一种智能巡线车轻便化车体装置及巡线方法

摘要

本发明公开了一种智能巡线车轻便化车体装置，包括车身装置和手掌开合装置、三维柔性臂机构，其中：手掌开合装置上设置有两个相对的行走轮；手掌开合装置用于驱动行走轮在线路上行走时闭合两个行走轮夹紧避雷线，并在遇到障碍物后张开两个行走轮躲避障碍物；三维柔性臂机构包括依次连接的伸缩臂、旋转关节和肘关节；发明采用挂载避雷线的手掌开合装置进行行进和躲避障碍物的动作，结合三维柔性臂机构适应性对障碍物进行躲避，整体车体装置质量更轻，跨越能力更强，大幅提高了电力巡线的效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电力设施检测领域，尤其涉及一种智能巡线车轻便化车体装置。

背景技术

目前，由于国内的电网规模不断扩大，且输电线路分布面广点多，绝大部分输电线路远离城镇，所处地形复杂(即很多输电线路分布在崇山峻岭之间)，自然环境恶劣，且电力线及杆塔附件长期暴露在野外。这些输电线路不仅要受到持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，还要经受污秽、雷击、强风、滑坡、沉陷、鸟害及人为破坏等外界侵害。

因此，线路定期巡检管理是有效保证输配电线路及其设备安全的一项基础工作；线路巡检目的在于及时发现处理早期损伤、缺陷和危及线路安全的隐患，从而保证输配电线路安全和电力系统稳定。目前架空输电线路的巡检方法主要有以下二种：

(1)地面目测法：采用肉眼或望远镜对辖区内的电力线徒步或驱车巡检，这种方法的精度低，劳动强度大，可靠性差，部分线路难于到达。(2)飞机航测法：直升飞机沿输电线路飞行，工作人员用肉眼或机载设备观测和记录沿线异常点的情况，这种方法存在导航困难和巡检费用昂贵等问题。

进入20世纪90年代末，在国家“863”计划支持下，武汉大学、中科院自动化所、中科院沈阳自动化所等先后开展了巡线机器人的研究工作。中科院自动化所开展了“110kV输电线路巡检机器人”的研究。其研究成果主要表现在：一是设计了三臂悬挂式移动机器人机构；二是采用“基于知识库的自动控制”和“基于视觉的远程遥控主从控制”的混合控制系统，实现了典型障碍的越障；三是采用多层神经元网络分类器，实现了实验室复杂环境下绝缘子开裂、破损视觉检查。

在此之后，中科院自动化所复杂系统与智能科学重点实验室合作，改进为二臂回转式悬挂机构(即该类机器人正常行走巡线时，以双臂悬挂于线路之上，跨越障碍物时以单臂悬挂支撑，两个手臂交替跨越障碍物。)，实现了旋转、俯仰等运动功能，爬坡能力增强，但是这种二臂回转式悬挂机构行为规划复杂，控制电路和运动控制难度增大。

综上所述，如何克服现有技术中巡线车上述技术缺陷是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种智能巡线车轻便化车体装置及巡线方法，以解决上述问题。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供了一种智能巡线车轻便化车体装置，包括车身装置和分别沿着所述车身装置的前、中、后依次设置的手掌开合装置、连接任意两个所述手掌开合装置之间的三维柔性臂机构，其中：

所述手掌开合装置上设置有两个相对的行走轮；所述手掌开合装置用于驱动行走轮在线路上行走时闭合两个行走轮夹紧避雷线，并在遇到障碍物后张开两个行走轮躲避障碍物；

所述三维柔性臂机构包括依次连接的伸缩臂、旋转关节和肘关节；所述伸缩臂可用于实现两个所述手掌开合装置之间的水平伸缩；所述旋转关节用于实现水平旋转和仰俯旋转所述肘关节；所述肘关节用于实现旋转驱动前置的所述手掌开合装置和后置的所述手掌开合装置。

优选的，作为一种可实施方案，所述的智能巡线车轻便化车体装置还包括驱动装置；所述驱动装置用于驱动所述行走轮行走。

优选的，作为一种可实施方案，所述的智能巡线车轻便化车体装置还包括刹车制动装置；所述刹车制动装置用于对所述行走轮进行制动。

优选的，作为一种可实施方案，在所述三维柔性臂机构的具体结构中：

所述伸缩臂通过齿轮齿条传动机构实现两个所述手掌开合装置之间的水平伸缩；所述旋转关节由两个电机驱动齿轮副，实现水平旋转和仰俯旋转；所述肘关节由一个电机实现上下旋转运动。

