专利名称：线路巡检机器人和系统的制作方法
技术领域：
本申请要求2010年2月10日提交的、申请号为61/303,047的临时申请的权益。本发明主要涉及一种线路巡检系统，并且更具体地涉及一种架空输电线路巡检机器人和系统，用于巡检传输线路部件和线路走廊状况。
背景技术：
架空输电线路是在电力工业中分布最为广泛的资产之一，跨越千里，经常处于偏远的环境中。可靠性要求的提高、部件的老化、线路走廊的巡检合规性以及预算的限制都增加了对于沿传输线路整个长度进行彻底、及时和节约成本的巡检的需求。
发明内容
因此，对于一种提供自动远程巡检并监测传输线路部件和线路走廊状况的架空传输线路巡检机器人和系统存在需求。根据本发明的一种应用，一种线路巡检机器人包括用于沿线路推进机器人的至少一个驱动系统，适合用于相对于至少一个驱动系统枢转的平台，以及适合用于控制机器人的控制系统。根据本发明的另一种应用，一种线路巡检机器人包括由平台互连并且适合用于沿屏蔽线推进机器人的一对间隔开的转向架，以及由平台容纳并且适合用于控制线路巡检机器人的控制系统。
通过结合附图参照以下的说明内容即可更好地理解与本发明相关的主题内容，在附图中
图1示出了根据本发明的实施例的线路巡检机器人； 图2是图1中巡检机器人的透视图； 图3示出了图1中巡检机器人的侧视图； 图4示出了图1中巡检机器人的端视图； 图5示出了图1中巡检机器人的齿轮组；
图6示出了图4中的齿轮组与图1中巡检机器人的滚轮平台相啮合的情况； 图7示出了图1中巡检机器人的驱动系统处于开放位置的情况； 图8示出了图7中的驱动系统处于关闭位置的情况； 图9示出了图7中的驱动系统处于受限开放位置的情况； 图10示出了图7中的驱动系统； 图11示出了图1中巡检机器人的齿轮箱； 图12是图1中巡检机器人的控制系统的功能性示意图； 图13示出了图1中巡检机器人上的传感器；图14示出了根据本发明的实施例的用于允许图1中的巡检机器人跨越结构件的转向系统；
图15示出了图14中的转向系统被用于跨越连接点的情况；
图16示出了图14中的转向系统使用刚性桥接线的情况；
图17示出了图14中的转向系统具有用于支撑桥接线的中心转向器；
图18示出了图14的转向系统中的转向器；
图19是图18中转向器的侧视图20是图17中的中心转向器的透视图21示出了图20中的转向器具有不同的安装系统；
图22示出了用于在转向系统中使用的转向器；
图23示出了图7中的驱动系统与转向器相接合的情况；
图24示出了图23中的驱动系统与转向器相接合的情况；以及
图25示出了根据本发明的实施例的传感器系统。
具体实施例方式参照附图，图1和2中示出了根据本发明的实施例的用于巡检架空传输线路的示例性巡检机器人并且通常用附图标记10来表示。机器人10被设计用于在架空传输线路上移动以收集让设施能够立刻采取措施的高保真信息。机器人10在屏蔽线11上行进并利用各种巡检技术来识别高风险的植被、线路走廊的侵入物以及部件状况。机器人10使用可再充电的电池为行动、通信、巡检传感器和加工处理提供电力。 应该意识到可以使用各种电力收集源给电池充电。进一步还应该意识到可以同时使用多于一种电力收集源以形成混合系统。可以使用以下的电力收集解决方案
1、设置在机器人10上用于收集太阳能以给电池充电的太阳能电池板18。太阳能电池板18被密封以与元件隔离并且被安装在机器人10的顶部用于最优地获取太阳能。电池板 18还是倾斜的以使雨水和重力帮助洗去杂物；
2、位于沿线路散布的结构件上的多个充电站可以被用于给机器人10中的电池充电。 充电站可以在几周的时段内利用各种技术例如电场、磁场、太阳能、风、温差和振动向电池内缓慢充电，以使得在机器人10停靠时，将能量从充电站传送至机器人10的电池中；
3、也可以利用电场给机器人10充电。在此情况下，一块“面板”被置于机器人下面，其电容性地耦合来自励磁阶段的电场并连续地给电池充电；
