器 人本体 智能机器 人实验室 测试 机器人 供电系统 外部电源 系统 电源系统 实验室测 试 成套设备 实验室测 试 成套设备 现场测试 设备验收 鉴定 检测 过程 生产线研发 智能控制 系统 塔上智能 充电坞 垂直起降 越障机 构 实施方案 线上行走攀爬机构 移动机器人机构是巡线机器人系统中关键的核心技术。从机构运动学角度，要求机构 能实现滚动蠕动跨越和避让障碍物，以及末端执行器具有空间位姿调整运动从运动控 制角度，要求机构的自由度少机构运动学逆解可实现解藕控制，且运动控制的精度高从 巡线机器人系统角度，要求机构具有定的负载能力，且与导线构成等电位体从应用角度， 要求机构具有小巧紧凑轻质的机械结构，且容易上下线作业和便于携带等。 根据输电线路的结构特征，以及巡线作业的任务要求，通过多种可行方案的对比分析 和对机构的巧妙组合，以及样机原型的反复试验和改进，提出了由小臂操作手机构个 公共的变长大臂机构个小臂与变长大臂间各分别有个绕铅垂轴和水平轴旋转的关节 组成的双臂协调移动的机器人机构模型。 如图所示为巡线机器人机构的原理简图。图中，个小臂操作手机构是由小臂绕水 平轴回转的关节绕铅垂轴回转的关节转轴转台和以小臂为机架的末端执行器 组成末端执行器是由主动滚轮和夹紧机构组成图夹紧机构是由夹杆回 转副有限约束的回转副和夹爪组成，且沿导线横截面对称布臵绕水平轴回 转关节的轴线与绕铅垂轴回转关节的轴线垂直相交，移动关节的轴线与关节的轴 线垂直相交个小臂机构和与其相联的移动关节沿导线轴向呈反对称布臵。主动滚轮 完成沿直线无障碍物段的行驶。关节和关节分别实现机械臂小臂机构和大臂机构 在导线平面内的升降和旋转。在过障和路径转移时，通过单臂夹爪夹紧导线，另臂通过 运动规划实现过障的各种分解动作。关节实现个臂交互滑移异位。 相对于国内外般采用臂及臂以上机器人技术而言，该机器人机构有如下特点机构的 自由度少，机构长度尺寸小，加以采用嵌人式机械结构和高强度的铝合金材料，机械结构 紧凑，重量轻。 导航系统 下图是单分裂输电线路的结构示意图，该图显示了巡线机器人遇到的典型障 碍有防震锤悬垂线夹耐张线夹等。巡线机器人采双轮结构在导线上行进，当遇到障碍 时，通过轮子下方两个夹爪依次夹紧导线，抬升机器人本体，以错臂的方式跨越障碍。巡 线机器人视觉系统安装在机器人下方，其中视觉传感器摄像机安装在机器人的本体前 端，光轴与机器人前进方向的夹角约为。该系统由摄像机采集卡嵌入式计算机等 组成。 防震锤悬垂线夹耐张线夹等障碍既无丰富的表面纹理，也无鲜明的颜色特征，且 相互铰接，因而难以分割成单独的区域。但它们在摄像机成像平面上投影后会得到些相 对简单的图形基元，如直线圆圆弧角点等，如果能同时结合输电线路结构特点对上 述图形基元进行结构约束，去除掉环境中些干扰的图形基元，就可判断出障碍物的存在 及其类型。 障碍识别的基本方法是对视觉传感器摄像机采集到的图像进行预处理，消除图 像噪声，并采用经算法改良后的算子提取图像边缘。在边缘图像中运用霍 夫变换等方法分别检测直线圆和角点等图形基元，并利用导线与障碍的位臵关系以及障 碍本身的特点来进行结构约束，识别出障碍物。 垂直起降越障机构 巡线机器人在实际应用过程中需要从地面可靠地固定到输电线路上，并且能够在运行 过程中跨越遇到的防震锤耐张线夹悬垂线夹等各种障碍。目前在线路上实验运行的巡 检机器人需人工安放到巡检线路上，且跨越障碍能力不强。在此方案中，提出种新型的 垂直起降越障机构，可达到机器人自动上线从地面自主导航人工遥控安放到巡检线路 上跨越障碍以及降落塔上智能充电坞上进行充电等功能。实现技术如下 巡线机器人在两侧各装备个可收放的旋翼，如下图所示 旋翼旋翼 导线 制动机构 滚轮 滚轮 张开后即形成个四旋翼无人机，可完成起降跨越障碍等功能。 结构型式 四旋翼飞行器采用四个旋翼作为飞行的直接动力源，旋翼对称分布在机体的前后左 右四个方向，四个旋翼处于同高度平面，且四个旋翼的结构和半径都相同，旋翼和旋 翼逆时针旋转，旋翼和旋翼顺时针旋转，四个电机对称的安装在飞行器的支架端， 支架中间空间安放飞行控制计算机和外部设备。四旋翼飞行器的结构形式如图所示。 工作原理 四旋翼通过调节四个电机转速来改变旋翼转速，实现升力的变化，从而控制飞行器的 姿态和位臵。由于飞行器是通过改变旋翼转速实现升力变化，这样会导致其动力部稳定， 所以需要种能够长期保稳定的控制方法。四旋翼飞行器是种六自由度的垂直升降机， 因此非常适合静态和准静态条件下飞行。但是四旋翼飞行器只有四个输入力，同时却有六 个状态输出，所以它又是种欠驱动系统。 