新型架空输电线路多功能巡检机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，和传统的高压输电线路日常维护的方法装置相比，该新型架空输电线路多功能巡检机器人可以代替人力的设备进行输电线路的维护，使用了先进的无线遥控技术，采用模块化设计，清障装置模块能够进行快速拆卸与安装。该系统控制装置采用51单片机与arduino单片机，利用NRF2401与远程控制终端进行远程联络，能够实现除冰、除尘、除杂物、检测预警等多种功能。该系统轻巧易携带，待机时间长，性价比很高，具有很强的实用价值，能够将其产品化推向市场，具有很广阔的市场前景。
【专利说明】
新型架空输电线路多功能巡检机器人
技术领域
[0001]本实用新型属于高压架空输电线路检修领域，尤其涉及一种新型架空输电线路多功能巡检机器人。
【背景技术】
[0002]为确保架空输电线路连续安全供电，避免事故发生，需要线路运行管理部门对输电线路进行巡查、监测、维修，实时了解掌握输电线路的情况，并且及时修复输电线路的问题。现代电力输电线路日常检修与维护中存在种种问题，包括:严重覆冰导致电线舞动、断线和杆塔倒塌;塑料袋，风筝，气球等漂浮物缠绕在高压线上，危害电路安全的问题;鸟屎等液体物质粘附在高压线上，导致电路短路的问题;而往往在发生短路之后我们不能快速地找出故障发生地点，从而造成很严重的后果和很大的经济损失。
[0003]对于架空输电线路的覆冰问题，我国目前对220kV及以下线路主要采用交流融冰和人工机械除冰，但存在以下几点不足:采用交流融冰所需要的电能巨大，实用的交流融冰技术只适用于220kV以下的电压等级输电线路;交流融冰技术无法对避雷线和架空地线和绝缘子实施融冰;交流融冰技术无法对直流输电线路实施融冰;交流融冰需要大面积停电；人工除冰劳动强度大、效率低、危险性大。对于其他三类问题，我国目前主要的方法还是人工作业。
[0004]由于机器人技术的不断发展，研究用于高压架空输电线巡线多功能机器人具有广泛的应用前景，其目的在于为高压架空输电线路的巡检提供一套机器人自动化的作业系统，使用巡检机器人，可以节省人力参与，避免维修人员高空作业的安全隐患，降低费用的投入，还可以提高巡检作业的质量和管理技术水平，达到提高线路管理和维护水平。
[0005]因此，利用多功能机器人实现架空输电线路巡检维修是目前输电线路除冰技术的发展趋势，它具有功耗小、成本低、效率高、人员无伤亡等优点。目前，国内外对输电线路巡线机器人有一定的研究，大多仅限于单功能作业机器人，例如输电线路除冰机器人、架空输电线路清洗机器人、输电线路除障机器人等等。但是，单功能的输电线路机器人已经不能满足架空输电线路巡检维修的需要，尤其是近年来我国电网提高电网电压等级，一级线路里程的增加。所以，研制新型架空输电线路多功能巡检机器人具有十分重要的现实意义与良好的市场前景。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型为了解决上述问题，提供了一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，采用如下技术方案:
[0007]—种新型架空输电线路多功能巡检机器人，包括机器人主体框架、控制系统、行走齿轮、清障装置、监测装置与预警装置;行走齿轮、清障装置与监测装置安装于机器人主体框架上。
[0008]监测装置与控制系统双向连接，监测装置将监测到的信号传给控制系统，控制系统控制监测装置的运转;控制系统控制行走齿轮工作;控制系统与清障装置连接，控制系统控制清障装置工作;控制系统与预警装置连接，控制系统控制预警装置工作。
