專利名稱：電力線路綜合維護輕便型機器人系統及其越障方法
技術領域：
本發明涉及電力線路日常維護技術領域，特別涉及一種電力線路綜合維護輕便型機器人系統及其越障方法。
背景技術：
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，特別是在電網穿越高山、大川等特殊地形，以及線路緊急故障、異常氣候條件、滑坡、泥石流、冰雪等地質災害等情況下，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。國家電網、南方電網統計結果顯示，2008年初的冰雪災害造成36740條IOKV及以上電力線路、1743座變壓站停運，各電壓等級線路桿塔倒塌及損壞97萬多基，導致3348萬戶、1億多人口停電，對國民經濟建設及社會生活造成了嚴重后果。然而，目前對于輸電線路覆冰多采用人工除冰的方法，不但效率低、除冰效果不好，而且作業難度大、容易造成傷亡事故。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“堅強”、“智能”的電力巡檢和維護方式。基于此，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。為了實現電網的智能化，國內外的科研機構已經對巡線機器人和除冰機器人進行了實驗階段的研究，以實現巡檢、除冰、異物清除、質量檢查、緊急事故處理等綜合作業。巡線機器人的發展大致經歷了兩個階段。始于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于1993年研制的“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krge Montambault等人研制的HQ LineROVer。此外，泰國國王科技大學和日本工業大學于2001年合作研制的“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。此后，加拿大魁北克水電研究院開發的Linekout、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，但存在機構復雜、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。沈陽自動化研究所研制的機器人，通過手臂繞豎直方向的軸線旋轉實現越障。山東科技大學、山東大學等研制了三臂巡檢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線航兩棲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，其巡線作業范圍則受到極大限制。目前仍沒有十分成熟、可靠的產品可用。國內外對輸電線路覆冰的除冰技術和裝置的開發也相當重視，先后提出了 30余種除冰技術，其中只有7種方法通過了防冰或除冰檢驗G種為熱力法，3種為機械法)。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。熱力除冰方法雖然除冰效果好，但是采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，并且有的需要增加線路負荷，還有的線路不便進行融冰，因此，熱力融冰方法存在一定的弊端。而采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，其成本也遠遠低于熱力融冰。已知的除冰機器人包括加拿大魁北克水電局研制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還研制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；此外，美國Roger Hansen于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，半永久性安裝于導線上，冰雪傳感器安裝于傳感器附近，振動器通過一個安裝于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的非越障除冰機器人、中國科學院自動化所研制的多臂除冰機器人系統、哈爾冰工業大學的小型單導線除冰機器人等。然而，已有的機器人平臺大都處于科研和實驗室階段，離實際應用還有一段距離， 在越障結構、工作電源、線路檢測技術、多傳感器集成及融合技術等方面尚有很多需要解決的問題。已有的電力線路機器人系統或者不能越障，或者能夠越障但是機構過于復雜、質量過重、不便于到達作業現場和上、下線操作。而電力線路的現實狀況是大障礙較少、小障礙很多，現有機器人實用性難于保障。
