一种组合式超高压变流阀监控与除尘机器人的制作方法

本发明属于控制与调节装置技术领域，具体涉及为一种组合式超高压变流阀监控与除尘机器人。

背景技术：

换流阀是直流输电工程的核心设备，通过依次将三相交流电压连接到直流端得到期望的直流电压和实现对功率的控制，其价值约占换流站成套设备总价的22%～25%。

变流阀厅作为国家2025战略中西电东输的重要节点，在发生安全故障后，直接经济损失高达4亿，间接损失过百亿。其中，变流阀厅内变流阀为变截面外形，难以实现全方位实时监控，此外，超高压强磁环境会对人体造成巨大的伤害、干扰通讯信号，因此要建立在无人工况下对超精密仪器检测与安全预警网络非常困难，而且针对设备的工作状况与实时控制就显得十分重要。

针对超高压、强磁、垂直大褶皱起伏变流阀厅内墙、超精密仪器密布的环境，设计一种组合式超高压变流阀监控与除尘机器人，母机设计为全方位运载平台，实现在超高压强磁阀厅内的自主避障循迹导航、子机搭载与续航功能；子机设计为攀爬、监控、清洗机器人，主要有控制系统、检测与信息采集系统、吸附系统和驱动系统，实现监测、预警、维修、清洁于一体的子机机器人；其中，子机机器人搭载有清洁模块，该模块针对强磁环境下高褶皱壁面进行高效率清扫，并且使得其实现全自动的工作方式。同时，检测与信息采集系统能够将实时信息数据与视频传输至移动端，建立人机交互机制，实现同步操控。子机信息与数据采集模块，能在工作时自动收集设备温度与设备运行状况信息建立数据库，以便作为故障预警与检修的参照资料。子母机之间通过高频无线通讯方式，进行数据交换，建立一套稳定的配合协调体系。针对强磁场特殊环境，子母机表面涂层能够很好地减少外界强磁对于本身系统稳定性的影响，使得整个系统更加稳固可靠。

本方案针对以上工况环境问题与困难，提出的一种组合式变流阀监控与除尘机器人，能够很好地解决以上困难，保证整个设备的安全性与运行稳定性。

技术实现要素：

为了实现在强磁、高压、近垂直高褶皱壁面的除尘、监控的功能，避免壁面灰尘堆积引起电离、变流阀温度过高而导致变流阀厅发生故障等问题，本发明设计了一种组合式超高压变流阀监控与除尘机器人。

一种组合式超高压变流阀监控与除尘机器人，包括母机全方位移动承载平台模块、子机攀爬监控模块和清洁模块；所述母机全方位移动承载平台模块与工控机信号连接；所述母机全方位移动承载平台模块底部安装全向轮，顶部设置有可转动的支撑板；所述子机攀爬监控模块架设于支撑板，且子机攀爬监控模块底部安装工业吸附链条，顶部设置有上部搭载平台；所述清洁模块穿设于子机攀爬监控模块，清洁模块包括外框架、直线电机推杆起尘装置和负压集尘装置；所述直线电机推杆一端连接外框架，另一端连接子机攀爬监控模块。

所述母机全方位移动承载平台模块包括上整板、第一电机、支撑板、支撑杆、固定杆、上底盘、下底盘和全向轮；所述第一电机安装于上整板，第一电机的输出端安装有丝杆；所述丝杆穿设于螺母；所述螺母与支撑板底部转动连接，所述支撑杆顶部转动安装于支撑板背部顶端，底部转动安装于上整板；所述上整板通过固定杆连接上底盘；所述上底盘和下底盘之间安装弹簧减震器；所述全向轮安装于下底盘四侧。

所述上整板安装有滑轨；所述支撑板两侧底部转动安装于滑块；所述滑轨对称设置于丝杆两侧，且滑块与滑轨滑动连接；所述支撑杆和第一电机分设于支撑板两侧；所述固定杆竖立设置，顶部固定安装于上整板四角，底部固定安装于上底盘四角；所述弹簧减震器竖立设置，且分设于全向轮两侧，弹簧减震器顶部固定安装于上底盘，弹簧减震器底部固定安装于下底盘。