4、可以利用磁场给机器人10充电。如果屏蔽线被接地至结构件，那么电流就会由于相电流的不平衡而在线内流动。可以使用电感器或电流互感器收集来自于该电流的电力并发送至电池进行充电；以及
5、在屏蔽线(一侧或两侧)被绝缘的情况下，机器人10可以移动至屏蔽线绝缘体所在的结构件并用一定的阻抗或者完全短路地将间隙桥接至结构件。这会造成电流的流动。可以形成电流和电压并用于给电池充电。机器人10随后根据其巡检任务行进，直到机器人10 的电池需要再充电为止，此时机器人10移动到机器人10可以给自身再次充电的下一个可用结构件。 如图2和3中所示，机器人10包括由平台14互连的一对转向架12和13。转向架12和13包括分别具有用于卡合到屏蔽线11上并允许机器人10在屏蔽线11移动的滚轮 16A, 16B, 16C以及17A, 17B和17C的驱动系统15A和15B。转向架12和13通过枢转臂20 和21被连接至平台14的支撑件19。平台14进一步包括连接至支撑件19的吊斗22。吊斗22装有所有的电气硬件并且提供用于工具等的存储空间。如图所示，吊斗22被安装在支撑件19的顶部；但是，应该意识到吊斗22也可以像图1那样被安装至支撑件19底部。参照图4，枢转臂20和21 (在图4中仅示出了枢转臂20)包括支架23和24以及心轴26和27，具有安装系统28和29用于将枢转臂20和21安装至支撑件19的相对端。 为了简单起见，仅对枢转臂20进行详细介绍一枢转臂21与枢转臂20相同。如图所示，支架23被枢转地连接至转向架12以允许平台14相对于转向架12枢转或移动，并且心轴26 在第一端被可旋转地连接至支架23以允许平台14相对于支架23铰接。这就允许平台14 以及转向架12和13相对于彼此具有移动自由度，从而允许机器人10转圈移动或者上坡和下坡移动。 安装系统28被连接至心轴26的第二端以允许将心轴26连接至支撑件19。安装系统28包括连接至支撑件32的一对轴套30和31以及延伸穿过其中用于连接至支撑件19 的紧固件33和34。如图所示，支撑件19被设置在轴套30和31上方以使得紧固件33和 34延伸穿过支撑件19内的孔从而允许将支撑件19牢固地固定至心轴26。参照图5和6，滚轮16A和17A分别被安装至滚轮平台37A和37B，用于在图7中的用来在相对滚轮(例如16A和16B，16C)之间接纳屏蔽线的开放位置和在图8中的用来在相对滚轮之间固定屏蔽线的关闭位置之间移动。为了进行说明，将只介绍平台37A。滚轮平台37A被可操作地连接至允许平台37A在其上滑动的一对滑轨38和39。齿条和小齿轮组40和41将平台37A在开放位置和关闭位置之间移动并且包括齿条42和43、小齿轮44 和45以及用于转动小齿轮44和45的电机47和48，由此促使平台37A移动。平台37A也可以如图9中所示被限制为一定的最大开度以避免滚轮脱离屏蔽线。这可以通过接合图10 中的齿轮锁50实现，齿轮锁50阻止平台37A的开度超过最大允许开度。参照图10，驱动系统15A和15B中的每一个都包括用于驱动滚轮16B和16C以及 17B和17C的电机和齿轮箱。为了简单起见，只对驱动系统15A进行介绍。如图所示，驱动系统15A包括可操作地连接至滚轮16B和16C的一对电机51和52。电机51和52驱动滚轮16B和16C以沿着屏蔽线11推进机器人10。双速齿轮箱54也被用于帮助电机51和52 来驱动滚轮16B和16C。齿轮箱54包括用于发起低速/高转矩的第一档位设定以及用于发起高速/低转矩的第二档位设定。第一档位设定被用于通过斜坡、障碍物或转向器(在下文中介绍)。第二档位设定被用于在需要的时候提供高速巡检。滚轮锁或驻车制动器53 被提供用于在大风、结冰或妨碍机器人10正常移动性的倾斜的情况下将滚轮16B和16C在屏蔽线11上锁定就位。这就允许机器人10将自身锁住以避免损坏。