一种输电杆塔攀爬机器人控制系统及控制方法与流程

本发明涉及攀爬机器人领域，特别是涉及一种输电杆塔攀爬机器人控制系统及控制方法。

背景技术：

高压输电线路是电力系统的主要组成部分，其工作情况关乎供电的安全性、稳定性及可靠性，而输电线路与输电杆塔密切联系在一起，因此输电杆塔的维护与检修显得尤为重要，目前国内大部分高压输电杆塔的维护与检修多依赖于人工攀爬，由工作人员携带检修装置检查杆塔的状况，检修装置的重量以及杆塔结构的不同加上各种维护类型的复杂程度对工作人员提出很高的体力及技术要求，影响工作人员的自身安全。

随着智能机器人技术的不断提升，针对帮助提高工作人员人身安全且能够简单的对杆塔进行基本维护、参数检测功能的攀爬机器人的研制成为解决该问题的一个有效的方案，发明人发现目前爬树机器人控制系统无法越障，具体对于输电杆塔中的脚钉、斜撑、节点板及螺栓等障碍难于完成越障，现有的输电线路检测机器人的检测系统只需沿导线运动而难以完成攀爬的任务。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种输电杆塔攀爬机器人控制系统，通过对视觉识别模块和驱动控制模块的设置，使得机器人能够沿着杆塔的角钢攀爬，并且能成功翻越障碍物。

一种输电杆塔攀爬机器人控制系统，包括：

视觉识别模块，安装于机器人机身，用于监测机器人周围环境；

驱动控制模块，安装于机器人机身机械臂，机械臂包括外展机构和夹持机构，夹持机构与外展机构连接，驱动控制器模块用于控制机器人外展机构和夹持机构的动作；

升降控制模块，安装于机器人机身上下相邻两机械臂之间，用于通过升降机构控制机器人的升降动作，以实现机器人的攀爬动作；

主控器，视觉识别模块、夹持机构控制模块和升降控制模块分别通过通讯模块与主控器连接。

进一步地，控制系统还包括用于检测机器人运行状态的感知模块，感知模块与所述的主控器连接。

进一步地，所述视觉识别模块包括设于安装于所述机器人的无线收发器、第一摄像头和第二摄像头，两个摄像头分别用于获取机器人上方和下方的环境信息，且第一摄像头和第二摄像头均通过无线收发器与上位机连接，上位机与所述的主控器连接，无线收发器用来将摄像头拍摄到的画面传输到上位机，以完成进一步的图像处理。

进一步地，所述驱动控制模块包括多轴运动控制器、与多轴运动控制器分别单独连接的外展运动驱动单元和夹持运动驱动单元；

外展运动驱动单元包括第一外展驱动部件和第二外展驱动部件，这两个外展驱动部件上下设置，且第一外展驱动部件和第二外展驱动部件均包括外展驱动动力源；

或者，所述外展机构包括外展杆件，外展杆件内侧通过外展挡板设置第一丝杠，第一丝杠与外展驱动动力源连接，第一丝杠与所述的夹持机构连接。

进一步地，所述夹持运动驱动单元包括第一夹持驱动部件和第二夹持驱动部件，这两个夹持驱动部件上下设置，且第一夹持驱动部件和第二夹持驱动部件均包括夹持驱动动力源；

或者，所述夹持机构包括夹持杆件，夹持杆件内侧通过夹持挡板设置第二丝杠，第二丝杠与夹持驱动动力源连接，夹持杆件套于第一丝杠，且夹持杆件端部通过外展滑块安装在所述外展杆件的外展导轨，第二丝杠设有夹板，夹板端部通过夹持滑块安装在设于夹持杆件的夹持导轨。

进一步地，所述升降控制模块包括与所述升降机构连接的升降驱动动力源；

或者，所述机器人机身包括上下设置的安装板，每一安装板两侧分别设置所述的外展机构，安装板设于基座底板，所述升降机构的的两端分别与上部基座底板和下部基座底板连接；

或者，所述驱动控制模块还包括设于所述外展机构与所述基座底板之间的调整动力源，以使外展机构相对于安装板能实现摆动，实现夹持机构对杆塔的对中夹持。

进一步地，还包括安装于机器人机身的顶出控制模块，顶出控制模块包括顶出驱动动力源以控制顶出机构伸出与杆塔接触；

或者，所述顶出机构包括穿过所述安装板的顶出丝杠，顶出丝杠一端设置用于与杆塔接触的顶头，另一端设置所述的顶出驱动动力源。

进一步地，所述感知模块包括设于所述夹持机构的力传感器、设于所述外展机构用于检测外展机构与水平面夹角的倾角传感器，力传感器设于夹板或者夹持挡板内侧，用于测量夹持力度的变化；

