技术领域
[0001] 本
发明属于机器人控制与电
力工程技术领域，特别是一种带电作业机器人拆装避雷器的方法。
背景技术
[0002] 金属
氧化物避雷器作为电力系统中过
电压防护的主要设备被广泛应用于电力系统输配电线路中。在配
电网的长期运行中，金属氧化物避雷器可能出现
螺母松动、瓷套破裂、
橡胶圈老化等问题，需要更换。当前配电线路中带电作业更换金属氧化物避雷器主要采用绝缘手套作业法，在该种作业方法中作业人员需要穿戴全套绝缘防护用具，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。但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中作业，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，可能造成相间
短路事件，对作业人员的人身安全造成威胁。
[0003] 中国
专利申请号CN201611129533.5公开了一种带电作业机器人耐张绝缘子更换方法，以及中国专利申请号CN201611128518.9公开了一种带电作业机器人的隔离刀闸更换方法，均采用机器人完成作业任务，但均需要使用三个
机械臂配合，而在绝缘斗壁车狭小的空间中，三个机械臂的控制比较复杂，容易相互干扰，发生碰撞而使机械臂损坏。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于提供一种带电作业机器人拆装避雷器的方法，以解决在不断电的情况下，拆装避雷器所产生的安全问题。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0006] 一种带电作业机器人拆装避雷器的方法，基于机器人平台上的主机械臂、副机械臂和采集作业场景图像数据的摄像头，通过控制室控制机械臂完成以下工作：
[0007] 副机械臂夹持避雷器上端高压引线；主机械臂抓紧避雷器上端，主机械臂末端
气动扳手将避雷器上螺母对准并拆除上端螺母；副机械臂夹持高压引线使高压引线与避雷器上端
螺栓完全脱离，然后夹持高压引线远离作业区域；
[0008] 主机械臂气动扳手向下移动套准避雷器上端螺母，将拆除的上螺母重新安装到避雷器上螺栓处后松开避雷器；主机械臂旋转180度后抓紧避雷器下端
位置，拆除下螺母，使下螺母与避雷器脱离；主机械臂夹持避雷器向上抬起一段距离，使固定避雷器螺栓与横担脱离，将拆下的避雷器安装在工具箱上；
[0009] 主机械臂夹住新避雷器下端，对准并拆下新避雷器下螺母，将下螺母与避雷器脱离；主机械臂夹住新避雷器向上移动与工具箱脱离；主机械臂夹持新避雷器到横担上方，使新避雷器下端固定螺栓插入到横担上的固定孔中；将下螺母与新避雷器下端螺栓套准并拧紧；主机械臂抓紧新避雷器，对准并拆除上螺母，并使其脱离避雷器上螺栓；副机械臂夹持高压引线移动到新的避雷器上端附近，并使高压引线末端固定孔穿入新避雷器上端螺栓；主机械臂拧紧上螺母。
[0011] (1)本发明能够在不断电情况下通过带电作业机器人的机械臂对金属氧化物避雷器进行更换，避免了停电带来的负面影响，提高供电可靠性。
[0012] (2)本发明使用的带电作业机器人可以使操作人员在地面控制室内使用遥操作与自主相结合的方式完成金属氧化物避雷器的更换任务，相比于绝缘手套作业法，能使操作人员远离高空、危险的作业环境，避免触电、高空坠落等意外情况的发生。
[0013] (3)本发明使用的带电作业机器人提供了遥操作与自主两种作业方式，可以使作业人员随时接管机械臂的控制，使用遥操作避免意外情况的发生。
[0014] (4)本发明使用了专
门设计的气动夹具进行金属氧化物避雷器的拆装，相比于其他的带电作业机器人只需要两个机械臂即可完成作业任务，降低作业难度的同时提高了作业效率。
[0015] (5)本发明的第二气动夹具设有两个转
角气缸，可实现气动扳手正反转的切换，同时可避免螺母的脱落，结构紧凑巧妙。
[0016] 下面结合
附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
[0018] 图2为本发明带电作业机器人一种
实施例的整体结构示意图；
[0019] 图3为本发明中机器人平台的结构示意图；
[0020] 图4为本发明中第一气动夹具一种实施例的整体结构示意图；
[0021] 图5为本发明中第二气动夹具一种实施例的整体结构示意图；
