高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备及方法

本发明涉及高压输电铁塔结构件在线修复与再制造领域，具体涉及一种高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备及方法。

背景技术：

电力的安全、稳定几乎是目前各行各业中最基本的保障，而高压输电铁塔在电力的输送过程中，起着至关重要的作用。高压输电铁塔往往在经过风化、暴晒、腐蚀、电击、冰结等恶劣环境持续作用后，铁塔构件将会破损、断裂，对于地处偏远高险位置的山区，如不进行及时巡检和修复，将会因为铁塔的倒塌而导致被输送地区大面积停电，影响当地居民的生活和地区的经济发展，甚至也会因为铁塔坍塌，将高压输电线拖吊至地面而引发触电、火灾等危险。现如今，对高压输电铁塔的巡检修复方式依然还存在传统的效率低下且危险性极高的人工攀援巡检修复，为此人们研制出一种能够代替人工的机器对铁塔进行攀爬越障，并自带摄像头和焊接头等自动化设备对铁塔的进行检测修复。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供了高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备及方法，该设备自动化程度高，爬行灵活，巡检简便，修复高效，能取代人工进行高空作业，对铁塔结构件修复。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备，它包括用于对整个设备进行平衡支撑及移动的爬行机械腿，所述爬行机械腿安装在爬行控制箱上，所述爬行控制箱的顶部通过爬行主控箱盖上的第一凸块和第二凸块套合固定安装有巡检修复装置，所述巡检修复装置的顶部安装有多自由度的夹持稳定机械臂和巡检修复机械臂。

所述爬行控制箱的六角位置分别布置安装有转动副，每个转动副所在位置都分别对应安装一只多自由度的爬行机械腿；所述爬行控制箱的内部设置有爬行电路控制面板、爬行部分电源、爬行信号接收器和爬行信号反馈器。

所述爬行机械腿包括电机支架，所述电机支架上依次安装有一级电机、二级电机、三级电机和四级电机；所述四级电机的输出末端安装有电磁电路吸附控制装置，所述爬行信号接收器在接收运动指令后，通过爬行电路控制面板对爬行机械腿的各级电机以及电磁电路吸附控制装置进行驱动控制，进而控制爬行机械腿爬行吸附。

所述巡检修复装置包括巡检修复系统主控箱，所述巡检修复系统主控箱内包括巡检电路控制面板、巡检部分电源、夹持稳定机械臂信号接收器、夹持稳定机械臂信号反馈器、巡检修复机械臂信号接收器、巡检修复机械臂信号反馈器和焊机；

所述巡检修复系统主控箱与箱盖通过螺钉进行连接，箱盖上设置有用于安装巡检修复机械臂的第一基座连接板和用于安装夹持稳定机械臂的第二基座连接板。

所述巡检修复机械臂包括第一旋转底座，所述第一旋转底座上安装有第一一级转动副，第一一级转动副上依次安装有第一一级机械臂、第一二级转动副、形貌检测仪和第一二级机械臂、焊枪机械手腕转动头和焊枪机械臂手腕，所述焊枪机械臂手腕上安装有反求装置，所述反求装置底端安装有反求摄像装置，所述焊枪机械臂手腕前端安装有转换头。

所述转换头的各个接头分别安装有旋转铣刀头、旋转刷头和焊枪头，所述旋转铣刀头配备有不同尺寸的可更换刀头。

所述反求装置能够通过扫描获取被巡检铁塔主材及斜材角钢的表面形貌信息数据，包括：角钢锈迹程度、锈迹层厚度、锈迹修复面积及锈迹处可修复性，通过形貌观测获取表面形貌信息数据后，对可修复的锈迹处进行如下修复过程：a采用旋转刷头对锈迹处进行刷磨除锈；b对厚度薄且刷磨不成功的锈迹层采用旋转铣刀头进行铣削去除原锈迹层；c对刷磨及铣削后的锈迹处进行反求修复操作，通过在线反求计算得出其缺省部位的三维模型，并通过与原没有缺省部位的模型作对比，从而对角钢上的缺省部位进行识别和建模，将所得数据反馈发送至地面计算机，经过计算后，相关程序会对缺省部位模型分层并做出焊接机械手上末端焊枪头的融覆路径规划，进而生成相应的机械手运行指令，通过机械手上末端焊枪头增材融覆成型来修复缺陷，从而自动执行修复工作。

