一种特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人的制作方法

本实用新型涉及一种机器人，具体是一种特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人。

背景技术：

随着工业蓬勃发展，电网公司与电力市场、用户之间的协调和交互越来越密切、电能质量要求逐步提升、可再生能源发电数量不断增加，传统的电力系统已经越来越难以支撑如此多的发展要求，电网容量的增大和额定电压等级提高，电力系统输电线路污染程度不断加大，传统作业方式大大增加了输电线路运营成本及作业风险，不利于智能电网建设，特高压输电线路中瓷质参差不齐，零值绝缘子的检测/清扫是保证输电线路运行安全稳定的重要工作之一。方便、快速、准确、高效地实现输电线路中低、零值绝缘子的带电检测，并对损坏绝缘子进行清扫，长期以来是困扰特高压输电线路绝缘检测/清扫领域的技术难题。

目前绝缘子检测主要依靠人工操作。人工带电检测高压架空输电线路绝缘子，存在检测效率低、检测效果差、人工成本高、安全风险大等缺点。特别是现有一些比较准确的检测方法不能依靠人工在超高压、特高压线路的长绝缘子串上实施，导致超、特高压输电线路安全隐患越来越严重。随着智能电网发展战略的推进和智能化工业技术的发展，专用绝缘子检测机器人逐步发展成熟，并且已经在线路上试运行。应用机器人进行巡检作业，可有效替代人工完成绝缘子的检测，不仅可以减少因人员疏忽、漏检等带来的损失，而且可降低人员成本，尤其是解决超高压、特高压线路绝缘子检测问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人，主要包括外框、夹持臂、直线滑架和检测主机，所述外框底端边缘处内壁固定安装有直线滑架，两个所述直线滑架交错设置，所述直线滑架位于外框外侧的端部通过螺栓装配安装有夹持臂，所述外框顶端侧壁中部贯穿固定安装有夹持臂，三个所述夹持臂之间呈前后等距设置，全部所述夹持臂均竖直设置在外框中心及其延长线上，所述外框底端侧壁中部开设有与夹持臂配合的装配孔，所述外框左侧前部固定安装有检测主机，检测主机内部贯穿安装有电缆，电缆端部设置有导电头，导电头通过螺栓与夹持臂固定连接，所述检测主机经由电缆与夹持臂电性连接，所述检测主机通过线束与夹持臂和直线滑架电性连接。

作为本实用新型进一步的方案：所述夹持臂主要包括电机架、导向架、竖直齿条、包壳、顶架、丝杆、夹爪、摆板、丝杆套、外壳、转轴、夹爪电机、主动齿轮、压环和上下电机，所述电机架内侧左部固定安装有上下电机，上下电机前端固定安装有主动齿轮，所述电机架右端固定安装有导向架，导向架中部插接滑动安装有竖直齿条，竖直齿条与主动齿轮啮合连接，所述竖直齿条顶端固定安装有包壳，包壳顶端固定安装有外壳，外壳内侧下部固定安装有夹爪电机，夹爪电机的电机轴固定安装有转轴，所述外壳顶端固定安装有顶架，顶架内侧中部固定安装有与转轴配合的压环，所述顶架内侧边缘处转动安装有夹爪，所述转轴顶端固定安装有丝杆，丝杆外侧旋接安装有丝杆套，丝杆套左右两侧转动安装有摆板，摆板与夹爪转动连接。

作为本实用新型再进一步的方案：所述直线滑架主要包括滑杆、限位条、电机壳、滑架、横置齿条、横移电机、端板、传动轮和压接头，所述滑架底端与外框内壁固定连接，所述滑架侧壁固定安装有电机壳，电机壳内侧固定安装有横移电机，横移电机顶端固定安装有传动轮，所述滑架中部滑动安装有滑杆，滑杆上下侧壁固定安装有限位条，所述滑杆端部旋接安装有对称设置的压接头，所述滑杆侧壁通过压接头压接安装有横置齿条，横置齿条与传动轮啮合连接，所述滑架右侧固定安装有与横移电机配合的侧板，所述滑杆位于外框内部的一端固定安装有端板，所述滑杆靠近外框前后侧壁的一端固定安装有连接座，连接座通过螺栓与电机架固定连接。

