一种架空线路飞走蛇形巡检机器人的巡检方法与流程

本发明涉及架空线路巡检技术领域，尤其涉及一种架空线路飞走蛇形巡检机器人及巡检方法。

背景技术：

架空输电线路是电力输送的中间媒介，其稳定性关系到国计民生。输电线路经常架设在高山、大河、森林等野外恶劣环境，由于长期暴露在室外，遭受风吹，雨淋等恶劣环境影响，因此需要定期进行巡检工作。目前巡检的手段多采用人工巡视，或者使用无人飞行设备进行巡视。随着机器人技术研究的深入，输电线路机器人开始在巡检作业中发挥起重要作用。

架空输电线路环境复杂多变，线路上金具的发展日新月异，杆塔结构也是多种多样，作为巡检的机器人应当完成杆塔之间的移动，因此需要其具备越障的能力。输电线路环境复杂，本身存在大量种类的金具，加上人工维修以及更换，而且有时缺乏相应的后期维护文档，导致输电线路的越障工作存在很大难度。像传统的巡线机器人大多采用2臂或3臂的刚性结构，在巡线和越障的过程中机器人的重心非常容易发生偏离，故需要加装沉重的配重箱，该种类型的机器人适合工作在特定结构的金具和杆塔环境，而蛇形机器人具有多自由度的特点可使得机器人更容易适应各类线路环境。

目前，对工作在地面的蛇形机器人研究较多，而外攀爬蛇形机器人研究主要集中在对无障碍物环境下直立圆柱攀爬的研究，对越障行为研究相对较少。架空输电线位于高空，且线路上存在包括防震锤、悬垂线夹、接续管等多种障碍物，故解决蛇形机器人上线、越障的问题是把蛇形机器人应用在架空输电线缆的必然要求。

在巡检方式上，传统巡检机器人也存在很多不足，如多臂结构的巡检机器人存在的问题主要有：（1）体积大、质量重；（2）自由度少，灵活性不足；因此多臂结构机器人在巡线及越障时很容易产生重心偏移，若挂线防护措施不到位，不但机器人无法完成巡线任务还存在安全隐患；再如旋翼巡检机器人，其越障主要通过飞行越障来实现，大大增加了电量的消耗，使得巡检无人机的续航能力无法得到保证。本发明所涉及的架空线路飞走蛇形巡检机器人是一种具有变构态的飞-走两栖蛇形机器人，蛇身由可更换的模块组成，包括飞行模块、行走模块、检修模块和摄像头等，设计充分利用了蛇形结构控制灵活和扩展性强的特点，通过蛇形机器人变构态来完成机器人对线缆的夹紧以及越障动作，大大减弱了机器人重心和电池续航对巡检过程的影响，同时对该机器人如何实现对架空输电线路检修提供了方法，飞走蛇形机器人可以分步骤完成飞行上下线、线上快速行走、线上越障、检修等功能，为架空输电线路的自动化巡检提供了一定参考。

技术实现要素：

本发明实施例的主要目的在于提供一种架空线路飞走蛇形巡检机器人的巡检方法，将无人机技术、蛇形机器人技术融合并应用于输电线路巡检领域，发挥两种技术的各自优势，实现飞-走蛇形巡检机器人飞行上下线、线上快速行走、线上跨越障碍物、电线检修等功能。

为实现上述目的，本发明实施例提供一种架空线路飞走蛇形巡检机器人，包括前置摄像头（1）、飞行模块（2）、行走模块（3）、维修装备搭载平台（5）、后置摄像头（51）和控制系统。其中，所述前置摄像头（1）和后置摄像头（51）分别安装于机器人前后端，用于识别线缆（4）位置以及扫描并识别线上障碍，为机器人上下线及越障维修提供辅助；维修工具可安装于机器人末端维修装备搭载平台（5）上，能够根据实际需要进行更换。

所述飞行模块（2）主要包括偏转组件（231）、步进电机（232）、回转组件（233）、机身（234）、和涵道风机（21）。其中，偏转组件（231）和回转组件（233）能够使飞行模块（2）分别完成偏转、回转动作，由步进电机（232）为回转组件（233）提供动力支持，辅助飞-走蛇形机器人完成巡线、越障、检修等动作；涵道风机（21）为飞-走蛇形机器人飞行上下线提供动力，并能够通过回转组件（233）调整机身（234）角度，以此来调整涵道风机（21）朝向。