所述夹持稳定机械臂包括第二旋转底座、第二一级转动副、第二二级转动副、第二一级机械臂、第二三级转动副、第二四级转动副、第二二级机械臂、第二五级转动副、夹持抓取机械手腕和机械手，各级转动处由电机控制，机械手的夹持通过舵机控制，通过齿轮啮合进行夹持，在巡检修复机械臂进行修复工作前，控制夹持稳定机械臂对主材或斜材进行抓取结合爬行机械腿磁吸作用保证整机设备的稳定条件下，对需要修复的表面进行稳定修复。

所述第二旋转底座上有支撑结构，各级机械臂配合时留出空隙，当设备处于保养和停止状态时可以折叠设备，各机械臂间的伸展和收缩便捷，适用于对工作结束后的整机装置收纳和运输。

高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备进行铁塔爬行巡检修复的方法，包括以下步骤：

步骤一：将高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备放至地面离铁塔不远处，通过操作手柄，控制爬行机械腿开始爬行，爬行至铁塔底部后，启动巡检修复机械臂的反求摄像装置，随整机装置的爬行，开始对铁塔四面进行环绕巡检；

步骤二：根据步骤一确定好须修复的锈迹处后，控制夹持稳定机械臂，将其夹持在合适的铁塔主材或斜材位置，对即将进行修复操作的整机装置起到夹持稳定的作用；

步骤三：启动巡检修复机械臂的反求装置，通过扫描获取被巡检铁塔主材及斜材角钢的表面形貌信息数据，包括：角钢锈迹程度、锈迹层厚度、锈迹修复面积及锈迹处可修复性；

步骤四：通过形貌观测获取表面信息后，对可修复的锈迹处进行如下的修复过程：转动转换头，采用旋转铣刀头先对厚度薄且刷磨不成功的锈迹层进行铣削去除原锈迹层；再采用旋转刷头再对铣削后的锈迹处的铁锈渣进行打磨清理；最后采用焊枪头，对铣削及刷磨后的缺陷处进行反求修复操作，通过在线反求计算得出其缺省部位的三维模型，并通过与原没有缺省部位的模型作对比，从而对角钢上的缺省部位进行识别和建模，将所得数据反馈发送至地面计算机，经过计算后，相关程序会对缺省部位模型分层并做出焊接机械手上末端焊枪头的融覆路径规划，进而生成相应的机械手运行指令，通过机械手上末端焊枪头增材融覆成型来修复缺陷，从而自动执行修复工作；

步骤五：对铁塔锈迹处修复完毕后，操作控制手柄，开始对铁塔进行爬行运动，对于先接触到铁塔的电磁电路吸附控制装置先通电，经过电磁作用固定在铁塔上，其它机械腿，随即越过前腿，确定好下一步落脚点后通电吸磁，固定在铁塔上，通过上述反复爬行，高度升至两个整机装置单位后，结合爬行部分的电磁爬行，开始对铁塔进行环绕式爬行巡检；

步骤六：重复步骤二、三、四和五的巡检修复操作，直至修复完输电铁塔的所有锈迹缺陷处，对于修复焊丝或电量不足情况，需操作自动化设备返回地面进行人工补充和更换。

本发明有如下有益效果：

1、通过采用上述结构的高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备、遥控装置和计算机等均可以由小型车辆直接运输到高压输电铁塔踏脚附近，就地完成装备的安装、试验和检测，只需要1-2人在地面操作控制即可完成简单的爬行巡检修复作业，进而摆脱了传统的人工爬行巡检修复工作的危险性，提高了工作效率和可靠性。

