一种用于树障清理空中机器人的保护关节结构的制作方法

本实用新型涉及一种用于树障清理空中机器人的保护关节结构，属于输电线路树障清理装置技术领域。

背景技术：

树障是输电线路通道存在的一种安全隐患，表现为通道内树木的不断增生逐渐威胁到输电线路的运行安全。为此，各级电力部门每年都要投入大量的人力、物力与财力对辖区内的通道树障进行清理整治。目前的树障清理主要依赖于人工清理，存在着效率不高，安全风险大的不足，因此亟需一种电力线路通道树障自动清理空中机器人。

当空中机器人进行树障清理时，前端刀具会受到树木的轴向反作用力以及上下俯仰、左右偏航、滚转等反作用力矩，不利于空中机器人飞行姿态的稳定与控制。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是：提供一种用于树障清理空中机器人的保护关节结构，能够实现机器人作业刀具的受力缓冲，起到保护作业刀具的作用以及便于稳定和控制控制机器人的飞行姿态，以解决现有技术中存在的问题。

本实用新型采取的技术方案为：一种用于树障清理空中机器人的保护关节结构，包括固定叉、十字轴、活动叉、圆柱套、弹簧和螺钉，固定叉、活动叉、圆柱套均为中空圆柱形，十字轴分别通过轴承与固定叉的一端部、活动叉的一端部连接，由此构成万向节，固定叉的另一端部与作业机械臂固连，圆柱套的一端部以可轴向滑动、可相对旋转的套筒形式与活动叉的另一端部连接，圆柱套的另一端部与刀具杆固连，弹簧为圆柱形，以包裹形式安装于固定叉、活动叉和圆柱套的外部，弹簧的两端通过两螺钉分别与固定叉和圆柱套固连。

优选的，上述十字轴与固定叉之间设有感知二者相对左右旋转幅度的航向角度传感器，十字轴与活动叉之间设有感知二者相对上下旋转幅度的俯仰角度传感器，圆柱套与活动叉之间设有感知二者轴向相对运动幅度的轴向位移传感器和感知二者相对旋转运动幅度的滚转角度传感器。

本实用新型的有益效果：与现有技术相比，本实用新型的效果如下：

1)本实用新型保护关节拥有四个方向的机械缓冲自由度，能对树木的轴向反作用力与俯仰、偏航、滚转反作用力矩进行机械缓冲，从而有效减弱树障的反作用力或力矩以及作业刀具的振动对空中机器人飞行姿态的影响；

2)通过轴向位移传感器、航向角度传感器、俯仰角度传感器和滚转角度传感器，可感知作业时刀具所受树障的反作用力与力矩大小，并作为刀具进给或退出、空中机器人姿态或高度微调的控制输入，使清障控制更加精确。

附图说明

图1为空中机器人的结构示意图(折叠式作业臂)；

图2为空中机器人的结构示意图(抽拉式作业臂)；

图3为减振装置结构示意图；

图4为折叠关节结构示意图(伸展使用状态)；

图5为折叠关节结构示意图(折叠收纳状态)；

图6为保护关节结构示意图；

图7为保护关节整体示意图。

图中，1—旋翼，2—旋翼电机，3—平台支架，4—机体，5—电池组，6—纵向推进器，7—涵道螺旋桨，8—减振装置，9—后臂，10—折叠关节，11—前臂，12—保护关节，13—刀具杆，14—刀具电机，15—作业刀具，16—接头，17—摄像头，18—锁紧器，19—机械臂，20—作业臂；

801—上板，802—弹簧-阻尼器，803—下板；

1001—前拐臂，1002—后拐臂，1003—铰接轴，1004—台阶轴，1005—锁定螺母，1006—螺杆；

1201—固定叉，1202—十字轴，1203—活动叉，1204—圆柱套，1205—弹簧，1206—螺钉。

具体实施方式

下面，结合附图及具体的实施例对本实用新型进行进一步介绍。

实施例1：如图1-图7所示，一种用于树障清理空中机器人的保护关节结构，该保护关节12包括固定叉1201、十字轴1202、活动叉1203、圆柱套1204、弹簧1205和螺钉1206，固定叉1201、活动叉1203、圆柱套1204均为中空圆柱形，十字轴1202分别通过轴承与固定叉1201的前部、活动叉1203的后部连接，由此构成具有上下旋转(俯仰)和左右旋转(航向)自由度的万向节，圆柱套1204的后部以可轴向滑动、可相对旋转(滚转)的套筒形式与活动叉1203的前部连接，弹簧1205为圆柱形，以包裹形式安装于固定叉1201、活动叉1203和圆柱套1204的外侧，其两端通过两螺钉1206分别与固定叉1201和圆柱套1204固连。

