一种用于树障清理飞行机器人的刚柔混合悬挂机构的制作方法

本发明涉及一种用于电力线路树障清理飞行机器人的刚柔混合悬挂机构，尤其涉及一种悬挂刀具对树障顶部或侧面实施大面积快速清理的飞行机器人，属于输电线路树障清理装置。

背景技术：

1、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有三种方式：1)基于特制加长切割刀具的人工清障，作业效率低且安全风险大，难以清理高空树障；2)基于地面专用设备的机械清障，受到地形环境和树木生长态势的限制，机动性不足，难以对高空树障进行快速削巅清理；3)基于飞行器的机器清障，国内外均有探索性的工作，但仍存在着抗树木干扰能力弱、作业效率不高、使用不便等不足。因此，亟需研制一种可对电力线路通道内树障进行大范围自动高效清理的飞行机器人。

2、申请号为201810192091.1的发明专利“一种悬挂刀具结构的树障清理空中机器人”公开了一种在无人机底部使用连杆连接自然悬垂作业刀具的树障清理飞行机器人。由于刀具完全通过硬杆连接，在清障过程中极可能由于树枝的反作用力过大影响到飞行平台的姿态稳定性，带来控制难度。同时，通过固定连杆连接下方刀具，给飞行机器人的起飞和降落带来极大不便，造成实际应用困难。

3、申请号为201810192075.2的发明专利“一种绳悬挂刀具的树障清理空中机器人”公开了一种在无人机底部使用挂绳连接自然悬垂作业刀具的树障清理飞行机器人。一方面，由于无人机-软绳-刀具所组成系统缺乏刚性，作业刀具缺少水平支撑，因而在接触树障的瞬间极易被弹开，造成刀具方向的往复摆动，不仅无法形成稳定的切割，而且易造成整机重心位置的变化，影响到机器人飞行的稳定性与操控性；另一方面，刀具切割树障的径向推进力来自于刀具自身重力的水平分量，相对较小。两个方面因素导致整机作业出现“使不上力”的现象，树障清理效率较低。

4、通过对相关发明的分析可以看到，现有的树障清理飞行机器人还难以实现稳定性、高效性、安全性、易用性及智能性等方面的兼顾，改善与提升的空间较大。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：提供一种用于树障清理飞行机器人的刚柔混合型悬挂机构，以适度的刚性与柔性将刀具系统悬挂于旋翼类飞行器的下方，解决悬挂刀具类型的飞行机器人在树障清理作业时存在的稳定性、高效性、起降便捷性等方面的不足，满足输电线路环境下树障清理安全作业的需求。

2、本发明的技术方案为：一种用于树障清理飞行机器人的刚柔混合悬挂机构，包括连接于飞行机器人的飞行平台下方基于多点平衡连接的柔性浮动台、与柔性浮动台下端铰接并具有前后旋转自由度的刚性连接架；刚性连接架的下端连接飞行机器人的刀具系统。

3、优选的，上述柔性浮动台包括与飞行平台连接的悬挂架、固定于悬挂架左右两端的上基座、通过连接器挂接于上基座下方的下基座；上述刚性连接架包括与下基座下部构成前后旋转铰接的上连杆、固连于两侧上连杆下端的水平加强件、连接于水平加强件与刀具系统之间的下连杆；连接器的两端分别与上基座和下基座铰接；上基座、上连杆的数量≥2，下基座、下连杆的数量≥1，连接器的数量≥4。

4、优选的，上述连接器具有非刚性结构，可轴向拉伸或压缩变形并具有弹性恢复力；所述连接器包括弹簧、弹性阻尼器。

5、优选的，上述下基座与上连杆铰接部位的后侧设有限制上连杆向后旋转的限位器。

6、优选的，刀具系统具有横向水平布置的刀锯阵列或纵向垂直布置的刀锯阵列；若刀具系统包含横向水平布置的刀锯阵列，上述下连杆的数量≥2；若刀具系统包含纵向垂直布置的刀锯阵列，上述下连杆的数量为1。

7、优选的，上述下连杆具有由直线和圆弧组合而成的后“凹”轮廓形状。

8、优选的，对于包含横向水平布置刀锯阵列的刀具系统，上述刚性连接架与刀具系统之间设有倾转关节，倾转关节内置用以驱动刀具系统前后俯仰并能锁定角度位置的机器人关节电机或伺服作动器。

9、优选的，上述悬挂机构与飞行平台之间设有可将两者挂接或分离的脱钩装置；所述脱钩装置包括安装于飞行平台下方的脱钩上组件、安装于悬挂架上方的脱钩下组件；所述脱钩上组件包括中间的上脱钩件和位于两侧对称的上定位件；所述脱钩下组件包括中间的下脱钩件和位于两侧对称的下定位件；所述上脱钩件与下脱钩件形成可分离的“挂钩-挂扣”式配合连接，所述下定位件具有向上的“外凸”形状，所述上定位件的下端具有与下定位件的“外凸”形状相配合的“内凹”外形。