2、通过采用上述结构的爬行巡检修复设备，在工作过程中，首先将整机装置安装完成后，将装置的爬行部分朝着地面放置于输电铁塔附近，操控遥控控制手柄装置，使得整机装置在爬行机构的运动下靠近高压输电铁塔，并对铁塔四周进行巡检修复，巡检过程通过启动巡检修复机械臂的摄像装置，通过信号反馈至计算机，再由人工根据反馈到计算机的摄像图形，对锈迹程度及可修复程度进行识别，再针对可修复位置进行修复，修复过程首先控制夹持稳定机械臂和机械手，通过夹取铁塔主材或斜材的角钢，以稳定整机设备，保证修复的可靠性。夹持稳定后，控制巡检修复机械臂的第一旋转底座、第一一级机械臂、第一二级机械臂和机械手腕，对准所要修复的位置，旋转转换头，采用铣削头对输电铁塔主材或斜材的角钢铁锈处进行铣削，去除铁锈等腐蚀部分，再转换转换头选择刷磨头对铣削处进行打磨并去除铁锈残渣，最后选择电焊枪头，并启动反求摄像装置，对铣削和刷磨后的角钢缺陷处进行识别，建立三维模型，与原没有缺省部位模型进行对比，计算机会对缺省部位模型分层并生成转换头上末端焊枪的融覆路径和转换头工作情况进行规划，生成相应的机械手运行指令，通过机械手上末端焊枪增材融覆成型来修复缺陷，在初步修复完成后，旋转转换头更换铣刀部件进行表面再加工，修复应力集中或其他加工缺陷，完成修复工作。

3、根据反求原理和方法，大大的提高了高压输电铁塔的修复效率和精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1为本发明中高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备总装立体图。

图2为本发明中高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备爬行主控箱内原理组成图。

图3为本发明中高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备爬行机械腿结构组成图。

图4为本发明中高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备爬行部分结构部分总示意图。

图5为本发明中高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备巡检修复主控箱内原理组成图。

图6为本发明中高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备巡检修复主控箱底部示意图。

图7为本发明中高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备巡检修复主控箱箱盖示意图。

图8为本发明中高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备巡检修复机械臂结构示意图。

图9为本发明中高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备巡检修复机械手腕结构示意图。

图10为本发明中高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备夹持稳定机械臂结构示意图。

图中：爬行机械腿1、爬行控制箱2、巡检修复装置3、夹持稳定机械臂4、巡检修复机械臂5、转动副6、爬行电路控制面板7、爬行部分电源8、爬行信号接收器9、爬行信号反馈器10、一级电机11、二级电机12、三级电机13、四级电机14、电机支架15、电磁电路吸附控制装置16、第一凸块17、第二凸块18、爬行主控箱盖19、巡检修复系统主控箱20、巡检电路控制面板21、巡检部分电源22、夹持稳定机械臂信号接收器23、夹持稳定机械臂信号反馈器24、巡检修复机械臂信号接收器25、巡检修复机械臂信号反馈器26、箱盖27、第一基座连接板28、第二基座连接板29、第一旋转底座30、第一一级转动副31、第一一级转动副31、第一一级机械臂32、第一二级转动副33、形貌检测仪34和第一二级机械臂35、焊枪机械手腕转动头36、焊枪机械臂手腕37、反求装置38、反求摄像装置39、转换头40、旋转铣刀头41、旋转刷头42、焊枪头43、第二旋转底座44、第二一级转动副45、第二二级转动副46、第二一级机械臂47、第二三级转动副48、第二四级转动副49、第二二级机械臂50、第二五级转动副51、夹持抓取机械手腕52、机械手53、舵机54。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例1：

