CN102601782A - 高压带电作业机器人装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压带电作业机器人装置，包括移动汽车、上装折叠加伸缩绝缘臂、上装控制装置、机器人作业平台。上装折叠加伸缩绝缘臂设于移动汽车底盘上，由上装液压泵站、回转塔、下臂、上臂、伸缩臂等组成。上装控制装置包括下部控制装置和上部控制装置，下部控制装置设置于回转塔上，上部控制装置设置于机器人作业平台上。机器人作业平台包括绝缘斗、机器人操作系统、机械臂绝缘子支承；机器人操作系统包括主手、机械臂、液压伺服控制盒、微控制器；操作者站在绝缘斗内操控主手，远程遥控机械臂夹持专用工具接触高压线路作业，代替人工完成高空带电作业任务，减轻作业人员的劳动强度，提高作业效率和操作安全性。

Description

高压带电作业机器人装置

技术领域

本发明涉及一种线路带电作业装置，尤其涉及一种高压带电作业机器人装置。

背景技术

10kV配电网络是直接面向用户的电力基础设施，由于配电网络绝缘水平低，在大气过电压、污秽或其他外界因素作用下易发生故障，且由于部分地区供电设施陈旧老化，设备完好率低，使故障隐患增多。

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内容进行了限制，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，操作人员使用手动工具完成带电作业任务，其存在着如下缺陷：

1.劳动强度大，作业效率低，自动化水平低。

2.操作人员直接接触高压导线，存在安全隐患。

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。

人工带电作业有其困难与局限性，因此利用具有更强的安全性和适应性的机器人代替人工进行高空带电作业是非常必要，是符合时代发展要求的。

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。

申请人申请的中国专利：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。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述现有技术不足，解决现有高压线路人工带电作业劳动强度大、作业效率及自动化水平低，存在安全隐患、容易引发人身伤亡事故的问题，提供一种新型高压带电作业机器人装置，代替人工完成高空带电作业任务，提高作业人员的操作安全性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高压带电作业机器人装置，它包括移动汽车，在移动汽车上设有上装折叠加伸缩绝缘臂、上装控制装置和机器人作业平台。

所述上装折叠加伸缩绝缘臂设于移动汽车底盘上，由上装液压泵站、回转塔、下臂、上臂、伸缩臂等组成，上装液压泵站安装在移动汽车移动底盘上，回转塔位于上装液压泵站上部，下臂安装在回转塔上，上臂与下臂铰链连接，在上臂设有伸缩臂，伸缩臂末端安装机器人作业平台；

所述上装控制装置包括上部控制装置和下部控制装置，上部控制装置安装在机器人作业平台上，设有全方位操作手柄，下部控制装置安装在回转塔上，并设有上部控制装置切换按钮；所述下部控制装置与上部控制装置分别设有紧急停止装置，下部控制装置优先于上部控制装置，且下部控制与上部控制装置间互锁。

所述机器人作业平台包括机器人作业平台支承架、上部控制装置、机器人操作系统和绝缘斗。所述机器人作业平台支承架由机器人作业平台底架和机器人作业平台侧面连接架连接组成的L形结构，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；所述上部控制装置位于绝缘斗右侧，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；所述机器人操作系统由操控主手、液压机械臂、液压伺服控制盒、微控制器、终端控制盒和微控制器电源集成等组成，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。

高压带电作业机器人装置本发明中，移动汽车驾驶室配有主控、发动机开/停控制和动力输出开关；高空作业时，移动汽车需停稳在水平路面，支腿有足够空间伸缩到地面后，放下所有支腿直到牢固接地方能作业。移动汽车底盘上安装有下臂支承架、上臂支承架和机器人作业平台支承架，分别用于上臂、下臂和机器人作业平台的支架支承。

上装折叠加伸缩绝缘臂安装于汽车底盘上，采用上装液压泵站驱动，由上装回转塔、下臂、上臂、伸缩臂等组成。

所述上装控制装置包括下部控制装置和上部控制装置，下部控制装置设置于回转塔上，并设有上部控制装置切换按钮，上部控制装置设置于机器人作业平台上，设有全方位操作手柄，便于置于绝缘斗内操作人员作业。下部控制装置优先于上部控制装置，具有控制互锁保险的功能，两者操作控制装置都设有紧急停止装置，均可实现上装回转、下臂与上臂俯仰、伸缩臂与上臂间伸缩、机器人作业平台旋转。

