CN112476451A - 用于变压器内部作业的油下机器人及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于变压器内部作业的油下机器人，包括上位机、移动模块、抓取模块、控制模块；移动模块包括全方位移动模块、普通关节模块，全方位移动模块一端连接若干个普通关节模块，其中一个移动模块中的全方位移动模块的一端连接控制模块；抓取模块包括抓取本体，抓取本体上安装抓取装置、摄像头、照明设备；控制模块包括主控模块、图像处理模块、驱动控制模块、遥控信号模块、供电模块；主控模块通过遥控信号模块与上位机通讯，图像处理模块接收来自摄像头的信息，并与主控模块电连接，驱动控制模块与主控模块电连接，供电模块为主控模块、图像处理模块、驱动控制模块、遥控信号模块供电。本发明能实现不需出油即可进入变压器内部进行作业。

Description

用于变压器内部作业的油下机器人及使用方法

技术领域

本发明属于变压器作业技术领域，尤其涉及用于变压器内部作业的油下机器人及使用方法。

背景技术

变压器是电力系统中最重要的一次设备，确保其安全稳定运行至关重要，因此变压器高质量检修成为研究的重点。在变压器装配与检修过程中，经常会发生螺栓、螺母、工具等导体坠落变压器箱壳内部的情况，可能导致内部短路、局部过热、铁芯多点接地等情况，危及变压器安全可靠运行，必须进行打捞。

一般情况下，坠落位置集中在贴近外壳宽度不足50cm的狭长区域。由于内部空间狭小，布局复杂，存在引线、绝缘件、夹件等器件，作业人员无法在不吊罩的情况下对其进行有效的内部检查和内部操作，对变压器检修人员造成了极大的困扰。

在变压器装配后，若无法对变压器进行全方位内部检查，则可能出现套管均压环表面存在毛刺、引线锥位置偏移、绝缘破损、线圈压钉松动等缺陷，将造成绝缘能力及抗短路能力下降，危及变压器运行。在检修过程中，若不慎有异物掉入变压器中，由于客观条件限制，无法打捞时，传统作业下必须进行出油、拆卸、吊罩、异物清理、回罩、回装、真空注油、热油循环的全套工序，检修周期拖延长达120h至150h，耗时长，耗费大量的人力物力，无法较好的满足需要。

因此，基于这些问题，提供一种能实现不需出油即可进入变压器内部进行异物清理与检修作业的变压器内部异物探测与检修作业的油下机器人，具有重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种能实现不需出油即可进入变压器内部进行异物清理与检修作业的变压器内部异物探测与检修作业的油下机器人。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

用于变压器内部作业的油下机器人，包括上位机、移动模块、抓取模块、控制模块，所述抓取模块、控制模块、移动模块依次连接；

所述移动模块包括全方位移动模块、普通关节模块，所述全方位移动模块一端连接若干个普通关节模块，所述移动模块至少为两个，且相互之间顺次连接，其中一个移动模块中的全方位移动模块的一端连接控制模块；

所述全方位移动模块包括移动壳体及位于移动壳体内的至少两个全向移动麦克纳姆轮、第一磁吸装置、轮驱动电机、第一关节控制舵机，所述轮驱动电机与所述全向移动麦克纳姆轮连接并可驱动其移动，所述第一关节控制舵机通过带永磁铁的动力传动轴承结构与移动壳体连接，并通过控制动力传动轴承结构实现所述全方位移动模块多个方向的移动，所述第一磁吸装置产生的磁力使全向移动麦克纳姆轮贴合在变压器内壁；

所述普通关节模块包括关节壳体及位于关节壳体内的第二关节控制舵机、第二磁吸装置，所述第二关节控制舵机通过带永磁铁的动力传动轴承结构与关节壳体连接，并通过控制动力传动轴承结构实现所述普通关节模块多个方向的移动，所述第二磁吸装置产生的磁力使普通关节模块贴合在变压器内壁；

所述抓取模块包括抓取本体，所述抓取本体上安装抓取装置、摄像头、照明设备；

所述控制模块包括主控模块、图像处理模块、驱动控制模块、遥控信号模块、供电模块；所述主控模块通过遥控信号模块与所述上位机通讯，所述图像处理模块接收来自所述摄像头的信息，并与所述主控模块电连接，所述驱动控制模块与所述主控模块电连接，且所述驱动控制模块控制所述第一关节控制舵机、第二关节控制舵机的工作，所述供电模块为所述主控模块、图像处理模块、驱动控制模块、遥控信号模块供电。

