一种带电作业机器人耐张绝缘子更换方法与流程

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种带电作业机器人耐张绝缘子更换方法。

背景技术：

耐张绝缘子是当今电力系统输配电线路中最为普遍，必不可少的器件，是用于安装在不同电位的导体或导体与地电位构件之间增加爬电距离的器件。

随着配电网的发展，每年需要更换大量的耐张绝缘子，通常做法是停电更换，若停电面积较大，会造成无法估量的损失，严重影响供电企业的经济效益和社会效益。现在广大研究人员也在积极研究带电作业更换耐张绝缘子的方法。但是人工的更换和维护，作业人员将在高压带电线路附近作业，具有一定的安全隐患。

配电线路中带电作业中传统别的更换耐张绝缘子方法主要是采用绝缘手套作业法，绝缘手套作业法中作业人员穿戴全套绝缘防护用具，通过绝缘手套进行带电作业。还需要对人体可能触及到的带电体和接地体进行绝缘遮蔽。更换过程中往往产生电弧，极易对作业人员造成灼伤；在更换过程中需要对上下引线进行拆接，也会有触电的危险；作业人员在绝缘斗臂车上的绝缘斗上作业，有高处坠落的风险；在作业过程中，可能会由于人为操作的失误，客观上相间引线间距小，可能造成相间短路事件，给人民财产，人身安全造成威胁。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是，提出一种带电作业机器人耐张绝缘子更换方法，用于更换10kv配电网中耐张绝缘子，该方法能够在不断电的情况下通过带电作业机器人的机械臂对耐张绝缘子进行带电更换，避免了作业人员在带电高压线路附近作业带来的危险，相对于人工的带电作业简化了作业步骤。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种带电作业机器人耐张绝缘子更换方法，带电作业机器人具有设置在机器人平台上的机械臂，包括第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂，第一机械臂、第二机械臂以及辅助机械臂响应于控制数据完成以下工作：

辅助机械臂使用夹持工具将球形导线翼形卡具的横担侧联板卡具移动到待更换耐张绝缘子串上方的横担侧；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装横固定螺栓，将横担侧联板卡具固定在绝缘子串上方的横担上；

辅助机械臂使用夹持工具将球形翼形卡具的导线侧联板卡具移动到待更换耐张绝缘子串上方的导线侧；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装固定螺栓，将导线侧联板卡具固定在耐张绝缘子串上方的导线上；

辅助机械臂使用夹持工具将丝杠工具移动到待更换耐张绝缘子串上方；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具安装丝杠工具两端到导线侧联板卡具和横担侧联板卡具间的螺栓，用于固定丝杠工具；

辅助机械臂使用夹持工具将托瓶架移动到待更换耐张绝缘子串下方；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具和螺栓将托瓶架的两端分别与导线侧联板卡具和横担侧联板卡具固定；

辅助机械臂夹持待更换耐张绝缘子串，第一机械臂使用螺栓拆装工具旋动丝杠螺栓，松弛耐张绝缘子串；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓插销脱销工具分别对耐张绝缘子两侧进行脱销处理，使耐张绝缘子串两端脱离卡具；辅助机械臂将待更换耐张绝缘子串放下，然后夹起新的耐张绝缘子串；

辅助机械臂将新的耐张绝缘子串移动至安装位置，使耐张绝缘子串固定孔对准球头碗头固定孔；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具，在耐张绝缘子固定孔对准球头碗头固定孔中安装螺栓，使耐张绝缘子串两端分别与球头碗头相连；

辅助机械臂夹持丝杠工具，第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具旋动丝杠螺栓，使丝杠松丝；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除丝杠工具两端到导线侧联板卡具和横担侧联板卡具间的螺栓，使丝杠工具脱离导线侧联板卡具和横担侧联板卡具；辅助机械臂将丝杠工具移动到机械臂专用工具箱并放置丝杠工具；

辅助机械臂夹持球形导线翼形卡具的导线侧联板卡具；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除导线侧联板卡具固定螺栓；辅助机械臂移动到机械臂专用工具箱并放置导线侧联板卡具；

辅助机械臂夹持球形引线翼形卡具的横担侧卡具；第一机械臂和第二机械臂使用螺栓拆装工具拆除横担侧联板卡具固定螺栓；辅助机械臂将横担侧联板卡具移动到机械臂专用工具箱并放置。

进一步，在作业前，第一机械臂和第二机械臂端部安装夹持工具，用夹持工具夹持绝缘遮蔽材料对标记的带电体进行绝缘遮蔽；在作业完毕后，第一机械臂和第二机械臂端部安装夹持工具，用夹持工具清除覆盖在带电体上的绝缘遮蔽材料。

