一种GIS腔体内部检修维护机器人的制作方法

一种gis腔体内部检修维护机器人
技术领域
1.本发明属于输变电设备智能运维技术领域，更具体地，涉及一种gis腔体内部检修维护机器人。


背景技术：

2.我国对gis(气体绝缘金属封闭开关)设备的大规模应用始于20世纪70年代，现已在110(66)
‑
1000千伏电压等级中广泛应用。随着经济的发展，城市化速度加快，电力负荷随之猛增，高压供电进入城市中心成为大趋势。市区进行电力建设必然遇到征地，环保等问题。因此，城区变电站建设必须向小型化发展，gis设备也因此得到大力推广。与gis结构或功能相近的还包括有hgis(复合式组合开关设备)和gil(气体绝缘金属封闭输电线路)等设备。随之而来产生了gis设备的运行维护等一系列问题，由于gis设备结构紧凑，且腔体内充满 sf6气体，从而使其在维护和检修过程中有较大的困难。
3.目前，gis设备的维护管理主要为日常管理和运行中的维护。日常管理可由人工解决，对gis设备腔体内部的巡检可由内窥镜进行，但由于内窥镜存在巡视死角，且不能在腔体内部作业。实现腔体内部检修必须进行解体作业，无形中增加了停电时间，降低了作业效率。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种结构紧凑、操作简便、检测效果好、适用于多种类型设备的gis腔体内部检修维护机器人，本发明能够进入gis腔体底部开展微小异物的识别、清理等检修维护工作，能够极大地缩短gis设备检修处理时间，提高检修作业效率。
5.本发明采用如下的技术方案。一种gis腔体内部检修维护机器人，包括：机器人本体、主控单元、供电单元、前向双目视觉单元、背向双目视觉单元、行走单元、清扫单元、吸尘单元和擦拭单元，主控单元、供电单元设置在机器人本体内部；前向双目视觉单元设置在机器人本体外部前端，背向双目视觉单元设置在机器人本体外部后端；行走单元设置在机器人本体四角；清扫单元、吸尘单元和擦拭单元在机器人本体底部；
6.主控单元包括：mcu计算模块、cpu计算模块和无线ap路由模块；其中， mcu计算模块用于机器人传感数据的采集、融合和机器人控制；cpu计算模块用于视频采集，同时运行ros系统、机器视觉和定位导航算法；无线ap路由模块用于mcu计算模块与cpu计算模块进行网络交换，并以有线或无线的方式与上位机进行通信；
7.优选地，供电单元设置在机器人本体内部，包括锂电池组，用于为无线控制模式下机器人本体行进与作业提供能量。
8.优选地，前向双目视觉单元和背向双目视觉单元分别用于机器人前进和后退过程中的视觉定位功能，各由两个视觉传感器组成，分别与主控单元连接，基于图像特征提取与图像目标匹配来实现对行走路径中障碍物或异物的识别。
9.优选地，行走单元包括：移动轮、移动轮驱动装置，每只移动轮均与一个移动轮驱动装置相连接；移动轮驱动装置均设置在机器人本体内部，移动轮驱动装置包括：驱动电机和电机传动机构，电机传动机构通过连接轴与移动轮相连接，驱动电机控制端与主控单元相连接，驱动电机输出轴通过电机传动机构驱动移动轮。
10.优选地，机器人的移动轮为全向移动的麦克纳姆轮，外围安装无动力辊子作为轮胎，移动轮外部可用橡胶材料包裹，轮子外缘无金属部件外露。
11.优选地，清扫单元设置在机器人本体底部，包括：清扫旋转电机和软质清扫刷头，所述软质清扫刷头安装于所述清扫旋转电机的转动端，所述清扫旋转电机控制端与主控单元连接。
12.优选地，吸尘单元设置在机器人本体底部，包括：机器人本体内部的微型真空泵和滤尘袋，机器人底部条形吸尘口通过吸尘清洁管道连接至积尘过滤袋，再由管道连接至微型真空泵，最后通过管道与机器人外壳上的排风口连接，微型真空泵控制端与主控单元相连。
13.优选地，擦拭单元设置在机器人本体底部，包括：主带轮、从带轮、中间支撑轮、双层无毛纸带、电动升降装置、清洁剂储罐、蠕动泵和清洁剂喷口；
