螺栓緊固機(jī)器人輸電線路控制方法分析

李慶興，張 明

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司宿州供電公司，安徽 宿州 234000）

0 引 言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，輸電線路的維修難度系數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。螺栓緊固機(jī)器人在實際維修過程中發(fā)揮了重要優(yōu)勢，可針對螺栓存在的故障進(jìn)行及時診斷，通過試驗的方式驗證控制策略的準(zhǔn)確性。因此，明確輸電線路螺栓緊固機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，有助于保證輸電線路的順利運(yùn)行。

1 螺栓緊固機(jī)器人的構(gòu)造研究

1.1 螺栓緊固機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

螺栓緊固機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括主體、兩個行走的輪子、夾爪以及伸縮機(jī)械臂等。實時分析減速箱輸出軸的運(yùn)行狀態(tài)，需要發(fā)揮法蘭連接驅(qū)動盤的優(yōu)勢，對行走輪進(jìn)行有效連接。經(jīng)過工藝處理后的行走輪滾動槽，一定程度上增加了槽壁與導(dǎo)線之間的摩擦系數(shù)，可防止意外的發(fā)生。該裝置具有一定的防水性能，借助編碼器后蓋與電機(jī)末端連接，對機(jī)器人伸縮和橫向移動造成了一定的障礙。夾爪裝置的優(yōu)勢較為顯著，輸出軸通過齒輪進(jìn)行傳遞的過程中，與螺紋軸進(jìn)行連接，使齒條保持處于水平運(yùn)行狀態(tài)，實現(xiàn)夾緊或松開。夾爪支架具有一定的優(yōu)勢，與電機(jī)減速器有效連接。此時，電機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，絲桿隨之發(fā)生運(yùn)動。當(dāng)齒條發(fā)生運(yùn)動時與夾爪輪齒有機(jī)結(jié)合在一起，此時的夾爪將處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。等電位輪的安裝是保證機(jī)器人等位電能的關(guān)鍵。提升彈簧移動方式的準(zhǔn)確性，有助于保證機(jī)器人工作的穩(wěn)定性。在線上設(shè)定螺栓緊固任務(wù)，并由機(jī)器人完成。在螺栓裝置的設(shè)置上，自由度機(jī)械臂中的關(guān)節(jié)主要由2個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個伸縮關(guān)節(jié)組成，在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù)。

1.2 螺栓緊固作業(yè)機(jī)器人柔性末端結(jié)構(gòu)設(shè)計

螺栓緊固作業(yè)機(jī)器人柔性末端結(jié)構(gòu)的設(shè)計較為完善。首先，操作過程中要做好螺栓頭的固定工作，實時關(guān)注螺母的運(yùn)行狀態(tài)，借助旋轉(zhuǎn)端將其套住，隨即擰緊螺栓。在實際操作環(huán)節(jié)中，要根據(jù)當(dāng)前高壓輸電線路的實際情況，結(jié)合螺栓的型號，選擇最佳的套筒完成作業(yè)。螺栓緊固作業(yè)機(jī)器人柔性末端結(jié)構(gòu)設(shè)計中的螺栓固定裝置工作方式較為簡單，限制螺栓頭的轉(zhuǎn)動。在此環(huán)節(jié)中，輸出扭矩的過程要保證擰螺母裝置的穩(wěn)定性。需要借助渦輪蝸桿傳動的方式進(jìn)行操作，提升裝置的運(yùn)動性能。螺栓柔性末端執(zhí)行器主要由旋轉(zhuǎn)電機(jī)和扳手套筒等組成。在實際運(yùn)行環(huán)節(jié)中，需要掌握套筒與旋轉(zhuǎn)軸之間的關(guān)系。設(shè)計時，為了保證套筒與螺母之間處于平衡狀態(tài)，可以借助十字鉸的方式實現(xiàn)二者的連接。在伸縮機(jī)運(yùn)行環(huán)節(jié)，將帶動旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)的彈簧移動，實現(xiàn)壓縮。針對設(shè)備運(yùn)行的實際情況，可適當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)械手，保證內(nèi)六角套筒與螺母之間形成有效的對接。發(fā)揮控制器的作用，實時監(jiān)測套筒的位置，使之與螺母保持在一致的狀態(tài)。輸電線路運(yùn)行過程中，機(jī)器人借助螺栓緊固末端執(zhí)行器的優(yōu)勢實時收集任務(wù)指令，并與帶電作業(yè)機(jī)器人合作完成[1]。

