一种爬杆机器人及其轨迹纠偏方法与流程

本发明主要涉及到电力系统输电线路作业自动化领域的爬杆机器人及其控制方法，具体涉及一种爬杆机器人及其轨迹纠偏方法。

背景技术：

随着城市电网改造工作的开展，越来越多的输电线路需要进行人工巡检和作业。理论上，输电线路受到的外界因素影响较小，安全运行可靠性较高。但是在现实情况中，输电线路在运行一段时间后会有泥土、鸟粪等污垢的附着，酸雨等其他物质也会腐蚀输电导线。这些问题最终都会导致输电线路故障率的上升，导致停电事故的频发。国内输电线路的故障监测任务多由人工完成，工作人员通过攀爬杆柱观测输电线路是否存在绝缘子积污、温度异常、污垢附着、导线断股等故障。这种工作方式的工作效率低下，工作人员的人身安全系数也比较低，无法精确完成对输电线路的监测工作，漏检误检经常发生。因此为了保证输电线路巡检工作人员的安全，提到输电线路故障诊断工作的准确性，由机器人代替工作人员攀爬电线杆柱并完成相关作业监测任务显得越来越重要。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种攀爬灵活、可适用不同杆径、可自主轨迹纠偏、可自主绕杆旋转攀爬、可远程操控、运行时间长并且能够完成对输电线路作业任务的爬杆机器人，并且进一步提供了一种能够防止爬杆机器人轨迹偏移、确保轨迹稳定可靠、简单易行、快捷可靠的应用于该爬杆机器人的轨迹纠偏方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一方面，本发明提供一种爬杆机器人，包括作业平台和设于作业平台下侧的纵向导轨，所述作业平台上设有摄像机，所述纵向导轨上设有上、下两个抱杆单元，且两个抱杆单元之间设有电动推杆，每一个抱杆单元包括左、右两个夹爪，所述夹爪上设有纠偏装置，所述纠偏装置包括纠偏电机和纠偏丝杆，所述纠偏电机固定布置于抱杆单元上且输出端与纠偏丝杆相连，所述夹爪滑动布置于抱杆单元的前端，且所述纠偏丝杆和夹爪之间螺纹连接。

优选地，所述抱杆单元包括底板、滚轮和两个抱杆臂，所述底板套设在纵向导轨上，所述底板上设有手臂驱动电机和两个直线导轨，所述滚轮设于底板的前端，两个抱杆臂中部通过转轴铰接固定于底板上，所述两个抱杆臂一端设有夹爪、另一端分别和直线导轨中的水平滑块相连，两个直线导轨的水平滑块分别通过一连杆与同一个丝杆滑台相连，所述手臂驱动电机的前端连接有手臂驱动丝杆，所述手臂驱动丝杆与丝杆滑台之间螺纹连接。

优选地，所述夹爪的夹持面为弧形面。

另一方面，本发明还提供一种前述爬杆机器人的轨迹纠偏方法，步骤包括：

1）在爬杆机器人沿着电线杆爬杆过程中，通过爬杆机器人的摄像机采集电线杆上侧的绝缘子图像，获取电线杆上最外侧两条线路的绝缘子a和绝缘子b的坐标，计算绝缘子a和绝缘子b之间的中心点c的坐标值，根据当前的中心点c的坐标值和预设的攀爬基准中心点坐标计算出爬杆机器人当前的实际偏差角；

2）检测爬杆机器人的工作模式，如果爬杆机器人的工作模式为纠偏模式，则跳转执行步骤3）；如果爬杆机器人的工作模式为绕杆旋转模式，则跳转执行步骤4）；

3）将实际偏差角作为控制量θ，跳转执行步骤5）；

4）将实际偏差角和预设的绕杆旋转偏移角取差值作为控制量θ，跳转执行步骤5）；

5）根据预设的进给量s与偏差角θ之间的映射关系模型获取控制量θ对应的进给量s；

6）根据偏差角θ确定的爬杆机器人的纠偏调整侧，如果纠偏调整侧为左侧，则控制指定抱杆单元左侧夹爪的纠偏装置，使得纠偏丝杆偏移进给量s；如果纠偏调整侧为右侧，则控制指定抱杆单元右侧夹爪的纠偏装置，使得纠偏丝杆偏移进给量s。

