CN111645105A - 一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂 - Google Patents

Abstract

本发明创造提供了一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其包括直臂结构、关节结构、等电位接口和底座；所述直臂结构和关节结构的外壳均为绝缘空心管状结构；底座上连接有关节结构；关节结构通过关节驱动机构发生相对转动；直臂结构的绝缘外壳内部设有绝缘导管，在绝缘导管内穿设有传输线缆；在直臂结构的绝缘外壳内表面覆有导流屏蔽层，绝缘导管与导流屏蔽层之间的最小间距大于等于1cm。本发明创造通过机械臂外部和内部全绝缘结构，能够保证机械臂带电作业的层向绝缘要求，同时留有一定安全裕度，即使现场作业时万一出现外绝缘层损坏，仍能有效防止短路事故的发生。

Description

一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂

技术领域

本发明创造属于带电作业机械领域，尤其是涉及一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂。

背景技术

配电网处于电力系统末端，直接和用户设备连接，其可靠性在整个供电可靠性中占有非常重要的位置，目前带电作业已成为保证配电网安全可靠运行的重要手段之一。而通常配电网线路复杂，有些线路相间距离短，安全距离不够，人工带电作业存在诸多安全隐患，随着机械、电子、计算机、传感器、人工智能及仿生学等尖端领域技术的发展，机器人在各行各业得到日益广泛的应用，研制并推广带电作业机器人,来替代人工进行配电网带电作业是技术发展的必然方向。

目前带电作业机器人多采用传统的工业机械臂，而带电作业机器人需要在高压带电环境下工作，必须对机械臂进行完善的绝缘防护和抗电磁干扰设计，保证高压电不会对机器人弱电系统造成影响，同时机器人作业不会造成带电线路短路。若仅仅在普通工业机械臂表面进行简单的绝缘包覆处理，存在绝缘爬电距离不够或影响机械臂运动性能等问题，无法满足安全可靠开展带电作业的要求。另外，国内外现有配电机器人主要采用中间电位作业方式，需要在机械臂与末端工具间进行绝缘隔离，末端工具需要配置独立电源，造成体积重量增加，作业效率较低。

发明内容

有鉴于此，本发明创造旨在提出一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，以解决带电作业机器人作业效率低及整体重量过大的问题。

为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：

一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其包括直臂结构、关节结构、等电位接口和底座；

所述直臂结构和关节结构的外壳均为绝缘空心管状结构；

所述底座上连接有关节结构；

关节结构通过关节驱动机构发生相对转动；

所述直臂结构的绝缘外壳内部设有绝缘导管，在所述绝缘导管内穿设有传输线缆；在直臂结构的绝缘外壳内表面覆有导流屏蔽层，所述绝缘导管与导流屏蔽层之间的最小间距大于等于1cm；

所述关节结构的绝缘外壳内部设有绝缘导管，关节结构的绝缘外壳包括左绝缘外壳和右绝缘外壳，所述左绝缘外壳与右绝缘外壳转动连接，左绝缘外壳一端向外凸出形成搭接空间，右绝缘外壳的一端插入搭接空间内并与其转动连接，左绝缘外壳向外凸出部分和其邻近部分纵截面为Z型结构；在关节结构的绝缘外壳内表面覆有导流屏蔽层；

所述关节结构内部设有绝缘导管和关节驱动机构，该绝缘导管内穿设传输线缆，关节结构的绝缘导管与对应导流屏蔽层之间的间距大于等于1cm；

机械臂末端为一关节结构，该关节结构为末端关节结构，末端关节结构的自由端处设有等电位接口，所述等电位接口包括置于末端关节结构内部的接口引脚，该接口引脚与末端关节结构中的传输线缆连接，接口引脚与末端关节结构的导流屏蔽层之间最小距离大于等于1cm，且两者之间填充有绝缘填充层。