进一步，所述控制数据为各机械臂关节运动的角度期望值，该角度期望值由带电作业机器人数据处理和控制系统根据设置于绝缘斗臂车内的主操作手各关节角度变化数据解算获得；主操作手包括第一主操作手、第二主操作手和辅助主操作手；第一主操作手、第二主操作手和辅助主操作手分别与第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂对应，构成主从操作关系。

进一步，所述绝缘斗臂车上设置有控制室，所述数据处理和控制系统包括第一工控机、第二工控机、显示屏和主操作手，第二工控机内置图像处理器，显示屏和主操作手位于控制室内；所述摄像机采集的作业场景图像发送给第二工控机，图像处理器对作业场景图像进行处理后获的3D虚拟作业场景，并送显示器显示。

进一步，所述控制数据为各机械臂关节运动的角度期望值；带电作业机器人数据处理和控制系统根据各机械臂与作业对象的相对位置以及作业任务动作序列，使用笛卡尔空间路径规划方法规划出各机械臂的空间路径，然后根据空间路径解算出各机械臂关节运动的角度期望值。

进一步，所述带电作业机器人，包括绝缘斗臂车，搭载在绝缘斗臂车上的机器人平台，安装在机器人平台上的机械臂；

所述机械臂包括第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂，所述摄像机包括双目摄像头，所述第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂上均搭载有双目摄像头，所述第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂配合完成带电作业，其中，辅助机械臂用于夹持作业对象，第一机械臂和第二机械臂使用作业工具进行作业操作；

所述数据处理和控制系统包括第一工控机、第二工控机，第二工控机内置图像处理器和带电作业动作序列库，

所述带电作业动作序列库中预先存储有各项带电作业对应的动作序列数据；

所述摄像机采集的作业场景图像发送给第二工控机，图像处理器对作业场景图像进行处理后获的机械臂与作业对象之间的相对位置关系，第二工控机根据所述相对位置关系以及具体带电作业所对应的动作序列规划机械臂的空间路径，并将所述机械臂的空间路径数据发送给第一工控机；

第一工控机根据所述机械臂的空间路径解算出所述控制数据。

进一步，所述机械臂或者主操作手为六自由度机构，包括基座，旋转轴方向与基座平面垂直的腰关节，与腰关节连接的肩关节，与肩关节连接的大臂，与大臂连接的肘关节，与肘关节连接的小臂，与小臂连接的腕关节，腕关节由三个旋转关节组成，分别为腕俯仰关节、腕摇摆关节和腕旋转关节；

所述六自由度机构中各个关节均具有相应的正交旋转编码器和伺服驱动电机，正交旋转编码器用于采集各个关节的角度数据，伺服驱动电机用于控制各关节的运动；

第一工控机根据机械臂各关节角度的期望值，通过控制伺服驱动电机控制按机械臂各关节运动。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)本发明能够在不断电不带负荷的情况下通过带电作业机器人的机械臂对耐张绝缘子进行带电更换，避免了停电带来的负面影响，大幅度减少停电时间，提高供电可靠率，缓解用电投诉矛盾；(2)本发明使用带电作业机器人相比于绝缘手套作业法能免于考虑电弧产生时对人体的灼伤和触电危险、高空坠落问题；(3)本发明使用带电作业机器人由操作人员摇杆控制时，对于作业人员劳动强度要求小，减少了作业强度大出现人为失误的情况，大大提高了作业过程中的安全性，从一定程度上可以减少事故的发生

附图说明

图1为本发明带电作业机器人一种实施例的整体结构示意图；

图2为本发明中绝缘斗臂车的系统组成框图；

图3为本发明中机器人平台的结构示意图；

图4为本发明中机械臂的结构示意图。

图5是本发明方法流程图。

图6是本发明带电作业机器人带电更换耐张绝缘子作业环境示意图。

其中，100为杆塔，111为导线，103为横担，110为耐张绝缘子串；1为绝缘斗臂车、2为控制室、3为伸缩臂、4为机器人平台；46为绝缘子、43为第一机械臂、44为第二机械臂、42为辅助机械臂、48为第一工控机、45为双目摄像头、41为全景摄像头、410为深度摄像头、49为蓄电池、47为机械臂专用工具箱；431为基座、432为腰关节、433为肩关节、434为大臂、435为肘关节、436为小臂、437为腕关节。

具体实施方式

容易理解，依据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神的情况下，本领域的一般技术人员可以想象出本发明带电作业机器人耐张绝缘子更换方法的多种实施方式。因此，以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