优选地，步骤5）中预设的进给量s与偏差角θ之间的映射关系模型具体是指神经网络模型，且所述神经网络模型预先完成进给量s与对应的偏差角θ样本数据的训练。

本发明的爬杆机器人具有下述优点：

1、本发明的爬杆机器人由机器人本体（纵向导轨以及上、下两个抱杆单元构成）、纠偏装置、作业平台三部分构成。本实施例的爬杆机器人可以在杆径变化的电线杆上攀爬，在攀爬过程中纠偏装置在控制系统的控制下可完成对机器人攀爬轨迹的纠偏控制，同时纠偏装置也可以实现爬杆机器人的绕杆旋转运动。

2、本发明的爬杆机器人的作业平台可以安装相关的作业机械臂等输电线路作业末端，当机器人攀爬到电线杆指定作业位置后其作业平台携带的作业末端将继续完成输电线路的在线监测、绝缘子清洗等作业任务。

3、本发明的爬杆机器人可应用于输电线路自动化作业领域，可以代替工作人员攀爬输电线路电线杆并完成相关监测作业任务，有效的减少了电网检修人员的工作强度，显著地提高了输电线路作业水平，并保证了输电线路安全运行的稳定性，具有较高的推广应用价值。

本发明的爬杆机器人的轨迹纠偏方法具有下述优点：本发明的爬杆机器人的轨迹纠偏方法通过获取出爬杆机器人当前的实际偏差角，然后基于不同的工作模式获取不同的控制量θ，根据预设的进给量s与偏差角θ之间的映射关系模型获取控制量θ对应的进给量s，根据偏差角θ确定的爬杆机器人的纠偏调整侧，如果纠偏调整侧为左侧，则控制指定抱杆单元左侧夹爪的纠偏装置，使得纠偏丝杆偏移进给量s；如果纠偏调整侧为右侧，则控制指定抱杆单元右侧夹爪的纠偏装置，使得纠偏丝杆偏移进给量s，从而能够实现爬杆机器人在攀爬和绕杆旋转过程中的轨迹纠偏，确保爬杆机器人在攀爬和绕杆旋转过程中轨迹固定，确保爬杆机器人可以代替工作人员攀爬输电线路电线杆并完成相关监测作业任务，有效的减少了电网检修人员的工作强度，显著地提高了输电线路作业水平，并保证了输电线路安全运行的稳定性，具有较高的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例的爬杆机器人主视结构示意图。

图2为本发明实施例的抱杆单元的抱杆剖视结构示意图。

图3为本发明实施例的抱杆单元的工作原理示意图。

图4为本发明实施例的抱杆单元的工作流程示意图。

图5为本发明实施例的攀爬基准线示意图。

图6为本发明实施例的实际偏差角θ示意图。

图例说明：1、作业平台；11、纵向导轨；12、摄像机；2、抱杆单元；20、夹爪；21、底板；211、手臂驱动电机；212、直线导轨；213、水平滑块；214、连杆；215、丝杆滑台；216、手臂驱动丝杆；22、滚轮；23、抱杆臂；231、转轴；3、电动推杆；4、纠偏装置；41、纠偏电机；42、纠偏丝杆。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本实施例的爬杆机器人包括作业平台1和设于作业平台1下侧的纵向导轨11，作业平台1上设有摄像机12，纵向导轨11上设有上、下两个抱杆单元2，且两个抱杆单元2之间设有电动推杆3，每一个抱杆单元2包括左、右两个夹爪20，夹爪20上设有纠偏装置4，纠偏装置4包括纠偏电机41和纠偏丝杆42，纠偏电机41固定布置于抱杆单元2上且输出端与纠偏丝杆42相连，夹爪20滑动布置于抱杆单元2的前端，且纠偏丝杆42和夹爪20之间螺纹连接。本实施例中，每一个抱杆单元2包括左、右两个夹爪20，夹爪20上设有纠偏装置4，爬杆机器人在攀爬杆柱过程时，其纠偏装置4可以从两个方向进行控制，更精确的调整爬杆机器人的攀爬方向。