参照图12和13，通过具有中央处理器61和微控制器62的控制系统60来控制机器人10。处理器61和微控制器62融合来自多个传感器(在下文中介绍)的数据，从而提高测量值的置信度并且得出用单个传感器无法得到的结论。处理器61针对需要与用户以及时的方式进行通信的状态建立报警标准。警报是以实时传感器的数值和逻辑状态为基础。警报在无线信道(在下文中介绍)上被发送至中央网络服务器。中央处理器61智能地管理并利用其资源来收集有意义的传输线路系统巡检数据以及内部的健康度数据。处理器61测试所有子系统例如电池、太阳能电池板、一个或多个驱动电机、传感器和通信系统的状态。子系统故障或性能受损根据危急程度的级别从“性能下降”到“紧急停机”进行分类。系统健康度代码被保存在系统文件内用于维护诊断。处理器61监测电池的充电状态、太阳能电池的充电电流以及计算机和传感器的 负载功率。基于这些信息，处理器控制动力以确保机器人10以安全和可靠的方式工作。而且，处理器61和微控制器62允许通过无线信道手动地实时控制机载传感器以允许用户命令机器人前往特定位置、获取图像或者执行其他需要的功能。控制系统60进一步包括多个传感器、照相机和通信设备。以下将一一进行介绍。 控制系统60包括多部高分辨率照相机(前视照相机63、后视照相机64和俯视照相机66) 用于巡检线路走廊、导体、绝缘体和塔架。照相机包括自动曝光控制和自动对焦。光源67 和68也被设置用于前视照相机63、后视照相机64和俯视照相机66。还包括多部短焦距照相机(前视照相机70和后视照相机71)用于通航净空。光源67和68也可以被用于照相机70和71。俯视照相机66提供线路走廊巡检和相导体巡检。还可以使用红外俯视照相机 1。照相机63，64，66，70和71中的一部或多部也可以被用于观察正在经过的屏蔽线以及转向器(在下文中介绍)。来自照相机的视图可以由远程操作人员使用来评估移动问题。照相机可以被用于评估屏蔽线，或者利用图像识别来自动地识别无法越过的移动难题。 如果识别出有移动难题，那么可以将图像发送给操作人员。对由照相机63，64，66，70和71 提供的图像进行的图像处理也可以被用于识别图像内的选定区域或目标，确定目标或部件的尺寸，并根据存储的参考数据识别改变之处。激光测距仪73被提供用于扫描机器人10下方的线路走廊和传输线路部件。测距仪73记录跨越线路走廊时线路内目标的高度曲线并随着机器人10的前进建立连续的记录的跨越迹线。控制系统60分析测距仪73的数据以识别出线路走廊曲线内与参考数据库不同的特征。控制系统60还分析测距仪73的数据以识别出到导体的距离并确定导体距地面的高度。这就使得系统60能够确定导体的下降。声学传感器74接收可以在连续的基础上或周期性的基础上进行数字记录的声信号。带有时间标记的记录可以转送到中央服务器以与异常事件进行关联。机载的声信号处理可以被用于识别问题状况(鸟类行为、电晕、电弧、传动系磨损或损坏检测等)。通过使用多个麦克风，声学传感器74也可以被用于得出声信号的来源方向。控制系统60内还包括多个其他的传感器和设备以向设施提供准确和最新的信息。例如，设有用于测量外部空气温度、相对湿度和风速的气象传感器76-78 ；用于测量机器人10内温度的机器人内部温度传感器79 ；用于确定何时可能会发生闪电事件的DC充电传感器80 ；用于测量机器人10和屏蔽线11倾斜或竖直偏斜并识别屏蔽线11所有的主要振动模式的三维加速计81 ；用于为机器人10提供能够检测射频干扰的宽频带射频检测器的射频干扰传感器82 ；用于从沿导体、绝缘体、塔架或其他传输线路部件设置的分布式传感器读取数据的无线传感器读取装置83 ；用于识别机器人10的位置和速度的全球定位传感器(GPS)84 ；接近度传感器86 ；用于允许在本地对接站给电池充电的塔架接触器87 ；由内存管理器89管理以用于存储数据例如映射数据、巡检数据、报警数据、健康度数据等的非易失性存储器88 ；以及具有本地无线调制解调器91和卫星无线调制解调器92的通信系统90。