[0022] 图6为本发明中绝缘斗臂车的系统组成
框图；
[0023] 图7为本发明中机械臂的结构示意图；
[0024] 图8为本发明中摆放架的结构示意图；
[0025] 图9为本发明带电作业机器人作业环境示意图。
具体实施方式
[0026] 为了说明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
[0027] 结合图1，本发明的一种带电作业机器人拆装避雷器的方法，基于机器人平台上的主机械臂、副机械臂和采集作业场景图像数据的摄像头，通过控制室控制机械臂完成以下工作：
[0028] 副机械臂43夹持避雷器120上端高压引线101；主机械臂42抓紧避雷器120上端，主机械臂42末端气动扳手将避雷器120上螺母103对准并拆除上端螺母103；副机械臂43夹持高压引线101使高压引线101与避雷器120上端螺栓完全脱离；
[0029] 主机械臂42末端气动扳手向下移动套准避雷器120上端螺母103，将拆除的上螺母103重新安装到避雷器120上螺栓处后松开避雷器120；主机械臂42旋转180度后抓紧避雷器
120下端位置，拆除下螺母102，使下螺母102与避雷器120脱离；主机械臂42夹持避雷器120向上抬起一段距离，使固定避雷器120螺栓与横担104脱离，将拆下的避雷器120安装在工具箱47上；
[0030] 主机械臂42夹住新避雷器120下端，对准并拆下新的避雷器120下螺母102，将下螺母102与避雷器120脱离；主机械臂42夹住新避雷器120向上移动与工具箱47脱离；主机械臂42夹持新避雷器120到横担104上方，使新避雷器120下端固定螺栓插入到横担104上的固定孔中；将下螺母102与新避雷器120下端螺栓套准并拧紧；主机械臂42抓紧新避雷器120，对准并拆除上螺母102，并使其脱离避雷器120上螺栓；副机械臂43夹持高压引线101移动到新的避雷器120上端附近，并使高压引线101末端固定孔穿入新避雷器120上端螺栓；主机械臂
42拧紧上螺母102。
[0031] 结合图2、图3，本发明的带电作业机器人，包括斗臂车1、控制室2、伸缩臂3、机器人平台4；所述绝缘斗臂车1上架设控制室2和伸缩臂3，伸缩臂3上端连接机器人平台4，所述绝缘斗臂车1上装有发
电机，用以给控制室2及伸缩臂3供电；
[0032] 所述机器人平台4设有全景摄像头41、主机械臂42、副机械臂43、空压机44、双目摄像头45、绝缘柱46、控制柜48、
蓄电池49和通信模
块。
[0033] 所述
蓄电池49为主机械臂42、副机械臂43、空压机44、摄像头和通信模块供电；所述全景摄像头41用以采集作业场景的图像数据，将图像数据通过机器人平台4的通信模块发送给控制室2；所述主机械臂42和副机械臂43底部通过绝缘柱46与机器人平台4相连，将这两个机械臂的
外壳与机器人平台4绝缘；所述主机械臂42和副机械臂43上均设有双目摄像头45，用以采集作业场景的图像数据，将图像数据发送给控制室2；所述主机械臂42、副机械臂43末端均设有气动夹具，所述空压机44用于向气动夹具提供动力，以控制气动夹具的运动；所述控制柜48通过通信模块接收来自控制室2的机械臂运动控制数据，控制机械臂到达相应位置，所述副机械臂43通过第一气动夹具6配合完成带电作业，所述主机械臂42通过第二气动夹具完成夹持避雷器并进行作业操作。
[0034] 作为一种实施方式，结合图4，所述副机械臂43上的第一气动夹具6包括两个固定块60、第一气缸601、两个相对设置的夹爪602；所述第一气缸601设置在两个固定块60之间，两个固定块60末端连接有夹爪602；一个固定块60与副机械臂43末端相连；另一个固定块60可在第一气缸601的带动下，相对前述固定块60来回移动，从而带动两个夹爪602的夹合和分离。
[0035] 作为一种实施方式，结合图5，所述主机械臂42上的第二气动夹具包括第一气动夹具6、
固定板50、直线气缸503、
导轨507、滑块508、安装板506、气动扳手502、第一转角气缸504、第二转角气缸505；
[0036] 所述固定板50与主机械臂42的末端相连；所述第一气动夹具6设置在固定板50的下端，用于夹持避雷器；所述直线气缸503设置在固定板50的上端，直线气缸503的
