本发明涉及电力设备，具体涉及一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置。
背景技术：
1、配电网处于电力系统末端，是保证电力持续供给的关键环节，其可靠性在整个电力系统中占有非常重要的位置，设备稳定运行为社会保持高效运转和经济高速增长提供有力保障，绝缘杆法带电作业是保证配电网高效运转的主要措施之一。
2、绝缘杆法带电作业指在高压电气设备上不停电进行检修、测试的间接作业方法。但现有绝缘操作杆使用时有效绝缘长度要求不小于0.7m(10kv带电作业)/0.9m(35kv带电作业)，实际生产过程中甚至会更长，并且作业过程中需要长期托举，增加了操作人员劳动强度，长期工作会导致严重的身体损伤。另外，对人力需求较多，作业时间较长，作业任务繁重，尤其是对高电压等级的线路进行绝缘杆作业时，人工作业难以完成准确高效的电力维修任务。
3、针对该问题，目前国内外有利用电力维修机器人辅助作业代替人工手持绝缘杆作业方式。机器人应用于变电站内始于80年代末，并随着机器人技术的不断进步，其应用方面也在不断扩大，从最初的巡线机器人逐步发展到检修机器人，目前已有针对开关柜等设备进行维护作业机器人研制成功，如公开号为cn114260880a的中国专利公开一种用于自动操作开关柜门的桁架机器人系统及操作方法，其根据检测时开关柜的规格型号，驱动作业机器人运动到指定工位，又通过作业机器人可多维运动的机械臂实现末端真空吸盘装置的运动就位和自动开关柜门的动作。但是，目前国内外主流研究方向仍以巡检机器人为主，而对配电网的高空维护作业仍缺少必要的解决方案。1)由于配电网现场复杂，线路繁多，且周围的线路和设备较多，普通的机器人结构不能够很好的满足避障作业要求，机器人工作环境受限较大；2)作业现场工况复杂会导致控制系统输入信息难以采集，机器人系统控制不稳定，最终导致技术成熟度低、操控困难等问题。迫切需要一种适用于配电网环境下能够代替或辅助人工完成带电作业的机器人。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置，通过外骨骼增强人体力的方式，增加单人工作时长，提高工作效率，解决工作人员短缺问题。
2、本发明的技术方案为：
3、一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置，包括外骨骼结构、信号采集处理系统、关节角度编码器系统、控制器，信号采集处理系统设于外骨骼结构的信号检测处，所述关节角度编码器系统设于所述外骨骼结构的各个关节上，控制器设于外骨骼结构背部的控制箱内，所述外骨骼结构为穿戴式结构，信号采集处理系统、关节角度编码器系统分别与控制器电连接，信号采集处理系统用于采集人体的位姿、外骨骼结构与人体的人机耦合力矩、外骨骼结构对地的压力，关节角度编码器系统用于采集外骨骼结构中髋关节和膝关节的角度信息，控制器根据人体的位姿、外骨骼结构与人体的人机耦合力矩、外骨骼结构对地的压力、髋关节和膝关节的角度信息控制外骨骼结构中相应关节动作。
4、作为本发明的进一步方案，所述外骨骼结构包括轻量化机械结构、驱动器、脚撑，所述轻量化机械结构包括双侧的上肢、下肢，驱动器分别与所述上肢、下肢连接，驱动器用于驱动上肢、下肢的运动，所述脚撑设于所述下肢的脚部底端，所述脚撑上设有锁紧机构，锁紧机构用于将锥形杆电力维修辅助外骨骼装置与锥形杆固定。
5、作为本发明的进一步方案，信号采集处理系统，包括位姿传感器、力传感器、地面压力传感器，位姿传感器设于人体的上肢、下肢上，位姿传感器用于采集人体的位姿；力传感器设于轻量化机械结构的上肢、下肢上，力传感器用于采集人机耦合力矩；地面压力传感器设于外骨骼结构的脚撑的底部，用于采集脚部的压力，姿传感器、力传感器、地面压力传感器分别与控制器电连接。
6、作为本发明的进一步方案，所述关节角度编码器系统，包括多个角度编码器，各角度编码器分别与控制器电连接，角度编码器设于轻量化机械结构外骨骼结构中下肢的髋关节和膝关节，用于收集髋关节和膝关节的角度信息，获取关节角度变化。
7、作为本发明的进一步方案，控制器包括导纳控制器和位置控制器，所述导纳控制器用于的输入根据人机交互耦合力矩τext和初始设定轨迹x0来输出是参考轨迹xd，导纳控制器的输出是位置控制器的输入根据参考轨迹xd控制驱动器驱动外骨骼的下肢移动到指定位置。
8、作为本发明的进一步方案，所述导纳控制器为：
9、
10、所述位置控制器为：
11、
12、其中，分别是外骨骼结构的轻量化机械结构中下肢的髋关节和膝关节的角度、角速度和角加速度，τ是外骨骼驱动器中电机的输入扭矩，τext是人机交互力矩；m(q)代表惯性矩阵，代表向心力和哥氏力矩，g(q)代表重力项；对于导纳控制器，其中m、b、k分别表示导纳参数的惯性特性、阻尼特性和刚度特性；e代表锥形杆电力维修辅助外骨骼装置和人体轨迹之间的误差，z1、z2是控制误差，k2是控制参数。