所述行走模块（3）主要包括偏转组件（231）、步进电机（232）、回转组件（233）、机身（234）、阶梯轴（31）、行走轮（32）、驱动电机（33）和盖板（34）。其中，偏转组件（231）和回转组件（233）能够使行走模块（3）分别完成偏转、回转动作，由步进电机（232）为回转组件（233）提供动力支持，辅助飞-走蛇形机器人完成巡线、越障、检修等动作；行走轮（32）为凹形轮，固定在阶梯轴（31）一端，阶梯轴（31）通过止推轴承安装在机身（234）之中，驱动电机（33）安装在盖板（34）上，并配有齿轮；驱动电机（33）与阶梯轴（31）通过齿轮传动，使行走轮（32）做旋转运动，从而辅助机器人实现线上行走。

其中，所述偏转组件（231），其特征在于：包括舵机支撑件（2311）、舵机（2312）、舵盘（2313）和舵盘连接器（2314）；安装方式为:舵机支撑件（2311）连接舵机（2312）和端盖支撑盘（2321），舵盘连接器（2314）连接下一个模块的机身（234），当舵机（2312）转动时，通过舵盘（2313）带动舵盘连接器（2314），从而实现相邻模块的角度偏转。

其中，所述回转组件（233），其特征在于：包括端盖支撑盘（2331）、回转连接盘（2332）、内齿轮环（2333）和外齿轮（2334）；安装方式为：端盖支撑盘（2331）与回转连接盘（2332）通过螺母卡在机身（234）端部，内齿轮环（2333）固定在机身（234）上，外齿轮（2334）与步进电机（232）连接，当步进电机（232）转动时，通过齿轮啮合带动端盖支撑盘（2331）转动，实现回转运动。

所述飞行模块（2）与行走模块（3）前后对称排列组合，前一模块的舵盘连接器（2314）与后一模块的机身（234）相连接，所述前置摄像头（1）与前端飞行模块（2）连接，位于机器人前端，所述维修装备搭载平台（5）与后端飞行模块（2）连接，位于机器人后端，所述端盖支撑盘（2331）与机身（234）相连，可旋转，所述步进电机（232）与舵机（2312）均固定在端盖支撑盘（2331）上，所述舵盘连接器（2314）与舵机（2312）相连，所述飞行模块（2）的涵道风机（21）安装在机身（234）内部，所述行走模块（3）的盖板（34）固定在机身（234）上，所述行走模块（3）的阶梯轴（31）与驱动电机（33）通过齿轮传动，并固定在盖板（34）之中，所述行走模块（3）的行走轮（32）相互配合夹紧在线缆（4）上。

所述飞行模块（2）与行走模块（3）排列能够自由组合，可以通过增加飞行模块（2）提高飞走蛇形机器人在风力影响下的飞行及上下线能力，通过增加行走模块（3）提高机器人巡线、越障和维修作业的稳定性，以此来适应不同的工作环境。

所述检修机器人在空中和线上运动时都具有变构态；检修机器人在空中不仅可首尾相接呈环形飞行，也可摆成之字形飞行，同时通过机身（234）的旋转运动可以调整涵道风机（21）朝向，辅助飞行；检修机器人在线缆（4）上具有线上变构态，可实现线上之字缠绕行走、线上等螺旋前进越防震锤、线上半脱离越悬垂线夹。

所述控制系统包括：飞行控制模块、行走控制模块、压紧模块、控制模块、障碍物检测模块、oled液晶显示模块、通讯模块、遥控模块、电源模块和检修模块共10个部分。

相应的，本发明还提供一种架空线路飞走蛇形巡检机器人的巡检方法，包括：飞走蛇形巡检机器人飞行上下线的方法；飞走蛇形巡检机器人沿线缆巡线的方法；飞走蛇形巡检机器人跨越障碍物的方法；飞走蛇形巡检机器人对线缆清理异物和检修维护的方法。

所述飞-走蛇形巡检机器人飞行上下线的方法包括如下步骤：

s1、飞行上升阶段：判断所述飞走蛇形机器人需要从地面移动至待挂导地线上时，飞行模块（2）开始工作，控制系统控制涵道风机（21）的电机转速，使得达到所需的升力，飞行控制模块实时检测机器人的姿态，并通过回转组件（233）使飞行模块（2）的机身（234）做旋转运动，调整涵道风机（21）朝向，确保机器人能够以设定的姿态平稳飞行。

s2、遥控寻位阶段：使用者通过遥控模块，人为操控蛇形机器人飞升至待挂线缆的下方，使蛇形机器人与待挂线缆的距离为m米，再由前后摄像头（1、51）辅助寻找合适的上线位置。

