一种输电线路绝缘子带电检测与清扫的一体化机器人的制作方法

本发明涉及一种输电线路用机器人，具体涉及一种输电线路绝缘子带电检测与清扫的一体化机器人。

背景技术：

带电作业是电力行业为提高供电可靠性和电网安全、经济运行水平而开发的一种特殊作业方式，目前在国内外得到广泛的应用，在电力生产中起着十分重要的作用。带电作业可随时检测设备运行状态，及时发现、消除设备缺陷和隐患，保证电网安全稳定运行。

随着我国对输电线路带电作业的日益重视，推动了输电线路带电作业技术的快速发展，带电检测手段也越来越多。而在输电线路带电检测中，针对输电线路绝缘子的检测最为普遍，用于检测绝缘子的低值、零值情况。在长期运行中，绝缘子会受到雷击、污秽、鸟害、冰雪、高温、温差等环境因素的影响，在电气上要承受强电场、雷电冲击电流、工频电弧电流的作用，使得绝缘子故障在输电线路故障中占比最高，当绝缘子串中存在低值或零值绝缘子时，在污秽环境或过电压甚至工作电压下就极易发生闪络事故。当雷电过电压作用于零值绝缘子时，零值绝缘子被完全击穿，强大的零电流及工频续流从零值绝缘子头部的瓷件缝隙流过，将引起零值绝缘子过热炸开。由此可见，在输电线路上对绝缘子的检测就显得尤为重要。

之前，在检测绝缘子时，一般采用的方法有火花叉检测法、紫外检测法、电晕脉冲法、电场法、超声波检测法等。火花叉检测高电压等级的输电线路绝缘子时，检测的绝缘子片数多，离杆塔较远，检测人员工作强度大，并且输电线路上存在电晕现象，电晕的声音会影响火花放电声音，导致检测人员可能产生误判。电场法通过检测绝缘子与正常绝缘子的电场分布情况进行比较，用以判断该绝缘子是否为劣质绝缘子，这类方法对软件依赖性比较强，软件的好坏对比较结果影响很大。超声波检测法通过对接收到的超声波进行处理可检测出劣质绝缘子，可以准确的检测出开裂的绝缘子。对未开裂的绝缘子不起作用，这类方法有很大的局限性。

传统的安全检查包括人力检测，车辆检测，直升机检测。而车辆检测受地面交通的限制，直升机检测的费用较高，靠人力检测，采用目测或借助望远镜观察完成，人力巡线效率低，劳动强度大，且存在巡检盲区，还受到地理条件的限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在检测输电线路绝缘子绝缘电阻的同时可自动清扫绝缘子表面的一体化机器人，实现检测的准确性及操作的方便性，提高电力系统运行的稳定性。

本发明提供的这种输电线路绝缘子带电检测与清扫的一体化机器人，包括共纵向中心面布置的第一、第二和第三三个机械手臂和支撑固定三个机械手臂的框架体，第二机械手臂位于第一和第三机械手臂之间，其上安装有清扫刷；第一和第三机械手臂可自主上下运动和左右运动，向上运动抓紧绝缘子钢帽，松开绝缘子钢帽后向下运动，左右运动以抓紧不同位置的绝缘子钢帽及实现整个机器人的左右平动，第二机械手臂可自主上下运动抓紧和松开绝缘子钢帽，可随着框架体的左右移动实现其左右位置的改变；第二机械手臂至少和第一机械手臂和第三机械手臂中的一个同时抓紧绝缘子钢帽形成检测回路，通过安装固定于框架体上的控制系统检测回路上绝缘子的绝缘电阻；第二机械手臂上的清扫刷可旋转以清扫绝缘子表面的污秽。

所述三个机械手臂分别包括一对机械抓手、铰接座、第一伺服电机及其传动机构和纵向驱动装置，机械抓手铰接于铰接座的上侧，第一伺服电机固定于铰接座下侧的中间位置处，其传动机构带动机械抓手开合，纵向驱动装置连接于铰接座的下侧，带动整个机械手臂的上下运动；三对机械抓手内侧的抓紧绝缘子钢帽处均安装有导电检测铜块。