所述机器人作业平台包括机器人作业平台支承架、上部控制装置、机器人操作系统和绝缘斗。

所述机器人作业平台支承架由机器人作业平台底架和机器人作业平台侧面连接架连接组成的L形结构，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；所述机器人作业平台支承架采用钢结构方管焊接而成，钢型材表面均用环氧玻璃布搭边缠绕；作业平台侧面连接架上设有螺栓孔，可以通过螺栓连接到斗臂车绝缘升降臂末端；所述机器人作业平台底架上、下及四周表面采用4mm环氧绝缘板粘合而成。

上部控制装置包括箱体，箱体上设有控制杆、操作柄和应急按钮，操作人员可以实时控制机器人平台的升降和俯仰，将平台输送到高空合适作业位置；紧急情况可以按下应急按钮，切断供给机械臂液压油路，保证人机安全。

机器人操作系统由左右两主手、左右两液压机械臂、液压伺服控制盒、微控制器等组成。左主手、右主手分别与左机械臂、右机械臂通过光纤连接，机械臂采用液压伺服控制方式，主手和机械臂是同构的，机械臂可以完全跟随主手来运动。只需一名操作人员站在绝缘斗内，其左、右两手分别操控左主手和右主手，远程遥控实现对左机械臂和右机械臂的主从控制，远程遥控机械臂夹持专用工具接触高压线路作业。液压伺服控制盒是机械臂的外部接口，为机械臂提供必要的电源、指令和测控信息。微控制器提供主手控制和远程通信功能的系统。机械臂采用上装液压泵站提供的液压源驱动的七自由度装置。所述两液压机械臂由七个自由度运动的硬铝合金材料制成，通过支承绝缘子安装于机器人作业平台底架上面前部两侧，两机械臂中心间距1m，并外包橡胶套袖；所述左、右两机械臂的腰部回转外侧设有置于支承绝缘子的支承架上的左、右两液压伺服控制盒，距离机器人作业平台支承架上表面0.6m，该控制盒是机械臂的外部接口，通过光纤与微控制器相连。

机器人作业平台与上装伸缩臂末端机械螺栓连接，可根据现场作业环境要求和操作人员需求，可将人工手动工具作业专用绝缘斗直接连接到上装绝缘臂内臂末端，实现机器人作业平台和手动工具作业专用绝缘斗之间互换连接。

整个系统绝缘设计方案是通过以下方式实现：依靠安装于移动汽车的上装折叠加伸缩绝缘臂实现机器人作业平台对地绝缘；操作人员站在绝缘斗内操控主手，遥控机械臂接触高压线路作业，其左主手、右主手与左机械臂、右机械臂之间仅通过光纤通讯，这样操作人员不直接接触高压线路，实现与高压电场完全隔离，确保操作人员人身安全；采用机械臂橡胶套袖外包和绝缘子支承方式，防止机械臂搭接两相高压线路造成相间短路；机器人作业平台钢结构支架采用环氧玻璃布缠绕，底架采用环氧绝缘板外包，防止平台作业时接触两相高压导线造成相间短路。通过实施以上全方位、立体式多级绝缘防护系统，极大提高了高空带电作业安全性，操作人员与高压电场完全隔离，最大限度的保证操作人员人身安全和带电设备可靠运行。

本发明的有益效果：根据10kV配电线路及以上高压线路带电作业工艺要求、作业环境特点，设计一种新型高压带电作业机器人装置。该装置从操作人员作业安全角度考虑，利用机器人代替人工完成带电作业任务，避免操作人员直接接触高压线路，提高了操作人员带电作业安全性能，并对我国配电线路作业方式产生积极变革作用。另外，在有限空间内，合理布局机器人作业平台，实现全方位、立体式绝缘防护系统，切合高空作业现场实际，保证了人机交互空间与带电操作安全距离，有效防止两机械臂本体运动发生干涉，避免高空作业时触及导线或其他带电设备引发的人机伤亡，最大限度的保证操作人员的安全和带电设备可靠运行。