通信系统90通过本地无线调制解调器91或卫星无线调制解调器92向系统操作人员发送关键信息并提供控制选择。机器人10被设计为在预先编程设定的路径上自主行进并向系统操作人员无线地送回关于线路和机器人10状况的数据。机器人10收集数据和就地处理数据，并随后仅将关键结果送回给操作人员。操作人员可以通过向机器人10发出请求 而下载更为详细的数据。机器人10还允许远程操作人员给它指令以移动到特定的场所或位置，采用特定的动作例如前后移动，以及获取特定图像等。本地无线调制解调器91 还允许进行本地无线通信以允许在机器人10短距离内的用户来控制主要功能、请求机器人的状态、初始化配置以及从无线设备例如手机下载传感器数据。利用机载GPS系统84来确定机器人的位置和速度。在正常情况下，机器人10以节约电力同时执行非常详细评估的速度在屏蔽线11 上移动。目的是为了使提供的巡检超过或者至少是等价于综合式悬停直升机巡检。在检测到架空传输线路中有问题的情况下，操作人员可以使机器人10加速并将机器人10送往检测到问题的地方进行检查。而且，如果机器人10上的风速传感器确定风速过大，或者如果内部温度传感器确定机器人10的内部温度过高，那么机器人10就可以自我关机以避免损坏。如图所示，微控制器62利用从传感器收集的数据以及控制系统60中的设备来控制机器人10的电机和制动传动装置。参照图14-17，示出了通常用附图标记100表示的根据本发明的实施例的转向系统。如图所示，机器人10沿屏蔽线11行进以使得能够更简单地跨越结构件96、更易于维护并降低电场和磁场的影响。转向系统100可以被安装在屏蔽线11上以允许机器人跨越位于屏蔽线11上的结构件96或支撑屏蔽线11的结构件例如塔架。转向系统100包括通过一对转向器102和103与屏蔽线11互连的桥接线101，转向器102和103位于桥接线101 的相对端以允许机器人10脱离屏蔽线11，接合桥接线101，然后与屏蔽线11重新接合。如图14-17所示，转向系统100可以被用于像图14中那样跨越线路内的目标，像图15中那样跨越连接点例如线路内的T形部分，像图16-17中那样跨越角柱或其他结构，以及跨越其他类型的目标。另外，转向系统100可以包括像图14，15和17中那样的柔性桥接线(也就是电缆等)或者包括像图16中所示那样的可以被模制以提供所需路径的刚性桥接线(杆、管等)。如图所示，在图17示出的结构中使用转向系统100时，转向器105还被用于给桥接线 101提供支撑。以下介绍不同类型的转向器。转向器102和103是相同的，因此为了进行说明，将只详细介绍转向器102。如图 18和19中所示，转向器102被连接至屏蔽线11并包括第一转接部分110用于将机器人从屏蔽线11转接到转向器102上，具有预定过渡半径的交叉部分111，如图19中所示用于使机器人10的滚轮转向到转向系统100上并允许桥接线101在屏蔽线下方适合用于允许机器人10跨越目标的一定距离处通过，转向限制器112用于将转向器102保持就位，以及第二转接部分113用于将机器人转接到桥接线101上。转向器103与转向器102相同并且被用于将机器人10从桥接线101转接至屏蔽线11。转向器102可以是单件式结构或者包括螺接在一起的多个部件以允许更加容易地安装到屏蔽线11上。如图所示，第一和第二转接部分110和113被成形为迫使驱动系统15A中的滚轮 16A-16C以及驱动系统15B中的滚轮17A-17C从围绕屏蔽线11的关闭位置移动到尺寸与交叉部分ill的宽度相匹配的开放位置(第一转接部分110)，然后从尺寸与交叉部分111的宽度相匹配的开放位置返回到围绕桥接线101的关闭位置(第二转接部分113)。转向器 103以相反方向工作。