进一步的，所述直臂结构的绝缘外壳内表面车有螺纹，所述螺纹表面覆有导流屏蔽层。所述螺纹结构用于增加导流屏蔽层的高频阻抗，降低传导电流大小。

进一步的，所述直臂结构的绝缘外壳内表面上开设的螺纹圈数小于等于10圈，且螺距为3-5cm。避免阻抗过高使通流能力下降。

进一步的，所述直臂结构和关节结构的绝缘外壳厚度为大于等于2mm。

进一步的，插入搭接空间内的右绝缘外壳部分的长度为大于等于5cm。

进一步的，所述左绝缘外壳向外凸出部分的最小壁厚大于等于左绝缘外壳其他部分的最小壁厚。

进一步的，所述直臂结构和关节结构的绝缘外壳均为一体成型。

进一步的，所述末端关节结构设有等电位接口的端口处开有限位卡孔。

进一步的，包括多个接口引脚，相邻接口引脚之间的最小间距大于等于1cm。

进一步的，所述接口引脚包括电源引脚、串口信号发送引脚、串口信号接收引脚、接地引脚。

进一步的，所述绝缘导管采用橡胶或其他类型的软质绝缘材料，用于将内部的所述传输线缆与所述导流屏蔽层进行绝缘隔离。

进一步的，所述导流屏蔽层为金属箔材料，厚度不小于1mm。

进一步的，所述绝缘外壳、绝缘导管表面无贯穿孔洞。

相对于现有技术，本发明创造所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂具有以下优势：

（1）本发明通过机械臂外部和内部全绝缘结构，能够保证机械臂带电作业的层向绝缘要求，同时留有一定安全裕度，即使现场作业时万一出现外绝缘层损坏，仍能有效防止短路事故的发生；

（2）本发明所述的机械臂关节结构的绝缘重叠结构设计，实现了在进行有效绝缘防护的同时不影响机械臂关节的转动功能；

（3）通过导流屏蔽层及螺纹结构设计，大幅度提升电动机械臂内部弱电系统抗电磁干扰能力，保证机械臂接触高压带电体时仍能正常工作，使机械臂能够完成等电位作业要求；

（4）通过等电位接口的设计，实现了机械臂与末端工具一体化等电位连接，有效减小末端工具体积和重量，等电位作业方法在满足作业安全性的同时大幅提高了作业效率。当然在实现整个要求的前提是其他绝缘结构处理得当，能保证整体的绝缘工作要求。

附图说明

构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：

图1为本发明创造实施例所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂整体结构示意图；

图2为本发明创造实施例所述的直臂结构内部剖视图；

图3为本发明创造实施例所述的关节结构剖视图；

图4为本发明创造实施例机械臂末端等电位接口的俯视图；

图5为图4等电位接口的侧向剖面示意图；

图6为机械臂进入等电位过程相对地安全距离示意图；

图7为机械臂进入等电位过程相间安全距离示意图；

图8为层向绝缘特性试验布置图；

图9为沿面绝缘特性试验布置图。

附图标记说明：

1、底座；

2、直臂结构；21、下臂；22、上臂；

31、腰部关节；32肩部关节；33、肘部关节；34、腕部俯仰关节；35、腕部摇摆关节；36、腕部旋转关节；

4、等电位接口；41、绝缘填充层；42、接口引脚；421、电源引脚；422、串口信号发送引脚；423、串口信号接收引脚；424、接地引脚43、限位卡孔；

5、机械臂外层；51、绝缘外壳；511、左绝缘外壳；512、右绝缘外壳；52、导流屏蔽层；

6、机械臂内部；61、绝缘导管；62传输线缆；63、关节驱动机构。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语 “上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明创造。

如图1所示，本实施例所示的一种6自由度的全绝缘电动机械臂，包括底座1、直臂结构2、关节结构和等电位接口4。

所述直臂结构2和关节结构的外壳均为绝缘空心管状结构。

底座1用于将机械臂固定在特定的操作平台上，该平台在带电作业时保证足够的对地绝缘。直臂结构2包括下臂21和上臂22；关节结构包括与底座1连接的腰部关节31，与腰部关节31和下臂21下端连接的肩部关节32，与下臂21上端和上臂22下端连接的肘部关节33，与上臂22上端连接的腕部俯仰关节34，与腕部俯仰关节34连接的腕部摇摆关节35，与腕部摇摆关节35连接的腕部旋转关节36，该腕部旋转关节36即为末端关节结构。