附图说明

图1为本发明高压带电作业机器人装置结构示意图；

图2为本发明机器人作业平台正面立体结构示意图；

图3为本发明机器人作业平台背面立体结构示意图；

图4为本发明机器人作业平台控制系统原理图；

图中，1、支腿；2、移动汽车；3、下臂支承架；4、回转塔；5、下臂；6、上臂；7、伸缩臂；8、螺栓；9、绝缘斗；10、左主手；11、右主手；12、操作者；13、左机械臂；14、橡胶套袖；15、右机械臂；16、液压伺服控制盒；17、绝缘子支承；18、微控制器；19、上部控制装置；20、底架绝缘板外包；21、下部控制装置；22、上装液压泵站；23、上臂支承架；24、机器人作业平台支承架，25、机器人作业平台底架；26、右支承绝缘子；27、右液压伺服控制盒(RSD)；28、机器人作业平台侧面连接架；29、液压升降平台控制集成；30、升降平台支承架；31、控制杆；32、操作柄；33、右主手支承架；35、右手终端控制盒；38、左主手支承架；39、左手终端控制盒；41、右机械臂手爪；42、工具箱；44、左机械臂手爪；45、绝缘斗连接螺栓；46、左液压伺服控制盒(RSD)；47、左支承绝缘子；48、平台环氧绝缘板外包；49、左微控制器连接架；50、左微控制器(KMC)；51、右微控制器连接架；52、脚蹬；53、右微控制器；54、机器人作业平台侧面连接螺栓；55、微控制器电源集成。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

结合图1，高压带电作业机器人装置，包括移动汽车2，上装折叠加伸缩绝缘臂、上装控制装置和机器人作业平台。

移动汽车2底盘上设有下臂支承架3，上臂支承架23，机器人作业平台支承架24，支腿1。所述上装折叠加伸缩绝缘臂设于移动汽车2底盘上，所述上装折叠加伸缩绝缘臂包括上装液压泵站22，回转塔4，下臂5，上臂6，伸缩臂7，所述伸缩臂7与机器人作业平台通过螺栓8连接。

上装控制装置包括下部控制装置21和上部控制装置19，下部控制装置设置于回转塔4上，并设有上部控制装置切换按钮，上部控制装置19设置于机器人作业平台上，设有全方位操作手柄，便于置于绝缘斗9内操作人员作业。所述下部控制装置21与上部控制装置19分别设有紧急停止装置。下部控制装置21和上部控制装置19两者间互锁。

机器人作业平台包括绝缘斗9、机器人操作系统、机械臂绝缘子支承17，操作者12站在绝缘斗9操控机械臂完成作业；所述机器人作业平台钢结构支架采用环氧玻璃布缠绕，底架采用环氧底架绝缘板20外包。

机器人操作系统包括左主手10、右主手11、左机械臂13、右机械臂15、液压伺服控制盒16、微控制器18；所述左主手10、右主手11分别与机械臂13、右机械臂15通过微控制器18利用光纤通讯连接，所述机械臂13、右机械臂15采用液压伺服控制方式控制，所述左机械臂13、右机械臂15通过绝缘子支承17与机器人作业平台20连接；所述微控制器18还设有远程通信模块。

左机械臂13、右机械臂15为上装液压泵站22提供的液压源驱动的七自由度，机械臂本体采用硬铝合金制造，所述左机械臂13、右机械臂15上设有橡胶套袖14绝缘外包。

机器人作业平台主要由机器人作业平台支承架、液压升降平台控制集成29、机器人操作系统和绝缘斗9组成，所述机器人作业平台支承架上分别设有液压升降平台控制集成29、机器人操作系统和绝缘斗9，液压升降平台控制集成29与机器人操作系统相连，液压升降平台控制集成29和机器人操作系统均设置于绝缘斗9外部。

