CN105945900B - 一种变电站室内巡检机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变电站室内巡检机器人，包括X向轨道、Y向轨道、机械手臂和检测组件；所述的Y向轨道安装在X向轨道上且能沿着X向轨道来回移动；所述的机械手臂通过一个移动平台安装在Y向轨道上且移动平台能沿着Y向轨道来回移动；在所述的机械手臂上安装有检测组件，通过X向轨道、Y向轨道和机械手臂的复合运动实现对室内设备的全方位巡检。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能检测机器人，具体涉及一种龙门桁架式变电站室内巡检机器人，属于智能检测技术领域。
背景技术
电力系统室内设备的正常运行至关重要，一方面需要有足够的可靠性，另一方面也需要及时巡检以便发现并及时检修设备存在的潜在隐患，确保系统正常运行。室内电力设备的实时检测对保证其可靠安全运行有重要意义。受室内空间和其它被监测设备布局的限制，要实现对设备全方位检测的功能，需要机器人能够在水平空间和垂直空间均能实现较大行程的运动，显然现有轮式驱动或履带式驱动方式均难以实现。
除此之外，部分变电站室内待检设备位置较高、部分设备的正上方也需要巡检(如阀厅水冷室、GIS室)，现有巡检方式更是望而却步。
发明内容
为解决上述现有技术问题，本发明提供了一种龙门桁架式变电站室内巡检机器人，它采用吊顶式或侧装方式安装在天花板、墙壁或立柱上。通过组合轨道和机械手臂的复合运动，检测组件可精确到达检测平面内的任意位置，实现对室内设备的全方位巡检。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种变电站室内巡检机器人，包括X向轨道、Y向轨道、机械手臂和检测组件；所述的Y向轨道安装在X向轨道上且能沿着X向轨道来回移动；所述的机械手臂通过一个移动平台安装在Y向轨道上且移动平台能沿着Y向轨道来回移动；在所述的机械手臂上安装有检测组件，通过X向轨道、Y向轨道和机械手臂的复合运动实现对室内设备的全方位巡检。
进一步的，所述的X向轨道包括两个相互平行的第一X轴、第二X轴，所述的Y向轨道包括一个与第一X轴、第二X轴垂直且相连的Y轴；所述的Y轴能沿着两个X轴来回移动；两个X轴由电机驱动其旋转。
进一步的，所述的两个X轴采用双电机同步控制或者单电机各自控制。
进一步的，所述第一X轴、第二X轴和Y轴的行程均可调节。
进一步的，所述第一X轴、第二X轴、Y轴分别各自包括第一导轨、第二导轨、齿条、滑块、连接板、电机、减速器和基础型材；
进一步的，所述的第一导轨、第二导轨平行的安装在基础型材的顶部，齿条安装在基础型材侧面，所述的电机通过减速器驱动齿轮沿着齿条来回移动，所述的电机、减速机安装在连接板上，在连接板底部通过两个滑块沿着两个所述的导轨来回移动。所述基础型材安装在室内的天花板、立柱或辅助支架上；基础型材、齿条等均可通过拼接加长，后续扩展性容易实现。
进一步的，在所述的Y向轨道上还安装有支撑组件，所述支撑组件包括支撑型材与滚轮组件；所述滚轮组件一端通过第二支架与Y轴固接，另一端通过滚轮与支撑型材连接；所述支撑型材与基础型材平行安装。
进一步的，所述支撑型材上安装有回收装置，所述回收装置包括主动轮、从动轮、钢丝绳和回收机构；所述回收机构安装在支撑型材的终端；所述主动轮安装在支撑型材的起始端与步进电机连接，所述的主动轮通过钢丝绳驱动从动轮，钢丝绳与回收机构固定连接。
当Y轴在巡检过程中遇到故障无法自主运行后，可启用收回装置对机器人进行收回维护维护；具体的工作过程如下：
当遇到故障时，启动步进电机带动驱动轮运动，进而通过钢丝绳带动回收机构沿着支撑型材运行。在回收机构运行中，遇到出现故障的机器人，则推动机器人一起往起始端运行，直至完成机器人的收回。机器人维修完毕后，可通过机器人自主运行，将收回机构带回支撑型材终端，完成回收装置的复位，以备下次使用。
进一步的，所述支撑组件包含结构相同的一组或多组，具体根据机器人重量和Y轴跨度综合而定。
进一步的，所述机械手臂其主要包括控制箱、第一关节、第一手臂、第二关节、第二手臂、第三关节；控制箱通过第一关节与第一手臂相连，所述的第一手臂通过第二关节与第二手臂相连，所述的第二手臂通过铰链与云台相连，所述第一关节和第二关节具有竖直平面内的转动自由度。
进一步的，所述机械手臂的末端与云台铰接，云台始终处于水平状态；所述云台的支架上安装多个检测障碍物的超声传感器和人体红外探测器。
机器人供电和通讯采用拖链方式，所述拖链分别安装在第一X轴(或第二X轴)和Y轴上。
本发明机械手臂具有较大的展开收缩行程比，机械手臂可以达到与平行贴近Y轴的状态，完成对设备正上方位置的巡检；也能达到接近完全竖直的状态，完成对设备最下方位置的巡检。云台支架上安装多个超声传感器和人体红外探测器，能实现对四周障碍物和工作人员的检测，不会碰撞周围的设备和工作人员。所述云台和监测装置可更换为机械手抓，进而完成对室内杂物、工件等的抓取和搬运工作。
