CN115672810B - 一种高压变电站电容塔维检作业机器人本体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压变电站电容塔维检作业机器人的本体，包括移动底盘、升降装置和平移装置，升降装置的下端固定于移动底盘上，上端设置搭载平台，平移装置安装于搭载平台上，用于安装于机器人的机械臂；平移装置可相对搭载平台改变纵向和横向位置。采用汽车底盘作为移动底盘，可适应变电站面积广阔且地面平整度不高的工况，移动底盘作为机器人本体的基础结构来搭载升降装置以进行不同高度的作业。平移装置可相对搭载平台进行纵向和横向位置的改变，以灵活调整机械臂的位置，从而可通过机械臂的运动将其连接的作业末端灵活的送至机械臂运动区域内的各绝缘子位置处进行指定的作业。

Description

一种高压变电站电容塔维检作业机器人本体

技术领域

本发明属于输电运维领域，具体为一种高压变电站电容塔维检作业机器人本体。

背景技术

由于高压变电站电容塔的电容器长期暴露于大气之中，并工作在强电场、强机械应力、剧烈天气变化等恶劣环境中，固态、液态和气态的污秽微粒会沉积在电气外绝缘的表面，在雾、露、毛毛雨、融冰(雪)等恶劣气象条件作用下，电容器的电气强度将大大降低，使电容塔的健康状态出现恶化。

基于变电站安全运行重要性考虑，需要定期的对电容器进行健康状况评估，并完成电容测量、绝缘子清洗、螺栓紧固等作业任务。

在以往实践中，电容塔维护的工作人员需要依次进行绝缘子清洗、电容检测和螺栓紧定任务。但由于电容塔的电容器数量极为庞大，对其进行测量、清洗、检修等作业任务需要大量人力，且费时费力，对电容塔高处的电容器进行作业时还存在着一定作业风险，为了追求作业效率，施工人员的作业质量可能会存在差异，从而埋下安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能对变电站电容塔健康状态进行实时评估，并能持续、稳定地在变电站中完成绝缘子清洗、电容测量和螺栓紧固作业的作业机器人的本体。

本发明提供的这种高压变电站电容塔维检作业机器人本体，采用以下技术方案：包括移动底盘、升降装置和平移装置，升降装置的下端固定于移动底盘上，上端设置搭载平台，平移装置安装于搭载平台上，用于安装于机器人的机械臂；平移装置可相对搭载平台改变纵向和横向位置。

上述技术方案的一种实施方式中，所述移动底盘为具有前轮和后轮的汽车底盘，采用阿克曼转向结构，采用独立前轮转向以及摇摆臂悬挂。

上述技术方案的一种实施方式中，所述升降装置包括剪式升降架和直线伸缩装置，剪式升降架的下端固定于移动底盘上，直线伸缩装置倾斜布置，其两端分别安装于剪式升降架底部和中部的折叠关节处。

上述技术方案的一种实施方式中，所述搭载平台为连接于所述剪式升降架上端的矩形平台。

上述技术方案的一种实施方式中，所述直线伸缩装置为液压缸/电动推杆。

上述技术方案的一种实施方式中，所述平移装置包括固定架、横移架、纵移架、横向丝杆滑块装置和纵向丝杆滑块装置，固定架安装于所述搭载平台上，横向丝杆滑块装置设置于固定架的横向中间位置，横向丝杆滑块装置的滑块与横移架底面连接固定，纵向丝杆滑块装置设置于横移架的纵向外侧，纵向丝杆滑块装置的滑块与纵移架底面连接固定。

上述技术方案的一种实施方式中，所述固定架和横移架均为矩形架，横移架的长度方向两端底面对称设置有“7”字形的滑槽，滑槽的顶面位于固定架端梁的顶面，滑槽侧面与端梁的侧面贴合，使固定架的端梁给横移架的移动起导向作用。