作为本实用新型再进一步的方案：所述检测主机主要包括检修板、盖板、透镜、补光挡圈、主板、取像模块、壳体和锂电池，所述壳体底端后部内壁固定安装有主板，所述壳体底端前部内壁固定安装有锂电池，所述壳体顶端固定安装有检修板，检修板底端中部固定安装有取像模块，所述检修板中部嵌设安装有与取像模块配合的盖板，盖板中部嵌设固定安装有透镜，所述盖板顶端位于透镜边缘处嵌设安装有补光挡圈，所述电缆通过连接器插接安装在主板顶端，所述检修板和壳体内部开设有与电缆配合的通孔。

作为本实用新型再进一步的方案：所述外框前后侧壁开设有与连接座配合的开口。

作为本实用新型再进一步的方案：所述补光挡圈顶端设置有等距排列的led灯片。

作为本实用新型再进一步的方案：所述主板通过线束与锂电池电性连接。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型在结构上设计合理，通过机械臂末端手爪机构的导电，两两形成检测回路，从而达到检测绝缘子电阻的目的，提高了绝缘子检测的效率和安全性；采用三个机械臂手爪机构两两抓取绝缘子钢帽交替向前运动的机构，保证了检测时机构的稳定性和安全性，提高检测时的检测效率和自动化程度。

附图说明

图1为特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人的结构示意图。

图2为特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人俯视角度的结构示意图。

图3为特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人内部的俯视示意图。

图4为特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人中夹持臂的结构示意图。

图5为特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人中直线滑架左视角度的结构示意图。

图6为特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人中检测主机左视角度的剖视示意图。

图7为夹持臂中夹爪、丝杆、转轴和顶架之间的剖视示意图。

图8为夹持臂中竖直齿条、上下电机和主动齿轮之间左视角度的剖视示意图。

图9为直线滑架中滑杆、横置齿条和横移电机之间主视角度的剖视示意图。

图10为检测主机中透镜、壳体、补光挡圈和盖板之间俯视角度的位置示意图。

图11为特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人的系统示意图。

图12为特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人的控制系统示意图。

图13为特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人的绝缘子电阻检测原理图。

图14为特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人的升压电路图。

图中：外框1、检修板2、电机架3、导向架4、连接座5、竖直齿条6、包壳7、顶架8、丝杆9、夹爪10、摆板12、丝杆套13、外壳14、转轴15、夹爪电机16、主动齿轮17、压环18、上下电机19、滑杆20、电缆21、限位条22、电机壳23、装配孔24、滑架25、盖板26、透镜27、横置齿条28、横移电机29、端板30、传动轮31、压接头32、侧板33、补光挡圈35、导电头36、主板37、取像模块38、壳体39、锂电池40。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

请参阅图1～14，本实用新型实施例中，一种特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人，主要包括外框1、夹持臂、直线滑架和检测主机，所述外框1底端边缘处内壁固定安装有直线滑架，两个所述直线滑架交错设置，所述直线滑架位于外框1外侧的端部通过螺栓装配安装有夹持臂，所述外框1顶端侧壁中部贯穿固定安装有夹持臂，三个所述夹持臂之间呈前后等距设置，全部所述夹持臂均竖直设置在外框1中心及其延长线上，所述外框1底端侧壁中部开设有与夹持臂配合的装配孔24，所述外框1左侧前部固定安装有检测主机，检测主机内部贯穿安装有电缆21，电缆21端部设置有导电头36，导电头36通过螺栓与夹持臂固定连接，所述检测主机经由电缆21与夹持臂电性连接，所述检测主机通过线束与夹持臂和直线滑架电性连接。

所述夹持臂主要包括电机架3、导向架4、竖直齿条6、包壳7、顶架8、丝杆9、夹爪10、摆板12、丝杆套13、外壳14、转轴15、夹爪电机16、主动齿轮17、压环18和上下电机19，所述电机架3内侧左部固定安装有上下电机19，上下电机19前端固定安装有主动齿轮17，所述电机架3右端固定安装有导向架4，导向架4中部插接滑动安装有竖直齿条6，竖直齿条6与主动齿轮17啮合连接，所述竖直齿条6顶端固定安装有包壳7，包壳7顶端固定安装有外壳14，外壳14内侧下部固定安装有夹爪电机16，夹爪电机16的电机轴固定安装有转轴15，所述外壳14顶端固定安装有顶架8，顶架8内侧中部固定安装有与转轴15配合的压环18，所述顶架8内侧边缘处转动安装有夹爪10，所述转轴15顶端固定安装有丝杆9，丝杆9外侧旋接安装有丝杆套13，丝杆套13左右两侧转动安装有摆板12，摆板12与夹爪10转动连接。