进一步的，所述第一磁吸装置、第二磁吸装置均采用永磁和电磁相结合的混合吸附方式。

进一步的，还包括压力传感器，所述压力传感器安装在所述全向移动麦克纳姆轮上，且所述压力传感器与所述主控模块电连接。

进一步的，所述全向移动麦克纳姆轮表面涂覆疏油材料。

进一步的，所述抓取装置可以为螃蟹爪结构或簸箕结构，且所述抓取装置均带磁性可进行磁铁吸取。

进一步的，所述主控模块包括PC104工控机和USB-CAN适配器，所述主控模块通过遥控信号模块接收上位机的指令数据，并将采集的各类数据发送给上位机，且所述主控模块通过CAN总线与图像处理模块、驱动控制模块进行通信。

用于变压器内部作业的油下机器人的使用方法，包括如下步骤：

油下机器人进入油箱，沿侧壁移动到箱底；

油下机器人将变压器内部进行多角度摄影，通过控制模块将图像信息传递至上位机，上位机利用光学放大摄影对均压环表面毛刺情况进行检测；利用高清图像拍摄与人工判别结合的方式对引线锥位置、引线环绕情况、磁屏蔽、绝缘支架、围屏、线圈压钉等缺陷情况进行判断，利用视觉技术实现对螺栓、绝缘件破损、异物识别等缺陷的感知，经图像四重对比后，即可锁定缺陷位置；最后结合SLAM方法为操作人员智能规划路线，提供到达缺陷位置的导航方式；

操作人员通过上位机将移动指令发送至控制模块中的主控模块，控制机器人沿导航路线全向移动至缺陷位置，操作人员可以通过监控界面进一步确认变压器内部缺陷情况，完成油下检修作业；

机器人根据输入指令解算关节旋转角度，并将指令传递至主控模块，主控模块控制驱动控制模块控制第一关节控制舵机、第二关节控制舵机的工作，利用抓取装置实现变压器内部异物的探测及抓取，完成油下异物探测及抓取作业。

本发明的优点和积极效果是：

(1)、本发明的油下机器人，体积小，重量轻，便于投放和回收工作，解决了油下机器人成本高、定位难度高等问题，无须排油便可经变压器上部手孔或CT上下法兰直接进入油箱，代替人工对变压器内部进行异物清理和探测作业；

(2)、本发明的油下机器人依靠其吸附装置及高冗余自由度设计实现在变压器箱体内壁上全方位移动，更加稳定了机器人的巡视、探测和作业；独立放置的电源更能提供长期续航能力；能够识别并定位异物，智能规划抓取路径，在变压箱内部智能自主作业，为工作化检修、现场检修和故障抢修中异物清理、故障诊断等方面提供技术支持，极大地缩短停电检修时间，提高检修质量，效果显著，适用于各电压等级各个厂家的油浸式电力变压器。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1为本发明实施例中提供的用于变压器内部作业的油下机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的用于变压器内部作业的油下机器人的全方位移动模块的结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的用于变压器内部作业的油下机器人的普通关节模块的结构示意图；

图4为本发明实施例中提供的用于变压器内部作业的油下机器人的电路连接结构示意图；

具体实施方式

首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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的限制。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面就结合图1-4来具体说明本发明。

本实施例提供的用于变压器内部作业的油下机器人，包括上位机5、移动模块、抓取模块1、控制模块2，所述抓取模块、控制模块、移动模块依次连接；

所述移动模块包括全方位移动模块3、普通关节模块4，所述全方位移动模块一端连接若干个普通关节模块，所述移动模块至少为两个，且相互之间顺次连接，其中一个移动模块中的全方位移动模块的一端连接控制模块；

所述全方位移动模块3包括移动壳体301及位于移动壳体内的至少两个全向移动麦克纳姆轮302、第一磁吸装置303、轮驱动电机304、第一关节控制舵机305，所述轮驱动电机与所述全向移动麦克纳姆轮连接并可驱动其移动，所述第一关节控制舵机通过带永磁铁的动力传动轴承结构与移动壳体连接，并通过控制动力传动轴承结构实现所述全方位移动模块多个方向的移动，所述第一磁吸装置产生的磁力使全向移动麦克纳姆轮贴合在变压器内壁；

所述普通关节模块4包括关节壳体401及位于关节壳体内的第二关节控制舵机402、第二磁吸装置403，所述第二关节控制舵机通过带永磁铁的动力传动轴承结构与关节壳体连接，并通过控制动力传动轴承结构实现所述普通关节模块多个方向的移动，所述第二磁吸装置产生的磁力使普通关节模块贴合在变压器内壁；需要说明的是，普通关节模块主要起连接作用，多个普通关节模块连接构成机器人本体，每个关节具有一个自由度，这些串联的关节可以作为冗余自由度机械臂协助完成异物的抓取工作，所述机器人的普通关节模块数量、麦克纳姆轮数量、驱动力矩大小等设计参数，可根据具体的变压器环境进行相应调整。

