一种能够自主核相验电作业的机械触臂机器人的制作方法

1.本发明属于测试领域，尤其涉及一种用于对三相电源的相序进行检测的机械触臂机器人。


背景技术：

2.核相，即核对相序，主要是对不同电网的三相交流电的幅值、相位等信息进行核对。
3.在电力系统的生产输送过程中，发电机产生的电力的并入电网前必须要做核对相序的试验，如果相序不对，则不能并网，否则会造成设备的损坏，产生危险；同时，对于新建、改建、扩建后的变电所和输电线路，也必须进行三相电路核相试验，以确保输电线路的相序和用户负载所需的相序是一致的。
4.在传统的核相验电操作过程中，采用的都是人工核相的方式，通过操作员手持核相验电仪器完成核相验电。
5.该种核相验电的仪器通常包括有两个发射模块、两个顶针、一个接收模块以及一个绝缘杆。使用时，将绝缘杆连接发射模块，发射模块连接顶针，由顶针接触需要核相验电的接触点，采集相应的电压信号，通过高频发射模块将数据发送至接收模块，接收模块获得信号之后进行运算处理，并将计算的结果显示屏幕上。整个核相验电的过程通常需要4人，其中一人担任指挥，两人穿绝缘鞋，戴绝缘手套担任核相员，一人读表并记录结果。
6.由于变电站内都是高压带电作业，设备密集，空间有限，采用人工进行相序核对需要操作人员保持精神的高度集中，风险性较大。并且，人工核相需要的人员较多，对变电室内的多个开关柜核相验电时的效率较低，重复机械性的工作也使得操作人员的积极性不高。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是提供一种能够自主核相验电作业的机械触臂机器人。其可以对变电站室内规划路线上的开关柜内的高压交流电进行自主核相操作，将核相的结果显示并保存在机器人设备中；其内部集成有多种传感器，可以对开关柜的环境进行监测，此外，该机器人还集成有运动机构、视频定位系统以及循迹系统，可以对变电室内的开关柜实现自主巡检功能。其可以大大降低变电站进行核相验电操作时的成本，同时提高了工作效率，降低工作人员的劳动强度和危险系数。
8.本发明的技术方案是：提供一种能够自主核相验电作业的机械触臂机器人，其特征是：
9.所述的机械触臂机器人由电源管理、人机交互、传感器采集模块、高压带电采集模块、通信模块、动力系统、视频监控、机械触臂嵌入式控制单元、机械触臂核相验电综合监控中心构成；
10.所述的电源管理部分至少包括两个可充电蓄电池，其中一个为系统的设备供电，
另一个为动力系统中的电动机供电；
11.所述的人机交互部分为触控屏，操作人员通过该触控屏可以查看机器人的状态、控制机器人的动作、查看核相验电的信息、储存的核相验电的结果；
12.所述的传感器采集模块包括有氧气传感器、温度传感器、编码器、烟雾传感器、接近开关等在内的多个传感器，用于对开关柜的状态实现实时监测，若外界的工作环境出现异常，则系统停止工作，并进行相应的警报；
13.所述的高压信号采集模块包括6个高压传感器以及相对应的交流信号调理电路；该6个高压传感器每3个为一组，分别用于检测两组三相交流电每一相的幅值、相位信息，经由信号调理电路滤波、整流之后将采集到的信息传入到机械臂嵌入式控制单元的运算芯片中，由系统的算法对数据进行处理，得出待检测的数值；
14.所述的通信模块负责机械臂嵌入式控制单元和机械臂核相验电综合监控中心之间的数据交换。数据包括来自机械臂核相验电综合监控中心的控制指令以及来自机械臂嵌入式控制单元的核相验电的结果信息；
15.所述的动力系统包括水平运动机构、升降装置以及运动履带；其运动履带负责将核相验电机械人移动到变电站的开关柜前，升降装置则将通过电机将末端支架和高压传感器移动到合适的高度，在位置合适之后，由水平运动机构将末端的高压传感器伸入到开关柜内进行数据采集；
16.所述的视频监控采用工业级的摄像头模块，其摄像头用于机械触臂机器人位置调整过程中的图像采集，利用图像识别保证在空间上6个核相传感器的触头与开关柜内的触点对齐，起到空间定位的作用；
17.所述的机械臂嵌入式控制单元包括数据采集芯片和运算处理芯片在内的硬件模块，其通过传感器对环境实时监控、对动力系统的运动进行控制、对高压带电采集模块采集的交流电信息进行处理以及对核相验电的结果信息进行传输，构成整个核相验电机械触臂机器人的主要控制部分。
