一种具有爬行纠偏的输电线路绝缘子清扫爬杆机器人的制作方法

本发明涉及一种机器人，尤其是一种具有爬行纠偏的输电线路绝缘子清扫爬杆机器人。

背景技术：

输电线路绝缘子表面经常会积累灰尘，产生污垢，污垢的堆积会使绝缘子表面的绝缘能力下降，使线路增大了产生污闪的现象，所以需要定期检查清理绝缘子表面，恢复线路绝缘水平、预防线路污闪事故发生，表面清洁的绝缘子能长期耐受工作电压的要求，保证绝缘子的安全运行。目前国内绝缘子清洗多采用机械清扫、水冲洗、气冲洗等方法，大部分绝缘子由于高度较高，需要作业人员攀爬电线杆才能完成，人工爬杆检查清扫，劳动强度大，存在安全隐患，作业效率低，在酷暑、严寒等恶劣气候环境下尤其明显。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种具有爬行纠偏的输电线路绝缘子清扫爬杆机器人，以安全、快速、高效的实现输电线路电杆攀爬及绝缘子的检查与清洗为目的。为此，本发明采取以下技术方案。

本发明包括用于攀爬电杆的爬杆机器人本体、设于爬杆机器人本体上部的用于对绝缘子进行摄像监测的带无线通讯模组的检测云台、设于爬杆机器人本体上部的用于对绝缘子进行清洗的清洗机械臂、设于爬杆机器人本体上的用于机器人爬行控制的控制模块和用于控制人员对机器人工作状态进行控制操作的带有无线通讯模组的机器人地面上位机控制系统，所述的爬杆机器人本体设有用于在爬杆时对爬杆轨迹进行纠偏的爬行纠偏装置，所述的控制模块设有用于使爬行纠偏装置进行爬行纠偏的运动纠偏控制系统，所述的地面上位机控制系统包括设有用于监测分析检测云台所发送图像的图像分析处理模块。爬杆机器人可以方便的实现对电杆的攀爬，在攀爬过程中，运动纠偏控制系统控制爬行纠偏装置对爬行轨迹的偏移进行纠偏，通过检测云台可以方便的实现对绝缘子的摄像，再把照片传输给机器人地面上位机控制系统进行故障分析，通过机器人地面上位机控制系统实现对机器人的姿态调整，控制清洗机械臂实现对绝缘子的清洗，杜绝了人工攀爬和普通人工机械清扫、水冲洗和气冲洗时存在的安全问题，提升了输电线路维护的方便性和维护效率，降低了劳动强度。

作为对上述技术方案的进一步完善和补充，本发明还包括以下附加技术特征。

所述的爬杆机器人本体包括竖向设置的升降导向杆、分别设于升降导向杆上部和下部的用于抱紧电杆的上抱杆臂和下抱杆臂、使上抱杆臂和下抱杆臂在电杆上抱紧张开的张紧装置、实现上抱杆臂和下抱杆臂以攀爬方式式竖向移动的升降机构，所述的上抱杆臂或下抱杆臂的其中之一可沿着升降导向杆竖向滑动，另一个与升降导向杆在高度向固定，所述的张紧装置和升降机构通过驱动电机驱动。通过驱动电机驱动升降机构和张紧装置，实现上抱杆臂和下抱杆臂在电杆上依次抱紧和张开，并使上抱杆臂或下抱杆臂沿着升降导向杆实现向上或向下滑动，并带动机器人本体实现升降，完成在电杆上的攀爬动作。

所述的升降导向杆包括左升降杆和右升降杆，对称的设于爬杆机器人本体的左右两侧，所述的上抱杆臂和下抱杆臂均包括左右相对设置的左抱环和右抱环、用于左抱环和右抱环抱紧电杆时压力检测的压力传感器，所述的左抱环和右抱环均包括设于前部的用于抱紧电杆的抓手、设于抓手后方的用于套在左升降杆和右升降杆上的滑套、设于滑套后方的尾杆。通过设于左升降杆和右升降杆上的左抱环和右抱环，利用左抱环和右抱环的抓手，在张紧装置的支持下，实现对电杆的抱紧和张开，压力传感器便于感知抱紧状态。

所述的爬行纠偏装置包括横向设于左抱环和右抱环的抓手前端的丝杆，丝杆相邻电杆一端设有夹爪，丝杆另一端连接有用于驱动丝杆转动的进给电机。通过压力传感器的感知，运动纠偏控制系统针对爬行过程中因左右不同受力进行纠偏，控制左抱环和右抱环上的进给电机产生针对性的驱动进给，实现纠偏操作。