为了增大Y轴的连接刚性，本发明第一X轴和第二X轴驱动系统分别采用了2个导轨和4个滑块，于是连接板的尺寸相应增大，整体的连接强度和刚度相应增大。
机器人进行自动巡检时，机器人系统调用存储的规划路径沿轨道运行。当机器人移动至目标检测点时，通过自身携带的检测设备完成对该监测点设备的工作状态信息或环境信息，同时记录下移动体的当前位姿状态。并将采集到的数据实时传输到后台，进而完成数据的处理和故障的自动报警。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明通过X轴、Y轴和机械手臂的复合运动实现对室内设备的实时在线、全方位、无死角巡检。
(2)本发明支撑组件仅限制了Y轴竖直方向上的变形，不会造成过定位。
(3)本发明基础型材上带有凹槽，齿条等设备安装方便、快速、美观，无需打孔；
(4)本发明云台支架四周安装多个超声传感器和人体红外探测器，在机器人运行和机械手臂动作过程中不会与室内设备、施工工器具和工作人员等发生碰撞。
(5)本发明云台和监测组件可更换为机械手抓，进而完成对室内杂物、工件等的抓取和搬运工作。
(6)本发明可以搭载不同检测设备，适应不同变电站小室的巡检要求。
(7)本发明采用拖链供电，通讯稳定可靠，而且避免了滑触线供电时出现电火花的情况，适用于存在可燃气体的变电站小室。
(8)第一X轴、第二X轴和Y轴的行程可调节，基础型材、齿条等均可通过拼接加长，后续扩展性容易实现、可操作性较强。
(9)本发明不仅能对设备的两侧进行巡检，当机械手臂收缩至平行接近Y轴时后还能对设备正上方部位进行巡检，对变电站室内大型设备、GIS设备进行巡检时具有优越性。
(10)本发明可对轨道机器人进行回收，当机器人在人工难以到达的区域出现故障后，可通过启动回收装置进行回收，减少了作业风险。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明第一X轴驱动系统结构示意图；
图3为本发明支撑组件的侧视图；
图4为本发明支撑组件中滚轮组件的结构示意图；
图5为本发明机械手臂的结构示意图；
图6为本发明机械手臂的控制结构图；
图7为本发明回收装置结构示意图；
图8为本发明机器人的运动控制规划图。
其中，1、第一X轴；2、第二X轴；3、Y轴；4、支撑组件；5、机械手臂；6、云台；7、检测组件；8、移动平台；101、基础型材；102、第一导轨；103、第二导轨；104、连接板；105、滑块；106、转接件；107、电机；108、减速器；109、驱动齿轮；110、齿条；401、支撑型材；402、滚轮；403、第一支架；404、第二支架；501、控制箱；504、第一关节；506、第一手臂；505、第二关节；507、第二手臂；508、铰链；9、回收装置；901、主动轮；902、钢丝绳；903、回收机构；904、从动轮；905、张紧轮。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所述为本发明的结构示意图。本发明主要包括XY组合轨道、支撑组件4、机械手臂5、移动平台8、云台6、检测组件7；所述移动平台8下方安装机械手臂5，机械手臂5具有4个自由度，其末端安装有检测组件7和云台6。
所述的XY组合轨道包括结构相同的第一X轴1、第二X轴2和Y轴3；第一X轴1与第二线X轴2平行布置，分别与Y轴3正交；Y轴3同时连接第一X轴1和第二X轴2，并能够随之沿第一X轴1和第二X轴2的轴线方向直线移动；所述移动平台8通过连接板安装在Y轴3上，能沿Y轴3轴线方向移动。
检测组件包括可见光摄像机、红外热像仪、烟雾浓度检测仪、气体检测仪和温湿度检测仪中的一种或多种。
本发明第一X轴、第二X轴、Y轴的驱动系统结构图相同，以第一X轴为例予以说明。
如图2所示为本发明第一X轴驱动系统结构示意图。
电机107输出轴与减速器108连接，减速器108输出轴与驱动齿轮109通过平键连接，减速器108外壳通过转接件106与连接板104固定连接。连接板104通过4个滑块105与第一导轨102和第二导轨103连接，第一导轨102和第二导轨103平行的安装在基础型材101底面的凹槽里。齿条110侧装在基础型材101侧面的凹槽里，基础型材101安装在天花板或固定立柱、支架上。
电机107工作时，驱动齿轮109沿齿条110运动，进而带动与第一导轨和第二导轨通过滑块105连接的连接板104运动。
对于第一X轴和第二X轴，转接板上固接Y轴；对于Y轴，转接板上固接移动平台。
当Y轴行程较长时，为防止Y轴的弯曲变形本发明采用了支撑组件，如图3所示为本发明支撑组件的侧视图。支撑组件4主要包括支撑型材(401)与滚轮组件，支撑型材可采用工字型铝型材或其它截面的异型材。
