本發(fā)明屬于輸電線路巡檢領(lǐng)域，尤其涉及一種步進式巡線清障機器人及其方法。

背景技術(shù)：

高壓輸電線路是目前我國電力傳輸?shù)暮诵脑O(shè)備，擔負著保障十幾億人口正常用電的重任，電網(wǎng)的安全運行直接關(guān)系到了人們?nèi)粘Ｉ睿绊懼粋€國家的經(jīng)濟水平的發(fā)展，因此保證高壓輸電線路安全、穩(wěn)定、可靠的運行成為了社會熱門話題。

采用高壓輸電線路是進行中長距離送電的主要方式，它不僅要承擔正常機械載荷和電力負荷的內(nèi)部壓力，還要經(jīng)受污穢、雷擊、強風、滑坡、沉陷以及塑料袋、鳥害等的外界侵害，這些因素將會使線路上各元件加速老化，如果不及時發(fā)現(xiàn)及清除，就可能導致各種線路故障，對電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定造成嚴重的威脅。且高壓輸電線路及桿塔附件會長期暴露在野外，使線路受到持續(xù)的機械張力、材料老化、電氣閃絡(luò)的影響而產(chǎn)生斷股、磨損、腐蝕等損傷，如不及時修整更換，原本微小的破損和缺陷就會擴大，最終會導致嚴重事故，造成大面積的停電，從而造成嚴重的經(jīng)濟損失和惡劣的社會影響。因此通過線路巡檢對輸電線路進行定期的巡視檢查，并及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺陷和危及線路的安全隱患，提出具體的修復意見，以便避免事故發(fā)生、消除線路缺陷，是電力部門一項重要工作。

傳統(tǒng)的高壓輸電線路巡線方法采用人工巡檢和飛機巡檢。采用人工沿線巡檢的作業(yè)方式存在著很多缺陷，其危險系數(shù)高，勞動強度大，需要很大的人力成本。同時也會受到高山、湖泊等惡劣自然條件的制約，造成事倍功半的結(jié)果。而后者在國內(nèi)起步較晚，需要很大的費用，受環(huán)境制約影響大，且如果操作不當會造成極大的人力物力的損失。因此，電力部門迫切的需要巡線機器人來取代人力進行高壓輸電線路的維護和巡檢。

此外，由于我國電網(wǎng)覆蓋面積廣闊，所穿過的地理環(huán)境復雜，高壓輸電線路-會遭受嚴峻的冰災事故。輸電線路出現(xiàn)覆冰情況可能會導致桿塔傾斜、斷線甚至倒塌，而且線路不均勻覆冰和不同期脫冰還會引起線路舞動等現(xiàn)象，這些會引發(fā)線路跳閘、供電中斷等事故，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成嚴重影響。目前，我國還沒有成熟的除冰機器人，很多已有的機器人不具備越障功能，不能完全代替人工除冰方法。為保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高高壓輸電線路除冰的效率，開發(fā)出既有巡線功能，還具有高效的除冰性能的機器人來取代或部分替代人工勞作一直是國內(nèi)外研究的熱點。

結(jié)合國內(nèi)高壓輸電線路巡檢越障機器人的研究現(xiàn)狀，比較各機器人的結(jié)構(gòu)特點及其優(yōu)缺點，可以得出以下結(jié)論：

第一，大多數(shù)已經(jīng)用于實際工作的巡線機器人都只能在一段高壓輸電線路上進行連續(xù)運動，不能夠進行越障，這就增加了電力工人上線的次數(shù)，增大了工作的勞動強度，降低了效率。

第二，對于具有越障功能的機器人往往結(jié)構(gòu)較為復雜，穩(wěn)定性較差，越障動作復雜，致使控制系統(tǒng)十分復雜，這就增加了成本，使其多停留于實驗研究階段，沒有達到實際投入使用的階段。

第三，大多數(shù)機器人的功能較為簡單，僅具備單一的巡檢功能，無法實現(xiàn)清障和除冰功能。這樣只能反饋線路的狀況，還需進行清理障礙，以及必要時進行除冰工作，增加了工人的工作量。

因此，需要設(shè)計和研究具有穩(wěn)定巡線和越障功能，并輔以清障和除冰功能的高壓輸電線路巡線清障機器人。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種步進式巡線清障機器人，其運動穩(wěn)定，控制簡單，且越障原理簡單，可實現(xiàn)幾乎所有障礙物的越障，適用性強。

