一种带电作业机器人的多级绝缘防护系统的制作方法

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种带电作业机器人的多级绝缘防护系统。

背景技术：

在高压带电作业过程中，操作人员需要采用绝缘手套，攀爬高压铁塔或借助绝缘斗臂车进行不停电作业，这就意味着操作人员要处在高空、高压、强电磁场的危险环境中，劳动强度大，且人体姿态不易控制，即使严格遵守安全操作规范并增加绝缘防护措施，也无法完全缓解作业人员的精神压力和体力损耗，稍有不慎就容易发生人身伤亡事故，给家庭和社会带来严重的损失。

采用机器人自主完成带电作业，不仅可以将工作人员从危险的、繁重的、精神紧张的工作中解放出来，有效避免带电作业时人员伤亡事故的发生，使带电作业更加安全，提高作业效率；同时还可以提高电网的运行质量，进一步减少供电系统的人员投入，降低人员成本，具有巨大的经济效益和社会效益。

绝缘防护措施是带电作业机器人能否完成带电作业工作的关键。如果没有完备可靠的绝缘安全防护措施，不但会给机器人和操作人员带来危害，还可能造成电网短路故障，后果不堪设想。国内现有的绝缘防护措施一般针对带电作业人员或者非自主式的带电作业机器人，不适用于自主完成带电作业的机器人。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电作业机器人的多级绝缘防护系统，以保障带电作业的作业效率和自动化水平，提高带电作业的操作安全性能。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电作业机器人的多级绝缘防护系统，带电作业机器人包括绝缘斗车，搭载在绝缘斗车上的机器人平台，安装在机器人平台上的第一机械臂、第二机械臂、辅助机械臂、全景摄像头、机械臂专用工具箱、第一工控机、蓄电池以及通信模块，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，所述绝缘斗车上设置有控制室，控制内设置有第一主操作手、第二主操作手以及辅助主操、显示器；第一主操作手、第二主操作手以及辅助主操作手分别用于控制第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂；所述控制室具有绝缘外壳；所述控制室与机器人平台之间采用光纤通信模块或者无线通信模块进行数据传输。

进一步，所述绝缘斗车为剪叉式升降机，剪叉式升降机与机器人平台之间通过绝缘子连接。

进一步，第一机械臂、第二机械臂、辅助机械臂、双目摄像头、全景摄像头、机械臂专用工具箱、第一工控机、蓄电池以及通信模块的外表面包裹环氧玻璃布；第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂通过绝缘子安装在机器人平台上。

进一步，机械臂专用工具箱、第一工控机、蓄电池以及机器人通信模块通过绝缘子安装在机器人平台上，且外围采用铝合金材料作屏蔽体。

进一步，安装在第一机械臂、第二机械臂和辅助机械臂端部的夹持工具由两个夹爪、传动装置、驱动装置、旋转装置和转接法兰组成；其中，具转接法兰用绝缘材料制成。

进一步，用于拆装螺栓的工具由圆环和固定夹片组成；夹爪夹紧圆环，固定夹片用于固定螺栓，由夹持工具的旋转装置进行360°旋转；其中，圆环由绝缘材料制成。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于；

（1）本发明绝缘防护系统针对10kV及以上高压带电作业环境，包括隔离控制室、剪叉式升降机和机器人绝缘作业平台3个部分；隔离控制室设有绝缘外壳，保证了地面工作人员的人身安全；剪叉式升降机与绝缘作业平台之间设有绝缘子，确保系统对地绝缘；机器人绝缘作业平台上各部件均进行了相应绝缘措施，防止带电作业时接触两相高压带电导线造成短路。

