CN207696530U - 一种高压带电作业机器人高空作业平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型为一种高压带电作业机器人高空作业平台，包括绝缘斗,其特征在于：所述绝缘斗的一端并排固定设置有从机械臂基座、控制柜、监控摄像头支架；所述绝缘斗的另一端并排固定设置有一号监控摄像头、电源系统、主机械臂基座；所述从机械臂基座、主机械臂基座之间的绝缘斗上固定设置有等电位轻质杆，所述从控制柜、电源系统之间的绝缘斗上固定设置有三维扫描仪，所述从机械臂基座上设有多自由度的从机械臂，从机械臂的末端装有从机械臂前端执行器，所述主机械臂基座上装有多自由度的主机械臂，主机械臂的末端装有定位摄像头、大扭矩拧紧枪及锁卸螺丝工装；自动化作业，维修作业的安全性和可靠程度高；定位方式采用两步定位，提高了定位精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高空作业平台，具体地说是一种高压带电作业机器人高空作业平台。
背景技术
高压线路的带电作业是电力设备测试、检修、改造的重要手段，它为提高供电可靠性，减少停电损失、保证电网安全做出了巨大贡献。带电作业对操作人员的技术水平和熟练程度、气候条件、安全防护用具等要求非常严格，由于担心安全隐患、缺乏合适的人身安全防护用具及带电作业技术培训不够等，部分地区对配电线路的带电作业进行了限制，致使配电线路停电作业频繁，配电可靠性指标不能完成，从而给电力企业带来了很大的经济损失，给人民生活和生产带来了很大的不便。目前作业现场广泛采用绝缘斗臂车中间电位作业方法，操作人员使用原始工具手动完成带电作业任务，其存在着如下缺陷：
(1)劳动强度大，效率低，自动化水平低。
(2)操作人员直接接触高压导线，存在很大的安全隐患。
(3)人工带电作业安全防护、遮蔽要求非常严格，稍不注意就会出现短路电流，造成重大的安全事故，引发人身伤亡事故。
如何将强日常维护，防患于未然，以及出现问题时及时抢修，构建电力系统安全防御框架、应对各种挑战，成为必须解决的问题。停电进行日常维护检修是最安全可靠的方式，但是停电对工业生产的影响巨大，严重降低生产效率；另外，停电以及检修完毕之后的上电都会对系统内的设备造成冲击，降低设备寿命。带电作业水平的提高，是解决这一问题的重要手段之一。带电作业是在高压电气设备上进行不停电检修、部件更换或测设的作业，一直为世界各国所重视。
中国专利02135135公开了一种高压带电作业机器人装置，其包括移动汽车、升降机构、绝缘支撑平台、作业机械臂、液压机械手、隔离变压器、发电机和液压油泵、控制柜，升降机构、发电机和液压泵安装在汽车底盘上，绝缘支撑平台与升降机构的末端相联。作业机械臂、隔离变压器和低压控制柜安装在绝缘支撑平台上。作业机械臂由电机驱动，机械手由液压驱动，计算机通过低压控制装置控制作业机械臂和机械手及其所夹持的装用工具完成各种高压带电作业。但是，其作业机械臂采用电机驱动，机械手采用液压驱动，提供动力源的发电机和液压泵却安装在汽车底盘上，只能通过拖动长长的导线和油管与作业机械臂和机械手相连，这样作业绝缘支撑平台与汽车底盘处于同一电位，极容易造成绝缘平台接地，因此存在很大安全隐患；另外，涉及高压带电作业，操作人员的绝缘安全至关重要，而该专利并未指出操作人员在作业平台的作业位置，也未说明操作人员与作业平台、带电设备、作业机械臂等之间是否保持在安全距离内，而这些问题直接决定该高压带电作业机器人装置是否切实可行。