s3、变构上线阶段：确定合适的上线位置后，所述飞走蛇形机器人相对偏转夹紧线缆，由至少三组行走轮来保证机器人蛇身沿线缆移动稳定，行走轮为凹形轮。

进一步地，m的取值为2米。

所述飞走蛇形巡检机器人沿线缆巡线的方法包括下列步骤：

s1、压紧挂线阶段：飞走蛇形机器人上线后，由压紧模块保证整个装置可以安全的挂于线缆上，具体的，由舵机（2312）输出转矩，使得行走轮（32）与线缆（4）处于压紧装态，并由控制系统检测压紧力，从而输出合理的压力值，保证整个装置可以安全的挂于线缆上；

s2、沿线行走阶段：飞-走蛇形机器人挂于线缆（4）上后，控制系统控制驱动电机（33）工作，通过齿轮传动带动阶梯轴（31）做旋转运动，从而实现飞走蛇形巡检机器人沿线缆行走，并在前后摄像头（1、51）的辅助下，完成巡线工作。

所述飞走蛇形巡检机器人跨越障碍物的方法包括下列步骤：

s1、障碍检测阶段：机器人在巡线过程中由摄像头实时监控，当检测到前方n米遇到障碍物时，对障碍物类型进行判断；若为防震锤，则执行s2步骤；若为垂线夹，则执行s3步骤。

s2、跨越防震锤：在遇到防震锤障碍时，偏转组件（231）进行偏转，使前端第一组行走轮（32）减小压紧力至消失，由飞行模块（2）的回转组件（233）与偏转组件（231）配合扭转蛇身使蛇身绕到线缆上方（此动作由多节蛇身共同驱动完成），当前段蛇身越过障碍时，恢复原来线上行走状态，蛇身中段和尾段依次进行，机器人以螺旋轨迹越障；

s3、跨越垂线夹：在遇到垂线夹等障碍时，飞走蛇形机器人松开一组行走模块（3）脱离线缆（4），至少两组行走模块（3）夹紧，如先放松第一组行走模块（3），第一组行走模块（3）从障碍下方通过后夹紧，之后松第二组，第三组的形式依次翻越。

进一步地，n的取值为1米。

所述飞走蛇形巡检机器人对线缆清理异物和检修维护的方法包括：前端摄像头（1）安装在机器人前端可以灵活转动，拥有广阔的视野，可以多方位观察，机器人识别出异物后制动；在维修装备搭载平台（5）上可附加清障装置，用于清除线缆上的杂物，也可以安装机械手，实现复杂的维修操作。

本发明的有益效果是：

所述一种架空线路飞走蛇形巡检机器人具有冗余多自由度，灵活性高的特点，通过模块间相互配合实现不同姿态用于飞行和越障，能灵活到达指定工作位置进行上下线，也能完成线上障碍的翻越。

所述一种架空线路飞走蛇形巡检机器人的巡检方法结合了无人机与蛇形机器人的运动特点，增强了巡检机器人与电缆线的贴合性，减弱了巡检机器人巡线及越障时重心造成的不良影响。

所述一种架空线路飞走蛇形巡检机器人的巡检方法可在末端搭载机械工具，进行简单的维修、清障工作。

所述一种架空线路飞走蛇形巡检机器人在巡检方法上，整合了“飞、走”两类变构态运动方式，增强了机器人对不同环境的适应性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供一种架空线路飞走蛇形巡检机器人的结构示意图。

图2是飞行模块示意图。

图3是行走模块示意图。

图4是偏转组件示意图。

图5是回转组件示意图。

图6是飞走蛇形巡检机器人控制系统结构图。

图7（a）-7(d)是飞走蛇形巡检机器人飞行上线工作过程示意图。

图8（a）-8(b)是飞走蛇形巡检机器人飞行下线工作过程示意图。

图9是飞走蛇形巡检机器人沿线巡线动作示意图。

图10是飞走蛇形巡检机器人检测障碍示意图。

图11是飞走蛇形巡检机器人跨越防震锤动作示意图。

图12是飞走蛇形巡检机器人跨越悬垂线动作示意图。

图中所示：1-前置摄像头；2-飞行模块；3-行走模块；4-线缆；5-维修装备搭载平台；51-后置摄像头；231-偏转组件；2311-舵机支撑件；2312-舵机；2313-舵盘；2314舵盘连接器；232-步进电机；233-回转组件；2331-端盖支撑盘；2332-回转连接盘；2333-内齿轮环；2334外齿轮；234-机身；21-涵道风机；31-阶梯轴；32-行走轮；33-驱动电机；34-盖板。