本發(fā)明的一種步進式巡線清障機器人，包括：

行進機構(gòu)，所述行進結(jié)構(gòu)為可伸縮運動的連桿；行進結(jié)構(gòu)的兩端分別與第一控制箱和第二控制箱相連，第一控制箱和第二控制箱用于控制連桿的伸縮運動，實現(xiàn)機器人的步進式蠕動行走；

第一控制箱和第二控制箱上分別安裝有第一夾線機構(gòu)和第二夾線機構(gòu)，用來分別在第一控制箱和第二控制箱的控制下實現(xiàn)對高壓輸電線的夾緊和松開；

所述第一控制箱上還安裝有清障機構(gòu)，其用于在第一控制箱的控制作用下清除高壓輸電線的障礙物；所述第一控制箱上還安裝有機械手，其用于在第一控制箱的控制作用下，一方面在機器人行進和越障時懸掛在高壓輸電線上起輔助支撐的作用，保持機器人行走的穩(wěn)定；另一方面能夠進行清障運動。

進一步的，所述機械手上還安裝有圖像采集裝置，所述圖像采集裝置用于采集高壓輸電線上的圖像并傳送至第一控制箱內(nèi)。

進一步的，所述清障機構(gòu)為除冰機構(gòu)，其用于當高壓輸電線存在覆冰狀況時，進行除冰運動。

進一步的，所述第一控制箱和第二控制箱均包括殼體，所述殼體內(nèi)設(shè)置有控制器，所述控制器依次與驅(qū)動機構(gòu)和傳動機構(gòu)相連。

進一步的，所述除冰機構(gòu)包括底座，所述底座上安裝有盤銑刀，所述底座在第一控制箱的作用下可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明還提供了一種步進式巡線清障機器人的工作方法。

本發(fā)明的步進式巡線清障機器人的工作方法，包括步進式巡線清障機器人的步進式蠕動行走過程，其具體過程為：

在所述機器人步進式蠕動行走的初始狀態(tài)下，第一夾線機構(gòu)和第二夾線機構(gòu)均夾緊高壓輸電線，機械手閉合卡在高壓輸電線上，起輔助支承作用，連桿處于收縮狀態(tài)；

之后，第一夾線機構(gòu)張開，第一控制箱控制連桿伸張，第一控制箱向前運動；

當連桿完全伸張后，第一夾線機構(gòu)夾緊，第二夾線機構(gòu)松開，第二控制箱控制連桿完成收縮運動，第二控制箱向前移動，第二夾線機構(gòu)最后夾緊，完成前進運動的一個運動周期；在整個行進的周期中，始終保持有兩點與高壓輸電線接觸，保證了整個機器人行進的穩(wěn)定性。

進一步的，該方法還包括步進式巡線清障機器人的越障過程，其具體過程為：

當機器人檢測到高壓輸電線路上的障礙物時，第一控制箱和第二控制箱控制連桿停止轉(zhuǎn)動，第一夾線機構(gòu)和第二夾線機構(gòu)均夾緊高壓輸電線，機器人實現(xiàn)剎車；

第二夾線機構(gòu)松開高壓輸電線路，第二控制箱控制連桿完成收縮運動，第二控制箱向前移動；

之后，第二夾線機構(gòu)夾緊高壓輸電線路，機械手臂通過各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，使手臂越過障礙物，并重新卡在高壓輸電線路；

然后，第一夾線機構(gòu)張開，第一控制箱控制連桿伸張，第一控制箱向前運動越過障礙物；

最后，第一夾線機構(gòu)夾緊，隨后第二夾線機構(gòu)松開，第二控制箱控制連桿完成收縮運動，第二控制箱向前移動實現(xiàn)整體越障。

其中，高壓輸電線路上的障礙物包括防震錘、接續(xù)金具、懸垂線夾和耐張線夾。

進一步的，該方法還包括步進式巡線清障機器人的障礙清除過程，其具體過程為：

進一步的，第一控制箱控制機械手定位于高壓輸電線路上的障礙物處，對障礙物進行剪切、移動和清除。

進一步的，該方法還包括步進式巡線清障機器人的除冰過程，其具體過程為：

第一控制箱控制除冰機構(gòu)，使盤銑刀與高壓輸電線路處于同一水平面內(nèi)；

第一控制箱控制除冰機構(gòu)的底座轉(zhuǎn)動，使盤銑刀逐步靠近高壓輸電線路上的覆冰，直至接觸；

最后第一控制箱帶動盤銑刀轉(zhuǎn)動，并配合機器人的前進運動，實現(xiàn)高壓輸電線路的除冰工作。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