14.主带轮由旋转电机带动转动，所述中间支撑轮采用可升降式结构，由电动升降装置实现高度升降控制，中间支撑轮与所述主带轮和所述从带轮形成三角结构用于转动传送所述双层无毛纸带，所述中间支撑轮支撑在所述无毛纸带的内侧，蠕动泵用于抽取清洁剂储罐内的清洁液，通过软管向清洁剂喷口输送，并向双层无毛纸带喷洒。
15.优选地，被检修维护的设备为全水平式布置的gis主母线和分支母线、hgis 分支母线、gil管道母线或落地罐式断路器灭弧室。
16.本发明还提供了一种使用所述gis腔体内部检修维护机器人的检修维护方法，包括以下步骤：
17.步骤1，机器人由检修孔进入被检设备，利用前向双目视觉单元对被检设备内部进行视觉检测，对发现的异物进行视觉识别，判断异物尺寸；
18.步骤2，启动清扫单元和吸尘单元，开启被检设备底部清扫和吸尘功能，同时机器人沿异物分布方向向前行进；
19.步骤3，关闭清扫单元和吸尘单元，由机器人利用背向双目视觉单元对异物清理效果进行视觉检测；
20.步骤4，机器人退回原起始位置，启动擦拭单元，同时机器人沿异物分布方向向前行进；
21.步骤5，关闭擦拭单元，由机器人利用背向双目视觉单元对异物清理效果进行视觉检测；
22.步骤6，作业完成后，机器人退出被检设备。
23.本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的机器人本体前后均设有摄像头，解决了巡视死角的问题，同时机器人本体上多个作业单元可以按照人工检修处理标准进行腔体内部检修维护作业，避免了gis设备解体作业，能够快速完成gis设备内微小异物的检测和情况，极大地提高了作业效率。
附图说明
24.图1为本发明的一个实施例中gis腔体内部检修维护机器人的总体结构立体示意图；
25.图2为本发明的一个实施例中gis腔体内部检修维护机器人内部结构的俯视图；
26.图3为本发明的一个实施例中gis腔体内部检修维护机器人底部结构仰视图；
27.图4为本发明的一个实施例中gis腔体内部检修维护机器人内部擦拭单元结构示意图；
28.图5为本发明的一个实施例中gis腔体内部检修维护机器人在清扫与吸尘作业时的底部结构示意图；
29.图6为本发明的一个实施例中gis腔体内部检修维护机器人在擦拭作业时的底部结构示意图。
30.图中：
[0031]1‑
机器人本体；
[0032]2‑
主控单元；
[0033]3‑
供电单元；
[0034]4‑
前向双目视觉单元；
[0035]5‑
背向双目视觉单元；
[0036]6‑
行走单元；
[0037]
61
‑
移动轮；
[0038]
62
‑
移动轮驱动装置；
[0039]
63
‑
驱动电机；
[0040]
64
‑
电机传动机构；
[0041]7‑
清扫单元；
[0042]
71
‑
清扫旋转电机；
[0043]
72
‑
软质清扫刷头；
[0044]8‑
吸尘单元；
[0045]
81
‑
微型真空泵；
[0046]
82
‑
积尘过滤袋；
[0047]
83
‑
吸尘口；
[0048]
84
‑
吸尘管道；
[0049]9‑
擦拭单元；
[0050]
91
‑
主带轮；
[0051]
92
‑
从带轮；
[0052]
93
‑
中间支撑轮；
[0053]
94
‑
双层无毛纸带；
[0054]
95
‑
电动升降装置；
[0055]
96
‑
清洁剂储罐；
[0056]
97
‑
蠕动泵；
[0057]
98
‑
清洁剂喷口；
[0058]
10
‑
机器人控制线接口；
[0059]
11
‑
机器人天线接口。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图对本技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。
[0061]
实施例一：一种gis腔体内部检修维护机器人
[0062]
