一种电力穿绳系统及其工作方法与流程

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种用于无人机展放绳索的电力穿绳系统及其工作方法。

背景技术：

近来年来无人机技术发展迅速，电力工程中也开始引入无人机进行展放绳索作业。

现有技术中，无人机展放绳索的方法是直接将绳索扣在无人机上进行展放，在无人机到达架空杆塔时由施工人员登高、人工将绳索穿过滑轮后再继续展放。此方法具有以下缺陷：一是无人机展放的绳索到达每个架空滑轮时都必须有施工人员登高配合，劳动强度高，且登高作业危险性大；二是无人机在一个滑轮处穿绳后需降落重新载绳、不能实现多个滑轮间绳索的连续飞行展放，操作繁琐、效率低下；三是无人机穿绳操控难度较高、对操作人员对较强依赖性，难以实现穿绳作业的自动化。

中国专利202010291291.x公开了一种智能滑轮及其工作方法，通过操控无人机将绳索带至滑轮附近，利用滑轮上的机械臂抓取绳索穿过滑轮，实现穿绳动作，但这种方案具有以下两种缺陷：一是每个待穿绳滑轮都必须配备智能机械臂系统，成本高昂；二是无人机在每个滑轮穿绳后都必须重新载绳、才能飞向下一滑轮处继续穿绳作业，载绳若是在高空实现，则对无人机操控技巧要求极高、难以在普通作业人员中普及；载绳若是在地面实现，则费时费力，工作效率低下。

因此，如何简便、且经济高效实现杆塔滑轮的穿绳作业，成为亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

本发明针对以上问题，提供了一种安全经济、操作简便且自动化水平高的电力穿绳系统及其工作方法。

本发明的技术方案为：

一种电力穿绳系统，包括无人机和滑轮机构，所述滑轮机构吊装于杆塔上，

还包括穿绳器，

所述穿绳器吊装于所述无人机上，所述穿绳器与所述滑轮机构通信连接；

所述穿绳器包括机械臂、平衡臂和控制单元盒，

所述机械臂和平衡臂均为伸缩臂，所述控制单元盒内设有穿绳器控制单元和内置电源，所述内置电源用于给穿绳器供电，所述穿绳器控制单元用于控制穿绳器动作、及穿绳器与所述滑轮机构的通信；

所述控制单元盒连接所述平衡臂，所述平衡臂连接所述机械臂的一端，所述机械臂的另一端设有手掌，所述手掌上设有激光雷达和夹爪；

所述夹爪为两个围合的半环，所述夹爪的内侧设有行程开关a，使得夹爪闭合时触发行程开关a；

所述夹爪的端部设有呈一对半球状的穿绳球外壳、记为半壳一和半壳二，所述穿绳球外壳内设有一对电磁继电器，一个所述电磁继电器位于半壳一、另一所述电磁继电器位于半壳二，所述电磁继电器用于将穿绳球吸合于同侧的穿绳球外壳；所述半壳一和半壳二内均设有行程开关b，所述穿绳球吸合于穿绳球外壳的一侧时，触发同侧的所述行程开关b；

所述激光雷达、行程开关a、行程开关b和电磁继电器连接所述穿绳器控制单元；

所述滑轮机构包括滑轮，所述滑轮上设有滑轮控制单元和电池，

所述电池用于给所述滑轮机构供电，所述滑轮控制单元用于控制所述滑轮机构工作、及滑轮机构与所述穿绳器的通信；

所述滑轮的横梁上设有led信号单元，所述滑轮的侧柱上设有光电传感器和激光测距仪；

所述led信号单元、光电传感器和激光测距仪连接所述滑轮控制单元。

进一步地，所述机械臂包括依次连接的后臂、中臂、前臂和手腕，所述机械臂具有三个自由度，所述中臂围绕所述后臂旋转、形成第一自由度，所述前臂围绕所述中臂旋转、形成第二自由度，所述手掌围绕所述手腕旋转、形成第三自由度。

