水平、保障電網(wǎng)安全運行具有重要意義。中國專利ZL200410061316. 8公開了一種沿架空高壓輸電線路行駛的機器人，包括一對沿輸電線運動的小臂機械手機構，二個小臂機械手的下端分別聯(lián)接在一個能改變二個小臂相對距離的大臂的傳動機構上，各小臂分別具有4個自由度，小臂上方為末端執(zhí)行機構，該末端執(zhí)行機構具有一個掛在輸電線上的驅(qū)動輪及其第一驅(qū)動機構、一個從動輪和一個可抓握輸電線的夾緊機構。綜合分析，此專利主要有如下缺點該專利機器人只能沿著單股導線行走，只具備檢測功能，由于機器人只能沿單股導線運行，再擴展線上作業(yè)功能(清除熟料布異物、拆卸防震錘、修補導線等)時，機器人本體重心容易發(fā)生偏移，導致機器姿態(tài)不穩(wěn)，無法保證安全作業(yè)。中國專利ZL200410020490. 8公開了一種超高壓輸電線巡檢機器人機構，它由移動車體、后手臂、前手臂組成，其中移動車體由本體和行走輪組成，行走輪通過水平轉動副和移動副安裝在本體上，并與線相抓持，本體通過轉動副分別與前、后手臂相連，手臂末端為手爪；所述前手臂、后手臂結構相同，其中每一手臂由上臂、下臂兩部分組成，上臂為連桿及滾珠絲杠與滑塊組合結構，通過水平轉動副與下臂相連接，下臂為大行程伸縮機構。綜合分析，此專利主要有如下缺點只能在單股導線上運行，跨越防震錘和絕緣子串等障礙物，但越障效率較低，其狹長的移動平臺不利于集成多種檢測和作業(yè)工具。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是為克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種沿分裂導線的巡檢作業(yè)機器人系統(tǒng)，其結構簡單緊湊，能夠橫跨在水平相鄰的兩根分裂導線上運行，可跨越輸電導線上各種障礙物(防震錘、間隔棒、懸垂絕緣子串等)，在直線段上運行時機器人的驅(qū)動臂可自由調(diào)整，自適應導線的間距變化。該機器人運行時橫跨在兩根分裂導線上，即使重心發(fā)生偏移也能保證機器人的安全平穩(wěn)性，有利于在機器人上集成攝像機、紅外熱像儀等檢測工具，并且可以擴展作業(yè)機械臂及專用工具進行清障、線路修補等工作。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用下述技術方案。一種沿分裂導線的巡檢作業(yè)機器人系統(tǒng)，包括若干個結構相同的驅(qū)動臂、聯(lián)板框架及控制箱，其中驅(qū)動臂包括驅(qū)動輪機構、升降關節(jié)及旋轉關節(jié)；驅(qū)動輪機構包括驅(qū)動輪，所述驅(qū)動臂成左右對稱分布，驅(qū)動臂通過驅(qū)動輪懸掛在分裂導線上，所述驅(qū)動輪機構下端通過旋轉關節(jié)與升降關節(jié)連接，升降關節(jié)和控制箱固定在聯(lián)板框架上。所述控制箱包含鋰電池組和機器人控制系統(tǒng)，所述機器人控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收板、運動控制板、云臺控制板、錯誤檢測板、視頻錄像機、電機驅(qū)動器、視覺檢測攝像機；所述升降關節(jié)及旋轉關節(jié)上均設有電機驅(qū)動器，所述視頻錄像機和視覺檢測攝像機通過云臺和云臺驅(qū)動器與CAN總線連接，所述數(shù)據(jù)接收板、運動控制板、云臺控制板、錯誤檢測板、電機驅(qū)動器均與CAN總線連接，通過CANopen協(xié)議實現(xiàn)對各部分的協(xié)調(diào)控制，組成了基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將所有控制功能分為數(shù)據(jù)傳輸、運動控制、檢測控制、錯誤檢測四個功能部分，分別實現(xiàn)機器人的數(shù)據(jù)傳輸、運動控制、檢測控制和錯誤檢測功能，各部分功能上相互獨立，通過CAN總線連接在一起，又可以實現(xiàn)信息交互，實現(xiàn)整體統(tǒng)一。