所述全向轮连接行星轮减速器；所述行星轮减速器安装于第二电机的输出端；所述下底盘底部安装光学传感器，光学传感器的高度≤10mm。

所述子机攀爬监控模块，包括上部搭载平台和车身侧板；所述车身侧板设置于上部搭载平台两侧，且车身侧板安装有主动轮、第一从动轮、第二从动轮、第三从动轮、压紧轮和工业吸附链条；所述工业吸附链条均与主动轮、第一从动轮、第二从动轮、第三从动轮、压紧轮触接；所述主动轮和第一从动轮分别转动安装于车身侧板上部两侧；所述第二从动轮、第三从动轮分别转动安装于车身侧板下部两侧；所述压紧轮位于第二从动轮、第三从动轮中间；所述压紧轮转动安装于下部导板；所述下部导板与车身侧板竖向滑动连接；所述下部导板固定安装于压力弹簧底部；压力弹簧顶部固定安装于上部导板；上部导板固定安装于车身侧板。

所述上部搭载平台前部安装超声波探测模块和视频探测装置，后部安装红外探测装置；所述上部搭载平台底部设置有控制系统和模块搭载仓；所述上部导板底部安装有一对压力弹簧，且压力弹簧穿设于定位销；所述主动轮安装于驱动系统的输出端；所述驱动系统内设步进电机和减速器；减速器安装于步进电机的输出端；主动轮连接减速器。

所述工业吸附链条由单排双侧单耳链条链节组成；所述单排双侧单耳链条链节，包括方形带沉头孔永磁体、磁铁可吸附壁面和磁铁鄂铁；所述磁铁鄂铁位于磁铁可吸附壁面上方中部；所述方形带沉头孔永磁体位于磁铁可吸附壁面上方两侧；方形带沉头孔永磁体、磁铁可吸附壁面和磁铁鄂铁构成磁回路。

所述清洁模块，包括均同轴设置的挡板、外框架和带孔底板；所述外框架中空设置；所述挡板安装于外框架顶部；所述带孔底板安装于外框架底部；所述带孔底板设置有通孔；所述带孔底板安装有圆柱形侧面刷头、平面式圆盘刷头；所述圆柱形侧面刷头、平面式圆盘刷头均穿过带孔底板上的通孔连接驱动电机；所述圆柱形侧面刷头侧面安装有水平设置的圆锥形刷毛；所述平面式圆盘刷头底部安装有竖立设置的间隔式平面刷毛。

所述带孔底板底部边缘安装有红外测距传感器；所述红外测距传感器与带孔底板垂直设置；所述外框架内部安装有水平设置的挡尘板；所述挡尘板与外框架同轴设置，且挡尘板的中心开设有圆孔；所述挡尘板上顶面安装有同轴设置的圆柱形滤网；所述圆柱形滤网罩设于挡尘板的圆孔；所述外框架内部安装有水平设置的圆盘形滤网；所述圆盘形滤网与外框架同轴设置；所述圆盘形滤网位于挡尘板和圆柱形滤网上方；所述外框架内部安装有水平设置的电机安装板；所述电机安装板与外框架同轴设置；所述电机安装板位于圆盘形滤网上方；电机安装板轴线处开设有通孔；所述电机安装板下方安装串联式无刷电机；所述串联式无刷电机与电机安装板同轴设置，且串联式无刷电机安装于电机安装板的通孔处；所述外框架内部安装有水平设置的圆盘式滤网；所述圆盘式滤网位于电机安装板和串联式无刷电机上方，且圆盘式滤网与外框架同轴设置。

所述外框架外壁周向均布有至少两条直线导轨；所述直线导轨竖向设置，直线导轨顶部与挡板下底面相贴合；所述直线导轨穿设于直线滑块；所述外框架外壁安装有直线电机推杆；所述直线电机推杆的顶端与挡板下底面相贴合；所述平面式圆盘刷头中空设置，平面式圆盘刷头底部安装有轴流式风叶。