發明內容
針對現有技術的缺陷，本發明實施例提供一種電力線路綜合維護輕便型機器人系統及其越障方法，該系統采用獨特的棘輪結構以及越障模式，能夠應付電力線路上的大量小障礙，結構簡單而實用。為了實現上述目的，本發明實施例提供一種電力線路綜合維護輕便型機器人系統，所述機器人系統包括行走組件和控制組件；所述行走組件包括棘式輪和抱爪；所述棘式輪，用于在電力線路上行走；所述抱爪，用于接收控制組件的控制，在抱緊與張開狀態之間進行切換；所述控制組件，用于當所述機器人在電力線路上遇到小型障礙時，控制所述抱爪處于抱緊狀態，通過所述棘式輪跨越該小型障礙；當所述機器人在電力線路上遇到大型障礙時，控制所述抱爪處于張開狀態，等待所述機器人從電力線路上被卸下。所述機器人系統還包括主框架，連接所述行走組件和所述控制組件。所述機器人系統還包括機械除冰組件，位于所述機器人的前端，在所述控制組件的控制下旋轉敲擊電力線路除冰。所述控制組件包括自主作業控制系統和遠端地面控制系統；所述自主作業控制系統，用于根據線路模型和傳感器反饋信息，自主控制所述器人系統的工作狀態；所述遠端地面控制系統，用于根據傳感器反饋的信息，向所述自主作業控制系統發送遙操作指令，由所述自主作業控制系統根據所述遙操作指令對所述機器人系統的工作狀態進行控制。所述機器人系統還包括無線數據通信系統，用于將所述傳感器采集的視頻信息無線傳輸給所述遠端地面控制系統，以及將所述遠端地面控制系統的控制命令無線傳輸給所述自主作業控制系統。所述控制組件，還用于當所述機器人處于初始作業的上線過程以及脫離作業的下線過程時，控制所述抱爪處于張開狀態。為了實現上述目的，本發明實施例還提供一種電力線路綜合維護輕便型機器人系統的越障方法，所述方法包括實時監測電力線路的障礙，根據所述電力線路的障礙情況對所述機器人的工作狀態進行控制；當所述機器人在電力線路上遇到小型障礙時，控制所述機器人的抱爪處于抱緊狀態，通過所述機器人的棘式輪跨越該小型障礙；當所述機器人在電力線路上遇到大型障礙時，控制所述機器人的抱爪處于張開狀態，等待所述機器人從電力線路上被卸下。實時監測電力線路的障礙，根據所述電力線路的障礙情況對所述機器人的工作狀態進行控制包括由所述機器人自身的自主作業控制系統根據線路模型和傳感器反饋信息，控制所述機器人系統的工作狀態；或者由遠端地面控制系統根據傳感器反饋的信息，向所述自主作業控制系統發送遙操作指令，并由所述自主作業控制系統根據所述遙操作指令對所述機器人系統的工作狀態進行控制。所述方法還包括將傳感器采集的視頻信息無線傳輸給遠端地面控制系統，以及將所述遠端地面控制系統的控制命令無線傳輸給所述自主作業控制系統。所述方法還包括當所述機器人處于初始作業的上線過程以及脫離作業的下線過程時，控制所述抱爪處于張開狀態。本發明實施例提供的電力線路綜合維護輕便型機器人系統及其越障方法，改變以往相同功能機器人或者不能越障或者能越障但是體形龐大、重量較重的缺點，革新以往機器人所有障礙均嘗試越過的方法，在越障性方面選擇越過占大多數的小型障礙，而放棄耐張塔等大型障礙，取得越障性和重量之間的平衡，從而使機器人的實用性大大提高。
圖Ia為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統在線行走時的主視圖；圖Ib為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統在線行走時的側視圖；圖Ic為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統在線行走時的俯視圖；圖加為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統處于線下模式時的側視圖；圖2b為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統處于線下模式時的主視圖2c為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統處于線下模式時的立體圖；圖3為本發明實施例電力線路綜合維護輕便型機器人系統的越障方法流程圖。