优选的，作为一种可实施方案，所述的智能巡线车轻便化车体装置还包括电源控制箱；所述电源控制箱用于向所述手掌开合装置、所述三维柔性臂机构以及所述驱动装置和刹车制动装置供电；且所述电源控制箱分别与所述手掌开合装置、所述三维柔性臂机构以及所述驱动装置和刹车制动装置电连接。

优选的，作为一种可实施方案，在车身装置的具体结构中：

所述车身装置包括移动滑块、滑块导轨、巡线车车架、传动丝杆、驱动电机、丝杆传动螺母、连接板、传动连接件；

其中：所述巡线车车架的顶部两端沿巡线车车架延伸方向设置有滑块导轨；所述滑块导轨上滑动连接有移动滑块；所述巡线车车架上还固定连接有传动丝杆和驱动电机；所述驱动电机用于驱动所述传动丝杆旋转；所述传动丝杆与所述丝杆传动螺母形成螺旋运动副；所述丝杆传动螺母与所述移动滑块之间通过所述传动连接件固定连接；所述移动滑块的两侧还设置有连接板；

所述移动滑块通过所述连接板与所述手掌开合装置固定连接。

优选的，作为一种可实施方案，所述的智能巡线车轻便化车体装置还包括两路高分辨率CCD摄像机，两路所述高分辨率CCD摄像机分别安装在车身装置的前端和后端；

其中一路所述高分辨率CCD摄像机用于从近角度拍摄输电线路、绝缘子、线路金具、杆塔和线路通道目标图像；另一路所述高分辨率CCD摄像机用于从近角度拍摄输电线路、绝缘子、线路金具、杆塔和线路通道目标图像。

优选的，作为一种可实施方案，所述车身装置、所述手掌开合装置、所述三维柔性臂机构为铝合金或是钛合金结构件。

优选的，作为一种可实施方案，所述电源控制箱内设置有锂电池，所述锂电池为高密度航空锂电池。

相应地，本发明实施例提供了一种巡线方法，利用上述的智能巡线车轻便化车体装置在避雷线上行走进行巡线，具体包括如下步骤：

前置的手掌开合装置首先张开两个行走轮躲避障碍物并进行爬越；

中置和后置的手掌开合装置继续驱动行走，当中置的手掌开合装置接近障碍物时，前置的手掌开合装置合拢行走轮直至挂线；然后中置的手掌开合装置张开两个行走轮躲避障碍物并进行爬越，同时前置的手掌开合装置与后置的手掌开合装置，继续行走；

当后置的手掌开合装置接近障碍物时，中置的手掌开合装置合拢行走轮直至挂线；之后，后置的手掌开合装置张开两个行走轮，前置的手掌开合装置、中置的手掌开合装置继续行走；当后置的手掌开合装置跨越障碍物后，巡线车完成跨越任务，继续行进巡线。

与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：

本发明提供的一种智能巡线车轻便化车体装置，智能巡线车轻便化车体装置主要由车身装置和分别沿着所述车身装置的前、中、后依次设置的手掌开合装置和三维柔性臂机构等结构组成(当然还包括电源控制箱(即充当电源箱和控制箱)、摄像头等结构)。分析上述智能巡线车轻便化车体装置的结构构造可知：上述手掌开合装置采用的是中间对开式行走轮的开合手掌结构，所述手掌开合装置用于驱动行走轮在线路上行走时闭合两个行走轮夹紧避雷线，并在遇到障碍物后张开两个行走轮躲避障碍物；同时手掌开合装置结合三维柔性臂机构可实施水平伸缩，旋转肘关节并带动旋转前置和后置的手掌开合装置；

然而，现有的跨障机构(例如：二臂回转式悬挂机构)分为伸缩升降型、回转臂型和翻转型，这些机构是按照功能各自独立设计(即只能进行单一动作)，机构和控制也很复杂。很显然，本发明实施例提供的智能巡线轻便化车体装置，利用手掌开合装置和上述三维柔性臂机构可以实现多种动作(包括伸缩，回转和旋转)，其明显克服了现有技术中伸缩臂难于仰俯和回转臂结构复杂的缺点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的智能巡线车轻便化车体装置的主体结构示意图；