进一步地，所述控制单元盒内还设有陀螺仪，所述手掌上设有光电信号接收器，所述陀螺仪和所述手掌上的光电信号接收器连接所述穿绳器控制单元。

进一步地，所述机械臂的底部设有圆形的支撑座，所述支撑座的顶部设有环形的旋转齿条，所述机械臂固定连接有旋转电机、旋转电机连接有旋转齿轮，所述旋转齿轮与所述旋转齿条相啮合。

进一步地，所述支撑座底部设有防撞圈，所述防撞圈的底部固定连接有起落架和/或加强架。

进一步地，所述支撑座上滑动连接有防尘罩，所述防尘罩上设有光电信号接收器，所述防尘罩上的光电信号接收器连接所述穿绳器控制单元。

进一步地，所述光电传感器具有三组、包括位于所述侧柱两侧的l1组和l2组以及位于侧柱中部的l0组，所述l1组、l2组的水平工作范围边界与所述侧柱均呈15~30°夹角，所述光电传感器的垂直工作范围边界与所述侧柱呈15~30°夹角。

进一步地，所述机械臂上设有行程开关c，所述机械臂结束穿绳操作后全缩回时触发所述行程开关c，所述行程开关c连接所述穿绳器控制单元。

一种电力穿绳系统的工作方法，包括以下步骤：

s1：装配、启动：

在杆塔上悬挂滑轮机构，在无人机上悬挂穿绳器，将绳索的一端固定于穿绳球上，将穿绳球放入机械臂夹爪的穿绳球外壳内，闭合夹爪触发行程开关a，半壳一吸合穿绳球，穿绳器向滑轮机构发射工作开始信号，无人机起飞；

s2：对接准备：

穿绳器进入滑轮机构的工作范围，滑轮机构接收到工作开始信号后启动，led信号单元发射信号、提示穿绳器准备接近滑轮的侧柱；

s3：确定对接位置：

s3.1：水平定位：滑轮机构的激光测距仪实时测量穿绳器的距离，led信号单元根据距离的不同发射不同的信号、提示穿绳器进行水平位置调整；

s3.2：垂直定位：水平定位完成后，led信号单元根据穿绳器对光电传感器遮挡位置的不同发射不同信号、提示穿绳器进行垂直位置调整；

s3.3：对接位置悬停：水平、垂直均定位完成后，led信号单元发射信号、提示穿绳器悬停进行对接；

s4：穿绳操作：

s4.1：机械臂伸出、手掌上的激光雷达实时测量与侧柱的间距，同时，平衡臂伸出，使得控制单元盒向机械臂的端头滑动，确保机械臂水平平衡；

s4.2：当手掌与侧柱间距为10~30cm时，夹爪张开、机械臂继续伸向侧柱；

s4.3：当手掌与侧柱间距为2~10cm时，机械臂停止伸出，闭合夹爪、触发行程开关a；

s4.4：电磁继电器工作，穿绳球从半壳一释放、并吸合于半壳二；

s4.5：半壳二吸合穿绳球后触发行程开关b，夹爪张开、机械臂缩回，同时手掌上的激光雷达实时测量与侧柱的间距；

s4.6：当手掌与侧柱间距为20~40cm时，夹爪闭合、触发行程开关a，手腕旋转180°、使得半壳一和半壳二位置调换，机械臂继续缩回；

s4.7：机械臂全缩回，穿绳器向滑轮机构发射工作结束信号，穿绳完成。

本发明的一种电力穿绳系统及其工作方法，通过设置无线通信连接、各自独立控制的穿绳器和滑轮机构，使得系统内部通过精确的互动完成穿绳作业，避免了操作人员登高配合步骤，提高了作业安全性；同时，本发明中通过穿绳器机械臂进行穿绳动作、消除了现有技术中滑轮机械臂穿绳动作的无人机反复载绳步骤，降低了操作难度、利于在普通作业人员中推广；本发明又因避免了在多个滑轮处重复设置机械臂，能够大幅降低施工成本。

本发明中滑轮机构上设置的led信号单元通过发送灯光信号，对无人机操作人员提供直观的操作提示，大幅降低了无人机穿绳操控难度，降低无人机控制对人员技巧的依赖性，使得穿绳作业的自动化水平提高；穿绳器在一个滑轮处完成穿绳动作后，不需无人机降落、重新载绳，能够实现多个滑轮穿绳的连续操作，大幅提高了穿绳作业的工作效率。