所述的张紧装置包括设于上抱杆臂的左抱环和右抱环之间的上张紧装置、设于下抱杆臂的左抱环和右抱环之间的下张紧装置，所述的上张紧装置和下张紧装置均包括连接于左抱环和右抱环后端之间的用于使抓手抱紧电杆的张紧弹簧、设于左抱环和右抱环后端之间的用于使抓手松开电杆的凸轮机构，所述的电机为2个分别独立驱动上下凸轮机构的驱动电机。通过上张紧装置和下张紧装置的张紧弹簧和驱动电机的各自独立驱动的上下凸轮机构，实现对电杆的抱紧和张开，结构简单可靠。

所述的升降机构为连接于上下凸轮机构之间的曲柄连杆机构，每个凸轮机构均包括凸轮轴、设于凸轮轴上的前后排列的双凸轮、分别设于左抱环和右抱环尾杆上的两根位于双凸轮两侧的带抵触轮的触杆，所述的双凸轮旋转时，双凸轮的2个凸轮同时抵触各自触杆的抵触轮，所述的曲柄连杆机构的上下两端均连接于凸轮轴上，曲柄连杆机构运转一周，上下凸轮机构的双凸轮在机器人控制模块的控制下通过传感器传感和各自的电机驱动交替抵触各自两侧的抵触轮。上下双凸轮的形状结构相同，并分别由两个独立的电机带动。双凸轮旋转可以带动左抱环和右抱环的张紧与闭合，曲柄连杆机构使上下双凸轮相连接，下部双凸轮旋转可带动曲柄连杆机构运动产生距离变化，在上下抱杆手臂的配合下实现上下张紧机构的对电杆的交替抱紧和张开，实现机器人躯体的攀爬运动。

所述的电机为涡轮蜗杆减速电机。涡轮蜗杆减速电机拥有蜗轮蜗杆良好的自锁性能，能够有效预防断电等突发事件导致机器人下滑情况的发生。

所述的检测云台设有高清摄像头，所述的高清摄像头通过其自带的无线通讯模组与上位机控制系统连接。高清摄像头图像清晰，便于提升上位机控制系统的图像处理精确度。

所述的清洗机械臂包括旋转平台、可旋转的连接于旋转平台上部的下臂体、可旋转的连接于下臂体上端的上臂体、设于上臂体前端的可拆卸的清洗毛刷和清洗液喷射器，所述的旋转平台、下臂体、上臂体、清洗毛刷和清洗液喷射器均电连接到控制模块，所述的控制模块设有无线通讯模组。通过多个旋转自由度实现对绝缘子清洗时的控制，操控方便，能够实现有效清洗。

所述的清洗毛刷为电动旋转棒式毛刷，连接于上臂体前端，所述的清洗喷射器设于上臂体前端的上部。电动旋转棒式毛刷控制简单，清洗效果好，把清洗喷射器设于上臂体前端的上部，便于清洗液喷射到清洗的有效部位，清洗效果好。

所述的上抱杆臂和下抱杆臂朝向电杆的一侧设有用于感知电杆粗细的传感器。通过感知电杆的粗细实现对电杆尺寸和位置的检测，通过进给电机驱动丝杆实现对大小尺寸不同的电杆的适应性攀爬。

所述的图像处理模块设有对接收到的图像进行灰度化、二值化、图像去噪、特征提取功能。图像处理模块对图像进行灰度化、二值化、图像去噪、边缘特征提取等处理，通过边缘提取的方法可以获得图像处理后物体的轮廓，可以用来诊断输电导线是否存在导线断股等故障，便于上位机系统识别出输电导线断股、绝缘子积灰等故障，并将识别到的故障及时通知给工作人员。

所述的运动纠偏控制系统采用模糊控制方法实现对爬杆装置的纠偏控制，模糊控制方法包括以下步骤：

1）建立模糊集，当爬杆时，夹爪左右摩擦力大小不同，爬杆机器人所受的左右力矩也不再相同，会发生相对于杆柱的偏转，按照偏离程度将偏转角度分为5个隶属度：θ={左大偏，左小偏，不偏，右小偏，右大偏}={lb，ls，zr，rs，rb}，采用三角形隶属度函数可以实现调整角度的模糊化；