所述铰接座的厚度方向中心面上条形通槽，所述机械抓手的下部插入条形通槽中，对称铰接于铰接座的长度方向两端。

所述第一伺服电机的输出轴连接有穿过铰接座底面伸入条形通槽中的螺杆，螺杆上连接有滑块，铰接座两长度方向内壁的中心面处连接有滑轨，滑块上对应滑轨处开设有导向槽，滑块通过导向槽可沿滑轨上下移动，滑块的两端分别铰接有连接片，连接片的另一端铰接于所述机械抓手上，该铰接点位于机械抓手与铰接座之间铰接点的下方；螺杆、滑块和连接片形成第一伺服电机的所述传动机构；第一伺服电机驱动螺杆转动，螺杆的转动带动滑块沿螺杆和滑轨上下移动，滑块的上下移动带动连接片转动，连接片的转动带动机械抓手绕其与铰接座的铰接点转动实现一对机械抓手的开合动作。

所述框架体为长方体形架体，所述第一和第三机械手臂布置于框架体的两侧，框架体和第一、第三机械手臂之间分别连接有横向驱动装置，通过横向驱动装置实现第一和第三机械手臂的左右运动和框架体的左右移动，从而实现整个机器人的左右移动。

所述纵向驱动装置包括第二伺服电机、电机安装板和纵向传动丝杆，电机安装板水平布置，第二伺服电机以输出轴朝下固定于电机安装板长度方向中心面处的下侧，纵向传动丝杆的上端通过连轴器与第二伺服电机的输出轴连为一体。

所述第一和第三机械手臂的纵向传动丝杆的下端螺纹连接有与所述对电机安装板平行布置的导向座，所述电机安装板的长度方向两端对称紧配合连接有纵向导向杆，纵向导向杆的上端固定于所述铰接座上、下端穿过导向座，纵向导向杆可沿导向座上的相应安装孔上下移动，第二伺服电机驱动纵向传动丝杆作旋转运动，纵向传动丝杆沿导向座的上下运动通过纵向导向杆带动整个机械手臂的上下运动；导向座为角钢座，其以角钢两边之间的夹角朝外、一边水平布置，所述纵向传动丝杆和纵向导向杆均连接于导向座的水平边上；所述框架体上有垂直于第二机械手臂的第一固定板，第二机械手臂的纵向传动丝杆与第一固定板之间螺纹连接，纵向导向杆穿过第一固定板，可沿第一固定板上的安装孔上下移动。

所述横向驱动装置包括第三伺服电机和横向传动丝杆，第三伺服电机以输出轴沿水平方向布置固定于所述导向座的竖直边上，横向传动丝杆的一端通过联轴器与第三伺服电机的输出轴连为一体；所述框架体上有第二固定板及其两侧的内螺纹套管，横向传动丝杆的另一端与第二固定板及内螺纹套管之间螺纹连接；所述导向座上第三伺服电机的两侧关于横向传动丝杆对称连接有横向导向杆，横向导向杆的另一端穿过所述框架体上的第二固定板，横向导向杆可沿第二固定板上的安装孔左右移动。

所述第二机械手臂的一个机械抓手的两侧对称连接有圆弧形的旋转块，旋转块的外侧侧壁设置有传动齿，两个机械抓手上分别设置有驱动电机，驱动电机的输出轴上连接有传动齿轮，传动齿轮与旋转块侧壁的传动齿啮合使一对旋转块沿两个机械抓手做圆周运动，所述清扫刷固定于旋转块上随着旋转块做圆周运动清扫相邻绝缘子内表面和外表面的污秽；两个机械抓手上对应旋转块的周缘设置有导向轮，以保证旋转块的稳定运动。通过驱动一对旋转块绕两个机械抓手做圆周运动来清扫相邻绝缘子内表面和外表面的污秽，简化结构的同时还提高了清扫效果。