图2a为图1中本发明实施例提供的智能巡线车轻便化车体装置中的车身装置主视图；

图2b为图1中本发明实施例提供的智能巡线车轻便化车体装置中的车身装置立体图；

图2c为图1中本发明实施例提供的智能巡线车轻便化车体装置中的车身装置侧视图；

图3a为图1中本发明实施例提供的智能巡线车轻便化车体装置中的手掌开合装置的立体图；

图3b为图1中本发明实施例提供的智能巡线车轻便化车体装置中的手掌开合装置的主视图；

图4为图1中本发明实施例提供的智能巡线车轻便化车体装置中的三维柔性臂机构局部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

参见图1，本发明实施例提供的一种智能巡线车轻便化车体装置，包括车身装置1和分别沿着所述车身装置的前、中、后依次设置的手掌开合装置2(即包括前置的手掌开合装置、中置的手掌开合装置和后置的手掌开合装置)、连接任意两个所述手掌开合装置之间的三维柔性臂机构3，其中：

所述手掌开合装置2上设置有两个相对的行走轮21；所述手掌开合装置2用于驱动行走轮在线路上行走时闭合两个行走轮夹紧避雷线，并在遇到障碍物后张开两个行走轮躲避障碍物(其中，用于支撑两个行走轮的是夹具臂22(另参见图3a)，另外用于控制两个夹 具臂上的两个行走轮张合的是丝杆传动机构23(对此不再一一赘述))；

所述三维柔性臂机构3包括依次连接的伸缩臂31、旋转关节32和肘关节33(另参见图4)；所述伸缩臂31可用于实现两个所述手掌开合装置之间的水平伸缩；所述旋转关节32用于实现水平旋转和仰俯旋转所述肘关节；所述肘关节33用于实现旋转驱动前置的所述手掌开合装置和后置的所述手掌开合装置。

分析上述智能巡线车轻便化车体装置的结构构造可知：智能巡线车轻便化车体装置主要由车身装置和分别沿着所述车身装置的前、中、后依次设置的手掌开合装置和三维柔性臂机构等结构组成(当然还包括驱动装置和刹车制动装置，电源控制箱(即充当电源箱和控制箱)、摄像头等结构)。上述手掌开合装置采用的是中间对开式行走轮的开合手掌结构，所述手掌开合装置用于驱动行走轮在线路上行走时闭合两个行走轮夹紧避雷线，并在遇到障碍物后张开两个行走轮躲避障碍物；同时手掌开合装置结合三维柔性臂机构可实施水平伸缩，旋转肘关节并带动旋转前置和后置的手掌开合装置；

然而，现有的跨障机构(例如：二臂回转式悬挂机构)分为伸缩升降型、回转臂型和翻转型，这些机构是按照功能各自独立设计(即只能进行单一动作)，机构和控制也很复杂。很显然，本发明实施例提供的智能巡线轻便化车体装置，利用手掌开合装置和上述三维柔性臂机构可以实现多种动作(包括伸缩，回转和旋转)，其明显克服了现有技术中伸缩臂难于仰俯和回转臂结构复杂的缺点。

首先，需要说明的是，现有技术中绝大多数巡线车均采用在输电线路上行走方式，其本身存在较多的技术缺陷；

关于本发明实施例的关键技术：

(1)适合避雷线行走的智能巡线车轻便化车体装置设计。

目前绝大多数巡线车均采用在输电电路上行走方式，该方式虽然具有巡检距离近、取电方便和承载负载大等优势，但输电线路高压带电，势必存在线路与车间相互的电路和电磁影响，尤其在出现故障时，存在一定的安全隐患，这点是制约已有巡线车在实际中应用的重要因素之一。同时，输电电路上障碍数量多、类型多，直接导致巡线车机械结构更加复杂。

本发明实施例设计一种智能巡线车轻便化车体装置可在避雷线上行走，采用远程巡检输电电路的方式，不仅完全避免了线路与巡线车间电参数的相互影响，同时大幅降低了跨越障碍的难度。但由于避雷线承载能力的限制，要求巡线车的总体重量小于30Kg，并且高度尺寸限制在500mm，宽度限制在400mm之内。

本发明实施例在巡线车车体设计中，依据线路、金具、杆塔及其附件数据库，以及气候环境模型，在保证刚度和强度前提下，设计新型车体运动原理，简化车体结构，选择铝合金等轻质材料，减少驱动电机，采用高密度航空锂电池。