参见图1-10，高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备，它包括用于对整个设备进行平衡支撑及移动的爬行机械腿1，所述爬行机械腿1安装在爬行控制箱2上，所述爬行控制箱2的顶部通过爬行主控箱盖19上的第一凸块17和第二凸块18套合固定安装有巡检修复装置3，所述巡检修复装置3的顶部安装有多自由度的夹持稳定机械臂4和巡检修复机械臂5。通过采用上述结构的自动化设备能够用于高压输电铁塔的自动巡检和缺陷的自动修复，具体工作使用过程，通过爬行控制箱2控制爬行机械腿1移动，进而与铁塔的塔体固定，并带动整个设备在铁塔上移动，移动过程中，通过巡检修复装置3控制夹持稳定机械臂4和巡检修复机械臂5实现相应的动作，进而完成巡检和修复工作。

进一步的，所述爬行控制箱2的六角位置分别布置安装有转动副6，每个转动副6所在位置都分别对应安装一只多自由度的爬行机械腿1；所述爬行控制箱2的内部设置有爬行电路控制面板7、爬行部分电源8、爬行信号接收器9和爬行信号反馈器10。通过上述的爬行控制箱2其与远程控制手柄相连，并通过远程控制手柄发出控制指令传输到爬行信号接收器9，通过爬行信号接收器9将控制信号传递给爬行电路控制面板7，进而通过爬行电路控制面板7控制爬行信号反馈器10，最终实现整个爬行机械腿1的控制动作。

进一步的，所述爬行机械腿1包括电机支架15，所述电机支架15上依次安装有一级电机11、二级电机12、三级电机13和四级电机14；所述四级电机14的输出末端安装有电磁电路吸附控制装置16，所述爬行信号接收器9在接收运动指令后，通过爬行电路控制面板7对爬行机械腿1的各级电机以及电磁电路吸附控制装置16进行驱动控制，进而控制爬行机械腿1爬行吸附。通过上述的多个爬行机械腿1能够实现交替爬行的动作，进而与铁塔攀爬固定，最终带动整个设备爬行移动。

进一步的，所述巡检修复装置3包括巡检修复系统主控箱20，所述巡检修复系统主控箱20内包括巡检电路控制面板21、巡检部分电源22、夹持稳定机械臂信号接收器23、夹持稳定机械臂信号反馈器24、巡检修复机械臂信号接收器25、巡检修复机械臂信号反馈器26和焊机55；通过上述的巡检修复装置3能够在远程控制手柄的操作下实现相应的巡检修复作业。

进一步的，所述巡检修复系统主控箱20与箱盖27通过螺钉进行连接，箱盖27上设置有用于安装巡检修复机械臂5的第一基座连接板28和用于安装夹持稳定机械臂4的第二基座连接板29。通过上述的安装方式能够对夹持稳定机械臂4和巡检修复机械臂5进行可靠的固定安装。

进一步的，所述巡检修复机械臂5包括第一旋转底座30，所述第一旋转底座30上安装有第一一级转动副31，第一一级转动副31上依次安装有第一一级机械臂32、第一二级转动副33、形貌检测仪34和第一二级机械臂35、焊枪机械手腕转动头36和焊枪机械臂手腕37，所述焊枪机械臂手腕37上安装有反求装置38，所述反求装置38底端安装有反求摄像装置39，所述焊枪机械臂手腕37前端安装有转换头40。通过上述的巡检修复机械臂5能够实现相应的修复作业过程。

进一步的，所述转换头40的各个接头分别安装有旋转铣刀头41、旋转刷头42和焊枪头43，所述旋转铣刀头配备有不同尺寸的可更换刀头。通过不同的转换头40能够实现不同的修复动作。

进一步的，所述反求装置38能够通过扫描获取被巡检铁塔主材及斜材角钢的表面形貌信息数据，包括：角钢锈迹程度、锈迹层厚度、锈迹修复面积及锈迹处可修复性，通过形貌观测获取表面形貌信息数据后，对可修复的锈迹处进行如下修复过程：a采用旋转刷头42对锈迹处进行刷磨除锈；b对厚度薄且刷磨不成功的锈迹层采用旋转铣刀头41进行铣削去除原锈迹层；c对刷磨及铣削后的锈迹处进行反求修复操作，通过在线反求计算得出其缺省部位的三维模型，并通过与原没有缺省部位的模型作对比，从而对角钢上的缺省部位进行识别和建模，将所得数据反馈发送至地面计算机，经过计算后，相关程序会对缺省部位模型分层并做出焊接机械手上末端焊枪头43的融覆路径规划，进而生成相应的机械手运行指令，通过机械手上末端焊枪头43增材融覆成型来修复缺陷，从而自动执行修复工作。

