一种基于高压配电线路验电及接地线作业的机器人系统的制作方法

本申请属于高压配电线路验电及接地线领域，具体涉及一种基于高压配电线路验电及接地线作业的机器人系统。

背景技术：

在电力生产中，停电、验电、挂接地线是保证电力线路工作安全的三大技术措施。验电是挂接地线前必不可少的步骤，是对停电现场的确认手续，是判断能否进入挂接地线的依据，能有效地消除停错电或者要停电而未停电的人为失误对人身安全的威胁，实现线路工作人员的自我保护以及其他用电人员的人身及财产安全。接地线是保护检修人员的一道安全屏障，是电力员工的生命线，可防止突然来电对人体的伤害。但在实际工作中，由于接地线使用频繁且操作简单，容易使人产生麻痹思想忽视其重要性，经常出现不正确的使用情况，导致降低甚至有时失去了接地线的安全保护作用。

目前，高压配电线路电力施工过程中验电、装设接地线均由作业人员完成，主要存在以下问题：

1)安全隐患大：由于配电网络的复杂导致人员信息沟通不及时和操作人员不负责，省略部分步骤导致意外安全事故的发生；现场作业中多存在配网T接(主线路带电，T接出线停电)、交叉跨越等复杂情况，导致意外触电或误操作；作业人员需在高处双手利用工具操作的同时控制自身的平衡，具有高空作业的危险性；作业时可能遭遇突然送电、感应电荷、雷电等突发情况产生触电事故；

2)劳动强度大：验电时需直接操作几米甚至十余米且末端接有验电器的绝缘杆，挂设接地线时需要作业人员蹬塔或爬电线杆进行高空作业，作业人员的劳动强度大；

3)作业质量问题：长绝缘杆可能会对操作的精度有影响；挂接地线时可能存在作业人员不细心接线顺序混乱，挂接不牢固，甚至误操作等现象，影响作业效果；

4)作业效率低：作业人员在高危、高强度的劳动环境下，会造成心理压力大，身体疲劳，进而影响作业效率。

综上，作业人员在验电和装设接地线作业中存在着自动化程度低、劳动强度大和危险性高等缺点，不利于整个电网系统的安全运行。

技术实现要素：

本申请的目的是为了解决现有作业人员在验电和装设接地线作业中存在的自动化程度低、劳动强度大和危险性高的问题。

为此，本发明提供了一种基于高压配电线路验电及接地线作业的机器人系统，包括机器人本体、手持控制终端、地面控制终端，

所述机器人本体包括相连接的移动机构、三自由度机械操作臂，所述机器人本体还包括安装于所述机器人本体上的控制箱体，所述控制箱体的内部安装有控制单元、第一电源模块及第一通讯模块；

所述第一电源模块与控制单元连接，所述控制单元与驱动模块连接，所述驱动模块分别与所述移动机构、所述三自由度机械操作臂连接；

所述控制单元通过第一通讯模块分别与所述手持控制终端、地面控制终端连接。

进一步地，所述移动机构包括上夹爪、下夹爪、伸缩机构；所述伸缩机构包括固定安装于所述控制箱体外壁的第一伸缩机构、第二伸缩机构，所述上夹爪固定安装于所述第一伸缩机构的端部，所述下夹爪固定安装于所述第二伸缩机构的端部；所述第一伸缩机构、第二伸缩机构均与所述驱动模块连接。

进一步地，所述三自由度机械操作臂包括相连接的三自由度定位平台、工具接口，所述三自由度定位平台实现机器人本体末端的定位，所述工具接口则用于实现对作业工具的更换和连接。

进一步地，所述三自由度定位平台包括相连接的旋转关节、伸缩关节及结构件，可以实现机器人在水平面内的偏转、俯仰以及伸缩运动，从而实现机器人末端的定位。此外，旋转关节及伸缩关节可以实现联动，从而实现在笛卡尔空间上对机械操作臂的直接控制。

进一步地，所述手持控制终端包括嵌入式系统板、与所述嵌入式系统板分别连接的按键、指示灯、第二电源模块、串口通讯模块，所述串口通讯模块还连接有无线通讯模块、触摸屏。

进一步地，所述手持控制终端还包括设置于所述嵌入式系统板上的多个接口，所述接口包括SCI接口、JTAG接口和AD接口。

进一步地，所述机器人本体还包括工业相机、图像发射装置。

进一步地，所述地面控制终端包括终端控制计算机、视频图像处理设备，所述视频图像处理设备包括图像接收端、图像采集卡，所述图像接收端接收所述控制单元发出的图像信号并转换为视频信号并将所述视频信号转发给所述图像采集卡。