2）按照爬杆装置角度变化率可以将θ分为3个隶属度：

θ={左，零，右}={l，z，r}，采用三角形隶属度函数可以实现角度变化率的模糊化；

3）按照夹爪左右摩擦力的大小可将丝杆进给量s分为5个隶属度：

s={左多进给，左少进给，零，右少进给，右多进给}={zd，zx，ze，yx，yd}.采用三角形隶属度函数可以实现夹爪进给量的模糊化，产生如下模糊规则表：

通过上表的模糊规则，即可得出爬杆机器人转动角度和夹爪进给量之间的关系，进而可以完成对爬杆机器人的纠偏控制。

有益效果：能够快速方便的实现输电线路电杆的攀爬、输电线路检测和绝缘子清洗，降低了输电线路维护的劳动强度，提升了作业维护效率，另外机器人结构简单紧凑，便于搬运，智能化程度高、结构可靠性高，特别在气候和环境条件较差时提升了输电线路维护的安全性。

附图说明

图1是本发明正视结构示意图。

图2是本发明爬杆示意图。

图3是本发明俯视结构示意图。

图中：1-爬杆机器人本体；2-清洗机械臂；3-检测云台；4-电杆；5-绝缘子；101-升降导向杆；102-上抱杆臂；103-曲柄连杆机构；104-双凸轮；105-驱动电机；106-控制模块；107-张紧弹簧；108-下抱杆臂；109-触杆；110-左抱环；111-右抱环；112-尾杆；113-抓手；114-滑套；201-旋转平台；202-下臂体；203-上臂体；204-清洗毛刷；205-清洗液喷射器。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

如图1-3所示，包括用于攀爬电杆4的爬杆机器人本体1、设于爬杆机器人本体1上部的用于对绝缘子5进行摄像监测的带无线通讯模组的检测云台3、设于爬杆机器人本体1上部的用于对绝缘子5进行清洗的清洗机械臂2、设于爬杆机器人本体1上的用于机器人爬行控制的控制模块106和用于控制人员对机器人工作状态进行控制操作的带有无线通讯模组的机器人地面上位机控制系统，所述的爬杆机器人本体1设有用于在爬杆时对爬杆轨迹进行纠偏的爬行纠偏装置，所述的控制模块106设有用于使爬行纠偏装置进行爬行纠偏的运动纠偏控制系统，所述的地面上位机控制系统包括设有用于监测分析检测云台3所发送图像的图像分析处理模块。

为了实现在电杆4上的攀爬升降，爬杆机器人本体1包括竖向设置的升降导向杆101、分别设于升降导向杆101上部和下部的用于抱紧电杆4的上抱杆臂102和下抱杆臂108、使上抱杆臂102和下抱杆臂108在电杆4上抱紧张开的张紧装置、实现上抱杆臂102和下抱杆臂108以攀爬方式式竖向移动的升降机构，上抱杆臂102或下抱杆臂108的其中之一可沿着升降导向杆101竖向滑动，另一个与升降导向杆101在高度向固定，张紧装置和升降机构通过驱动电机105驱动。通过驱动电机105驱动升降机构和张紧装置，实现上抱杆臂102和下抱杆臂108在电杆4上依次抱紧和张开，并使上抱杆臂102或下抱杆臂108沿着升降导向杆101实现向上或向下滑动，并带动机器人本体实现升降，完成在电杆4上的攀爬动作。

为了实现上抱杆臂102和下抱杆臂108对电杆4的抱紧和张开，升降导向杆101包括左升降杆和右升降杆，对称的设于爬杆机器人本体1的左右两侧，上抱杆臂102和下抱杆臂108均包括左右相对设置的左抱环110和右抱环111、用于左抱环110和右抱环111抱紧电杆时压力检测的压力传感器，左抱环110和右抱环111均包括设于前部的用于抱紧电杆4的抓手113、设于抓手113后方的用于套在左升降杆和右升降杆上的滑套114、设于滑套114后方的尾杆112。通过设于左升降杆和右升降杆上的左抱环110和右抱环111，利用左抱环110和右抱环111的抓手113，在张紧装置的支持下，实现对电杆4的抱紧和张开，压力传感器便于感知抱紧状态。

为了实现纠偏操作，所述的爬行纠偏装置包括横向设于左抱环110和右抱环111的抓手113前端的丝杆117，丝杆117相邻电杆4一端设有夹爪118，丝杆117另一端连接有用于驱动丝杆117转动的进给电机116。通过压力传感器的感知，运动纠偏控制系统针对爬行过程中因左右不同受力进行纠偏，控制左抱环110和右抱环111上的进给电机116实现针对性的进给驱动，实现纠偏操作。