所述感知模块还包括设于所述机器人机身的测距传感器，用于测量上下两机械臂的距离，且测距传感器安装于上部基座底板下表面，或者设于下部基座底板的上表面；

所述感知模块还包括安装于夹持机构、升降机构、外展机构的限位开关、光电编码器。

其中，倾角传感器设于外展杆件，视觉传感器测量杆塔侧部角钢相对于地面的倾斜角度α，倾角传感器测量杆塔与地面之间的角度β，两个传感器分别与控制器单独连接，控制器与所述的推杆部件连接，控制器为多轴运动控制器。

其中为保证夹持机构和角钢的平行贴合，α+β应为90°。由多轴运动控制器计算当前机器人夹持挡板与角钢之间的夹角α+β，当α+β等于90°时，此时机器人夹持挡板与角钢面呈平行状态，外展杆件和角钢垂直，不需要调整机器人姿态。当α+β大于90°时，此时机器人夹持挡板与角钢面不是平行状态，此时电动推杆应伸长，推动外展杆件绕摆动轴承运动，使外展杆件和角钢之间的角度减小，当α+β减小到90°时，此时夹持挡板和角钢面平行，外展杆件和角钢垂直，停止电动推杆运动，完成机器人的垂直对中操作。当α+β角度小于90°时，此时电动推杆应收缩，拉动外展杆件绕摆动轴承运动，使外展杆件和角钢之间的角度增大，当α+β增大到90°时，此时夹持挡板和角钢面平行，外展杆件和角钢垂直，停止电动推杆运动，完成机器人的垂直对中操作。

进一步地，控制系统还包括机械爪控制模块，机械爪控制模块设于机械爪，机械爪安装于机器人机身，机械爪控制模块与主控器连接，以控制机械爪的打开或闭合；

或者，所述机械爪包括设于所述机器人机身或外展机构的支座，支座与多臂机构连接，多臂机构端部设置机械爪；

所述多臂机构包括第一臂和第二臂，第一臂与支座通过第一电机连接，第二臂与第一臂之间设置第二电机，第二臂端部通过第三电机设置所述的机械爪。

输电杆塔攀爬机器人控制系统的控制方法，包括：

1)视觉识别模块拍摄机器人周围环境，并传送信息至主控器，若无障碍物，则开始攀爬；

2)通过驱动控制模块控制机器人上部机械臂的夹持机构向两侧张开，控制机器人上部机械臂的外展机构向杆塔外侧移动，使得机器人上部机械臂相对于杆塔松开；

3)通过升降控制模块动作，控制机器人上部机械臂抬升，到达设定位置后停止动作，驱动控制模块控制机器人上部机械臂的外展机构向杆塔方向移动，控制上部机械臂的夹持机构夹持杆塔侧部；

4)通过驱动控制模块控制机器人下部机械臂的夹持机构向两侧张开，控制机器人下部机械臂的外展机构向杆塔外侧移动，使得机器人下部机械臂相对于杆塔松开；

5)通过升降控制模块动作，控制机器人下部机械臂抬升，到达设定位置后停止动作，驱动控制模块控制机器人下部机械臂的外展机构向杆塔方向移动，控制下部机械臂的夹持机构夹持杆塔侧部；

6)重复步骤1)-步骤5)。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)本发明机器人控制系统，能对机器人的各个机构进行有效控制，能实现机器人的攀爬杆塔、并成功实现越障。

2)本发明的机器人，通过机械爪模块的设置，能实现安全绳的挂接，或者携带电力巡检设备的目的。

3)本发明通过驱动控制模块的设置，能实现对机器人外展机构、夹持机构动作的控制，方便携带机器人各个机械臂的动作。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明实施例中整体结构的主视图；