中国专利：ZL201020278798公开了一种高压带电作业机器人绝缘系统。其包括斗臂车，斗臂车设有斗臂车绝缘臂，在斗臂车绝缘臂顶部设有绝缘平台，绝缘平台上安装有独立的机械手操作装置和操作主手系统，他们采用分开独立供电方式，彼此间采用光纤通信。它可使高压带电作业机器人通过绝缘斗臂车进行相对地绝缘，通过光纤通信实现高压线对人的绝缘，机械臂外包玻璃钢、绝缘平台外包玻璃钢、边相加遮蔽罩进行相间绝缘系统。但是，该专利只是从实现高压带电作业的功能角度考虑机器人绝缘系统，并未说明操作人员、机械手操作装置和操作主手系统之间，是通过怎样空间布局来实现系统绝缘。其所述的机械手操作装置和操作主手系统，只是简单罗列出各组成部分的相互连接关系，并未说明各组成部分在绝缘平台上的位置关系。另外，鉴于高压带电作业特点，绝缘平台应在满足升降平台最大载荷前提下，尽可能设计尺寸要小，占用空间小，避免作业时触及导线或其他带电设备，而该专利只是含糊指出绝缘机械臂I和绝缘机械臂II的底座间距不小于0.4m，两者与主手控制器安全距离不小于0.4m，到底安全距离为多少，才能既满足绝缘要求又满足高空作业要求，该专利并没有给出确切答案，因此该高压带电作业机器人绝缘系统在实践中并不可行，而只是一种设计方案或设计思路。
中国专利CN102615637B公开了一种高压带电作业主从控制机器人作业平台，包括机器人作业平台支撑架、液压升降平台控制继承、机器人操作系统和绝缘斗。机器人作业平台支承架呈L形结构，通过螺栓连接到斗臂车绝缘升降臂末端；为液压升降平台控制集成、机器人操作系统和绝缘斗提供可靠支承；液压升降平台控制集成位于绝缘斗右侧，操作人员通过控制杆和操作柄，为机器人作业平台提供升、降及旋转运动，并供给主从控制机器人运动所需的液压油源；机器人操作系统包括操控主手、液压机械臂及相应控制模块，采用主从控制液压驱动，机械臂可以完全跟随主手运动；操作人员站在绝缘斗内，操控主手可以远程遥控机械臂夹持专用工具接触线路完成各种高压带电作业。但是该专利还是需要操作人员在绝缘斗内通过操控主手遥控机械臂，一旦绝缘斗出现漏电等情况，操作人员的人身安全将会受到威胁。所以此专利并未从根本上解决操作人员的人身安全问题。
本实用新型专利为克服上述现有专利技术的不足，设计了一种多功能带电作业自动化检修机械臂高空作业平台系统，在满足绝缘安全防护的基础上，此平台系统具备灵活的带电检修操作特点，可在狭小空间、复杂工况下高精度自主实施多类型变电设备的典型带电检修与检测项目。代替人工完成带电作业任务，减轻作业人员的劳动强度，很大程度上提高作业效率和操作安全性。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了解决目前带电作业方式劳动强度大，效率低，自动化水平低，操作人员直接接触高压导线，存在很大的安全隐患，人工带电作业安全防护、遮蔽要求非常严格，稍不注意就会出现短路电流，造成重大的安全事故，引发人身伤亡事故的问题。
本实用新型采用的技术方案是：一种高压带电作业机器人高空作业平台，包括绝缘斗,其特征在于：所述绝缘斗的一端并排固定设置有从机械臂基座、控制柜、监控摄像头支架；所述绝缘斗的另一端并排固定设置有一号监控摄像头、电源系统、主机械臂基座；所述从机械臂基座、主机械臂基座之间的绝缘斗上固定设置有等电位轻质杆，所述从控制柜、电源系统之间的绝缘斗上固定设置有三维扫描仪，所述从机械臂基座上设有多自由度的从机械臂，从机械臂的末端装有从机械臂前端执行器，所述主机械臂基座上装有多自由度的主机械臂，主机械臂的末端装有定位摄像头、大扭矩拧紧枪及锁卸螺丝工装。
进一步的，所述的一种高压带电作业机器人高空作业平台，包括传感模块、电源模块、主控模块、通讯模块、机械臂模块、监控模块、人机交互模块,所述传感模块与主控模块双向相连，所述主控模块与机械臂模块和通讯模块均双向相连，所述通讯模块与监控模块双向连接；
