CN212988421U - 油浸式变压器内部巡检机器人及控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种油浸式变压器内部巡检机器人，包括：体积可变的密封的圆柱型壳体，所述的圆柱型壳体中布置有：用于实现机器人水平直线运动、侧移运动、原地旋转运动、艏向运动的水平推进装置，用于实现机器人上浮运动、下潜运动的基于浮力调节原理的垂直推进装置，用于实现机器人通讯控制、运动控制、导航定位、拍摄控制的控制装置，所述的控制装置与水平推进装置、垂直推进装置电连接实现数据交互。本实用新型还涉及一种油浸式变压器内部巡检机器人的控制系统。本实用新型机器人圆柱状结构精巧，机动性高，分段式壳体便于内部零件的安装，便于实现水平和垂直推进装置的布局，同时可实现仪表舱和动力舱的隔离；便于加工且成本低。

Description

油浸式变压器内部巡检机器人及控制系统

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种用于油浸式变压器内部巡检机器人及控制系统。

背景技术

目前，国内电力系统油浸式变压器内部检修的方式，为放油冷却后人工检测，这种方法存在效率低、成本高且易造成变压器内部污染等缺点。

随着机器人的发展，开始出现了用于油浸式变压器内部检测的机器人。现有的油浸式变压器内部检测机器人的技术方案主要有：

1.全球首台实用液浸式变压器检测机器人：ABB Ability^TMTXplore。

2018年，ABB推出全球首台实用液浸式变压器检测机器人ABB Ability^TM TXplore，该检测机器人采用长方体外形，尺寸为18x20x24cm，水平和垂直推进装置均采用双螺旋桨推进器，正前方和侧面搭载摄像机和光源进行拍摄和照明工作，并采用无线方式传送运动控制指令及拍摄的图片和视频，且该检测机器人已成功对变压器进行内部检测。

不足之处：该技术方案水平的推进系统采用两个螺旋桨推进器，不具备左移右移运动功能；垂直推进装置采用螺旋桨推进器，当检测机器人进行上浮下潜运动时需实时驱动垂向两个推进器转动，需消耗较多的能量。

2.油浸式变压器内部检测机器人。

文献[油浸式变压器内部检测机器人结构设计与分析]中，李勋等人将机器人技术应用于变压器内部检测中，设计了一款油浸式变压器内部检测机器人。该检测机器人采用球体外形，直径小于200mm；采用偏心布置的四个喷射泵作为水平推进装置、单个螺旋桨推进器作为垂直推进装置，可实现水平、垂直和旋转等多自由度运动；并搭载视觉和定位设备，使得该机器人具备相应的检测功能。

不足之处：该技术方案的机器人采用球体外形，不容易控制球体的运动性能和平衡稳定。

3.油浸式变压器内部球形检测机器人。

文献[油浸式变压器内部检测球形机器人的深度悬停控制研究]中，冯迎宾等人设计出一款油浸式变压器内部球形检测机器人并制作出样机，该检测机器人采用球形结构设计，直径190mm，质量为3.274kg，水平和垂直推进装置均采用喷射泵驱动，航行速度为0.1m/s，内部搭载摄像机和姿态与深度传感器，采用无线方式通讯。并在变压器油中对球形检测机器人样机进行了试验，试验结果表明其具备定深悬停功能。

不足之处：垂直推进装置采用喷射泵，当球形检测机器人进行上浮下潜运动时需实时驱动垂向喷射泵工作，需消耗较多的能量，不利于深度精确定位和定深拍摄。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于油浸式变压器巡检的机器人及控制系统，使其在变压器绝缘油内进行浮游式运动，实现前进后退运动、左移右移运动、原地旋转运动和上浮下潜运动，并利用携带的摄像系统，实时采集、上传变压器内部图像，完成变压器的故障检测，使检测手段更加经济、便捷和安全。本实用新型所采用的技术方案如下：