四旋翼飞行器结构形式如图所示，电机和电机逆时针旋转的同时，电机和电 机顺时针旋转，因此当飞行器平衡飞行时，陀螺效应和空气动力扭矩效应均被抵消。与 传统的直升机相比，四旋翼飞行器有下列优势各个旋翼对机身所施加的反扭矩与旋翼的 旋转方向相反，因此当电机和电机逆时针旋转的同时，电接控制级进行通信，指示控制级完成指令规定的运动轨迹。 而无线数据收发模块用于接收地面遥控指令，并向地面发送机器人系列的重要状态信 息，以便于地面手动干预，避免事故发生，优先级高于自动控制。 执行层是直接面向被控对象的，用来完成对各自由度的运动控制。它主要由以下个 部分组成 电机伺服控制单元。由电机驱动器直流电机，位臵传感器和嵌入式系统组成位 臵闭环控制系统另外它还与视觉传感器和电磁传感器等构成机器人姿态伺服环。 开关量单元。由板卡，限位开关等组成，执行对执行机构的限位和电源系统的 操作。 红外成像仪和可见光摄像仪，用于对线路的检测。 另外，执行层的任务还包括收集各关节位臵传感器的信息并进行预处理，然后传送给 规划级，以便规划级进行下轮的运动轨迹规划，完成对控制器功率放大器的故障诊断， 并把诊断结果送到规划级。 机器人供电系统 巡线机器人携带检测通信仪器沿全线路行驶作业，完成对线路运行故障的检测和对安 全事故隐患的巡视，并将所检测的信息实时向地面传送，由地面进行分析处理。在常规地 面运作时，般采用小型蓄电池定时更换方式。但是，高压输电线路分布在野外，跨越山 川湖泊，巡线机器人作业时，能量消耗大，而现场没有可供充电的电源，并且在巡线过程 中频繁的更换蓄电池会造成诸多不便，该因素会极大的限制巡线机器人的广泛应用。 智能巡线机器人可以通过感应取电和塔上智能充电坞充电的方式为机器人提供电源， 实现方案如下 感应取电 按照电磁场理论，环绕工作状态的高压输电线路存在着交变磁场，根据电磁感应定律，磁 场中的回路将产生感应电流。为实现上述目的，设计铁芯和线圈从高压线路上获取电能， 获取的电能通过开关电源转换为稳流源，并通过充电使能电路向可充电电池组充电，同时， 充电控制电路对电池电压监控以控制充电方式是否充电是否停机，并将信息传送给巡 线机器人主控制系统。 高压输电线路中的电流受负载的影响而不断变化，峰值电流是谷值电流的数百倍。在 如此大的变化范围之内，为保证能为机器人连续供电，取电装臵必须在较小的电流时便能 取得较高的能量，并且随着电流不断增加而增大。对应于铁芯，则要求其应具有较高的初 始磁导率及较高的饱和磁感应强度。在目前使用的软磁材料中，由于硅钢片具有较大的饱 和磁感应强度及叠片系数，能取得较大的功率，故取其作为铁芯材料。 为了避免磁场损耗，铁芯应是个整体，以保证磁路中无气隙。但由于高压输电线路 无断点，同时，机器人在行进过程中需悬垂子平衡锤等障碍。铁芯必须设计成可以分合 的两部分，在正常工作时两部分合为体，跨越障碍时需通过机械手将其分开。 塔上智能充电坞充电 在此方式中，机器人根据电源管理策略或人工指示，降落到塔上智能充电坞获取其运 行所需电源，详见塔上智能充电坞。 系统采用兼容性设计，可根据实际需要选择安装感应取电模块或塔上智能充电坞充电 模块。 塔上智能充电坞 塔上智能充电坞由风光互补供电系统机器人承载平台和导航模块组成。风光互补供 电系统从外界收集能源，并以电能的型式储存在蓄电池组中，以备机器人使用机器人需 要充电时，通过与导航模块的通讯，降落在机器人承载平台上机器人承载平台内含充电 电路，完成对机器人的充电。 风光互补供电系统 风光互补供电系统结合了太阳能与风能的优势。结合超低功耗设计，确保在无阳光情 况下，系统也能正常工作天。系统结构如下 太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，晚 上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而 风小，冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统 在资源上具有最佳的匹配性，风光互补发电系统是资源条件最好的电源系统。如下图 所示，我省所处的区域太阳能资源均匀，区域差异较小。 如下图所示，我省所处的区域风能资源均匀，区域差异较小。 结合之后，由于太阳能与风能的互补性强，风光互补供电系统在资源上弥补了风电和 光电系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统采用通用的蓄电池组和逆变环节， 既增强了供电稳定性，又充分利用了既有设备资源。 机器人承载平台 机器人承载平台为八变形的合成材料平台，机器