所述传感模块的主要功能是对目标作业点进行扫描与定位，并将相应数据传送至工业计算机；主要硬件设备为三维扫描仪和双目摄像头，二者分别通过USB串行通讯和有线网络与系统控制箱内的工控机通讯；
所述电源模块的主要功能是为平台上各硬件设备供电；共采用两套电源，工作电源和备用电源；工作电源是正常工作时候为作业平台各设备提供电力，备用电源是作业平台出现故障时提供短时间的电力供操作人员对上平台采取适当操作；
所述主控模块主要功能是工业控制计算机通过工业以太网向运动控制器发送指令，控制机械臂做出相应的运动；主要硬件设备为系统控制箱和运动控制器，二者通过工业以太网相互通讯；
所述通讯模块的主要功能是对上平台的整体工作状况进行监控，并将数据通过无线网传送至地面控制台；主要硬件设备为控制台和无线路由器，二者之间通过无线通讯；
所述机械臂模块的主要功能是接收运动控制器的控制指令并执行；主要硬件设备为主机械臂、从机械臂和锁/卸螺丝工装，其中主机械臂、从机械臂直接与运动控制器相连，锁/卸螺丝工装通过CAN总线与系统控制箱内的CAN与通讯模块通讯；
所述监控模块的主要功能是实时监控机械臂平台的作业情况；采用网络摄像头，利用无线网络通过路由器与地面控制台通讯；
所述人机交互模块的主要功能是提供一个操作人员对平台紧急情况下的电脑和人机交互界面。
本实用新型的有益效果和特点是：(1)通过移动绝缘斗臂车将作业平台送至目标工位以后，剩下的检修工作为全自动化操作，保护作业人员的人身安全，提高维修作业的安全性和可靠程度；(2)电源系统采用两套电源供电，备用电源的存在使作业过程中出现的紧急情况而失去电力之后，不至于作业平台失去控制；以这种方式可以使很多紧急情况得到控制，维护检修设备的安全，减少不必要的财产损失；(3)定位方式采用两步定位，即粗定位和精定位，相比于别的专利的专一定位方式，大大的提高了定位精度。
附图说明
图1是本实用新型较佳实施例的整体结构示意图；
图2是本实用新型较佳实施例的系统结构图；
图中标号分别表示：1-锁卸螺丝工装、2-大扭矩拧紧枪、3-主机械臂小臂、4-一号监控摄像头、5-主机械臂大臂、6-主机械臂基座、7-电源系统、8-等电位轻质杆、9-工具箱、10-三维扫描仪、11-绝缘斗、12-从机械臂基座、13-控制柜、14-从机械臂大臂、15-监控摄像头支架、16-二号监控摄像头、17-从机械臂小臂、18-从机械臂接口法兰、19-从机械臂前端执行器、20-定位摄像头、21-传感模块、22-电源模块、23-主控模块、24-通讯模块、25-机械臂模块、26-监控模块、27-人机交互模块。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行进一步说明：
如图1及图2所示，一种高压带电作业机器人高空作业平台，包括绝缘斗11,其中：所述绝缘斗11的一端并排固定设置有从机械臂基座12、控制柜13、监控摄像头支架15；所述绝缘斗11的另一端并排固定设置有一号监控摄像头4、电源系统7、主机械臂基座6；所述从机械臂基座12、主机械臂基座6之间的绝缘斗11上固定设置有等电位轻质杆8，所述从控制柜13、电源系统7之间的绝缘斗11上固定设置有三维扫描仪10，所述从机械臂基座12上设有多自由度的从机械臂，从机械臂的末端装有从机械臂前端执行器19，所述主机械臂基座6上装有多自由度的主机械臂，主机械臂的末端装有定位摄像头20、大扭矩拧紧枪2及锁卸螺丝工装1。
该高压带电作业机器人高空作业平台，其系统构架包括传感模块21、电源模块22、主控模块23、通讯模块24、机械臂模块25、监控模块26、人机交互模块27,所述传感模块21与主控模块23双向相连，所述主控模块23与机械臂模块25和通讯模块24均双向相连，所述通讯模块24与监控模块26双向连接；