活塞杆与安装板506相连；所述气动扳手502固定在安装板506上，气动扳手502底部设有套筒，用于拧紧和拧开避雷器上的螺母；所述套筒正对第一气动夹具6的夹爪中间；所述安装板506两端分别固定有滑块508；所述固定板50上还设有两个导轨507，所述导轨507轴向与直线气缸503的轴向平行，所述滑块508可沿导轨507上下滑动；所述气动扳手502下端设有第一转角气缸504，所述转角气缸504上连接有两个L形
挡板509；所述两个L形挡板509之间设有间隙，用于避开待拧螺母上的螺杆；未工作状态，两个L形挡板509位于套筒侧边，螺母拧松后，第一转角气缸504带动L形挡板509转向套筒下端，两个L形挡板509
支撑螺母下端两侧，避免螺母从套筒内脱落；所述第二转角气缸505固定在气动扳手502上端，所述第二转角气缸505固定在气动扳手502上端，所述第二转角气缸505连接有夹块510，夹块510上设有凹槽，凹槽卡入气动扳手502上的正反转旋钮502-1，第二转角气缸505转向带动夹块510旋转，从而带动旋钮转动，实现气动扳手502的正反转，以拧紧或拧松螺母。
[0037] 进一步的，所述两个L形挡板之间的距离可调整，以实现不同尺寸螺母的支撑。
[0038] 进一步的，所述夹爪602中心设有半圆形凹槽，用以卡入如避雷器的外圆环。
[0039] 作为本发明一个实施例，结合图7，所述机械臂均为六
自由度机械臂，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；
控制室2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。
[0040] 进一步的，所述机械臂外部均包裹绝缘材料。
[0041] 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。
[0042] 作为一种实施方式，结合图6，所述控制室2包括第一工控机、第二工控机、显示器、主遥操作杆、副遥操作杆、通信模块；所述主遥操作杆和副遥操作杆分别对应主机械臂42和副机械臂43，构成主从操作关系；第二工控机内置
图像处理器和带电作业动作序列库、显示屏和主操作手位于控制室内；所述摄像头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。
[0043] 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；所述摄像头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避雷器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。
[0044] 进一步的，所述主机械臂42、副机械臂43均为六自由度机械臂并包裹绝缘材料，[0045] 进一步的，所述双目摄像头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。
[0046] 进一步的，所述机器人平台4还设有专用工具箱47，所述专用工具箱47是放置第一气动夹具6、第二气动夹具、气动扳手502等作业工具的场所。结合图8，所述专用工具箱47上还设有避雷器的摆放架，如拆装避雷器时，所述摆放架结构与横担结构相同，其上设有多个安装孔，用于安装避雷器。
[0047] 进一步的，所述伸缩臂3设有沿伸缩方向的驱动装置，操作人员可以通过控制室2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。
[0048] 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遥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移动至避雷器附近。
[0049] 如果选择人工远程遥操作，则由第二工控机根据双目图像和全景图像构建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，作业人员改变主遥操作杆
姿态后，主遥操作杆中各关节的光电编码器采集各
关节角度，各主遥操作杆的微型
控制器通过串口将各关节的角度数据发送给第二工控机。第二工控机将主遥操作杆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，以完成带电作业。
[0050] 如果选择自主作业，则由第二工控机根据双目图像和全景图像计算获取避雷器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，以完成带电作业。