[0009]清障装置包括除尘装置、除冰装置及除杂物装置，所述除尘装置采用除尘毛刷;所述除冰装置为两个锯片，两个锯片对称于输电线两侧;所述除杂物装置包括一个三自由度机械臂，在三自由度机械臂上部安装刀片。除尘装置、除冰装置及除杂物装置均为可拆卸替换的模块，在机器人主体框架上设置有清障装置支架，除尘装置、除冰装置或除杂物装置安装于清障装置支架上;所述清障装置与其连接的清障装置支架组成为可快速拆卸替换的清障模块，在机器人主体框架上设置有快速固定夹具，方便清障模块的快速安装与拆卸，清障装置与清障装置支架通过快速固定夹具安装于机器人主体框架上，通过控制系统控制其工作；
[0010]控制系统包括远程控制终端与单片机，单片机安装于机器人主体框架内部，单片机上安装有无线通信模块;控制信号既可以通过远程控制终端发送至单片机来控制清障装置、行走齿轮、监测装置的运行，在远程控制终端没有控制信号发送时，单片机根据已存储好的控制命令或监测装置返回的信号来控制清障装置、行走齿轮与监测装置的运行。
[0011]监测装置由线路监测数据采集终端组成，监测数据采集终端包括摄像头与无线红外测温模块，摄像头安装于机器人主体框架的上部，无线红外测温模块安装于机器人主体框架的前部。监测数据采集终端将采集到的数据信号传输给单片机，单片机通过无线通信模块传输至远程控制终端，远程控制终端将接收到的数据datal与预先设定的预警值dataO进行比较，当datal多dataO时，控制系统及时把预警信号传送给预警装置，预警装置发出报警信号。
[0012]在平常无覆冰、无尘或无杂物的情况下，当datal〈dataO时，预警装置处于休眠状态，低功耗，当控制系统判断监测装置检测到线路参数高于预警值时，控制系统就会唤醒预警装置，并把预警信息传给预警装置进行声光报警和故障定位，在除冰、除尘或除杂物之前给管理人员提供线路信息。
[0013]行走齿轮包括前行走齿轮与后行走齿轮，前行走齿轮与安装于机器人主体框架前半部分上部的前行走齿轮支架连接，后行走齿轮与安装于机器人主体框架后半部分上部的后行走齿轮支架连接，前行走齿轮电机支架上连接前行走齿轮电机、后行走齿轮电机支架上连接后行走齿轮电机，前、后行走齿轮电机分别用于驱动前、后行走齿轮工作。
[0014]所述两个前、后行走齿轮电机为大功率的伺服电机，为前、后行走齿轮提供强劲的动力。
[0015]所述前、后行走齿轮采用深槽橡胶轮，有效提高了前、后行走齿轮与架空输电线的摩擦力，当架空输电线与水平线有一定角度时，便于爬坡。
[0016]机器人主体框架由铝合金构成，有效的减轻机器人整体重量。
[0017]本实用新型的有益效果为:
[0018]—种新型架空输电线路多功能巡检机器人由机器人主体框架、控制系统、行走齿轮、清障装置、监测装置与预警装置六部分组成，采用闭环控制，可以做到监测、预警、除冰、除尘、除污物多种功能同时进行，时刻监测线路情况，及时采取避障措施。同时又可以采取远程控制的控制方式，随时应对突发事件。具有非常高的可靠性，待机时间长让它有时间完成大部分任务;此系统处于休眠状态，低功耗，只有出现覆冰或杂物时预警装置才会启动，并进行声光报警和故障定位。
[0019]1.成本低:本产品通过简单的组合模块化结构和巧妙地创意大大地缩减了材料耗费，而且简单的结构决定它在实际生产中会节约大量的人工。再加上它可以大规模生产，在产品形成一定规模后成本还可以再降。如此低廉的成本可以为本产品的市场竞争提供极强的竞争力。
[0020]2.市场广:随着我国经济的高速发展，对超高压大容量输电线路的需求越来越大。近年来，输电线路冰灾等事故在我国发生数千次，严重危及电网安全可靠运行。因此，利用机器人进行架空输电线路除冰、除尘、除杂物及检测等带电维护，具有很大的推广应用前景。
[0021]3.功能强:本作品适用于高压线路网络的维护与监控，不但可以提高工作效率和质量，降低线路因覆冰、杂物或故障带来的损失，而且对促进智能电网建设、提高电网自动化作业水平、保障电网安全稳定运行、促进经济发展均具有重要的战略意义。和其他产品相比较，该系统采用模块化设计，集多种功能于一体，便于携带、拆卸和维修，具有极大的经济效益和广阔的市场推广前景。
【附图说明】
[0022]图1为新型架空输电线路多功能巡检机器人系统结构图；
[0023]图2为新型架空输电线路多功能巡检机器人的机械装配图；
