风力涡轮机组装和管理机器人及包含其的风力涡轮机系统

摘要

本文提供了一种可自动地组装和管理风力涡轮机的风力涡轮机组装和管理机器人。风力涡轮机组装和管理机器人包括：识别部分，其识别风力涡轮机内的三维空间并获取图像信息以传送所获取的图像信息；工作部分，其用于螺栓连接塔节的法兰联接部分；操纵部分，其将螺栓、螺母及工作部分移动到法兰联接部分，以使螺栓、螺母及工作部分相互螺栓连接；移动部分，其沿着法兰联接部分水平地移动或使用风力涡轮机内的梯子或升降机移动；控制部分，其控制识别部分、工作部分、操纵部分和移动部分中的至少一个；以及通信部分，其与远程控制系统通信。

说明书

技术领域

本发明涉及一种允许风力涡轮机的容易组装和管理的风力涡轮机组 装和管理机器人以及包含该风力涡轮机组装和管理机器人的风力涡轮机 系统。

背景技术

风力涡轮机是将通过风力的功率能量转化成机械能的机器。当机械能 通过机器比如泵送水或操作碾磨机的那些机器直接使用时，风力涡轮机可 以被认为是风车。类似地，当机械能被转化成电时，该机器可以被认为是 风力发电机或风力发电站。

风力涡轮机的塔在尺寸上是大的并且在运载这样的大结构的运输方 面存在限制，使得在将整个塔运载到安装地点之前不可能组装整个塔。因 此，塔是通过将预先制造的多个塔节运载到安装地点且然后组装这些塔节 来完成的。

然而，由于在组装塔节时，工人在相当高的位置用沉重的按压螺栓连 接设备来组装塔节，因此不仅工作效率低，而且引起安全方面的问题。另 外，在组装后，需要频繁地监控和维护联接部分，以使联接部分在预定的 扭矩下保持锁定，并且甚至在这种情况下还存在安全方面的问题。

公开内容

技术问题

本发明的示例性实施方式提供了一种可以安全且有效地监控和维护 风力涡轮机的风力涡轮机组装和管理机器人。

另外，本发明的示例性实施方式提供了一种包括风力涡轮机组装和管 理机器人的风力涡轮机系统。

技术方案

根据本发明的方面，风力涡轮机组装和管理机器人可以包括：识别单 元，其识别风力涡轮机中的3D空间且获得并传送图像信息；工作单元， 其螺栓连接塔节的法兰联接部分；操作单元，其将螺栓、螺母及工作单元 移动到法兰联接部分并执行螺栓连接；移动单元，其沿着法兰联接部分水 平地移动或者使用风力涡轮机中的梯或升降机；控制单元，其控制识别单 元、工作单元、操作单元和移动单元中的任一个或多个；以及通信单元， 其与远程控制系统通信。

根据本发明的另一个方面的风力涡轮机系统可以包括风力涡轮机、所 述风力涡轮机组装和管理机器人以及远程控制系统。

有益效果

由于根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理机器人 可以自动地组装塔节，因此在组装塔节方面，可以不产生安全方面的问题。

另外，由于机器人定期地监控和维护风力涡轮机，因此不仅监控和维 护与使用人力资源相比更加准确和容易，而且可以不产生安全方面的问 题。

由于根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机系统还使用风力涡 轮机组装和管理机器人在遥远的地方组装和管理塔节，因此更准确、容易 且安全地管理风力涡轮机是可能的。

附图描述

图1是示意性地显示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机系统 的透视图。

图2是图示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理机 器人的部件的图。

图3是示意性地显示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装 和管理机器人的识别单元的示例性实施方式的透视图。

图4是显示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理机 器人的工作单元的示例性实施方式的剖视图。

图5是图示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理机 器人的操作单元的操作方法的视图。

图6是显示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理机 器人的操作单元的示例性实施方式的示意图。

图7到图9是显示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和 管理机器人的移动单元的各种示例性实施方式的示意图。