直臂结构2的详细结构如图2所示，其包括机械臂外层5和机械臂内部6。机械臂外层5包括绝缘外壳51和导流屏蔽层52，机械臂内部6包括绝缘导管61和传输线缆62。

绝缘外壳51采用ABS塑料或其他易加工成型的硬质绝缘材料，具有良好的机械强度和绝缘性，绝缘外壳51的最小厚度D1及相应厚度下的绝缘水平应满足以下要求：

（1）对10kV系统带电作业机械臂，D1≥2mm，3分钟内的层向耐压不低于20kV，击穿电压不低于30kV；

（2）对20kV系统带电作业机械臂，D1≥3mm，3分钟内的层向耐压不低于30kV，击穿电压不低于40kV；

（3）对35kV系统带电作业机械臂，D1≥4mm，3分钟内的层向耐压不低于40kV，击穿电压不低于50kV。

机械臂绝缘外壳做为带电作业辅助绝缘，应当能够承受系统可能较长时间存在的最大电压，暂时过电压是确定配网带电作业机器人辅助绝缘水平的主要因素。在绝缘配合惯用法中，系统最大工频暂时电压、辅助绝缘耐受电压与安全裕度三者之间的关系为：

式中，A—安全裕度；

Ufw—辅助绝缘的耐受电压，kV；

Ug·max—系统最大工频暂时电压，kV；

Un—系统额定电压（有效值），kV；

Kr—电压升高系数；

Kg—系统工频暂时过电压倍数。

《DL/T 620-1997 交流电气装置的过电压和绝缘配合》规定10kV系统设备的外绝 缘安全裕度A取1.2，电压升高系数Kr取1.15，系统工频暂时过电压倍数Kg取

，因此 按照公式计算可得辅助绝缘的耐受电压为：

。

国内标准中参考IEC标准中2级绝缘防护用具的绝缘水平规定，要求10kV系统带电作业的辅助绝缘能够耐受20kV的工频电压安全裕度偏大，为了尽可能在满足绝缘水平要求的同时降低机械臂绝缘防护材料的厚度和重量，因此本专利提出：10kV系统作业机械臂的绝缘外壳3分钟层向/沿面耐压不低于20kV，击穿电压不低于30kV。

为确定机械臂绝缘外壳的合适厚度，选取棒-板电极形式对ABS、聚四氟乙烯、硅橡胶3种绝缘板材开展工频放电试验。棒-板电极结构中的棒电极采用直径为10mm，头部为半球形长度为10cm的金属棒，板电极的尺寸为0.5m×0.5m。试验布置如图8所示。

选取厚度1mm、2mm的绝缘板材进行试验，通过试验变压器以1kV/s的速度均匀升压直至发生试品击穿或沿面放电，记录击穿电压（有效值），试验结果如下表所示：

表1 棒-板电极层向绝缘特性试验结果

由表可知，ABS、聚四氟乙烯、硅橡胶3种带电作业常用绝缘材料2mm厚度下的层向击穿电压均大于20kV，2mm厚度下ABS和聚四氟乙烯均出现沿面放电，此时绝缘强度主要取决于沿面特性，继续增加厚度材料厚度也不会增加电气绝缘强度。硅橡胶在加压局部放电时，靠近棒电极中心部分温度升高，绝缘性能下降，更容易发生层向击穿。

因此，本方案对10kV系统带电作业机械臂，D1≥2mm，3分钟层向耐压不低于20kV，击穿电压不低于30kV。

绝缘外壳51内表面采用螺纹型的结构，即为在其内表面车有螺纹，并紧密贴有一层导流屏蔽层52。螺纹结构用于增加导流屏蔽层的高频阻抗，降低传导电流大小，但螺纹圈数通常不超过10圈，螺距约3-5cm，避免阻抗过高使通流能力下降。导流屏蔽层52为金属箔材料，厚度不小于1mm。