如图1所示，本发明提供了一种gis腔体内部检修维护机器人，包括：机器人本体1、主控单元2、供电单元3、前向双目视觉单元4、背向双目视觉单元 5、行走单元6、清扫单元7、吸尘单元8和擦拭单元9。
[0063]
主控单元2设置在机器人本体1内部，包括：mcu计算模块、高性能的cpu 计算模块和无线ap路由模块。
[0064]
mcu计算模块用于机器人传感数据的采集和融合，数据存储，底层驱动，机器人控制算法和整体控制逻辑，集成锂电池充放电管理及模块电源控制，具备 imu模块、测距传感器、避障传感器、防掉落传感器、摄像头补光灯驱动等外部单元模块接口，采用can总线与驱动模块进行通信，实现主控系统分布式控制。
[0065]
cpu计算模块用于视频采集，同时运行ros(robot operating system，机器人操作系统)系统、机器视觉和定位导航算法，可接入四路摄像头接口，在满足上层算法运行需求的同时，提高了整个控制系统的实时性，满足机器人多路视频采集的需求。
[0066]
无线ap路由模块用于mcu计算模块与cpu计算模块进行网络交换，并以有线或无线的方式与上位机进行通信，300m无线wifi能够满足机器人多路视频和数据传输。核心模块采用小尺寸高集成化设计，整体集成后的主控系统硬件尺寸可满足机器人狭小空间小型化的需求。
[0067]
可以理解的是，为满足机器人正常作业的功能需求，机器人的主控单元2 在狭小空间的约束下具备高性能的主控核心、电源管理、驱动、通信和传感检测等功能，同时主控单元2和其他外设应具备独立运行的功能，满足后期的调试维护工作。主控单元2的核心处理能力满足机器人的视觉算法运行之外需预留足够冗余，便于算法上的扩展升级。综上所述，机器人主控单元2具备小型化、高性能和可扩展性强等特点。
[0068]
供电单元3设置在机器人本体1内部，包括锂电池组，用于为无线控制模式下机器人本体1行进与作业提供能量。
[0069]
前向双目视觉单元4设置在机器人本体1外部前端，背向双目视觉单元5 设置在机器人本体1外部后端，分别用于机器人前进和后退过程中的视觉定位功能，各由两个视觉传感器组成，一个优选但非限制性的实施方式为均采用500 万像素小型化高清cmos摄像头模组，焦距4.2mm，可视角77
°
，监控距离0 至6米。同时摄像头采用标准uvc协议，兼容性强，可直接被windows、linux 等系统设备识别。每个视觉传感器均自带led补光灯环，补光灯环采用白光光源，亮度可由控制部件实时调节。
[0070]
为进一步拓展本实施例中gis腔体内部检修维护机器人的功能，前向双目视觉单元4和背向双目视觉单元5分别与主控单元连接，由主控单元2的高性能 cpu计算模块负责视频采集，同时实时运行ros系统和双目机器视觉算法，基于前向双目视觉单元4和背向双
目视觉单元5的采集图像，可以基于机器人视觉检测技术，基于图像特征提取与图像目标匹配来实现对行走路径中障碍物或异物的识别。基于视觉传感器扫描的结果，可以进一步地以被扫描区域的中心为参考原点，以到参考原点的等间隔距离为目标函数，结合视觉算法拟合出到下一作业位置的最优移动路径，准确地完成机器人本体位移控制。
[0071]
如图2所示，行走单元6设置在机器人本体1四角，包括：移动轮61、移动轮驱动装置62。
[0072]
移动轮61的数量为两对，即四只，均为全向移动轮，每只移动轮61均与一个移动轮驱动装置62相连接，即移动轮驱动装置62一一对应移动轮61。
[0073]
移动轮驱动装置62均设置在机器人本体1内部，移动轮驱动装置62包括：驱动电机63和电机传动机构64，电机传动机构64通过连接轴与移动轮61相连接，驱动电机63控制端与主控单元2相连接，驱动电机63输出轴通过电机传动机构64驱动移动轮61。
[0074]
可以理解的是，机器人行走单元6为多电机驱控系统，设计总线型驱控的移动轮驱动装置62能够满足主控系统多电机分布式控制的需求，通过总线将运动指令分发到各移动轮驱动装置62，将驱动电机63的速度、位置等反馈信息通过总线传输到主控单元2。
