一種帶電作業機器人真空斷路器檢測方法與流程

2023-09-19 06:53:05

本發明屬於電力技術領域，具體涉及一種帶電作業機器人真空斷路器檢測方法。

背景技術：

斷路器是能開斷、閉合和承載運行狀態的正常電流，並能在規定時間內開斷、閉合、承載規定的異常電流(如短路電流)的電氣設備，是電力系統中重要的電氣設備之一，在電網中起保護與控制作用，其運行狀態將直接影響整個電力系統的穩定性和供電可靠性。在長期運行中，斷路器可能出現螺母鬆動，瓷套破裂，橡膠圈老化種種問題，最終絕緣系統可能會被破壞，需要檢測以及更換。

真空斷路器是指斷路器的滅弧介質和滅弧後觸頭間隙的絕緣介質都是高真空，適用於頻繁操作，具備滅弧室不用檢修的優點。最早使用較為普遍的做法是周期性預防試驗，即在停電狀態下檢測斷路器的各類參數。但是若停電面積較大，會造成無法估量的損失，嚴重影響供電企業的經濟效益和社會效益。現在廣大研究人員也在積極研究斷路器的在線監測的方法，但該方法需要改造線路，無法適用於原有線路。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題是，提出一種帶電作業機器人真空斷路器帶電檢測方法，該方法能夠在不斷電的情況下，對真空斷路器進行帶電檢測，避免了作業人員在帶電高壓線路附近作業帶來的危險，簡化了作業步驟，檢測結果相對於人工檢測更加科學精確。

為了解決上述技術問題，本發明提供一種帶電作業機器人真空斷路器檢測方法，帶電作業機器人具有設置在機器人平臺上的機械臂，包括第一機械臂、第二機械臂以及輔助機械臂，第一機械臂、第二機械臂以及輔助機械臂響應於控制數據完成以下工作：

第一機械臂、第二機械臂以及輔助機械臂末端分別安裝局部放電檢測儀、電子紫外線探傷儀以及紅外熱像儀，並帶動局部放電檢測儀、電子紫外線探傷儀以及紅外熱像儀在真空斷路器附近移動，通過局部放電檢測儀獲得真空斷路器的局部放電情況，通過電子紫外線探傷儀獲得真空斷路器的紫外線探傷圖，通過紅外熱像儀獲得真空斷路器的紅外熱像圖；局部放電檢測儀、電子紫外線探傷儀以及紅外熱像儀將各自的檢測數據通過通信系統實時發送給帶電作業機器人的數據處理與控制系統，數據處理與控制系統根據檢測數據判斷真空斷路器的工作狀態。

進一步，在作業前，第一機械臂和第二機械臂端部安裝夾持工具，用夾持工具夾持絕緣遮蔽材料對標記的帶電體進行絕緣遮蔽；在作業完畢後，第一機械臂和第二機械臂端部安裝夾持工具，用夾持工具清除覆蓋在帶電體上的絕緣遮蔽材料。

進一步，所述數據處理與控制系統在獲得局部放電檢測儀、電子紫外線探傷儀以及紅外熱像儀的檢測數據後，根據相關指標數值與資料庫中正常數值對比的結果，先進行初步分析；對於異常指標數值所對應的檢測點，第一機械臂、第二機械臂以及輔助機械臂攜帶相應檢測設備再次進行檢測；數據處理與控制系統根據再次獲得的相關指標數值，判斷真空斷路器的工作狀態。

進一步，所述控制數據為各機械臂關節運動的角度期望值，該角度期望值由帶電作業機器人數據處理和控制系統根據設置於絕緣鬥臂車內的主操作手各關節角度變化數據解算獲得；主操作手包括第一主操作手、第二主操作手和輔助主操作手；第一主操作手、第二主操作手和輔助主操作手分別與第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂對應，構成主從操作關係。

進一步，所述絕緣鬥臂車上設置有控制室，所述數據處理和控制系統包括第一工控機、第二工控機、顯示屏和主操作手，第二工控機內置圖像處理器，顯示屏和主操作手位於控制室內；所述攝像機採集的作業場景圖像發送給第二工控機，圖像處理器對作業場景圖像進行處理後獲的3D虛擬作業場景，並送顯示器顯示。

進一步，所述控制數據為各機械臂關節運動的角度期望值；帶電作業機器人數據處理和控制系統根據各機械臂與作業對象的相對位置以及作業任務動作序列，使用笛卡爾空間路徑規劃方法規劃出各機械臂的空間路徑，然後根據空間路徑解算出各機械臂關節運動的角度期望值。