如图4所示为本发明支撑组件中滚轮组件的结构图，滚轮组件主要包括4个滚轮402、第一支架403和第二支架404，滚轮402安装在第一支架403上，第二支架404与Y轴3的基础型材固接。所述支撑型材与基础型材平行安装在室内的天花板、立柱或辅助支架上；所述支撑型材可采用工字铝型材或其它截面的异型材。
当第一X轴和第二X轴驱动系统工作时，通过连接板带动Y轴沿第一X轴和第二X轴的轴线运动，进而Y轴带动滚轮组件沿支撑型材运动。由于支撑组件仅限制类Y轴在竖直方向上的变形，因此保证安装时候的精度就不会造成Y轴的过定位。
其中支撑组件的数目根据机器人重量和Y轴跨度综合而定，具体可参考材料力学中简支梁挠度的计算方法。如Y轴满足刚性条件，可不必采用支撑组件；反之，则通过合理布置一组或多组结构相同的支撑组件可将Y轴的变形限制在要求范围内。
如图5所示为本发明机械手臂的结构示意图。机械手臂5在竖直方向上具有较大伸缩行程且具备要求的承载能力，
机械手臂其主要包括控制箱501、第一关节504、第一手臂506、第二关节505、第二手臂507、第三关节508；控制箱通过第一关节与第一手臂相连，所述的第一手臂通过第二关节与第二手臂相连，所述的第二手臂通过第三关节与云台6相连。
第一关节和第二关节均由电机、谐波减速器、伺服驱动器驱动。控制箱501固接在移动平台8上，控制箱与第一手臂通过第一关节连接，第一关节具有竖直平面内的转动自由度；第一手臂与第二手臂通过第二关节相连，第二关节具有竖直平面内的转动自由度。
云台通过支架与机械手臂的铰链508连接，云台始终处于水平状态。
如图6所示为本发明机械手臂的控制结构图。PLC作为机械手的运动控制器，它能接收来自后台的运动控制信息并做出相应动作；除此之外，PLC还能通过读取来自各个伺服驱动器的驱动信息，能实时监控第一手臂和第二手臂是否运转正常；若运动中出现异常或故障则会报警，PLC能及时做出动作停止指令，并反馈至后台。运动控制器通过DMCnet总线线缆与2台伺服驱动器连接，伺服驱动器可控制机械手的2个伺服电机运动，运动过程中可以实时的调整运动速度。
云台6通过铰链508与机械手臂连接，确保云台始终处于水平状态，云台6上安装检测组件7。通过控制箱501发出控制指令，控制机械手臂的第一关节、第二关节电机运转，进而实现对检测设备的准确定位。通过X轴、Y轴和机械手臂5的复合运动实现对室内设备的全方位巡检。
本发明机械手臂具有较大的展开收缩行程比，机械手臂可以达到与平行接近Y轴的状态，完成对设备正上方位置的巡检；也能达到接近完全竖直的状态，完成对设备最下方位置的巡检。云台支架上安装多个超声传感器和人体红外探测器，能实现对四周障碍物和工作人员的检测，不会与周围设备和工作人员发生碰撞。此外，云台和监测装置可更换为机械手抓，进而完成对室内杂物、工件等的抓取和搬运工作。
机器人供电和通讯采用拖链方式，所述拖链分别安装在第一X轴(或第二X轴)和Y轴上，拖链为现有技术，不在详述。
如图7所示为本发明回收装置的结构示意图。在支撑型材401上上安装有回收装置，当Y轴在巡检过程中遇到故障无法自主运行后，可启用收回装置对机器人进行收回维护维护。该回收装置主要包括主动轮、从动轮、张紧轮、钢丝绳和回收机构。回收机构安装在支撑型材的终端，回收机构为一高刚度移动小车，主动轮安装在支撑型材的起始端。主动轮与步进电机连接，钢丝绳与回收机构固定连接，当遇到故障时，启动步进电机带动驱动轮运动，进而通过钢丝绳带动回收机构沿着支撑型材运行。在回收机构运行中，遇到出现故障的机器人，则推动机器人一起往起始端运行，直至完成机器人的收回。机器人维修完毕后，可通过机器人自主运行，将收回机构带回支撑型材终端，完成回收装置的复位，以备下次使用。
如图8所示，为本发明机器人的运动控制规划图。当机器人进行自动巡检时，机器人系统调用存储的规划路径沿轨道运行。当机器人移动至目标检测点时，通过自身携带的检测设备完成对该监测点设备的工作状态信息或环境信息，同时记录下移动体的当前位姿状态。并将采集到的数据实时传输到后台，进而完成数据的处理和故障的自动报警。可见，运动时通过X轴、Y轴和Z轴3者的复合运动实现机器人在整个空间平面内的检测。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种变电站室内巡检机器人，其特征在于：包括X向轨道、Y向轨道、机械手臂和检测组件；所述的Y向轨道安装在X向轨道上且能沿着X向轨道来回移动；所述的机械手臂通过一个移动平台安装在Y向轨道上且移动平台能沿着Y向轨道来回移动；在所述的机械手臂上安装有检测组件，通过X向轨道、Y向轨道和机械手臂的复合运动实现对室内设备的全方位巡检；
所述的X向轨道包括两个相互平行的第一X轴、 第二X轴，所述的Y向轨道包括一个与第一X轴、 第二X轴垂直且相连的Y轴；所述的Y轴能沿着两个X轴来回移动；两个X轴由电机驱动其运动；