(2)智能巡线车轻便化车体装置行走、识障、越障机构优化设计。

目前国外无越障功能的架空电力线路巡线车技术较为成熟，已处于实用阶段，但能跨越线路附件、线塔等障碍物的自主巡线车尚处于实验室阶段，阻碍这类车实用的主要原因是：一是输电电路障碍复杂情况，并且处于高压带电状态，存在诸多安全隐患；二是现有跨障机构分为伸缩升降型、回转臂型和翻转型，这些机构是按照功能各自独立设计，导致机构和控制复杂。

本发明实施例取消升降机构，改进开合避障机构；并结合现有回转臂和伸缩臂灵活的优点，设计伸缩三维柔性臂机构，以克服伸缩臂难于仰俯和回转臂结构复杂的缺点。同时，在上述机构中融入障碍或分叉线路识别传感器，不仅实现障碍的识别，也进一步简化机构。

(3)智能巡线车轻便化车体装置的远程高清视频巡检技术。

视觉检查是应用最为广泛的线路检查方法之一，本发明实施例采用二路高分辨率CCD摄像机，在巡线车前端和后端各安装一路，分别从远近角度拍摄输电线路、绝缘子、线路金具、杆塔和线路通道等目标图像，由操作人员根据图像判断设施是否损坏和破坏，并观察线路通道状况；

下面对本发明实施例提供的智能巡线车轻便化车体装置的具体构造、具体技术效果和具体解决的技术问题做一下详细的说明：

其中，所述的智能巡线车轻便化车体装置还包括驱动装置4；所述驱动装置4用于驱动所述行走轮行走。即手掌开合装置上的行走轮既可以实现开合，同样也可以实现驱动旋转，这样在行走轮的旋转作用可沿着避雷线行进。同理，所述的智能巡线车轻便化车体装置还包括刹车制动装置；所述刹车制动装置用于对所述行走轮进行制动。

作为一种可实施方案，在所述三维柔性臂机构3的具体结构中：

所述伸缩臂31通过齿轮齿条传动机构(未示出)实现两个所述手掌开合装置之间的水平伸缩；所述旋转关节由两个电机(未示出)驱动齿轮副，实现水平旋转和仰俯旋转；所述肘关节由一个电机(未示出)实现上下旋转运动。

需要说明的是，所述三维柔性臂机构包括柔性臂机构是为了巡线车能够自主适应跨越障碍时位置和姿态的要求，以及适应不同的跳线长度要求。柔性机械臂由伸缩臂、旋转关节和肘关节等机构等组成，伸缩臂通过齿轮齿条传动，实现前后手的伸缩；旋转关节由两个电机驱动齿轮副，实现水平旋转和仰俯旋转；肘关节由一个电机实现上下旋转运动；

作为一种可实施方案，所述的智能巡线车轻便化车体装置还包括电源控制箱5；所述电源控制箱用于向所述手掌开合装置、所述三维柔性臂机构以及所述驱动装置和刹车制动装置供电；且所述电源控制箱分别与所述手掌开合装置、所述三维柔性臂机构以及所述驱动装置和刹车制动装置电连接。

作为一种可实施方案，在车身装置的具体结构中：

参见图2a、图2b和图2c，所述车身装置1包括移动滑块11、滑块导轨12、巡线车车架13、传动丝杆14、驱动电机15、丝杆传动螺母16、连接板17、传动连接件18；

其中：所述巡线车车架13的顶部两端沿巡线车车架延伸方向设置有滑块导轨12；所述滑块导轨12上滑动连接有移动滑块11；所述巡线车车架13上还固定连接有传动丝杆14和驱动电机15；所述驱动电机15用于驱动所述传动丝杆14旋转；所述传动丝杆14与所述丝杆传动螺母16形成螺旋运动副；所述丝杆传动螺母16与所述移动滑块11之间通过所述传动连接件18固定连接；所述移动滑块11的两侧还设置有连接板17；

所述移动滑块11通过所述连接板17与所述手掌开合装置2固定连接；

另外，所述的智能巡线车轻便化车体装置还包括两路高分辨率CCD摄像机，两路所述高分辨率CCD摄像机分别安装在车身装置的前端和后端；

其中一路所述高分辨率CCD摄像机用于从近角度拍摄输电线路、绝缘子、线路金具、杆塔和线路通道目标图像；另一路所述高分辨率CCD摄像机用于从近角度拍摄输电线路、绝缘子、线路金具、杆塔和线路通道目标图像。