附图说明

图1是本发明中穿绳器的结构示意图，

图2是图1的a-a剖视图，

图3是图1的俯视图，

图4是本发明中机械臂全伸出时的结构示意图，

图5是本发明中机械臂全缩回时的结构示意图，

图6是本发明中穿绳球外壳的结构示意图，

图7是本发明中穿绳球的结构示意图，

图8是本发明中滑轮机构的结构示意图，

图9是图8的左视图，

图10是本发明中光电传感器的垂直工作范围示意图，

图11是本发明中光电传感器的水平工作范围示意图，

图12是本发明的原理图。

图中：1-机械臂，10-旋转电机，100-旋转齿轮，11-大臂，12-小臂，13-后臂，14-中臂，15-前臂，16-手腕，17-手掌，171-激光雷达，18-夹爪，19-穿绳球外壳，191-半壳一，192-半壳二；2-平衡臂；3-控制单元盒；41-行程开关a，42-行程开关b；5-电磁继电器；6-穿绳球；7-支撑座，70-旋转齿条，71-防撞圈，711-起落架，712-加强架，72-安装架；8-防尘罩；9-滑轮，90-滑槽，91-侧柱，92-横梁，93-led信号单元，94-激光测距仪；

l1、l2-侧柱两侧的光电传感器组，l0-侧柱中部的光电传感器组；

r-绳索；

图4中的虚线是机械臂工作状态的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图1-12，进一步说明本发明。

本发明的一种电力穿绳系统，包括无人机和滑轮机构，

还包括穿绳器，

穿绳器顶部设有悬挂机构、通过悬挂机构将穿绳器吊装于无人机上，滑轮机构通过吊框吊装于杆塔上、吊框包括横梁92和一对侧柱91，穿绳器上设有无线信号发射器、滑轮机构上设有无线信号接收器，穿绳器与滑轮机构通信连接；

穿绳器包括机械臂1、平衡臂2和控制单元盒3，

机械臂1和平衡臂2均为伸缩臂（电动伸缩臂技术为现有技术、通常采用齿轮副传动实现，在此不再赘述），控制单元盒3内设有穿绳器控制单元和内置电源，内置电源用于给穿绳器供电，穿绳器控制单元用于控制穿绳器动作、及穿绳器与滑轮机构的通信；控制单元盒3上还可设置指示灯，显示穿绳器是否进入正常工作状态；机械臂1在无人机起飞前的初始状态为全缩回状态，穿绳操作时靠近滑轮侧柱91并伸出适宜长度，穿绳结束后机械臂1全缩回、回到初始状态，准备与下一个滑轮机构进行对接；

控制单元盒3连接平衡臂2，平衡臂2连接机械臂1的一端，机械臂1的另一端设有手掌17，手掌17上设有激光雷达171和夹爪18；控制单元盒3用于在机械臂1动作时，通过平衡臂2的伸缩移至适宜位置配重，确保机械臂1的水平平衡，控制单元盒3所在端的机械臂1端头还可设置配重后盖、降低控制单元盒3的调节量；激光雷达171用于测量手掌17与侧柱91的间距；

夹爪18为两个围合的半环、通过电机实现开合控制，夹爪18的内侧设有行程开关a41，使得夹爪18闭合时触发行程开关a41，行程开关a41向穿绳器控制单元发送信号、穿绳器控制单元控制电磁继电器5进行开合切换；

夹爪18的端部设有呈一对半球状的穿绳球外壳19、记为半壳一191和半壳二192，穿绳球外壳19内设有一对电磁继电器5，一个电磁继电器5位于半壳一191、另一电磁继电器5位于半壳二192，电磁继电器5用于将穿绳球6吸合于同侧的穿绳球外壳19，通过控制电磁继电器5的开断、使得穿绳球6吸合于半壳一191侧或半壳二192侧；半壳一191和半壳二192内均设有行程开关b42，穿绳球6吸合于穿绳球外壳19的一侧时，触发同侧的行程开关b42，向穿绳器控制单元发送信号；