（2）绝缘防护系统采用多级绝缘进行安全防护，提高了自主带电作业机器人的绝缘性、安全性和可靠性，为高压带电作业机器人的实用化和产业化提供了重要的安全保障。

（3）在机械臂的表面喷涂绝缘材料或包裹耐高压的环氧玻璃布或绝缘织物，可以保证无缝隙绝缘效果的同时不影响机械臂的活动范围。

附图说明

图1是本发明的移动车以及隔离控制室的结构示意图；

图2是剪叉式升降机以及绝缘作业平台的结构示意图；

图3是驱动控制一体化的关节式机械臂结构示意图；

图4是驱动控制一体化的关节式机械臂的末端结构示意图；

图5是夹持工具的结构示意图；

图6是专用螺栓拆装工具的结构示意图；

图7是本发明多级绝缘防护结构示意图。

其中，1、移动车；2、隔离控制室；21、显示器；22、主操作手；23、第二工控机；25、隔离控制室通信模块；0、绝缘子；3、剪叉式升降机；30、支柱；31、绝缘轮胎；32、底座；33、剪叉；34、台面；4、绝缘作业平台；41、全景摄像头；42、辅助机械臂；43、第一机械臂；44、第二机械臂；45、双目摄像头；47、机械臂专用工具箱；48、第一工控机；49、蓄电池；411、机器人通信模块；43、驱动控制一体化的关节式机械臂；433、肩；434、大臂；436、小臂；437、腕；438、机械臂末端；6、夹持工具；61、夹爪；62、传动装置；63、驱动装置；64、旋转装置；65、绝缘转接法兰；7、专用螺栓拆装工具；71、圆环；72、固定夹片。

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的多级绝缘防护系统的多种实施方式。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，机器人多级绝缘防护系统包括与高压设备电场完全隔离的隔离控制室2，隔离控制室2设有绝缘外壳，处于一辆移动车1上；在带电作业现场设有升降用的剪叉式升降机3，剪叉式升降机3上面是机器人绝缘机器人平台4，两者之间设有绝缘子0；绝缘机器人平台4设有带电作业用的第一机械臂43、第二机械臂44和一个辅助机械臂42，这三个机械臂采用的是六自由度的驱动控制一体化的关节式机械臂5，表面均喷涂绝缘材料或包裹耐高压的环氧玻璃布或绝缘织物，防止相间短路，机械臂与绝缘作业平台之间设有绝缘性能良好的绝缘子；绝缘作业平台4上还放有机械臂专用工具箱47、第一工控机48、蓄电池49以及机器人通信模块411，它们均采用电磁屏蔽效果好的铝合金材料作屏蔽体，并与绝缘作业平台之间设有绝缘子；在机器人绝缘作业平台上方放置一个用绝缘材料包裹的全景摄像头41；在三个机械臂的腕部位置分别放置一个双目摄像头45，用于获取作业对象的目标位姿，双目摄像头45外围由硅胶材质包裹，保证摄像头在随机械臂一起运动的过程中不受高压电场的影响，从而保障机器人在自主带电作业时的安全性能，提高带电作业的作业效率和自动化水平。

所述隔离控制室2设有绝缘外壳，操作人员处于隔离控制室2中。在隔离控制室2设有显示器21、主操作手22、第二工控机23和隔离控制室通信模块25。操作人员从显示器21上获得带电作业现场的情况，操纵主操作手22，监控绝缘作业平台4上的机械臂作业情况；主操作手22通过无线通信与光纤通信方式控制绝缘作业平台4上机械臂的动作，保证了操作人员与高压设备电场完全隔离。

所述剪叉式升降机3底座32的下方安装了绝缘轮胎31，便于移动；当剪叉式升降机3不工作时，通过剪叉33向下的运动，台面34处于低位；当剪叉式升降机3工作时，通过剪叉33向上的运动，台面34处于高位。因为机器人要在高压状态下带电作业，所以台面34与绝缘作业平台4之间设有绝缘性能良好的绝缘子。

