高壓帶電作業機器人系統的研制

趙玉良，戚 暉，李 健，李運廠

ZHAO Yu-liang1, QI Hui1, LI Jian2, LI Yun-chang2

(1.山東電力研究院，濟南 250002；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南 250002)

0 引言

為了提高帶電作業的自動化水平和安全性，減輕操作人員的勞動強度和強電磁場對操作人員的人身威脅，從80年代起許多國家都先后開展了帶電作業機器人的研究，如日本、西班牙、美國、加拿大、法國等國家先后開展了對帶電作業機器人的研究。2002年我國也進行了高壓帶電作業機器人產品化樣機的研制。針對目前我國10KV線路帶電作業工藝要求，以及作業環境的特點，研制一臺能夠最大限度的滿足現場作業環境要求的高壓帶電作業機器人，該機器人可以代替人工完成作業頻率較高的帶電斷線、帶電接線等作業任務，減輕作業人員的勞動強度，使作業人員與高壓電場完全隔離，最大限度的保證作業人員的安全。

1 高壓帶電作業機器人系統組成

高壓帶電作業機器人作業時，作業人員在絕緣斗內隨機器人升至線路附近，作業人員操控機器人主手遙控操作機器人從手進行作業，機器人主手與從手之間控制信號由光纖進行傳遞，保證了作業人員與高壓電場隔離。

如圖1所示，高壓帶電作業機器人按功能分為四個模塊。

1）主從操作機械臂

完成作業任務，將高壓電場與作業人員隔離。主從控制精度高、實時性好、持重大、自重小、性能穩定可靠。

2）機器人專用升降系統

采用目前通用絕緣斗臂車改造，活動空間、絕緣等級參照國標與企業標準。將機械臂運送至線路作業位置。

3）工具系統

包括自動剝皮器、遙控電動扳手、自動斷線鉗、自動破螺母工具等專用工具。以及接引金具、遮蔽工具等。

4）絕緣防護系統

保證操作人員與高壓電場完全隔離。同時應保證機器人對地絕緣、防止相間短路。

圖1 高壓帶電作業機器人系統圖

2 主從式操作機械臂設計

如圖2所示，每個絕緣機械臂均包括液壓機械臂本體、機械臂供油裝置、液壓伺服驅動器、液壓伺服驅動器電源、光纖、手持終端、主手、主手控制單元、逆變器和電源。機械臂是一個基于微控制器的、電液設備。機械臂本體采用鋁合金和不銹鋼制造。機械臂的主手便于左手或右手操作。機械臂本體可以分為上臂和前臂兩個基本部分。上臂部分提供腰部回轉、大臂俯仰和小臂俯仰的運動。前臂部分提供腕部俯仰、腕部搖擺和腕部旋轉的運動。機械臂關節的運動通過7個液壓執行器來執行。每個執行器通過一個液壓伺服閥來控制。為了減少輸油管線和機械臂的復雜度，所有液壓伺服閥被集成到機械臂的內部。除了液壓伺服閥，還增加了減壓閥和電磁閥。電磁閥用來開關液壓源。由于增加了減壓閥，要求外部油液壓力不能超過3000PSI。標準主手是一個結構緊湊，帶自平衡模塊的設備。主手和從手采用相同的結構。主手和機械臂每個關節都安裝一個電位器，用來提供主手和機械臂的位置信息[1]。

圖2 主從式機械臂系統設計

3 機器人專用升降系統設計

最大作業高度19m，最大作業幅度14.4m，斗臂車最大推舉重量等于1200kg，為10Kv帶電作業標準作業車，折疊式加伸縮式。斗臂車可以提供流量30 L/min 以上，壓力13.8MPa液壓動力，能夠滿足液壓機械臂作業的壓力與流量要求。廠家能夠進行機器人作業平臺與絕緣斗臂車機械聯接結構設計、加工和安裝，完成整個機器人作業平臺鋼結構底架玻璃鋼外包和機械臂絕緣外包和支撐。改造后絕緣斗臂車外形尺寸，不能超高（4.2m）、超寬（絕緣斗臂車寬度），行走過程中保證平穩安全。高空作業時，機器人作業平臺可以實現空中180°旋轉，利于三相線路作業。

4 機器人工具系統設計

機器人工具系統是一套創新型機器人工具系統，設計中體現了機器人應用的特點，工具設計標準化、系列化，以保證機器人及其工具設計的實用性。

如圖3所示，電動剝皮器主要由直流減速電機、曲柄、連桿、搖桿、棘爪、棘輪和刀頭等幾部分組成。系統特點如下：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/開口位置保持同一姿態；工具軸向進給力由機械臂提供；凸輪機構將壓線與壓刀動作合二為一，由另一個機械手完成；工具采用無線遙控，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電動扳手電池，電路設計反接、過流保護；工具控制器與遙控電動扳手可互換，工具顏色與電動扳手基本一致，便于今后工具系列化[2]。