图10是显示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理 机器人的工作和移动方法的示意图。

图11是显示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理 机器人的控制单元的配置的示意图。

图12是显示在失去根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装 和管理机器人的位置时如何控制该机器人的示意图。

图13是显示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理 机器人的工作状态的方案视图。

图14是显示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理 机器人的状态的详细方案视图。

发明的最佳模式

本发明的方面可以提供一种风力涡轮机组装和管理机器人，该风力涡 轮机组装和管理机器人可以包括：识别单元，其识别3D空间且获得并传 送图像信息；工作单元，其螺栓连接塔节的法兰联接部分；操作单元，其 移动螺栓、螺母及工作单元并螺栓连接螺栓、螺母及工作单元；移动单元， 其沿着法兰联接部分水平地移动或使用风力涡轮机中的梯或升降机移动； 控制单元，其控制识别单元、操作单元和移动单元；以及通信单元，其与 远程控制系统通信。

操作单元可以附接到工作单元或移动单元/与工作单元或移动单元可 分开。

操作单元可以包括操纵器和联接部分，该联接部分可以附接到工作单 元或移动单元/与工作单元或移动单元可分开。

联接部分可以包括抓握部和联接单元，联接单元可以附接到抓握部/ 与抓握部可分开且接纳并固定工作单元或移动单元。

操纵器是具有六个或更多的自由度的操纵器，且操作单元可以包括操 纵器的至少两个或更多的件。

识别单元可以包括操纵器、照相机和传感器。

工作单元可以是螺母驱动器或焊接驱动器。

移动单元可以包括选自可沿着梯栏杆或扶手移动的移动构件、可将法 兰联接部分用作引导栏杆的移动构件以及可进入/离开升降机的移动构件 中的至少一个。

控制单元可以包括存储器、3D空间模型产生器、机器人定位器及机器 人处理器，存储器存储内部/外部涡轮机设计值和机器人设计值，3D空间 模型产生器使用识别单元的所识别的值而产生3D空间模型测量值，机器 人定位器通过比较设计值和测量值来计算机器人的当前位置值，机器人处 理器基于当前位置值移动机器人来执行所需的工作。

当机器人定位器确定失去位置时，机器人处理器通过增加识别单元的 识别的量而获得再次识别值，机器人定位器基于该再次识别值确定当前位 置，并且机器人处理器可以使机器人的当前状态返回到之前状态。

本发明的另一个方面可以包括风力涡轮机、风力涡轮机组装和管理机 器人以及远程控制系统。

其它的示例性实施方式的细节包括在本发明的示例性实施方式和相 应的附图中。

实施方式的详细描述

通过参考以下参考附图详细描述的示例性实施方式，本发明的益处和 特征及实现本发明的益处和特征的方法将是清楚的。然而，本发明不限于 以下描述的且以各种方式实现的示例性实施方式，提供示例性实施方式以 完成本发明且使得本发明的范围对于本领域的技术人员来说是清楚的，且 本发明仅由权利要求所描述的范围来界定。因此，众所周知的技术将不在 一些示例性实施方式中详细地描述，以避免对本发明的不清楚解释。

图1是示意性地显示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机系统 的透视图。参考图1，风力涡轮机系统包括风力涡轮机1和远程控制系统 8。风力涡轮机1包括塔2、安装在塔2上的机舱3、固定在机舱3上的转 子4以及风力涡轮机组装和管理机器人7。风力涡轮机组装和管理机器人 7和远程控制系统8被实施为使得无线通信是可能的。

在图1中，转子4由覆盖转子轮毂（未显示）的自旋体5和安装在转 子轮毂上的转子叶片6构成。尽管在附图中例示了三个转子叶片6，但是 可以包括三个或者更多或更少的转子叶片6。通过容易地旋转转子4，转 子叶片6将来自于风的动能转化成机械能，并且最终转化成电能。更详细 地，当风撞击转子叶片6时，转子4围绕旋转轴10旋转且将来自于风的 动能转化成机械能。由于风易于改变方向，因此需要控制以使转子叶片6 大体上面对风。换而言之，可能通过转动机舱3来最大化撞击转子叶片6 的风的量，使得风的方向大体上平行于旋转轴10，或者使得转子叶片6以 相同的方式或分别地垂直于其纵轴12，即垂直于转子4的旋转轴10且围 绕旋转轴线12倾斜，旋转轴线12是与塔2的纵轴是大体上相同的轴线。