[0051] 实施例1：
[0052] 本发明的带电作业机器人拆装避雷器的方法，结合图9，包括以下步骤：
[0053] 1、工作人员进行带电作业机器人更换金属氧化物避雷器120的作业准备，检查气象条件、核对杆塔号、布置现场、对绝缘用具进行检查测试。
[0054] 1.1检查气象条件、周围环境、线路装置和安全措施；
[0055] 1.2布置现场：在工作现场设置安全护栏、作业标志、和相关警示标志；
[0056] 1.3对绝缘用具进行检查测试：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。
[0057] 2、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
移动机器人平台4至作业位置附近
[0058] 2.1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。
[0059] 2.2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。
[0060] 3、控制室2内操作人员通过主、副遥操作杆控制主机械臂42与副机械臂43对作业范围内的
导线、绝缘子串、横担104进行必要的绝缘遮蔽。
[0061] 3.1控制室2内操作人员根据机器人平台4上的全景摄像头41返回的实景作业现场图像对作业范围内在绝缘安全距离内的带电体进行标记。
[0062] 所述的标记方式为作业人员通过控制室2内触摸显示器显示的作业现场实时图像，对
视野中的带电体进行手动框取。
[0063] 3.2主机械臂42与副机械臂43夹持绝缘遮蔽材料(专用绝缘护套，环氧玻璃布)对标记带电体进行绝缘遮蔽。
[0064] 4、主机械臂42与副机械臂43拆除杆塔100横担104上的金属氧化物避雷器120。
[0065] 4.1.拆卸避雷器上螺母103
[0066] 4.1.1通过观察控制室2内的显示器上显示的作业现场的实时图像，操作主遥操作杆控制主机械臂42到达金属氧化物避雷器120附近，使得避雷器120上端部分完整出现在安装于主机械臂上的双目摄像头视野内。
[0067] 4.1.2第二工控机使用图像目标检测
算法与双目测量原理从双目摄像头传送的包含避雷器的图像，识别并
定位避雷器上端螺母的三维空间位置与姿态。
[0068] 4.1.3第二工控机将4.1.2中测量得到的避雷器上端螺母的三维空间位置与姿态数据通过控制室2内的通信模块传送给第一工控机，第一工控机通过机械臂运动学解算与轨迹规划算法规划出机械臂运动轨迹。
[0069] 4.1.4第一工控机通过控制室2内的通信模块将机械臂运动轨迹数据传送到机器人平台4中的机械臂控制柜48。
[0070] 4.1.5安装在主机械臂42末端的绝缘材料制成的夹爪602打开，机械臂控制柜48使用接收到的机械臂轨迹数据控制主机械臂42移动到避雷器120相应位置。
[0071] 4.1.6主机械臂42使用安装在末端的夹爪602抓紧避雷器120上端位置，并通过气动扳手502套筒与避雷器上螺母102对准。
[0072] 4.1.7通过观察控制室2内的显示器上显示的作业现场的实时图像，操作副遥操作杆控制副机械臂43移动到避雷器120高压引线101附近，并用安装在副机械臂43末端的夹爪602抓紧高压引线101，防止上端高压引线101在拆卸避雷器上螺母103时发生晃动，影响后续动作的进行。
[0073] 4.1.8安装在主机械臂42末端的气动扳手502开启，向下移动套准避雷器120上端螺母103，拆除上端螺母103并使其脱离避雷器120上螺栓，第一转角气缸504转动90度，使安装在第一转角气缸504末端的L形挡板509盖住扳手套筒，防止螺母掉落。
[0074] 4.2拆卸避雷器高压引线101
[0075] 4.2.1通过观察控制室2内的显示器上显示的作业现场的实时图像，操作副遥操作杆控制副机械臂43夹持高压引线101向上移动一段距离，使高压引线101与避雷器120上端螺栓103完全脱离，然后夹持高压引线101远离作业区域。
[0076] 4.2.2安装在主机械臂42末端的气动扳手502开启，向下移动套准避雷器120上螺母103，将拆除的上螺母103重新安装到避雷器120上螺栓处。
[0077] 4.2.3安装在主机械臂42末端的夹爪501松开，停止夹持避雷器120，主机械臂42向后移动，离开避雷器一段距离。