10、优选的，上述水平加强件为中空的舱体结构。

11、采用上述悬挂机构的飞行机器人的起飞方法与降落方法如下：

12、1)飞行机器人的起飞方法为：

13、将由飞行平台、悬挂机构和刀具系统自上而下依次连接而成的飞行机器人放置于地面，由于刚性连接架相对柔性浮动台具有前后旋转自由度，刚性连接架与刀具系统所形成的组合体呈水平“卧倒”姿态；当飞行机器人起飞时，飞行平台缓慢升高并向刀具系统方向移动，带动组合体的上连杆端围绕刀具系统与地面形成的支点向上转动抬升，使组合体逐渐变为竖直姿态；当该组合体与地面完全垂直时，飞行机器人脱离地面，起飞完成。

14、2)飞行机器人的降落方法为：

15、当飞行机器人降落时，先缓慢将刀具系统的底端触碰地面以形成支点，然后操控飞行平台缓慢向后向下斜向飞行，由于刚性连接架相对柔性浮动台具有前后旋转自由度，在地面支点摩擦力的作用下，刚性连接架与刀具系统所形成的组合体逐渐向后倾倒，组合体的上连杆端缓慢下降，当组合体呈水平“卧倒”姿态时，飞行平台降落至地面，降落完成。

16、本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：

17、1)本发明采用刚柔混合结构的悬挂机构将刀具系统连接于飞行器下方，所构成的飞行机器人适合于对树障的顶部与侧面实施快速清理，避免作业人员靠近树障和高压线，解决现有技术中存在的作业效率不高、安全风险大的问题；

18、2)通过本悬挂机构将刀具系统下挂于飞行平台，可使飞行机器人的重心始终处于飞行平台的正下方，有利于提升飞行机器人的静稳定性，降低操控难度；

19、3)连接器具有非刚性结构且数量≥4，其两端分别与上基座和下基座铰接，所构成的柔性浮动平台属于带阻尼的多点平衡连接结构，使得下基座相对上基座具有适度的水平、垂直及旋转方向的运动裕度，从而有效隔离或降低刀具系统的强烈振动对飞行平台的影响，改善机器人的飞行稳定性与操控特性，降低切割阻力、树木运动等因素对系统的影响，提高飞行机器人的环境适应能力，提升清障作业的效率与流畅度；

20、4)刚性连接架与柔性浮动平台之间存在着前后旋转自由度，在飞行机器人起降过程中，刚性连接架与刀具系统所形成的刚性组合体，可在水平“卧倒”与竖直姿态之间自然转换，彻底解决了悬挂载荷类飞行机器人因载荷尺寸过大而难以起降的问题，改善了系统使用的便利性。

21、5)当飞行机器人向前运动并实施树障切割时，下基座设置的限位器将限制上连杆向后旋转，使悬挂机构除连接器以外的结构呈现较大的刚性，有效防止刀具系统在切割过程中的后摆退让，从而为切割作业提供足够的前向进给力。

22、6)下连杆具有的后“凹”轮廓形状，有利于悬挂机构避开斜向生长树枝，从而使刀锯与目标树枝直接接触并形成切割，解决迎面的斜向生长树枝对直线形下连杆易形成的运动阻碍问题。

23、7)在刚性连接架与刀具系统之间设置倾转关节，有利于根据树枝斜向生长的态势动态倾转刀具系统到合适角度，实现对树障枝条的快速切割清理，从而进一步提升机器人的清障效率与环境适应能力。

24、8)当发生枝叶缠绕刀具系统或刀锯卡阻等情况而造成飞行机器人无法进退时，可人工或自动启用脱钩装置，使悬挂机构与飞行平台快速“脱离”，从而保障飞行平台的安全，最大限度地降低故障带来的损失。

25、9)上脱钩件与下脱钩件形成可控制的单挂点式“挂钩-挂扣”连接，彻底解决了多挂点式脱钩装置因释放不同步而带来的脱钩卡阻甚至失败的问题；同时，上定位件与下定位件的“凸-凹”配合，形成了悬挂机构相对飞行平台的防旋转错位机制。

26、10)水平加强件用于刚性连接架与刀具系统所构成框架的结构强度；同时，其中空的舱体结构可用于装载刀具电池、控制器等模块，有利于将整机重心维持在飞行平台下方相对合适的位置，在确保飞行机器人静稳定性的同时兼顾操控性。