圖3 電動剝皮器原理圖

電動扳手、電動破螺母工具和電動斷線鉗是高壓帶電作業機器人重要的專用作業工具，其主要功能是安裝、拆卸需要檢修的高壓帶電作業絕緣子及其他接續工具。目前應用的工具多是手動控制，為了適應高壓帶電作業機器人應用的要求，研制了一套以Atmega128作為主控制器的新型無線控制工具，滿足了高壓帶電作業任務的要求[3]。

5 機器人絕緣防護系統設計

系統對地絕緣，依靠絕緣斗臂車實現，絕緣斗臂車的絕緣臂采用玻璃纖維增強型環氧樹脂材料制成，繞制成圓柱形截面結構，具有質量輕、機械強度高、電氣絕緣性能好、憎水性強等優點，在帶電作業時為人體提供相對地之間絕緣防護；操作人員站在絕緣斗內操控主手作業，操作人員與機械臂之間僅通過光纖通訊，操作人員完全與高壓電場隔離；在相-相之間，空氣間隙和絕緣平臺起主絕緣作用，絕緣遮蔽罩形成相間后備防護，因作業機械臂等電位作業，機械臂外包絕緣材料，形成最后一道防線，防止機械臂偶然觸及兩相導線造成短路；機械臂絕緣方法：玻璃鋼開模具，采用雙面玻璃鋼模模壓成型，內外表面光滑，無毛刺，無氣泡，密實程度好；絕緣平臺布置如圖4所示，主要防止平臺作業時接觸導線造成相間短路，支架采用鋼材，外部采用玻璃鋼開模具，邊相采用絕緣遮蔽罩遮蔽[4]。

圖4 絕緣平臺布置圖

6 試驗

6.1 絕緣機械臂試驗

表1 機械臂絕緣試驗

1）交流耐壓試驗

兩絕緣機械臂交流耐壓試驗加壓方法如圖5所示，一個機械臂末端施加工頻交流電壓，另外一個機械臂末端接地。施加的交流電壓值見表1。機械臂和平臺之間的交流耐壓試驗如圖6所示，機械臂末端施加工頻交流電壓，平臺接地。施加的工頻交流電壓如表1所示。

圖5 兩機械臂交流耐壓試驗

圖6 機械臂和平臺間交流耐壓試驗

2）泄露電流試驗

兩機械臂在進行交流泄露試驗時，其試驗電極采用12.7mm的導電膠帶設置，施加的工頻交流電壓值及泄露值見表1，試驗方法如圖7所示。機械臂和絕緣平臺之間進行交流泄露試驗時，其試驗電極采用12.7mm的導電膠帶設置，施加的工頻交流電壓值及泄露值見表1，試驗方法見圖8所示。

圖7 兩機械泄露電流試驗

圖8 機械臂和平臺間泄露電流試驗

6.2 絕緣平臺試驗

表2 絕緣平臺外表面絕緣性能

絕緣平臺交流耐壓試驗的加壓方法如圖9所示。在絕緣平臺的上下側貼錫箔紙，錫箔紙與平臺邊沿距離h不大于150mm。絕緣平臺在進行交流泄露試驗時，其試驗電極采用12.7mm的導電膠帶設置，施加的工頻交流電壓值、沿面距離h及泄露值見表2，試驗方法如圖10所示。絕緣平臺的表面應平整、光潔、無凹坑、麻面現象、憎水。

圖9 絕緣平臺耐壓試驗

7 結論

為了適應10KV配電線路帶電作業的要求，研制了一臺能夠最大限度的滿足現場作業環境要求的高壓帶電作業機器人，進行了交流耐壓試驗和泄漏電流試驗，驗證所設計絕緣防護方法的可行性。在交流耐壓試驗過程中沒有擊穿、閃絡和嚴重過熱現象發生。交流泄露電流試驗的泄露電流都小于500μA。整個絕緣防護方法設計合理，防護性能可靠，操作簡單方便。工具系統采用無線遙控方式，可以代替人工完成作業頻率較高的帶電斷線、帶電接線等作業任務，減輕作業人員的勞動強度，使作業人員與高壓電場完全隔離，最大限度的保證作業人員的安全。具有很大的實用價值。

圖10 絕緣平臺交流耐壓試驗

[1]孫迪生.機器人控制技術[M].機械工業出版社,1997.

[2]曾國華.可控扭矩電動扳手的設計[J].工具技術,2002.36(5).

[3]李邦協.實用電動工具手冊[M].機械工業出版社.2007.

[4]戚暉.高壓帶電作業機器人絕緣防護技術研究.[J]高電壓技術,2003.