所述直线滑架主要包括滑杆20、限位条22、电机壳23、滑架25、横置齿条28、横移电机29、端板30、传动轮31和压接头32，所述滑架25底端与外框1内壁固定连接，所述滑架25侧壁固定安装有电机壳23，电机壳23内侧固定安装有横移电机29，横移电机29顶端固定安装有传动轮31，所述滑架25中部滑动安装有滑杆20，滑杆20上下侧壁固定安装有限位条22，所述滑杆20端部旋接安装有对称设置的压接头32，所述滑杆20侧壁通过压接头32压接安装有横置齿条28，横置齿条28与传动轮31啮合连接，所述滑架25右侧固定安装有与横移电机29配合的侧板33，所述滑杆20位于外框1内部的一端固定安装有端板30，所述滑杆20靠近外框1前后侧壁的一端固定安装有连接座5，连接座5通过螺栓与电机架3固定连接。

所述检测主机主要包括检修板2、盖板26、透镜27、补光挡圈35、主板37、取像模块38、壳体39和锂电池40，所述壳体39底端后部内壁固定安装有主板37，所述壳体39底端前部内壁固定安装有锂电池40，所述壳体39顶端固定安装有检修板2，检修板2底端中部固定安装有取像模块38，所述检修板2中部嵌设安装有与取像模块38配合的盖板26，盖板26中部嵌设固定安装有透镜27，所述盖板26顶端位于透镜27边缘处嵌设安装有补光挡圈35，所述电缆21通过连接器插接安装在主板37顶端，所述检修板2和壳体39内部开设有与电缆21配合的通孔。

所述外框1前后侧壁开设有与连接座5配合的开口。

所述补光挡圈35顶端设置有等距排列的led灯片。

所述主板37通过线束与锂电池40电性连接。

本实用新型的工作原理是：

本实用新型涉及一种特高压输变电绝缘子零值检测、清扫机器人，方案设计的总体结构，三机械手绝缘带电检测装置，主要包括三个机械臂、平移机构和外形框架结构，其中每个机械臂包括机械手机构、升降机构以及辅助定位机构。三个机械手末端抓取结构同轴心固定。机械臂共在同一纵向线，固定在支撑底座上。三个机械臂均可上下移动，两侧机械臂可以自主水平伸缩移动。在检测输电线路上的绝缘子时，中间的第二机械臂和第一、第三机械臂中的任意一个或者三个机械手臂同时抓紧绝缘子钢帽形成一个或者两个回路对相应回路上的绝缘子的绝缘电阻进行检测；三个机械臂的圆弧形手爪机构可以上下运动，圆弧形手爪机构向上运动时抓紧绝缘子钢帽，圆弧形手爪机构向下运动时松开绝缘子钢帽。

第一和第三机械臂的前后伸缩运动可实现固定座的前后移动及整个装置的前后移动。在移动时先是第一和第二机械臂的圆弧形手爪机构抓紧钢帽，第三机械臂的圆弧形手爪机构松开钢帽向前伸缩运动到第二机械臂位置，然后第三机械臂和第二机械臂的圆弧形手爪机构抓紧钢帽，第一机械臂的圆弧形手爪机构松开钢帽并向前伸缩运动，从而使得整个装置向前运动，实现检测不同位置的绝缘子。第一和第三机械臂的前后伸缩运动也是通过齿轮齿条的传动实现的，齿轮通过平移电机带动转动，从而带动齿条移动，齿条带动固定在上面的第一和第三机械臂前后移动，从而实现机械臂的前后伸缩。

(2)抓取机械手设计

方案里设计的第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂如图2，分别包括手爪机构、丝杠螺母固定结构、丝杠、连杆机构、开合电机、齿条、升降电机、齿条固定结构、齿轮；两个手爪机构的末端通过丝杠螺母固定结构固定连接，两个连杆机构一端分别与两个手爪机构固定连接，两个连杆机构另一端分别与丝杠一端固定连接，丝杠另一端与开合电机相连，开合电机转动带动丝杠转动，丝杠带动连杆机构运动，从而带动手爪机构运动，实现机械臂的手爪机构张开与闭合；其中齿条与齿条固定结构固定连接，齿轮与齿条啮合在一起配合使用，升降电机与齿轮固定连接并带动齿轮旋转，实现机械臂的手爪机构上下伸缩运动。