其中，机器人作业平台支承架由机器人作业平台底架25和机器人作业平台侧面连接架29组成L形结构，机器人作业平台底架25为液压升降平台控制集成29、机器人操作系统和绝缘斗9提供可靠平台支承，机器人作业平台侧面连接架28留有螺栓孔，可机器人作业平台侧面连接螺栓54连接到斗臂车绝缘升降臂末端。机器人作业平台支承架为钢结构焊接，钢型材裸露表面均用环氧玻璃布缠绕，机器人作业平台底架25采用环氧绝缘板外包48，环氧树脂粘合而成，防止高空作业时平台接触导线造成相间短路。

液压升降平台控制集成29通过升降平台支承架30固定于机器人作业平台底架25上面右侧，操作人员站在绝缘斗9内，右手通过控制杆31和操作柄32，实现机器人作业平台的升、降及旋转运动。左、右两机械臂13、15的进、回油管都连接到液压升降平台控制集成29内，主从控制机器人运动所需的液压油源都来源于液压升降平台控制集成29内。绝缘斗9前部设有工具箱42和绝缘斗连接螺栓45，绝缘斗9侧面上设有脚蹬52。

机器人操作系统根据操作人员左、右两手控制，分为左、右两套操作控制系统：每套控制系统都由左、右主手30、11，左、右机械臂33、15，左、右液压伺服控制盒46、27，左、右微控制器50、53，左、右手终端控制盒39、35和微控制器电源集成55组成。

右、左主手11、10分别通过右、左主手支承架33和38安装在机器人作业平台侧面连接架28顶部，根据传感器采集信息来操作机械臂运动。主手与机械臂(从手)是同构的，采用液压伺服驱动，机械臂可以完全跟随主手来运动。操作者站在绝缘斗9内，主手与机械臂之间仅通过光纤通讯，确保人员完全与高压电场隔离，极大提高了操作人员带电操作安全性。

右、左机械臂15、13分别安装在右、左支承绝缘子26、47上，位于机器人作业平台底架25前部两端，并外包橡胶套袖，有效防止机械臂触及导线及带电设备造成相间短路；机械臂本体采用硬铝合金制造，提供腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰的运动、腕部俯仰、腕部摇摆、腕部旋转和平行手爪的等七个自由度运动。右、左机械臂15、13前端分别设有右机械臂手爪41和左机械臂手爪44。

右、左液压伺服控制盒27、46分别安装于右、左支承绝缘子26、47支承架上，位于机械臂腰部回转外侧，是右、左机械臂15、13的外部接口，为机械臂提供必要的电源、指令和测控信息。

左、右微控制器50、53分别通过左、右微控制器连接架49、51螺栓连接机器人作业平台侧面连接架28的外侧面，提供主手控制和远程通信功能的系统。微控制器通过光纤与液压伺服控制盒连接，从而完成主手与机械臂之间的通信连接。

微控制器电源集成55由锂电池、逆变器等组成，为右、左主手11、10提供可靠电源。

右、左手终端控制盒35、39是一个低功耗的，带液晶显示的控制盒，安装于机器人作业平台侧面连接架28的内侧面、绝缘斗9上侧。右、左手终端控制盒35、39分别与右、左主手11、10通过RS232通信，用来显示系统诊断信息和允许操作者选择操作功能。

机器人主从控制系统是通过以下方式实现：操作人员站在绝缘斗9内，其左、右两手分别操控左主手10和右主手11(运动控制单元)，左、右主手10、11克服各关节力矩电机阻力作用相继联动；安装于左、右主手各关节的电位计将各关节轴发生旋转角度(位置指令)转化成电压信号到左、右微控制器50、53；左、右微控制器50、53将位置指令通过光纤传递信息给左、右液压伺服控制盒46、27，液压伺服控制盒把信号转化为电压信号控制安装于左、右机械臂内部的伺服阀(电压信号控制油路流量的开关)；伺服阀控制进入从手各关节的液压流量，驱动左、右机械臂的各关节运动，同时机械臂的电位计输出电压信号通过液压伺服控制盒反馈到微控制器内，与原通道电压比较，形成位置反馈，直到机械臂运动到与主手相应位置为止。