18.具体的，所述的机械触臂机器人由水平运动机构、末端支架、红外传感器、运动履带、高压传感器触头、监控摄像头、升降装置和机器人主体构成；其中，在机器人主体的下方设置有运动履带，用于驱动机器人主体的移动；在机器人主体上设置有4个红外传感器，用于对驱动机器人主体的移动轨迹进行检测和监控；在机器人主体上方，设置有末端支架，所述的末端支架在升降装置的驱动下，可作升降运动；在末端支架上设置有水平运动机构、高压传感器触头和监控摄像头；所述的水平运动机构用于驱动高压传感器触头和监控摄像头的水平移动，将位于末端支架上的高压传感器触头和监控摄像头移入或移出开关柜内部。
19.进一步的，所述的4个红外传感器，两两对称地设置在机器人主体纵向轴线的左右两侧；其中距离机器人主体纵向轴线最近的2个红外传感器，用于检测和监控机器人主体的运行方向；距离机器人主体纵向轴线最远的2个红外传感器，用于检测和监控核相开关柜的位置。
20.进一步的，在电站的地面设置有可供机器人循迹的有色循迹条带，在各个需要核相的高压开关柜的正面位置中心，与有色的循迹条带相交，设置有一条开关柜定位循迹条带；当位于机器人机身上的4个红外探测传感器均检测到循迹条带时，说明已经到达预定的需要进行核相操作的高压开关柜定位点。
21.其所述的水平运动机构包括定向导轨和丝杠运动付结构。
22.其所述的升降装置包括定向导轨和丝杠运动付结构。
23.更进一步的，所述的监控摄像头通过采集开关柜内的图像信息，检测6个待核相触点的位置，并将其显示在屏幕上，机器人的视频监控模块通过图像识别，判断 6个核相触点是否位于屏幕中央位置。
24.与现有技术比较，本发明的优点是：
25.1.本发明的技术方案，通过设置可移动的机械触臂机器人，能够同时采集6个高压触点的电压信息，自动进行相关的核相操作，实现了高压开关柜的自动核相功能，可以极大降低操作人员的工作压力，同时也可避免操作人员疏忽导致的触电或相间短路事故；
26.2.在变电站的地面布置可供机器人循迹的黑色循迹条带，能够达到自动纠正路线的功能；
27.3.利用视频监控模式获取开关柜中高压触点的图像，通过图像识别算法保证在空间上6个核相传感器的触头与开关柜内的触点对齐，起到空间定位的作用。
附图说明
28.图1是本发明机械触臂机器人的总体结构框示意图；
29.图2a是本发明机械触臂机器人整体的正视结构示意图；
30.图2b是本发明机械触臂机器人整体的侧视结构示意图；
31.图2c是水平运动机构、末端支架及高压传感器触头的俯视结构示意图；
32.图3是变电站内开关柜和循迹黑色条带的相对位置示意图。
33.图中1为水平运动机构，2为末端支架，3为红外传感器，4为运动履带，5为高压传感器触头，6为监控摄像头，7为升降装置，8为机器人主体，9为开关柜， 10为循迹条带，10a为开关柜定位循迹条带。
具体实施方式
34.下面结合附图对本发明做进一步说明。
35.如图1中所示，本发明技术方案所述的核相验电触臂机器人主要包括有电源管理、人机交互、传感器采集模块、高压带电采集模块、通信模块、动力系统、视频监控、机械触臂嵌入式控制单元、机械触臂核相验电综合监控中心等部分。
36.所述的电源管理部分主要包括两个可充电蓄电池，其中一个为系统的设备供电，另一个为动力系统中的电动机供电。由于系统的设备所需的电压不同，该电源管理部分还包括有多个电压转换模块，对不同的装置进行供电。
37.所述的人机交互部分可使用触控屏，操作人员通过该触控屏可以查看机器人的状态、控制机器人的动作、查看核相验电的信息、储存的核相验电的结果等等。
38.所述的传感器采集模块包括有氧气传感器、温度传感器、编码器、烟雾传感器、接近开关等在内的多个传感器。该部分主要是对开关柜的状态实现实时监测，若外界的工作环境出现异常，则系统停止工作，并进行相应的警报。
39.所述的高压信号采集模块包括6个高压传感器以及相对应的交流信号调理电路。该6个高压传感器每3个为一组，分别检测两组三相交流电每一相的幅值、相位等信息，经由
信号调理电路滤波、整流之后将采集到的信息传入到机械臂嵌入式控制单元的运算芯片中，由系统的算法对数据进行处理，得出待检测的数值。