机械臂的手爪机构为圆弧形手爪机构，采用导电导体，机械臂中间与圆弧形手爪机构相连的连杆机构由绝缘材料构成。

(3)平移伸缩结构设计

方案里机械臂的前后伸缩平移机构如图3，包括平移电机、齿条、齿轮，齿条与机械臂固定连接，齿条与齿轮啮合在一起并配合使用，平移电机带动齿轮转动，从而带动齿条移动，齿条带动机械臂前后移动，实现机械臂的前后伸缩。

(4)检测机构设计

检测机构主要由三个机械手爪和检测装置构成，通过检测机器人的机构检测，进行绝缘子电阻检测。当检测机器人的三个机械手爪移动到绝缘子片指定地点，通过触发检测指令进行检测，检测装置由转向操作来驱动配有金属检测器的检测设备操作，机械手爪的金属检测器与绝缘子两端金属部件接触，由检测结构舵机触发检测，读取绝缘片数据的电阻，舵机恢复检测机构的初识状态，完成一次绝缘子片信息检测操作。

(5)电源模块设计

绝缘子检测机器人电源供电方式主要采用锂电池供电，锂电池具备较高的能量密度，等比功率大、比能量高，近年来在寿命和稳定性方面有大幅提升，非常适合作为绝缘子检测机器人的供电电池。但是为了实现绝缘子检测机器人可持续工作，对工作环境中可混合使用的取电方式进行了研究，在检测机器人的锂电池即将用完时，开启备用供电方式，供电方式可以采用感应取电；

感应取电传输线系统是围绕磁能架空输电线路被转换成电能，在感应线圈和电池中，取电装置包括一个转换器，交流/直流转换单元，电源管理单元，及逆变器来实现致动器的打开和关闭运动。其中，周围的磁能转换器线被转换为交流电能，交流/直流转换单元将被转换成所需的交变直流，包括ac/dc，脉冲保护，和恒流充电电路，电源管理实现取电和充电的监测，和电池的管理；

绝缘子检测机器人控制系统总体分为：机器人本体部分和无线监控设备部分见下图，本体部分完成机器人位置信息的采集及判定，输出控制平移指令完成机器人智能前后爬行动作，机器人上运用多个位置传感器，电路采用pid闭环控制系统，向绝缘子电阻检测模块输出控制命令完成检测并读取检测信息，将绝缘子检测信息通过无线模块传输给无线监控设备，完成机器人与地面操作人员的人机信息交互。

绝缘子检测机器人本体系统软件采用c语言编程，软件平台应用iccavr编译平台和keilmdk软件编译平台，调试平台应用atmel的avrstudio4.02。软件采用模块化设计，易于维护和扩充，可移植性强。监控终端基于windows操作系统，采用visualc++进行终端软件编写。

(2)检测机器人检测系统设计

检测设备采用携带电阻检测仪器来判断绝缘子阻值信息。使用电压分布测量，然后读取每片单独绝缘子的耐压特征值。同时，架空线路绝缘子智能检测机器人，绝缘子检测仪通过机械手爪对测量绝缘子施加直流高电压，中央处理单元采集到检测绝缘子的泄露电流如下图，在绝缘子两端施加直流高压，收集泄漏电流，结合伏安法来计算绝缘子的测量绝缘电阻，检测误差在±10％。

架空线路绝缘子检测机器人运行到附近的绝缘子检测，通过检测相邻引脚之间的接触引发摆动机构的两端绝缘金属连接器，并触发电阻式检测仪或者是电压分布检测仪，对要测量的绝缘子进行测量，同时经过rs232信息接口读取检测结果，然后测量结果的无线通信发送到信息监控的手持终端上，从而进行绝缘子检测和历史绝缘子信息比较分析。

(3)图像检测系统设计

绝缘子外观完整性检测主要通过可见光摄像机可以获取绝缘子片外形的可见光图像，并以此判断是否存在故障隐患。

绝缘子外观完整性检测是在绝缘子机器人作业时最为重要的内容之一，机器人采集到图像到达设备状态识别模块后，通过模式识别、图像处理等相应算法解决复杂的室外环境下的设备状态识别，需要解决的主要问题有：