绝缘导管61采用橡胶或其他类型的软质绝缘材料，用于将内部的传输线缆62与导流屏蔽层52进行绝缘隔离，绝缘导管61与导流屏蔽层52的最小距离L1≥1cm。传输线缆62包括电源线、信号线、控制线等。

关节结构的详细结构如图3所示，其也包括机械臂外层5和机械臂内部6。机械臂外层5包括绝缘外壳51和导流屏蔽层52，机械臂内部6包括绝缘导管61、传输线缆62和关节驱动机构63。

关节结构的绝缘外壳51的材料及厚度要求与直臂结构2相同，所述左绝缘外壳与右绝缘外壳转动连接（此结构设计保证了关节结构的可转动性），左绝缘外壳一端向外凸出形成搭接空间，右绝缘外壳的一端插入搭接空间内并与其转动连接，左绝缘外壳向外凸出部分和其邻近部分纵截面为Z型结构，而与右绝缘外壳叠加部分组成Z型拼接结构，Z型拼接结构的最小厚度D2不小于绝缘外壳的最小厚度D1（即为所述左绝缘外壳向外凸出部分的最小壁厚大于等于左绝缘外壳其他部分的最小壁厚），绝缘外壳51拼接的最小爬电距离L2及沿面绝缘水平应满足以下要求：

（1）对10kV系统带电作业机械臂，L2≥5cm，3分钟内的沿面耐压不低于20kV，沿面闪络电压不低于30kV；

（2）对20kV系统带电作业机器人，L2≥10cm，3分钟内的沿面耐压不低于30kV，沿面闪络电压不低于40kV；

（3）对35kV系统带电作业机器人，L2≥15cm，3分钟内的沿面耐压不低于40kV，沿面闪络电压不低于50kV。

考虑机械臂的绝缘防护问题时，绝缘厚度大于1mm条件下，沿面绝缘性能是确定绝缘耐压水平的主要因素。开展沿面绝缘特性试验布置如图9所示，高压极采用直径为10mm，头部为半球形长度为10cm的金属棒模拟带电导线或引线，参考UR10机械臂尺寸，用直径86mm的圆柱型金属电极作为模拟机械臂接地，将绝缘材料加工成2mm厚度的空心圆柱体包覆在机械臂表面，在不同爬电距离下测量工频放电电压。

试验结果如下表所示：

表2 沿面绝缘特性试验结果

根据实验可知，三种材料沿面放电特性比较接近，在爬电距离不小于5cm时，沿面放电电压均不小于20kV，因此，本专利提出：对10kV系统带电作业机械臂，L2≥5cm，3分钟内的沿面耐压不低于20kV，沿面闪络电压不低于30kV。

关节结构的绝缘外壳51内表面紧密贴有一层导流屏蔽层52，导流屏蔽层52的材料及厚度要求与直臂结构2相同。绝缘导管61的材料及与导流屏蔽层52的最小距离L1≥1cm。

关节驱动机构63包括直流伺服电机、伺服驱动器、谐波减速机、编码器等部分，用于驱动机械臂关节结构进行精确运动。关节驱动机构63外壳采用硬质绝缘材料，并通过绝缘方式与所述机械臂外层固定。