激光雷达171、行程开关a41、行程开关b42和电磁继电器5连接穿绳器控制单元；

滑轮机构包括滑轮9，滑轮9上设有滑轮控制单元和电池，

电池用于给滑轮机构供电，优选为通过太阳能电池板充电的蓄电池；滑轮控制单元用于控制滑轮机构工作、及滑轮机构与穿绳器的通信；

滑轮9的横梁92上设有led信号单元93，led信号单元93包括显示屏和警示灯组合，如图8所述，包括显示屏，以及显示屏上的左、右、上侧箭头警示灯和中间的x警示灯；滑轮9的侧柱91上设有光电传感器和激光测距仪94，光电传感器用于发射定向的光电信号，激光测距仪94用于实时测量滑轮机构与穿绳器的距离；

led信号单元93、光电传感器和激光测距仪94连接滑轮控制单元。

机械臂1包括依次连接的大臂11、小臂12、后臂13、中臂14、前臂15和手腕16，参见图4，大臂11为固定部分，小臂12至手腕16之间的部分为可伸缩部分、可根据作业需要伸出至特定长度；机械臂1具有三个自由度、自由度通过设置关节电机实现，中臂14围绕后臂13旋转、形成第一自由度，前臂15围绕中臂14旋转、形成第二自由度，手掌17围绕手腕16旋转、形成第三自由度。

控制单元盒3内还设有陀螺仪，手掌17上设有光电信号接收器，陀螺仪和手掌17上的光电信号接收器连接穿绳器控制单元。光电信号接收器用于接收滑轮机构的光电信号、并馈送穿绳器控制单元判断滑轮侧柱91的方位；陀螺仪用于测量机械臂1的实时空间姿态参数，馈送穿绳器控制单元控制平衡臂2伸缩至适宜位置配重、进行平衡补偿。

机械臂1的底部设有圆形的支撑座7，支撑座7的中心设有筒状安装架72、机械臂1贯穿并固定连接在安装架72上，支撑座7的顶部设有环形的旋转齿条70，机械臂1的侧面固定连接有旋转电机10、旋转电机10连接有旋转齿轮100，旋转齿轮100与旋转齿条70相啮合，旋转电机10工作时，带动机械臂1绕支撑座7的中心进行转动。

支撑座7底部设有防撞圈71，防撞圈71的底部固定连接有起落架711和/或加强架712。用于增强穿绳器的机械强度，防止其在无人机起飞、降落，或与滑轮机构对接过程中因碰撞产生损伤。

支撑座7上滑动连接有防尘罩8，防尘罩8位于机械臂1的两侧、呈两个围合的半圆形，能够随同机械臂1进行旋转；防尘罩8上设有光电信号接收器，防尘罩8上的光电信号接收器连接穿绳器控制单元，用于接收滑轮9的光电传感器信号，并馈送穿绳器控制单元进行动作判断。

光电传感器具有三组、包括位于侧柱91两侧的l1组和l2组以及位于侧柱91中部的l0组，l1组、l2组的水平工作范围边界与侧柱91均呈15~30°夹角、优选为19.8°，参见图11，光电传感器的垂直工作范围边界与所述侧柱呈15~30°夹角、优选为19.6°，参见图10。

机械臂1上设有行程开关c，机械臂1结束穿绳操作后全缩回时触发行程开关c，行程开关c连接穿绳器控制单元；行程开关c经触发后，向穿绳器控制单元发送穿绳成功信号，穿绳器向滑轮机构发射工作结束信号，无人机带动穿绳器继续飞向下一个滑轮机构进行穿绳作业。