进一步地，所述第一电源模块还连接有电源电量检测模块，所述电源电量检测模块为电流传感器，用于检测第一电源模块的电量使用情况。

进一步地，所述第一通讯模块包括串行通讯模块、CAN通讯模块，所述串行通讯模块用于连接无线通讯模块，实现机器人本体与手持控制终端或地面控制终端的无线通讯，所述CAN通讯模块留作备用。

本申请提供的技术方案包括以下有益效果：所述机器人系统将机器人技术引入到高压配电线路验电和挂接地线作业中，通过地面控制终端及手持控制终端实现对机器人本体的控制，包括机器人在水平面内的转动、向上或向下的运动，以及通过地面控制终端实现对机器人在作业过程中实时状态的监测。采用机器人替代现场作业人员完成高压配电线路中验电及接地线作业，可以使现场作业人员从危险、繁重的电力工作中解放出来，同时又提高了作业的质量和效率，克服了人工作业中存在的自动化程度低、劳动强度大、危险性高等缺点，还可以更好地配合高压配电线路的相关作业，有利于维护整个电网系统的安全运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种基于高压配电线路验电及接地线作业的机器人系统的整体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的机器人本体的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的机器人系统的内部连接框图；

图4为本申请实施例提供的手持控制终端的内部连接框图；

图5为本申请实施例提供的地面控制终端的连接框图；

图6为本申请实施例提供的ADC中断处理算法的框图；

图7为本申请实施例提供的机器人系统按照功能需求划分所得框图。

附图标记说明：1、机器人本体；2、手持控制终端；3、地面控制终端；4、第一通讯模块；5、电源电量检测模块；10、移动机构；11、三自由度机械操作臂；12、控制单元；13、第一电源模块；14、驱动模块；20、按键；21、指示灯；22、嵌入式系统板；23、第二电源模块；24、串口通讯模块；25、无线通讯模块；26、触摸屏；30、终端控制计算机；31、视频图像处理设备；100、上夹爪；101、下夹爪；102、伸缩机构；110、三自由度定位平台；111、工具接口。

具体实施方式

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

实施例1：

参见图1所示，为本申请提供的一种基于高压配电线路验电及接地线作业的机器人系统的整体结构示意图，所述机器人系统包括机器人本体1、手持控制终端2、地面控制终端3，

参见图2及图3所示，所述机器人本体1包括相连接的移动机构10、三自由度机械操作臂11，所述机器人本体1还包括安装于所述机器人本体1上的控制箱体，所述控制箱体的内部安装有控制单元12、第一电源模块13及第一通讯模块4；

所述第一电源模块13与控制单元12连接，所述控制单元12与驱动模块14连接，所述驱动模块14分别与所述移动机构10、所述三自由度机械操作臂11连接；

所述控制单元12通过第一通讯模块4分别与所述手持控制终端2、地面控制终端3连接。

进一步地，参见图2所示，所述移动机构10包括上夹爪100、下夹爪101、伸缩机构102，所述伸缩机构102包括固定安装于所述控制箱体外壁的第一伸缩机构、第二伸缩机构，所述上夹爪100固定安装于所述第一伸缩机构的端部，所述下夹爪101固定安装于所述第二伸缩机构的端部；所述第一伸缩机构、第二伸缩机构均与所述驱动模块14连接。在运动过程中，上夹爪100或者下夹爪101中的一个夹爪加紧电线杆，另一个夹爪松开；在作业状态时，上夹爪100与下夹爪101均加紧电线杆，为三自由度机械操作臂11的操作提供稳固的基础。

进一步地，所述三自由度机械操作臂11包括相连接的三自由度定位平台110、工具接口111，所述三自由度定位平台110包括两个旋转关节，一个伸缩关节及相关结构件，可以实现机器人在水平面内的偏转、俯仰以及伸缩运动，从而实现机器人末端的定位。所述两个旋转关节、一个伸缩关节可以实现联动，从而实现在笛卡尔空间上对机械臂的直接控制。所述末端工具接口111可以实现对作业工具的更换和连接，所述三自由度机械操作臂11各关节均为机电一体化集成单元，包含完备的机械传动、控制、传感、通信等功能。

进一步地，参见图4所示，所述手持控制终端2包括嵌入式系统板22、与所述嵌入式系统板22分别连接的按键20、指示灯21、第二电源模块23、串口通讯模块24，所述串口通讯模块24还连接有无线通讯模块25、触摸屏26。