机舱3接纳电力发电机及相关部件。因此，通过电力发电机（未显示） 将通过转子4传输的机械能转化成电能。机舱3接纳电力发电机及相关部 件，并且包括用于提供空间的平台3，使得工人或机器人7在执行安装、 组装及维护的各项工作（在下文中，称为组装和管理工作）时可以站立。

塔2通常可以通过堆叠和组装多个闭合环类型的塔节22来制造，塔 节22通过滚扎弧形钢板且然后固定钢板的端部来形成。塔2包括用于从 地面11进入塔2的入口24。使用外部梯26使得从地面11移动到入口24 是可能的。可以在塔2内安装内部梯28和升降机29，使得工人或机器人 7在执行关于风力涡轮机1的组装和管理工作时移动。另外，类似于机舱 3，多个平台20可以布置在塔2内，以提供空间，使得工人在执行各项组 装和管理工作时可以站立。

图2是图示根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机管理机器人7 的部件的图。

根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理机器人7包括 识别单元100、工作单元200、操作单元300、移动单元400、通信单元500、 控制单元600及功率单元700。

识别单元100识别3D空间并支持沿着移动路径从当前位置到目标位 置的移动。识别单元100的结果可用于产生管理机器人7的移动路径和操 作路径。另外，识别单元100还可用于监控风力涡轮机1中的状态。作为 监测内部状态的示例，可以包括获得用于视觉上检查螺栓是紧固还是松开 的图像信息以及通过通信单元500将信息传递到远程控制系统8。

工作单元200是用于在工作对象上执行预定工作的工具。例如，工作 单元200可以是用于紧固螺栓和螺母的工具。

操作单元300起到将螺栓、螺母或操作单元200移动或固定到期望位 置的作用。

操作单元400是使得管理机器人7成为移动机器人7的一部分。移动 单元400接收来自于功率单元700的功率，且使得机器人7能够在控制单 元600的控制下从起始位置移动到期望位置。

通信单元500允许与远程控制系统8的有线/无线通信或者与升降机 29的无线通信单元的无线通信。

根据来自于远程控制系统8的指令，控制单元600自动地控制识别单 元100、工作单元200、操作单元300、移动单元400以及通信单元500的 部件，或者控制机器人7。

功率单元700是将功率供给到识别单元100、工作单元200、操作单 元300、移动单元400、通信单元500和控制单元600的部件的部分。功 率单元700可以通过风力涡轮机1中的插座来充电。

通信单元500、控制单元600及功率单元700可以布置在机器人7的 主体800中且从外部是不可见的。另外，如果需要，则工作单元200和移 动单元400可以被接纳在主体800中且结合操作单元300来使用。

图3是显示识别单元100的示例性实施方式的示意性透视图。

识别单元100可以包括照相机110、传感器120及操纵器130。照相机 110可用于监控塔1中的状态并将3D图像信息传送到远程控制系统8。传 感器120可以包括扭矩传感器。扭矩传感器可用于测量是否用恒定的转矩 执行用于组装塔节22的螺栓连接。除了扭矩传感器以外，传感器120还 可以包括压力传感器、位置传感器、光学传感器以及红外传感器。当在螺 栓连接中施加压力时，压力传感器还可以用于测量是否施加了恒定的压 力。作为位置传感器，可以使用电位计、编码器、线性差动变压器及旋转 变压器，并且测量机器人7的动作和移动。光学传感器或红外传感器可以 用于在获得关于环境的信息并且开始与其它对象接触之前确定是否接近 机器人7。可以设置操纵器130，以便以期望的姿势识别塔1中的期望空 间。因此，优选的是，操纵器130是具有六个或更多的自由度的操纵器。 三个自由度为旋转运动（a）、径向运动（b）以及垂直运动（c）。另外的三 个自由度是倾斜（d）、偏转（e）以及滚动（f）。根据实现机器人7的方式， 可以不设置特定的操纵器130。