一种电力穿绳系统的工作方法，包括以下步骤：

s1：装配、启动：

在杆塔上悬挂滑轮机构，在无人机上悬挂穿绳器，将绳索r的一端固定于穿绳球6上，将穿绳球6放入机械臂夹爪18的穿绳球外壳19内，闭合夹爪18触发行程开关a、向穿绳器控制单元发送信号，穿绳器控制单元指令电磁继电器5工作、使得半壳一191吸合穿绳球6，穿绳器向滑轮机构发射工作开始信号，无人机起飞；

s2：对接准备：

穿绳器进入滑轮机构的工作范围（通常为距滑轮机构10m内），滑轮机构接收到工作开始信号后启动，led信号单元93发射灯光信号、提示穿绳器准备接近滑轮的侧柱91，同时光电传感器与激光测距仪94开启；

s3：确定对接位置：

s3.1：水平定位：滑轮机构的激光测距仪94实时测量穿绳器的距离，led信号单元93根据距离的不同发射不同的灯光信号、提示穿绳器进行水平位置调整，如提示穿绳器靠近、远离或保持安全距离；

s3.2：垂直定位：水平定位完成后，led信号单元93根据穿绳器对光电传感器遮挡位置的不同发射不同灯光信号、提示穿绳器进行垂直位置调整，如提示穿绳器向上或向下移动；

s3.3：对接位置悬停：水平、垂直均定位完成后，led信号单元93发射灯光信号、提示穿绳器悬停进行对接；

s4：穿绳操作：

s4.1：机械臂1伸出、手掌17上的激光雷达171实时测量与侧柱91的间距，同时，平衡臂1伸出，使得控制单元盒3向机械臂1的端头滑动，确保机械臂1水平平衡；

s4.2：当手掌17与侧柱91间距为10~30cm（根据夹爪18实际尺寸而定，例如20cm，使得夹爪18能自由张开，不受侧柱91阻挡）时，夹爪18张开、机械臂1继续伸向侧柱91；

s4.3：当手掌17与侧柱91间距为2~10cm（根据夹爪18实际尺寸而定，例如3cm，使得夹爪18能越过侧柱91闭合、而不会误夹至侧柱91上）时，机械臂1停止伸出，闭合夹爪18、触发行程开关a41，向穿绳器控制单元发送信号；

s4.4：穿绳器控制单元指令电磁继电器5工作、使得两半壳的电磁继电器5开合切换，穿绳球6从半壳一191释放、并吸合于半壳二192；

s4.5：半壳二192吸合穿绳球6后触发行程开关b42、馈送穿绳器控制单元，穿绳器控制单元指令夹爪18张开、机械臂1缩回，同时手掌17上的激光雷达171实时测量与侧柱91的间距；

s4.6：当手掌17与侧柱91间距为20~40cm（根据夹爪18实际尺寸而定，例如30cm，使得夹爪18能不受阻挡地自由闭合）时，夹爪18闭合、触发行程开关a41，手腕16旋转180°、使得半壳一191和半壳二192位置调换（即控制穿绳球6吸合于初始状态同侧的半壳内、确保多个滑轮机构间穿绳方向的一致性），机械臂1继续缩回；

s4.7：机械臂1全缩回，穿绳器向滑轮机构发射工作结束信号，穿绳完成。

本发明的应用例：

滑轮机构的滑轮9的横梁92上设有led信号单元93，led信号单元包括显示屏和警示灯组合，包括显示屏，以及显示屏上的左、右、上侧箭头警示灯和中间的x警示灯，其中右侧箭头灯提示远离、左侧箭头灯提示靠近、上侧箭头灯提示向上，x警示灯提示向下。侧柱91上设有漫反射光电传感器，包括两侧的l1组、l2组及中部的l0组；每组光电传感器进一步划分为上部的t部、中部的u部和下部的d部，即光电传感器包括l1t-l1u-l1d、l2t-l2u-l2d和l0t-l0u-l0d。滑轮机构通过太阳能电池板充电，过充时充电电路开路、电量低于30%时显示屏显示红色。

穿绳器启动自检，电量低于30%时报警提示；电量充足时，闭合夹爪18，将穿绳球6吸合于半壳一191，穿绳器向滑轮机构发射工作开始信号。

操控无人机飞至距离滑轮机构10m内的工作范围，滑轮机构接收到工作开始信号后启动，显示屏交替闪烁红黄色、提示穿绳器准备接近滑轮的侧柱91。

水平定位：激光测距仪94实时测量穿绳器的距离，距离小于1.3m时，右侧箭头警示灯闪烁黄色提示远离；距离小于1.2m时，右侧箭头警示灯闪烁红色警告穿绳器远离；距离大于等于2.5m时，左侧箭头灯闪烁黄色提示靠近；距离介于1.3m~2.5m时，显示屏绿色常亮，提示水平位置适宜。