一种油浸式变压器内部巡检机器人，包括：体积可变的密封的圆柱型壳体，所述的圆柱型壳体包括：上段壳体、中段壳体、下段壳体，所述的圆柱型壳体中布置有：用于实现机器人水平直线运动、侧移运动、原地旋转运动、艏向运动的水平推进装置，用于实现机器人上浮运动、下潜运动、定深悬停的基于浮力调节原理的垂直推进装置，用于实现机器人通讯控制、运动控制、导航定位、拍摄控制的控制装置，所述的控制装置与水平推进装置、垂直推进装置电连接实现数据交互。

本实用新型通过控制装置实时监测机器人的姿态和深度信息，根据巡检目标要求，控制水平推进装置实现机器人的水平行走，通过垂直推进装置改变机器人的体积、利用潜航器的自重和浮力实现机器人的上浮/下潜，通过拍摄视频完成油浸式变压器巡检工作。

一种油浸式变压器内部巡检机器人的控制系统，应用前述的一种用于油浸式变压器巡检的机器人，包括：通讯控制模块、运动控制模块、导航定位模块、拍摄控制模块。所述的通讯控制模块，通过无线通讯方式传输运动控制指令、反馈传感器数据。所述的运动控制模块，根据运动控制指令，驱动水平推进装置和垂直推进装置执行相应的动作。所述的导航定位模块，采集并反馈机器人的姿态和深度信息。所述的拍摄控制模块，通过摄像装置进行视频拍摄，并将拍摄到的视频以无线方式传输。

本实用新型的有益效果：

本实用新型从机器人的结构和操控上进行了改进和优化，具有以下优点：1) 圆柱状结构精巧，能够通过变压器内部的狭小空间；2)机动性高，具备前进、后退、上浮、下潜、侧移、悬停、原地旋转功能；3)多组工作载荷：多组摄像、照相装置；4)图像无线回传，各组图像可自由切换；5)操控方式：人工无线操作、自主航行；6)壳体采用圆柱体结构，使巡检式机器人外部无突起结构，可避免与变压器内部附件结构发生严重刮碰；分段式壳体便于内部零件的安装，且上下壳体形状对称，水平运动时所受的阻力分布均匀；圆柱形壳体内部空间利用率高，便于实现水平和垂直推进装置的布局，同时可实现仪表舱(上段壳体)和动力舱(下段壳体)的隔离；便于加工，且成本低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的具体实施方式、或者现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些具体实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的属于本申请保护范围之内的附图。

图1是本实用新型实施例的机器人的整体外观结构示意图；

图2是本实用新型实施例的机器人的内部结构示意图；

图3是本实用新型实施例的机器人的上段壳体的立体图；

图4是本实用新型实施例的机器人的中段壳体的立体图；

图5是本实用新型实施例的机器人的下段壳体的立体图；

图6是本实用新型实施例的水平推进装置的俯视图；

图7是本实用新型实施例的水平推进装置的左视图；

图8是本实用新型实施例的水平推进装置的原理示意图；

图9是本实用新型实施例的垂直推进装置的结构示意图；

图10是本实用新型实施例的控制系统的结构原理示意图。

图中，1-上段壳体，2-中段壳体，3-下段壳体，4-水平推进装置，5-垂直推进装置，6-主控板，7-姿态传感器，8-摄像头，9-驱动器，10-供电电源，11-开放舱室，12-第一固定架，13-第一推进器，14-第二推进器，15-第三推进器，16- 第四推进器，17-传动齿轮，18-第二固定架，19-直流伺服电机，20-直线轴承， 21-活塞，22-光电限位开关，23-丝杆螺母，24-滚珠丝杆，25-滑动轴承，26-内部套桶，27-第一穿孔，28-第二穿孔。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本实用新型的实施方式。