上述技术方案的一种实施方式中，所述横移架的长度方向外侧设置有矩形槽，所述纵向丝杆滑块装置安装于矩形槽的宽度方向中心面上。

上述技术方案的一种实施方式中，所述纵移架的底面宽度方向两侧对称设置有“7”字形的滑槽，使横移架矩形槽两侧的实体为纵移架的移动起导向作用。

上述技术方案的一种实施方式中，所述纵移架的顶部为上开口的矩形框，矩形框的宽度方向中心面上安装有两个机械臂安装座。

本发明通过采用汽车底盘作为移动底盘，可适应变电站面积广阔且地面平整度不高的工况，通过移动底盘作为机器人本体的基础结构来搭载升降装置以进行不同高度的作业，在升降装置的上端设置搭载平台，在搭载平台上安装平移装置，平移装置用于安装机械臂，通过机械臂安装作业末端。平移装置可相对搭载平台进行纵向和横向位置的改变，以灵活调整机械臂的位置，从而可通过机械臂的运动将其连接的作业末端灵活的送至机械臂运动区域内的各绝缘子位置处进行指定的作业。简言之，本发明可通过移动底盘很好的适应变电站内的大面积位置移动，可使其搭载的升降装置在移动底盘的移动过程中保持平稳，从而使平移装置搭载的机械臂保持平稳，到达指定位置后，平移装置可实现机械臂的位置调整，最后实现作业末端的大区域灵活作业。

附图说明

图1为本发明一个实施例的主视结构示意图。

图2为图1的俯视示意图。

图3为图1的右视示意图。

图4为本实施例的轴测结构示意图。

图5为本实施例中机械臂与第一末端的装配示意图。

图6为本实施例中机械臂与第二末端的装配示意图。

图7为图6中第二末端的放大结构示意图。

图8为图7中的螺栓紧固模块放大结构示意图。

图9为图7的轴测结构示意图。

图10至图13为第二末端对针式绝缘子进行清洗和紧固螺栓的过程示意图。

图14至图17为第二末端清洗和螺栓栓紧固作业完成后退出的过程示意图。

图18和图19为电容检测前第一末端和第二末端调整后的状态示意图。

图20为第一末端和第二末端协同进行电容检测的示意图。

具体实施方式

如图1至图9所示，本实施例公开的这种高压变电站电容塔维检作业机器人的本体，主要包括移动底盘A、升降装置B和平移装置C，平移装置C安装机械臂一D1、机械臂二D2，两机械臂分别安装第一末端E和第二末端F后形成如图1所示的机器人系统。

移动底盘A为具有前轮和后轮的汽车底盘，采用阿克曼转向结构，采用独立前轮转向以及摇摆臂悬挂。

变电站内多为水泥地面，地面平整度较低且表面粗糙，故传统工厂内AGV底盘不适宜在这样的室外环境运行。移动底盘作为系统其它装置的搭载装置，需具有一定的承载能力，故采用汽车底盘，其轮胎磨损程度小，适合这种大负载长时间高强度工作，其前轮同汽车一样采用阿克曼转向结构。该底盘采用独立前轮转向以及摇摆臂悬挂，增强了其环境适应能力，可以顺利通过减速带等障碍，完全可以应对变电站内工作环境。

升降装置B包括剪式升降架B1和液压缸B2。剪式升降架B1的下端固定于移动底盘的车架上，上端设置有矩形的搭载平台B3。液压缸B2倾斜布置，其两端分别安装于剪式升降架B1底部和中部的折叠关节处。

平移装置C包括固定架C1、横移架C2、纵移架C3、横向丝杆滑块装置C4和纵向丝杆滑块装置C5。

固定架C1安装于搭载平台B3上，横向丝杆滑块装置设置于固定架C1的横向中间位置，横向丝杆滑块装置C4的滑块与横移架C2的底面连接固定，纵向丝杆滑块装置C5设置于横移架C2的纵向外侧，纵向丝杆滑块装置的滑块与纵移架C3底面连接固定。横移架在横向丝杆滑块装置的作用下可相对固定架横向移动，纵移架在纵向丝杆滑块装置的作用下可相对纵移架纵向移动，从而实现机械臂的精确位置调整。因为丝杆滑块装置为成熟的技术，可根据需要跟厂家协商定制，所以图中采用简易表示。