進一步，所述帶電作業機器人，包括絕緣鬥臂車，搭載在絕緣鬥臂車上的機器人平臺，安裝在機器人平臺上的機械臂；

所述機械臂包括第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂，所述攝像機包括雙目攝像頭，所述第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂上均搭載有雙目攝像頭，所述第一機械臂、第二機械臂和輔助機械臂配合完成帶電作業，其中，輔助機械臂用於夾持作業對象，第一機械臂和第二機械臂使用作業工具進行作業操作；

所述數據處理和控制系統包括第一工控機、第二工控機，第二工控機內置圖像處理器和帶電作業動作序列庫，

所述帶電作業動作序列庫中預先存儲有各項帶電作業對應的動作序列數據；

所述攝像機採集的作業場景圖像發送給第二工控機，圖像處理器對作業場景圖像進行處理後獲的機械臂與作業對象之間的相對位置關係，第二工控機根據所述相對位置關係以及具體帶電作業所對應的動作序列規劃機械臂的空間路徑，並將所述機械臂的空間路徑數據發送給第一工控機；

第一工控機根據所述機械臂的空間路徑解算出所述控制數據。

進一步，所述機械臂或者主操作手為六自由度機構，包括基座，旋轉軸方向與基座平面垂直的腰關節，與腰關節連接的肩關節，與肩關節連接的大臂，與大臂連接的肘關節，與肘關節連接的小臂，與小臂連接的腕關節，腕關節由三個旋轉關節組成，分別為腕俯仰關節、腕搖擺關節和腕旋轉關節；所述六自由度機構中各個關節均具有相應的正交旋轉編碼器和伺服驅動電機，正交旋轉編碼器用於採集各個關節的角度數據，伺服驅動電機用於控制各關節的運動；第一工控機根據機械臂各關節角度的期望值，通過控制伺服驅動電機控制按機械臂各關節運動。。

本發明與現有技術相比，其顯著優點在於：(1)本發明能夠在不斷電不帶負荷的情況下通過帶電作業機器人的機械臂對真空斷路器進行帶電檢測，避免了停電帶來的負面影響，大幅度減少停電時間，提高供電可靠率，緩解用電投訴矛盾；(2)本發明使用帶電作業機器人代替人進行帶電檢測作業，相比於遠距離用傳感器探頭的檢測方法，具有更加細緻的功能；(3)本發明使用帶電作業機器人相比於需要近距離絕緣手套作業真空斷路器檢測方法能免於考慮電弧產生時對人體的灼傷和觸電危險、高空墜落問題；(4)本發明使用帶電作業機器人由操作人員搖杆控制，對於作業人員勞動強度要求小，減少了作業強度大出現人為失誤的情況，大大提高了作業過程中的安全性，從一定程度上可以減少事故的發生。

附圖說明

圖1為本發明帶電作業機器人一種實施例的整體結構示意圖；

圖2為本發明中絕緣鬥臂車的系統組成框圖；

圖3為本發明中機器人平臺的結構示意圖；

圖4為本發明中機械臂的結構示意圖。

圖5是本發明方法流程圖。

圖6是本發明帶電作業機器人帶電檢測真空斷路器的作業環境示意圖。

其中，100為杆塔，111為導線，103為橫擔，130為真空斷路器；1為絕緣鬥臂車、2為控制室、3為伸縮臂、4為機器人平臺；46為絕緣子、43為第一機械臂、44為第二機械臂、42為輔助機械臂、48為第一工控機、45為雙目攝像頭、41為全景攝像頭、410為深度攝像頭、49為蓄電池、47為機械臂專用工具箱；431為基座、432為腰關節、433為肩關節、434為大臂、435為肘關節、436為小臂、437為腕關節。

具體實施方式

容易理解，依據本發明的技術方案，在不變更本發明的實質精神的情況下，本領域的一般技術人員可以想像出本發明帶電作業機器人真空斷路器帶電檢測方法的多種實施方式。因此，以下具體實施方式和附圖僅是對本發明的技術方案的示例性說明，而不應當視為本發明的全部或者視為對本發明技術方案的限制或限定。