结合附图，带电作业机器人包括绝缘斗臂车1、控制室2、伸缩臂3、机器人平台4。其中，绝缘斗臂车1上架设控制室2和伸缩臂3，伸缩臂3末端连接机器人平台4，机器人平台4与控制室2之间采用光纤以太网通信或者无线网络通信。

绝缘斗臂车1可供操作人员驾驶，从而将机器人平台4运输到作业现场。绝缘斗臂车1上装有支撑腿，支撑腿可以展开，从而将绝缘斗臂车1与地面稳固支撑。绝缘斗臂车1上装有发电机，从而给控制室2及伸缩臂3供电。

伸缩臂3设有沿伸缩方向的驱动装置，操作人员可以通过控制驱动装置，从而将机器人平台4升降到作业高度。该伸缩臂3由绝缘材料制成，用于实现机器人平台4与控制室2的绝缘。在本发明中，伸缩臂3可有由剪叉式升降机构或其他机构代替。

作为一种实施方式，控制室2中设置有第二工控机、显示屏、第一主操作手、第二主操作手、辅助主操作手以及通信模块等。

作为一种实施方式，机器人平台4包括绝缘子46、第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42、第一工控机48、双目摄像头45、全景摄像头41、深度摄像头410、蓄电池49、专用工具箱47、通信模块。

机器人平台4的绝缘子46用于支撑第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42，将这三个机械臂的外壳与机器人平台4绝缘。

蓄电池49为第一工控机48、第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42、全景摄像头41、双目摄像头45、深度摄像头410、通信模块供电。

作为一种实施方式，双目摄像头45一共有三个，分别安装在第一机械臂43、第二机械臂44和辅助机械臂42的腕关节437上，负责采集作业场景的图像数据，并将图像数据发送给第二工控机。双目摄像头45由两个光轴平行的工业相机组成，平行光轴之间的距离固定。

深度摄像头410安装在机器人平台4正对作业场景的侧面，负责采集作业场景的景深数据，将景深数据发送给第二工控机。

全景摄像头41通过支架安装在机器人平台4的上方，负责采集作业场景的全景图像数据，将图像数据发送给第二工控机，并显示在显示器上，作业人员可以通过全景图像监控作业场景。

专用工具箱47是放置抓具、扳手等作业工具的场所。机械臂末端安装有工具快换装置。机械臂根据作业任务的类型到专用工具箱47中使用工具快换装置获取作业工具。

控制室2中第一主操作手、第二主操作手以及辅助主操作手是一种用于人工远程操作机械臂的操作装置，他们与第一机械臂43、第二机械臂44和辅助机械臂42构成主从操作关系。机械臂和主操作手具有相同的结构，只是主操作手尺寸规格比机械臂小，以便于操作人员操作。机械臂和主操作手拥有六个关节，每个关节都有光电编码器采集角度数据，各主操作手的微型控制器通过串口将六个关节的角度数据发送给第二工控机。

作为本发明一个实施例，所述机械臂为六自由度机构，包括基座431，旋转轴方向与基座平面垂直的腰关节432，与腰关节432连接的肩关节433，与肩关节433连接的大臂434，与大臂434连接的肘关节435，与肘关节435连接的小臂436，与小臂436连接的腕关节437，腕关节437由三个旋转关节组成，分别为腕俯仰关节、腕摇摆关节和腕旋转关节；所述六自由度机构中各个关节均具有相应的正交旋转编码器31和伺服驱动电机，正交旋转编码器31用于采集各个关节的角度数据，伺服驱动电机用于控制各关节的运动；第一工控机根据所述机械臂的空间路径解算出各关节的运动角度，控制伺服驱动电机按照所述运动角度控制机械臂各关节运动。

作为一种实施方式，机器人平台4与控制室2之间的数据传输通过光纤有线传输，或者使用无线网络传输。机器人平台4上的通信模块是光纤收发器，光纤收发器用于实现光纤中的光信号与双绞线中的电信号的相互转换，从而在通信上实现机器人平台4与控制室2的电气隔离。控制室2中的通信模块是光纤收发器，光纤收发器用于实现光纤中的光信号与双绞线中的电信号的相互转换，从而在通信上实现机器人平台4与控制室2的电气隔离。

作为一种实施方式，第二工控机可以完成以下任务：

建立动作序列库。预先将各项带电作业任务分解为作用序列，组成动作序列库，存储在第二工控机中，用于机械臂路径规划。

建立作业对象模型库。预先制作各项带电作业任务所涉及的作业对象的三维模型和目标识别模型，例如，根据电力塔杆、电线、耐张绝缘子、隔离刀闸、避雷器等器件实物，制作三维模型和目标识别模型，用于带电作业机器人自动识别作业对象，构建作业场景三维虚拟场景。