如图1所示，是本实用新型实施例的机器人的整体外观结构示意图；如图2 所示，是本实用新型实施例的机器人的内部结构示意图。一种油浸式变压器内部巡检机器人，包括：体积可变的上/中/下三段组合式的密封圆柱型壳体，所述的密封圆柱型壳体包括：上段壳体1、中段壳体2、下段壳体3。所述的机器人的上段壳体1、中段壳体2和下段壳体3，通过密封圈及螺栓固定连接成为一个密封的圆柱体。

如图3所示，是本实用新型实施例的机器人的上段壳体的立体图。所述的机器人的上段壳体1为上部密封、下部开口的圆柱体，内部设置有：垂直推进装置5、主控板6、姿态传感器7、摄像头8。

如图4所示，是本实用新型实施例的机器人的中段壳体的立体图。所述的机器人的中段壳体2为两端开口、两侧带2个开放舱室的密封柱体，在中段壳体2内部与开放舱室相对应的位置设置有X型立体结构的推进器支架11，在2 个开放舱室的位置、通过螺栓穿过中段壳体2的外壳、将水平推进装置4的四台推进器固定到推进器支架11侧面上(每个开放舱室处设置2台推进器)，四台推进器与变压器油液接触。所述的中段壳体2的上部固定设置有第一固定架 12，所述的第一固定架12用于固定设置在上段壳体1中的垂直推进装置5、主控板6(可采用STM32F103ZET6单片机)、姿态传感器7、摄像头8。所述的推进器支架11的中心位置，设置有供垂直推进装置5中的滚珠丝杆24穿过的第二穿孔28，在所述的第二穿孔28的两侧设置有两个供垂直推进装置5中的直线轴承20穿过的第一穿孔27。

如图5所示，是本实用新型实施例的机器人的下段壳体的立体图。所述的机器人的下段壳体3为一个包含有内部套桶26的圆柱体，所述的内部套桶26 为上下开口的圆桶、用于容纳垂直推进装置5中的活塞21上下滑动、进而改变机器人的体积。内部套桶26的下边缘与下段壳体3的下边缘之间密封连接，下段壳体3的外壳与内部套桶26之间形成的容腔中固定设置有驱动器9、供电电源10，驱动器9用于驱动垂直推进装置中的直流伺服电机19。

所述的下段壳体3的外底面上分别设置有用于充当充电接口的第一水密接插件、用于充当下载程序接口的第二水密接插件；所述的下段壳体3的外底面上还设置有急停开关(如果出现意外情况，操作人员可以通过急停开关从外部切断潜航器内部的供电)和深度传感器。所述的第一水密接插件与供电电源10 连接进行充电，所述的第二水密接插件与主控板6连接用于更新控制程序，所述的主控板6分别与急停开关、深度传感器、水平推进装置4、垂直推进装置5、姿态传感器7电连接。

根据油浸式变压器内部特定的工作环境，结合巡检式机器人的技术指标，本实用新型采用了圆柱外形壳体。为了避免对变压器箱体内部的绝缘油造成污染，因此壳体采用封闭式结构。为了使机器人内部零件安装方便，将圆柱形壳体分为上中下三段，其中上段壳体内主要安装垂直推进装置、控制装置和摄像装置，中段壳体主要安装水平推进装置，下段壳体内主要布放供电电源模块。

如图6所示，是本实用新型实施例的水平推进装置的俯视图；如图7所示，是本实用新型实施例的水平推进装置的左视图；如图8所示，是本实用新型实施例的水平推进装置的原理示意图。所述的水平推进装置4，由偏心布置的四个推进器组成，偏心距为L。四个推进器中，第二推进器14、第三推进器15固定设置在中段壳体2的一个开放舱室处、通过螺栓穿过中段壳体2的外壳、固定在推进器支架11的一个垂直侧面上，第一推进器13、第四推进器16固定设置在中段壳体2的另一个开放舱室处、通过螺栓穿过中段壳体2的外壳、固定在推进器支架11的另一个垂直侧面上。以巡检式机器人几何中心为原点，ox轴沿机器人主对称轴方向(即机器人前进方向)，oy轴沿机器人副对称轴方向，oz 轴通过右手螺旋定则确定。四个推进器产生的推力分别为T1、T2、T3、T4，通过不同推进器的组合控制可以实现机器人的一系列水平运动。水平方向上各运动的机理分析如下：