进一步的，所述夹持稳定机械臂4包括第二旋转底座44、第二一级转动副45、第二二级转动副46、第二一级机械臂47、第二三级转动副48、第二四级转动副49、第二二级机械臂50、第二五级转动副51、夹持抓取机械手腕52和机械手53，各级转动处由电机控制，机械手53的夹持通过舵机54控制，通过齿轮啮合进行夹持，在巡检修复机械臂5进行修复工作前，控制夹持稳定机械臂4对主材或斜材进行抓取结合爬行机械腿1磁吸作用保证整机设备的稳定条件下，对需要修复的表面进行稳定修复。通过上述的夹持稳定机械臂4保证了修复过程中，对整个设备进行可靠固定和连接，保证了作业过程的安全性和稳定性。

进一步的，所述第二旋转底座44上有支撑结构，各级机械臂配合时留出空隙，当设备处于保养和停止状态时可以折叠设备，各机械臂间的伸展和收缩便捷，适用于对工作结束后的整机装置收纳和运输。

实施例2：

高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备进行铁塔爬行巡检修复的方法，包括以下步骤：

步骤一：将高压输电铁塔爬行巡检修复自动化设备放至地面离铁塔不远处，通过操作手柄，控制爬行机械腿1开始爬行，爬行至铁塔底部后，启动巡检修复机械臂5的反求摄像装置39，随整机装置的爬行，开始对铁塔四面进行环绕巡检；

步骤二：根据步骤一确定好须修复的锈迹处后，控制夹持稳定机械臂4，将其夹持在合适的铁塔主材或斜材位置，对即将进行修复操作的整机装置起到夹持稳定的作用；

步骤三：启动巡检修复机械臂5的反求装置38，通过扫描获取被巡检铁塔主材及斜材角钢的表面形貌信息数据，包括：角钢锈迹程度、锈迹层厚度、锈迹修复面积及锈迹处可修复性；

步骤四：通过形貌观测获取表面信息后，对可修复的锈迹处进行如下的修复过程：转动转换头，采用旋转铣刀头41先对厚度薄且刷磨不成功的锈迹层进行铣削去除原锈迹层；再采用旋转刷头42再对铣削后的锈迹处的铁锈渣进行打磨清理；最后采用焊枪头43，对铣削及刷磨后的缺陷处进行反求修复操作，通过在线反求计算得出其缺省部位的三维模型，并通过与原没有缺省部位的模型作对比，从而对角钢上的缺省部位进行识别和建模，将所得数据反馈发送至地面计算机，经过计算后，相关程序会对缺省部位模型分层并做出焊接机械手上末端焊枪头的融覆路径规划，进而生成相应的机械手运行指令，通过机械手上末端焊枪头增材融覆成型来修复缺陷，从而自动执行修复工作；

步骤五：对铁塔锈迹处修复完毕后，操作控制手柄，开始对铁塔进行爬行运动，对于先接触到铁塔的电磁电路吸附控制装置16先通电，经过电磁作用固定在铁塔上，其它机械腿，随即越过前腿，确定好下一步落脚点后通电吸磁，固定在铁塔上，通过上述反复爬行，高度升至两个整机装置单位后，结合爬行部分的电磁爬行，开始对铁塔进行环绕式爬行巡检；

步骤六：重复步骤二、三、四和五的巡检修复操作，直至修复完输电铁塔的所有锈迹缺陷处，对于修复焊丝或电量不足情况，需操作自动化设备返回地面进行人工补充和更换。