1.3 螺栓緊固作業(yè)機(jī)器人測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

螺栓緊固作業(yè)機(jī)器人測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的人機(jī)交互系統(tǒng)主要借助視頻服務(wù)器的優(yōu)勢，實時獲取攝像頭中的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的實際情況有效調(diào)節(jié)機(jī)器人，減少了人力、物力、財力資源的消耗，提升了作業(yè)質(zhì)量與效率。其中，人機(jī)交互系統(tǒng)可以分為不同的部分。第一，系統(tǒng)區(qū)和狀態(tài)顯示區(qū)可以掌握地面基站的數(shù)據(jù)信息，借助通信技術(shù)的優(yōu)勢與機(jī)器人進(jìn)行有效連接，實現(xiàn)視頻登入、視頻錄像等功能，保證按鍵的有效操作。指示區(qū)與電源控制器實時掌握監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與視頻的連接狀態(tài)，可以準(zhǔn)確監(jiān)測機(jī)器人的電池和電壓情況，保證機(jī)械運(yùn)行的安全性。該系統(tǒng)優(yōu)勢可以及時發(fā)現(xiàn)電機(jī)中存在的問題，出現(xiàn)過流等問題時可以借助清除按鍵清除錯誤，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。通用平臺主要包括基本操作，可以精準(zhǔn)定位機(jī)器人的位置，控制機(jī)器人的運(yùn)動。帶電作業(yè)機(jī)器人機(jī)械手控制區(qū)準(zhǔn)確判斷螺栓是否處于擰緊狀態(tài)，可以實現(xiàn)自動化操作。第二，傳感器以及其他輔助設(shè)備主要包括編碼器、限位開關(guān)、姿勢傳感器、三維傳感器以及攝像頭等部分，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，掌握輸電線的運(yùn)行情況。

2 螺栓對中預(yù)測策略

螺栓對中預(yù)測策略主要涉及機(jī)器人的運(yùn)動軌跡預(yù)測和螺栓的運(yùn)動軌跡預(yù)測兩個部分。其中，機(jī)器人的運(yùn)動軌跡預(yù)測需要明確多傳感器數(shù)據(jù)融合的定義和優(yōu)勢，將多個傳感器有效連接在一起，實現(xiàn)信息之間的傳遞，針對各自傳感器傳輸數(shù)據(jù)信息的不足與優(yōu)勢實現(xiàn)互補(bǔ)，以保證觀測測量的準(zhǔn)確性。多傳感器信息技術(shù)處理過程較為完善，實現(xiàn)信息優(yōu)化與整合，提升系統(tǒng)信息的準(zhǔn)確性。同時，多傳感器數(shù)據(jù)融合在目標(biāo)跟蹤預(yù)測中的性能較為顯著，可以增加系統(tǒng)的生存能力，降低信息的模糊性，逐步擴(kuò)寬信息探測范圍。此環(huán)節(jié)借助不同傳感器的功能優(yōu)勢，準(zhǔn)確描述物體的特性，有助于減少數(shù)據(jù)信息在傳輸過程中產(chǎn)生的誤差。多傳感器信息融合方式主要有加權(quán)平均數(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。卡爾曼濾波器的融合過程需要掌握加速度計和陀螺儀的模型狀態(tài)，充分考慮外部重力加速度、重力加速度、加速度的偏差和噪聲等因素，借助陀螺儀的優(yōu)勢測量角速度，保證數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。實時測量系統(tǒng)機(jī)器人的最優(yōu)角度，注重優(yōu)化機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并與套筒的擺動傾角進(jìn)行轉(zhuǎn)化，隨后科學(xué)分析螺栓的擺動傾角。螺栓對準(zhǔn)預(yù)測策略主要預(yù)測螺栓和攝像機(jī)的運(yùn)行軌跡，將傾斜角保持在相同區(qū)間，保證螺栓對準(zhǔn)作業(yè)的準(zhǔn)確性，可以實時監(jiān)測輸電線路的擺動幅度。為了提升機(jī)器人在輸電線路上的穩(wěn)定性，要將螺栓與攝像機(jī)在輸電線路上的擺動幅度最小化，控制機(jī)械臂準(zhǔn)確完成任務(wù)[2]。

3 螺栓對中控制策略

螺栓對中控制策略主要監(jiān)測套筒和螺母的對接情況。為了保證六角準(zhǔn)確對準(zhǔn)，要關(guān)注內(nèi)六角套筒與六角螺母之間的運(yùn)行狀態(tài)，盡量減少二者之間的摩擦，保證螺栓緊固機(jī)器人在輸電線路中順利運(yùn)行。其中，螺栓對中控制策略需要做好對螺母旋轉(zhuǎn)的角度計算工作，實時掌握套筒相對于螺栓的偏角情況。當(dāng)不存在角度偏差時，需要控制機(jī)械臂并進(jìn)行給進(jìn)操作，對螺栓進(jìn)行加固處理。當(dāng)出現(xiàn)偏差較小時，要掌握好套筒與螺栓之間的具體角度，準(zhǔn)確定位給進(jìn)螺母的圈數(shù)，提升對準(zhǔn)成功率。當(dāng)出現(xiàn)螺栓對準(zhǔn)失敗問題時，要根據(jù)攝像頭的實際情況，借助機(jī)械臂對其進(jìn)行控制。當(dāng)出現(xiàn)偏差較大時，需要重新對準(zhