一种基于无人机系统的带电作业锁紧销安装机器人的制作方法

1.本发明属于电力线路运行检修技术领域，涉及处理导线金具上锁紧销缺失类危急缺陷的的安全工具，特别涉及一种基于无人机系统的带电作业锁紧销安装机器人。


背景技术：

2.按照《国家电网公司电网设备缺陷管理规定》要求，危急缺陷消除时间不应超过24小时，或临时采取确保线路安全的技术措施进行处理，随后消除。在危急缺陷的类别中，开口销缺失是最为常见的危急缺陷，若金具连接部位开口销缺失，极易引起螺帽脱落，导致掉线事故的发生，目前运检分公司根据全部缺陷具体分析后，一般缺陷和严重缺陷均可不停电处理，锁紧销缺失类的危急缺陷目前有三种处理方式，一是申请临时停电进行停电紧急作业处理，二是计划性停电处理，三是进行带电作业处理。据统计，每年计划性停电数量应根据公司承载力及电网运行方式确定，在承载力一定的条件下，无法满足每一年全部线路均进行一次停电消缺，导致每年均会遗留部分危急缺陷，危及线路安全稳定运行，临时停电情况：申请临时停电需要根据电网负荷情况，用户供电可靠性需求等多方面因素，目前电力行业禁止进行临时停电作业。计划性停电和临时停电均会导致电网负荷损失，造成不可估量的经济损失。目前运检分公司暂无带电作业资质，不具备带电作业的能力，且带电作业无法实现人员远离带电体，作业风险极大，且停电和带电作业均面临人员高处坠落、触电、人为差错风险，目前电力行业中带电作业条件极为苛刻。
3.故根据目前所面临的技术空白，结合无人机系统研制基于无人机系统的带电作业锁紧销安装机器人及作业方法具有重大意义。该方案可不停电情况下解决此类型的危急缺陷，完全避免人员的安全风险，能够按照规范要求合理的消除缺陷，保证线路安全稳定运行。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于无人机系统的带电作业锁紧销安装机器人，本发明使得架空输电线路处缺作业由人员登高作业转变为无人机高空带电检修作业，不仅提高运检工作的智能化，更提高缺陷处理的及时性，同时从根本上解决了高空作业人员人身安全的问题；能够实现对输电线路作业智能化及机械化，安全保障更加贴合实际工作，可以解决处缺作业中工作时效的矛盾，人员取证的矛盾，人员安全的矛盾，具有行业推广性。
5.本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
6.一种基于无人机系统的带电作业锁紧销安装机器人，其特征在于：包括多自由度检修装置、稳定装置及履带式行走装置，所述多自由度检修装置、稳定装置及履带式行走装置通过横向定位杆连接为一个整体，然后通过稳定装置中的底座及底座连接抱箍与无人机连接。
7.而且，所述多自由度检修装置包括主旋转轴、机械爪、机械爪推进机构、双自由度
对准机构、销钉微调对准机构、打火机构及机械臂所述主旋转轴顶端安装所述机械臂，所述主旋转轴上套装所述双自由度对准机构及销钉微调对准机构，所述销钉微调对准机构的一端设置有所述打火机构，所述销钉微调对准机构的另一端设置有机械爪推进机构，所述机械爪推进机构上固定安装所述机械爪，所述机械爪用于夹持销钉。
8.而且，所述稳定装置包括底座、环抱式起落机构及平台定位板，所述底座固定安装于无人机下端，所述底座中间连接所述环抱式起落机构，所述环抱式起落机构两侧设置有所述平台定位板。
9.而且，所述履带式行走装置包括包括两条平行设置的支架，所述支架的前后两端分别安装有前轮及后轮，所述支架的侧壁上安装有同步轮驱动电机，所述同步轮驱动电机端部安装驱动同步轮，所述支架的中部顶端对应所述驱动同步轮上方安装有包覆轮，所述驱动同步轮、包覆轮、后轮及前轮上套装有同步履带。