优选的，上述十字轴1202与固定叉1201之间设有感知二者相对左右旋转幅度的航向角度传感器，十字轴1202与活动叉1203之间设有感知二者相对上下旋转幅度的俯仰角度传感器，圆柱套1204与活动叉1203之间设有感知二者轴向相对运动幅度的轴向位移传感器和感知二者相对旋转运动幅度的滚转角度传感器，上述各角度传感器可采用光电编码器或电位器等，上述位移传感器可采用滑动变阻器或光栅尺等，作用力或力矩的计算：通过各位移传感器和角度传感器测得的位移与弹簧的拉伸刚度、弯曲刚度以及扭转刚度，进行计算获得各个作用力(拉伸或压缩)或力矩(俯仰力矩、航向力矩、扭转力矩)。

采用标定方法标定保护关节12的两端(圆柱套1204与固定叉1201)相对受力-位移或受力矩-角度的曲线，从而得出保护关节12的轴向刚度曲线、俯仰刚度曲线、航向刚度曲线和扭转刚度曲线，通过各刚度曲线和对应的位移或角度，即可求得保护关节12两端的受力或力矩。

实施例2：如图1―图7所示，采用上述保护关节12的一种树障清理空中机器人，包括平台支架3和作业刀具15，平台支架3对称连接在机体4上，机体4位于平台支架3中心部位，平台支架3上连接有多个旋翼组件，机体4上安装有提供前后推进动力且左右对称的两个纵向推进器6，纵向推进器6为涵道构型，内置可正反旋转以提供正反推力的涵道螺旋桨7，机体4前端通过作业臂20连接到作业刀具15，纵向推进器6朝向作业刀具15方向安装，作业刀具15连接有刀具电机14，刀具电机14固定连接在作业臂20的前端；还包括安装于平台支架3或机体4上用于空中机器人姿态稳定与轨迹控制的飞行控制器、用于传输飞行数据与机载图像的通信模块，其中飞行控制器与现有的多旋翼无人机飞行控制器硬件相似，包括惯性测量单元(IMU)、气压高度计、卫星导航接收机、飞行控制计算机。

优选的，上述作业臂20包括机械臂19和刀具杆13，机械臂19一端固定连接在机体4上，另一端通过接头16固定连接刀具杆13，接头16具有机械与电气连接功能，便于快速装卸或更换，收纳更方便；接头16可采用法兰盘连接或螺帽-螺杆快速连接，相应的连接部位设有电气接插头。

优选的，上述平台支架3或机体4或作业臂20上安装有摄像头17，摄像头17的镜头朝向作业刀具15方向；摄像头17安装在作业臂20上时采用套接架；摄像头17用于监视前方树障的外部形态、树障的被清理状况、作业刀具15的工作状态，便于进行作业刀具15的进给或退出控制。

优选的，刀具电机14连接有驱动其旋转的刀具控制器，刀具控制器内置于作业臂20或机体4内，并与飞行控制器连接；刀具电机14内置感知作业刀具15转速的转速传感器，刀具控制器内置有感知刀具电机14工作电流的电流传感器，转速传感器可采用光电编码器或霍尔传感器，电流传感器可采用电流互感器，二者均与刀具控制器连接；刀具控制器定制设有对应上述具体类型传感器的模拟量或数字量、脉冲量、频率量等类型接口。

优选的，上述机械臂19采用伸缩结构或折叠结构，包括相互连接的前臂11和后臂9，前臂11和后臂9为多边形截面管或圆管；当为伸缩结构时，圆管带有防扭转导向凹槽。

优选的，上述前臂11的后端通过折叠关节10连接在后臂9的前端，如图4、图5所示，折叠关节10包括设置在前臂11后端的前拐臂1001、设置在后臂9前端的后拐臂1002和锁定装置，前拐臂1001与后拐臂1002通过铰接轴1003铰接并通过锁定装置锁定；锁定装置包括固连在后臂9前端并与后臂9共轴的台阶轴1004、固连在前臂11后端并与前臂11共轴的螺杆1006和套接在台阶轴1004上的锁定螺母1005，锁定螺母1005的内孔后端设有内凸台阶，台阶轴1004的前端设有防止锁定螺母1005脱落的外凸台阶，锁定螺母1005可将台阶轴1004与螺杆1006共轴对接并锁定。该折叠关节结构简单，易于实现，能有效避免振动导致的锁定松脱，可对作业臂20进行快速伸展锁定或折叠收纳。