为了使左抱环110和右抱环111实现张紧动作，张紧装置包括设于上抱杆臂102的左抱环110和右抱环111之间的上张紧装置、设于下抱杆臂108的左抱环110和右抱环111之间的下张紧装置，上张紧装置和下张紧装置均包括连接于左抱环110和右抱环111后端之间的用于使抓手113抱紧电杆4的张紧弹簧107、设于左抱环110和右抱环111后端之间的用于使抓手113松开电杆4的凸轮机构，驱动电机105为2个分别独立驱动上下凸轮机构的驱动电机。通过上张紧装置和下张紧装置的张紧弹簧107和上下驱动电机105各自独立驱动的上下凸轮机构，实现对电杆4的抱紧和张开，结构简单可靠。

为了使上下抱杆手臂交替抱紧电杆4，实现攀爬升降运动，升降机构为连接于上下凸轮机构之间的曲柄连杆机构103，每个凸轮机构均包括凸轮轴、设于凸轮轴上的前后排列的双凸轮104、分别设于左抱环110和右抱环111尾杆112上的两根位于双凸轮104两侧的带抵触轮的触杆109，双凸轮104旋转时，双凸轮104的2个凸轮同时抵触各自触杆109的抵触轮，曲柄连杆机构103的上下两端均连接于凸轮轴上，曲柄连杆机构103运转一周，上下凸轮机构的双凸轮104在机器人控制模块106的控制下通过传感器传感和各自的驱动电机105驱动交替抵触各自两侧的抵触轮。上下双凸轮104的形状结构相同，并分别由两个独立的驱动电机105带动。双凸轮104旋转可以带动左抱环110和右抱环111的张紧与闭合，曲柄连杆机构103使上下双凸轮104相连接，下部双凸轮104旋转可带动曲柄连杆机构103运动产生距离变化，在上下抱杆手臂的配合下实现上下张紧机构的对电杆4的交替抱紧和张开，实现机器人躯体的攀爬运动。

为了再断电等突发事件时防止出现坠落等情况发生，驱动电机105为涡轮蜗杆减速电机。涡轮蜗杆减速电机拥有蜗轮蜗杆良好的自锁性能，能够有效预防断电等突发事件导致机器人下滑坠落等情况的发生。

为了提升图像处理效果，检测云台3设有高清摄像头，高清摄像头通过其自带的无线通讯模组与上位机控制系统连接。高清摄像头图像清晰，便于提升上位机控制系统的图像处理精确度和效果。

为了便于控制，实现有效清洗，清洗机械臂2包括旋转平台201、可旋转的连接于旋转平台201上部的下臂体202、可旋转的连接于下臂体202上端的上臂体203、设于上臂体203前端的可拆卸的清洗毛刷204和清洗液喷射器205，旋转平台201、下臂体202、上臂体203、清洗毛刷204和清洗液喷射器205均电连接到控制模块106，控制模块106设有无线通讯模组。通过多个旋转自由度实现对绝缘子5清洗时的控制，操控方便，能够实现有效清洗。

为了实现更好的清洗效果，清洗毛刷204为电动旋转棒式毛刷，连接于上臂体203前端，清洗喷射器205设于上臂体203前端的上部。电动旋转棒式毛刷控制更简单，清洗效果好，把清洗喷射器205设于上臂体203前端的上部，便于清洗液喷射到清洗的有效部位，清洗效果更好。

为了适应大小尺寸不同的电杆4，所述的上抱杆臂102和下抱杆臂108朝向电杆4的一侧设有用于感知电杆4粗细的传感器。通过感知电杆4的粗细实现对电杆4尺寸和位置的检测，通过进给电机116驱动丝杆117实现对大小尺寸不同的电杆4的适应性攀爬。

为了实现对图像的识别，图像处理模块设有对接收到的图像进行灰度化、二值化、图像去噪、特征提取功能。图像处理模块对图像进行灰度化、二值化、图像去噪、边缘特征提取等处理，通过边缘提取的方法可以获得图像处理后物体的轮廓，可以用来诊断输电导线是否存在导线断股等故障，便于上位机系统识别出输电导线断股、绝缘子5积灰等故障，并将识别到的故障及时通知给工作人员。

运动纠偏控制系统采用模糊控制方法实现对爬杆装置的纠偏控制，模糊控制方法包括以下步骤：

1建立模糊集，当爬杆时，夹爪左右摩擦力大小不同，爬杆机器人所受的左右力矩也不再相同，会发生相对于杆柱的偏转，按照偏离程度将偏转角度分为5个隶属度：θ={左大偏，左小偏，不偏，右小偏，右大偏}={lb，ls，zr，rs，rb}，采用三角形隶属度函数可以实现调整角度的模糊化；