图4是显示工作单元200的示例性实施方式的剖视图。

工作单元200是用于在工作对象上执行预定工作的工具。工作的类型 可以分类为：不需要大的力但旋转速度应该高的情况以及旋转速度不高但 需要大的力的情况。例如，工作单元200可以是用于螺栓连接塔节22的 螺母驱动器210或者可以是焊接驱动器220。优选的是，螺母驱动器210 具有至少两个或更多的自由度。一个自由度可以用于拉动螺栓，且其它的 自由度可以用于转动螺母。参考图4，螺母驱动器210或焊接驱动器220 具有头部2110和2210、主体2120和2210以及驱动单元2130和2230，头 部2110和2210可以被紧固、旋转或可以焊接接触工作对象，主体2120 和2210将驱动力传递到头部2110和2210且形成外观，驱动单元2130和 2230向头部2110和2210产生驱动力。然而，本发明不限于此，且工作单 元200可以包括根据工作类型、螺栓和螺母的各种工具。因此，优选的是， 工作单元200与可分开地安装的机器人7一起移动。例如，工作单元200 可以在移动中被接纳在机器人主体800中，且然后结合工作单元300来执 行螺栓连接方面的工作。

图5是显示操作单元300的操作方法的视图。操作单元300使螺栓302 和螺母304移动到法兰联接部分23，且然后用螺母驱动器210执行螺栓连 接，螺母驱动器210是工作单元200的示例。因此，优选的是，操作单元 300通过具有三个或更多的自由度，更优选地具有六个或更多的自由度的 两个或更多的操纵器310来实施。需要操作单元300来控制位置和力两者。

如图6所示的，操作单元300还可以具有可以附接到工作单元200/可 以与工作单元200分开的联接器320。联接器320是用于抓握工作对象比 如螺栓或螺母或用于抓握和释放工作单元200的部分，用于诸如紧固或松 开螺栓的工作。

联接器320还可以附接到移动单元400/可以与移动单元400分开，这 在下面描述。

联接器320可以以第一联接机构3210或第二联接机构3220的类型来 实现。第一联接机构3210可以以抓握部的类型来实现，该抓握部包括连 接到操纵器310的连接部分3212和支撑指状物3214的支撑部分3216。指 状物3214可以旋转和移动，且可以执行抓握，使得其可以保持且旋转/移 动工作对象（螺栓、螺母或工作单元200），且然后将其放到期望位置。例 如，成对地设置指状物3214，使得其通过相互靠近的移动来执行抓握，且 通过相互远离的移动来执行释放。支撑部分3216起到允许指状物3214的 抓握的铰链轴的作用，并且使指状物3214结合连接部分3212。连接部分 3212可以附接操纵器310/可以与操纵器310分开。

第二联接机构3220可以通过第一联接机构3210和联接单元3230的 结合来实现。当第一联接机构3210抓握螺栓或螺母时，固定力不成问题， 但当第一联接机构3210与工作单元200一起旋转以拧紧螺栓和螺母时， 工作单元200可以与第一联接机构3210分离。因此，第二联接机构3220 还可以包括联接单元3230，联接单元3230用于更加牢固且稳定地联接到 工作单元200且使得工作单元200的操作更加平稳。联接单元3230的形 状可以根据工作单元200的形状以各种方式来改变。例如，联接单元3230 可以通过抓握件类型的第一联接机构3210的抓握和释放来附接/分开。联 接单元3230形成用于接纳第一联接机构3210的空间，且可以由固定到第 一联接机构3210的固定部分3232和联接到工作单元200的联接器3234 构成。联接器3234具有可以接纳和固定工作单元200的形状。联接单元 3230形成为使得在抓握状态中第一联接机构3210可以插入联接单元3230 中/与联接单元3230分离。例如，联接单元3230可以具有开口，当第一联 接机构3210被释放时，开口可以在压力下开始与联接单元3230接触，并 且在第一联接机构3210的抓握状态中，开口可以自由地附接到联接单元 3230/与联接单元3230分开。另外，固定部分3232可以具有可接纳第一联 接机构3210的具有多边形横截面的中空管形状。即，第一联接机构3210 可以被分离且通过滑动而安装到固定部分3232中。操作单元300还可以 结合移动单元400执行移动单元400的功能。