所述控制系统采用STM32f103zet6处理器，外接24位高精度的AD1210芯片,经过双电压精密低功耗仪表放大器INA129和通用运算放大器OPA2171放大得到几mＶ到2.5Ｖ左右可采集的电压；采用单一输出电源24 V锂电池提供中央处理模块所需的5 V电压、各电机所需的24 V电压及检测回路的2 500 V检测电压；2 500 V检测电压通过DC-DC升压电路实现。通过控制系统实现绝缘子绝缘电阻的带电检测，克服了现有技术只能离线检测绝缘子绝缘电阻的缺陷。

本发明通过三个机械手臂的自主上下运动及第一和第三机械手臂的自主左右运动，实现自动检测和清扫绝缘子及机器人的自动移位以带电检测和清扫不同位置的绝缘子。通过第二机械手臂和第一、第三机械手臂之间形成的检测回路检测出绝缘子的绝缘电阻来判断绝缘子的好坏，以便即时更换坏的绝缘子，提高电力系统运行的稳定性。通过第二机械手臂上的清扫刷自动清扫绝缘子表面的污秽，避免绝缘子发生闪络事故。整个检测、清扫过程自动进行，操作工人不用直接接触高压带电体，只需操控控制系统可带电检测。不仅减轻了工人的劳动强度，也可以提高了操作安全性。

三个机械手臂的上下运动通过其纵向驱动装置实现，第一和第三机械手臂的左右运动、框架体带着第二机械手臂的左右移动及整个机器人的左右移动通过横向驱动装置实现。为了使纵向驱动装置结构简单且运动稳定，将其采用可将旋转运动转化为直线运动的结构配置，使伺服电机驱动纵向传动丝杆的旋转运动最终转化为整个机械手臂的上下直线运动。同理，为了使第一和第三机械手臂的左右运动、框架体带着第二机械手臂的左右移动及整个机器人的左右移动运动稳定，将横向驱动装置采用与纵向驱动装置同类的结构配置，且采用纵向驱动装置下端连接的导向座作为横向驱动装置的安装座，进一步简化结构及保证运动的稳定性。

附图说明

图1为本发明一个优选实施例的工作状态示意图（未画清扫刷）。

图2为图1中第二机械手臂的放大结构示意图。

图3为图2的侧视示意图。

图4为图1中第一和第三机械手臂的放大结构示意图。

图5为图4的侧视示意图。

图6为图3中的Ⅰ部放大示意图。

图7为图5中滑块的放大结构示意图。

图8为图5的俯视示意图。

图9为图5中滑轨的主视结构示意图。

图10为本实施例的另一个工作状态示意图。

图11为本实施例控制系统的硬件架构图。

图12为控制系统的电源供电模块图。

图13控制系统的软件架构图。

图中序号明细：

1-第二机械手臂 2-第一机械手臂 2a-第三机械手臂 3-框架体 ZD-纵向驱动装置 HD-横向驱动装置 ZS-机械抓手 JJZ-铰接座 F1-第一伺服电机 F2-第二伺服电机 F3-第三伺服电机 LG-螺杆 HG-滑轨 HK-滑块 LJP-连接片 ZD1-电机安装板 ZD2-纵向传动丝杆 ZD3-纵向导向杆 DXZ-导向座 HD1-横向传动丝杆 HD2-横向导向杆 31-第一固定板 32-第二固定板 321-内螺纹套管 QDDJ-驱动电机 XZK-旋转块 CL-齿轮 DXL-导向轮。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开了一种输电线路带电检测与清扫绝缘子的一体化机器人，包括共纵向中心面布置的第一机械手臂2、第二机械手臂1和第三机械手臂2a和支撑固定三个机械手臂的框架体3，第二机械手臂1位于第一机械手臂2和第三机械手臂2a之间，其上安装有清扫刷（图中未画出）。