在机械臂直臂结构2及关节结构中的绝缘外壳51、绝缘导管61均为一体化结构，表面无贯穿孔洞。

等电位接口4的结构如图4、图5所示，包括绝缘填充层41、接口引脚42和限位卡孔43，用于与特定的末端作业工具连接，可以为末端工具提供电源、通信和控制信号。

等电位接口4外侧包覆与末端关节结构一体的绝缘外壳51和导流屏蔽层52，绝缘填充层41填充在接口引脚42和导流屏蔽层52之间，接口引脚42与传输线缆62连接。

绝缘填充层41采用软质绝缘材料，并保证多个接口引脚42之间以及接口引脚42与导流屏蔽层52之间的最小距离不小于1cm。

接口引脚42包括电源引脚421、串口信号发送引脚422、串口信号接收引脚423、接地引脚424，机械臂通过接口引脚42为末端工具提供直流电源并进行串口通信。

等电位接口4与配套末端工具底部通过快速插拔方式连接，限位卡孔43与配套工具的弹簧限位销配合使用，保证末端工具与机械臂的固定。

本实施例给出一种采用该机械臂开展的等电位作业方法，包括以下步骤：

步骤一：将机械臂及配套的控制单元固定在对地绝缘的作业平台上（例如绝缘斗臂车的绝缘斗）；

步骤二：将作业平台移动至作业相导线附近合适位置；

步骤三：控制机械臂连接相应的末端工具，选择合适的路径移动至作业相导线等电位作业位置；

步骤四：控制机械臂快速脱离等电位，选择合适的路径返回初始位置，结束作业。

合适路径和位置值得是满足安全距离且方便机械臂作业的位置即可，在这里没有特别要求。

机械臂进入/脱离等电位的过程中，在机械臂移动路径上的任意位置均应满足以下安全距离要求：

（1）如图6所示，机械臂与作业相导线及杆塔、横担等地电位物体间最小距离之和S1+S2≥（10+σ）cm，其中σ为控制机械臂运动的最大误差；

（2）机械臂与作业相导线及非作业相导线或其他带电体间最小距离之和S1+S3≥（20+σ）cm，其中σ为控制机械臂运动的最大误差。

当作业路径中安全距离无法满足上述要求时，应对相应位置的带电体或接地体提前进行绝缘遮蔽。

以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，该机械臂包括直臂结构、关节结构以及底座，其特征在于：

所述直臂结构和关节结构的外壳均为绝缘空心管状结构；

所述底座上连接有关节结构；

关节结构通过关节驱动机构发生相对转动；

所述直臂结构的绝缘外壳内部设有绝缘导管，在所述绝缘导管内穿设有传输线缆；在直臂结构的绝缘外壳内表面覆有导流屏蔽层，所述绝缘导管与导流屏蔽层之间的最小间距大于等于1cm；

所述关节结构的绝缘外壳内部设有绝缘导管，关节结构的绝缘外壳包括左绝缘外壳和右绝缘外壳，所述左绝缘外壳与右绝缘外壳转动连接，左绝缘外壳一端向外凸出形成搭接空间，右绝缘外壳的一端插入搭接空间内并与其转动连接，左绝缘外壳向外凸出部分和其邻近部分纵截面为Z型结构；在关节结构的绝缘外壳内表面覆有导流屏蔽层；

所述关节结构的绝缘导管内穿设传输线缆，关节结构的绝缘导管与对应导流屏蔽层之间的间距大于等于1cm；

机械臂末端为一关节结构，该关节结构为末端关节结构，末端关节结构的自由端处设有等电位接口，所述等电位接口包括置于末端关节结构内部的接口引脚，该接口引脚与末端关节结构中的传输线缆连接，接口引脚与末端关节结构的导流屏蔽层之间最小距离大于等于1cm，且两者之间填充有绝缘填充层。

2.根据权利要求1所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其特征在于：所述直臂结构的绝缘外壳内表面车有螺纹，所述螺纹表面覆有导流屏蔽层。

3.根据权利要求2所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其特征在于：所述直臂结构的绝缘外壳内表面上开设的螺纹圈数小于等于10圈，且螺距为3-5cm。

4.根据权利要求1所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其特征在于：所述直臂结构和关节结构的绝缘外壳厚度为大于等于2mm。

5.根据权利要求1所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其特征在于：插入搭接空间内的右绝缘外壳部分的长度为大于等于5cm。

6.根据权利要求1所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其特征在于：所述左绝缘外壳向外凸出部分的最小壁厚大于等于左绝缘外壳其他部分的最小壁厚。

7.根据权利要求1所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其特征在于：所述直臂结构和关节结构的绝缘外壳均为一体成型。

8.根据权利要求1所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其特征在于：所述末端关节结构设有等电位接口的端口处开有限位卡孔。

9.根据权利要求1所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其特征在于：包括多个接口引脚，相邻接口引脚之间的最小间距大于等于1cm。

10.根据权利要求1所述的一种适用于配电带电作业的全绝缘电动机械臂，其特征在于：所述接口引脚包括电源引脚、串口信号发送引脚、串口信号接收引脚、接地引脚。

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