针对超高压强磁无人工况环境中，提出的一种组合式超高压变流阀监控与除尘机器人。母机全方位移动承载平台模块能够提供一个移动性极强的搭载平台，使得子机攀爬监控模块搭载更加平稳，工作时间更长。子机攀爬监控模块、清洁模块能够解决极限工况下的设备检测与信息采集任务，同时针对设备工作特点建立实时数据信息库，以便在今后的维护与检修之中，数据与信息作为参照资料，及时准确发现故障规律，并提早预防设备故障的发生。子机与母机的协调配合，使得该设计具有良好的适应性和可靠性，使得机器人能够适应更加复杂的工作环境，按照需求完成目标任务，从而极大地降低整个变电站因故障而带来的损失，维护经济利益。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图；

图2是母机全方位移动承载平台模块的示意图；

图3是母机全方位移动承载平台模块的下底盘结构示意图；

图4是子机攀爬监控模块的一幅示意图；

图5是子机攀爬监控模块的另一幅示意图；

图6是子机攀爬监控模块的单排双侧单耳链条链节结构示意图；

图7是清洁模块结构示意图；

图8是清洁模块结的半剖视图；

图9是清洁模块结的负压集尘装置和起尘装置的爆炸图；

图10是清洁模块结的平面式圆盘刷头的底部结构示意图；

图11是母机全方位移动承载平台模块的工作流程图；

图12是子机攀爬监控模块的工作流程图；

图中：母机全方位移动承载平台模块100、上整板101、第一电机102、丝杆103、螺母104、支撑板105、支撑杆106、滑块107、滑轨108、固定杆109、上底盘111、弹簧减震器112、行星轮减速器113、第二电机114、下底盘115、全向轮116、光学传感器117、

子机攀爬监控模块200、上部搭载平台201、超声波探测模块202、视频探测装置203、红外探测装置204、控制系统205、模块搭载仓206、车身侧板207、主动轮208、驱动系统209、第一从动轮210、第二从动轮211、第三从动轮212、压紧轮213、下部导板214、压力弹簧215、上部导板216、工业吸附链条217、单排双侧单耳链条链节218、方形带沉头孔永磁体219、磁铁可吸附壁面220、磁铁鄂铁221、

清洁模块300、挡板301、外框架302、直线导轨303、直线滑块304、直线电机推杆305、圆盘式滤网306、电机安装板307、串联式无刷电机308、圆盘形滤网309、圆柱形滤网310、挡尘板311、驱动电机312、

带孔底板313、圆柱形侧面刷头314、圆锥形刷毛315、平面式圆盘刷头316、间隔式平面刷毛317、红外测距传感器318、轴流式风叶319、

工控机400。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种组合式超高压变流阀监控与除尘机器人，包括母机全方位移动承载平台模块100、子机攀爬监控模块200和清洁模块300；所述母机全方位移动承载平台模块100与工控机400信号连接；所述子机攀爬监控模块200与母机全方位移动承载平台模块100信号连接；所述清洁模块300安装于子机攀爬监控模块200。

所述母机全方位移动承载平台模块100包括上整板101、第一电机102、支撑板105、支撑杆106、固定杆109、上底盘111、下底盘115和全向轮116。

所述上整板101安装有第一电机102和滑轨108；第一电机102的输出端安装有丝杆103；所述丝杆103穿设于螺母104；所述螺母104与支撑板105底部转动连接，例如铰接。所述支撑板105两侧底部转动安装于滑块107；所述滑轨108分设于丝杆103两侧，且滑块107与滑轨108滑动连接。所述支撑杆106和第一电机102分设于支撑板105两侧；支撑杆106顶部转动安装于支撑板105背部顶端，底部转动安装于上整板101。

支撑板105用以搭载子机攀爬监控模块200。在工控机400的控制下，调整第一电机102，由第一电机102带动丝杆103旋转，从而使支撑板105带动滑块107在滑轨108上移动。由于支撑板105顶部受到支撑杆106的作用力，因此，支撑板105底部在移动的同时，支撑板105在自转，从而调节支撑板105的倾斜度，为除尘监控机器人提供上升平台。