图2是本发明实施例中整体结构的左视图；

图3是本发明实施例中上部机械臂的俯视图；

图4是本发明实施例中可伸缩部件的示意图；

图5是本发明实施例中机械爪的示意图；

图6是本发明实施例中机器人的工况图；

图7是本发明另一实施例中上部机械臂示意图；

图8是本发明实施例中夹持机构示意图；

图9是本发明实施例中机器人单步控制流程图；

图10是本发明实施例中机器人越障控制流程图；

图中：00上部机械臂；000下部机械臂；1上部夹持机构；2上部外展机构；3上部顶出机构；4升降机构；5下部夹持机构；6下部外展机构；7下部顶出机构；8机械臂；9安装板；10基座底板；101下部基座底板；102l型板；11夹持挡板；12第二丝杠；13夹板；14夹持导轨；15夹持电机；16夹持减速机；17夹持杆件；18第二丝杠螺母；19夹持滑块；21外展挡板；22外展导轨；23第一丝杠；24外展杆件；25外展电机；26外展减速机，27第一丝杠螺母，28外展滑块；29调整电动推杆；31滑轨；32顶出减速机；33顶出电机；34丝杠；35轴承；36橡胶板；37轴承固定板；38滑块；41电动推杆；42直线导轨；43导轨座；81支座；82大臂减速机；83大臂电机；84大臂；85前臂减速机；86前臂电机；87前臂；88机械手减速机；89机械手电机；810机械爪；100机器人；200杆塔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种输电杆塔攀爬机器人控制系统。

本发明的一种典型的实施方式中，如图8所示，提供了一种输电杆塔攀爬机器人控制系统，包括视觉识别模块，安装于机器人机身，用于监测机器人周围环境；驱动控制模块，安装于机器人机身机械臂，机械臂包括外展机构和夹持机构，夹持机构与外展机构连接，驱动控制器模块用于控制机器人外展机构和夹持机构的动作；升降控制模块，安装于机器人机身上下相邻两机械臂8之间，用于控制机器人的升降动作，以实现机器人的攀爬动作；主控器，视觉识别模块、夹持机构控制模块和升降控制模块分别通过通讯模块与主控器连接，主控器选用多轴运动控制器。

上述控制系统中的输电杆塔攀爬机器人，如图1-图3所示，包括：至少两个用于夹持输电杆塔侧部的机械臂，机械臂上下设置，为上部机械臂00和下部机械臂000，上部机械臂00均包括两组上部外展机构2和上部夹持机构1，下部机械臂000包括两组下部外展机构6和下部夹持机构5，升降机构4，升降机构4连接上下的机械臂。

驱动控制模块包括多轴运动控制器、与多轴运动控制器分别单独连接的外展运动驱动单元和夹持运动驱动单元；

外展运动驱动单元包括第一外展驱动部件和第二外展驱动部件，这两个外展驱动部件分别带动上部外展机构2和下部外展机构6的动作，这两个外展驱动部件上下设置，且第一外展驱动部件和第二外展驱动部件均包括外展驱动动力源；外展机构包括外展杆件24，外展杆件24具有设定的长度和宽度，外展杆件24内侧通过外展挡板21设置第一丝杠23，第一丝杠23与外展驱动动力源连接，第一丝杠与所述的夹持机构连接。

夹持运动驱动单元包括第一夹持驱动部件和第二夹持驱动部件，这两个夹持驱动部件上下设置，且第一夹持驱动部件和第二夹持驱动部件即均包括夹持驱动动力源，这两个动力源分别带动上部夹持机构1和下部夹持机构5的动作；

夹持机构包括夹持杆件17，夹持杆件与套设于第一丝杠23的第一丝杠螺母27连接，夹持杆件17内侧通过夹持挡板11设置第二丝杠12，第二丝杠12与夹持驱动动力源连接，夹持驱动动力源为夹持电机15，夹持杆件17套于第一丝杠23，且夹持杆件17端部通过外展滑块28安装在外展杆件24的外展导轨22，第二丝杠12设有夹板13，夹板13端部通过夹持滑块19安装在设于夹持杆件的夹持导轨14，且夹板13与套设于第二丝杠12的第二丝杠螺母18连接，夹板与夹持杆件17一侧的夹持挡板11构成夹持手爪以对杆塔200角钢进行夹持，夹板13的长度小于等于夹持挡板11的长度，且夹板13与夹持挡板11内侧均设置橡胶垫；外展杆件24与夹持部件的夹持杆件17相互垂直。

升降控制模块包括升降驱动动力源，升降驱动动力源为电动推杆；机器人机身包括上下设置的安装板，每一安装板两侧分别设置所述的外展机构，安装板9设于基座底板10，升降驱动动力源的两端分别与上部基座底板和下部基座底板101连接，且在上下两个基座底板之间设置直线导轨42，直线导轨43通过导轨座43安装于上部机械臂00和下部机械臂000的基座底板10，电动推杆41推动上部机械臂00上下动作，上部机械臂运动至设定位置后，并且夹紧杆塔角钢，松开下部机械臂，电动推杆收回并带动下部机械臂000向上动作。