所述绝缘作业平台4上设有用绝缘材料包裹的全景摄像头41、辅助机械臂42、第一机械臂43、第二机械臂44、机械臂专用工具箱47、第一工控机48、蓄电池49以及机器人通信模块411。三个机械臂均采用六自由度的驱动控制一体化的关节式机械臂5，表面均喷涂绝缘材料或包裹耐高压的环氧玻璃布或绝缘织物，起到机械臂本体遮蔽或隔离的保护作用，防止相间短路。三个机械臂与绝缘作业平台之间设有绝缘性能良好的绝缘子。机械臂专用工具箱47里放的是机械臂带电作业时使用的绝缘工具。蓄电池49给机械臂供电。机械臂专用工具箱47、第一工控机48、蓄电池49以及机器人通信模块411外围均采用电磁屏蔽效果好的铝合金材料作屏蔽体，并与绝缘作业平台4之间设有绝缘性能良好的绝缘子。

所述六自由度的驱动控制一体化的关节式机械臂43，由肩433、大臂434、小臂436和腕437组成，其中：腕437有三个自由度，其他各有一个自由度。在机械臂的表面喷涂绝缘材料或包裹耐高压的环氧玻璃布或绝缘织物，可以保证无缝隙绝缘效果的同时不影响机械臂的活动范围。

所述专用绝缘工具包括夹持工具6、专用螺栓拆装工具7。夹持工具6采用电力驱动方式，由两个夹爪61、传动装置62、驱动装置63、旋转装置64和绝缘转接法兰65组成，具有一定机械自适应能力，能够抓住不同形状的物体，且抓持力大、传动效率高、结构简单、重量轻。它与机械臂连接的地方采用绝缘材料制成，保证机器人带电作业时的安全性。专用螺栓拆装工具7，由圆环71和固定夹片72组成，通过夹持工具6的旋转，完成对螺栓的拆装。

带电作业机器人采用多级绝缘进行安全防护，一级绝缘是操作人员工作的隔离控制室2，外围设有绝缘外壳；机器人平台4置于剪叉式升降机3上，实现整个作业平台与地面操作人员之间的绝缘，这是二级绝缘；三级绝缘是机械臂的绝缘，包括第一机械臂43、第二机械臂44、辅助机械臂42本体的绝缘和安装在机械臂腕部位置的双目摄像头45的绝缘，机械臂表面均喷涂绝缘材料或包裹耐高压的环氧玻璃布或绝缘织物，双目摄像头45外围由绝缘材料包裹；机器人采用绝缘工具进行带电作业，这是四级绝缘；同时，无线通信与光纤通信的使用，可使地面操作人员远离机械手臂及高压线路，进行高压电气设备的更换和监控工作，极大地保证操作人员的安全，这是五级绝缘。具体技术方案如下：

如图1所示，一级绝缘是位于移动车1上的设有绝缘外壳的隔离控制室2。工作时，操作人员处于隔离控制室2中，采用主从控制方式操纵主操作手22遥控机械臂42、43、44抓取绝缘工具进行带电作业，利用双目摄像头45和全景摄像头41采集作业现场图片，经过计算机一系列的图像处理后，从显示器21上获得机器人绝缘工作平台4上的作业图像或动画。主操作手22与第一机械臂43、第二机械臂44同构，通过无线通信与光纤通信方式连接，避免直接接触高压设备，保证了地面工作人员的人身安全。

如图2所示，剪叉式升降机3是整个机器人作业系统的二级绝缘。它由台面34、剪叉33、底座32、绝缘轮胎31和支柱30组成。不工作时，支柱30处于收起状态，工作时，支柱30从底座放下，固定住剪叉式升降机3，防止它来回移动影响作业。当剪叉式升降机不工作时，通过剪叉33向下的运动，台面34处于低位；当剪叉式升降机工作时，通过剪叉33向上的运动，台面34处于高位，这样就能够既方便又安全地将机器人绝缘作业平台送至高处。剪叉式升降机3与绝缘作业平台4之间通过绝缘性能良好的绝缘子0连接，确保自主带电作业机器人系统对地绝缘。