固定架C1和横移架C2均为矩形架，横移架的长度方向两端底面对称设置有“7”字形的滑槽，滑槽的顶面位于固定架端梁的顶面，滑槽侧面与端梁的侧面贴合，使固定架C1的端梁给横移架C2的移动起导向作用。

横移架C2的长度方向外侧设置有矩形槽，纵向丝杆滑块装置C4安装于矩形槽的宽度方向中心面上。

纵移架C3的底面宽度方向两侧对称设置有“7”字形的滑槽，使横移架矩形槽两侧的实体为纵移架的移动起导向作用。

纵移架C3的顶部为上开口的矩形框，矩形框的宽度方向中心面上安装有两个机械臂安装座。

机械臂一D1和机械臂二D2均为六自由度臂，本实施例中采用UR5机械臂。两机械臂沿纵移架C3的纵向安装。

第一末端E用于支柱绝缘子的清洗，第二末端F用于针式绝缘子的清洗及螺栓紧固，两个末端配合进行电容检测。支柱绝缘子竖直安装，针式绝缘子水平安装。

两作业末端分别设置连接座，连接座分别通过紧固件与两机械臂的末端可拆卸连接。

第一末端E包括第一清洗模块、气缸和静电电荷探针。

第一清洗模块包括固定套板E1和活动套板E2。

固定套板E1的内表面为圆弧形，外表面为U形型。活动套板E2的内表面为圆弧形，外表面为L形。固定套板E1和活动套板E2的内壁均设置有高压清洗水道，高压清洗水道连接有喷嘴，喷嘴在图中未示出。

固定套板E1的开口两侧对称铰接活动套板E2后围成清洗套筒，清洗套筒的内腔为圆形，清洗套筒的高度方向两侧中间位置对称设置气缸F3，气缸的固定端安装于固定套板E1上，活动端安装于活动套板E2上。

固定套板E1的内平面外侧中心位置设置有与机械臂末端连接的连接座，静电电荷探针二TZ2设置于内平面上端的宽度方向中间位置，内平面下端安装摄像头。

第二末端F包括第二清洗模块、伺服电机及其输出轴连接的微型谐波减速器、螺栓紧固模块和电容检测模块。

第二清洗模块包括上固定环F1和其两侧对称布置的侧活动环F2。

微型谐波减速器F3有两台，它们的刚轮对称安装于上固定环F1的内端两侧，柔轮分别与侧活动环F2的内端固定，侧活动环F2的外端与上活动环F1之间通过平面推力轴承加向心轴承连接，两伺服电机SFDJ的输出轴分别与微型谐波减速器F3的波发生器连接，使侧活动环F2可相对上固定环F1开合。

螺栓紧固模块主要包括伺服电机SFDJ、蜗杆F4、蜗轮F5、三节万向节联轴器F6、棘轮机构F7、内六角套筒F8、弹簧F9。

伺服电机SFDJ固定于保护壳F10内，输出轴与蜗杆F4连接，蜗杆的另一端通过向心轴承与保护壳F10连接，保证蜗杆为平稳顺滑的转动副。蜗杆与涡轮F5构成蜗轮蜗杆传动机构，涡轮一端通过向心推力轴承与保护壳连接，另一端与三节万向节联轴器F6连接，三节万向节联轴器的该端通过向心轴承与保护壳连接保证旋转平滑稳定，三节万向节联轴器的另一端通过棘轮机构F7与内六角套筒F8连接，保证内六角套筒可以朝一个方向自由转动，内六角套筒外连接向心轴承XXZC，保护壳F10与向心轴承之间连接弹簧F9，保证螺栓紧固模块有准确的初始位置，棘轮机构F7与三万向节联轴器F6组成的柔性结构使螺栓紧固模块在末端存在一定角度与位置误差的情况下套在螺栓上。