結合附圖，帶電作業機器人包括絕緣鬥臂車1、控制室2、伸縮臂3、機器人平臺4。其中，絕緣鬥臂車1上架設控制室2和伸縮臂3，伸縮臂3末端連接機器人平臺4，機器人平臺4與控制室2之間採用光纖乙太網通信或者無線網絡通信。

絕緣鬥臂車1可供操作人員駕駛，從而將機器人平臺4運輸到作業現場。絕緣鬥臂車1上裝有支撐腿，支撐腿可以展開，從而將絕緣鬥臂車1與地面穩固支撐。絕緣鬥臂車1上裝有發電機，從而給控制室2及伸縮臂3供電。

伸縮臂3設有沿伸縮方向的驅動裝置，操作人員可以通過控制驅動裝置，從而將機器人平臺4升降到作業高度。該伸縮臂3由絕緣材料製成，用於實現機器人平臺4與控制室2的絕緣。在本發明中，伸縮臂3可有由剪叉式升降機構或其他機構代替。

作為一種實施方式，控制室2中設置有第二工控機、顯示屏、第一主操作手、第二主操作手、輔助主操作手以及通信模塊等。

作為一種實施方式，機器人平臺4包括絕緣子46、第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42、第一工控機48、雙目攝像頭45、全景攝像頭41、深度攝像頭410、蓄電池49、專用工具箱47、通信模塊。

機器人平臺4的絕緣子46用於支撐第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42，將這三個機械臂的外殼與機器人平臺4絕緣。

蓄電池49為第一工控機48、第一機械臂43、第二機械臂44、輔助機械臂42、全景攝像頭41、雙目攝像頭45、深度攝像頭410、通信模塊供電。

作為一種實施方式，雙目攝像頭45一共有三個，分別安裝在第一機械臂43、第二機械臂44和輔助機械臂42的腕關節437上，負責採集作業場景的圖像數據，並將圖像數據發送給第二工控機。雙目攝像頭45由兩個光軸平行的工業相機組成，平行光軸之間的距離固定。

深度攝像頭410安裝在機器人平臺4正對作業場景的側面，負責採集作業場景的景深數據，將景深數據發送給第二工控機。

全景攝像頭41通過支架安裝在機器人平臺4的上方，負責採集作業場景的全景圖像數據，將圖像數據發送給第二工控機，並顯示在顯示器上，作業人員可以通過全景圖像監控作業場景。

專用工具箱47是放置抓具、扳手等作業工具的場所。機械臂末端安裝有工具快換裝置。機械臂根據作業任務的類型到專用工具箱47中使用工具快換裝置獲取作業工具。

控制室2中第一主操作手、第二主操作手以及輔助主操作手是一種用於人工遠程操作機械臂的操作裝置，他們與第一機械臂43、第二機械臂44和輔助機械臂42構成主從操作關係。機械臂和主操作手具有相同的結構，只是主操作手尺寸規格比機械臂小，以便於操作人員操作。機械臂和主操作手擁有六個關節，每個關節都有光電編碼器採集角度數據，各主操作手的微型控制器通過串口將六個關節的角度數據發送給第二工控機。

作為本發明一個實施例，所述機械臂為六自由度機構，包括基座431，旋轉軸方向與基座平面垂直的腰關節432，與腰關節432連接的肩關節433，與肩關節433連接的大臂434，與大臂434連接的肘關節435，與肘關節435連接的小臂436，與小臂436連接的腕關節437，腕關節437由三個旋轉關節組成，分別為腕俯仰關節、腕搖擺關節和腕旋轉關節；所述六自由度機構中各個關節均具有相應的正交旋轉編碼器31和伺服驅動電機，正交旋轉編碼器31用於採集各個關節的角度數據，伺服驅動電機用於控制各關節的運動；第一工控機根據所述機械臂的空間路徑解算出各關節的運動角度，控制伺服驅動電機按照所述運動角度控制機械臂各關節運動。

作為一種實施方式，機器人平臺4與控制室2之間的數據傳輸通過光纖有線傳輸，或者使用無線網絡傳輸。機器人平臺4上的通信模塊是光纖收發器，光纖收發器用於實現光纖中的光信號與雙絞線中的電信號的相互轉換，從而在通信上實現機器人平臺4與控制室2的電氣隔離。控制室2中的通信模塊是光纖收發器，光纖收發器用於實現光纖中的光信號與雙絞線中的電信號的相互轉換，從而在通信上實現機器人平臺4與控制室2的電氣隔離。

