高壓帶電作業機器人自動剝皮器的研制

李 健，李端明，戚 暉，陳凡明，趙玉良

（1. 山東電力研究院，濟南 250101；2. 錫林郭勒魯能能源有限責任公司，錫林浩特 026000）

高壓帶電作業機器人自動剝皮器的研制

李 健1，李端明2，戚 暉1，陳凡明1，趙玉良1

（1. 山東電力研究院，濟南 250101；2. 錫林郭勒魯能能源有限責任公司，錫林浩特 026000）

0 引言

高壓帶電作業是為了保證供電設備安全、可靠運行、提高電網經濟運行和服務質量的重要檢修手段[1]。帶電作業機器人主要完成作業頻率較高的帶電接線、帶電斷線等項目，而導線剝皮是所有高空作業項目中必不可缺少的一步。現有高壓帶電作業所用剝皮器大都是手動操作，絕緣防護差、效率低，而且操作者作業存在極大的不安全因素，如圖1所示。因此，本文研究適合高壓帶電作業機器人操作的自動剝皮器，要求結構設計簡單、便于機器人夾持操作；絕緣性能優良、安全可靠、實現遠程遙控；作業效率大大提高、完全替代人工手動剝皮作業。

圖1 手動剝皮器

1 手動剝皮器分析與設計經驗總結

1.1 手動剝皮器特點分析

1）操作人員手動壓刀，刀具刺入導線絕緣層。

2）刀具螺旋切削，操作人員雙手旋轉形成力偶M（也可由棘輪或齒輪機構形成），并沿軸向推動刀具F（刀具可與導線夾角形成軸向分力），如圖2所示。

圖2 自由導線受力分析圖

3）操作人員停止軸向進給，刀具環切導線，自動斷屑。刀具截面為月牙型，三面有刃，中間排屑，防止切屑與導線纏繞。

4）操作人員松開刀具，將剝皮器取下。

1.2 手動剝皮器總結

采用棘輪傳動式手動剝皮器，如圖3所示，雙彈簧保證棘爪在傳動位置和開口位置保持同一姿態。機械臂直線插補運動，驅動刀具運動，刀具與導線存在傾斜角度，依靠切削分力實現軸向進給，使用凡士林、黃油等潤滑脂可使切削輕快。通過多次棘輪傳動式剝皮器試驗發現，工藝設計、加工精度等問題可能造成切削過程不太可靠，同時效率較低。

圖3 棘輪傳動式剝皮器

圖4 機器人剝皮器工作原理圖

2 機器人自動剝皮工作原理分析

機器人專用剝皮器主要由壓緊進刀裝置和棘輪驅動裝置兩部分構成，如圖4所示，結合架空導線作業特點，自動剝皮器工作原理如下：

1）導線夾緊動作 機械臂手爪先夾緊導線，起支撐固定導線作用，否則導線在切削力的作用下發生扭轉變形，無法進行切削。

2）刀具動作 操作人員要先把導線壓緊、固定在刀具V型槽內，調節擰緊鎖緊螺栓，注意導線中心與刀具回轉中心盡量保持重合，然后進行壓刀，控制刀具切入絕緣層的深度，當導線裸露時為切進深度適宜；調整刀具傾斜角度，使刀具向導線徑心移動，同時還應便于刀具切削分力帶動剝皮器沿導線水平運動并沿導線螺旋切除絕緣層。

3）固連約束 機械臂手爪必須與刀具固連約束（成為機架），否則刀具將在導線上自由運動無法工作。

4）刀刃設計 刀具切削刀刃特殊設計，有鏟削分力。

3 機器人自動剝皮工具設計

3.1 系統設計方案

機器人專用自動剝皮器切削導線運動是一個復雜的過程，主要存在以下設計難點：

1）由于機械臂持重限制，工具的重量、尺寸有嚴格限制，工具結構簡單可靠。

2）由于工具需有開口，圓周運動傳動設計是關鍵。

3）工具軸向進給力很大，機械臂需有力反饋或過載保護。

由于采用液壓驅動機械臂進行夾持操作，機械臂末端載荷較大，可由機械臂提供刀具附加軸向力。機構原理圖如圖5所示，整個系統采用直流減速電機驅動、曲柄搖桿與棘輪機構傳動組合而成。