所述上整板101的四角底部固定安装固定杆109；所述固定杆109竖立设置，固定杆109底部固定安装于上底盘111的四角。固定杆109用以将上整板101和上底盘111固定为一体。所述上底盘111和下底盘115之间安装有弹簧减震器112；弹簧减震器112竖立设置，且分设于全向轮116两侧，弹簧减震器112顶部固定安装于上底盘111，弹簧减震器112底部固定安装于下底盘115。所述全向轮116安装于下底盘115的四侧。所述全向轮116连接行星轮减速器113；所述行星轮减速器113安装于第二电机114的输出端。所述下底盘115底部安装光学传感器117。所述光学传感器117与地面距离≤10mm。

第二电机114通过行星轮减速器113减速、增加力矩后传递给10全向轮116。下底盘115旋转时，全向轮116由第二电机114驱动，下底盘115能以中心为圆心，零半径旋转，因此，本装置可以满足任意位置的角度旋转需求。

光学传感器117通过探测地面光带信号，传递给工控机400，工控机400控制第二电机114，以保持行驶路线的正确。

强磁场环境下，母机全方位移动承载平台模块100，其信号输入部分为红外传感信号，将光源布置在地面上形成光带，光学传感器117检测到光源时，将接收到的信息传给工控机400，工控机400控制TTL电平输出，通过控制第二电机114来控制全向轮116的转动，从而行进的轨迹更改修正。

工作过程是：将光学传感器117安装在下底盘115上，保证其与地面光带对应平行。随后打开工控机400，运行系统，保证底盘沿地面光带行驶。当光学传感器117检测到行驶路线与地面光带铺设轨迹有误差时，信号传递给工控机400，工控机400控制第二电机114脉冲数，调整整机位置，回到原本路线。

当母机全方位移动承载平台模块100接受到对接信号时，工控机400控制第二电机114脉冲，移动到相应位置，然后控制第一电机102，输出扭矩给丝杆103转动，带动支撑板105转动，形成子机攀爬监控模块200的升降衔接平台。

所述子机攀爬监控模块200，包括上部搭载平台201和车身侧板207。所述车身侧板207设置于上部搭载平台201两侧，且车身侧板207安装有主动轮208、第一从动轮210、第二从动轮211、第三从动轮212、压紧轮213和工业吸附链条217。所述工业吸附链条217均与主动轮208、第一从动轮210、第二从动轮211、第三从动轮212、压紧轮213触接。

上部搭载平台201和车身侧板207为可拆卸连接。上部搭载平台201前部安装超声波探测模块202和视频探测装置203，后部安装红外探测装置204。超声波探测模块202、视频探测装置203、红外探测装置204组成了检测平台。超声波探测模块202，针对障碍物的越障与返回判断。红外探测装置204，能够对设备工作环境温度实时检测，实现安全预警判断。视频探测装置203实时反馈基于视频实时传输，能够实现人机信息交互功能，实时控制机器人运行。

所述上部搭载平台201底部设置有控制系统205和模块搭载仓206。模块搭载仓206用以安放检测维修设备。控制系统205安置在车体内部，能够减缓和防止外界干扰。

所述主动轮208和第一从动轮210分别转动安装于车身侧板207上部两侧；所述第二从动轮211、第三从动轮212分别转动安装于车身侧板207下部两侧；所述压紧轮213位于第二从动轮211、第三从动轮212中间。所述压紧轮213转动安装于下部导板214；所述下部导板214与车身侧板207竖向滑动连接；所述下部导板214固定安装于压力弹簧215底部；压力弹簧215顶部固定安装于上部导板216；上部导板216固定安装于车身侧板207。作为优选，所述上部导板216底部安装有一对压力弹簧215，且压力弹簧215穿设于定位销。压力弹簧215用于承担压力，上部导板216、压力弹簧215和下部导板214构成了压紧轮机构，使得压紧轮213具有一定起伏适应性。