如图1至图6所示，三个机械手臂分别包括一对机械抓手ZS及其铰接座JJZ和驱动机械抓手ZS开合的第一伺服电机F1，铰接座JJZ的下端连接有纵向驱动装置ZD，纵向驱动装置ZD带动铰接座JJZ及其连接的机械抓手ZS实现上下运动。

如图2至图6所示，铰接座JJZ的厚度方向中心面上条形通槽，机械抓手ZS的下部插入条形通槽中，对称铰接于铰接座JJZ的长度方向两端。

第一伺服电机F1固定于铰接座JJZ底面长度方向的中心面上，其输出轴连接有穿过铰接座JJZ底面伸入条形通槽中的螺杆LG，螺杆LG上连接有滑块HK，铰接座JJZ的两长度方向内壁的中心面处连接有滑轨HG，滑块HK上对应滑轨HG处开设有导向槽，滑块HK通过导向槽可沿滑轨HG上下移动，滑块HK的两端分别铰接有连接片LJP，连接片LJP的另一端铰接于机械抓手ZS上，该铰接点位于机械抓手ZS与铰接座JJZ之间铰接点的下方。滑块与滑轨的配合保证滑块的稳定运动，从而使滑块带动连接片转动时，连接片能稳定的带动机械抓手能稳定的绕其与铰接座的铰接点处转动。

第一伺服电机F1驱动螺杆LG转动，螺杆LG的转动带动滑块HK沿螺杆LG和滑轨HG上下移动，滑块HK的上下移动带动连接片LJP转动，连接片LJP的转动带动机械抓手ZS转动实现一对机械抓手的开合动作。滑块和滑轨的结构如图7至图9所示。

如图1所示，框架体3为长方体形架体，第一和第三机械手臂布置于框架体3的两侧，第二机械手臂1固定于第一和第三机械手臂之间的中心面上。

如图1至图6所示，纵向驱动装置ZD包括第二伺服电机F2、电机安装板ZD1和纵向传动丝杆ZD2，电机安装板ZD1水平布置，第二伺服电机F2以输出轴朝下固定于电机安装板ZD1长度方向中心面处的下侧，纵向传动丝杆ZD2的上端通过连轴器与第二伺服电机F2的输出轴连为一体。

如图1所示，框架体3和第一、第三机械手臂之间还分别连接有横向驱动装置HD，横向驱动装置HD包括第三伺服电机F3和横向传动丝杆HD1。第三伺服电机F3以输出轴沿水平方向布置固定于导向座DXZ的竖直边上，横向传动丝杆HD1的一端通过联轴器与第三伺服电机F3的输出轴连为一体。

如图1、图4和图5所示，第一和第三机械手臂的纵向传动丝杆ZD2的下端螺纹连接有与电机安装板ZD1平行布置的导向座DXZ。导向座DXZ为角钢座，其以角钢两边之间的夹角朝外、一边水平布置，纵向传动丝杆ZD2和纵向导向杆ZD3均连接于导向座DXZ的水平边上。电机安装板ZD1的长度方向两端对称紧配合连接有纵向导向杆ZD3，纵向导向杆ZD3的上端固定于铰接座JJZ上、下端穿过导向座DXZ，纵向导向杆ZD3可沿导向座DXZ上的相应安装孔上下移动。第二伺服电机F2驱动纵向传动丝杆ZD2作旋转运动，纵向传动丝杆ZD2沿导向座DXZ的上下运动通过纵向导向杆ZD3带动机械手臂的上下运动。

如图1、图2和图3所示，第二机械手臂纵向传动丝杆和纵向导向杆的下端没有连接导向座，其纵向传动丝杆与框架体上的第一固定板31螺纹连接，纵向导向杆穿过第一固定板31，可沿第一固定板31上的安装孔上下移动。

