一种机械臂安全距离监测装置及方法与流程

本发明涉及安全距离监测技术领域，尤其涉及一种机械臂安全距离监测装置及方法。

背景技术：

在电力生产过程中，为了不影响电力设备的正常运行，在电力设备检修时，需要带电作业。近年来在检修现场，已经普遍使用带有多关节机械臂的机器人进行现场作业。在实际检修现场，由于机械臂与电力设备之间的距离过小，且当机械臂与电力设备之间的间距小于安全间距时，造成设备损坏和人身伤害的事故时常发生。如何确保工作人员和电力设备在作业时的安全是保证电网正常运行的关键。

现有技术中，在机械臂进行现场作业时，机械臂上安装有监测装置，通过监测装置监测机械臂的运作情况。其中，监测装置通过实时测量所处场强内的电场强度，并将该电场强度与预置电场强度相比较，若电场强度小于预置电场强度，说明机械臂处于安全位置，可继续作业；若电场强度大于或等于预置电场强度，说明机械臂处于危险位置或临界危险位置，监测装置发出报警信号，此时工作人员及时停止机械臂作业，重新设置机械臂的运作轨迹，以确保机械臂的安全作业。

但是，上述监测装置往往是根据单一电力设备产生的单一场强，设置预置电场强度。机械臂的实际作业过程中，往往在电压等级较高的多个电力设备之间进行检修作业，此时多个电力设备带来的多个场强相互叠加，导致场强增大，根据单一场强设置的预置电场强度无法成为准确的判断标准，很可能机械臂所处位置为安全位置，但是监测装置判定为危险位置，使工作人员不得不停止机械臂继续作业，有时不得不断电对电力设备进行检修处理，给电网的运行带来很大影响。

技术实现要素：

本发明提供了一种机械臂安全距离监测装置及方法，以解决机械臂作业时与电力设备的安全距离监测问题。

第一方面，本发明提供的机械臂安全距离监测装置，用于对机械臂的工作过程进行监测，包括单片机、电场探头、运动方位传感器、云台、激光测距仪和状态指示灯，激光测距仪固定安装于云台上，其中：电场探头、运动方位传感器、激光测距仪以及云台均安装于机械臂末端，电场探头的输出端、运动方位传感器的输出端以及激光测距仪的输出端均与单片机的信号输入端通信连接；单片机的信号输出端均通信连接至云台和状态指示灯的输入端，且云台的输出端与云台的驱动组件控制连接。

可选地，该装置还包括a/d转换器，其中，电场探头的输出端电连接至a/d转换器的输入端，a/d转换器的输出端通信连接至单片机的信号输入端。

可选地，该装置还包括壳体，壳体通过固定带安装于机械臂末端，云台固定设置于壳体的上方，状态指示灯设置于壳体的外壁上，单片机、电场探头和运动方位传感器均被罩设于壳体内。

可选地，该装置还包括蜂鸣器，蜂鸣器与单片机的信号输出端通信连接。

可选地，云台为两轴云台，两轴云台可360度旋转和160度俯仰。

可选地，状态指示灯包括绿色电源指示灯、黄色预警指示灯和红色警报指示灯。

可选地，电场探头为高压带电体工频电场探头。

第二方面，本发明还提供了机械臂安全距离监测方法，用于对机械臂的工作过程进行监测，该方法包括以下步骤：获取电场探头所采集的机械臂所处位置的电场强度；如果电场强度大于或等于预置电场强度，发出预警信号；判断预置采集时间内，电场探头所采集的电场强度的变化趋势；如果电场强度的变化趋势为逐渐增大，获取运动方位传感器所采集的机械臂的运动方位信息；根据运动方位信息，控制云台的旋转角度，使得位于云台上的激光测距仪的测试方位信息与运动方位信息一致；获取激光测距仪所采集的机械臂距离电力设备的间距；如果间距小于或等于预置安全间距，发出报警信号。

可选地，该方法还包括以下步骤：获取用户发送的包含预置电场强度、预置安全间距和预置采集时间的输入指令，其中，预置电场强度为临界电场强度预警值，预置安全间距为临界安全间距值，预置采集时间为1-5秒；根据输入指令，更新存储器中保存的预置电场强度、预置安全间距和预置采集时间。