作业平台1可以安装输电线路相关作业末端，例如视频监控云台和绝缘子清扫机械臂，这些作业末端可在爬杆机器人到达指定位置后开始工作，进一步丰富了爬杆机器人的功能。

如图1、图2和图3所示，抱杆单元2包括底板21、滚轮22和两个抱杆臂23，底板21套设在纵向导轨11上，底板21上设有手臂驱动电机211和两个直线导轨212，滚轮22设于底板21的前端，两个抱杆臂23中部通过转轴231铰接固定于底板21上（呈x型且左右对称，可以绕作为固定点的转轴231旋转），两个抱杆臂23一端设有夹爪20、另一端分别和直线导轨212中的水平滑块213相连，两个直线导轨212的水平滑块213分别通过一连杆214与同一个丝杆滑台215相连，手臂驱动电机211的前端连接有手臂驱动丝杆216，手臂驱动丝杆216与丝杆滑台215之间螺纹连接，通过上述结构，能够实现对不同杆径的电线杆的攀爬。本实施例中，夹爪20的夹持面为弧形面，适用于电线杆的圆柱形结构，夹持稳定可靠。抱杆臂23的运动采用直线导轨212和水平滑块213相组合的结构进行控制，这种结构的直线运动比较平稳，机械效率较高，可以降低机器人的故障率。

本实施例的爬杆机器人适用于杆径变化的城市输电线路电线杆，该爬杆机器人可以沿电线杆向上攀爬和向下攀爬，在爬行过程中也可以绕杆旋转攀爬，当机器人攀爬到电线杆顶端时，其顶部作业平台携带的作业末端可以完成对输电线路相关的作业任务。本实施例抱杆单元2的工作过程如下：向上攀爬时，首先上侧的抱杆单元2的手臂驱动电机211转动，通过手臂驱动丝杆216驱动丝杆滑台215推动连杆214向电线杆方向运动。由于几何关系的变化，水平滑块213在直线导轨212上向左右两侧运动。此时由连杆原理可知，上侧的抱杆单元2的两个抱杆臂23将张开。当爬杆机器人控制系统检测到上侧的抱杆单元2的两个抱杆臂23张开后，电动推杆3将向上伸出并带动下侧的抱杆单元2向上运动。当爬杆机器人控制系统检测到电动推杆3完全伸出后，上侧的抱杆单元2的手臂驱动电机211将反向转动，直到上侧的抱杆单元2的两个抱杆臂23完全抱紧电线杆后停止转动。当爬杆机器人控制系统检测到上侧的抱杆单元2的两个抱杆臂23完全抱紧电线杆时，下侧的抱杆单元2的手臂驱动电机211将开始转动并带动下侧的抱杆单元2的两个抱杆臂23松开电线杆。当机器人控制系统检测到下侧的抱杆单元2的两个抱杆臂23松开电线杆时，电动推杆3开始收缩并带动下侧的抱杆单元2向上运动。电动推杆3完全收缩后，下侧的抱杆单元2的两个抱杆臂23将在下侧的抱杆单元2的手臂驱动电机211的带动下再次抱紧电线杆。至此，机器人已完成一次攀爬运动。爬杆机器人可以通过不断重复上述攀爬运动，完成在电线杆上的攀爬运动。当所述爬杆机器人在电线杆上爬行时，会出现由于左右两个抱杆臂23与电线杆表面相接触产生的摩擦力大小不相等的现象，这将导致机器人偏离预定攀爬轨迹。本实施例中通过改变爬杆机器人左右抱杆臂23摩擦力的大小来解决上述问题。爬杆机器人的两个抱杆臂23与电线杆分别于左侧和右侧相接触，当左右两侧摩擦力大小不同时，摩擦力对爬杆机器人产生的力矩也不相同。因此本实施例中设计了爬杆机器人的纠偏装置4。爬杆机器人通过调整抱杆臂23两侧夹爪20处的纠偏丝杆42的进给量来控制爬杆机器人的偏移方向和偏移角度。