10.而且，所述销钉微调对准机构包括微调对准盘、微调转轴及伺服电机，所述微调对准盘套装于所述主旋转轴上，所述微调对准盘的一侧设置有微调转轴及伺服电机，所述伺服电机与微调转轴通过微调齿轮连接，所述微调转轴的下端连接至所述推进导轨座。
11.而且，所述双自由度对准机构包括上下对准电机、丝杆、轴向固定齿轮及旋转对准电机，所述上下对准电机安装于所述机械臂上，所述上下对准电机与所述微调对准盘通过丝杆连接，所述轴向固定齿轮套装于所述主旋转轴下端，所述旋转对准电机安装于所述微调对准盘上，所述旋转对准电机与所述轴向固定齿轮啮合安装。
12.而且，所述机械臂包括平行设置的两条轨道、移动小车及l臂旋转单元，所述移动小车通过移动小车驱动电机及定位轮卡装在所述两条轨道上内，所述移动小车内设置有同步带，所述驱动电机驱动同步带使移动小车沿轨道运动，所述l臂旋转单元与所述移动小车一体组装，所述l臂旋转单元包括l臂、l臂转盘电机、l臂旋转轴、l臂旋转电机及l臂转盘，l臂转盘电机驱动l臂转盘使得l臂沿自身自转，l臂旋转电机驱动l臂旋转轴使得l臂沿垂直方向转动。
13.而且，所述环抱式起落机构包括旋转齿轮驱动电机、旋转齿轮、正反丝丝杆、旋转轴及半圆臂，所述驱动电机安装于横向定位杆上，所述驱动电机与所述正反丝丝杆通过旋转齿轮连接，所述正反丝丝杆的两端分别安装有左旋螺母及右旋螺母，所述左旋螺母及右旋螺母端部通过l型连接臂连接至旋转轴，所述旋转轴上连接有所述半圆臂，所述半圆臂为向外弯曲的半圆臂。
14.本发明的优点和有益效果为：
15.1、本发明基于无人机系统的带电作业锁紧销安装机器人，通过稳定装置实现将无人机系统固定在绝缘子串上，通过履带式行走装置实现无人机降落后的移动和降落位置的调整，通过多自由度检修机械臂装置实现锁紧销缺失类危急缺陷的带电作业处理。
16.2、本发明基于无人机系统的带电作业锁紧销安装机器人，通过无人机系统控制降落并锁止在绝缘子串前端，在线路不停电情况下通过操控机载机械臂直接处理锁紧销缺失类危急缺陷，代替传统人工高处作业处理的方式，可直接避免人员高空作业所面临的高处坠落和触电以及人为差错风险，直接避免了人身事故的发生，同时可及时消除输电线路中的危急缺陷，降低电网运行的安全风险。
17.3、本发明基于无人机系统的带电作业锁紧销安装机器人，可及时消除输电线路中
的危急缺陷，降低电网运行的安全风险，提高危急缺陷处理的时效性，保证了电网安全稳定运行，深化无人机在检修作业中的智能化应用，实用性及可推广性极强。
附图说明
18.图1为本发明的主视图；
19.图2为本发明的结构示意图；
20.图3为本发明多自由度检修装置的结构示意图(机械臂未示出)；
21.图4为本发明机械爪的结构示意图；
22.图5为本发明机械爪推进机构的结构示意图；
23.图6为本发明多自由度检修装置的另一结构示意图(机械臂未示出)；
24.图7为本发明主旋转轴的结构示意图；
25.图8为本发明打火机构的结构示意图；
26.图9为本发明机械臂的结构示意图；
27.图10为本发明机械臂的局部结构示意图；
28.图11为本发明半圆臂与绝缘子串的抱紧结构示意图；
29.图12为本发明环抱式起落机构的局部结构示意图；
30.图13为本发明环抱式起落机构的另一局部结构示意图；
31.图14为本发明三片式半圆臂的结构示意图；
32.图15为本发明半圆臂的抱紧状态示意图；
33.图16为本发明平台定位板的结构示意图；
34.图17为本发明履带式行走装置的结构示意图；
35.图18为本发明履带式行走装置与无人机的连接结构示意图；
36.图19为本发明履带式行走装置与无人机的另一连接结构示意图。
37.附图标记说明
[0038]1‑
打火机构、2
‑
旋转对准电机、3
‑
二连杆、4
‑
主旋转轴、5
‑
上下对准电机、6