(1)采用步進式的行進方式，可以在單根輸電線路上進行巡檢，無需考慮滾輪和高壓輸電線路之間的摩擦變化，適用范圍廣。

(2)機械手的輔助支撐保證了機器人運行穩(wěn)定。

(3)越障時采用三點式越障，且夾線機構(gòu)存在臂式結(jié)構(gòu)，保證了機器人能夠平穩(wěn)方便的進行防震錘、金具等的越障。

(4)對機械手的手爪部分進行設(shè)計，使其集卡線、夾取、剪切等功能于一體，可以實現(xiàn)對高壓輸電線路上大多數(shù)障礙物的完全清除。

(5)除冰機構(gòu)的盤銑刀可對于高壓輸電線路的覆冰進行清除，保障了機器人可以在嚴冬中受冰雪侵害比較嚴重的地區(qū)進行巡線清障，對環(huán)境適應性強。

附圖說明

構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構(gòu)成對本申請的不當限定。

圖1是本發(fā)明的一種步進式巡線清障機器人結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)是步進式巡線清障機器人步進式蠕動行走時的初始狀態(tài)；

圖2(b)是步進式巡線清障機器人步進式蠕動行走時的第一控制箱前進狀態(tài)；

圖2(c)是步進式巡線清障機器人步進式蠕動行走時的第一夾緊機構(gòu)夾緊狀態(tài)；

圖2(d)是步進式巡線清障機器人步進式蠕動行走時的第二控制箱前進狀態(tài)；

圖2(e)是步進式巡線清障機器人步進式蠕動行走時的第二夾緊機構(gòu)夾緊，完成運動周期；

圖3(a)是步進式巡線清障機器人跨越防震錘時的初始狀態(tài)；

圖3(b)是步進式巡線清障機器人跨越防震錘時的第二夾緊機構(gòu)松開，連桿收縮狀態(tài)；

圖3(c)是步進式巡線清障機器人跨越防震錘時的第二夾緊機構(gòu)夾緊狀態(tài)；

圖3(d)是步進式巡線清障機器人跨越防震錘時的機械手越過障礙物；

圖3(e)是步進式巡線清障機器人跨越防震錘時的第一夾緊機構(gòu)松開，連桿伸張狀態(tài)；

圖3(f)是步進式巡線清障機器人跨越防震錘時的第一夾緊機構(gòu)夾緊，第二夾緊機構(gòu)松開，連桿收縮狀態(tài)；

圖4(a)是步進式巡線清障機器人檢測到懸垂線夾時停車；

圖4(b)是步進式巡線清障機器人跨越懸垂線夾時，機械手轉(zhuǎn)動完成越障；

圖4(c)是步進式巡線清障機器人跨越懸垂線夾時，第一夾緊機構(gòu)松開，連桿伸張狀態(tài)，第一控制箱越障；

圖4(d)是步進式巡線清障機器人跨越懸垂線夾時，第一夾緊機構(gòu)夾緊；

圖4(e)是步進式巡線清障機器人跨越懸垂線夾時，第二夾緊機構(gòu)松開，連桿收縮狀態(tài)，機器人整體完成越障；

圖5(a)是步進式巡線清障機器人檢測到高壓輸電線路上的彩帶；

圖5(b)是步進式巡線清障機器人的機械手剪切高壓輸電線路上的彩帶；

圖5(c)是步進式巡線清障機器人的機械手夾緊高壓輸電線路上的殘留彩帶；

圖5(d)是步進式巡線清障機器人的機械手清除高壓輸電線路上的殘留彩帶。

具體實施方式

應該指出，以下詳細說明都是例示性的，旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學術(shù)語具有與本申請所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復數(shù)形式，此外，還應當理解的是，當在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

本發(fā)明通過對高壓輸電線路巡線清障機器人的工作環(huán)境進行分析，機器人所遇到的主要障礙物有耐張線夾，防震錘，接續(xù)金具，懸垂線夾等。針對各存在的障礙物進行越障過程分析，可以大致將巡線清障機器人的行走過程分為三類：直線無障行走、直線越障行走、翻越耐張線塔。對于直線越障行走過程，需要跨越防震錘、金具、懸垂線夾，其跨度相對較小，坡度較小，方便進行越障。對于翻越耐張線塔階段，由于耐張線夾處跨度大、坡度大，存在跳線，其越障過程十分復雜，大大降低了越障的效率，提高了制作成本，因此對于翻越耐張線塔階段不進行越障設(shè)計。綜上所述，對巡線清障機器人進行防震錘、接續(xù)金具、懸垂線夾的越障運動設(shè)計。