另外，同一安装板两侧的夹持机构高低设置，避免夹持过程中发生干涉。

驱动控制模块还包括设于所述外展机构与所述基座底板之间的调整动力源，以使外展机构相对于安装板能实现摆动，实现夹持机构对杆塔的对中夹持，在基座底板的两侧设置伸出板，调整动力源为调整电动推杆29，调整电动推杆29的推出方向垂直于基座底板10。

控制系统还包括安装于机器人机身的顶出控制模块，顶出控制模块包括顶出驱动动力源以控制上部顶出机构3和下部顶出机构的分别伸出与杆塔接触；顶出机构包括穿过安装板9的顶出丝杠34，如图4所示，顶出丝杠34一端设置用于与杆塔接触的顶头，另一端设置所述的顶出驱动动力源为顶出电机33，顶头为双滚珠或滑轮，或者顶头为通过轴承35支撑的橡胶板36，轴承35通过轴承固定板37设于丝杠34的端部，顶出电机33固定于安装板，通过顶出丝杠螺母通过l型板102设于基座底板10；顶出电机33带动顶出丝杠34旋转，顶出丝杠34设于安装板9两侧外展杆件之间。安装板9通过滑轨31安装于所述的基座底板10，且由顶出丝杠螺母与基座底板固定，这样顶出丝杠带动安装板相对于滑轨31移动，进而带动顶头的前进或后退，安装板底部与滑块38连接，滑块38与滑轨31配合。

视觉识别模块包括设于安装于机器人的无线收发器、第一摄像头和第二摄像头，两个摄像头分别用于获取机器人上方和下方的环境信息，且第一摄像头和第二摄像头均通过无线收发器与上位机连接，上位机与所述的主控器连接，无线收发器用来将摄像头拍摄到的画面传输到上位机，以完成进一步的图像处理，具体第一摄像头安装于上部基座底板的上方，第二摄像头安装于下部基座底板的下表面。

控制系统还包括用于检测机器人运行状态的感知模块，感知模块与所述的主控器连接。感知模块包括设于所述夹持机构的力传感器、设于所述外展机构用于检测外展机构与水平面夹角的倾角传感器，力传感器设于夹板或者夹持挡板内侧，用于测量夹持力度的变化；感知模块还包括设于各电机的用于检测转速的光电编码器、限位开关和用于监测各电机运行状态的电压、电流互感器和温度传感器。

感知模块还包括设于所述机器人机身的测距传感器，用于测量上下两机械臂的距离，且测距传感器安装于上部基座底板下表面，或者设于下部基座底板的上表面。

其中，倾角传感器设于外展杆件24，视觉传感器测量杆塔侧部角钢相对于地面的倾斜角度α，倾角传感器测量杆塔与地面之间的角度β，两个传感器分别与控制器单独连接，控制器与所述的推杆部件连接，控制器为多轴运动控制器。

其中为保证夹持机构和角钢的平行贴合，α+β应为90°。由多轴运动控制器计算当前机器人夹持挡板与角钢之间的夹角α+β，当α+β等于90°时，此时机器人夹持挡板与角钢面呈平行状态，外展杆件和角钢垂直，不需要调整机器人姿态。当α+β大于90°时，此时机器人夹持挡板与角钢面不是平行状态，此时电动推杆应伸长，推动外展杆件绕摆动轴承运动，使外展杆件和角钢之间的角度减小，当α+β减小到90°时，此时夹持挡板和角钢面平行，外展杆件和角钢垂直，停止电动推杆运动，完成机器人的垂直对中操作。当α+β角度小于90°时，此时电动推杆应收缩，拉动外展杆件绕摆动轴承运动，使外展杆件和角钢之间的角度增大，当α+β增大到90°时，此时夹持挡板和角钢面平行，外展杆件和角钢垂直，停止电动推杆运动，完成机器人的垂直对中操作。

在一些实施例中，控制系统还包括机械爪控制模块，机械爪控制模块设于机械爪，机械爪安装于机器人机身，机械爪控制模块与主控器连接，以控制机械爪的打开或闭合；

机械爪包括外展部件的支座81，支座81与多臂机构连接，多臂机构端部设置用于夹持或松开安全绳的机械爪810；

如图5所示，多臂机构包括第一臂即大臂84和第二臂即前臂87，第一臂与支座81通过第一电机即大臂电机83和大臂减速机32连接，第二臂与第一臂之间设置第二电机即前臂电机86和前臂减速机85，第二臂端部通过第三电机即机械手电机89和机械手减速机88设置所述的机械爪810，机械爪810朝下设置，选用开合式机械爪，这样机器人在爬高到设定位置后，通过机械爪810抓持安全绳，以给第一个攀爬杆塔者保障生命安全。