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机械臂、7
‑
销钉微调对准机构、8
‑
机械爪推进机构、9
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机械爪、10
‑
销钉、11
‑
螺栓、12
‑
推进导轨座、13
‑
推进电机、14
‑
推进丝杆、15
‑
伺服电机、16
‑
微调转轴、17
‑
丝杆、18
‑
轴向固定齿轮、19
‑
微调对准盘、20
‑
电磁芯轴、21
‑
中空主轴、22
‑
点火曲臂、23
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点火舵机、24
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轨道、25
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同步带、26
‑
移动小车、27
‑
主转盘、28
‑
转盘电机、29
‑
l臂、30
‑
移动小车驱动电机、31
‑
定位轮、32
‑
l臂转盘电机、33
‑
l臂旋转轴、34
‑
l臂旋转电机、35
‑
l臂转盘、36
‑
左绝缘子、37
‑
半圆臂、38
‑
右绝缘子、39
‑
横向定位杆、40
‑
旋转轴、41
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底座、42
‑
l型连接臂、43
‑
正反丝丝杆、44
‑
左旋螺母、45
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旋转齿轮、46
‑
右旋螺母、47
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平台定位板、48
‑
支撑杆、49
‑
旋转齿轮驱动电机、50
‑
连接加强筋、51
‑
防滑硅胶垫、52
‑
前轮、53
‑
导向档杆、54
‑
同步履带、55
‑
驱动同步轮、56
‑
包覆轮、57
‑
压紧轮、58
‑
压紧螺栓、59
‑
后轮、60
‑
固定块、61
‑
同步轮驱动电机、62
‑
加强支架、63
‑
支架、64
‑
导向架、65
‑
无人机。
具体实施方式
[0039]
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0040]
一种基于无人机系统的带电作业锁紧销安装机器人，其特征在于：包括多自由度检修装置、稳定装置及履带式行走装置，所述多自由度检修装置、稳定装置及履带式行走装置通过横向定位杆39连接为一个整体，然后通过稳定装置中的底座41及底座连接抱箍与无人机65连接。
[0041]
本发明通过稳定装置实现将无人机系统固定在绝缘子串上，通过履带式行走装置实现无人机65降落后的移动和降落位置的调整，通过多自由度检修机械臂装置实现锁紧销缺失类危急缺陷的带电作业处理。
[0042]
多自由度检修装置包括主旋转轴4、机械爪9、机械爪推进机构8、双自由度对准机构、销钉10微调对准机构7、打火机构1及机械臂6，所述主旋转轴4顶端安装所述机械臂6，所述主旋转轴4上套装所述双自由度对准机构及销钉10微调对准机构7，所述销钉10微调对准机构7的一端设置有所述打火机构1，所述销钉10微调对准机构7的另一端设置有机械爪推进机构8，所述机械爪推进机构8上固定安装所述机械爪9，所述机械爪9用于夹持销钉10。
[0043]