绝缘作业平台4上设有用环氧玻璃布包裹的全景摄像头41、辅助机械臂42、第一机械臂43、第二机械臂44、机械臂专用工具箱47、第一工控机48、蓄电池49以及机器人通信模块411。机械臂42、43、44与绝缘作业平台4之间设有绝缘性能良好的绝缘子。机械臂专用工具箱47里放的是机械臂带电作业时使用的专用绝缘工具。蓄电池49给机械臂供电。机械臂专用工具箱47、第一工控机48、蓄电池49以及机器人通信模块411外围均采用电磁屏蔽效果好的铝合金材料作屏蔽体，并与绝缘作业平台4之间设有绝缘性能良好的绝缘子。

三级绝缘是机械臂的绝缘，包括机械臂本体的绝缘和安装在腕部位置的双目摄像头的绝缘。如图3所示，驱动控制一体化的关节式机械臂43有六个自由度，由肩433、大臂434、小臂436、腕437组成，其中：腕437有三个自由度，其他各有一个自由度，能灵活运动。在机械臂的表面喷涂绝缘材料或包裹耐高压的环氧玻璃布或绝缘织物，达到了无缝隙绝缘，防止相间短路，另外还不影响机械臂的工作范围。如图1所示，双目摄像头45安装在三个机械臂的腕部位置，用于获取作业对象的目标位姿，体现了机器人带电作业的自主性。为了防止相间短路，双目摄像头45的外围用绝缘材料包裹。根据双目摄像头45的尺寸建模，设计绝缘外壳的形状，采用橡胶材质加工绝缘外壳的模具，然后将双目摄像头包裹在其中，最后通过橡胶材质将双目摄像头固定在第一机械臂43和第二机械臂44的腕部位置。

四级绝缘是专用绝缘工具的使用。如图5所示是夹持工具6，采用电力驱动方式，由两个夹爪61、传动装置62、驱动装置63、旋转装置64和绝缘转接法兰65组成，具有一定机械自适应能力，能够抓住不同形状的物体，且抓持力大、传动效率高、结构简单、重量轻。它通过夹爪61的张开和闭合，实现对其他工具的松开和夹紧。旋转装置64，可以360°旋转，更轻松地完成对任意姿态的工具的夹持。为了保证机器人带电作业时的安全性，绝缘转接法兰65用绝缘材料制成，与机械臂末端438契合，机械臂末端的示意图如图4所示。夹持工具6与机械臂末端438通过绝缘转接法兰65连接，绝缘转接法兰65采用绝缘材料制成，保证机器人带电作业时的安全性。它通过夹爪61的张开和闭合，实现对其他工具的松开和夹紧。旋转装置64，可以360°旋转，更轻松地完成对任意姿态的工具的夹持。专用螺栓拆装工具7，由圆环71和固定夹片72组成。使用时，夹爪61夹紧圆环71，固定夹片72用于固定螺栓，由夹持工具的旋转装置64进行360°旋转，从而实现对螺栓的拆装。特别的，圆环71由绝缘材料制成。

五级绝缘是无线、光纤通信的使用。隔离控制室与绝缘作业平台的第一工控机通过无线、光纤进行信号传递，保证了操作人员与高压电场完全隔离。

如图7所示，本发明采用多级绝缘防护，包括隔离控制室2、剪叉式升降机3、机械臂绝缘、专用绝缘工具和无线、光纤通信的使用。其中，专用绝缘工具包括夹持工具6和专用螺栓拆装工具7；机械臂绝缘包括：（1）机械臂表面喷涂绝缘材料或包裹耐高压的环氧玻璃布，（2）双目摄像头绝缘外壳；剪叉式升降机实现整个作业平台与地面操作人员之间的绝缘；隔离控制室和无线、光纤通信的使用，使地面操作人员远离机械手臂及高压线路，保证操作人员的安全。