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明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發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，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，都屬于本發明權利要求保護的范圍。本發明實施例將機器人技術應用于電力輸電線路的綜合維護，提出了一種電力線路綜合維護輕便型機器人系統及其越障方法。該機器人系統既可以根據程序自主運行，又可以通過無線網絡將采集到的各種信息傳輸到遠端地面控制系統，并接受遠端地面控制系統的遙操作指令，進行交互式操作，機械部分都以模塊化設計為原則，方便快捷，體現出輕便型小型綜合維護機器人的實用性。本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統主要包括行走組件、機械除冰組件、自主作業控制系統、電源供給及管理系統、視頻采集及無線數據通信系統、遠端地面控制系統，以及巡線模塊等多個功能部件。圖Ia為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統在線行走時的主視圖，圖Ib為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統在線行走時的側視圖，圖 Ic為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統在線行走時的俯視圖。如圖Ia-圖Ic所示，該系統包括機械除冰組件1、棘式輪2、抱爪3、主框架4，以及控制柜5。其中棘式輪2和抱爪3共同構成行走組件；自主作業控制系統、電源供給及管理系統、視頻采集及無線數據通信系統、遠端地面控制系統，以及巡線模塊等都可以位于控制柜5中。本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統的工作原理如下1、機器人的行走組件包括棘式輪2以及抱爪3。正常行走時，抱爪3處于抱緊狀態，由于棘式輪2的每個齒輪之間有固定間隔，因此可以通過棘式輪2來跨越小型障礙；當遇到大型障礙時，抱爪3處于張開狀態，等待工作人員將該機器人從電力線路上卸下；當機器人要再次放置于電力線路時，抱爪3也是處于張開狀態，直到開始行走，抱爪3才會抱緊。2、對應于該行走組件的結構，該機器人的工作模式包括線上行走模式、越障模式，以及下線模式。A、線上行走模式是機器人的正常工作模式。在該模式下，機器人正常進行巡檢或者維護作業；B、越障模式是當機器人遇到線上小型障礙時的作業模式。針對線路上的一些小的障礙物，如(預攪絲等)，機器人利用棘式輪2直接越過。而不需要采用現有機器人那樣的復雜越障結構。C、下線模式是當機器人遇到巨大的非可越障礙時的作業模式，同時也是該機器人初始作業的上線過程和脫離作業的下線過程。處于該模式時機器人張開抱爪3，等待其操作員或其他設備操作。圖加為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統處于線下模式時的側視圖；圖2b為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統處于線下模式時的主視圖；圖2c為本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統處于線下模式時的立體圖。3、機器人線路故障檢測技術。可以利用可見光、紅外線，以及紫外線成像檢測技術，實現對各種故障的檢測、記錄、故障點定位等。當前，線路故障檢測可以通過圖像識別或無傷探測來實現，從而達到對線路故障進行檢測。機器人沿地線行走，同時觀察多條導線的方式可以提高巡檢效率。此外，機器人可以安裝多個攝像機，從不同視角采集視頻信號，并通過無線視頻通信系統實時傳輸到地面控制器，實現對線路及周邊情況的觀測。4、采用人機交互的遙操作和自主控制相結合的控制方案是實現機器人可靠應用的基本條件之一。