机械爪推进机构8包括推进电机13、推进导轨座12及推进丝杆14，推进电机13与机械爪9通过推进导轨座12连接，推进电机13采用n20微型电机，推进电机13与机械爪9之间通过推进丝杆14传动，整体重量轻，推进电机13与机械爪9之间通过推进丝杆14传动，提高推进力，用以推动夹持销钉10的机械爪9向螺栓11内销钉孔推进，达到穿入销钉10的目的。
[0044]
销钉10微调对准机构7包括微调对准盘19、微调转轴16及伺服电机15，微调对准盘19套装于主旋转轴4上，微调对准盘19的一侧设置有微调转轴16及伺服电机15，伺服电机15与微调转轴16通过微调齿轮连接，微调转轴16的下端连接至推进导轨座12，通过伺服电机15控制机械爪9进行旋转微调，使销钉10微调后顺利进入螺栓11销钉孔，机械臂6与微调对准盘19之间设置有二连杆3，增强运动稳定性。
[0045]
双自由度对准机构包括上下对准电机5、丝杆17、轴向固定齿轮18及旋转对准电机2，上下对准电机5安装于机械臂6上，上下对准电机5与微调对准盘19通过丝杆17连接，轴向固定齿轮18套装于主旋转轴4下端，旋转对准电机2安装于微调对准盘19上，旋转对准电机2与轴向固定齿轮18啮合安装，当主旋转轴4与目标销钉10对齐后，通过控旋转对准电机2沿轴向固定齿轮18的转动，使机械爪9旋转寻找销钉孔水平方向的位置，然后控制上下对准电机5转动沿主旋转轴4垂直方转动，使机械爪9旋转寻找销钉孔垂直方向的位置，通过两自由度配合确保销钉10准确穿入螺栓11内，保证销钉10的准确钉入。
[0046]
打火机构1包括点火舵机23及点火曲臂22，点火曲臂22下方通过固定盒装有防风火机，通过点火舵机23控制点火曲臂22提供压力使防风火机点火，由于销钉10本身为单侧开口，带有张力无法直接插入销钉孔，需要使用细棉线将销钉10捆扎，使其前端闭合，才能使用机械爪9，将销钉10插入销钉孔内，待插入销钉孔后，使用打火机构1点火，将销钉10捆扎棉线烧断，销钉10通过自身张力自动弹开。
[0047]
机械臂6包括平行设置的两条轨道24、移动小车26及l臂旋转单元，移动小车26通过移动小车驱动电机30及定位轮31卡装在两条轨道24上内，移动小车26内设置有同步带25，移动小车驱动电机30驱动同步带25使移动小车26沿轨道24运动，l臂旋转单元与所述移动小车26一体组装，l臂旋转单元包括l臂29、l臂转盘电机32、l臂旋转轴33、l臂旋转电机34及l臂转盘35，l臂转盘电机32驱动l臂转盘35使得l臂沿自身自转，l臂旋转电机34驱动l臂旋转轴33使得l臂沿垂直方向转动，轨道24上通过四点定位抱箍固定安装有主转盘27，所述
主转盘27的端部安装于无人机65下方的卡座上，主转盘27有转盘电机28驱动，机械臂6上的l臂29端部与械爪、机械爪推进机构8、双自由度对准机构、销钉10微调对准机构7及打火机构1连接，与无人机65形成一个整体，通过移动小车26沿轨道24移动带动l臂29下方的任务部移动，使得任务部从无人机65端向杆塔金具螺栓11端移动，通过l臂转盘电机32驱动l臂转盘35控制l臂29沿自身自传，通过l臂旋转电机34驱动l臂旋转轴33控制l臂29沿垂直方向转动，通过二者的联合作用，使得l臂29端部的机械爪9能够到达螺栓11位置，保证销钉10准确进入销钉孔内，l臂旋转电机34选用扭矩大于30kg*cm的蜗杆大扭矩减速电机。
[0048]
主旋转轴4包括中空主轴21及同轴套装于中空主轴21内的电磁芯轴20，中空主轴21采用碳纤维材料，用以降低整体重量，同时由于机械臂6臂展较大，销钉10通过机械臂6对准销钉孔难度技术难度极大，通过使用旋转轴40末端再次磁吸固定的方式，实现机械臂6两端固定，保证机械臂6的稳定性。
[0049]