所述驅(qū)動輪機構包括驅(qū)動電機、驅(qū)動輪、驅(qū)動軸、傳動裝置及固定板；所述固定板一端通過旋轉關節(jié)與升降關節(jié)連接，另一端鉸接驅(qū)動軸；所述驅(qū)動軸兩端分別設有驅(qū)動輪及傳動裝置，并與固定板鉸接；傳動裝置可以是齒輪傳動或者同步帶傳動或者渦輪蝸桿傳動等；驅(qū)動電機與傳動裝置連接固定。所述升降關節(jié)包括底板、絲杠、絲杠螺母、直線導軌、滑塊、直流電機、連接板、限位開關及軸承座；所述絲杠通過軸承座與底板相連，絲杠一端與直流電機相連，絲杠上設置有絲杠螺母，所述直線導軌固定在底板上，與絲杠平行，直線導軌上設置有可自由滑動的滑塊，連接板將絲杠螺母和滑塊固定在一起，連接板連接旋轉關節(jié)；絲杠底部固定有限位開關，用于控制升降關節(jié)下端的極限位置。所述旋轉關節(jié)包括旋轉軸承座、旋轉軸、U型連接件、電磁離合器定子、離合器轉子及旋轉電機；所述旋轉軸架設在旋轉軸承座上，所述旋轉軸承座與升降關節(jié)的連接板相連；旋轉軸中間通過軸承與U型連接件鉸接，U型連接件與驅(qū)動輪機構的固定板相連；電磁離合器定子固定在U型連接件上，離合器轉子固定在旋轉軸上；旋轉軸一端與旋轉電機相連。所述驅(qū)動臂成前中后排列且左右對稱分布，前臂和中臂及中臂和后臂的有效距離稍大于輸電線上最大障礙物的長度。本實用新型主要由左右對稱分布的若干個驅(qū)動臂構成，每個驅(qū)動臂都可以為機器人提供驅(qū)動力，并且每個驅(qū)動臂都包括結構相同的驅(qū)動輪機構、升降關節(jié)及旋轉關節(jié)；驅(qū)動輪機構都通過旋轉關節(jié)與升降關節(jié)相連。本實用新型的工作原理本實用新型可在任意水平相鄰的兩條分裂導線上運行，每個驅(qū)動臂都能為機器人提供驅(qū)動力，在機器人遇到防震錘時無需做越障動作即可壓過；在無障礙的導線段上運行時，電磁離合器的定子和轉子是分離的，驅(qū)動輪機構可通過與之相連的U型連接圍繞旋轉軸自由轉動，這樣機器人可有效適應由間隔棒、風舞等引起的導線間距變化。在機器人接近間隔棒、懸垂絕緣子串時，首先前端的兩個驅(qū)動臂開始同時進行越障動作，離合器上電使離合器的轉子和定子閉合，保持住驅(qū)動輪機構的當前位置狀態(tài)，然后升降關節(jié)的直流電機驅(qū)動絲杠轉動，通過直線導軌和滑塊帶動驅(qū)動輪機構向上移動，驅(qū)動輪脫離導線后，升降關節(jié)停止動作；此時，旋轉關節(jié)上的旋轉電機通過旋轉軸帶動驅(qū)動輪機構向?qū)Ь€外側擺動，從而使驅(qū)動輪擺開導線及障礙物。在控制系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制下機器人中間和后端兩個驅(qū)動臂帶動機器人前進，待前端兩個驅(qū)動臂越過障礙物后機器人停止前進，前端兩個升降關節(jié)開始下降，帶動驅(qū)動輪做與之前相反的動作，使驅(qū)動輪重新騎在導線上后離合器掉電，使離合器的定子和轉子分離，驅(qū)動輪機構又可圍繞旋轉軸自由轉動，自適應導線間距變化。之后，機器人中間及后端的驅(qū)動臂都以前端驅(qū)動臂相同的方式越過障礙物。本實用新型的有益效果是，本實用新型由于采用若干個結構相同且左右對稱的驅(qū)動臂，結構簡單緊湊，可在任意水平相鄰的兩條分裂導線上運行，跨越輸電導線上各種障礙物(防震錘、間隔棒、懸垂絕緣子串等)，在直線段上運行時機器人的驅(qū)動臂可自由調(diào)整，自適應導線的間距變化。