1)水平直线运动。

当第一推进器13和第二推进器14同时转动且转速相同时，其产生的推力 T1、T2在Y轴方向上的分量大小相等，方向相反，相互抵消；在x轴正方向上的分量大小相等，方向相同，相互叠加，因此机器人可沿x轴正向做前进运动。同理，当第三推进器15和第四推进器16同时转动且转速相同时，其产生的推力T3和T4在Y轴方向上的分量大小相等，方向相反，相互抵消；在x轴负方向上的分量大小相等，方向相同，相互叠加，因此机器人可沿x轴负方向做后退运动。机器人做前进运动时两个推进器产生的合推力为T_x＝(T₁+T₂)cos45°。

2)侧移运动。

与前进后退运动的原理相同，当第二推进器14和第三推进器15同时转动且转速相同时，其产生的推力T2、T3在Y轴正方向上的分量大小相等，方向相同，相互叠加；在x轴方向上的分量大小相等，方向相反，相互抵消，因此机器人可沿Y轴正向做侧移运动。机器人做侧移运动时两个推进器产生的合推力为T_y＝(T₂+T₃)cos45°。

3)原地旋转运动。

当第二推进器14和第四推进器16同时转动且转速相同时，其推力产生的合力矩使得机器人做原地顺时针旋转运动，合力矩；同理第一推进器13和第三推进器15同时旋转且转速相同时，其推力产生的合力矩使得机器人做原地逆时针旋转运动，合力矩为Mn₂＝(T₁+T₃)L。

4)艏向运动。

当机器人前进运动过程中需要调整航向角时，通过调节第一推进器13和第二推进器14的转速，进而改变推力T1和T2的大小，使得机器人实现艏向运动，此时的合力矩为Mn₃＝(T₂-T₁)L。

水平推进装置4的推进器选用螺旋桨推进器。

如图9所示，是本实用新型实施例的垂直推进装置的结构示意图。所述的垂直推进装置5采用浮力调节原理，包括：第二固定架18，所述的第二固定架18上表面设置有一对传动齿轮17，所述的第二固定架18的下表面设置有直流伺服电机19、浮力调节装置。所述的浮力调节装置包括：一对直线轴承20，与直线轴承20连接的活塞21，相互连接的丝杆螺母23、滚珠丝杆24、滑动轴承 25，还设置有光电限位开关22、用于对丝杠螺母23进行行程限位，限制活塞运动的极限位置、以保证传动机构的安全性。所述的一对直线轴承20穿过推进器支架11上的两个第一穿孔27后，在端部固定设置活塞21。滚珠丝杆24穿过推进器支架11上的第二穿孔28。所述的活塞21插入下段壳体3上的内部套桶26 的空腔中，所述的活塞21与内部套桶26之间密封接触。

浮力调节装置工作原理：直流伺服电机19的转动通过传动齿轮17传递到滚珠丝杠24上，使得丝杠螺母23沿丝杠做直线往复运动，进而与丝杠螺母23 连接的一对直线轴承20也带动活塞21在内部套桶26的空腔中做直线往复运动。当活塞21向上运动时，机器人的体积逐渐减小，浮力也随之减小，当浮力小于重力时，机器人具有垂直向下的加速度，可实现下潜运动；当活塞21向下运动时，机器人的体积逐渐增大，浮力也随之增大，当浮力大于重力时，机器人具有垂直向上的加速度，可实现上浮运动。浮力调节装置还可以实现机器人的定深悬停。