稳定装置通过底座41安装于需要作业的无人机65下端，底座41上连接的环抱式起落机构用于支撑无人机65，起到传统起落架的功能，通过操控无人机65飞行至绝缘子串上方，并使得环抱式起落机构收缩归中，利用无人机65gps及视觉定位系统辅助无人机65降落至绝缘子串表面，使平台定位板47承托于绝缘子串上方，同时将已经收缩归中的环抱式起落机构伸入至两串绝缘子串中间的空隙中并将绝缘子串抱紧。
[0050]
底座41由四根向内倾斜的支撑杆48组成，所述支撑杆48的一端固定于无人机65下端，另一端通过横向定位杆39与环抱式起落机构的旋转轴40连接，支撑杆48采用耐压环氧树脂材质制成，能够起到稳定支撑作用，同时保证无人机65与带电部位保持良好的绝缘性，通过底座41将无人机65和环抱式起落机构连接为一个整体。
[0051]
环抱式起落机构包括旋转齿轮驱动电机49、旋转齿轮45、正反丝丝杆43、旋转轴40及半圆臂37，所述旋转齿轮驱动电机49安装于所述横向定位杆39上，所述旋转齿轮驱动电机49与所述正反丝丝杆43通过旋转齿轮45连接，所述正反丝丝杆43的两端分别安装有左旋螺母44及右旋螺母46，所述左旋螺母44及右旋螺母46端部通过l型连接臂42连接至旋转轴40，所述旋转轴40上连接有所述半圆臂37，所述半圆臂37为向外弯曲的半圆臂37，环抱式起落机构具有传统的起落机构支撑无人机65起飞和降落作用的同时，能够支撑及包覆绝缘子串后起到固定无人机65的功能，使得无人机65得到稳定。
[0052]
旋转齿轮驱动电机49驱动旋转齿轮45带动正反丝丝杆43运动，一杆二螺母实现同时相反方向运动，正反丝杆拉动左、右旋螺母46使得l型连接臂42沿旋转轴40运动，l型连接臂42拉动三片式半圆臂37开合，直至抱紧于绝缘子串的左绝缘子36及右绝缘子38，且无人机65及定位板中心在与绝缘子串中心重合，环抱式起落机构整体固定于绝缘子串上，此时稳定装置与无人机65整体固定于绝缘子串上，无人机65与稳定装置整体形成检修工作平台，此时无人机65搭载的相应检修设备可以进行与带电体接触式作业。
[0053]
l型连接臂42为平行设置的两条l型连接臂42，且两条l型连接臂42共同连接至左旋螺母44及右旋螺母46的两侧，保证正反丝丝杆43的稳定运行，使得旋转齿轮驱动电机49两侧的半圆臂37能够保持稳定的相向或背向运动，起到对绝缘子串的稳定环抱。
[0054]
半圆臂37为三片式半圆臂37，三片式半圆臂37之间间隔8～12cm，三片式半圆臂37采用耐压环氧树脂材质制成，配合以平台位板作业过程中，可以消除两行绝缘子串不平行时的误差，以适应各种工况，适用范围广泛。
[0055]
三片式半圆臂37的内侧制有防滑硅胶垫51，能够防止绝缘子串被损坏和牢固固定无人机65的作用，为无人机65在平台上稳定作业提供了基础保障。
[0056]
三片式半圆臂37的端部设置有连接加强筋50，增强三片式半圆臂37的连接强度，保证其对绝缘子串的抱紧。
[0057]
平台定位板47为镂空绝缘板，用以减轻整体重量。平台定位板47的长度为大于半圆臂37的长度，当无人机65降落于绝缘子串上时，平台定位板47接触于绝缘子串表面，平台定位板47承托无人机65整体重量，并是无人机65在绝缘子串上保持平衡，当无人机65在绝缘子串上降落在非正中心位置时，因无人机65承托于平台定位板47上方，当l型连接臂42拉动三片式半圆臂37运动后，环抱式起落机构抱紧于绝缘子串，带动无人机65沿平台定位板47表面移动，使无人机65及稳定装置移动至绝缘子串正中心位置。
[0058]
履带式行走装置通过无人机65下方的底座41及横向定位杆39与无人机65连接，其创新之处在于：包括两条平行设置的支架63，支架63的前后两端分别安装有前轮52及后轮59，支架63的侧壁上安装有同步轮驱动电机61，同步轮驱动电机61端部安装驱动同步轮55，支架63的中部顶端对应驱动同步轮55上方安装有包覆轮56，驱动同步轮55、包覆轮56、后轮59及前轮52上套装有同步履带54；通过驱动同步轮55驱动同步履带54转动，使得同步履带54上的盐密检测试纸在线路的绝缘子表面产生摩擦，获得污秽程度采样，使用无人机65检测，不仅能够减少登塔作业风险，同时提高工作效率。