需要说明的是，动力传动轴承结构可以采用常见的轴承传动机构，而带永磁铁的动力传动轴承结构则为在动力传动轴承结构上安装上永磁体即可。

所述抓取模块1包括抓取本体，所述抓取本体上安装抓取装置101、摄像头102、照明设备103；抓取装置用于抓取目标异物；摄像头为360°全景摄像头，为操作人员提供了箱体内部的视觉图像，帮助操作人员了解机器人的实时工作环境；照明设备固定于抓取装置前侧进行油下照明。

其中抓取装置为四自由度，可以替换为其他抓取装置，可以满足机器人不同环境情况下的油下作业；目前，充分考虑抓取物品的形状和所处环境，经常使用2种不同的夹取设计：螃蟹爪结构、簸箕结构，两种结构的抓取装置均带磁性可进行磁铁吸取。

所述控制模块包括主控模块201、图像处理模块202、驱动控制模块203、遥控信号模块204、供电模块205；所述主控模块通过遥控信号模块与所述上位机通讯，所述图像处理模块接收来自所述摄像头的信息，并与所述主控模块电连接，所述驱动控制模块与所述主控模块电连接，且所述驱动控制模块控制所述第一关节控制舵机、第二关节控制舵机的工作，所述供电模块为所述主控模块、图像处理模块、驱动控制模块、遥控信号模块供电。

需要说明的是，所述第一磁吸装置、第二磁吸装置可以是现有的电磁铁装置，通过采用永磁、电磁相结合的混合吸附方式，灵活调节降低电磁力与永磁力的关系，既满足磁吸的要求又要满足行进的灵活性；并且，还包括压力传感器，压力传感器(图中未画出)安装在全向移动麦克纳姆轮底部，压力传感器与主控模块电连接，通过压力传感器检测的全向移动麦克纳姆轮与浸油壁面的压力，结合摄像头拍摄的画面，主控模块调整电磁铁装置及永磁体的吸力，实现吸附力闭环控制。

所述全向移动麦克纳姆轮表面涂覆疏油材料，通过采用疏油材料提高麦克纳姆轮与浸油壁面的摩擦系数；移动模块、控制模块的外壳采用铝合金材质，各部位的密封性考虑到油密封的要求，均进行了相应的密封处理。

所述抓取装置可以为螃蟹爪结构或簸箕结构，可采用现有的可被控制的智能机械臂，还可以考虑：所述抓取装置均带磁性可进行磁铁吸取。

所述主控模块包括PC104工控机和USB-CAN适配器，所述主控模块通过遥控信号模块接收上位机的指令数据，并将采集的各类数据发送给上位机，且所述主控模块通过CAN总线与图像处理模块、驱动控制模块进行通信。

上位机是油下机器人的计算平台和上层决策中心，可以采用一台高性能工控机，包括传感器信号处理，姿态估计和导航计算、控制计算、任务决策、路径规划等计算，它发送指令给控制模块，并从控制模块获取各种传感器数据，操作人员根据决策结果遥控机器人完成掉落零件的抓取工作。

在本实施例中，主控模块是控制整个机器人的核心部分，可以整合及控制其他四个模块的信息及资源，通过无线技术将信息传递至变压器外部的上位机；图像处理模块可以将油下图像的实时反馈至上位机，上位机利用光学放大摄影对均压环表面毛刺情况进行检测；利用高清图像拍摄与人工判别结合的方式对引线锥位置、引线环绕情况、磁屏蔽、绝缘支架、围屏、线圈压钉等缺陷情况进行判断，利用视觉技术实现对螺栓、绝缘件破损、异物识别等缺陷的感知，进而锁定缺陷位置；采用SLAM方法为操作人员智能规划路线，提供导航方式，将信息传递至主控模块；驱动控制模块控制着全方位移动模块和普通关节模块的运行方向；遥控信号模块可以实时保持与外部的通讯，控制机器人的运行；操作人员通过上位机的分析结果，选择相应指令发送至主控模块，对机器人进行移动控制、姿态控制、抓取动作控制；油下机器人通过全方位移动模块、普通关节模块的关节控制舵机协调运转带动抓取装置进行油下工作。

用于变压器内部异物探测与检修作业的油下机器人的使用方法，包括如下步骤：

油下机器人进入油箱，沿侧壁移动到箱底；

油下机器人将变压器内部进行多角度摄影，通过控制模块将图像信息传递至上位机，上位机利用光学放大摄影对均压环表面毛刺情况进行检测；利用高清图像拍摄与人工判别结合的方式对引线锥位置、引线环绕情况、磁屏蔽、绝缘支架、围屏、线圈压钉等缺陷情况进行判断，利用视觉技术实现对螺栓、绝缘件破损、异物识别等缺陷的感知，经图像四重对比后，即可锁定缺陷位置；最后结合SLAM方法为操作人员智能规划路线，提供到达缺陷位置的导航方式；