上述虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种高压带电作业机器人装置，它包括移动汽车，在移动汽车上设有上装折叠加伸缩绝缘臂、上装控制装置和机器人作业平台，其特征是，所述上装折叠加伸缩绝缘臂包括安装在移动汽车的上装液压泵站，上装液压泵站上部为回转塔；下臂安装在回转塔上，上臂与下臂铰接，在上臂设有伸缩臂，伸缩臂末端安装机器人作业平台；上装控制装置包括上部控制装置和下部控制装置，上部控制装置安装在机器人作业平台上，设有全方位操作手柄；下部控制装置安装在回转塔上，并设有上部控制装置切换按钮；

所述机器人作业平台包括机器人作业平台支承架，所述机器人作业平台支承架上安装有液压升降平台控制集成、机器人操作系统和绝缘斗，所述机器人作业平台支承架由机器人作业平台底架和机器人作业平台侧面连接架连接组成L形结构；所述液压升降平台控制集成位于绝缘斗右侧；所述机器人操作系统包括通过光纤通讯的操控主手和液压机械臂；

所述操控主手包括安装在机器人作业平台侧面连接架顶部的左、右两主手，两主手中心间距0.8m，距离机器人作业平台支承架上表面1m；在机器人作业平台侧面连接架的内侧面、绝缘斗上侧安装有与左、右主手通信的终端控制盒，两终端控制盒中心间距0.6m；在机器人作业平台侧面连接架的外侧面上，通过微控制器连接架连接分别为左、右主手提供控制和远程通信功能的左、右微控制器，两微控制器中心间距1m；在机器人作业平台底架上绝缘斗的左侧设有为微控制器和主手提供电源的微控制器电源集成；

所述液压机械臂包括左、右两机械臂，所述左、右两机械臂通过支承绝缘子安装于机器人作业平台底架上面前部两侧，并外包橡胶套袖；支承绝缘子高度0.6m，两机械臂中心间距1m；所述机械臂的进、回油管都连接到液压升降平台控制集成内；所述左、右两机械臂的腰部回转自由度外侧设有置于支承绝缘子的支承架上的左、右两液压伺服控制盒，距离机器人作业平台支承架上表面0.6m，该控制盒是机械臂的外部接口，通过光纤与微控制器相连。

2.如权利要求1所述的高压带电作业机器人装置，其特征是，所述下部控制装置与上部控制装置分别设有紧急停止装置，下部控制装置优先于上部控制装置，且下部控制与上部控制装置间互锁。

3.如权利要求1所述的高压带电作业机器人装置，其特征是，所述机器人作业平台与上部控制装置的末端通过螺栓连接。

4.根据权利要求1所述的高压带电作业机器人装置，其特征在于，所述机器人作业平台支承架采用钢结构方管焊接而成，钢型材表面均用环氧玻璃布搭边缠绕；作业平台侧面连接架上设有能够通过螺栓连接到斗臂车绝缘升降臂末端的螺栓孔；所述机器人作业平台底架上、下及四周表面采用环氧绝缘板粘合而成。

5.根据权利要求1所述的高压带电作业机器人装置，其特征在于，所述液压升降平台控制集成包括箱体，箱体上设有与其内的液压控制系统相连的控制杆、操作柄和应急按钮。

6.根据权利要求1所述的高压带电作业机器人装置，其特征在于所述机械臂由七个自由度运动的硬铝合金材料制成。

7.根据权利要求1所述的高压带电作业机器人装置，其特征在于，所述主手和机械臂是同构的，机械臂采用液压伺服驱动。

8.根据权利要求1所述的高压带电作业机器人装置，其特征在于，所述终端控制盒为带液晶显示的控制盒。

9.根据权利要求1所述的高压带电作业机器人装置，其特征在于，所述绝缘斗设置于主手和机械臂之间，位于机器人作业平台侧面连接架内侧正中位置，通过螺栓连接到机器人作业平台侧面连接架上；绝缘斗高度1.2m，双层绝缘，内层材料采用聚四氟乙烯，外层材料采用玻璃钢。

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