所述主动轮208安装于驱动系统209的输出端。更进一步，驱动系统209内设步进电机和减速器；减速器安装于步进电机的输出端；主动轮208连接减速器。

工业吸附链条217，排布永磁体并提供爬行吸附力。工业吸附链条217，采用工业链条与永磁铁吸附模式，工业吸附链条217由单排双侧单耳链条链节218组成，单排双侧单耳链条链节218为工业吸附链条217的组成单元。单排双侧单耳链条链节218，包括方形带沉头孔永磁体219、磁铁可吸附壁面220和磁铁鄂铁221；所述磁铁鄂铁221位于磁铁可吸附壁面220上方中部；所述方形带沉头孔永磁体219位于磁铁可吸附壁面220上方两侧。方形带沉头孔永磁体219、磁铁可吸附壁面220和磁铁鄂铁221构成磁回路，可以增大磁铁的磁性，增加工业吸附链条217的稳定性，同时可以按照需求调整磁铁吸力大小，具有一定的适应性。工业吸附链条217设置在车体外部，以减小车身内部系统受外界磁场影响程度。

子机攀爬监控模块200工作过程是：工业吸附链条217吸附壁面后，驱动系统209驱动主动轮208转动，带动三组从动轮运动，压紧轮213越障、检测平台自动检测，信息采集，视频实时信息反馈建立信息数据库；遇到紧急情况，自动预警并停止工作。

子机攀爬监控模块200具有褶皱翻越能力，而且三组从动轮与一组压紧轮能够保证翻越时平稳可靠性，在更加复杂的工作壁面有更大的适应性和机动性。检测平台可以建立信息数据库，针对故障预警与规律研究起到了极大参考作用。视频探测装置203实现实时操控功能。

所述清洁模块300，安装于上部搭载平台201，包括均同轴设置的挡板301、外框架302和带孔底板313；所述外框架302中空设置；所述挡板301安装于外框架302顶部；所述带孔底板313安装于外框架302底部；所述带孔底板313设置有通孔；所述带孔底板313安装有圆柱形侧面刷头314、平面式圆盘刷头316；所述圆柱形侧面刷头314侧面安装有水平设置的圆锥形刷毛315；所述平面式圆盘刷头316底部安装有竖立设置的间隔式平面刷毛317。所述圆柱形侧面刷头314、平面式圆盘刷头316均穿过带孔底板313上的通孔连接驱动电机312。所述驱动电机312可以为步进电机、有刷直流电机、无刷直流电机等。驱动电机312带动圆柱形侧面刷头314、平面式圆盘刷头316旋转，从而起到清理的作用。

所述带孔底板313底部边缘安装有红外测距传感器318；所述红外测距传感器318与带孔底板313垂直设置。所述红外测距传感器318用以探测障碍物。

平面式圆盘刷头316作为负压风扇,产生负压吸力。所述平面式圆盘刷头316中空设置，平面式圆盘刷头316底部安装有轴流式风叶319,确保整个装置对于灰尘的收集效果，使得刷头处也可以产生极大吸力。

所述外框架302内部安装有圆盘式滤网306、电机安装板307、圆盘形滤网309、挡尘板311。作为优选，为确保装置的高效真空环境，带孔底板313、挡尘板311、圆盘形滤网309、电机安装板307和圆盘式滤网306与外框架302的接合处均采用密封胶密封。

挡尘板311下方为起尘装置，上方为负压集尘装置。

起尘装置包括驱动电机312、带孔底板313、圆柱形侧面刷头314、圆锥形刷毛315、平面式圆盘刷头316、间隔式平面刷毛317。带孔底板313主要用于安装起尘设备。

负压集尘装置，包括圆盘式滤网306、串联式无刷电机308、电机安装板307、圆盘形滤网309、圆柱形滤网310。

所述圆盘式滤网306水平设置；所述圆盘式滤网306位于电机安装板307和串联式无刷电机308上方，且圆盘式滤网306与外框架302同轴设置。

所述电机安装板307水平设置；所述电机安装板307与外框架302同轴设置；所述电机安装板307位于圆盘形滤网309上方；电机安装板307轴线处开设有通孔；所述电机安装板307下方安装串联式无刷电机308；所述串联式无刷电机308与电机安装板307同轴设置，且串联式无刷电机308安装于电机安装板307的通孔处。