本实用新型实施例中，机器人的总体结构布局科学合理，使得机器人的性能和稳定性相比现有技术都得到极大的提升。具体而言，1)将垂直推进装置5 的浮力调节装置布置在机器人的中心轴线上，则当活塞做直线往复运动时不会产生倾覆力矩；2)水平推进装置4布置在机器人的中环对称面上，以保证推进器产生的推力作用于壳体的对称面内，可提高机器人的运动稳定性；3)相对较重的供电电源10布置在机器人的下壳体内，可降低机器人的重心，也提高了机器人的运动稳定性；4)主控板6、姿态传感器7、摄像头8布置在机器人的上壳体内，方便拆卸调试且不会将重心提高；5)当水平推进器转动时周边水压会产生变化，因此将深度传感器布置在机器人的下壳体底面，可减小水压变化的影响，提高测量精度；6)水密接插件和急停开关布置在机器人的下壳体地面，便于供电回路的走线。

如图10所示，是本实用新型实施例的控制系统的结构原理示意图。一种油浸式变压器内部巡检机器人的控制系统，在机器人的内部设置主控板(可用单片机实现)，所述的主控板通过SPI接口与无线通讯模块连接，所述的无线通讯模块与PC机外接的无线串口模块进行无线数据交互，这样就实现了远端PC机和机器人间的无线通讯功能。

所述的主控板与姿态传感器之间通过串口连接，利用TTL电平信号进行数据交互。所述的主控板与深度传感器之间通过RS485转TTL电平信号进行数据交互。所述的主控板与光电限位开关之间通过IO接口连接。所述的主控板通过 PWM方式控制水平推进装置的四个推进器。所述的主控板通过RS485转TTL电平信号控制垂直推进装置的直流伺服电机。

通过PC机上的上位机软件向机器人发送运动指令，指令通过无线方式传送给主控板，主控板接收到指令后向伺服电机驱动器或推进器的电调发送运动指令，进而驱动推进器或伺服电机转动，使得机器人完成相应动作。同时，主控板采集到的深度和姿态信息也可通过无线方式传送到PC机上的上位机软件界面进行显示。

巡检式机器人作为运动载体平台可携带摄像装置进行巡检，为了便于验证机器人的运动功能，将拍摄的视频与运动控制指令分开传送，故选用现有的携带无线图传模块的摄像装置。该摄像装置由摄像头、无线图传模块和视频信号接收器组成，摄像头拍摄的视频信号可通过无线图传模块传送给远端的视频信号接收器，再通过USB数据线连接到手机或PC机上进行视频显示。可通过天线将视频信号送出油液表面实现无线通讯。

本实用新型实施例中，用于实现机器人通讯控制、运动控制、导航定位、拍摄控制的控制方法，均为现有技术，在此不再详细描述。

最后需要说明的是：以上实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.油浸式变压器内部巡检机器人，其特征在于，包括：体积可变的密封的圆柱型壳体，所述的圆柱型壳体包括：上段壳体(1)、中段壳体(2)、下段壳体(3)，所述的圆柱型壳体中布置有：用于实现机器人水平直线运动、侧移运动、原地旋转运动、艏向运动的水平推进装置，用于实现机器人上浮运动、下潜运动、定深悬停的基于浮力调节原理的垂直推进装置，用于实现机器人通讯控制、运动控制、导航定位、拍摄控制的控制装置，所述的控制装置与水平推进装置、垂直推进装置电连接实现数据交互。

2.根据权利要求1所述的油浸式变压器内部巡检机器人，其特征在于，所述的上段壳体(1)、中段壳体(2)和下段壳体(3)通过密封圈及螺栓固定连接成为一个密封的圆柱体。

3.根据权利要求2所述的油浸式变压器内部巡检机器人，其特征在于，所述的上段壳体(1)为上部密封、下部开口的圆柱体，内部设置有：垂直推进装置(5)、主控板(6)、姿态传感器(7)、摄像头(8)；

所述的中段壳体(2)为两端开口、两侧带2个开放舱室的密封柱体，在中段壳体(2)内部与开放舱室相对应的位置设置有X型立体结构的推进器支架(11)，所述的中段壳体(2)的上部固定设置有第一固定架(12)，所述的第一固定架(12)用于固定上段壳体(1)中的垂直推进装置(5)、主控板(6)、姿态传感器(7)、摄像头(8)；