进一步地，所述手持控制终端2还包括设置于所述嵌入式系统板22上的多个接口，所述接口包括SCI接口、JTAG接口和AD接口。

进一步地，所述机器人本体1还包括工业相机、图像发射装置。

进一步地，参见图5所示，所述地面控制终端3包括终端控制计算机30、视频图像处理设备31，所述视频图像处理设备31包括图像接收端、图像采集卡，所述图像接收端接收所述控制单元12发出的图像信号并转换为视频信号并将所述视频信号转发给所述图像采集卡。

进一步地，所述第一电源模块13还连接有电源电量检测模块5，所述电源电量检测模块5为电流传感器。

进一步地，所述第一通讯模块4包括串行通讯模块、CAN通讯模块。

实施例2：

在实施例1的基础上，所述机器人系统采用基于DSP+CPLD的嵌入式控制系统，包括控制单元12、第一电源模块13及第一通讯模块4，

所述控制单元12选用电机驱动专用芯片TMS320F2812，其内嵌资源丰富，数据处理速度快，适合机器人系统使用。所述机器人系统的电机驱动和外围输入输出控制等，采用ALTERA公司的可编程逻辑器件EPM1270做协处理器，用来产生部分PWM脉冲和进行QEP正交编码脉冲计数工作等，所述CPLD芯片与TMS320F2812芯片的电压匹配，配置芯片集成在内部且容量较大。

所述第一电源模块13采用24V的锂离子电池供电，充电电池输出电压在23V与28V之间。为了防止电源接错，对系统造成损坏，在电源输入端接入整流桥电路。在该DSP+CPLD系统中，选择宽电压输入电源转换芯片LM2575-05，输入7V-40V，输出5V，给5V器件供电。选择TPS75733芯片和TPS76801Q芯片分别对5V电压进行转换得到TMS320F2812芯片和EPM1270可编程逻辑器件需要的3.3V输入/输出电压和1.8(或1.9)V的内核电压。选择LM2575-12芯片对充电电池的输出电压进行转换，得到12V稳定电压作为驱动模块14中电磁铁的电源。

所述第一通讯模块4包括芯片TMS320F2812自带的SCIA、SCIB和CAN模块三路通讯电路。所述SCIA串行通讯模块用来连接手持控制终端2中的无线通讯模块25，所述SCIB串行通讯模块用来连接地面控制终端3中的无线通讯模块，从而实现机器人本体1与手持控制终端2、地面控制终端3的无线通讯，是机器人本体1接收地面控制终端3的指令，并对控制指令做出回应并及时回传机器人自身的运动状态信息。所述芯片TMS320F2812内嵌了CAN2.0B协议的CAN通讯模块，外部设计了CAN通讯电路，经过TLP113的高速光电隔离，保护硬件电路，CAN通讯模块留作备用。

进一步地，所述驱动模块14包括多台驱动电机，保证机器人本体1具有多个自由度。在基于DSP+CPLD的嵌入式控制器中，利用DSP的事件管理器EVA和EVB模块的比较模块PWM输出以及CPLD芯片编程脉冲发生器得到多路PWM输出，送到直流电机驱动器，实现对移动机构10的运动控制。其中，电机驱动器采用直流电机驱动芯片LMD18200T，其连续工作电流为3A，峰值电流为6A，工作电压高达55V，系统中采用+24V供电，完全可以满足机器人自身的功率需求。

在所述机器人系统中，选用直流伺服电机。在所述直流电动机驱动系统中，将电机驱动器的输出采样电流利用对地电阻转变为电压信号，对地电阻的取值使电压信号处在线性最好的范围内，然后经过分压和放大等调理电路后送到DSP内部的ADC模块，经过A/D转换后产生电流反馈信号，对电机的转矩进行控制，同时起到保护驱动系统的作用。系统中采用增量式光电编码器检测电机的速度变化，将编码器脉冲信号接入CPLD，在CPLD中运行正交编码脉冲QEP的计数程序，由DSP通过外部数据总线读取周期内的计数结果，从而获得电机的速度反馈信号，同时很容易地实现对机器人本体1的位置控制。由于速度时间常数较大，设计每100或200个PWM周期对速度进行一次PID(比例积分微分)调节。通过以上处理，就可以在DSP内部完成对各电机进行电流和速度的双闭环控制。

在每个PWM周期都进行一次电流采样和电流PID调节，因此电流采样周期与PWM周期相同，从而实现对驱动模块14的实时控制。每个PWM周期中断标志启动DSP内部的ADC模块，进行A/D转换，转换结束后申请ADC中断.