建立机械臂和专用工具模型库。预先制作机械臂和专用工具的三维模型和目标识别模型，例如，扳手等，用于带电作业机器人自动构建作业场景三维虚拟场景，规划机械臂空间路径。

获取图像数据。获取全景图像、深度图像和双目图像的数据信息。

根据图像数据识别和跟踪作业目标。

获取主操作手的角度、角速度和角加速度数据，获取机械臂的角度、角速度和角加速度数据。

对相关图像数据进行处理和计算，获取机械臂位置，获取作业对象的位置，获取机械臂与作业对象之间的相对位置，并根据相对位置和作业任务规划机械臂的空间路径。

根据图像数据构建作业对象三维场景，根据机械臂角度信息和作业对象三维场景获得机械臂与作业对象的相对位置，并根据相对位置和作业任务规划机械臂的空间路径。

对相关图像数据进行处理和计算，构建3D虚拟作业场景，送显示器显示，操作人员根据3D虚拟作业场景监控作业过程。与全景图像相比，3D虚拟作业场景综合和深度图像信息和双目图像信息，对机器臂与作业对象之间、机械臂之间、作业对象与作业环境之间的相对位置的判断更精确，且不会存在视觉死角。因此，操作人员通过3D虚拟作业场景进行作业监控，操作精度更高，可以防止碰撞发生，提高了安全性。同时，3D虚拟作业场景显示在控制室2中的显示器上，远离机械臂作业现场，提高了人作业人员的人身安全。

作为一种实施方式，第一工控机可以完成以下任务：

根据第二工控机发送的主操作手各关节的角度信息，控制机械臂各关节的运动。

获取第二工控机发送的机械臂的空间路径数据，根据作业任务的动作序列，解算出机械臂各关节的角度数据运动量，并控制机械臂各关节运动。

本发明中，第一机械臂和第二机械臂相互配合，可以模仿人的两个手的作业顺序完成带电作业。考虑到灵活性，可以再增加一个强壮的辅助机械臂，此时，辅助机械臂专司器件夹持等力道大的动作，第一机械臂和第二机械臂则进行相关业务操作。

根据第二工控机和第一工控机完成的不同任务的组合，本发明带电作业机器人既可以由作业人员进行远程摇操作以完成带电作业，又可以进行自主带电作业。在进行带电作业之前，作业人员先通过观察全景图像，将机器人平台4移动至作业对象附近。

如果选择人工远程摇操作，则由第二工控机根据数目图像和深度图像构建3D虚拟作业场景并送显示器显示，作业人员通过3D虚拟作业场景监控操作过程，通过主操作手控制机械臂的动作，以完成带电作业。在此过程中，作业人员改变主操作手姿态后，主操作手中各关节的光电编码器采集各关节角度，各主操作手的微型控制器通过串口将各关节的角度数据发送给第二工控机。第二工控机将主操作手各关节的角度数据作为机械臂各关节角度的期望值发送给第一工控机，第一工控机根据角度期望值通过伺服电机控制机械臂各关节的运动，已完成带电作业。

如果选择自主作业，则由第二工控机根据数目图像和深度图像计算获取作业对象和机械臂之间的相对位置关系，然后依据作业任务所对应的动作序列进行机械臂空间路径规划，并将空间路径发送给第一工控机，第一工控机解算出机械臂各关节需要转动的角度数据作为机械臂各关节角度的期望值，通过伺服电机控制机械臂各关节的运动，已完成带电作业。

使用上述带电作业机器人更换耐张绝缘子的过程为：

一、准备阶段

工作人员进行带电作业机器人更换耐张绝缘子串110的作业准备，检查气象条件、核对杆塔号，在工作现场设置安全护栏、作业标志、和相关警示标志，采用绝缘电阻测试仪对用到的绝缘工器具进行表面绝缘电阻检测，阻值不小于700兆欧。

绝缘斗臂车驾驶员将绝缘斗臂车1驶入杆塔100附近位置并布置现场。作业位置具体为待作业杆塔100的附近位置并避开附近电力线和障碍物，避免停放在沟道盖板上,绝缘斗臂车1支腿顺序为先伸出水平支腿，再伸出垂直支腿，支撑到位后车辆前后左右呈水平。控制室2内操作人员根据显示器上显示的实景图像，操作操作摇杆控制伸缩臂3，将机器人平台4移动至进入作业位置附近。控制室2内操作人员根据机械臂上双目摄像头45返回的实景图像对作业范围内在绝缘安全距离内的带电体进行标记。