电容检测模块包括静电电荷探针一TZ1和连接底座，连接底座包括竖直板F11和水平框F12，竖直板垂直固定于保护壳F10的外壁，水平框连接于上固定环F1内端的中间位置，使内六角套筒与上固定环共轴向中心线。竖直板的外侧设置用于连接机械臂的连接座，内侧设置摄像头SXT。

本系统设置二级储水方案给末端清洗绝缘子提供水源，在移动底盘A上设置大容积的一级水箱YJSX，这样在增大储水量的同时降低整个系统的重心保证系统的稳定性。在搭载平台B3上设置小容量的两个二级水箱EJSX，分别给两个末端提供水源，二级水箱随搭载平台升降。一级水箱中的水通过水泵加压输送至二级水箱，二级水箱中的水通过水泵加压输送至相应末端。

本系统在移动底盘上设置气缸配套的空压机KYJ，液压缸配套的液压站(图中未示出)。

本系统的工作过程及原理如下。

(1)系统通过移动底盘移动至指定位置。

(2)升降装置的液压缸工作，调节剪式升降架的高度，使剪式升降架上端的搭载平台到达指定高度。

针对支柱绝缘子的清洗，第一末端及安装该末端的机械臂工作，具体过程如下：

机械臂的关节协同运动，使第一末端到达待清洗的支柱绝缘子下方/下方；

第一末端的两气缸同时工作将两活动套板打开；

机械臂的关节协同运动，使第一末端上升/下降至支柱绝缘子外围；

两气缸同时工作将两活动套板合拢围成清洗套；

给清洗套泵水，同时机械臂的关节协同运动，使清洗套沿支柱绝缘子上下往复运动进行清洗工作。

针对针式绝缘子的清洗，第二末端及安装该末端的机械臂工作，具体过程如下：

(1)第二末端的两伺服电机同时工作驱动微型谐波减速器，使微型谐波减速器驱动两块侧活动环打开；

(2)安装第二末端的机械臂运动，将第二清洗模块移动至待清洗绝缘子串的外端，且使上固定环的轴向中心线与绝缘子串的轴向中心线重合，螺栓紧固模块的内六角套筒与绝缘子中心的螺栓对正，如图10所示；

(3)机械臂运动使第二末端向前平移至第二清洗模块的内端越过绝缘子串内端的螺栓，如图11所示；

(4)第二清洗模块的伺服电机反向工作，使第二清洗模块的两块侧活动环合拢与上固定环一起形成清洗套筒，如图12所示；

(5)机械臂运动使第二清洗模块向前移动的同时给第二清洗模块加压供水开始清洗工作，同时还启动螺栓紧固模块的伺服电机使内六角套筒转动，第二清洗模块向前移动时，内六角套筒将螺栓紧固，如图13所示；

(6)绝缘子清洗和螺栓紧固完成后，反向操作步骤(1)后，如图14所示，使第二末端退出至步骤(2)的状态，如图15-17所示；

接下来，本系统对电容器进行电容检测，电容器的两电极分别连接针式绝缘子，即电容器和针式绝缘子相当于一个带阻电容器。两根电容静电电荷探针一起工作可以测量电容值。电容测量工作由两个末端共同测量，通过静电电荷探针与电容上导线接触，形成回路，对需要测试的电容进行测试，以完成电容塔电容值测量的任务，具体过程如下：

安装第二末端的机械臂运动，使第二末端旋转至静电电荷探针处于水平状态，如图18所示，另一机械臂运动，使第一末端安装的静电电荷探针处于水平状态，如图19所示。此时为电容检测的初始状态。