該機器人運行時橫跨在兩根分裂導線上，即使重心發(fā)生偏移也能保證機器人的運行姿態(tài)，安全平穩(wěn)，有利于在機器人上集成檢測工具，并且可以擴展作業(yè)機械臂及專用工具進行清障、線路修補等工作?？刂葡到y(tǒng)采用基于CAN總線的分布式控制結構，將所有控制功能分為數(shù)據(jù)傳輸、運動控制、檢測控制、錯誤檢測四個功能部分，這種結構與主從式結構相比，減輕了主控制器的負擔，同時分散了系統(tǒng)風險，有利于提高系統(tǒng)可靠性。同時各功能模塊相對獨立且完整，如運動控制功能中包含了機器人越障控制相關的主控制器，關節(jié)驅(qū)動器，位置傳感器等全部節(jié)點，便于程序中的功能實現(xiàn)，控制方便。

圖1為本實用新型的立體結構示意圖。圖2為本實用新型驅(qū)動臂及驅(qū)動輪機構結構示意圖。圖3為本實用新型升降關節(jié)結構示意圖。圖4為本實用新型旋轉關節(jié)結構示意圖。圖5為本實用新型控制系統(tǒng)結構圖。圖6為本實用新型控制程序流程圖。其中1、驅(qū)動臂，2、聯(lián)板框架，3、控制箱，4、傳動裝置，5、驅(qū)動電機，6、驅(qū)動輪，7、驅(qū)動軸，8、固定板，9、旋轉關節(jié)，10、升降關節(jié)，11、軸承座，12、絲杠，13、底板，14、絲杠螺母，15、連接板，16、限位開關，17、直流電機，18、直線導軌，19、滑塊，20、旋轉軸承座，21、U型連接件，22、離合器轉子，23、離合器定子，24、旋轉電機，25、旋轉軸，26、無線數(shù)據(jù)接收板，27、運動控制板，28、云臺控制板，29、錯誤檢測板，30、視頻錄像機，31、電機驅(qū)動器，32、視覺檢測攝像機，33、云臺，34、云臺驅(qū)動器，35、CAN總線，36、離合器及離合驅(qū)動，37、無線視頻傳輸裝置。
具體實施方式
[0029]
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。本實用新型在任意水平相鄰的兩條分裂導線上運行，能夠自適應導線間距的變化，如圖1、2所示，包括結構相同的驅(qū)動臂1、聯(lián)板框架2及控制箱3，其中每個驅(qū)動臂I都包括結構相同的驅(qū)動輪機構、升降關節(jié)10及旋轉關節(jié)9 ;驅(qū)動臂I通過驅(qū)動輪6懸掛在分裂導線上。如圖2所示,驅(qū)動輪機構包括傳動裝置4、驅(qū)動電機5、驅(qū)動輪6、驅(qū)動軸7及固定板8 ;其中，驅(qū)動軸7兩端分別設有驅(qū)動輪6及傳動裝置4，并鉸接在固定板8上，傳動裝置4設置在固定板8上，驅(qū)動電機5設置在傳動裝置4外殼上；固定板8下端與旋轉關節(jié)9相連。如圖3所示，升降關節(jié)10包括軸承座11、絲杠12、底板13、絲杠螺母14、連接板15、限位開關16、直流電機17、直線導軌18及滑塊19 ;其中，絲杠12兩端通過軸承座11固定在底板13上，絲杠12 —端通過軸承座11與直流電機17相連；在絲杠12 —側平行設置有直線導軌18，直線導軌18上有可上下自由滑動的滑塊19，滑塊19與設置在絲杠12上的絲杠螺母14通過連接板15連接固定，在連接板15上固定有旋轉關節(jié)9 ;絲杠12底部固定有限位開關16，用于控制升降關節(jié)10下端的極限位置。如圖4所示，旋轉關節(jié)9包括旋轉軸承座20、U型連接件21、電磁離合器轉子22、離合器定子23、旋轉電機24及旋轉軸25，旋轉軸25架設在旋轉軸承座20上，所述旋轉軸承座20與升降關節(jié)10的連接板15相連，旋轉軸25中間通過軸承與U型連接件21鉸接，U型連接件21與驅(qū)動輪機構的固定板8相連，電磁離合器定子22固定在U型連接件21上，離合器轉子23固定在旋轉軸25上；旋轉軸25 —端與旋轉電機24相連。