所述的下段壳体(3)为包含内部套桶(26)的圆柱体，所述的内部套桶(26)为上下开口的圆桶，内部套桶(26)的下边缘与下段壳体(3)的下边缘之间密封连接。

4.根据权利要求3所述的油浸式变压器内部巡检机器人，其特征在于，所述的水平推进装置由偏心布置的四个推进器组成，偏心距为L；第二推进器(14)、第三推进器(15)固定设置在中段壳体(2)的一个开放舱室处、通过螺栓穿过中段壳体(2)的外壳、固定在推进器支架(11)的一个垂直侧面上，第一推进器(13)、第四推进器(16)固定设置在中段壳体(2)的另一个开放舱室处、通过螺栓穿过中段壳体(2)的外壳、固定在推进器支架(11)的另一个垂直侧面上。

5.根据权利要求4所述的油浸式变压器内部巡检机器人，其特征在于，所述的垂直推进装置采用浮力调节原理，包括：第二固定架(18)，所述的第二固定架(18)上表面设置有一对传动齿轮(17)，所述的第二固定架(18)的下表面设置有直流伺服电机(19)、浮力调节装置；所述的浮力调节装置包括：一对直线轴承(20)，与直线轴承(20)连接的活塞(21)，相互连接的丝杆螺母(23)、滚珠丝杆(24)、滑动轴承(25)，还设置有光电限位开关(22)。

6.根据权利要求5所述的油浸式变压器内部巡检机器人，其特征在于，所述的推进器支架(11)的中心位置，设置有供垂直推进装置中的滚珠丝杆(24)穿过的第二穿孔(28)，在所述的第二穿孔(28)的两侧设置有供垂直推进装置中的一对直线轴承(20)穿过的两个第一穿孔(27)；所述的活塞(21)插入下段壳体(3)上的内部套桶(26)的空腔中，所述的活塞(21)与内部套桶(26)之间密封接触。

7.根据权利要求6所述的油浸式变压器内部巡检机器人，其特征在于，所述的下段壳体(3)的外壳与内部套桶(26)之间形成的容腔中固定设置有驱动器(9)、供电电源(10)；所述的下段壳体(3)的外底面上分别设置有用于充当充电接口的第一水密接插件、用于充当下载程序接口的第二水密接插件、急停开关和深度传感器。

8.油浸式变压器内部巡检机器人的控制系统，其特征在于，应用如权利要求7所述的油浸式变压器内部巡检机器人，包括：通讯控制模块、运动控制模块、导航定位模块、拍摄控制模块；所述的通讯控制模块，通过无线通讯方式传输运动控制指令、反馈传感器数据；所述的运动控制模块，根据运动控制指令，驱动水平推进装置和垂直推进装置执行相应的动作；所述的导航定位模块，采集并反馈机器人的姿态和深度信息；所述的拍摄控制模块，通过摄像装置进行视频拍摄，并将拍摄到的视频以无线方式传输。

9.根据权利要求8所述的油浸式变压器内部巡检机器人的控制系统，其特征在于，在机器人的内部设置主控板，所述的主控板通过SPI接口与无线通讯模块连接，所述的无线通讯模块与PC机外接的无线串口模块进行无线数据交互；所述的主控板与姿态传感器之间通过串口连接、利用TTL电平信号进行数据交互，所述的主控板与深度传感器之间通过RS485转TTL电平信号进行数据交互，所述的主控板与光电限位开关之间通过IO接口连接，所述的主控板通过PWM方式控制水平推进装置的四个推进器；所述的主控板通过RS485转TTL电平信号控制垂直推进装置的直流伺服电机；

在机器人的内部设置带无线图传模块的摄像头，摄像头拍摄的视频信号通过无线图传模块传送给远端的视频信号接收器，视频信号接收器通过USB数据线连接到手机或PC机上进行视频显示。

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