40.所述的通信模块负责机械臂嵌入式控制单元和机械臂核相验电综合监控中心之间的数据交换。数据包括来自机械臂核相验电综合监控中心的控制指令以及来自机械臂嵌入式控制单元的核相验电的结果信息。通信的方式可用r232通信常规通信模式等。
41.如图2a至图2c中所示，所述的动力系统包括有水平运动机构1、升降装置7 以及运动履带4。运动履带负责将该核相验电机械臂触臂机械人移动到变电站的开关柜前，升降装置则将通过电机将末端支架2和高压传感器5移动到合适的高度，在位置合适之后，由水平运动机构将末端的高压传感器伸入到开关柜内进行数据采集。
42.所述的视频监控可采用工业级的摄像头模块，该图像传感器用于机械触臂机器人的位置调整过程中的图像采集，利用系统内部的图像识别算法保证在空间上6个核相传感器的触头与开关柜内的触点对齐，起到空间定位的作用。
43.所述的机械臂嵌入式控制单元包括数据采集芯片和运算处理芯片在内的多个硬件，可以通过传感器对环境实时监控、对动力系统的运动进行控制、对高压带电采集模块采集的交流电信息进行处理以及对核相验电的结果信息进行传输。该控制单元是整个核相验电机械触臂机器人的主要控制部分。
44.所述的机械臂核相验电综合监控中心包括有cpu、主板、硬盘等多种硬件，其功能为发送指令对核相验电的定位、检测、分析处理过程进行控制，对验电的结果进行存储和调用等等。
45.由于水平运动机构(可以采用定向导轨和丝杠运动付结构)、升降装置(可以采用定向导轨和丝杠运动付结构)、运动履带机构以及摄像头模块、高压传感器。通过传感器对环境实时监控均为现有技术，故其具体结构个工作原理在此不再叙述。
46.在未工作时，该核相验电作业机械触臂机器人被放置在变电站的固定位置。开始工作时，由操作人员打开机器人身上的开关，系统自检，无错误且电量充足时，可以进行验电工作。
47.在变电站的地面布置有可供机器人循迹的黑色循迹条带10，在各个需要核相的高压开关柜的正面位置中心，与黑色的循迹条带相交，设置有一条开关柜定位循迹条带10a，在检测视觉上，相当于循迹条带变宽了。当位于机器人机身上的4个红外探测传感器均检测到循迹条带时，说明已经到达预定的需要进行核相操作的高压开关柜定位点。
48.开始工作时，机器人可沿着该条带前进，并由红外探测传感器(简称传感器) 3检测条带10的位置。该红外传感器左右各有两个，正常行进时，位于两个外侧的传感器是检测不到黑色循迹条带，内侧的两个传感器可以检测到循迹条带。
49.当内侧左边/右边的传感器有一个未检测到循迹条带时，说明机器人向左/右偏离路线，控制系统调整机器人向左/右移动，即可达到自动纠正路线的功能。
50.在需要进行核相操作的高压开关柜定位点处，循迹条带变宽，使得4个传感器都能检测到该黑色条带时，表明机器人到达开关柜9的前方，此时机器人停止移动。之后升降装置7运动，调整末端支架2至合适的高度，当监控摄像头6采集的6个核相触点的图像位于屏幕的正中央时，说明位置合适；否则根据核相触点相对于屏幕的偏离调整末端支架2的高度，直至位置合适。
51.在末端支架的高度合适之后，水平运动机构1工作，将末端的高压传感器触头 5伸入开关柜内，当高压传感器触头5与开关柜内的待核相的触点接触时，接近开关发出信号，水平运动机构1停止运动，机械臂嵌入式控制单元通过交流信号调理电路读取采集的高压电信息，并将计算的结果信息经由通信模块发送到机械臂核相验电综合监控中心，通过触屏显示器显示结果，并同时将结果保存在系统的硬盘中。采集完成之后，水平运动机构1反向运动，将末端支架2退出，完成一次检测。
52.检测结束之后，机器人的履带动力系统4工作，将机器人移动到下一个开关柜前，进行下一次核相检测。
53.本发明的技术方案，在变电站的地面布置有可供机器人循迹的黑色循迹条带，机器人控制系统通过调整机器人向左/右移动，即可达到自动纠正路线的功能；由于其通过多个传感器对开关柜的状态实现实时监测，利用图像识别算法保证在空间上 6个核相传感器的触头与开关柜内的触点对齐，起到空间定位的作用，可以同时采集6个高压触点的电压信息，自动进行相关的核相操作，实现了高压开关柜的自动核相功能。
54.本发明可广泛用于变电站高压开关柜的自动核相测试领域。