控制系統(tǒng)結構圖如圖5所示，所述控制箱3包含鋰電池組和機器人控制系統(tǒng)，所述機器人控制系統(tǒng)包括無線數(shù)據(jù)接收板26、運動控制板27、云臺控制板28、錯誤檢測板29、視頻錄像機30、電機驅(qū)動器31、視覺檢測攝像機32 ;所述升降關節(jié)10及旋轉關節(jié)9上均設有電機驅(qū)動器31，所述視頻錄像機30和視覺檢測攝像機32通過云臺33和云臺驅(qū)動器34與CAN總線35連接，視頻錄像機30還與無線視頻傳輸裝置37連接，所述無線數(shù)據(jù)接收板26、運動控制板27、云臺控制板28、錯誤檢測板29、電機驅(qū)動器31均與CAN總線35連接，CAN總線35上還連有離合器及離合驅(qū)動36，通過CANopen協(xié)議實現(xiàn)對各部分的協(xié)調(diào)控制，組成了基于CAN總線35的分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將所有控制功能分為數(shù)據(jù)傳輸、運動控制、檢測控制、錯誤檢測四個功能部分，分別實現(xiàn)機器人的數(shù)據(jù)傳輸、運動控制、檢測控制和錯誤檢測功能，各部分功能上相互獨立，通過CAN總線連接在一起，又可以實現(xiàn)信息交互，實現(xiàn)整體統(tǒng)一。其中數(shù)據(jù)傳輸功能由無線數(shù)據(jù)接收節(jié)點和地面遙控器實現(xiàn)，用于接收來自遙控器的控制指令，進行指令解析并發(fā)送給相應的控制模塊，同時反饋機器人的狀態(tài)信息，如電池剩余電量，機器人運動狀態(tài)，警告與錯誤等，便于系統(tǒng)調(diào)試。運動控制功能包括運動控制節(jié)點、關節(jié)驅(qū)動節(jié)點和與運動控制相關的傳感器節(jié)點，協(xié)調(diào)各關節(jié)實現(xiàn)機器人越障控制。其他控制功能包括云臺控制、線路檢測、視頻控制等均列為檢測控制功能，通過云臺控制節(jié)點、云臺驅(qū)動節(jié)點、視頻控制節(jié)點等實現(xiàn)。錯誤檢測功能由錯誤檢測節(jié)點實現(xiàn)，它作為CAN網(wǎng)絡主節(jié)點，監(jiān)控CAN網(wǎng)絡狀態(tài)，接收錯誤消息，并進行相應處理，保證機器人運行安全?？刂瞥绦蚪Y構如圖6所示，各主控制器在上電自檢時，查詢功能組內(nèi)其他節(jié)點狀態(tài)，確保系統(tǒng)上電后所有節(jié)點連接正常，并將查詢結果發(fā)送給錯誤檢測板29。主控制器在完成組內(nèi)自檢與初始化任務后，進入各自的功能控制循環(huán)，在功能控制中一旦出現(xiàn)錯誤，可立即通過錯誤消息發(fā)送給錯誤檢測板29，錯誤檢測板29可通過狀態(tài)指示燈和反饋錯誤信息給遙控器等方式提供調(diào)試信息。由于每個直流無刷電機連線較多，走線復雜，并且信號易受干擾，在各CAN節(jié)點的安裝布局上，各關節(jié)驅(qū)動節(jié)點及手爪驅(qū)動節(jié)點等均采用在相應關節(jié)電機附近安裝的方式，避免了電機信號長距離傳輸。各驅(qū)動節(jié)點之間僅通過CAN總線35和電源線串聯(lián)連接，連線簡單，可靠性增加。電機驅(qū)動器31 (或驅(qū)動電路板)均采用微型化設計，嵌入越障臂內(nèi)，不影響機械布局。上述雖然結合附圖對本實用新型的具體實施方式
進行了描述，但并非對本實用新型保護范圍的限制，所屬領域技術人員應該明白，在本實用新型的技術方案的基礎上，本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本實用新型的保護范圍以內(nèi)。