具体实施方式

为使本发明实施例中的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种架空线路飞走蛇形巡检机器人的巡检方法，如图1所示，一种架空线路飞-走蛇形巡检机器人包括前置摄像头（1）、飞行模块（2）、行走模块（3）、维修装备搭载平台（5）、后置摄像头（51）以及控制系统。

下面对上述各个部分分别进行说明。

前置摄像头（1）和后置摄像头（51）分别安装于机器人前后端，用于识别线缆（4）位置以及扫描并识别线上障碍，为机器人上下线及越障维修提供辅助；维修工具可安装于机器人末端维修装备搭载平台（5）上，能够根据实际需要进行更换。

为了清楚拍摄待检对象,达到巡视检查的目的,具体实施本发明时,巡检摄像机可使用但不限于选用高清像机,例如,还可选用具有红外功能的高清摄像机,以满足光线不足情况下的巡检需要。

飞行模块（2）主要包括偏转组件（231）、步进电机（232）、回转组件（233）、机身（234）、和涵道风机（21）。其中，偏转组件（231）和回转组件（233）能够使飞行模块（2）分别完成偏转、回转动作，由步进电机（232）为回转组件（233）提供动力支持，辅助飞-走蛇形机器人完成巡线、越障、检修等动作；涵道风机（21）为飞-走蛇形机器人飞行上下线提供动力，并能够通过回转组件（233）调整机身（234）角度，以此来调整涵道风机（21）朝向，完成机器人在空中的飞行控制。

行走模块（3）主要包括偏转组件（231）、步进电机（232）、回转组件（233）、机身（234）、阶梯轴（31）、行走轮（32）、驱动电机（33）和盖板（34）。其中，偏转组件（231）和回转组件（233）能够使行走模块（3）分别完成偏转、回转动作，由步进电机（232）为回转组件（233）提供动力支持，辅助飞-走蛇形机器人完成巡线、越障、检修等动作；行走轮（32）为凹形轮，固定在阶梯轴（31）一端，阶梯轴（31）通过止推轴承安装在机身（234）之中，驱动电机（33）安装在盖板（34）上，并配有齿轮；驱动电机（33）与阶梯轴（31）通过齿轮传动，使行走轮（32）做旋转运动，从而辅助机器人实现线上行走。

其中，所述偏转组件（231），其特征在于：包括舵机支撑件（2311）、舵机（2312）、舵盘（2313）和舵盘连接器（2314）。舵机支撑件（2311）连接舵机（2312）和端盖支撑盘（2321），舵盘连接器（2314）连接下一个模块的机身（234），当舵机（2312）转动时，通过舵盘（2313）带动舵盘连接器（2314），从而实现相邻模块的角度偏转。

其中，所述回转组件（233），其特征在于：包括端盖支撑盘（2331）、回转连接盘（2332）、内齿轮环（2333）和外齿轮（2334）。端盖支撑盘（2331）与回转连接盘（2332）通过螺母卡在机身（234）端部，内齿轮环（2333）固定在机身（234）上，外齿轮（2334）与步进电机（232）连接，当步进电机（232）转动时，通过齿轮啮合带动端盖支撑盘（2331）转动，实现回转运动。

调控装置包括：飞行控制模块、行走控制模块、压紧模块、控制模块、障碍物检测模块、oled液晶显示模块、通讯模块、遥控模块、电源模块和检修模块共10个部分。

以下是本发明提供的针对飞-走蛇形巡检机器人的组装设计实施例。

实施例一

本实施例是针对飞走蛇形巡检机器人的组装设计，飞行模块（2）与行走模块（3）前后对称排列组合，前一模块的舵盘连接器（2314）与后一模块的机身（234）相连接，所述前置摄像头（1）与前端飞行模块（2）连接，位于机器人前端，所述后置摄像头（51）及维修装备搭载平台（5）与后端飞行模块（2）连接，位于机器人后端，所述端盖支撑盘（2331）与机身（234）相连，可旋转，所述步进电机（232）与舵机（2312）均固定在端盖支撑盘（2331）上，所述舵盘连接器（2314）与舵机（2312）相连，所述飞行模块（2）的涵道风机（21）安装在机身（234）内部，所述行走模块（3）的盖板（34）固定在机身（234）上，所述行走模块（3）的阶梯轴（31）与驱动电机（33）通过齿轮传动，并固定在盖板（34）之中，所述行走模块（3）的行走轮（32）相互配合夹紧在线缆（4）上。