作為一種實施方式，第二工控機可以完成以下任務：

建立動作序列庫。預先將各項帶電作業任務分解為作用序列，組成動作序列庫，存儲在第二工控機中，用於機械臂路徑規劃。

建立作業對象模型庫。預先製作各項帶電作業任務所涉及的作業對象的三維模型和目標識別模型，例如，根據電力塔杆、電線、真空斷路器、隔離刀閘、避雷器等器件實物，製作三維模型和目標識別模型，用於帶電作業機器人自動識別作業對象，構建作業場景三維虛擬場景。

建立機械臂和專用工具模型庫。預先製作機械臂和專用工具的三維模型和目標識別模型，例如，扳手等，用於帶電作業機器人自動構建作業場景三維虛擬場景，規劃機械臂空間路徑。

獲取圖像數據。獲取全景圖像、深度圖像和雙目圖像的數據信息。

根據圖像數據識別和跟蹤作業目標。

獲取主操作手的角度、角速度和角加速度數據，獲取機械臂的角度、角速度和角加速度數據。

對相關圖像數據進行處理和計算，獲取機械臂位置，獲取作業對象的位置，獲取機械臂與作業對象之間的相對位置，並根據相對位置和作業任務規劃機械臂的空間路徑。

根據圖像數據構建作業對象三維場景，根據機械臂角度信息和作業對象三維場景獲得機械臂與作業對象的相對位置，並根據相對位置和作業任務規劃機械臂的空間路徑。

對相關圖像數據進行處理和計算，構建3D虛擬作業場景，送顯示器顯示，操作人員根據3D虛擬作業場景監控作業過程。與全景圖像相比，3D虛擬作業場景綜合和深度圖像信息和雙目圖像信息，對機器臂與作業對象之間、機械臂之間、作業對象與作業環境之間的相對位置的判斷更精確，且不會存在視覺死角。因此，操作人員通過3D虛擬作業場景進行作業監控，操作精度更高，可以防止碰撞發生，提高了安全性。同時，3D虛擬作業場景顯示在控制室2中的顯示器上，遠離機械臂作業現場，提高了人作業人員的人身安全。

作為一種實施方式，第一工控機可以完成以下任務：

根據第二工控機發送的主操作手各關節的角度信息，控制機械臂各關節的運動。

獲取第二工控機發送的機械臂的空間路徑數據，根據作業任務的動作序列，解算出機械臂各關節的角度數據運動量，並控制機械臂各關節運動。

本發明中，第一機械臂和第二機械臂相互配合，可以模仿人的兩個手的作業順序完成帶電作業。考慮到靈活性，可以再增加一個強壯的輔助機械臂，此時，輔助機械臂專司器件夾持等力道大的動作，第一機械臂和第二機械臂則進行相關業務操作。

根據第二工控機和第一工控機完成的不同任務的組合，本發明帶電作業機器人既可以由作業人員進行遠程搖操作以完成帶電作業，又可以進行自主帶電作業。在進行帶電作業之前，作業人員先通過觀察全景圖像，將機器人平臺4移動至作業對象附近。

如果選擇人工遠程搖操作，則由第二工控機根據數目圖像和深度圖像構建3D虛擬作業場景並送顯示器顯示，作業人員通過3D虛擬作業場景監控操作過程，通過主操作手控制機械臂的動作，以完成帶電作業。在此過程中，作業人員改變主操作手姿態後，主操作手中各關節的光電編碼器採集各關節角度，各主操作手的微型控制器通過串口將各關節的角度數據發送給第二工控機。第二工控機將主操作手各關節的角度數據作為機械臂各關節角度的期望值發送給第一工控機，第一工控機根據角度期望值通過伺服電機控制機械臂各關節的運動，已完成帶電作業。

如果選擇自主作業，則由第二工控機根據數目圖像和深度圖像計算獲取作業對象和機械臂之間的相對位置關係，然後依據作業任務所對應的動作序列進行機械臂空間路徑規劃，並將空間路徑發送給第一工控機，第一工控機解算出機械臂各關節需要轉動的角度數據作為機械臂各關節角度的期望值，通過伺服電機控制機械臂各關節的運動，已完成帶電作業。

使用上述帶電作業機器人對真空斷路器進行檢測的過程為：

一、準備階段

工作人員進行帶電作業機器人檢測真空斷路器的作業準備，檢查氣象條件、核對杆塔號，在工作現場設置安全護欄、作業標誌、和相關警示標誌。採用絕緣電阻測試儀對用到的絕緣工器具進行表面絕緣電阻檢測，阻值不小於700兆歐。