之后在通过视觉检测技术确定待检测电容元件一1208和待检测电容元件二1209的位置后，控制机械臂一D1调整静电电荷探针一TZ1的位置和姿态，使静电电荷探针一TZ1可以与待检测电容元件一1208接触，同时控制机械臂二D2调整静电电荷探针二TZ2的位置和姿态，使电容静电电荷探针二TZ2可以与待检测电容元件二1209接触。在这一过程控制机械臂一D1和机械臂二D2的算法要进行避障的轨迹规划，避免电容静电电荷探针一TZ1和电容静电电荷探针二TZ2与绝缘子串1207发生碰撞。当电容静电电荷探针一TZ1与待检测电容元件一1208接触并且电容静电电荷探针二TZ2与待检测电容元件二1209接触时，电容静电电荷探针一TZ1和电容静电电荷探针二TZ2实际为一电容性分压器。为保证静电电荷探头测量系统的特性以及防止静电电荷探头端部与被测表面之间发生静电击穿事故，采用了以下方式对测量系统进行了校验。用一个金属导体代替被测表面，使金属导体带上不同大小的直流电压，将静电电荷探头移动至金属导体表面并确保接触，用静电计测量静电电荷测量系统的输出电压。通过比较在不同直流电压情况下探针输出电压的大小，就可以得到测量系统的实际测量灵敏度以及线性特性。通过该线性特性，可以得到较为准确的电容测量值。如图20所示。

此外，为了保证测量的准确性，探针每次位置的准确性需要首先得到保证，故本探针具有一定柔性，其在受力会发生一定的变形，每一次探针接触待检测电容时都多移动一点，保证探针与待检测电容充分接触。

第二末端通过对绝缘子清洗、电容检测和螺栓紧固各个模块的整合，协同高压变电站电容塔健康评估与绝缘子清洗、电容检测与螺栓紧固末端可以同时完成绝缘子清洗和螺栓紧固任务，并且电容检测机构也有机地结合到该末端，提高了机构的空间利用率和重量，提升了检测效率。通过自动化的作业，该协同高压变电站电容塔健康评估与检修作业机器人绝缘子清洗、电容检测与螺栓紧固末端可以极大降低劳动强度。

本机器人本体采用汽车底盘作为移动底盘，可适应变电站面积广阔且地面平整度不高的工况，通过移动底盘作为机器人本体的基础结构来搭载升降装置以进行不同高度的作业，在升降装置的上端设置搭载平台，在搭载平台上安装平移装置，平移装置用于安装机械臂，通过机械臂安装作业末端。平移装置可相对搭载平台进行纵向和横向位置的改变，以灵活调整机械臂的位置，从而可通过机械臂的运动将其连接的作业末端灵活的送至机械臂运动区域内的各绝缘子位置处进行指定的作业。简言之，本发明可通过移动底盘很好的适应变电站内的大面积位置移动，可使其搭载的升降装置在移动底盘的移动过程中保持平稳，从而使平移装置搭载的机械臂保持平稳，到达指定位置后，平移装置可实现机械臂的位置调整，最后实现作业末端的大区域灵活作业。

Claims (9)

1.一种高压变电站电容塔维检作业机器人本体，其特征在于：它包括移动底盘、升降装置和平移装置，升降装置的下端固定于移动底盘上，上端设置搭载平台，平移装置安装于搭载平台上，用于安装于机器人的机械臂；平移装置可相对搭载平台改变纵向和横向位置；

平移装置安装机械臂一、机械臂二，两机械臂分别安装第一末端和第二末端；

第一末端用于支柱绝缘子的清洗，第二末端用于针式绝缘子的清洗及螺栓紧固，两个末端配合进行电容检测；

第一末端包括第一清洗模块、气缸和静电电荷探针二；

第一清洗模块包括固定套板和活动套板；

固定套板的内表面为圆弧形，外表面为U形型，活动套板的内表面为圆弧形，外表面为L形；固定套板和活动套板的内壁均设置有高压清洗水道，高压清洗水道连接有喷嘴；

固定套板的开口两侧对称铰接活动套板后围成清洗套筒，清洗套筒的内腔为圆形，清洗套筒的高度方向两侧中间位置对称设置气缸，气缸的固定端安装于固定套板上，活动端安装于活动套板上；