圖1是本發(fā)明的一種步進式巡線清障機器人結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，本發(fā)明的一種步進式巡線清障機器人，包括：

行進機構(gòu)，所述行進結(jié)構(gòu)為可伸縮運動的連桿；行進結(jié)構(gòu)的兩端分別與第一控制箱和第二控制箱相連，第一控制箱和第二控制箱用于控制連桿的伸縮運動，實現(xiàn)機器人的步進式蠕動行走；

第一控制箱和第二控制箱上分別安裝有第一夾線機構(gòu)和第二夾線機構(gòu)，用來分別在第一控制箱和第二控制箱的控制下實現(xiàn)對高壓輸電線的夾緊和松開；

所述第一控制箱上還安裝有清障機構(gòu)，其用于在第一控制箱的控制作用下清除高壓輸電線的障礙物；所述第一控制箱上還安裝有機械手，其用于在第一控制箱的控制作用下，一方面在機器人行進和越障時懸掛在高壓輸電線上起輔助支撐的作用，保持機器人行走的穩(wěn)定；另一方面能夠進行清障運動。

本發(fā)明的第一控制箱和第二控制箱均包括殼體，所述殼體內(nèi)設(shè)置有控制器，所述控制器依次與驅(qū)動機構(gòu)和傳動機構(gòu)相連。

本發(fā)明的第一控制箱和第二控制箱主要起支撐、連接和保護的作用。

在另一實施例中，所述機械手上還安裝有圖像采集裝置，所述圖像采集裝置用于采集高壓輸電線上的圖像并傳送至第一控制箱內(nèi)。

其中，圖像采集裝置可采用攝像頭予以實現(xiàn)。

在另一實施例中，所述清障機構(gòu)為除冰機構(gòu)，其用于當高壓輸電線存在覆冰狀況時，進行除冰運動。

其中，所述除冰機構(gòu)包括底座，所述底座上安裝有盤銑刀，所述底座在第一控制箱的作用下可實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。

本發(fā)明的步進式巡線清障機器人的行走機構(gòu)采用步進式的行走機構(gòu)，可通過多只手臂的交替移動實現(xiàn)機器人的前進運動。其采用了仿生學原理，參考了蠕蟲的蠕動運動方式，通過連桿的“伸——縮——伸”運動并配合機械臂的夾緊松開，實現(xiàn)高壓輸電線路上的蠕動爬行。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是運動穩(wěn)定，控制簡單，且越障原理簡單，可實現(xiàn)幾乎所有障礙物的越障，適用性強。行走機構(gòu)的運動過程如下，原理圖如圖2(a)-圖2(e)：

本發(fā)明的步進式巡線清障機器人的工作方法，包括步進式巡線清障機器人的步進式蠕動行走過程，其具體過程為：

在所述機器人步進式蠕動行走的初始狀態(tài)下，第一夾線機構(gòu)和第二夾線機構(gòu)均夾緊高壓輸電線，機械手閉合卡在高壓輸電線上，起輔助支承作用，連桿處于收縮狀態(tài)，如圖2(a)所示；

之后，第一夾線機構(gòu)張開，第一控制箱控制連桿伸張，第一控制箱向前運動，如圖2(b)所示；

當連桿完全伸張后，第一夾線機構(gòu)夾緊，如圖2(c)所示；第二夾線機構(gòu)松開，第二控制箱控制連桿完成收縮運動，第二控制箱向前移動，如圖2(d)所示；第二夾線機構(gòu)最后夾緊，完成前進運動的一個運動周期，如圖2(e)所示；在整個行進的周期中，始終保持有兩點與高壓輸電線接觸，保證了整個機器人行進的穩(wěn)定性。

本發(fā)明的步進式巡線清障機器人主要針對輸電線路上常見的障礙物：防震錘、接續(xù)金具、懸垂線夾、耐張線夾進行越障。

其中，該方法還包括步進式巡線清障機器人的越障過程：對于防震錘，由于有一部分金屬棒懸掛在輸電線的下方，需要考慮垂直方向上的干涉。其越障過程如下，如圖3(a)-3(f)：

初始狀態(tài)：當檢測到防震錘障礙物時，第一控制箱和第二控制箱控制連桿停止轉(zhuǎn)動，第一夾線機構(gòu)和第二夾線機構(gòu)均夾緊高壓輸電線，機器人實現(xiàn)剎車，如圖3(a)。