可选地，获取电场探头所采集的机械臂所处位置的电场强度，包括：采集机械臂所处场强内的工频电场信号；将工频电场信号转化为电压或者电流信号；将电压或者电流信号转化为数字信号；将数字信号转化为电场强度。

本发明实施例提供的机械臂安全距离监测装置包括单片机、电场探头、运动方位传感器、云台、激光测距仪和状态指示灯，激光测距仪固定安装于云台上，其中：电场探头、运动方位传感器、激光测距仪以及云台均安装于机械臂末端，电场探头的输出端、运动方位传感器的输出端以及激光测距仪的输出端均与单片机的信号输入端通信连接；单片机的信号输出端均通信连接至云台和状态指示灯的输入端，且云台的输出端与云台的驱动组件控制连接。本发明实施例提供的机械臂安全距离监测方法包括以下步骤：获取电场探头所采集的机械臂所处位置的电场强度；如果电场强度大于或等于预置电场强度，发出预警信号；判断预置采集时间内，电场探头所采集的电场强度的变化趋势；如果电场强度的变化趋势为逐渐增大，获取运动方位传感器所采集的机械臂的运动方位信息；根据运动方位信息，控制云台的旋转角度，使得位于云台上的激光测距仪的测试方位信息与运动方位信息一致；获取激光测距仪所采集的机械臂距离电力设备的间距；当间距小于或等于预置安全间距时，发出报警信号。

本发明提供的机械臂安全距离监测装置及方法，使用电场探头测量机械臂所处位置的电场强度，判断该电场强度是否大于预置电场强度。当该电场强度大于预置电场强度时，通过单片机分析电场强度的变化趋势，并根据运动传感器所采集的机械臂的运动方位信息，控制云台调整激光测距仪的测试方位，获取激光测距仪所采集的机械臂距离电力设备的间距，只有当间距小于或等于安全间距时，说明机械臂所处位置为危险位置，该装置发出报警信号提醒工作人员。有效避免仅使用根据单一场强设置的预置电场强度作为判断标准，避免盲目报警，提高报警准确率，保证机械臂安全作业，提高作业效率。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，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为本发明实施例提供的一种机械臂安全距离监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种机械臂安全距离监测装置的应用场景示意图；

图3为本发明实施例提供的另一种机械臂安全距离监测装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种机械臂安全距离监测方法的流程示意图。

图1至图3中，符号表示：0-机械臂末端，1-单片机，2-电场探头，3-运动方位传感器，4-云台，5-激光测距仪，6-状态指示灯，7-a/d转换器，8-壳体，9-固定带。

具体实施方式

为保持电力设备的正常运行，通常采用带电作业的方式对电力设备进行检修。近年已经普遍使用带有多关节机械臂的机器人进行现场检修作业。电力设备周围连接多条高压电线，形成多个带电间隔，虽然当前电压级别，不会击穿放电，因此，对于电力设备而言是安全的。但是，机械臂尤其是机械臂末端很容易在检修作业过程中误入这些带电间隔，产生放电，引发电力设备事故。除此之外，机械臂尤其是机械臂末端和带电设备的间距太小，也容易引起电力设备故障。所以，如何确保工作人员和电力设备在作业时的安全是保证电网正常运行的关键。

在机械臂进行现场作业时，在机械臂末端安装监测装置，通过监测装置监测机械臂的运作情况。由于现有的监测装置往往是根据单一电力设备产生的单一场强，设置预置电场强度。机械臂的实际作业过程中，往往在电压等级较高的多个电力设备之间进行检修作业，此时多个电力设备带来的多个场强相互叠加，导致场强增大，根据单一场强设置的预置电场强度无法成为准确的判断标准，很可能机械臂所处位置为安全位置，但是监测装置判定为危险位置，使工作人员不得不停止机械臂继续作业，有时不得不断电对电力设备进行检修处理，给电网的运行带来很大影响。

针对上述情况，本发明提供了一种机械臂安全距离监测装置，用于对机械臂的工作过程进行监测，参见图1和图2，为本发明实施例提供的一种机械臂安全距离监测装置的结构示意图，以及一种机械臂安全距离监测装置的应用场景示意图。该装置包括单片机1、电场探头2、运动方位传感器3、云台4、激光测距仪5和状态指示灯6，激光测距仪5固定安装于云台4上，云台4是安装、固定激光测距仪5的支撑设备，可调整激光测距仪5的水平和俯仰的角度。在本发明提供的装置的应用场景中，云台4可选择可360度旋转和160度俯仰的两轴云台。