需要说明的是，分别从远近角度拍摄输电线路、绝缘子、线路金具、杆塔和线路通道目标图像，由操作人员根据图像判断设施是否损坏和破坏，并观察线路通道状况。

另外，所述车身装置、所述手掌开合装置、所述三维柔性臂机构为铝合金或是钛合金结构件。所述电源控制箱内设置有锂电池，所述锂电池为高密度航空锂电池。

需要说明的是，本发明实施例在巡线车车体设计中，依据线路、金具、杆塔及其附件数据库，以及气候环境模型，在保证刚度和强度前提下，设计新型车体运动原理，简化车体结构，选择铝合金等轻质材料，减少驱动电机，采用高密度航空锂电池。

关于本发明实施例的总体设计及实现方案

1、发明实施例的总体设计

巡线车主要巡检任务：杆塔：检查杆塔横担、杆塔本体是否损坏、变形、锈蚀、被盗等。导线及避雷线：检查有无锈蚀、断股、损伤等，有无悬挂异物等。绝缘子：检查普通和钢化绝缘子有无裂纹、破碎和烧伤痕迹；检查合成绝缘子有无严重污秽、伞裙开裂、歪斜或脱落。线路金具：检查金具有无锈蚀或损坏，防振锤有无生锈、 脱落等。线路通道：检查线路通道内的树木、建筑物等与线路导线之间距离。

本发明实施例采用二台工业级数字摄像机，面向输电线路进行实时拍摄记录，同时利用GPS接收系统同步记录当前的经纬度。

关于本发明实施例中智能巡线车轻便化车体装置主要技术参数如下：平均速度：≥2Km/h；爬坡角度：≤30°；外形尺寸：≤1200mm×400mm×500mm(长、宽、高)；总重量：≤30Kg；巡检内容：部分输电线路、绝缘子、线路金具、杆塔和线路通道等；主要障碍：压接管、防振锤、悬垂线夹和杆塔等；巡线路程：≥10Km(往返5Km)；

(1)巡线车机械系统总体设计

巡线车机械系统需提供全部的机械运动：(一)、在有障碍物直线线路上蠕动爬行，自动探测障碍物具体位置，自主开合避障机构，避让压接管、垂悬线夹和防振锤等障碍物；(二)、在无障碍物直线线路上自主滚动爬行；(三)、在变向行走段，巡线车利用伸缩三维柔性臂机构自动探测跳线位置，同时自主定位夹取跳线，控制箱沿着跳线位置蠕动爬行，并夹取跳线，之后后臂按前臂方式蠕动爬行，并夹取跳线，完成跨越跳线障碍。

巡线车采用对称结构设计，可实现在线往复巡查，车体主要由五大部分组成：驱动装置、刹车制动装置、手掌开合装置、柔性臂、电源控制箱，基本结构原理图如图1所示。

相应地，本发明实施例还提供了一种巡线方法，利用所述的智能巡线车轻便化车体装置在避雷线上行走进行巡线，具体包括如下步骤：

前置的手掌开合装置首先张开两个行走轮躲避障碍物并进行爬越；

中置和后置的手掌开合装置继续驱动行走，当中置的手掌开合装置接近障碍物时，前置的手掌开合装置合拢行走轮直至挂线；然后中置的手掌开合装置张开两个行走轮躲避障碍物并进行爬越，同时前置的手掌开合装置与后置的手掌开合装置，继续行走；

当后置的手掌开合装置接近障碍物时，中置的手掌开合装置合拢行走轮直至挂线；之后，后置的手掌开合装置张开两个行走轮，前置的手掌开合装置、中置的手掌开合装置继续行走；当后置的手掌开合装置跨越障碍物后，巡线车完成跨越任务，继续行进巡线。

综上所述，本发明实施例提供的一种智能巡线车轻便化车体装置，可以在避雷线上夹紧避雷线驱动行走，并在遇到障碍物后张开两个行走轮躲避障碍物；同时手掌开合装置结合三维柔性臂机构可实施水平伸缩，旋转肘关节并带动旋转前置和后置的手掌开合装置；

本发明实施例提供的智能巡线轻便化车体装置，行走平缓稳定，在躲避障碍物时自由应变，可利用手掌开合装置和上述三维柔性臂机构可以实现多种动作(包括伸缩，回转和旋转)，躲避动作到位，功能全面，可大幅提升智能巡线车轻便化车体装置电力巡检效率和能力。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。