所述传感模块21的主要功能是对目标作业点进行扫描与定位，并将相应数据传送至工业计算机；主要硬件设备为三维扫描仪和双目摄像头，二者分别通过USB串行通讯和有线网络与系统控制箱内的工控机通讯；
所述电源模块22的主要功能是为平台上各硬件设备供电；共采用两套电源，工作电源和备用电源；工作电源是正常工作时候为作业平台各设备提供电力，备用电源是作业平台出现故障时提供短时间的电力供操作人员对上平台采取适当操作，因此备用电源蓄航时间不需要很长，够主从机械臂回到初始工位即可；
所述主控模块23主要功能是工业控制计算机通过工业以太网向运动控制器发送指令，控制机械臂做出相应的运动；主要硬件设备为系统控制箱和运动控制器，二者通过工业以太网相互通讯；
所述通讯模块24的主要功能是对上平台的整体工作状况进行监控，并将数据通过无线网传送至地面控制台；主要硬件设备为控制台和无线路由器，二者之间通过无线通讯；
所述机械臂模块25的主要功能是接收运动控制器的控制指令并执行；主要硬件设备为主机械臂、从机械臂和锁/卸螺丝工装，其中主机械臂、从机械臂直接与运动控制器相连，锁/卸螺丝工装通过CAN总线与系统控制箱内的CAN与通讯模块24通讯；
所述监控模块26的主要功能是实时监控机械臂平台的作业情况；采用网络摄像头，利用无线网络通过路由器与地面控制台通讯；
人机交互模块27的主要功能是提供一个操作人员对平台紧急情况下的电脑和人机交互界面。
上述高压带电作业机器人高空作业平台卸载金具螺丝的方法，其特征在于包括如下步骤：
a:由移动带电作业车将绝缘斗11运送到目标作业点附近(机械臂可自动作业的范围内)；
b:操作人员通过无线路由器发送控制指令给作业平台的系统控制柜13，系统控制柜内的无线接收模块接收到命令信息后通过PCI将指令传送给工控机；
c:从机械臂按照既定的轨迹运动到等电位轻质杆8附近，将其抓起并挂靠于管母线上，实现机械臂作业平台与高压变电场的等电位操作；
d:从机械臂通过预先规划好的路径运动到工具箱9附近，然后从机械臂末端执行器19夹起固定在工具箱上的三维扫描仪10按照预先规划好的运动路径运动到金具正前方，对金具进行三维扫描，同时三维扫描仪10通过串口通讯的方式将数据传输给工控机；工控机根据扫描信息建立金具及各螺丝的具体空间坐标，实现一个目标点的粗定位；
上面粗定位的方法如下：通过求解转换矩阵T来匹配三维扫描仪的当前点云和系统模板库内的模板点云之间的关系，转移矩阵T可以分解为一个三维旋转矩阵R与一个平移向量t，三维旋转矩阵R用欧拉角表示；转换矩阵中三维旋转矩阵R和平移向量t的计算公式如下：
其中，tx、ty、tz为平移向量t的坐标，γ、β、分别为旋转矩阵R的偏航角、俯仰角、横滚角。P、Q分别为模板库中的模板点云和三维扫描仪扫描的当前点云。F为描述点云配准程度的目标函数，目标函数和最小时对应的旋转矩阵和平移向量即为配准结果，根据此结果可计算出扫描点与模板之间的转换矩阵T。
通过转移矩阵T对扫描点云Q转换函数如下：
其中，表示转换后的结果表示变换参数。根据以上公式可根据扫描结果精确匹配出扫描物体的特征与坐标，进而达到扫描与定位的目的。
e:从机械臂按既定路径运动到软引线端子附近，同时利用前端执行器19将引线端子牢牢固定柱，防止在锁卸螺丝过程中软引线脱落造成事故；
f:工控机根据三维扫描之后建立的各坐标点通过工业以太网发送控制指令给主机械臂的运动控制器，进而控制主机械臂运动到金具附近，然后主机械臂末端的摄像头20定位系统开始工作，对金具螺丝进行精定位，同时将定位数据传送给工控机，由工控机统一处理，工控机根据接收到的定位信息生成控制指令，控制主动机械臂末端的锁卸螺丝工装精准的对准金具上的螺丝；