在所述机器人系统中，为了实现机器人的姿态调整和机器人作业等动作，装置了必要的开关器件。在基于DSP+CPLD的嵌入式控制系统中，设计了20路开关量输入电路，每路输入都经过了TLP521的光电隔离，保护硬件系统免受高电压信号的冲击造成损坏。同时，在隔离前后加了一个DC-DC电源模块B0505S-1W，产生和输入完全隔离的5V电源，实现真正的电气隔离。

最后，为了保证机器人系统工作的可靠性，在机器人上装置了多个模拟量传感器。利用DSP自带的多通道缓冲串行外设McBSP模块，外扩了速度快功耗低的16位串行通讯模数转换器件LTC1609，对机器人模拟信息进行模数转换。采用16通道模拟选择开关器件CD4067对LTC1609的16路输入进行选择。采用电源缓冲芯片CD7407对CD4067进行驱动。为了保证DSP+CPLD的嵌入式控制系统有充分的存储空间，而且在调试的过程中不必每次都烧写程序，利用DSP自带的外部扩展地址总线和数据总线外扩256K的外部存储器，所述存储器选用SRAM-CY7C1020CV33芯片。

实施例3：

在实施例1的基础上，所述手持控制终端2包括嵌入式系统板22、与所述嵌入式系统板22分别连接的按键20、指示灯21、第二电源模块23、串口通讯模块24，所述串口通讯模块24还连接有无线通讯模块25、触摸屏26。

进一步地，所述手持控制终端2还包括设置于所述嵌入式系统板22上的多个接口，所述接口包括SCI接口、JTAG接口和AD接口。

进一步地，所述控制终端2为远程控制机器人的遥控器，其具有易携带性、易操作性，主要用于实现机器人的前进、后退、停止等操作和状态监测，以及三自由度对机械臂的精准运动控制。

可选地，嵌入式系统板22以TMS320F2812为核心控制芯片，扩展了多路输入/输出接口、SCI接口、JTAG接口和AD接口。嵌入式系统板22采用3.7V的电池供电，板上集成稳压芯片，将3.7V电压转化为所需的12V、5V、3.3V和1.9V电压，通过AD接口监测电池输入电压值。

遥控器设计为无线通讯方式下工作，通过串口连接无线数传模块与机器人本体1进行通信。触摸屏26作为人机交互接口，用于完成控制命令的输入，包括控制机器人本体1的前进、后退、停止、转向等操作和三自由度机械操作臂11的运动控制以及对机器人本体1的当前状态进行实时的显示。无线通讯模块25为自主开发的无线数传模块，采用低功耗处理器和射频芯片组成，具有体积小、功耗低、灵敏度高等特点，可用于机器人远程控制、数据自动化采集、无线传感器网络等领域。触摸屏26采用7.0英寸的触摸屏，分辨率800*480，工作电压12V，可实现对机器人本体1运动的控制指令的输入，机器人自身的状态信息、报警信息等的显示。

可选地，所述控制终端2为便携式控制器，其电源选用天津力神公司的聚合物锂离子电池SP5758102SE，用电压转换芯片将电压转化为12V、5V、3.3V和1.9V，分别给嵌入式系统板22、触摸屏26等供电。所述电池充电采用外部接口充电。

实施例4：

在实施例1的基础上，所述地面控制终端3包括终端控制计算机30、视频图像处理设备31，所述视频图像处理设备31包括图像接收端、图像采集卡，可实现对机器人的远程遥控和机器人状态信息的反馈等，并将机器人采集到的图像信息显示和保存。

所述终端控制计算机30为加固笔机本，是地面控制终端3的核心，机器人的所有动作指令都是由操作人员通过地面控制终端3发出，机器人上的视频信息和各种状态信息也都通过工控机的显示器显示出来。

地面控制终端3的数传电台与机器人本体1控制单元12的数传电台是一样的，主要作用也是发送和接收数据信息。地面控制终端3的数传电台与机器人控制器的数传电台之间为点对点的数据传输方式。

地面控制终端3的数传电台的串口与工控机的串口相连接，工控机通过串口将机器人控制指令传给数传电台，再经过数传电台发送到远处机器人本体1控制单元12的数传电台；同样，机器人的状态信息由机器人本体1控制单元12的数传电台发出，经数传电台接收后通过串口传给工控机。

视频图像处理设备31包括图像接收端和图像采集卡，图像接收端将机器人控制器所发出的图像信号接收并转换成视频信号，同时再将视频信号转发给图像采集卡。图像采集卡将视频信号解码，再通过加固笔机本的显示器显示在屏幕。机器人每次工作所拍摄的内容都可以实时录制下来。