框架体3上有第二固定板32及其两侧的内螺纹套管321，横向传动丝杆HD1的另一端与第二固定板32及内螺纹套管321之间螺纹连接；导向座DXZ上第三伺服电机F3的两侧关于横向传动丝杆HD1对称连接有横向导向杆HD2，横向导向杆HD2的另一端穿过框架体上的第二固定板32，横向导向杆HD2可沿第二固定板32上的安装孔左右移动。将导向座DXZ作为横向驱动装置HD的安装座，简化结构的同时提高横向驱动装置运动的稳定性。通过横向驱动装置HD实现第一和第三机械手臂的左右运动和框架体的左右移动，从而实现整个机器人的左右移动。注意第三机械手臂连接的横向传动丝杆的长度需保证框架体向右移动时，其横向传动丝杆与内螺纹套管之间保持连接，以使第三机械手臂能顺利前移。

三个机械手臂的一对机械抓手抓紧绝缘子的钢帽处均安装有导电检测铜块，第二机械手臂一个机械抓手的两侧对称连接有圆弧形的旋转块XZK，旋转块的外侧侧壁设置有传动齿，每个机械抓手上分别设置有两个驱动电机QDDJ，驱动电机的输出轴上连接有传动齿轮CL，传动齿轮CL与旋转块XZK侧壁的传动齿啮合使旋转块沿两个机械抓手做圆周运动，清扫刷（图中未画出）固定于旋转块上随着旋转块做圆周运动清扫绝缘子表面。为了保证旋转块的稳定运动，在机械抓手上对应旋转块的周缘设置若干导向轮DXL。

如图1所示，第二机械手臂和第三机械手臂之间形成检测回路，通过控制系统来检测绝缘子Ⅱ的绝缘电阻。当绝缘子Ⅱ的绝缘电阻检测完成后，通过第一和第三机械手臂的横向驱动装置使框架体带着第二机械手臂向左移动使其上的清扫刷可清扫绝缘子Ⅱ的内表面，然后使框架体带着第二机械手臂向右移动清扫绝缘子Ⅲ的外表面。清扫完成后控制第二机械手臂松开绝缘子钢帽后向下运动，然后使框架体带着第二机械手臂向右移动至下一个绝缘子钢帽处，控制第二机械手臂向上运动抓紧该绝缘子钢帽，再使第三机械手臂松开绝缘子钢帽后向下运动，然后向前运动至前一个绝缘子钢帽处，再向上抓紧该绝缘子钢帽，如图11所示，此时形成两个回路可分别检测绝缘子Ⅲ和Ⅳ的绝缘电阻。其它绝缘子的检测依此类推。

本机器人的所有动作及检测数据分析均通过控制系统控制实现。如图11至图13所示，控制系统采用处理器为STM32f103zet6，外接24位高精度的AD1210芯片,经过双电压精密低功耗仪表放大器INA129和通用运算放大器OPA2171放大得到几mＶ到2.5Ｖ左右可采集的电压。在相应管脚串联滤波电容达到滤波的目的。为了确保后端采集电路的安全，在运算放大器OPA2171加有保护电路。本设计选用24 V锂电池作为单一输出电源，提中央处理模块所需的5 V电压，电机所需的24 V电压和2 500 V检测电压以及摄像头所需的12 V电压等。在控制系统中控制器以及通信模块等通常需要很小的稳定直流电压，故本系统设计稳压电路实现电源对控制系统的稳压输出。检测绝缘子所需的检测电压较高，故在设计中加入DC-DC升压电路实现电压的转换，达到检测所需的2 500 V直流检测电压样电压，配置PWM直流电机驱动模块，控制各个电机的速度与运行方式。通信模块包括测控系统与地面遥控器之间的无线通信以及采集数据的GSM传输。测控系统与地面遥控器之间使用无线传输方式，由于输电线路存在电晕现象，可能对无线电波产生干扰，因此控制器选用载波频率处于可调 ISM 频段的低功耗RF收发一体芯片CC1010，经实际测量其发射、接收距离可以达到150 m。芯片内部集成了一个8051内核，不需要再额外增加控制芯片，使得其易于操作和控制。本申请采用SIM800作为绝缘子绝缘电阻数值的传输模块，将采集到的数据以短信的形式发送至地面移动设备中，工作人员通过得到的数据判断此绝缘子的优劣状态。