其中对金具螺丝进行精定位的过程中：因为工作环境复杂，模板与搜索图像之间可能存在平移、缩放与旋转关系，故本系统利用仿射矩阵进行目标定位；采用4参数仿射模型计算仿射变换的参数，变换矩阵如下：
设(x1,y1),(x2,y2)分别为模板图像和搜索图像匹配点对应的坐标，它们之间的映射关系为：
式中，s为尺度变化参数，tx和ty表示在x与y方向上的平移量，θ表示旋转角度。
g:最后利用工装后面的大扭矩拧紧枪2将螺丝拧紧；
h:检修工作完成之后，主从机械臂自动归位。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的结构关系及原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种高压带电作业机器人高空作业平台，包括绝缘斗(11),所述绝缘斗(11)的一端并排固定设置有从机械臂基座(12)、控制柜(13)、监控摄像头支架(15)；所述绝缘斗(11)的另一端并排固定设置有一号监控摄像头(4)、电源系统(7)、主机械臂基座(6)，所述从机械臂基座(12)上设有多自由度的从机械臂，从机械臂的末端装有从机械臂前端执行器(19)，所述主机械臂基座(6)上装有多自由度的主机械臂，其特征在于：所述从机械臂基座(12)、主机械臂基座(6)之间的绝缘斗(11)上固定设置有等电位轻质杆(8)，所述从控制柜(13)、电源系统(7)之间的绝缘斗(11)上固定设置有三维扫描仪(10)，主机械臂的末端装有定位摄像头(20)、大扭矩拧紧枪(2)及锁卸螺丝工装(1)。
2.根据权利要求1所述的一种高压带电作业机器人高空作业平台，其特征在于：包括传感模块(21)、电源模块(22)、主控模块(23)、通讯模块(24)、机械臂模块(25)、监控模块(26)、人机交互模块(27),所述传感模块(21)与主控模块(23)双向相连，所述主控模块(23)与机械臂模块(25)和通讯模块(24)均双向相连，所述通讯模块(24)与监控模块(26)双向连接；
所述传感模块(21)的主要功能是对目标作业点进行扫描与定位，并将相应数据传送至工业计算机；主要硬件设备为三维扫描仪和双目摄像头，二者分别通过USB串行通讯和有线网络与系统控制箱内的工控机通讯；
所述电源模块(22)的主要功能是为平台上各硬件设备供电；共采用两套电源，工作电源和备用电源；工作电源是正常工作时候为作业平台各设备提供电力，备用电源是作业平台出现故障时提供短时间的电力供操作人员对上平台采取适当操作；
所述主控模块(23)主要功能是工业控制计算机通过工业以太网向运动控制器发送指令，控制机械臂做出相应的运动；主要硬件设备为系统控制箱和运动控制器，二者通过工业以太网相互通讯；
所述通讯模块(24)的主要功能是对上平台的整体工作状况进行监控，并将数据通过无线网传送至地面控制台；主要硬件设备为控制台和无线路由器，二者之间通过无线通讯；
所述机械臂模块(25)的主要功能是接收运动控制器的控制指令并执行；主要硬件设备为主机械臂、从机械臂和锁/卸螺丝工装，其中主机械臂、从机械臂直接与运动控制器相连，锁/卸螺丝工装通过CAN总线与系统控制箱内的CAN与通讯模块(24)通讯；
所述监控模块(26)的主要功能是实时监控机械臂平台的作业情况；采用网络摄像头，利用无线网络通过路由器与地面控制台通讯；
人机交互模块(27)的主要功能是提供一个操作人员对平台紧急情况下的电脑和人机交互界面。
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