垂直定位：水平定位完成后，无人机带动穿绳器上下移动，穿绳器遮挡不同位置的光电传感器，led信号单元93发射不同灯光信号；当l0d或l1d或l2d被挡，上侧箭头警示灯闪烁黄色，提示穿绳器向上；当l0t或l1t或l2t被挡，x警示灯闪烁红色，提示穿绳器向下；当l0u与l1u同时被挡，或l0u与l2u同时被挡，显示屏闪烁绿色（因穿绳器尺寸较滑轮机构大，不存在单独l0u被挡的情况）；当l0u、l1u、l2u同时被挡，显示屏绿色常亮，提示无人机悬停，准备对接。

防尘罩8上的光电信号接收器接收滑轮机构的光电信号并馈送穿绳器控制单元，停止向滑轮机构发射工作开始信号；穿绳器控制单元下达指令、机械臂伸缩电机经传动齿轮使伸缩丝杆螺母沿伸缩丝杆运动，伸出内缩的机械臂部分，同时平衡臂2动作，使得大臂11保持水平平衡。

伸出前臂15后，关节电机动作，使得前臂15在垂直方向上下摆动、利用手掌17上的光电信号接收器寻找光电信号（陀螺仪实时测量穿绳器的空间姿态，馈送穿绳器控制单元指令控制单元盒3移动进行平衡补偿），同时大臂11在旋转电机10驱动下，沿旋转齿条70旋转；若寻找不到光电信号，伸出中臂14、并将前臂15恢复水平位置，关节电机动作，使中臂14在垂直方向上下摆动；手掌17接收到光电信号后、旋转电机10停止，手掌17上的激光雷达171测量手掌17与侧柱91的间距：

当该间距≤前臂15长度时，启动前臂15、手腕16、手掌17和夹爪18动作；

前臂15＜当该间距＜（前臂15+中臂14）的长度时，启动中臂14、前臂15、手腕16、手掌17和夹爪18动作；

当该间距≥前臂15+中臂14的长度时，启动后臂13、中臂14、前臂15、手腕16、手掌17和夹爪18动作（根据需要，可再增加伸出小臂12）；

根据手掌17接收的光电信号，控制夹爪18定向伸向侧柱91、同时激光雷达171实时测距，当手掌17与侧柱91间距为20cm时，夹爪18张开、机械臂1继续伸向侧柱91；当手掌17与侧柱91间距为3cm时，机械臂1停止伸出，闭合夹爪18，触发行程开关a41进行动作，向穿绳器控制单元发送信号；穿绳器控制单元指令穿绳球外壳19内的电磁继电器5开合切换，穿绳球6从半壳一191释放、并吸合于半壳二192；半壳二192吸合穿绳球6后触发行程开关b42、发送穿绳成功信号，夹爪18张开、机械臂1缩回，同时手掌17上的激光雷达171实时测量与侧柱91的间距；当手掌17与侧柱91间距为30cm时，夹爪18闭合、触发行程开关a41发送信号，穿绳器控制单元指令手腕16旋转180°、使得半壳一191和半壳二192位置调换（即控制穿绳球6吸合于初始状态同侧的半壳内、确保多个滑轮机构间穿绳方向的一致性），机械臂1继续缩回。`

机械臂1全缩回时触发行程开关c、电机停止，穿绳器向滑轮机构发送工作结束信号1s，滑轮机构的显示屏交替闪烁黄绿色10s，提示无人机进行下一滑轮机构的穿绳作业。

对于本案所公开的内容，还有以下几点需要说明：

（1）、本案所公开的实施例附图只涉及到与本案所公开实施例所涉及到的结构，其他结构可参考通常设计；

（2）、在不冲突的情况下，本案所公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例；

以上，仅为本案所公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本领域技术人员根据本案所公开的内容，对其中某些技术特征作出的变换均应在本案保护范围内。