电场探头2、运动方位传感器3、激光测距仪5以及云台4均安装于机械臂末端0，电场探头2的输出端、运动方位传感器3的输出端以及激光测距仪5的输出端均与单片机1的信号输入端通信连接；单片机1的信号输出端均通信连接至云台4和状态指示灯6的输入端，且云台4的输出端与云台的驱动组件控制连接。

该装置作业时，单片机1用于获取电场探头2采集到的机械臂所处位置的电场强度，并对电场强度与预置电场强度的大小进行比较，判断电场强度是否大于或等于预置电场强度。如果电场强度是否大于或等于预置电场强度，初步判断机械臂所处位置为危险位置，但是由于电场强度是根据单一场强所设置，所以此时并不能确定机械臂所处位置为危险位置。

为了确定机械臂所处位置是否安全，单片机1还用于运动方位传感器3采集到的机械臂的运动方位信息，同时控制云台4的旋转角度，使得位于云台4上的激光测距仪5的测试方位信息与运动方位信息一致，此时单片机1获取激光测距仪5测量的机械臂距离电力设备的间距。单片机1将该间距与预置安全间距的大小进行比较，判断该间距是否大于或等于预置安全间距。预置安全间距根据长期作业的经验所设置，为机械臂距离电力设备的临界安全间距值，因此，当间距小于或等于预置安全间距，则确定机械臂所处位置为危险位置。该装置的作业过程中，单片机1控制状态指示灯6会做出相应变化，以提醒工作人员。状态指示灯6可包括绿色电源指示灯、黄色预警指示灯和红色警报指示灯，当该装置开始工作时，点亮绿色电源指示灯；当该装置通过电场强度初步判断机械臂所处位置为危险位置时，点亮黄色预警指示灯；当该装置通过电场强度和间距双重判断，确定机械臂所处位置为危险位置时，点亮红色报警指示灯。

为方便该装置在机械臂末端0上的安装，同时保护该装置的各种结构部件。进一步地，如图2所示，装置还包括壳体8，壳体8通过固定带9安装于机械臂末端，云台4固定设置于壳体8的上方，状态指示灯6设置于壳体8的外壁上，单片机1、电场探头2和运动方位传感器3均被罩设于壳体8内。

使用时，电场探头2可选用高压带电体工频电场探头，检测工作状态的机械臂所处位置的电场强度，该信号一般为工频电场信号，而单片机1的信号输入端一般接收的是数字信号，因此，工频电场信号需要进行处理转化为数字信号以方便单片机1的接受处理。如图3所示，为方便信号的传输，装置还包括a/d转换器7，其中，电场探头2的输出端电连接至a/d转换器7的输入端，a/d转换器7的输出端通信连接至单片机1的信号输入端。电场探头2首先将所采集的工频电场信号转化成电流或者电压信号，电流或者电压信号经过放大电路和a/d转换器7后，以数字信号的形式被单片机1所接收，数字信号在单片机1经过处理和校准后，就可以得到当前空间范围内的电场强度。

除使用上述状态指示灯6提醒工作人员，该装置还包括蜂鸣器9，蜂鸣器9与单片机1的信号输出端通信连接。当该装置通过电场强度和间距双重判断，确定机械臂所处位置为危险位置时，点亮红色报警指示灯，同时蜂鸣器9发出峰鸣提醒工作人员进行相对应措施的操作。

本发明还提供了一种机械臂安全距离监测方法，用于对机械臂的工作过程进行监测，参见图4，本发明提供的机械臂安全距离监测方法包括以下步骤：

步骤s10，获取电场探头所采集的机械臂所处位置的电场强度。

其中，电场强度是通过以下步骤进行获取的：采集机械臂所处场强内的工频电场信号；将工频电场信号转化为电压或者电流信号；将电压或者电流信号转化为数字信号；将数字信号转化为电场强度。

步骤s200，判断步骤s100所获取的电场强度是否大于或等于预置电场强度。

其中，预置电场强度为用户预先设定，因此，在步骤s200之前，该方法还包括：获取用户发送的包含预置电场强度的输入指令，其中，预置电场强度为临界电场强度预警值；根据输入指令，更新存储器中保存的预置电场强度。根据该方法应用场景所处情况的不同，预置电场强度的设置也会有相应变化，因此，存储器中预置电场强度是可调可变的。