[0024]其中，1.输电线、2.机器人主体框架、3.后行走齿轮电机、4.摄像头支架、5.摄像头、6.清障装置、7.前行走齿轮电机、8.前行走齿轮电机支架、9.后行走齿轮、10.清障装置支架、11.前行走齿轮、12.后行走齿轮电机支架、13.无线红外测温模块、14.快速固定夹具、15.清障装置驱动电机。
【具体实施方式】
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[0025]下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。
[0026]—种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其系统结构图如图1所示，包括控制系统、行走齿轮、清障装置、监测装置与预警装置;监测装置与控制系统双向连接，监测装置将监测到的信号传给控制系统，控制系统控制监测装置的运转;控制系统的输出端与行走齿轮的输入端单向连接，控制系统控制行走齿轮工作;控制系统与清障装置单向连接，控制系统的输出端与清障装置的输入端连接，控制系统控制清障装置工作;控制系统的输出端与预警装置的输入端单向连接，控制系统控制预警装置工作。
[0027]控制系统包括远程控制终端与单片机，远程控制终端可以是电脑、手机、平板电脑，所述单片机为51单片机与arduino单片机，单片机安装于机器人主体框架内部，单片机上连接有触点开关;控制信号既可以通过远程控制终端发送至单片机来控制清障装置、行走齿轮、监测装置的运行，在远程控制终端没有控制信号发送时，单片机根据已存储好的控制命令或监测装置返回的信号来控制清障装置、行走齿轮与监测装置的运行。
[0028]清障装置、监测装置与行走齿轮安装于机器人主体框架2上，如图2新型架空输电线路多功能巡检机器人的机械装配图所示，该产品整体呈长方体状，总长度:603mm，总宽度:166mm，总高度:168mm，总重量:2.7kg。行走齿轮包括前行走齿轮11与后行走齿轮9，前行走齿轮11与安装于机器人主体框架2前半部分上部的前行走齿轮支架8连接，后行走齿轮9与安装于机器人主体框架2后半部分上部的后行走齿轮支架12连接，前行走齿轮电机支架8上连接前行走齿轮电机7、后行走齿轮电机支架12上连接后行走齿轮电机3，前、后行走齿轮电机7/3分别用于驱动前、后行走齿轮工作11/9。前、后行走齿轮11/9采用深槽橡胶轮，半径为20mm，厚度为18mm，摩擦力大便于爬坡。摄像头支架4安装在机器人主体框架2的上部，摄像头5安装于摄像头支架4上，能够观测准确观测到高压架空输电线I上的情况。监测装置的监测数据采集终端不仅包括摄像头5还包括设置于机器人主体框架上2的红外测温模块13。行走齿轮主要负责产品在高压输电线上的行走和活动，通过两个特制的前、后行走齿轮来实现功能，前、后行走齿轮11/9在将产品牢牢地固定在输电线上的同时，可以实现产品的自由前进，且前、后行走齿轮都由大功率伺服电机驱动，能够提供强劲的动力。
[0029]监测装置由线路监测数据采集终端组成。监测数据采集终端包括摄像头5与无线红外测温模块13，摄像头5安装于机器人主体框架的上部，无线红外测温模块安装于机器人主体框架的前部。监测数据采集终端将采集到的数据信号传输给单片机，单片机通过无线通信模块传输至远程控制终端，远程控制终端将接收到的数据通过模型计算得到datal与预先设定的预警值dataO进行比较，当datal〈dataO时，预警装置处于休眠状态；当datal多dataO时，控制系统把预警装置唤醒，及时把预警信号传送给预警装置，预警装置发出报警信号。
[0030]在平常无覆冰、无尘或无杂物的情况下，预警装置处于休眠状态，低功耗，当控制系统判断监测装置检测到线路参数高于预警值时，控制系统就会唤醒预警装置，并把预警信息传给预警装置进行报警，并且在除冰、除尘或除杂物之前由监测装置给管理人员提供线路信息。