權利要求1.一種沿分裂導線的巡檢作業(yè)機器人系統(tǒng)，其特征是，包括若干個結構相同的驅(qū)動臂、聯(lián)板框架及控制箱，其中驅(qū)動臂包括驅(qū)動輪機構、升降關節(jié)及旋轉關節(jié)；驅(qū)動輪機構包括驅(qū)動輪，所述驅(qū)動臂成左右對稱分布，驅(qū)動臂通過驅(qū)動輪懸掛在分裂導線上，所述驅(qū)動輪機構下端通過旋轉關節(jié)與升降關節(jié)連接，升降關節(jié)和控制箱固定在聯(lián)板框架上；所述控制箱包含鋰電池組和機器人控制系統(tǒng)，所述機器人控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)接收板、運動控制板、云臺控制板、錯誤檢測板、視頻錄像機、電機驅(qū)動器、視覺檢測攝像機；所述升降關節(jié)及旋轉關節(jié)上均設有電機驅(qū)動器，所述視頻錄像機和視覺檢測攝像機通過云臺和云臺驅(qū)動器與CAN總線連接，所述數(shù)據(jù)接收板、運動控制板、云臺控制板、錯誤檢測板、電機驅(qū)動器均與CAN總線連接。
2.如權利要求1所述的沿分裂導線的巡檢作業(yè)機器人系統(tǒng)，其特征是，所述驅(qū)動輪機構包括驅(qū)動電機、驅(qū)動輪、驅(qū)動軸、傳動裝置及固定板；所述固定板一端通過旋轉關節(jié)與升降關節(jié)連接，另一端鉸接驅(qū)動軸；所述驅(qū)動軸兩端分別設有驅(qū)動輪及傳動裝置；驅(qū)動電機與傳動裝置連接固定。
3.如權利要求1所述的沿分裂導線的巡檢作業(yè)機器人系統(tǒng)，其特征是，所述升降關節(jié)包括底板、絲杠、絲杠螺母、直線導軌、滑塊、直流電機、連接板、限位開關及軸承座；所述絲杠通過軸承座與底板相連，絲杠一端與直流電機相連，絲杠上設置有絲杠螺母；所述直線導軌固定在底板上，與絲杠平行，直線導軌上設置有能自由滑動的滑塊，連接板將絲杠螺母和滑塊固定在一起；連接板連接旋轉關節(jié)；絲杠底部固定有限位開關。
4.如權利要求1所述的沿分裂導線的巡檢作業(yè)機器人系統(tǒng)，其特征是，所述旋轉關節(jié)包括旋轉軸承座、旋轉軸、U型連接件、電磁離合器定子、離合器轉子及旋轉電機；所述旋轉軸架設在旋轉軸承座上，所述旋轉軸承座與升降關節(jié)的連接板相連；旋轉軸中間通過軸承與U型連接件鉸接，U型連接件與驅(qū)動輪機構的固定板相連；電磁離合器定子固定在U型連接件上，離合器轉子固定在旋轉 軸上；旋轉軸一端與旋轉電機相連。
專利摘要本實用新型公開了一種沿分裂導線的巡檢作業(yè)機器人系統(tǒng)，包括若干個結構相同的驅(qū)動臂、聯(lián)板框架及控制箱，其中驅(qū)動臂包括驅(qū)動輪機構、升降關節(jié)及旋轉關節(jié)；驅(qū)動輪機構包括驅(qū)動輪，所述驅(qū)動臂成左右對稱分布，驅(qū)動臂通過驅(qū)動輪懸掛在分裂導線上，所述驅(qū)動輪機構下端通過旋轉關節(jié)與升降關節(jié)連接，升降關節(jié)和控制箱固定在聯(lián)板框架上。本實用新型結構簡單緊湊，可在任意水平相鄰的兩條分裂導線上運行，跨越輸電導線上各種障礙物，在直線段上運行時機器人的驅(qū)動臂可自由調(diào)整，自適應導線的間距變化。本實用新型減輕了主控制器的負擔，同時分散了系統(tǒng)風險，有利于提高系統(tǒng)可靠性。同時各功能模塊相對獨立且完整，便于程序中的功能實現(xiàn)，控制方便。
文檔編號B25J11/00GK202910864SQ20122065908
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月5日 優(yōu)先權日2012年12月5日
發(fā)明者張峰, 郭銳, 曹雷, 仲亮, 賈娟, 賈永剛 申請人:山東電力集團公司電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司