固定套板的内平面外侧中心位置设置有与机械臂末端连接的连接座，静电电荷探针二设置于内平面上端的宽度方向中间位置，内平面下端安装摄像头；

第二末端包括第二清洗模块、伺服电机及其输出轴连接的微型谐波减速器、螺栓紧固模块和电容检测模块；

第二清洗模块包括上固定环和其两侧对称布置的侧活动环；

微型谐波减速器有两台，它们的刚轮对称安装于上固定环的内端两侧，柔轮分别与侧活动环的内端固定，侧活动环的外端与上活动环之间通过平面推力轴承加向心轴承连接，两伺服电机的输出轴分别与微型谐波减速器的波发生器连接，使侧活动环可相对上固定环开合；

螺栓紧固模块包括伺服电机、蜗杆、蜗轮、三节万向节联轴器、棘轮机构、内六角套筒、弹簧；

伺服电机固定于保护壳内，输出轴与蜗杆连接，蜗杆的另一端通过向心轴承与保护壳连接，蜗杆与涡轮构成蜗轮蜗杆传动机构，涡轮一端通过向心推力轴承与保护壳连接，另一端与三节万向节联轴器连接，三节万向节联轴器的该端通过向心轴承与保护壳连接保证旋转平滑稳定，三节万向节联轴器的另一端通过棘轮机构与内六角套筒连接，内六角套筒外连接向心轴承，保护壳与向心轴承之间连接弹簧；

电容检测模块包括静电电荷探针一和连接底座，连接底座包括竖直板和水平框，竖直板垂直固定于保护壳的外壁，水平框连接于上固定环内端的中间位置，使内六角套筒与上固定环共轴向中心线；竖直板的外侧设置用于连接机械臂的连接座，内侧设置摄像头；

所述移动底盘为具有前轮和后轮的汽车底盘，采用阿克曼转向结构，采用独立前轮转向以及摇摆臂悬挂。

2.如权利要求1所述的高压变电站电容塔维检作业机器人本体，其特征在于：所述升降装置包括剪式升降架和直线伸缩装置，剪式升降架的下端固定于移动底盘上，直线伸缩装置倾斜布置，其两端分别安装于剪式升降架底部和中部的折叠关节处。

3.如权利要求2所述的高压变电站电容塔维检作业机器人本体，其特征在于：所述搭载平台为连接于所述剪式升降架上端的矩形平台。

4.如权利要求2所述的高压变电站电容塔维检作业机器人本体，其特征在于：所述直线伸缩装置为液压缸/电动推杆。

5.如权利要求4所述的高压变电站电容塔维检作业机器人本体，其特征在于：所述平移装置包括固定架、横移架、纵移架、横向丝杆滑块装置和纵向丝杆滑块装置，固定架安装于所述搭载平台上，横向丝杆滑块装置设置于固定架的横向中间位置，横向丝杆滑块装置的滑块与横移架底面连接固定，纵向丝杆滑块装置设置于横移架的纵向外侧，纵向丝杆滑块装置的滑块与纵移架底面连接固定。

6.如权利要求5所述的高压变电站电容塔维检作业机器人本体，其特征在于：所述固定架和移动架均为矩形架，移动架的长度方向两端底面对称设置有“7”字形的滑槽，滑槽的顶面位于固定架端梁的顶面，滑槽侧面与端梁的侧面贴合，使固定架的端梁给横移架的移动起导向作用。

7.如权利要求5所述的高压变电站电容塔维检作业机器人本体，其特征在于：所述横移架的长度方向外侧设置有矩形槽，所述纵向丝杆滑块装置安装于矩形槽的宽度方向中心面上。

8.如权利要求7所述的高压变电站电容塔维检作业机器人本体，其特征在于：所述纵移架的底面宽度方向两侧对称设置有“7”字形的滑槽，使移动架矩形槽两侧的实体为纵移架的移动起导向作用。

9.如权利要求5所述的高压变电站电容塔维检作业机器人本体，其特征在于：所述纵移架的顶部为上开口的矩形框，矩形框的宽度方向中心面上安装有两个机械臂安装座。