二、作业阶段

第一机械臂43、第二机械臂44以及辅助机械臂42响应于控制数据完成以下工作：

第一机械臂43、第二机械臂44以辅助机械臂42移动到机械臂专用工具箱47上方，安装夹持工具；第一机械臂43和第二机械臂44使用夹持工具夹持绝缘遮蔽材料对标记带电体进行绝缘遮蔽；之后，第一机械臂43和第二机械臂44停止夹持绝缘遮蔽用具，并移动到机械臂专用工具箱47上方，换装螺栓拆装工具；

辅助机械臂42使用夹持工具在机械臂专用工具箱47中夹持球形导线翼形卡具的横担侧联板卡具，并将横担侧联板卡具移动到待更换耐张绝缘子串110上方的横担侧；第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具安装横担侧联板卡具的固定螺栓，将横担侧联板卡具固定在绝缘子串上方的横担上；

辅助机械臂42在机械臂专用工具箱47中夹持球形翼形卡具导线侧联板卡具，并将导线侧联板卡具移动到待更换耐张绝缘子串110上方的导线侧；第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具安装导线侧联板卡具的固定螺栓，将导线侧联板卡具固定在耐张绝缘子串110上方的导线上；

辅助机械臂42在机械臂专用工具箱47中夹持球形导线翼形卡具的丝杠工具，并将丝杠工具移动到待更换耐张绝缘子串110上方；第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具安装丝杠工具两端到导线侧联板卡具和横担侧联板卡具间的螺栓，用于固定丝杠工具；

辅助机械臂42在机械臂专用工具箱47中夹持托瓶架，并移动到待更换耐张绝缘子串110下方；第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具使用螺栓将托瓶架的两端分别与导线侧联板卡具和横担侧联板卡具固定；

辅助机械臂42夹持待更换耐张绝缘子串110，第一机械臂43使用螺栓拆装工具旋动丝杠螺栓，使丝杠收紧，使荷重转移，松弛耐张绝缘子串110；第一机械臂43和第二机械臂44移动到机械臂专用工具箱47上方，并换装螺栓插销脱销工具；第一机械臂43与第二机械臂44移动到耐张绝缘子110上方，使用螺栓插销脱销工具分别对耐张绝缘子110两侧进行脱销处理，使耐张绝缘子串110两端脱离卡具；辅助机械臂将待更换耐张绝缘子串110移动到机械臂专用工具箱47上方并放置耐张绝缘子串110，然后夹持新的耐张绝缘子串110；

辅助机械臂42将新的耐张绝缘子串110移动到原耐张绝缘子串的安装位置，使耐张绝缘子串110固定孔对准球头碗头固定孔；第一机械臂43和第二机械臂44移动到耐张绝缘子串110上方，在耐张绝缘子固定孔对准球头碗头固定孔中安装螺栓，使耐张绝缘子串110两端分别与球头碗头相连；

第一机械臂43和第二机械臂44移动到机械臂专用工具箱47上方，并换装螺栓拆装工具；第一机械臂43使用螺栓拆装工具旋动丝杠螺栓，使丝杠松丝，使荷重转移，耐张绝缘子串110受力；

辅助机械臂42夹持丝杠工具；第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具拆除丝杠工具两端到导线侧联板卡具和横担侧联板卡具间的螺栓，使丝杠工具脱离导线侧联板卡具和横担侧联板卡具；辅助机械臂42将丝杠工具移动到机械臂专用工具箱47并放置丝杠工具；

辅助机械臂42夹持球形导线翼形卡具的导线侧联板卡具；第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具拆除导线侧联板卡具固定螺栓；辅助机械臂42移动到机械臂专用工具箱47并放置导线侧联板卡具；

辅助机械臂42夹持球形引线翼形卡具的横担侧卡具；第一机械臂43和第二机械臂44使用螺栓拆装工具拆除横担侧联板卡具固定螺栓；辅助机械臂42将横担侧联板卡具移动到机械臂专用工具箱47并放置；

第一机械臂43和第二机械臂44移动到机械臂专用工具箱47上方，并换装夹持工具，使用夹持工具夹持绝缘遮蔽材料，对标记的带电体进行绝缘遮蔽清除。

本发明使用带电作业机器人进行带电更换耐张绝缘子，很大程度上避免了线路停电带来的负面影响，大幅度减少停电时间，提高供电可靠率，缓解用电投诉矛盾。

本发明使用带电作业机器人代替人进行带电作业，相比于绝缘杆作业法具有更加丰富的功能；相比于绝缘手套作业法能免于考虑电弧产生时对人体的灼伤和触电危险、高空坠落问题，更加不会有作业强度大出现人为失误的情况，大大提高了作业过程中的安全性，从一定程度上可以减少事故的发生。