图7到图9是显示移动单元400的各种示例性实施方式的示意图。

意指使机器人7移动的机构的移动单元400可以是轮或人形腿。

在塔1中移动的机器人7可以以外部梯26<->塔平台20<->内部梯28 或升降机29<->机舱平台20<->转子4的顺序移动。

因此，如图7所示例的，移动单元400可以包括可以沿着外部梯26 或内部梯28的栏杆或扶手移动的第一移动构件。第一移动构件可以实现 为金属轮4110比如火车的轮或通过将电磁轮4114插入在塑料轮4112中而 形成的复合轮4120。对于复合轮4120，可能通过控制单元600来控制施 加到电磁轮4114的电磁力的大小，使得轮可以沿着梯26和28平稳地旋转。

另外，如图8所示例的，移动单元400可以包括第二移动构件，第二 移动构件可以在组装两个塔节22时沿着由相互接合的两个法兰联接部分 23形成的环进行水平移动421。第二移动构件可以实现为将法兰联接部分 23用作引导栏杆的第一滑动器4210或第二滑动器4220来。第一滑动器 4210的内侧相应于法兰联接部分23的形状而形成。另外，长方形凹槽4213 在第一滑动器4210的内侧上形成以接合法兰联接部分23，且多个球4215 被插入长方形凹槽4213中，使得第一滑动器4210容易地沿着法兰联接部 分23移动。第二滑动器4220可以包括沿着法兰联接部分23的上侧和下 侧旋转的一对旋转轴承4223和穿过旋转轴承4223的中心插入的中空轴 4225。螺母4227可以固定到中空轴4225的一端。

另外，如图9所示例的，移动单元400可以包括可以使用平台20和 30或升降机29来移动的第三移动构件。第三移动构件可以是诸如普通的 轮4310或腿4320的移动构件。

同时，当移动单元使用升降机29移动时，升降机还可以包括允许通 过通信单元500的无线通信呼叫的无线通信单元。因此，通信单元500和 升降机29的无线通信单元可以包括无线蜂窝或蓝牙类型的无线通信模块， 或者可以包括其它类型的无线通信模块。通信单元500可以通过控制单元 600将用于控制升降机29的信号传送到升降机29。当升降机29的门打开 时，控制单元600可以控制机器人7进入/离开升降机29。控制单元600 可以实现为确定是否通过识别单元100打开/关闭升降机29的门，或者实 现为通过通信单元500从升降机29接收关于升降机29的门的当前位置和 开/关的信息。

移动单元400可以保持连接到机器人主体800，或者如图10所示例的， 移动单元400可以被接纳在机器人主体800中且结合操作单元300。参考 图10，螺母驱动器210结合操作单元300的操纵器310的第二联接机构 3220并执行螺栓联接，且第一滑动器4210可以结合其它操纵器310并执 行移动。

图11是显示控制单元600的配置的示意图。

控制单元600可以包括用于存储风力涡轮机1的3D设计图的存储器 610、3D空间模型产生器620、机器人定位器630以及机器人处理器640。

存储器610存储风力涡轮机1的内部/外部3D空间模型设计值和在设 计机器人7时确定的机器人7的设计值，比如机器人的高度、尺寸和最大 输出。

3D空间模型产生器620接收为通过识别单元100识别的3D图像识别 值的立体图像和点云。使用识别单元100的识别值，3D空间模型产生器 620获得机器人7的3D空间模型测量值。