优选的，上述前臂11的后端活动地套接在后臂9的前端并采用锁紧器18锁紧，前臂11和后臂9共轴线，锁紧器18包括设置在套接外管上的一或多个相对于作业臂20轴线的径向锁紧螺栓。

优选的，上述作业臂20为两段结构，并通过保护关节12连接为一体，作业臂20后段的前部固定连接固定叉1201，作业臂20前段的后部固定连接圆柱套1204；保护关节12内置的位移传感器与角度传感器，均连接到空中机器人的飞行控制器。

所述飞行控制器针对上述角度传感器和位移传感器，设有相应的模拟量(电压或电流)或数字量(包括总线)、脉冲量、频率量等类型接口，还针对旋翼组件设置PWM或总线接口，针对通信模块和刀具控制器设置总线接口。所述总线包括CAN、RS-485/422/232、以太网或机载总线等类型。

如图6、图7所示，保护关节12的作用如下：

1)保护关节12拥有轴向、俯仰、航向、滚转四个方向的机械缓冲自由度，可在空中机器人作业时对刀具受到的树障反作用力或力矩进行缓冲，并能有效减弱作业刀具15的振动对空中机器人飞行姿态的影响，当反作用力或力矩为0时，保护关节12回复原样；

2)保护关节12内置的轴向、俯仰、航向和滚转四个方向的位移或角度传感器，可用于感知作业刀具15所受树障的反作用力或力矩，并作为刀具进给或退出、空中机器人运动微调的控制输入，使清障控制更加安全精确。

优选的，上述纵向推进器6的推力轴线与作业刀具15的旋转平面重合，使得纵向推进器6的进给推力正向施加在作业刀具15上，避免对空中机器人的俯仰姿态产生附加力矩，从而有利于空中机器人的稳定与控制。

优选的，上述旋翼组件包括旋翼1和旋翼电机2以及电机调速器，旋翼1固定连接在旋翼电机2的输出轴上，旋翼电机2固定连接在平台支架3上，相邻旋翼组件的旋翼1转向相反；电机调速器接收飞行控制器的转速指令，并依此驱动旋翼电机2转动；旋翼组件的数量为≥4的偶数。

旋翼组件还可采用如下共轴双桨方式：旋翼组件中的旋翼1、旋翼电机2和电机调速器各有一对，两个旋翼电机2尾部相对、转轴向外、上下共轴安装于平台支架3的外端；两个旋翼1为正反旋向配对，分别安装于两个旋翼电机2的转轴上，通过调整电机调速器与旋翼电机2连线的极性使同一旋翼组件的两个旋翼1的升力均为向上。该方式下旋翼组件的数量≥3。

优选的，上述机体4下端设置有减振装置8，如图3所示，减振装置8包括上板801、下板803和弹簧-阻尼器802，上板801与机体4固连，下板903通过一组或多组左右对称分布的弹簧-阻尼器802连接到上板801，后臂9与下板803连接。

优选的，上述作业臂20活动地穿过减振装置8的下板并在其后端固定连接电池组5，并采用锁紧螺栓将作业臂20锁紧在减振装置8上，由此可对空中机器人的整体重心进行调节。

优选的，减振装置8后端通过伸缩杆固定连接电池组5，并采用锁紧螺栓对伸缩杆进行锁定，由此可对空中机器人的整体重心进行调节。

优选的，电池组5包括向旋翼组件供电、向纵向推进器6供电、向刀具电机14和刀具控制器供电、向飞行控制器和机载传感器供电的电池。

优选的，机体4底部还设置有起落架。

优选的，机体4中设置有飞行控制器，实现的功能包括：

1)实时采集空中机器人的姿态角、角速率、加速度、卫星定位和高度信息，结合地面遥控指令(通过飞行控制器与地面遥控器的无线连接)，计算所有旋翼的转速指令并输出给上述旋翼组件，以实现空中机器人姿态与位置的稳定与控制；

2)根据地面遥控指令生成纵向推进器6的输出控制指令，实现树障清理时空中机器人水平姿态下的向前进给或向后退出控制；

3)通过保护关节12感知的作业刀具15所受树障轴向反作用力或俯仰、航向、滚转反作用力矩，一旦达到或超过预定的保护门限，可判定作业刀具15处于过载状态，即令刀具控制器和飞行控制器自动同步进入保护模式：控制作业刀具15先刹车后反转，同时控制空中机器人向后运动退出作业；若上述反作用力或力矩小于预定的保护门限，将作为空中机器人运动微调的控制输入，具体的控制方法如下：