2按照爬杆装置角度变化率可以将θ分为3个隶属度：

θ={左，零，右}={l，z，r}，采用三角形隶属度函数可以实现角度变化率的模糊化；

3按照夹爪左右摩擦力的大小可将丝杆进给量s分为5个隶属度：

s={左多进给，左少进给，零，右少进给，右多进给}={zd，zx，ze，yx，yd}.采用三角形隶属度函数可以实现夹爪进给量的模糊化，产生如下模糊规则表：

通过上表的模糊规则，即可得出爬杆机器人转动角度和夹爪进给量之间的关系，进而可以完成对爬杆机器人的纠偏控制。

在机器人作业工作时，首先启动机器人，将机器人放置到电杆4边，此时上下蜗轮蜗杆驱动电机105同时转动带动凸轮机构转动，机器人的上抱杆臂102和下抱杆臂108同时张开，为爬上电杆4做准备；当抱杆臂完全环绕电杆4后，上下蜗轮蜗杆驱动电机105再次同时转动，使得上抱杆臂102和下抱杆臂108在弹簧的作用下抱紧电杆4，当上抱杆臂102和下抱杆臂108上的压力传感器返回压紧信号，则证明机器人已经完全抱紧电杆4，可以开始向上爬行；当机器人向上爬行时，上蜗轮蜗杆驱动电机105首先转动一定角度，上抱杆臂102完全张开并且不再与电杆4接触，当控制模块106检测到上抱杆臂102完全张开后，下部的双凸轮104将旋转一定角度，曲柄连杆机构103在下部双凸轮104的带动下推动机器人本体沿两侧的升降导向杆101向上运动，当传感器检测到曲柄连杆机构103到达指定位置后，上部的双凸轮104将再次旋转一定角度使得上抱杆臂102抱死电杆4，完成爬杆机器人本体1上半部分的上升；当机器人控制模块106检测到上抱杆臂102完全抱紧电杆4后，下部双凸轮104在下蜗轮蜗杆驱动电机105的驱动下转动一定角度，使得下抱杆臂108张开并不再与电杆4接触，当控制模块106检测到下抱杆臂108不与电杆4接触后，下部的双凸轮104将继续顺时针转过一定角度带动曲柄连杆机构103运动，曲柄连杆机构103的运动将带动机器人本体下半部分向上移动，当机器人本体下半部分上升到指定位置后，下抱杆臂108将在弹簧的作用下抱紧电线杆，当压力传感器再次检测到上抱杆臂102和下抱杆臂108都抱紧电线杆时，机器人本体已完成一次上升运动，行程约为曲柄连杆曲柄长度的两倍，在此过程中，上下凸轮机构的双凸轮104在机器人控制模块106的控制下通过传感器传感和各自的涡轮蜗杆减速电机驱动以1/2周期交替实现对电杆4的抱紧和张开；机器人通过以上不断重复的过程最终攀爬至电杆4顶部，当控制模块106检测到机器人已达到最佳作业位置时，检测云台3的高清摄像头启动，采集绝缘子5实时图像并通过无线通讯模组将采集到的图像信息发送给地面上位机控制系统，地面上位机控制系统对接收到的绝缘子5的照片进一步处理，并判断绝缘子5是否有污秽、裂纹、破损、腐蚀等异常状态，若发现绝缘子5存在污垢，地面控制人员将通过地面上位机控制系统界面遥控绝缘子5清洗机械臂2对绝缘子5进行清洗；完成绝缘子5清洗工作后，清洗机械臂2将收缩至最小状态，当地面控制人员发出下杆指令后，机器人本体在凸轮机构和曲柄连杆机构103的作用下逐渐下降到指定位置，最终由地面控制人员回收。

爬杆机器人方便的实现了电杆4的攀爬，通过检测云台3可以方便的实现对绝缘子5的摄像，再把照片传输给机器人地面上位机控制系统进行故障分析，通过机器人地面上位机控制系统实现对机器人的姿态调整，控制清洗机械臂2实现对绝缘子5的清洗，杜绝了人工攀爬和普通人工机械清扫、水冲洗和气冲洗时存在的安全隐患，提升了输电线路维护的方便性和维护效率，降低了劳动强度。

以上图1-3所示的一种具有爬行纠偏的输电线路绝缘子清扫爬杆机器人是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。