其中，通讯模块由无线网卡完成，上位机能够通过通讯模块读取攀爬机器人周边环境信息和自身位姿信息以及完成人工操作。

输电杆塔攀爬机器人控制系统的控制方法，如图9和图10所示，包括：

1)视觉识别模块拍摄机器人周围环境，并传送信息至主控器，若无障碍物，则开始攀爬；

2)通过驱动控制模块控制机器人上部机械臂的夹持机构向两侧张开，控制机器人上部机械臂的外展机构向杆塔外侧移动，使得机器人上部机械臂相对于杆塔松开；

3)通过升降控制模块动作，控制机器人上部机械臂抬升，到达设定位置后停止动作，驱动控制模块控制机器人上部机械臂的外展机构向杆塔方向移动，控制上部机械臂的夹持机构夹持杆塔侧部；

4)通过驱动控制模块控制机器人下部机械臂的夹持机构向两侧张开，控制机器人下部机械臂的外展机构向杆塔外侧移动，使得机器人下部机械臂相对于杆塔松开；

5)通过升降控制模块动作，控制机器人下部机械臂抬升，到达设定位置后停止动作，驱动控制模块控制机器人下部机械臂的外展机构向杆塔方向移动，控制下部机械臂的夹持机构夹持杆塔侧部；

6)重复步骤1)-步骤5)。

在步骤1)进行前，根据输电杆塔的最小障碍间距s确定机器人升降机构的原始长度s以及单步攀爬的最小距离h，根据最大障碍长度确定机器人升降机构抬升距离l，确定初始状态，原始状态为：升降机构位于最低位，四手臂保持抓紧状态。

且在步骤1)进行前，机器人开机自检：升降机构位于最低位，测距传感器返回最低值，四组机械臂保持抓紧状态，力传感器返回最大值，各传感器运行状态正常，电源电量充沛；

分别针对每种障碍类型或相同障碍类型不同规格的障碍物整理出n套解决方案，当上述第二步检测到单步距离内含有障碍物时，与现有障碍种类比对确定实施n种解决方案中的方案m，根据输电杆塔脚钉规格确定障碍长度l1，设置相应外展导程x、后移导程y以及越障步长z，通过图像处理获得障碍距离k1，设置特殊单步步长k1将机器人移动到障碍下方，由障碍规格确定上部机械臂抬升距离l1和外展导程y1，运行夹持驱动电机松开夹持手后通过多轴运动控制器控制外展电机动作，使得外展机构横向外展x1，通过导轨上的测距模块获得外展距离，到达设定值运行顶出电机使上部机械臂后移y1，然后运行升降机构动作抬升上部机械臂，上部机械臂越障后控制顶出电机使机械臂前移，控制外展电机反向运行，外展复原，控制夹持电机动作使得夹持手爪抓紧角钢，下部机械臂上升，上部机械臂继续抬升距离s，下部机械臂拉升l1完成越障。

当出现新障碍使得障碍间距小于升降机构原始长度时，即当上述越障控制过程中上部机械臂抬升后检测到上方距离s内出现新障碍时，上述的越障过程无法实现，检测障碍距离k2并确定障碍类型，得到障碍长度l2，由s+lmax>l1+k2+l2+s得到若升降机构最大抬升距离lmax>l1+k2+l2，则可一次性跨越，设置上部机械臂抬升距离l＝k2+l2+s，下部机械臂拉升l’＝l1+k2+l2完成越障，否则分两步完成越障，即下部机械臂到达上部机械臂抬升前位置后上部机械臂抬升距离为z2＝k2+l2，下部机械臂抬升距离r＝k2+l1，后上部机械臂抬升距离s，下部机械臂抬升距离l2完成越障。

当上述第一步检测到的障碍不在已有障碍类型中时保持夹持状态并发出障碍报警信号，创建新障碍数据，存入障碍特征并等待人工操作的控制指令进行人工操作越障，人工操作完毕后对该障碍越障控制方法进行储存，并将该障碍数据并入障碍类型库中作为第n+1种解决方案以备使用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。