通過線路模型和傳感器相結合的自主越障控制模式，解決自主越障控制問題；根據視頻及其他傳感器反饋的信息，可以從遠端地面控制系統發送遙操作指令，人工干預機器人的動作；通過將通訊方法利用微波及數傳實現視頻和控制指令的無線傳輸。5、機器人的無線視頻通信及無線數據通信系統。無線通信系統除了將視頻信號傳輸到地面控制器，還負責雙向數據通信，即將機器人狀態數據傳輸到地面以及將地面控制器發送的遙操作指令發送到機器人控制器。6、該機器人的各個部件采用模塊化設計。各模塊重量輕，可利用無人機吊裝上下線，也可人工背負爬塔上下線；棘式輪行走機構能夠增加輪與導線之間的摩擦力，模塊化設計、一體成型，可快速、方便地組裝出一個小型綜合維護機器人作業系統。輕便型小型綜合維護機器人設計采用快速塊化模塊化作業部件，還能夠快速安全的與其它模塊轉接，例如模塊化單旋翼飛行系統，從而達到機器人利用的效率最大化。圖3為基于前述實施例的機器人系統結構所采用的越障方法流程圖。如圖3所示， 該方法包括S301、實時監測電力線路的障礙，根據所述電力線路的障礙情況對所述機器人的工作狀態進行控制；具體地，S301包括由所述機器人自身的自主作業控制系統根據線路模型和傳感器反饋信息，控制所述機器人系統的工作狀態；或者由遠端地面控制系統根據傳感器反饋的信息，向所述自主作業控制系統發送遙操作指令，并由所述自主作業控制系統根據所述遙操作指令對所述機器人系統的工作狀態進行控制。S302、當所述機器人在電力線路上遇到小型障礙時，控制所述機器人的抱爪處于抱緊狀態，通過所述機器人的棘式輪跨越該小型障礙；S303、當所述機器人在電力線路上遇到大型障礙時，控制所述機器人的抱爪處于張開狀態，等待所述機器人從電力線路上被卸下。該方法還包括當所述機器人處于初始作業的上線過程以及脫離作業的下線過程時，控制所述抱爪處于張開狀態。該方法還包括將傳感器采集的視頻信息無線傳輸給遠端地面控制系統，以及將所述遠端地面控制系統的控制命令無線傳輸給所述自主作業控制系統。本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統的有益效果包括
1、改變以往相同功能機器人或者不能越障或者能越障但是體形龐大、重量較重的缺點，革新以往機器人所有障礙均嘗試越過的方法，在越障性方面選擇越過占大多數的小型障礙，而放棄耐張塔等大型障礙，取得越障性和重量之間的平衡，從而使機器人的實用性大大提高；2、該機器人的行走輪具有類似坦克履帶的棘式輪結構，不同于以往任何機器人的輪胎結構，既能夠增加摩擦力，又能不改變構型即可有效而簡便的越過小型障礙，從而使機器人的適應性大大增強。3、該機器人的整體設計采用模塊化方法，主結構中的棘式輪、抱爪、電源模塊、控制組件等均為模塊化組件，該設計方法使機器人的維修、養護、升級以及換裝不同的作業模塊都極為簡便。4、該機器人系統中的某些組件可用于其他設備，或者在該機器人中加入其他模塊化設備，例如加裝模塊化單旋翼飛行系統，機器人即升級為單旋翼飛行、線路兩用機器人， 從而達到機器人利用的效益最大化。綜上所述可知，本發明實施例的電力線路綜合維護輕便型機器人系統，為輸電線路的日常巡檢和緊急處理提供了一個良好的平臺。該機器人平臺可安裝不同的功能模塊以實現不同的功能既可以用于日常的線路維護(如線路巡檢、異物清除等)，也可安裝除冰模塊用于輸電線路的覆冰清除工作，還能用于輸電線路架線工程施工質量檢查驗收等等。該機器人系統能夠及時發現輸電線路的各種諸多原因引發的潛在危害如如舞動引起的金具損壞、導線斷股、斷線、金具松動、導線覆冰等，以往的檢測方法用望遠鏡檢測， 效率低且人為因素有很多，輕便型綜合維護機器人能夠避免舞動、覆冰、導線斷股、等造成的重大的經濟損失和社會影響，保障智能電網安全穩定的運行。該輕便型小型綜合維護機器人系統的科研縱深和產業化推廣，必將為電力線路的自動巡檢、維護和緊急處理，為電力用智能技術的發展，為保障更加穩定、安全、綠色的能源供應，進而為推動社會經濟發展、科技創新貢獻力量。以上實施例僅用以說明本發明實施例的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明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征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例各實施例技術方案的精神和范圍。
權利要求