A)设清障时保护关节12感知的轴向力为X，向后为正，相应的作业门限为λX、不灵敏区为δX，其中，λX＞0，0≤δX＜λX，有：

——若X<0，判定空中机器人受到树障的前向拉力，飞行控制器可采取如下措施之一：①控制空中机器人向前运动微调，若X正向增加则继续当前清障作业，若X不变或负向增加则转到②；②控制空中机器人进入悬停状态，同时通过通信模块向地面人员发送安全报警信息，以求人工干预；

——若X＜λX-δX，飞行控制器控制空中机器人向前运动微调，使轴向力增大，实现轴向自动作业进给；

——若|X-λX|≤δX，飞行控制器控制空中机器人保持悬停，轴向进给量为零；

——若X＞λX+δX，飞行控制器控制空中机器人向后运动微调，使轴向力减小，实现作业轴向自动回退。

B)设清障时保护关节12感知的航向力矩为N，俯视向右为正，相应的作业门限为λN、不灵敏区为δN，其中，λN＞0，0≤δN＜λN，有：

——若|N|＜λN-δN，飞行控制器控制空中机器人向使|N|增大的方向运动微调航向，实现水平侧向自动作业进给；

——若||N|-λN|≤δN，飞行控制器控制空中机器人保持当前航向，水平侧向进给量为零；

——若|N|＞λN+δN，飞行控制器控制空中机器人向使|N|减小的方向运动微调航向，实现水平侧向自动保护回退。

C)设清障时保护关节12感知的俯仰力矩为M，向上为正，相应的不灵敏区为δM，其中，δM≥0，有：

——若|M|＞δM，飞行控制器控制空中机器人向使|M|减小的方向运动微调高度；

——若|M|≤δM，飞行控制器控制空中机器人保持当前高度；

4)根据刀具控制器采集的电机电流与刀具转速信息，实时评估作业刀具15的过载、卡阻及损伤状态，评估方法如下：

——若电机电流超过电流预定门限，可判定作业刀具15过载或卡阻；

——若刀具转速低于转速预定门限，可判定作业刀具15过载或卡阻；

——若电机电流或刀具转速出现周期性的脉动，可判定作业刀具15有损伤。原因在于，往复工作的作业刀具15若存在缺损，其所受树障的阻力将呈现周期性的脉动现象，由此引起电机电流或刀具转速的周期性脉动。

一旦出现上述任一情况即快速通过刀具控制器向刀具电机14输出先刹车后反转指令、向纵向推进器6输出反向推力指令，以实现空中机器人保护性退避，同时通过所述通信模块向地面人员发送安全报警信息。

上述空中机器人具有如下优点：

1)本实用新型通过在机体上安装旋翼组件、纵向推进器以及作业刀具，能够实现输电线路树障的空中快速清理，避免操作人员靠近树障处的高压输电线，操作更加安全，可有效提升清理作业的效率并降低操作风险，解决了现有技术中存在的人工清理效率不高和安全风险大的问题；

2)空中机器人前臂与后臂之间采用折叠方式或伸缩方式连接，有效缩小了整机尺寸，便于收纳与携带，伸缩方式也便于重心位置的调整；

3)空中机器人由旋翼组件提供机器人升力并实施姿态稳定与位置控制，由纵向推进器实施清障的作业刀具进给与退出控制，这种组合驱动的控制方式解耦，十分有利于工程实现；

4)空中机器人总体结构扁平，适合于进入树障密集或与导线相交区域实施清障作业；

5)通过摄像头可对树障的外部形态、树障清理的效果进行近距离观察，实时监视作业刀具的工作状态；

6)所设置的保护关节具有四个方向的机械缓冲自由度，可有效减弱树障反作用力或力矩对空中机器人飞行姿态的影响；

7)将纵向推进器的推力轴线设置与作业刀具的旋转平面重合，使得纵向推进器的进给推力正向施加在作业刀具上，避免对空中机器人的俯仰姿态产生附加力矩，从而有利于空中机器人的稳定与控制；

8)通过减振装置可有效滤除作业刀具的振动对机体的影响；

9)电池组置于空中机器人的后部，起到良好的配重作用，同时作业臂相对机体可前后调节或电池组通过伸缩杆连接到机体后部，可实现空中机器人重心快速调节；

10)本空中机器人可用于对大型设备与建筑物进行高空安装、清洁或维修等作业。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式实例，本实用新型的保护范围并不局限于此。熟悉该技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易找到变化或替换方式，这些都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。为此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。