如图4所示，本实施例的爬杆机器人的工作过程如下：

第一步，启动爬杆机器人：选择城市输电线路的目标电线杆，由操作人员将本实施例的爬杆机器人放置在所选电线杆旁并启动爬杆机器人。

第二步，上、下两个抱杆单元2抱紧电线杆：上、下两个抱杆单元2的手臂驱动电机211开始转动，并分别带动上、下两个抱杆单元2的两个抱杆臂23张开。当上、下两个抱杆单元2的两个抱杆臂23完全环绕电线杆后，上、下两个抱杆单元2的手臂驱动电机211再次转动并带动抱杆臂23抱紧电线杆，准备工作就绪，爬杆机器人开始向上攀爬。

第三步，采用指定的工作模式向上攀爬，且在向上攀爬中采用本实施例爬杆机器人的轨迹纠偏方法以确保轨迹稳定。如图4所示，爬杆机器人的轨迹纠偏方法的步骤包括：

1）在爬杆机器人沿着电线杆爬杆过程中，通过爬杆机器人的摄像机12采集电线杆上侧的绝缘子图像，获取电线杆上最外侧两条线路的绝缘子a和绝缘子b的坐标，计算绝缘子a和绝缘子b之间的中心点c的坐标值，根据当前的中心点c的坐标值和预设的攀爬基准中心点坐标计算出爬杆机器人当前的实际偏差角；

2）检测爬杆机器人的工作模式，如果爬杆机器人的工作模式为纠偏模式，则跳转执行步骤3）；如果爬杆机器人的工作模式为绕杆旋转模式，则跳转执行步骤4）；

3）将实际偏差角作为控制量θ，跳转执行步骤5）；

4）将实际偏差角和预设的绕杆旋转偏移角取差值作为控制量θ，跳转执行步骤5）；

5）根据预设的进给量s与偏差角θ之间的映射关系模型获取控制量θ对应的进给量s；

6）根据偏差角θ（正负特性）确定的爬杆机器人的纠偏调整侧，如果纠偏调整侧为左侧，则控制指定抱杆单元2左侧夹爪20的纠偏装置4，使得纠偏丝杆42偏移进给量s；如果纠偏调整侧为右侧，则控制指定抱杆单元2右侧夹爪20的纠偏装置4，使得纠偏丝杆42偏移进给量s。纠偏丝杆42偏移进给量s，即可调整对应纠偏调整侧的摩擦力，例如当右侧的纠偏电机41顺时针旋转时，右侧夹爪20的纠偏丝杆42转动将带动右侧的夹爪20抱紧面向杆柱靠近，此时抱杆臂23右侧与杆柱的接触面的距离将小于抱杆臂23左侧距杆柱的距离，据此右侧抱杆臂23产生的正压力将小于左侧抱杆臂23产生的正压力，导致左侧抱杆臂23摩擦力大于右侧抱杆臂23摩擦力。当抱杆臂23左右摩擦力大小不同时，爬杆机器人所受的左右力矩也不再相同，故可以发生相对于电线柱的旋转，完成自身的纠偏控制。

本实施例中，步骤5）中预设的进给量s与偏差角θ之间的映射关系模型具体是指神经网络模型，且神经网络模型预先完成进给量s与对应的偏差角θ样本数据的训练。

本实施例中，爬杆机器人的作业平台1上设有摄像机12（高清摄像机），该高清摄像机可以采集电杆顶端绝缘子图像；预先通过摄像机12采集电线杆上侧的图像，选择电线杆上最外侧两条线路的绝缘子a和绝缘子b作为目标参考点，计算出绝缘子a和绝缘子b的坐标值以及中心点c的坐标值作为攀爬基准中心点，采用hough直线检测方法对采集图像中的杆柱进行边缘提取，通过直线拟合方法计算出过中心点c的攀爬基准线，如图5所示；在爬杆过程中，通过摄像机12采集电线杆上侧的图像，针对采集图像计算出绝缘子a和绝缘子b的坐标值以及中心点c的坐标值，根据当前的中心点c的坐标值、攀爬基准中心点的坐标值计算出自身位置和攀爬基准线之间的实际偏差角θ０，如图6所示。

第四步，在爬杆爬杆机器人抵达电线杆上指定位置后，由爬杆机器人的作业平台1上安装的作业装置完成相关作业（在线监测、绝缘子清洗等）。

第五步，爬杆机器人沿着电线杆往下爬，最后由工作人员回收。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。