CN108927811A - 一种直线电机式变电站室内检测机器人及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线电机式变电站室内检测机器人及方法，包括机器人本体和桁架系统，所述桁架系统包括相对位置可调的第一方向桁架和第二方向桁架，机器人本体包括底座水平旋转机构，与底座水平旋转机构连接的多级机械臂，设置于多级机械臂末端、与多级机械臂之间位姿可调的云台，以及搭载在云台上的检测设备；通过第一方向桁架和第二方向桁架的相对运动，以及机器人本体多级机械臂、检测设备与多级机械臂之间位姿的多重调整，实现检测机器人能够移动至变电站室内空间坐标内任一点。

Description

一种直线电机式变电站室内检测机器人及方法

技术领域

本发明涉及一种直线电机式变电站室内检测机器人及方法。

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。

另外，目前推广应用的变电站室内轨道机器人，大多采用单一轨道架接可升降机器人的方式，且机器人沿轨道的运动，基本上采用齿轮齿条传动、同步带传动以及驱动轮自行运动等方式。虽然齿轮齿条结构简单、运行稳定，但是受加工能力的限制，无法做出较长的行程，限制了在较大面积的变电站室内的应用；同步带传动方式虽然定位精度较高，但是其运行速度较低，且负载不高，无法满足较大负载机器人的需求；驱动轮自行运动方式虽然负载满足需求，但是其需要通过滑触线等在线供电，增加了工程的复杂程度，且轮式运动的方式也注定了机器人无法提供较高的定位精度。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种直线电机式变电站室内检测机器人及方法，本发明通过将机器人本体以及横纵桁架都搭载有可控的电极，机器人本体及横纵桁架都可完成在相对应轨道上的高定位精度、高移动速度的运动，在横纵桁架的交互运动下，完成对变电站室内的全范围的检测，机器人整体运行效率高，定位精度高，且可搭载大负载检测设备进行检测。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种直线电机式变电站室内检测机器人，包括机器人本体和桁架系统，所述桁架系统包括相对位置可调的第一方向桁架和第二方向桁架，所述机器人本体包括底座水平旋转机构，与底座水平旋转机构连接的多级机械臂，设置于多级机械臂末端、与多级机械臂之间位姿可调的云台，以及搭载在云台上的检测设备；

通过直线电机驱动第一方向桁架和第二方向桁架发生相对运动,以及机器人本体多级机械臂、检测设备与多级机械臂之间位姿的多重调整，实现检测机器人能够移动至变电站室内空间坐标内任一点。

进一步的，所述多级机械臂包括至少两个机械臂，上端的机械臂通过第一旋转关节与底座水平旋转机构连接，机械臂之间通过第二旋转关节连接，下端的机械臂通过第三旋转关节与云台连接。

优选的，所述机械臂为可伸缩机械臂。

进一步的，所述云台通过垂直调节机构与检测设备连接，通过垂直调节机构的转动，使检测设备与云台之间的角度可调。

进一步的，所述底座水平旋转机构包括一水平底座，该水平底座可绕自身中心做圆周转动。

进一步的，所述底座水平旋转机构通过磁极发生控制器与桁架系统相连，通过磁极发生控制器控制机器人本体在桁架系统上的运动方向、运动速度以及停靠位置。

进一步的，所述磁极发生控制器的磁极的方向、磁力大小可调。

进一步的，所述第一方向桁架和第二方向桁架相互垂直。

进一步的，所述第一方向桁架和第二方向桁架之间设置有磁极发生控制器，通过第二磁极发生控制器实现第一方向桁架在第二方向桁架上的运动方向、运动速度以及停靠位置。

基于上述检测机器人的工作方法，在需要机器人检测开关柜正/反面特定区域时，规划最优的运行路径，桁架系统开始相对运动，带动机器人本体来到确定检测位置，机器人本体通过机械臂的伸缩与角度调节进行调整位姿，将末端的云台及检测设备定位到需要检测的开关柜区域，完成相应的检测任务；

或，当需要机器人检测开关柜顶部区域时，机器人首先通过上下支臂伸缩机构，将机械臂缩至最短状态，旋转第一、第二旋转关节，使机器人整体处于开关柜上侧的高度范围，然后沿着规划的运行路径，启动桁架系统，使机器人来到确定检测位置，调整垂直旋转机构，使末端检测设备对准开关柜柜顶区域，完成检测。

直线电机与普通定子电机相比主要有如下几个特点：

一是结构简单，由于直线电机不需要把旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地下降；

二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故定位精度高，如采用微机控制，则还可以大大地提高整个系统的定位精度；

三是反应速度快、灵敏度高，随动性好。直线电机容易做到其动子用磁悬浮支撑，因而使得动子和定子之间始终保持一定的气隙而不接触，这就消除了定、动子间的接触摩擦阻力，因而大大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；

四是工作安全可靠、寿命长。直线电机可以实现无接触传递力，机械摩擦损耗几乎为零，所以故障少，免维修，因而工作安全可靠、寿命长；

直线电机的运动速度和方向主要通过电机自身的磁极发生器来控制。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一套变电站室内全范围检测的系统解决方案，提高了机器人进行此类操作的效率；

2、本发明利用简单的直线电机作为驱动单元，解决了传统驱动方式下的低效、低定位精度、低负载等问题；

3、本发明通过三大旋转关节，可使机器人整体收缩到开关柜室内顶部，从而避免了在机器人移动时与其他开关柜发生意外的碰撞；

4、本发明除了可以应用在变电站室内开关柜的检测外，还可以适用于其他室内设备的检测上，如室内GIS设备等；

5、本发明提供了一种新颖的变电站室内检测方法，为后续变电站室内检测提供了一种思路。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明机器人本体结构示意图；

图3为本发明桁架结构示意图；

图4(a)和图4(b)为本发明开关柜柜体正/反面机器人检测示意图；

图5为本发明开关柜柜体上侧机器人检测示意图。

其中，1、机器人本体，2、桁架系统，3、开关柜，4、底座水平旋转机构，5、第一旋转关节，6、上臂伸缩机构，7、第二旋转关节，8、下臂伸缩机构，9、第三旋转关节，10、云台，11、末端垂直旋转机构，12、检测设备，13、横向桁架磁极控制器，14、纵向桁架，15、纵向桁架磁极控制器，16、横向桁架。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

一种直线电机式变电站室内检测机器人系统，包括：机器人本体、桁架系统、开关柜三部分组成；

所述机器人本体包括底座水平旋转机构、第一旋转关节、上臂伸缩机构、第二旋转关节、下臂伸缩机构、第三旋转关节、云台、末端垂直旋转机构以及检测设备；

机器人本体通过水平旋转机构，将机器人本体固定在在横向桁架上的磁极发生控制器上，并通过其来控制机器人本体在横向桁架上的运动方向、运动速度以及停靠位置等；

桁架系统通过磁极发生控制器来实现横向桁架在纵向桁架上的运动方向、运动速度以及停靠位置等；

机器人本体通过三大旋转关节、上下支臂伸缩机构构成一多自由度的机械臂系统，此机械臂系统底座带有水平旋转机构，可用于调节机械臂水平位姿，末端带有云台及垂直旋转机构，可用于搭载检测设备及调整垂直位姿；

在需要机器人检测开关柜正/反面特定区域时，机器人后台首先规划一个最优的运行路径，然后桁架系统启动，带动机器人本体来到确定检测位置，然后机器人调整位姿，将末端的云台及检测设备定位到需要检测的开关柜区域，完成相应的检测任务。

当需要机器人检测开关柜顶部母线等区域时，机器人首先通过上下支臂伸缩机构，将机械臂缩至最短状态，然后旋转第一、第二旋转关节，使机器人整体处于开关柜上侧的高度范围，然后沿着后台规划的运行路径，启动桁架系统，使机器人来到确定检测位置，调整垂直旋转机构，使末端检测设备对准开关柜柜顶母线等区域，完成检测。

如图1所示，一种直线电机式变电站室内检测机器人系统，机器人本体通过横向桁架磁极控制器13与桁架系统相连，在桁架系统2的控制下，可达到屋顶平面范围内任意坐标位置点，在机器人本体1自身的多自由度机械臂的控制下，完成垂直平面内任一坐标点的检测，从而达到完成空间坐标内任一点检测的目标；

桁架系统2通过横向及纵向桁架磁极控制器13、15来控制磁极的方向及大小，从而控制机器人本体1及横向桁架16的移动方向，运动速度及停靠位置等；

具体的说，如图1所示，机器人本体1与桁架系统2通过；横向桁架磁极控制器13相连接，在桁架系统2的控制下，可做平面内移动；

如图2所示，机器人本体1包括底座水平旋转机构4，第一旋转关节5、上臂伸缩机构6、第二旋转关节7、下臂伸缩机构8、第三旋转关节9、云台10、末端垂直旋转机构11、检测设备12；

上臂伸缩机构6、第二旋转关节7、下臂伸缩机构8、第三旋转关节9、末端垂直旋转机构11组成一个多自由度的机械臂系统，从而可以使末端云台10及检测设备12到达垂直平面内任一位置；

如图3所示，桁架系统2包括横向桁架磁极控制器13、纵向桁架14、纵向桁架磁极控制器15、横向桁架16，桁架系统2通过两个磁极控制器13、15可完成水平平面内任一位置的运动；

两个磁极控制器13、15可通过控制磁极的方向、磁力大小等，控制横向桁架16和机器人本体1的移动方向、运动速度和停靠位置；

在桁架系统2及机器人本体1的机械臂系统的共同作用下，机器人可完成变电站室内任一位置的检测；

如图4(a)和图4(b)所示，在需要机器人检测开关柜3正/反面特定区域时，机器人后台首先规划一个最优的运行路径，然后桁架系统2启动，带动机器人本体1来到确定检测位置，然后机器人调整位姿，将末端的云台10及检测设备12定位到需要检测的开关柜区域，完成相应的检测任务。

如图5所示，当需要机器人检测开关柜3顶部母线等区域时，机器人首先通过上下支臂伸缩机构6、8，将机械臂缩至最短状态，然后旋转第一、第二旋转关节5、7，使机器人整体处于开关柜3上侧的高度范围，然后沿着后台规划的运行路径，启动桁架系统2，使机器人来到确定检测位置，调整垂直旋转机构11，使末端检测设备12对准开关柜3柜顶母线等区域，完成检测。

当机器人末端检测设备12与开关柜3有一定平面夹角时，可通过调整水平旋转机构4，使机器人末端检测设备12与开关柜3实现平行；

本发明通过简单的直线电机式的桁架以及多自由度机械臂实现了机器人高效率、高精度下的变电站室内检测，其结构简单、可靠。

本发明机器人检测设备上增加了水平/垂直两个旋转自由度，保证了机器人在进行设备检测时的稳定、安全、准确。

本发明机器人增加了两个伸缩机构，不仅可以增加机器人的检测范围，而且在进行大负载设备检测是，可通过收缩机械臂的长度，来降低机器人旋转关节的输出扭矩，从而进一步提高了机器人的利用率；

本发明构思了一种直线电机式变电站内检测方式，通过直线电机的驱动方式，可使机器人的运行速度、定位精度等达到一个更高的水平，从而使一些比较精细化的设备的检测成为了可能；

本发明除可以应用在开关柜的检测外，还可以应用在其他室内类似GIS设备等的检测中，使用范围广。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

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 (10)

1.一种直线电机式变电站室内检测机器人，其特征是：包括机器人本体和桁架系统，所述桁架系统包括相对位置可调的第一方向桁架和第二方向桁架，所述机器人本体包括底座水平旋转机构，与底座水平旋转机构连接的多级机械臂，设置于多级机械臂末端、与多级机械臂之间位姿可调的云台，以及搭载在云台上的检测设备；

通过直线电机驱动第一方向桁架和第二方向桁架发生相对运动,以及机器人本体多级机械臂、检测设备与多级机械臂之间位姿的多重调整，实现检测机器人能够移动至变电站室内空间坐标内任一点。

2.如权利要求1所述的一种直线电机式变电站室内检测机器人，其特征是：所述多级机械臂包括至少两个机械臂，上端的机械臂通过第一旋转关节与底座水平旋转机构连接，机械臂之间通过第二旋转关节连接，下端的机械臂通过第三旋转关节与云台连接。

3.如权利要求2所述的一种直线电机式变电站室内检测机器人，其特征是：所述机械臂为可伸缩机械臂。

4.如权利要求1所述的一种直线电机式变电站室内检测机器人，其特征是：所述云台通过垂直调节机构与检测设备连接，通过垂直调节机构的转动，使检测设备与云台之间的角度可调。

5.如权利要求1所述的一种直线电机式变电站室内检测机器人，其特征是：所述底座水平旋转机构包括一水平底座，该水平底座可绕自身中心做圆周转动。

6.如权利要求1所述的一种直线电机式变电站室内检测机器人，其特征是：所述底座水平旋转机构通过磁极发生控制器与桁架系统相连，通过磁极发生控制器控制机器人本体在桁架系统上的运动方向、运动速度以及停靠位置。

7.如权利要求1所述的一种直线电机式变电站室内检测机器人，其特征是：所述磁极发生控制器的磁极的方向、磁力大小可调。

8.如权利要求1所述的一种直线电机式变电站室内检测机器人，其特征是：所述第一方向桁架和第二方向桁架相互垂直，且通过电机驱动第一方向桁架和第二方向桁架发生相互运动。

9.如权利要求1所述的一种直线电机式变电站室内检测机器人，其特征是：所述第一方向桁架和第二方向桁架之间设置有磁极发生控制器，通过第二磁极发生控制器实现第一方向桁架在第二方向桁架上的运动方向、运动速度以及停靠位置。

10.基于如权利要求1-9中任一项所述的检测机器人的工作方法，其特征是：在需要机器人检测开关柜正/反面特定区域时，规划最优的运行路径，桁架系统开始相对运动，带动机器人本体来到确定检测位置，机器人本体通过机械臂的伸缩与角度调节进行调整位姿，将末端的云台及检测设备定位到需要检测的开关柜区域，完成相应的检测任务；

或，当需要机器人检测开关柜顶部区域时，机器人首先通过上下支臂伸缩机构，将机械臂缩至最短状态，旋转第一、第二旋转关节，使机器人整体处于开关柜上侧的高度范围，然后沿着规划的运行路径，启动桁架系统，使机器人来到确定检测位置，调整垂直旋转机构，使末端检测设备对准开关柜柜顶区域，完成检测。