机器人定位器630可以通过比较在存储器610中存储的存储值和3D 空间模型产生器620的测量值来计算机器人7的当前3D位置值。

基于机器人定位器630的当前位置值，机器人处理器640自动地控制 识别单元100、工作单元200、操作单元300、移动单元400和通信单元 500的部件，使得机器人7可以移动到期望位置并执行期望工作。同时， 机器人处理器640根据从远程控制系统8输入的指令控制机器人7，并且 将机器人7的当前状态和工作结果输出并传送到远程控制系统8。使用测 量值比如通过识别单元100的传感器110测量的机器人7的特定部分的加 速度和角加速度以及存储在存储器610中的机器人7的设计值，机器人处 理器640控制机器人7，并且控制电动机输出。

同时，机器人处理器640可以确定机器人7由于各种原因而处于位置 失去状态1200。在图12中示例了在该情况下如何控制机器人7。参考图 12，机器人处理器640不能估计机器人7的当前位置时的状态为位置失去 状态1200。由于各种原因，可能在机器人7移动时产生暂时的位置失去。 在这种情况下，机器人处理器640使得机器人7停止，且通过增加识别的 量，使得识别单元100再次识别当前位置。当机器人定位器630基于再次 识别值找到当前位置时，机器人处理器640使得机器人继续工作。例如， 基于图12中的位置状态图，机器人处理器640可以使得机器人从当前状 态移动到之前状态并继续工作。可优选的是，使机器人移动到之前状态并 使得机器人继续工作，以便补充由于位置失去而造成的工作不完整。

机器人7可以以外部梯26<->塔平台20<->梯28或升降机29<->机舱 平台20<->转子4的顺序移动。例如，当确定位置失去状态1200时，机器 人位置识别器530再次识别当前位置。因此，当确定当前位置处于梯28 或升降器29处时，机器人7移动到为之前状态的塔平台20并继续工作。

图13是显示机器人工作状态的方案视图。机器人的基本状态是备用 状态1300，且远程控制1310和自控制工作1320的两种工作状态是可能的。

图14显示了以自控制工作1320的机器人状态的示例性详细方案视 图。作为自控制工作1320的类型，可以存在功率连接工作1410、监控工 作1420、移动工作1430、螺栓连接工作1440和其它工作1450。对于需要 大的力或扭矩的工作比如螺栓连接，仅使用在机器人7中充电的能量，也 许不可能执行功率连接工作1410。除了通过使机器人7连接到风力涡轮机 1中的插座来充电以外，可以使用用于工作的能量。作为定期地监控风力 涡轮机1的状态的工作的监控工作1420允许通过识别各种主要位置即被 监控位置的高分辨率的图像且然后将图像传送到远程位置来进行定期监 控。螺栓连接工作1440移动到需要螺栓连接的位置，且然后执行螺栓连 接工作，或者当已经完成螺栓连接时，其检查螺栓连接是否松开，且然后 在螺栓连接松开时执行再次紧固。其它工作1450可以以程序的类型传送 到机器人7，且可以应用可通过机器人7执行的不同于功率连接工作1410、 监控工作1420、移动工作1430和螺栓连接工作1440的任何自控制工作。

作为本发明的示例提供的以上参考的附图及本发明的详细描述是用 来解释本发明的，而不限制在权利要求中描述的本发明的含义或范围。因 此，本领域的技术人员应理解，各种修改和其它等价的示例性实施方式可 以是可能的。因此，本发明的实际技术保护范围应由在权利要求中描述的 精神来确定。

工业实用性

根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机组装和管理机器人可以 应用到可装备有风力涡轮机的风车、风力涡轮机塔、风力发电机或风力发 电站。

另外，根据本发明的示例性实施方式的风力涡轮机系统可以应用到可 以远程地控制风车、风力涡轮机塔、风力发电机或风力发电站的控制系统。

具体地，本发明的风力涡轮机组装和管理机器人以及包含本发明的风 力涡轮机组装和管理机器人的风力涡轮机系统可以用于在安装风力涡轮 机之前的安装准备，或者用于安装之后的维护和监控。