此外，参见图7所示，机器人系统按照功能需求可以划分为驱动层、数据访问层、算法层、应用层和用户层五个层次：

系统的最底层为软件的驱动层，和硬件有很大相关性，主要负责机器人无线串口信号的采集、本地存档文件的读取、无线视频信号的采集。同时也将用户层传递过来的数据和指令通过串口发送给机器人，将机器人各关节的位置信息保存到本地文件。

数据访问层是连接算法层和驱动层的媒介。它负责提供响应接口，对驱动层采集来的信号进行及时的响应和处理。向算法层的信号解析和各类分析运算提供原始数据。

算法层对原始数据进行解码，解析出机器人各关节当前的位置，并推算出机器人当前的位姿、状态。并根据应用层的具体需求，调用相应的算法，计算出机器人在执行越障、路径规划时所需的指令参数，最终通过数据访问层发送给机器人。

应用层是系统软件架构的任务管理层，负责将整个系统架构组织协调成有机的整体，包括：路径控制、行进控制、视频操作、自动越障、信息存档。该层采用多线程设计思路，通过前后台的并行协作来提高系统软件的运行效率。

用户层提供系统软件的人机接口，具有人机界面和数据接口两个部分，其中人机界面部分包括：状态显示界面、指令参数界面和视频窗口界面；数据接口部分包括：状态接收接口、指令发送接口和图像接口。

状态显示界面主要用于实时显示巡检机器人的运行状态信息、任务进度信息和故障报警信息，以便用户了解和掌握机器人的状态，必要时采取适当的干预措施；指令参数界面提供相应的指令输入和参数调整窗口，使用户能够对小车进行路径规划或执行越障和行进等动作；视频窗口界面用于显示当前使用的摄像头拍摄的实时画面，便于用户对机器人的运行状态和线路情况进行监测和调整。

人机操作界面用VC++6.0编写的GUI程序，用多线程的方法编写。串口读写等操作均运行在辅助线程中。操作系统为Windows98/2000/XP，方便地面工作人员操作，主要由以下模块组成：①界面显示控制模块；②操作命令处理模块；③图像采集处理模块；④参数设置模块；⑤串口通讯模块；⑥测试模块。

该机器人系统具体的工作过程如下：1、手持控制终端2发出运动指令后，机器人本体1的控制单元12在接收到该运动指令后，控制移动机构10在电线杆上爬行：其具体的爬行流程如下：首先，上夹爪100夹紧电线杆，下夹爪101松开；下夹爪101随爬行伸缩关节的运动向上运动；下夹爪101运动到达特定位置后，下夹爪101夹紧电线杆，随后上夹爪100松开；上夹爪100随伸缩关节的运动向上运动，运动到特定位置停下，上夹爪100、下夹爪101的夹紧状态对调；依次完成一个运动循环。2、机器人验电过程如下：移动机构10中的上夹爪100、下夹爪101均夹紧在电线杆上；机器人在作业工具包的辅助下自动安装验电作业工具；完成验电器接地卡子与回流轨的连接，并检查是否接触良好，然后触动验电器复位按钮；手持控制终端2向机器人本体1发送向上运动指令，机器人本体1的控制单元12进行逆运动学解算后，对各关节进行协调运动控制，实现机器人本体1末端的向上运动；在末端工具搭接机构的中间分支接近三项电路的中间汇流排后，通过单关节运动微调，精细调整机器人末端工具与汇流排的相对位姿，使验电设备可靠地与汇流排接触，并根据验电结果发出相关反应或警报；调整三自由度机械操作臂11末端的位置，完成另两相电路的检测。3、机器人挂接地线流程如下：移动机构10中的上夹爪100、下夹爪101均夹紧在电线杆上；在机器人末端安装相间放电工具；手持控制终端2向机器人本体1发送向上运动指令，机器人本体1的控制单元12进行逆运动学解算后，对各关节进行协调运动控制，实现机器人本体1末端的向上运动，相间放电工具与三相电线接触，进行相间放电；机器人末端工具更换，安装接地作业工具；人工完成接地线接地锁扣与回流轨的连接，并检查是否接触良好；手持控制终端2向机器人本体1发送向上运动指令，机器人本体1的控制单元进行逆运动学解算后，对各关节进行协调运动控制，实现机器人本体1末端的向上运动；在末端工具搭接机构的中间分支接近三项电路的中间汇流排后，通过单关节运动微调，精细调整机器人末端工具与汇流排的相对位姿，使接地设备可靠地与汇流排接触，根据接线线夹的类型分别进行相应压紧操作；分别完成其他两相电路的接地和压紧操作，完成作业。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。