本实施例中，飞行模块（2）与行走模块（3）排列能够自由组合，可以通过增加飞行模块（2）提高飞-走蛇形机器人在风力影响下的飞行及上下线能力，通过增加行走模块（3）提高机器人巡线、越障和维修作业的稳定性，以此来适应不同的工作环境。

本实施例中，检修机器人在空中和线上运动时都具有变构态；检修机器人在空中不仅可首尾相接呈环形飞行，也可摆成之字形飞行，同时通过机身（234）的旋转运动可以调整涵道风机（21）朝向，辅助飞行；检修机器人在线缆（4）上具有线上变构态，可实现线上之字缠绕行走、线上等螺旋前进越防震锤、线上半脱离越悬垂线夹。

以下是本发明提供的针对飞走蛇形巡检机器人飞行上下线、沿线缆巡线、跨越障碍物、对线缆清理异物和检修维护的方法实施例。

实施例二

本实施例是针对飞走蛇形巡检机器人飞行上线的方法，如图7所示，包含以下步骤。

s1、飞行上升阶段：判断所述飞-走蛇形机器人需要从地面移动至待挂导地线上时，飞行模块（2）开始工作，控制系统控制涵道风机（21）的电机转速，使得达到所需的升力，飞行控制模块实时检测机器人的姿态，并通过回转组件（233）使飞行模块（2）的机身（234）做旋转运动，调整涵道风机（21）朝向，确保机器人能够以设定的姿态平稳飞行。

s2、遥控寻位阶段：使用者通过遥控模块，人为操控蛇形机器人飞升至待挂线缆的下方，使蛇形机器人与待挂线缆的距离为2米，再由前后摄像头（1、5）辅助寻找合适的上线位置。

s3、变构上线阶段：确定合适的上线位置后，所述飞-走蛇形机器人相对偏转夹紧线缆，由至少三组行走轮来保证机器人蛇身沿线缆移动稳定，行走轮为凹形轮。

实施例三

本实施例是针对飞走蛇形巡检机器人沿线缆巡线的方法，如图9所示，包含以下步骤：

s1、压紧挂线阶段：飞走蛇形机器人上线后，由压紧模块保证整个装置可以安全的挂于线缆上，具体的，由舵机（2312）输出转矩，使得行走轮（32）与线缆（4）处于压紧装态，并由控制系统检测压紧力，从而输出合理的压力值，保证整个装置可以安全的挂于线缆上。

s2、沿线行走阶段：飞走蛇形机器人挂于线缆（4）上后，控制装置控制驱动电机（33）工作，通过齿轮传动带动阶梯轴（31）做旋转运动，从而实现飞-走蛇形巡检机器人沿线缆行走，并在前后摄像头（1、51）的辅助下，完成巡线工作。

实施例四。

本实施例是针对飞-走蛇形巡检机器人跨越障碍物的方法，如图10—12所示，包含以下步骤。

s1、障碍检测阶段：机器人在巡线过程中由摄像头实时监控，当检测到前方1米遇到障碍物时，对障碍物类型进行判断；若为防震锤，则执行s2步骤；若为垂线夹，则执行s3步骤。

s2、跨越防震锤：在遇到防震锤障碍时，偏转组件（231）进行偏转，使前端第一组行走轮（32）减小压紧力至消失，由飞行模块（2）的回转组件（233）与偏转组件（231）配合扭转蛇身使蛇身绕到线缆上方（此动作由多节蛇身共同驱动完成），当前段蛇身越过障碍时，恢复原来线上行走状态，蛇身中段和尾段依次进行，机器人以螺旋轨迹越障。

s3、跨越垂线夹：在遇到垂线夹等障碍时，飞-走蛇形机器人先放松第一组行走模块（3），其余至少两组行走模块（3）夹紧，第一组行走模块（3）从障碍下方通过后夹紧，之后松第二组，第三组的形式依次翻越。

实施例五。

本实施例是针对飞走蛇形巡检机器人对线缆清理异物和检修维护的方法。

本实施例中，前端摄像头（1）安装在蛇身前端可以灵活转动，拥有广阔的视野，可以多方位观察，机器人识别出异物后制动。在维修装备搭载平台（5）上可附加清障装置，如剪刀，扳手，喷火器，灭火器等，后置摄像头（51）用于监控和操控维修过程。检修模块起到对输电线清理和维修的作用，此模块由相关动力元件和相关传感器组成，在蛇身尾部安装机械手，动力元件在相关传感器的协同作用下，完成相应的动作，实现复杂的维修操作，达到清理和维修的目的。

上述实施例为本发明较佳的实施方式。但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化均属于等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。