[0031]无线通信模块利用NRF2401及W1-Fi与远程控制终端进行远程联系，远程控制终端能够远程控制机器人在架空高压输电线路上进行运动，控制员可以待在室内或在线路下方控制机器人的运动，根据摄像头5及无线红外测温模块13采集到的图像或信号，结合预警装置有无报警信号进行分析与判断，进而下达操作指令。
[0032]无线红外测温模块的原理为:根据发生短路的部位在短时间内温度会快速升高这一原理，通过在机器人上加装了无线红外测温模块，从而实现了检测断路位置的功能。
[0033]晚上或雾霾很严重的天气，空气中的能见度很低，再加上高空中的复杂环境，对机器人的工作能力是一个极大的考验。为了有效地提高机器人在类似黑夜的恶劣条件下工作的能力，在机器人主体框架上加装了一个夜视灯，将夜视灯的亮度完全能够满足机器人在夜间或严重雾霾天气下工作的能力，从而有效地提高了机器人的全天候工作能力。
[0034]清障装置6包括除尘装置、除冰装置及除杂物装置，除尘装置、除冰装置及除杂物装置均为可拆卸替换的模块化设计，如图2所示，在机器人主体框架2上设置有快速固定夹具14，，除尘装置、除冰装置或除杂物装置安装于清障装置支架10上之后组成清障装置模块，通过快速固定夹具14将清障装置模块快速固定于机器人主体框架2之上，工作时，清障装置驱动电机15驱动清障装置进行工作。清障装置6就是为适应不同任务，加装不同模块的部分。本清障装置系统采用模块化设计，集多种功能于一体，可以通过组装不同的模块实现不同的功能，可以实现对输电线路的一般监测和维护保养。通过运用简便的快速固定夹具14，可以灵活方便的将不同的模块进行拆卸和安装。造成输电线故障的因素除了结冰之外还有很多，比如落到线路上的鸟屎、塑料袋等都有可能导致输电线短路，引发故障。为了使该机器人的功能多样化，不再只拘泥于除冰这一种功能，我们对其进行了可替换的模块化设计。具体的见以下实施例:
[0035]实施例1:
[0036]—种新型架空输电线路多功能巡检机器人的除冰模块的清障装置为两个半径30mm、厚度Imm的锯片，两个锯片对称放置于输电线两侧，与线路成一定角度，锯片与两个直流电机相连，通过两个电机带动木工锯片并互成一定角度来切割除冰，鉴于高压线都是有铁皮包裹的，即使控制不好角度，也完全不用担心会割伤电线的问题。当需要除冰时，控制电机进行运动，锯片便高速旋转起来，能够将线路上的冰进行切除、破坏。锯片旋转起来后，线速度很大，动能也很大，能够将坚硬的冰块切除掉，克服了打击式除冰能量不足，无法除掉坚硬冰块的问题。
[0037]实施例2:
[0038]一种新型架空输电线路多功能巡检机器人的除尘模块的清障装置为直径42mm、厚度54mm的除尘毛刷，除尘，除鸟屎部分跟除冰部分的固定部分一样，采用两个电机连接毛刷装置，可实现对线路的清洁除尘。将锯片换成了毛刷，将两个电机的位置进行了改动，变成了上下模式，可以更好的完成任务。
[0039]实施例3:
[0040]—种新型架空输电线路多功能巡检机器人的除杂模块的清障装置为一个三自由度机械臂，除塑料袋、风筝、气球等部分由其三自由度机械臂完成，用三自由度机械臂控制三自由度机械臂顶端的锋利的刀片可以清除输电线路上的垃圾，防止短路等故障的产生。
[0041]经过测试及理论计算，该机器人行走稳定可靠，其行走速度为0.lm/s至0.15m/s之间，且可以爬行超过15度的角。电池容量S = 1000mah，装置最大工作电流i = 2A，平均工作电流1 = 1.2A，故工作时间为T = S/I = 8h。由于该装置重心很低，位于线路以下5cm左右，所以可以抵抗较大的晃动，可抵抗8级以上大风。
[0042]高空带电作业是一项非危险的工作，为了减少因这项工作而造成的伤亡，我们完全可以选择利用机器人来代替人完成工作。我们制作的这台机器人，首先它具有非常多的功能，不同的模块不同的功能完全可以满足相当一部分线上作业需要;其次它造价低，低廉的成本决定它具有非常高的普及价值，这让我们完全可以在全网范围内大规模推广；除此以外它具有非常高的可靠性，超长的待机让它有时间完成大部分任务，而且远程遥控系统是另外一重保障，可以在机器人自己不能解决问题时由工作人员操纵完成。