13、作为本发明的进一步方案，所述锥形杆电力维修辅助外骨骼装置具备两种工作模式，两种工作模式包括攀爬工作模式、维持作业工作模式，轻量化机械结构上设置有可切换工作模式的开关。
14、作为本发明的进一步方案，锥形杆电力维修辅助外骨骼装置处于所述攀爬工作模式时，导纳控制器采用导纳控制器的第一导纳参数；处于所述维持作业模式时，导纳控制器采用第二导纳参数，以便人体倚靠在外骨骼结构上。
15、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
16、穿戴式结构解决了工作环境受限问题；通过人体的认知来操作外骨骼，解决机器人控制输入不明确导致的技术成熟度低的问题；通过外骨骼增强人体力的方式，增加单人工作时长，提高工作效率，解决工作人员短缺问题。
17、该套外骨骼结构采用穿戴式结构，作业人员工作之前将设备进行穿戴；该外骨骼设备运动过程中，实时采集外骨骼髋膝关节角度信息和交互力信息，实时感知外骨骼系统的运动状态，识别穿戴者作业模式，攀爬锥形杆的过程中实现助力；等托举到固定位置，可通过锁紧机构将上肢助力设备固定，将人体肩关节受力转移到设备，通过设备转移到锥形杆位置，实现力转移。最终实现人机结合的高效率带电作业。
1.一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置，其特征在于，包括外骨骼结构、信号采集处理系统、关节角度编码器系统、控制器，信号采集处理系统设于外骨骼结构的信号检测处，所述关节角度编码器系统设于所述外骨骼结构的各个关节上，控制器设于外骨骼结构背部的控制箱内，所述外骨骼结构为穿戴式结构，信号采集处理系统、关节角度编码器系统分别与控制器电连接，信号采集处理系统用于采集人体的位姿、外骨骼结构与人体的人机耦合力矩、外骨骼结构对地的压力，关节角度编码器系统用于采集外骨骼结构中髋关节和膝关节的角度信息，控制器根据人体的位姿、外骨骼结构与人体的人机耦合力矩、外骨骼结构对地的压力、髋关节和膝关节的角度信息控制外骨骼结构中相应关节动作。
2.如权利要求1所述的一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置，其特征在于，所述外骨骼结构包括轻量化机械结构、驱动器、脚撑，所述轻量化机械结构包括双侧的上肢、下肢，驱动器分别与所述上肢、下肢连接，驱动器用于驱动上肢、下肢的运动，所述脚撑设于所述下肢的脚部底端，所述脚撑上设有锁紧机构，锁紧机构用于将锥形杆电力维修辅助外骨骼装置与锥形杆固定，控制器与驱动器电连接，用于控制锥形杆电力维修辅助外骨骼装置的运动。
3.如权利要求2所述的一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置，其特征在于，信号采集处理系统，包括位姿传感器、力传感器、地面压力传感器，位姿传感器设于人体的上肢、下肢上，位姿传感器用于采集人体的位姿；力传感器设于轻量化机械结构的上肢、下肢上，力传感器用于采集人机耦合力矩；地面压力传感器设于外骨骼结构的脚撑的底部，用于采集脚部的压力，姿传感器、力传感器、地面压力传感器分别与控制器电连接。
4.如权利要求2所述的一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置，其特征在于，所述关节角度编码器系统，包括多个角度编码器，各角度编码器分别与控制器电连接，角度编码器设于轻量化机械结构中下肢的髋关节和膝关节，用于收集髋关节和膝关节的角度信息。
5.如权利要求2所述的一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置，其特征在于，控制器包括导纳控制器和位置控制器，所述导纳控制器用于根据是人机耦合力矩τext和初始的设定轨迹x0，输出是参考轨迹xd，位置控制器根据参考轨迹xd控制驱动器驱动外骨骼的下肢移动到指定位置。
6.如权利要求5所述的一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置，其特征在于，所述导纳控制器为：
7.如权利要求6所述的一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置，其特征在于，所述锥形杆电力维修辅助外骨骼装置具备两种工作模式，两种工作模式包括攀爬工作模式、维持作业工作模式，轻量化机械结构上设置有可切换工作模式的开关。
8.如权利要求7所述的一种锥形杆电力维修辅助外骨骼装置，其特征在于，锥形杆电力维修辅助外骨骼装置处于所述攀爬工作模式时，导纳控制器采用导纳控制器的第一导纳参数；处于所述维持作业模式时，导纳控制器采用第二导纳参数，以便人体倚靠在外骨骼结构上。