步骤s300，如果电场强度大于或等于预置电场强度，发出预警信号。

如果电场强度大于或等于预置电场强度，初步判断机械臂所处位置为危险位置，但是由于预置电场强度是根据单一场强所设置，所以此时并不能确定机械臂所处位置为危险位置。因此，此时仅发出预警信号以引起工作人员注意。在本实施方式中，可选择点亮黄色预警指示灯。

如果电场强度小于预置电场强度，说明即使预置电场强度是根据单一场强所设置，机械臂所处位置的电场强度仍然小于预置电场强度，此时，可断定机械臂所处位置为安全位置，机械臂可继续作业。

步骤s400，判断预置采集时间内，电场探头所采集的电场强度的变化趋势。

其中，预置采集时间为用户预先设定，因此，在步骤s400之前，该方法还包括：获取用户发送的包含预置采集时间的输入指令，其中，预置采集时间为1-5秒；根据输入指令，更新存储器中保存的预置采集时间。与上述预置电场强度的设置相同，根据该方法应用场景所处情况的不同，预置采集时间的设置也会有相应变化，因此，存储器中预置采集时间是可调可变的。

步骤s500，如果电场强度的变化趋势为逐渐增大，获取运动方位传感器所采集的机械臂的运动方位信息。

只有当电场强度越来越大时，才说明机械臂与电力设备的间距越来越小，此时，机械臂已处于危险位置或即将处于危险位置，此时，需要采取相应措施。因此，如果电场强度的变化趋势为逐渐增大，获取运动方位传感器所采集的机械臂的运动方位信息。由于预置采集时间较短，所以电场强度的其他变化趋势对机械臂的运动影响不大，并不能说明机械臂与电力设备的间距越来越小。

步骤s600，根据运动方位信息，控制云台的旋转角度，使得位于云台上的激光测距仪的测试方位信息与运动方位信息一致。

根据所采集到的运动方位信息，调整控制云台的旋转角度，使得位于云台上的激光测距仪的测试方位信息与运动方位信息一致，是激光测距仪的测试方位与机械臂的运动方位一致，保证后续激光测距仪对机械臂距离电力设备的间距进行测量。

步骤s700，获取激光测距仪所采集的机械臂距离电力设备的间距。

步骤s800，判断间距是否小于或等于预置安全间距。

其中，预置安全间距为用户预先设定，因此，在步骤s700之前，该方法还包括：获取用户发送的包含预置安全间距的输入指令，其中，预置安全间距为临界安全间距值；根据输入指令，更新存储器中保存的预置安全间距。与上述预置电场强度和预置采集时间的设置相同，根据该方法应用场景所处情况的不同，预置安全间距的设置也会有相应变化，因此，存储器中预置安全间距是可调可变的。

步骤s900，当间距小于或等于预置安全间距时，发出报警信号。

当间距小于或等于预置安全间距时，确定机械臂所处位置为危险位置。因此，此时需要发出报警信号提醒工作人员进行相应措施。在本实施方式中，可选择点亮红色报警指示灯，并触发蜂鸣器。

如果间距大于预置安全间距，说明虽然机械臂所处位置的电场强度大于预置电场强度，但是由于预置电场强度是根据单一场强所设置，因此，并不能作为唯一判断标准，此时，可认定机械臂所处位置为安全位置，机械臂可继续作业。

本发明提供的机械臂安全距离监测装置及方法，使用电场探头测量机械臂所处位置的电场强度，判断该电场强度是否大于预置电场强度。当该电场强度大于预置电场强度时，通过单片机分析电场强度的变化趋势，并根据运动传感器所采集的机械臂的运动方位信息，控制云台调整激光测距仪的测试方位，获取激光测距仪所采集的机械臂距离电力设备的间距，只有当间距小于或等于安全间距时，说明机械臂所处位置为危险位置，该装置发出报警信号提醒工作人员。有效避免仅使用根据单一场强设置的预置电场强度作为判断标准，避免盲目报警，保证机械臂安全作业，提高作业效率。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的公开后，将容易想到本发明的其它实施方案。本发明旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

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