[0078] 4.3拆卸避雷器下螺母102
[0079] 4.3.1主机械臂42末端顺
时针旋转180度，使末端气动扳手502开口朝上。
[0080] 4.3.2主机械臂42移动到避雷器120附近，然后用安装在末端的夹爪501抓紧避雷器120下端位置，并使气动扳手502开口与避雷器下螺母102对准。
[0081] 4.3.3主机械臂42末端的气动扳手502开启，向上移动，套准下螺母102，将下螺母102拆下，并使其与避雷器120脱离。
[0082] 4.4拆卸避雷器120
[0083] 4.4.1主机械臂42末端的第二气动夹具上的夹爪501夹持住避雷器120向上抬起一段距离，使固定避雷器120的螺栓与横担104脱离。
[0084] 4.4.2主机械臂42水平向后移动，使避雷器120远离安装区域。
[0085] 4.4.3主机械臂42夹持拆下的避雷器120，移动到工具箱47处，将拆下的避雷器使用主机械臂42末端气动扳手502所携带的下螺母102安装在工具箱47上的摆放架上，并拧紧。
[0086] 5、主机械臂42与副机械臂43安装新的避雷器120。
[0087] 5.1放置新避雷器120
[0088] 5.1.1主机械臂42调整末端姿态，使末端的气动扳手502开口朝上，移动到机械臂专用工具箱47中放置新避雷器的位置附近。
[0089] 5.1.2主机械臂42使用末端的夹爪501夹住新避雷器120下端位置，并使气动扳手502开孔与固定新避雷器120的下螺母102对准。
[0090] 5.1.3主机械臂42末端的气动套筒扳手502开启，向上移动，套准下螺母102，将下螺母102拆下，并使其与避雷器120脱离。
[0091] 5.1.4主机械臂42使用末端的夹爪501夹住新避雷器120向上移动，使其与工具箱47中安装板上的安装孔脱离，将新避雷器120从工具箱47中取出。
[0092] 5.1.4主机械臂42夹持新避雷器120到横担104上方，并使避雷器120下方固定螺栓102与横担104上的固定孔对准。
[0093] 5.1.5主机械臂42向下移动一段距离，使新避雷器120的下端固定螺栓完全插入到横担104上的固定孔中。
[0094] 5.2固定下螺母102。
[0095] 5.2.1主机械臂42末端的气动扳手502开启，向上移动，将下螺母102与新避雷器120下端螺栓套准并拧紧。
[0096] 5.2.2主机械臂42末端的夹爪501松开，停止夹持新避雷器120，并向后移动，离开新的避雷器120一段距离。
[0097] 5.2.3主机械臂42末端逆时针旋转180度，使末端的气动扳手502开口朝下。
[0098] 5.3固定高压引线101。
[0099] 5.3.1主机械臂42移动到新避雷器120附近，用末端的夹爪501抓紧新避雷器120上端位置，并使气动扳手502开口与携带在避雷器120上端的上螺母103对准。
[0100] 5.3.2主机械臂42末端的气动扳手502开启，向下移动套准上螺母103，拆除上螺母103并使其脱离避雷器120上螺栓。
[0101] 5.3.3通过观察控制室2内的显示器上显示的作业现场的实时图像，操作副遥操作杆控制副机械臂43夹持高压引线101移动到新的避雷器120上端附近，并使高压引线101末端固定孔与新避雷器120上端螺栓对准。
[0102] 5.3.4副机械臂43夹持高压引线101向正下方移动，使新避雷器120上端螺栓完全穿过高压引线101的固定孔。
[0103] 5.4固定上螺母103。
[0104] 5.4.1主机械臂42末端的气动扳手502开启，向下移动套准并拧紧上螺母103。
[0105] 5.4.2操作副遥操作杆控制安装在副机械臂43末端的第一气动夹具6松开，停止夹持高压引线101，副机械臂43向后移动，离开横担104上方作业区域。
[0106] 5.4.3主机械臂42末端的绝缘夹爪501松开，停止夹持避雷器120，并向后移动，离开横担104上方作业区域。
[0107] 6、控制室2内操作人员通过主、副遥操作杆控制主机械臂42与副机械臂43拆除导线，绝缘子串，横担104上的绝缘遮蔽。
[0108] 7、工作人员撤离杆塔100。
[0109] 本发明的带电作业机器人，代替了人工带电作业的方式，降低了作业危险性并提高了作业效率，能使操作人员远离高空、危险的作业环境，避免触电、高空坠落等意外情况的发生。相比于其他的带电作业机器人只需要两个机械臂即可完成作业任务，降低作业难度的同时提高了作业效率。