[0059]
支架63的两侧均设置有加强支架62，增强支架63的连接稳定性，保证同步履带54的平稳工作。
[0060]
加强支架62上通过压紧螺栓58安装有固定块60，固定块60之间转动安装有压紧轮57，压紧轮57压紧同步履带54，增强同步履带54的工作稳定性，同时压紧程度可调，适用范围广泛。
[0061]
支架63两端均一体制有导向架64，导向架64自下而上向内倾斜，使得同步履带54与前、后轮59能够充分接触，加强传动力。
[0062]
导向架64的端部转动安装有导向档杆53，以防同步履带54发生断裂时崩出而影响无人机65正常工作。
[0063]
支架63为镂空支架63，保证强度的同时，减轻支架63重量，实现轻便作业。
[0064]
本发明的工作原理为：
[0065]
稳定装置通过底座41安装于需要作业的无人机65下端，底座41上连接的环抱式起落机构用于支撑无人机平台，起到传统起落架的功能，通过操控无人机平台飞行至绝缘子串上方，并使得环抱式起落机构收缩归中，利用无人机65gps及视觉定位系统辅助无人机65降落至绝缘子串表面，使平台定位板47承托于绝缘子串上方，同时将已经收缩归中的环抱式起落机构伸入至两串绝缘子串中间的空隙中；
[0066]
旋转齿轮驱动电机49驱动旋转齿轮45带动正反丝丝杆43运动，一杆二螺母实现同时相反方向运动，正反丝杆拉动左、右旋螺母46使得l型连接臂42沿旋转轴40运动，l型连接臂42拉动三片式半圆臂37开合，直至抱紧于绝缘子串，且无人机65及定位板中心在与绝缘子串中心重合，环抱式起落机构整体固定于绝缘子串上，此时稳定装置与无人机65整体固定于绝缘子串上，无人机65与稳定装置整体形成检修工作平台；
[0067]
在机械爪上夹持安装锁紧销，锁紧销开口端提前使用棉线绑扎，调整机械臂方向，
使其沿机头方向放置，将任务部移动至无人机65下方，无人机65操控人员控制带有检修装置的无人机65从地面起飞至与绝缘子串平行的高度处，调整机头放线与线路方向平行，无人机65降落至绝缘子串上方，操控机械臂沿主转盘旋转，使机械臂前端靠近需要检修的金具部位，驱动移动小车带动l臂及机械爪沿机械臂的轨道向前移动，使l臂接近金具部位的螺栓，驱动l臂旋转电机使机械爪与螺栓垂直方向对齐，驱动转盘电机使机械爪沿水平方向接近金具部位的螺栓，驱动上下对准电机使电磁芯轴前端靠近螺栓端头，驱动旋转对准电机使机械爪夹持的锁紧销对准螺栓的销钉孔，电磁芯轴通电，使其磁吸与螺栓顶端，保证任务部与螺栓相对固定，驱动销钉微调对准机构旋转消除不同心影响，使锁紧销能够顺利穿入销钉孔，机械爪推进机构沿推进导轨座向前移动，使锁紧销插入销钉孔中；
[0068]
驱动打火机构的点火舵机并按压点火曲臂，使点火舵机点火，锁紧销开口端的棉线烧断，锁紧销通过自身张力弹开，并松开机械爪夹持力使得机械爪推进机构后退离开螺栓，驱动移动小车带动任务部返回无人机65下方；
[0069]
降落后启动同步轮驱动电机61并控制同步履带54进行旋转，同步履带54在传动过程中，通过同步履带54外表面设置的的盐密检测试纸与绝缘子表面产生摩擦，获取绝缘子表面的污秽及盐密的检测样本，完成盐密检测工作，作业过程中技术人员可以通过摄像头确认工作完成情况；
[0070]
完成作业之后操控无人机65起飞返回至地面后工作完成。
[0071]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。