[0075]
为实现驱动系统具有高性能、低功耗、微型化和分布式控制特点，移动轮驱动装置62由mcu及外围电路、电源管理电路、mosfet驱动电路、功率mosfet h桥和电流电压采集电路及信号调理电路等组成，其中采用can总线的检错机制以及总线保护机制，确保数据传输的稳定性与可靠性，满足驱动系统分布式控制的需求；采用分立的功率mosfet器件组成功率h桥，具有低导通内阻、高持续电流的优点，满足驱动系统的高性能的需求；驱动系统具备完善电源管理功能，在空闲状态下可关闭电机电源，整个进入睡眠模式等待唤醒，静态电流小于 5ma，满足驱动系统低功耗需求。
[0076]
可以理解的是，根据gis设备内部的结构和环境特点，水平腔体检修机器人在gis设备内部检修时需要具备在gis内壁小角度行走、自由前进、后退和横向移动的移动能力。为实现以上功能，gis腔体内部检修维护机器人采用四轮独立驱动的形式，机器人的移动轮61优选地可采用全向移动的麦克纳姆轮。全向移动的麦克纳姆轮轮毂外围安装无动力辊子作为轮胎，为了保证移动轮不会对 gis内壁造成划伤，移动轮外部可用橡胶材料包裹，保证轮子外缘无金属部件外露。优选地，轮胎材质选用三元乙丙橡胶制成。该辊子不仅可绕轮毂轴公转，也能在地面摩擦力作用下绕各自的支撑芯轴自转，两种运动的合成使得接触地面的辊子中心合速度与轮毂轴有一定的夹角，通过调节轮毂速度可改变辊子中心合速度的大小、方向以及改变各轮毂速度的线性组合，进而控制运动系统中心合速度大小和方向，使机器人实现弧面三自由度全方位运动。
[0077]
麦克纳姆轮安装方式有多种，主要分为：x
‑
正方形(x
‑
square)、x
‑
长方形 (x
‑
rectangle)、o
‑
正方形(o
‑
square)、o
‑
长方形(o
‑
rectangle)。其中x和o 表示的是与四个轮子地面接触的辊子所形成的图形；正方形与长方形指的是四个轮子与地面接触点所围成的形状。以o
‑
长方形的安装方式为例，四个轮子的着地点形成一个矩形。
[0078]
本实施例中，所述机器人移动轮61包括两对全向行走轮，可以分别为两个左旋轮和两个右旋轮，左旋轮和右旋轮呈手性对称安装，安装方式可以为o
‑
长方形，这样可以保证机器人能够在被检设备底部全向移动。为防止麦克纳姆轮的外缘在gis腔体内运动时对gis腔体造成剐蹭，本次设计的麦克纳姆轮为中间支撑结构。区别于其他类型的麦克纳姆轮，中
间支撑的麦克纳姆轮轮子外缘无金属部件外露，保证gis腔体内部检修维护机器人行进时不会剐蹭gis设备腔体。
[0079]
如图2所示，清扫单元7设置在机器人本体1底部，包括：清扫旋转电机 71和软质清扫刷头72，所述软质清扫刷头72安装于所述清扫旋转电机71的转动端，所述清扫旋转电机71控制端与主控单元2连接。
[0080]
如图2、3所示，吸尘单元8设置在机器人本体1底部，包括：机器人本体 1内部的微型真空泵81和滤尘袋82，机器人底部条形吸尘口83通过吸尘清洁管道84连接至积尘过滤袋82，再由管道连接至微型真空泵81，最后通过管道与机器人外壳上的排风口连接，微型真空泵81控制端与主控单元2相连。
[0081]
如图5所示，机器人执行清扫吸尘工作时，首先机器人启动清扫和吸尘作业单元，开启被检设备底部清扫和吸尘功能，同时机器人沿异物分布方向向前行进。其中，清扫工作是由软质清扫刷头72进行旋转清扫，吸尘部分是由微型真空泵 81生成负压，将微小异物、粉尘或颗粒从被检设备底部吸入管道并保存在积尘过滤袋82中，排风从机器人侧面排风口排出，不会将罐体底部已有灰尘吹散。作业结束后，机器人关闭清扫和吸尘作业单元，由机器人利用背向双目视觉单元 5对异物清理效果进行视觉检测。
[0082]
如图1、4所示，擦拭单元9设置在机器人本体1底部，包括：主带轮91、从带轮92、中间支撑轮93、双层无毛纸带94、电动升降装置95、清洁剂储罐 96、蠕动泵97和清洁剂喷口98。