絕緣鬥臂車駕駛員將絕緣鬥臂車1駛入杆塔100附近位置並布置現場。作業位置具體為待作業杆塔100的附近位置並避開附近電力線和障礙物，避免停放在溝道蓋板上,絕緣鬥臂車1支腿順序為先伸出水平支腿，再伸出垂直支腿，支撐到位後車輛前後左右呈水平。控制室2內操作人員根據顯示器上顯示的實景圖像，操作操作搖杆控制伸縮臂3，將機器人平臺4移動至進入作業位置附近。控制室2內操作人員根據機械臂上雙目攝像頭45返回的實景圖像對作業範圍內在絕緣安全距離內的帶電體進行標記。

二、作業階段

第一機械臂43、第二機械臂44以及輔助機械臂42響應於控制數據完成以下工作：

第一機械臂43和第二機械臂44端部安裝夾持工具，用夾持工具夾持絕緣遮蔽材料對標記的帶電體進行絕緣遮蔽。絕緣遮蔽材料如絕緣護套、環氧玻璃布等。第一機械臂43與第二機械臂44以及輔助機械臂42移動到機械臂專用工具箱47上方，換裝局部放電檢測儀107、電子紫外線探傷儀131以及紅外熱像儀106，第一機械臂43與第二機械臂44以及輔助機械臂42帶動局部放電檢測儀107、電子紫外線探傷儀131以及紅外熱像儀106在待檢測真空斷路器130附近移動；通過局部放電檢測儀107可以獲得真空斷路器130的局部放電情況，電子紫外線探傷儀131可以獲得被測真空斷路器120的紫外線探傷圖，通過紅外熱像儀106可以獲得真空斷路器紅外熱像圖；局部放電檢測儀107、電子紫外線探傷儀131以及紅外熱像儀106將上述檢測數據通過通信系統實時發送給帶電作業機器人的數據處理與控制系統，例如返給到機器人平臺上4的第一工控機48或者控制室2內的第二工控機。數據處理與控制系統還可將紅外熱像圖和紫外線探傷圖送顯示器顯示。數據處理與控制系統將這些檢測數據與資料庫中正常數值進行對比，以判斷真空斷路器的工作狀態，從而形成檢測分析報告。紅外熱像圖主要查看真空斷路器130工作情況下否有缺陷；紫外線探傷圖主要查看真空斷路器130工作情況下表面局部放電和蝕損現象；局部放電檢測情況主要查看真空斷路器130工作情況下否有絕緣問題。

為了檢測的準確性，可以對真空斷路器實施兩次或多次檢測，例如：所述數據處理與控制系統在獲得局部放電情況、紫外線探傷圖以及真空斷路器紅外熱像圖後，根據相關指標數值與資料庫中正常數值對比的結果，先進行初步分析；對於異常指標數值所對應的檢測點，第一機械臂43、第二機械臂44以及輔助機械臂42攜帶相應檢測設備再次進行檢測；數據處理與控制系統根據再次獲得的相關指標數值，判斷真空斷路器的工作狀態。

檢測完畢後，第一機械臂43與第二機械臂44移動到機械臂專用工具箱47上方，並安裝夾持工具。第一機械臂43與第二機械臂44夾持絕緣遮蔽材料，對標記帶電體進行絕緣遮蔽清除。

本發明方法能夠在不斷電的情況下，操作室內的控制人員通過控制同構機械臂操作帶電作業機器人的機械臂對真空斷路器進行帶電檢測，避免了作業人員在帶電高壓線路附近作業帶來的危險，相對於人工的帶電檢測作業簡化了作業步驟。攜帶多種專業檢測傳感器，檢測結果相對於人工檢測更加科學精確。

本發明使用帶電作業機器人進行真空斷路器的在線檢測，很大程度上避免了線路停電帶來的負面影響，大幅度減少停電時間，提高供電可靠率，緩解用電投訴矛盾。

本發明使用帶電作業機器人代替人進行檢測作業，相比於遠距離觀察的檢測方法具有更加豐富的功能；相比於需要近距離絕緣手套作業真空斷路器的檢測方法能免於考慮電弧產生時對人體的灼傷和觸電危險、高空墜落問題，更加不會有作業強度大出現人為失誤的情況，大大提高了作業過程中的安全性，從一定程度上可以減少事故的發生。