1.一種電力線路綜合維護輕便型機器人系統，其特征在于，所述機器人系統包括行走組件和控制組件；所述行走組件包括棘式輪和抱爪；所述棘式輪，用于在電力線路上行走；所述抱爪，用于接收控制組件的控制，在抱緊與張開狀態之間進行切換；所述控制組件，用于當所述機器人在電力線路上遇到小型障礙時，控制所述抱爪處于抱緊狀態，通過所述棘式輪跨越該小型障礙；當所述機器人在電力線路上遇到大型障礙時， 控制所述抱爪處于張開狀態，等待所述機器人從電力線路上被卸下。
2.根據權利要求1所述的電力線路綜合維護輕便型機器人系統，其特征在于，所述機器人系統還包括主框架，連接所述行走組件和所述控制組件。
3.根據權利要求1所述的電力線路綜合維護輕便型機器人系統，其特征在于，所述機器人系統還包括機械除冰組件，位于所述機器人的前端，在所述控制組件的控制下旋轉敲擊電力線路除冰。
4.根據權利要求1所述的電力線路綜合維護輕便型機器人系統，其特征在于，所述控制組件包括自主作業控制系統和遠端地面控制系統；所述自主作業控制系統，用于根據線路模型和傳感器反饋信息，自主控制所述器人系統的工作狀態；所述遠端地面控制系統，用于根據傳感器反饋的信息，向所述自主作業控制系統發送遙操作指令，由所述自主作業控制系統根據所述遙操作指令對所述機器人系統的工作狀態進行控制。
5.根據權利要求4所述的電力線路綜合維護輕便型機器人系統，其特征在于，所述機器人系統還包括無線數據通信系統，用于將所述傳感器采集的視頻信息無線傳輸給所述遠端地面控制系統，以及將所述遠端地面控制系統的控制命令無線傳輸給所述自主作業控制系統。
6.根據權利要求1所述的電力線路綜合維護輕便型機器人系統，其特征在于，所述控制組件，還用于當所述機器人處于初始作業的上線過程以及脫離作業的下線過程時，控制所述抱爪處于張開狀態。
7.一種電力線路綜合維護輕便型機器人系統的越障方法，其特征在于，所述方法包括實時監測電力線路的障礙，根據所述電力線路的障礙情況對所述機器人的工作狀態進行控制；當所述機器人在電力線路上遇到小型障礙時，控制所述機器人的抱爪處于抱緊狀態， 通過所述機器人的棘式輪跨越該小型障礙；當所述機器人在電力線路上遇到大型障礙時，控制所述機器人的抱爪處于張開狀態， 等待所述機器人從電力線路上被卸下。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，實時監測電力線路的障礙，根據所述電力線路的障礙情況對所述機器人的工作狀態進行控制包括由所述機器人自身的自主作業控制系統根據線路模型和傳感器反饋信息，控制所述機器人系統的工作狀態；或者由遠端地面控制系統根據傳感器反饋的信息，向所述自主作業控制系統發送遙操作指令，并由所述自主作業控制系統根據所述遙操作指令對所述機器人系統的工作狀態進行控制。
9.根據權利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法還包括將傳感器采集的視頻信息無線傳輸給遠端地面控制系統，以及將所述遠端地面控制系統的控制命令無線傳輸給所述自主作業控制系統。
10.根據權利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法還包括當所述機器人處于初始作業的上線過程以及脫離作業的下線過程時，控制所述抱爪處于張開狀態。
全文摘要
一種電力線路綜合維護輕便型機器人系統及其越障方法，所述機器人系統包括行走組件和控制組件；所述行走組件包括棘式輪和抱爪；所述棘式輪，用于在電力線路上行走；所述抱爪，用于接收控制組件的控制，在抱緊與張開狀態之間進行切換；所述控制組件，用于當所述機器人在電力線路上遇到小型障礙時，控制所述抱爪處于抱緊狀態，通過所述棘式輪跨越該小型障礙；當所述機器人在電力線路上遇到大型障礙時，控制所述抱爪處于張開狀態，等待所述機器人從電力線路上被卸下。該機器人系統在越障性方面選擇越過占大多數的小型障礙，而放棄耐張塔等大型障礙，取得越障性和重量之間的平衡，從而使機器人的實用性大大提高。
文檔編號H02G7/16GK102412526SQ20111036533
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月17日 優先權日2011年11月17日
發明者曹向勇, 李紅旗, 王啟源, 王睿, 解玉文, 鄧占云, 郭志廣 申請人:北京國網富達科技發展有限責任公司