[0083]
主带轮91由旋转电机带动转动，所述中间支撑轮93采用可升降式结构，由电动升降装置95实现高度升降控制，中间支撑轮93与所述主带轮91和所述从带轮92形成三角结构用于转动传送所述双层无毛纸带94，所述中间支撑轮93 支撑在所述无毛纸带94的内侧。蠕动泵97用于抽取清洁剂储罐96内的清洁液，通过软管向清洁剂喷口98输送，并向双层无毛纸带94喷洒。
[0084]
机器人执行擦拭作业前，底部为图5所示状态，其中电动升降装置95控制中间支撑轮93向上升起，双层无毛纸带94不与被检设备底部接触。执行擦拭工作时，如图6所示，机器人启动擦拭作业单元，主控单元2控制电动升降装置 95调低中间支撑轮93高度，使双层无毛纸带94与被检设备底部接触，之后主控单元2控制蠕动泵97吸取清洁液，清洁剂喷洒浸润无毛纸带94，即可开启无毛纸擦拭功能，同时机器人沿异物分布方向向前行进。作业结束后，机器人关闭擦拭作业单元，由机器人利用背向双目视觉单元5对异物清理效果进行视觉检测。
[0085]
实施例二：一种使用上述gis腔体内部检修维护机器人的检修维护作业方法，
[0086]
在本实施例中，利用gis腔体内部检修维护机器人进行检修维护作业，即本发明提供了一种使用上述gis腔体内部检修维护机器人的检修维护作业方法，包括以下步骤：
[0087]
步骤1，机器人由检修孔进入被检设备。所述被检设备可以是全水平式布置的gis主母线和分支母线、hgis分支母线、gil管道母线或落地罐式断路器灭弧室。通常252kv gis主母线上的检修孔直径不大于500mm，导体与罐体内壁正下方之间间隙约为200mm，可满足机器人进入与行进。初始状态时机器人关闭全部作业单元，利用前向双目视觉单元4对被检设备内部进行视觉检测，对发现的异物进行视觉识别，判断异物尺寸。
[0088]
步骤2，启动清扫和吸尘作业单元，开启被检设备底部清扫和吸尘功能，同时机器
人沿异物分布方向向前行进。
[0089]
步骤3，关闭清扫和吸尘作业单元，由机器人利用背向双目视觉单元5对异物清理效果进行视觉检测。
[0090]
步骤4，机器人退回原起始位置，启动擦拭作业单元，调低中间支撑轮93 高度使其与被检设备底部接触，开启清洁剂喷洒和无毛纸擦拭功能，同时机器人沿异物分布方向向前行进。
[0091]
步骤5，关闭擦拭作业单元，由机器人利用背向双目视觉单元5对异物清理效果进行视觉检测。
[0092]
步骤6，作业完成后，机器人退出被检设备。
[0093]
本实施例中，gis腔体内部检修维护机器人通常工作在自主作业模式下，该模式下可通过在机器人本体1的天线接口11处安装天线实现与控制后台的图传与数传功能；此外，机器人还可以利用上位机通过有线或无线方式进行远程控制，有线方式下将上位机控制线缆连接至机器人本体1上的控制线接口10对机器人进行控制并提供电源，无线方式下在天线接口11处安装天线即可实现与上位机的通讯功能。
[0094]
虽然已示例实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于上述的示例性实施例。对于本领域技术人员显然的是，可以在不背离本公开的范围和精神的条件下修改上述的示例性实施例。所附的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有这样的修改以及等同的结构和功能。
[0095]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明的机器人本体前后均设有摄像头，解决了巡视死角的问题，同时机器人本体上多个作业单元可以按照人工检修处理标准进行腔体内部检修维护作业，避免了gis设备解体作业，能够快速完成gis设备内微小异物的检测和情况，极大地提高了作业效率。
[0096]
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。