转向器102的侧面114和115被成形为与滚轮16A-16C以及17A-17C中的凹槽相匹配以使得滚轮16A-16C以及17A-17C与转向器102保持紧密、防滑的连接。 类似于转向器102，图20中的转向器105也包括第一和第二转接部分120和122 以及交叉部分121。除了交叉部分121不具有预定的半径以允许桥接线101在屏蔽线下方通过以外，转向器105的工作方式与转向器102相同。在此情况下，转向器105被设计用于如图17中所示给桥接线101提供支撑并且固定为与桥接线101共线。转向器105还包括用于安装至图17中支撑结构124的组装件123。组装件123可以是用于安装至支撑件例如支撑件124的单支架，也可以是例如图21中所示的用于安装至支撑件125的双支架或任意其他合适的结构。这种结构允许支撑件沿任意所需的路径来支撑桥接线101。参照图22，示出了以附图标记130的根据一个实施例的另一种转向器。类似于转向器102，转向器130也包括第一和第二转接部分131和133、具有预定过渡半径的交叉部分132以及转向限制器134。与转向器102不同的是，转向器130的第二转接部分133是平行的支路设计，允许将转向器130连接至刚性的平行分支桥接线136。为了简单起见，参照转向器102和驱动系统15A来介绍以下的过程。应该意识到所介绍的用于驱动系统15A的过程也可以应用于驱动系统15B。参照图23和24，当机器人 10靠近转向系统100时，驱动系统15A就脱离屏蔽线11并接合转向器102中的第一转接部分110，行进越过交叉部分111，然后接合到桥接线101上。传感器140-143在滚轮16A-16C 接合与脱离转向器102时告知机器人10。一旦机器人10已经跨越结构件96，驱动系统15A 就脱离转向器103并重新接合屏蔽线11。这种方法降低了机器人10的复杂性并允许机器人10轻易地跨越结构件96。这种方法还降低了功率要求并且不再需要复杂的控制系统，从而增加了可靠性。如图25中所示，示出了通常用附图标记200表示的根据本发明的实施例的传感器系统。系统200包括沿传输线路设置的多个在关键位置放置的传感器(例如RF传感器)230。系统200可以被实施为监测和巡检架空传输线路并连续地评估部件例如绝缘体、 导体和压缩连接器的相关事项。例如，传感器230可以被布置在环境压力有影响的区域内或者已经装有特定部件类型的区域内。布置的传感器230连续地收集数据，由此形成直方图并确定最大值。历史结果和当前的测量值在机器人10靠近传感器230附近时可以被发送给机器人10以供分析，或者传感器230也可以与地面人员、直升机以及能够从传感器230 接收数据的其他巡检方法结合使用。应该意识到还可以安装本地基站以连续地进行监测并从传感器230收集数据。系统200允许远程定位的人员获得传输线路部件和线路走廊状况的最新详细情况，由此在减少操作和维护成本的同时还提高了可靠性。以上已经介绍了线路巡检机器人和系统。尽管已经介绍了本发明的特定实施例， 但是可以对本发明进行各种修改而并不背离本发明的实质和保护范围，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。因此，对本发明优选实施例和用于实施本发明的最佳模式提供上述说明仅仅是为 了进行解释，而并不是为了加以限制。
权利要求
1.一种线路巡检机器人，包括(a)用于沿线路推进机器人的至少一个驱动系统；(b)适合用于相对于所述至少一个驱动系统枢转的平台；以及(c)适合用于控制机器人的控制系统。
2.如权利要求1所述的线路巡检机器人，其中所述至少一个驱动系统包括适合用于卡合到线路上并允许机器人在线路上移动的多个滚轮。
3.如权利要求2所述的线路巡检机器人，其中所述至少一个驱动系统进一步包括用于驱动多个滚轮的齿轮箱。