1)室外环境下图像预处理：由于室外复杂环境下，采集到的图像受光照，最终的成像效果不同，这就要求在对图像进一步处理前要对图像进行预处理。

2)图像匹配：受机器人作业停靠精度差影响，机器人采集到的图像与模板库中图像会有较大的偏差，如何快速识别出设备区域，需要进行图像匹配。

3)设备状态识别，主要包括绝缘子外观完整性识别。

该图像由于天气状况严重退化，不仅模糊，而且降低了对比度和彩色图像，得到的光强度会出现严重的颜色偏移和变形，大大降低了图像的值，对生产和寿命等方面影响很大。在绝缘子检测系统中，退化图像对识别绝缘子外观完整性造成很大的影响。对强光条件下获得的退化图像进行有效地处理有着非常重要的现实意义。

根据简单的图像形成模型，一幅图像可以表示见公式如下：

i(x，y)＝s(x，y)*r(x，y)

式中：(x，y)是图像中某像素的位置坐标，s表示照明，r表示对象物s的反射特性是由所述图像捕获设备获取所形成的反射光的图像。利用检测机器人对绝缘子串检测时，由于运行停靠偏差精度，使得图像中的点可能与模板图像有一定的偏差，对于后续的设备状态识别有一定的影响。利用一种基于角点特征的设备状态自动识别的方法，应用于绝缘子串检测机器人系统来代替作业人员在绝缘串上确认，对于线路巡检自动化具有重要的作用。

(4)防护功能设计

绝缘子检测机器人应用于超高压、特高压带电或停电作业，对线路自身安全性保护设计也是一项重点工作，其中保护功能设计包括：

1)欠压保护：当交直流输入电压低于欠压保护限值时，故障模块能够停止机器人作业返回初始位置并有声音报警输出，同时在远程监控设备也作出相应提示。

2)输出短路保护：当输出短路时，模块在瞬间输出电压下降到零，对额定输出电流在15％以下的短路电流限制和模块的输出功率非常小，以保护模块和电气设备。模块可以在短路情况下长期工作，不损坏，排除故障可自动恢复工作。

3)过流保护：主要是保护高功率器件，在转换器的每个周期，如果电流超过器件由电流承受，该模块将关闭以保护功率器件，过流保护可自动恢复。

4)过热保护：主要是保护大功率器件的结点温度和电流过载，这些设备具有安全极限，当模块检测自动启动风扇散热器温度保护超过85℃时，温度降至55℃时自动关闭散热器。

绝缘子串检测机器人保护设计是绝缘子安全运行的前提和保障，只有在安全机制具备的前提下，才能实现绝缘子串检测机器人在架空输电线路上的安全、可靠性工作，才能代替人工进行巡检作业，因此，绝缘子串检测机器人保护设计具有重要意义。

三、电场抗干扰设计

±800kv高压直流输电线路正常输电时绝缘子串周围存在较大场强，且随着绝缘子到线路的距离不同，电场强度有所不同。高压端绝缘子的电场强度约为304v/mm；绝缘子串中部的绝缘子电场强度约为55v/mm；低压端绝缘子电场强度约为60v/mm，不同类型绝缘子电场分布有所不同。具有均压环时，均压环附近的场强相对比较集中。不带均压环时，绝缘子端部电场畸变更为严重。检测装置的干扰主要来自输电线路周围电场以及其他仪器产生的电磁干扰。干扰主要包括各种谐波以及输电线路中的电流、电晕等产生各种频段的干扰信号；

(1)pcb板防干扰

pcb板在整个硬件电路中有着十分重要的作用，在实现控制功能的前提下要尽量减小板子的尺寸，减少pcb板不同器件之间的耦合干扰。每个电子元器件都接有去耦电容，且在电源端并入电容以消除电源高频脉冲，减少对集成电路干扰。最后，把控制板以及中央处理模块放进电场屏蔽盒中，使检测装置处在零电场的环境中，起到屏蔽绝缘子周围电场的效果。

(2)采用跳频技术降低通信干扰

为防止磁场环境对无线传输模块的影响，设计数传模块时采用cc1010芯片，此芯片具有支持跳频协议的特点。通过对cc1010寄存器的操作，设置多个频点，使通信可以在某些频率上正常工作，降低了磁场环境对通信的干扰。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。