圖5 剝皮器機械原理圖

圖6 機器人自動剝皮設計圖

機器人自動剝皮工具主要由直流減速電機、曲柄、連桿、搖桿、棘爪、棘輪、刀頭等幾部分組成，如圖6所示。直流減速電機驅動曲柄，通過連桿帶動搖桿和棘爪一起運動，棘爪撥動棘輪和刀頭完成刀具的圓周運動，雙彈簧保證棘爪在傳動位置和開口位置保持同一姿態。工具軸向進給力由機械臂提供。工具采用無線遠程遙控，嵌入式控制系統、控制工具正反轉，加減速。考慮工具瞬時過載，對電源要求較高，采用12v電動扳手專用充電電池，電路設計反接、過流保護。

剝皮器絕緣處理，采用尼龍材料質凸輪塊和鎖緊螺母進行夾緊，機械臂夾持部分采用絕緣材料固定架[2]。

3.2 動力計算選型

工具對絕緣層的切削力矩由手動工具試驗測得：

其中：F拉測得為5千克力，手動工具受力半徑L=0.3m，則

自動工具驅動力矩計算如下：

所選減速電機的輸出扭矩為7Nm，輸出轉速：43rpm[3]。

3.3 工具控制系統設計

圖7 硬件控制系統圖

控制系統硬件設計如圖7所示，主要由以下幾個模塊構成：

1）控制系統模塊：控制系統MCU采用8位嵌入式控制芯片ATmega128，處理控制信號和PWM波。

2）電機驅動模塊：由于沖擊扳手電動機的過載電流能達10A，所以選用了具有H橋的SA60。SA60是一個PWM 型功率輸出芯片, 電路提供給電機的電源電壓最大可達到80V , 能連續向負載提供10A 的電流。

3）無線發射接收模塊：發射距離300～500米。

為了實現電路的可靠性，在電路上采取了防電磁干擾、過電流保護、過電壓保護、防反接保護等措施。

4 機器人自動剝皮工具試驗

在國家電網電力機器人實驗室搭設架空導線，將自動剝皮器固定在液壓機械臂上，如圖8和圖9所示，現場模擬實現自動剝皮功能。

圖8 自動剝皮器右側面圖

圖9 自動剝皮器左側面圖

表1 自動剝皮器工具技術性能參數

試驗證明，該機器人自動剝皮器便于機械手夾持操作、壓線牢固可靠，能夠實現自動剝皮功能，剝皮速度遙控可調，剝皮效果良好，完全符合高壓帶電作業機器人作業要求。表1為自動剝皮器工具技術性能參數。

5 結論

隨著機器人逐步進入高壓帶電作業領域，機器人專用工具和自動工具研究成為機器人推廣應用的重點，并逐漸替代手動操作，提高作業效率和操作安全性，減輕作業人員的勞動強度。通過專家評審，一致認可該自動剝皮器設計方案，同時現場試驗驗證，該剝皮器使用簡單、安全可靠、效率高，適合高壓線路作業的特點，具有極大的實用價值和推廣價值。

[1]上海市電力公司組.10kV架空配電線路帶電作業指導書[M].北京:中國電力出版社,2007.

[2]李邦協.實用電動工具手冊[M].北京:機械工業出版社,2003.

[3]吳宗澤.機械設計實用手冊(第二版)[M].北京:化學工業出版社,2008.

Research on auto-peeling device for high-voltage live working robot

LI Jian1, LI Duan-ming2, QI Hui1, CHEN Fan-ming1, ZHAO Yu-liang1

使用帶電作業機器人進行高壓線路作業不但可以提高配電可靠性、保證帶電作業人員的人身安全，而且能夠大大降低作業的勞動強度，提高帶電作業的自動化水平。架空導線長期裸露在外面，受外界惡劣環境的影響，外層絕緣層很難被剝除，這給高壓帶電作業帶來很大困難，也增加了作業不安全因素。本文總結手動剝皮器經驗，通過結構設計、控制設計和試驗研究，研制出使用簡單、安全可靠，適合高壓作業的自動剝皮器。

高壓作業；帶電作業機器人；電動式自動剝皮器

李健（1977 - ），男，山東臨沂人，工程師，研究生，主要從事高壓帶電作業機器人的機械結構設計、仿真模擬及機械動態特性分析等方面的研究。

TP242

B

1009-0134(2011)4(上)-0111-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.4(上).35

2010-11-03

山西長治10kV帶電作業機器人實用化研究