4.如权利要求2所述的线路巡检机器人，其中所述多个滚轮适合用于在用来接纳线路的开放位置和用来将线路固定在多个滚轮之间的关闭位置之间移动。
5.如权利要求1所述的线路巡检机器人，其中所述平台包含控制系统的电气硬件。
6.一种线路巡检机器人，包括(a)由平台互连并且适合用于沿屏蔽线推进机器人的一对间隔开的转向架；以及(b)由平台容纳并且适合用于控制线路巡检机器人的控制系统。
7.如权利要求6所述的线路巡检机器人，其中每一个转向架都包括驱动系统，所述驱动系统包括(a)用于卡合到屏蔽线上并允许机器人在屏蔽线上移动的多个滚轮；以及(b)用于驱动多个滚轮中的一部分的齿轮箱。
8.如权利要求7所述的线路巡检机器人，其中所述多个滚轮中的至少一个被安装至滚轮平台以在开放位置和关闭位置之间移动，在开放位置屏蔽线被接纳在多个滚轮之间，在关闭位置屏蔽线被固定多个滚轮之间。
9.如权利要求7所述的线路巡检机器人，其中所述驱动系统进一步包括可操作地连接至多个滚轮的电机。
10.如权利要求6所述的线路巡检机器人，其中所述平台被枢转地连接至转向架以允许机器人转圈移动或者上坡和下坡移动。
11.如权利要求6所述的线路巡检机器人，其中所述控制系统包括中央处理器和微控制器用于融合来自多个传感器的数据，从而提高测量值的置信度并且响应于所述数据控制机器人。
12.如权利要求6所述的线路巡检机器人，其中所述控制系统包括(a)用于巡检线路走廊、导体、绝缘体和塔架的多部高分辨率照相机；(b)用于通航净空的多部短焦距照相机；(c)用于扫描线路走廊和传输线路部件的激光测距仪；以及(d)适合用于接收声信号以识别问题状况以及问题状况来源的方向的声学传感器。
13.如权利要求6所述的线路巡检机器人，其中所述控制系统包括(a)用于测量外界空气温度、相对湿度和风速的气象传感器；(b)用于确定机器人工作温度的机器人内部温度传感器；(c)用于确定何时可能发生闪电事件的DC充电传感器；(d)用于测量机器人倾斜或竖直偏斜并识别屏蔽线主要振动模式的三维加速计；以及(e)用于提供宽频带射频干扰检测的射频干扰传感器。
14.如权利要求6所述的线路巡检机器人，其中所述控制系统包括用于读取来自沿传输线路设置的分布式传感器的数据的无线传感器读取装置。
15.如权利要求6所述的线路巡检机器人，其中所述控制系统包括具有本地无线调制解调器和卫星无线调制解调器用于发送和接收数据的通信系统。
16.如权利要求6所述的线路巡检机器人，进一步包括太阳能电池板用于收集太阳能以给机器人充电，太阳能电池板被设置在机器人上以使得雨水和重力洗去杂物。
17.如权利要求6所述的线路巡检机器人，进一步包括驻车制动器以在环境条件妨碍机器人正常移动性的情况下将转向架的滚轮在屏蔽线上锁定就位。
18.如权利要求7所述的线路巡检机器人，其中齿轮箱是双速齿轮箱以提供具有低速/ 高转矩的第一档位设定和具有高速/低转矩的第二档位设定。
19.一种线路巡检系统，包括(a)线路巡检机器人，具有(i)由平台互连并且适合用于沿屏蔽线推进机器人的一对间隔开的转向架；( )由平台容纳并且适合用于控制线路巡检机器人的控制系统；以及(iii)无线传感器读取装置；(b)沿架空传输线路设置的多个传感器，其中传感器收集关于架空传输线路及其部件健康度的数据，并且其中当机器人靠近传感器附近时，无线传感器读取装置就接收由传感器发送的数据以由机器人进行分析。
全文摘要
本发明涉及一种用于巡检传输线路部件和线路走廊状况的架空传输线路巡检机器人及系统。线路巡检机器人包括用于沿线路推进机器人的至少一个驱动系统，适合用于相对于至少一个驱动系统枢转的平台，以及适合用于控制机器人的控制系统。
文档编号B25J5/00GK102317041SQ201180001058
公开日2012年1月11日 申请日期2011年2月10日 优先权日2010年2月10日
发明者J. 菲利普斯 A., R. 巴特莱特 G., 马约 M. 申请人:电力研究所有限公司