[0043]上述虽然结合附图对本实用新型的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围。
【主权项】
1.一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其特征是:包括机器人主体框架、行走齿轮、控制系统、清障装置、监测装置与预警装置;所述行走齿轮通过行走齿轮支架安装于机器人主体框架上，控制系统控制行走齿轮在架空输电线路上工作;所述清障装置与清障装置支架连接，在机器人主体框架上设置有快速固定夹具，清障装置与清障装置支架通过快速固定夹具安装于机器人主体框架上，通过控制系统控制其工作;所述监测装置安装于机器人主体框架上，监测装置将监测到的信号传给控制系统，控制系统控制监测装置的运转；所述预警装置与控制系统连接，控制系统控制预警装置工作。2.如权利要求1所述的一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其特征是:所述清障装置包括除尘装置、除冰装置或除杂物装置，通过清障装置驱动电机驱动清障装置工作。3.如权利要求2所述的一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其特征是:所述除尘装置采用除尘毛刷。4.如权利要求2所述的一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其特征是:所述除冰装置为两个锯片，两个锯片对称于输电线两侧。5.如权利要求2所述的一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其特征是:所述除杂物装置包括一个三自由度机械臂，在三自由度机械臂上部安装刀片。6.如权利要求1所述的一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其特征是:所述控制系统包括远程控制终端与单片机;所述单片机安装于机器人主体框架内部，单片机上安装有无线通信模块，单片机与远程控制终端通过无线通信模块进行通信。7.如权利要求1所述的一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其特征是:所述监测装置，包括摄像头与无线红外测温模块;摄像头安装于机器人主体框架的上部，无线红外测温模块安装于机器人主体框架的前部。8.如权利要求1所述的一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其特征是:所述行走齿轮包括安装于机器人主体框架前半部分上部的前行走齿轮电机支架、安装于机器人主体框架后半部分上部的后行走齿轮电机支架，前行走齿轮电机支架上连接前行走齿轮电机、后行走齿轮电机支架上连接后行走齿轮电机，前行走齿轮电机连接前行走齿轮、后行走齿轮电机连接后行走齿轮;前、后行走齿轮电机分别用于驱动前、后行走齿轮工作。9.如权利要求8所述的一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其特征是:所述前、后行走齿轮电机均为伺服电机。10.如权利要求8所述的一种新型架空输电线路多功能巡检机器人，其特征是:所述前、后行走齿轮采用深槽橡胶轮;所述机器人主体由铝合金构成。
【文档编号】H02G1/02GK205646630SQ201620441028
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】朱元振, 王恒通, 康卓然, 宋国成, 李文博, 秦艺萍, 杨波, 于晓伟, 商承亚, 谷常磊, 杨宇晨
【申请人】朱元振, 王恒通, 康卓然, 宋国成, 李文博, 秦艺萍, 杨波