第二夾線機構(gòu)松開，電機驅(qū)動連桿完成收縮運動，第二控制箱向前移動，如圖3(b)。

第二夾線機構(gòu)夾緊，如圖3(c)。

機械手越過障礙，卡在輸電線路上：機械手通過各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，使機械手越過障礙物，并重新卡在輸電線路，起輔助支承，如圖3(d)。

第一夾線機構(gòu)張開，之后電機驅(qū)動連桿伸張，第一控制箱向前運動越過障礙，如圖3(e)。

第一夾線機構(gòu)夾緊，隨后第二夾線機構(gòu)松開，連桿完成收縮運動，第二控制箱向前移動實現(xiàn)整體越障，如圖3(f)。

由于接續(xù)金具對高壓輸電線的徑向波動小，且在垂直方向無障礙。且機器人的行進原理為步進式時的蠕動前進，因此接續(xù)金具對于機器人的運動影響很小，越障原理與跨越防震錘相同，其越障時的狀態(tài)與圖3(a)-3(f)相同。

對于該巡線清障機器人，跨越懸垂線夾僅需考慮線路上的障礙，其越障原理與跨越防震錘相同，其部分過程如圖4(a)-4(e)所示。

當機器人檢測到高壓輸電線路上的懸垂線障礙物時，第一控制箱和第二控制箱控制連桿停止轉(zhuǎn)動，第一夾線機構(gòu)和第二夾線機構(gòu)均夾緊高壓輸電線，機器人實現(xiàn)剎車，如圖4(a)。

機械手臂通過各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，使手臂越過障礙物，并重新卡在高壓輸電線路，如圖4(b)。

然后，第一夾線機構(gòu)張開，第一控制箱控制連桿伸張，第一控制箱向前運動越過障礙物，如圖4(c)；

最后，第一夾線機構(gòu)夾緊，如圖4(d)；隨后第二夾線機構(gòu)松開，第二控制箱控制連桿完成收縮運動，第二控制箱向前移動實現(xiàn)整體越障，如圖4(e)。

高壓輸電線路上常見的障礙物主要為塑料袋、氣球、慶典彩帶、風箏、廣告條幅等?，F(xiàn)以彩帶為例，對清障過程進行介紹：

其具體過程為：

第一控制箱控制接收到高壓輸電線路存在彩帶信息，如圖5(a)所示；

第一控制箱控制機械手定位于高壓輸電線路下方的彩帶處，通過機械手的剪刀對于彩帶進行剪切，如圖5(b)所示。

對于殘留彩帶，經(jīng)定位，使機械手移動到彩帶處，并通過手爪的夾緊部分夾緊彩帶，如圖5(c)所示。

機械手轉(zhuǎn)動，隨后機械手松開，清除彩帶，如圖5(d)所示。

針對嚴冬季節(jié)受冰凍災害較嚴重的地區(qū)，機器人可對高壓線進行除冰處理。其具體過程如下：

1)第一控制箱控制除冰機構(gòu)，使盤銑刀與高壓輸電線路處于同一水平面內(nèi)；

2)第一控制箱控制除冰機構(gòu)的底座轉(zhuǎn)動，使盤銑刀逐步靠近高壓輸電線路上的覆冰，直至接觸；

3)最后第一控制箱帶動盤銑刀轉(zhuǎn)動，并配合機器人的前進運動，實現(xiàn)高壓輸電線路的除冰工作。

本發(fā)明的步進式巡線清障機器人采用步進式的行進方式，可以在單根輸電線路上進行巡檢，無需考慮滾輪和高壓輸電線路之間的摩擦變化，適用范圍廣；機械手的輔助支撐保證了機器人運行穩(wěn)定；越障時采用三點式越障，且夾線機構(gòu)存在臂式結(jié)構(gòu)，保證了機器人能夠平穩(wěn)方便的進行防震錘、金具等的越障；對機械手的手爪部分進行設(shè)計，使其集卡線、夾取、剪切等功能于一體，可以實現(xiàn)對高壓輸電線路上大多數(shù)障礙物的完全清除；除冰機構(gòu)的盤銑刀可對于高壓輸電線路的覆冰進行清除，保障了機器人可以在嚴冬中受冰雪侵害比較嚴重的地區(qū)進行巡線清障，對環(huán)境適應性強。

上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述，但并非對本發(fā)明保護范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)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發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。