所述圆盘形滤网309水平设置；所述圆盘形滤网309与外框架302同轴设置；所述圆盘形滤网309位于挡尘板311和圆柱形滤网310上方。

所述挡尘板311水平设置，且挡尘板311与外框架302同轴设置，且挡尘板311的中心开设有圆孔；所述挡尘板311上顶面安装有同轴设置的圆柱形滤网310；所述圆柱形滤网310罩设于挡尘板311的圆孔。

圆盘形滤网309位于串联式无刷电机308的入口。串联式无刷电机308工作，产生负压。圆盘形滤网309和挡尘板311形成一集尘空腔。

所述外框架302外壁周向均布有至少两条直线导轨303；所述直线导轨303竖向设置，直线导轨303顶部与挡板301下底面相贴合；所述直线导轨303穿设于直线滑块304；所述外框架302外壁安装有直线电机推杆305；所述直线电机推杆305的顶端与挡板301下底面相贴合。所述直线滑块304和直线电机推杆305搭载于外置运载设备，外置运载设备用以带动本除尘机构横向运动，并且根据地面的凹凸情况，通过直线电机推杆305带动本除尘机构垂直动作。直线导轨303和直线电机推杆305组成了抬升装置。直线电机推杆305动作，抬升除尘机构，从而确保清洁装置与壁面为有效接触。

平面式圆盘刷头316覆盖整个凹面的清扫面积，圆柱形侧面刷头314与壁面凸起侧面接触，通过旋转对其侧面灰尘进行扫除。整个起尘装置由于需要高速旋转，所以采用直线电机驱动。起尘后灰尘受到刷头所产生的第一级吸力作用而往刷毛上方运动。灰尘脱离墙面后，起尘装置上方设置过滤的挡尘板311，中心为圆柱形滤网310，灰尘易进不易出，挡尘板311上方设置串联式无刷电机308产生负压环境产生第二级吸力。为确保灰尘的过滤效果，在串联式无刷电机308的进风口设置圆柱形滤网310，对灰尘进行二次过滤。挡尘板()与无刷电机()中间区域作为储尘室。为确保整体装置的灰尘吸附效果，每部分机构与外部框架间都采用密封胶密封。

本发明的工作过程为：将组合式超高压变流阀监控与除尘机器人放置于待处理工作环境，提前在工作地面铺设光带。母机全方位移动承载平台模块100，通过光学传感器117检测与地面光带的偏差，控制底部全向轮116转动，沿着光带移动，保证运动轨迹准确。

工控机400记录机全方位移动承载平台模块实时位置，通过辨别光电模块传回信号实时调整全方位移动承载平台位置和转弯，当其单次运动达到预设值时机器人控制终端停止其运动的同时发送衔接模块启动指令与子机释放信号。

子机攀爬监控模块200将坐标信息传递给母机全方位移动承载平台模块100，工控机400控制母机全方位移动承载平台模块100移动，同时支撑板105转动，保证承载平台角度、位置可靠，确保两者衔接流畅。子机攀爬监控模块200机身安装工业吸附链条217，以压紧轮213压紧，保证链条张紧，运动平稳可靠。

子机攀爬监控模块200离开母机全方位移动承载平台模块100爬上工作壁面。当超声波探测模块202检测到障碍物后将检测信号传送给机器人控制终端，终端通过判断之后若为小障碍，则发送避障信号给清洁模块300，控制直线电机推杆305将清洁模块抬升后进行跃障。若为大障碍则发送电机反转信号控制子机攀爬监控模块200返回。子机攀爬监控模块200运行过程中，红外探测装置204以及视频探测装置203探测信号通过wifi无线通讯实时传递至外界。当母机全方位移动承载平台模块100探测到子机攀爬监控模块200的返回信号后判断其返回是否成功，若成功，工控机400向母机全方位移动承载平台模块100发送启动信号、向清洁模块300发送停止工作信号。若失败向子机攀爬监控模块200发送退回信号，进行重新对接。

整机外壳涂有外表面涂层材料，减弱信号传递中的电磁干扰。

本说明书实施例所述内容仅仅是对发明构思所实现形式的列举，本发明的保护范围不应当仅局限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围及于本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。