所述第一X轴、第二X轴、Y轴分别各自包括第一导轨、第二导轨、齿条、滑块、连接板、电机、减速器和基础型材；
所述的第一导轨、第二导轨平行的安装在基础型材的顶部，齿条安装在基础型材侧面，所述的电机通过减速器驱动齿轮沿着齿条来回移动，所述的电机、减速机安装在连接板上，在连接板底部通过两个滑块沿着两个所述的导轨来回移动；
在所述的Y向轨道上还安装有支撑组件，所述支撑组件包括支撑型材与滚轮组件；所述滚轮组件一端通过第二支架与Y轴固接，另一端通过滚轮与支撑型材连接；所述支撑型材与基础型材平行安装；
所述支撑型材上安装有回收装置，所述回收装置包括主动轮、从动轮、钢丝绳和回收机构；所述回收机构安装在支撑型材的终端；所述主动轮安装在支撑型材的起始端与步进电机连接，所述的主动轮通过钢丝绳驱动从动轮，钢丝绳与回收机构固定连接。
2.根据权利要求 1所述的变电站室内巡检机器人，其特征在于：所述的两个X轴采用双电机同步控制或者单电机各自控制。
3.根据权利要求1所述的变电站室内巡检机器人，其特征在于：所述第一X轴、第二X轴和Y轴的行程均可调节。
4.根据权利要求1所述的变电站室内巡检机器人，其特征在于：所述支撑组件包含结构相同的一组或多组，具体根据机器人重量和Y轴跨度综合而定。
5.根据权利要求 1所述的变电站室内巡检机器人，其特征在于：
所述机械手臂其主要包括控制箱、第一关节、第一手臂、第二关节、第二手臂、第三关节；控制箱通过第一关节与第一手臂相连，所述的第一手臂通过第二关节与第二手臂相连，所述的第二手臂通过第三关节与云台相连，所述第一关节和第二关节具有竖直平面内的转动自由度。
6.根据权利要求1所述的变电站室内巡检机器人，其特征在于：所述机械手臂的末端与云台铰接，云台始终处于水平状态；所述云台的支架上安装多个检测障碍物的超声传感器和人体红外探测器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 750000 Jinfeng District, Yinchuan City, Ningxia Hui Autonomous Region, west of Tongda South Street and north of Jinfeng Road Co-patentee after: National Network Intelligent Technology Co., Ltd. Patentee after: State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd. overhaul company Address before: 750011, No. 494 middle Beijing Road, Jinfeng District, the Ningxia Hui Autonomous Region, Yinchuan Co-patentee before: Shandong Luneng Intelligent Technology Co., Ltd. Patentee before: Maintenance Company, State Grid Ningxia Electric Power Company |
|
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20201215 Address after: 250101 power intelligent robot production project 101 south of Feiyue Avenue and east of No.26 Road (in ICT Industrial Park) in Suncun District of Gaoxin, Jinan City, Shandong Province Patentee after: National Network Intelligent Technology Co.,Ltd. Address before: 750000 to the west of Tongda South Street and north of Jinfeng Road, Jinfeng District, Yinchuan City, Ningxia Hui Autonomous Region Patentee before: STATE GRID NINGXIA ELECTRIC POWER CO., LTD. MAINTENANCE Co. Patentee before: National Network Intelligent Technology Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |