CN110936361A - 一种用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，机械臂机构安装于移动车体机构上，机械臂机构的输出端连接有末端多功能执行器机构；机械臂机构包括基座、作为输出端的末端法兰及多个位于基座与末端法兰之间并串联连接的模块化关节，末端多功能执行器机构安装在末端法兰上，具有与模块化关节数量相等的自由度；移动车机构带动机械臂机构及末端多功能执行器机构运动到高压室内指定位置，末端多功能执行器机构通过机械臂机构的驱动至指定位姿，由末端多功能执行器机构执行作业任务。本发明解决了高压室人工作业的危险性高，劳动强度大，效率底下等问题，能够代替作业工人携带作业工具进行高压室作业和巡检，保障电力作业安全。

Description

一种用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构

技术领域

本发明属于移动机械臂领域，具体地说是一种用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，可用于在高压室内对高压开关柜进行安全检测，并在紧急情况下完成应急分闸操作。

背景技术

随着电网调控一体运行模式的推广，传统的变电站人工巡视与操作的方式已经满足不了形势发展的要求，针对变电站内高压室的日常巡视、带电红外/局放检测、应急分闸操作等工作量十分巨大。传统的人工带电检测工作存在仪器设备相对分散，试验效率低，智能化水平不高等诸多问题。此外，由于开关柜厂家鱼龙混杂，设备质量参差不齐，导致设备运行中发生故障的概率较高。当开关柜发生故障时，可能会引起爆炸和起火等故障，如不能及时发现和处理，将可能危及人身安全，并对其它未故障设备产生重大影响。

因此开展高压开关柜检测机器人系统的研究，替代人工完成变电站高压室开关设备的日常带电检测工作,对于保障工作人员的安全、及早发现潜伏性运行隐患，保证设备和电网安全可靠运行，建立高效、机动的现场带电检测系统，满足电网智能化改造的需求具有重要意义。

日本三菱公司和东京电力公司联合开发了500kV变电站巡视机器人，沿路面轨道行驶，使用红外热像仪和图像采集设备，配置辅助灯光和云台，自动获取变电站内实时信息。加拿大魁北克水电研究院研制的变电站巡检机器人搭载红外热像仪、可见光图像采集系统，实现了远程监控，并且配置了遥控装置，可实现对机器人的实时控制。国家电网山东省电力公司电力科学研究院及下属的山东鲁能智能技术有限公司研制出的系列化变电站巡检机器人，实现了机器人在变电站室外环境全天候、全区域自主运行，实现了设备热缺陷分析预警，开关、断路器开合状态识别、仪表自动读数、设备外观异常和变压器声音异常检测及异常状态报警等功能。

从国内外变电站巡检机器人的调研情况可以看出，几乎所有巡检机器人主要针对的都是室外高压设备的检测，并且只是“监而不控”，对于既可巡视又具有应急分闸操作功能的变电站高压室智能机器人研究尚处于空白阶段。为实现全智能的机器人检测及操作功能，需要设计一种用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，能够适应机器人化操作的特点及高压开关柜的环境。

发明内容

为了解决现有变电站巡检机器人存在的上述问题，满足变电站高压室巡检的需求，本发明的目的在于提供一种用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构。该移动操作机器人机构能够完成高压室巡检作业任务，对高压柜状态进行分析预警；同时能够在故障情况下代替人工完成应急分闸操作，实现事故隔离，防止事故扩大。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括移动车体机构、机械臂机构及末端多功能执行器机构，其中机械臂机构安装于移动车体机构上，该机械臂机构的输出端连接有所述末端多功能执行器机构，所述机械臂机构及末端多功能执行器机构随移动车体机构运动；所述机械臂机构包括基座、作为输出端的末端法兰及多个位于基座与末端法兰之间并串联连接的模块化关节，所述末端多功能执行器机构安装在末端法兰上，具有与所述模块化关节数量相等的自由度；所述移动车机构带动机械臂机构及末端多功能执行器机构运动到高压室内指定位置，所述末端多功能执行器机构通过机械臂机构的驱动至指定位姿，由该末端多功能执行器机构执行作业任务。

其中：所述移动车体机构包括车体底盘及行走轮驱动机构，所述基座固定在该车体底盘的上表面，所述车体底盘下表面前后两侧的左右两端均安装有用于在高压室内行走的行走轮驱动机构。

所述模块化关节为六个，每一个模块化关节均提供一个自由度，六个模块化关节分别为第一模块化关节、第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节、第五模块化关节及第六模块化关节，各模块化关节结构相同，均包括支架、电机及输出轴，所述电机安装于支架上，所述第一模块化关节的支架安装在所述基座上，所述第六模块化关节的输出轴连接有末端法兰，所述第二～六模块化关节中任意一个模块化关节的支架连接于相邻的上一模块化关节的输出轴。

所述第一模块化关节、第五模块化关节的输出轴相平行，且轴向均为竖直方向；所述第二模块化关节、第三模块化关节、第四模块化关节及第六模块化关节的输出轴相平行，且轴向均为水平方向。

所述第二模块化关节的输出轴与第三模块化关节的支架之间通过第一连杆相连，所述第三模块化关节的输出轴与第四模块化关节的支架之间通过第二连杆连接。

所述末端多功能执行器机构包括输入法兰、多个旋转关节、执行器主体、局放检测仪、直线运动单元、应急分闸操作装置、工业相机、光源及红外热像仪，该输入法兰与所述机械臂机构的输出端相连，所述执行器主体通过多个旋转关节与输入法兰连接，该执行器主体上分别安装有局放检测仪、应急分闸操作装置、工业相机及红外热像仪，所述工业相机上具有光源，所述应急分闸操作装置内部设有直线运动单元，该直线运动单元为移动关节。

所述执行器主体具有五个接口，位于左端的接口与所述最末端的旋转关节连接，位于右端的两个接口分别与所述应急分闸操作装置及工业相机连接，位于上端的接口与所述局放检测仪连接，位于下端的接口与所述红外热像仪连接。

所述执行器主体与局放检测仪、工业相机和红外热像仪的接口处设有空心支架，该局放检测仪、工业相机和红外热像仪分别安装于该空心支架内。

所述旋转关节包括第一旋转关节、第二旋转关节及第三旋转关节，该第一旋转关节、第二旋转关节及第三旋转关节依次串联连接，所述第二旋转关节为球铰，第一旋转关节与第三旋转关节结构相同，均包括支架、电机及输出轴，所述电机安装于支架上，所述第一旋转关节的支架固接于输入法兰上，第一旋转关节的输出轴通过第二旋转关节与所述第三旋转关节的支架相连，该第三旋转关节的输出轴与所述执行器主体连接。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明结合高压开关柜检测和操作的实际需求，设计了一种用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，可全自主、快速的在高压室内执行多项巡检、作业任务，解决了以往变电站巡检机器人功能较为单一，不能对高压开关柜进行操作等缺点。

2.本发明主体中的移动车体机构和协作型机械臂机构实现了机器人机构的粗定定位，末端多功能执行器机构实现了全自主精准定位。通过粗定位和精定位相结合的定位方式，提高了检测和作业效率，保障电力作业安全。

3.本发明适用于高压室内的巡检与多种作业任务，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的整体外观结构示意图；

图2为本发明的整体结构示意图；

图3为本发明移动车体机构的结构示意图；

图4为本发明机械臂机构的结构示意图；

图5为本发明末端多功能执行器机构的结构示意图；

其中：1为移动车体机构，101为移动车体底盘，102为行走轮驱动机构；

2为机械臂机构，201为基座，202为第一模块化关节，203为第二模块化关节，204为第一连杆，205为第三模块化关节，206为第二连杆，207为第四模块化关节，208为第五模块化关节，209为第六模块化关节，210为末端法兰；

3为末端多功能执行器机构，301为输入法兰，302为第一旋转关节，303为第二旋转关节，304为第三旋转关节，305为执行器主体，306为局放检测仪，307为直线运动单元，308为应急分闸操作装置，309为工业相机，310为光源，311为红外热像仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1、图2所示，本发明包括移动车体机构1、机械臂机构2及末端多功能执行器机构3，其中机械臂机构2安装于移动车体机构1上，该机械臂机构2的输出端通过螺钉连接有末端多功能执行器机构3，机械臂机构2及末端多功能执行器机构3随移动车体机构1运动，该移动车机构1带动机械臂机构2及末端多功能执行器机构3运动到高压室内指定位置，末端多功能执行器机构3通过机械臂机构2的驱动至指定位姿，由该末端多功能执行器机构3通过自主调整位姿执行巡检及作业任务。

如图3所示，本实施例的移动车体机构1包括车体底盘101及行走轮驱动机构102，机械臂机构2固定在该车体底盘101的上表面，车体底盘101下表面前后两侧的左右两端均安装有用于在高压室内行走的行走轮驱动机构102。移动车体机构1能够在高压室内全方位快速稳定移动，将机械臂机构2及末端多功能执行器机构3移动到指定作业位置。本实施例的行走轮驱动机构102为现有技术。

如图4所示，本实施例的机械臂机构2包括基座201、作为输出端的末端法兰210及多个位于基座201与末端法兰210之间并串联连接的模块化关节，基座201安装在车体底盘101上表面的中间位置，末端多功能执行器机构3安装在末端法兰210上，具有与模块化关节数量相等的自由度。本实施例的模块化关节为六个，每一个模块化关节均提供一个自由度，六个模块化关节分别为第一模块化关节202、第二模块化关节203、第三模块化关节205、第四模块化关节207、第五模块化关节208及第六模块化关节209，各模块化关节结构相同，均包括支架、电机及输出轴，电机安装于支架上，第一模块化关节202的支架安装在基座201上，第六模块化关节209的输出轴连接有末端法兰210，第二～六模块化关节中任意一个模块化关节的支架连接于相邻的上一模块化关节的输出轴。本实施例的第一模块化关节202、第五模块化关节208的输出轴相平行，且轴向均为竖直方向；第二模块化关节203、第三模块化关节205、第四模块化关节207及第六模块化关节209的输出轴相平行，且轴向均为水平方向。本实施例在第二模块化关节203的输出轴与第三模块化关节205的支架之间通过第一连杆204相连，第三模块化关节205的输出轴与第四模块化关节207的支架之间通过第二连杆206连接，第一连杆204与第二连杆206相平行。

如图5所示，本实施例的末端多功能执行器机构3包括输入法兰301、多个旋转关节、执行器主体305、局放检测仪306、直线运动单元307、应急分闸操作装置308、工业相机309、光源310及红外热像仪311，末端多功能执行器机构3整体通过输入法兰301与机械臂机构2的作为输出端的末端法兰210相连，执行巡检及作业任务；执行器主体305通过多个旋转关节与输入法兰301连接，该执行器主体305上分别安装有局放检测仪306、应急分闸操作装置308、工业相机309及红外热像仪311，工业相机309上具有光源310，应急分闸操作装置308内部设有直线运动单元307，该直线运动单元307为移动关节。本实施例的旋转关节包括第一旋转关节302、第二旋转关节303及第三旋转关节304，该第一旋转关节302、第二旋转关节303及第三旋转关节304依次串联连接，第二旋转关节303为球铰，第一旋转关节302与第三旋转关节304结构相同，均包括支架、电机及输出轴，电机安装于支架上，第一旋转关节302的支架固接于输入法兰301上，第一旋转关节302的输出轴通过第二旋转关节303与第三旋转关节304的支架相连，该第三旋转关节304的输出轴与执行器主体305连接。末端多功能执行器机构3的第一旋转关节302、第二旋转关节303和第三旋转关节304可以调整末端执行器的姿态，使末端执行器不同工作位依次对准高压开关柜正面，完成检测工作。通过第三旋转关节304、直线运动单元307的运动，可控制应急分闸操作装置308对机械分合闸按钮进行分闸操作。本实施例的执行器主体305具有五个接口，位于左端的接口与最末端的旋转关节(即第三旋转关节304)的输出轴连接，位于右端的两个接口分别与应急分闸操作装置308及工业相机309连接，位于上端的接口与局放检测仪306连接，位于下端的接口与红外热像仪311连接。执行器主体305与局放检测仪306、工业相机309和红外热像仪311的接口处设有空心支架，该局放检测仪306、工业相机309和红外热像仪311分别安装于该空心支架内。本实施例的局放检测仪306、直线运动单元307、应急分闸操作装置308、工业相机309及红外热像仪311均为现有技术，应急分闸操作装置308用其内部放置的直线运动单元307对高压开关柜机械分合闸按钮进行操作；局放检测仪306用于检测高压开关柜内部是否存在异常放电；工业相机309用于检查高压开关柜屏上指示灯、带电显示器指示是否正常，操作方式选择开关、机械操作把手投切位置是否正确，控制电源及电压回路电源分合闸指示是否正确；光源310为工业相机309的巡视提供充足的光线；红外热像仪311用于检测高压开关柜内部是否存在异常发热。

本发明的工作原理为：

利用高压室巡检协作型移动操作机器人机构对高压开关柜进行检测和作业，具体流程如下：

(1)将末端多功能执行器机构3安装在机械臂机构2上，再将机械臂机构2安装到移动车体机构1上。

(2)移动车体机构1携带机械臂机构2和末端多功能执行器机构3在高压室内进行全方位快速稳定移动，到达指定作业地点；机械臂机构2通过六个模块化关节将末端多功能执行器机构3移动到指定作业位置；末端多功能执行器机构3通过三个旋转关节调整自身位置和姿态，对高压开关柜进行检测和作业。

(3)检测及作业流程如下：

(3.1)高压室巡检协作型移动操作机器人对高压开关柜正面进行检测，依次检查高压开关柜屏上指示灯、带电显示器指示是否正常，操作方式选择开关、机械操作把手投切位置是否正确，控制电源及电压回路电源分合闸指示是否正确，检测高压开关柜内部是否存在异常放电。

(3.2)待完成一排高压开关柜的正面检测后，高压室巡检协作型移动操作机器人再对高压开关柜背面进行检测；除(3.1)检测内容外，还需检测高压开关柜内部是否存在异常放电。

(3.3)当遇到紧急情况时，利用应急分闸操作装置308对机械分合闸按钮进行分闸操作。

(4)检测及作业完成后，移动机械臂机构2回到初始位置。

Claims (9)

1.一种用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，其特征在于：包括移动车体机构(1)、机械臂机构(2)及末端多功能执行器机构(3)，其中机械臂机构(2)安装于移动车体机构(1)上，该机械臂机构(2)的输出端连接有所述末端多功能执行器机构(3)，所述机械臂机构(2)及末端多功能执行器机构(3)随移动车体机构(1)运动；所述机械臂机构(2)包括基座(201)、作为输出端的末端法兰(210)及多个位于基座(201)与末端法兰(210)之间并串联连接的模块化关节，所述末端多功能执行器机构(3)安装在末端法兰(210)上，具有与所述模块化关节数量相等的自由度；所述移动车机构(1)带动机械臂机构(2)及末端多功能执行器机构(3)运动到高压室内指定位置，所述末端多功能执行器机构(3)通过机械臂机构(2)的驱动至指定位姿，由该末端多功能执行器机构(3)执行作业任务。

2.根据权利要求1所述用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，其特征在于：所述移动车体机构(1)包括车体底盘(101)及行走轮驱动机构(102)，所述基座(201)固定在该车体底盘(101)的上表面，所述车体底盘(101)下表面前后两侧的左右两端均安装有用于在高压室内行走的行走轮驱动机构(102)。

3.根据权利要求1所述用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，其特征在于：所述模块化关节为六个，每一个模块化关节均提供一个自由度，六个模块化关节分别为第一模块化关节(202)、第二模块化关节(203)、第三模块化关节(205)、第四模块化关节(207)、第五模块化关节(208)及第六模块化关节(209)，各模块化关节结构相同，均包括支架、电机及输出轴，所述电机安装于支架上，所述第一模块化关节(202)的支架安装在所述基座(201)上，所述第六模块化关节(209)的输出轴连接有末端法兰(210)，所述第二～六模块化关节中任意一个模块化关节的支架连接于相邻的上一模块化关节的输出轴。

4.根据权利要求3所述用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，其特征在于：所述第一模块化关节(202)、第五模块化关节(208)的输出轴相平行，且轴向均为竖直方向；所述第二模块化关节(203)、第三模块化关节(205)、第四模块化关节(207)及第六模块化关节(209)的输出轴相平行，且轴向均为水平方向。

5.根据权利要求3所述用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，其特征在于：所述第二模块化关节(203)的输出轴与第三模块化关节(205)的支架之间通过第一连杆(204)相连，所述第三模块化关节(205)的输出轴与第四模块化关节(207)的支架之间通过第二连杆(206)连接。

6.根据权利要求1所述用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，其特征在于：所述末端多功能执行器机构(3)包括输入法兰(301)、多个旋转关节、执行器主体(305)、局放检测仪(306)、直线运动单元(307)、应急分闸操作装置(308)、工业相机(309)、光源(310)及红外热像仪(311)，该输入法兰(301)与所述机械臂机构(2)的输出端相连，所述执行器主体(305)通过多个旋转关节与输入法兰(301)连接，该执行器主体(305)上分别安装有局放检测仪(306)、应急分闸操作装置(308)、工业相机(309)及红外热像仪(311)，所述工业相机(309)上具有光源(310)，所述应急分闸操作装置(308)内部设有直线运动单元(307)，该直线运动单元(307)为移动关节。

7.根据权利要求6所述用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，其特征在于：所述执行器主体(305)具有五个接口，位于左端的接口与所述最末端的旋转关节连接，位于右端的两个接口分别与所述应急分闸操作装置(308)及工业相机(309)连接，位于上端的接口与所述局放检测仪(306)连接，位于下端的接口与所述红外热像仪(311)连接。

8.根据权利要求7所述用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，其特征在于：所述执行器主体(305)与局放检测仪(306)、工业相机(309)和红外热像仪(311)的接口处设有空心支架，该局放检测仪(306)、工业相机(309)和红外热像仪(311)分别安装于该空心支架内。

9.根据权利要求6所述用于高压室巡检的协作型移动操作机器人机构，其特征在于：所述旋转关节包括第一旋转关节(302)、第二旋转关节(303)及第三旋转关节(304)，该第一旋转关节(302)、第二旋转关节(303)及第三旋转关节(304)依次串联连接，所述第二旋转关节(303)为球铰，第一旋转关节(302)与第三旋转关节(304)结构相同，均包括支架、电机及输出轴，所述电机安装于支架上，所述第一旋转关节(302)的支架固接于输入法兰(301)上，第一旋转关节(302)的输出轴通过第二旋转关节(303)与所述第三旋转关节(304)的支架相连，该第三旋转关节(304)的输出轴与所述执行器主体(305)连接。

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