操作人员通过上位机将移动指令发送至控制模块中的主控模块，控制机器人沿导航路线全向移动至缺陷位置，操作人员可以通过监控界面进一步确认变压器内部缺陷情况，完成油下检修作业；

机器人根据输入指令解算关节旋转角度，并将指令传递至主控模块，主控模块控制驱动控制模块控制第一关节控制舵机、第二关节控制舵机的工作，利用抓取装置实现变压器内部异物的探测及抓取，完成油下异物探测及抓取作业。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.用于变压器内部作业的油下机器人，其特征在于：包括上位机、移动模块、抓取模块、控制模块，所述抓取模块、控制模块、移动模块依次连接；

所述移动模块包括全方位移动模块、普通关节模块，所述全方位移动模块一端连接若干个普通关节模块，所述移动模块至少为两个，且相互之间顺次连接，其中一个移动模块中的全方位移动模块的一端连接控制模块；

所述全方位移动模块包括移动壳体及位于移动壳体内的至少两个全向移动麦克纳姆轮、第一磁吸装置、轮驱动电机、第一关节控制舵机，所述轮驱动电机与所述全向移动麦克纳姆轮连接并可驱动其移动，所述第一关节控制舵机通过带永磁铁的动力传动轴承结构与移动壳体连接，并通过控制动力传动轴承结构实现所述全方位移动模块多个方向的移动，所述第一磁吸装置产生的磁力使全向移动麦克纳姆轮贴合在变压器内壁；

所述普通关节模块包括关节壳体及位于关节壳体内的第二关节控制舵机、第二磁吸装置，所述第二关节控制舵机通过带永磁铁的动力传动轴承结构与关节壳体连接，并通过控制动力传动轴承结构实现所述普通关节模块多个方向的移动，所述第二磁吸装置产生的磁力使普通关节模块贴合在变压器内壁；

所述抓取模块包括抓取本体，所述抓取本体上安装抓取装置、摄像头、照明设备；

所述控制模块包括主控模块、图像处理模块、驱动控制模块、遥控信号模块、供电模块；所述主控模块通过遥控信号模块与所述上位机通讯，所述图像处理模块接收来自所述摄像头的信息，并与所述主控模块电连接，所述驱动控制模块与所述主控模块电连接，且所述驱动控制模块控制所述第一关节控制舵机、第二关节控制舵机的工作，所述供电模块为所述主控模块、图像处理模块、驱动控制模块、遥控信号模块供电。

2.根据权利要求1所述的用于变压器内部作业的油下机器人，其特征在于：所述第一磁吸装置、第二磁吸装置均采用永磁和电磁相结合的混合吸附方式。

3.根据权利要求2所述的用于变压器内部作业的油下机器人，其特征在于：还包括压力传感器，所述压力传感器安装在所述全向移动麦克纳姆轮上，且所述压力传感器与所述主控模块电连接。

4.根据权利要求1所述的用于变压器内部作业的油下机器人，其特征在于：所述全向移动麦克纳姆轮表面涂覆疏油材料。

5.根据权利要求1所述的用于变压器内部作业的油下机器人，其特征在于：所述抓取装置可以为螃蟹爪结构或簸箕结构，且所述抓取装置均带磁性可进行磁铁吸取。

6.根据权利要求1所述的用于变压器内部作业的油下机器人，其特征在于：所述主控模块包括PC104工控机和USB-CAN适配器，所述主控模块通过遥控信号模块接收上位机的指令数据，并将采集的各类数据发送给上位机，且所述主控模块通过CAN总线与图像处理模块、驱动控制模块进行通信。

7.权利要求1-6任一项所述的用于变压器内部作业的油下机器人的使用方法，其特征在于：包括如下步骤：

油下机器人进入油箱，沿侧壁移动到箱底；

油下机器人将变压器内部进行多角度摄影，通过控制模块将图像信息传递至上位机，上位机利用光学放大摄影对均压环表面毛刺情况进行检测；利用高清图像拍摄与人工判别结合的方式对引线锥位置、引线环绕情况、磁屏蔽、绝缘支架、围屏、线圈压钉等缺陷情况进行判断，利用视觉技术实现对螺栓、绝缘件破损、异物识别等缺陷的感知，经图像四重对比后，即可锁定缺陷位置；最后结合SLAM方法为操作人员智能规划路线，提供到达缺陷位置的导航方式；

操作人员通过上位机将移动指令发送至控制模块中的主控模块，控制机器人沿导航路线全向移动至缺陷位置，操作人员可以通过监控界面进一步确认变压器内部缺陷情况，完成油下检修作业；

机器人根据输入指令解算关节旋转角度，并将指令传递至主控模块，主控模块控制驱动控制模块控制第一关节控制舵机、第二关节控制舵机的工作，利用抓取装置实现变压器内部异物的探测及抓取，完成油下异物探测及抓取作业。

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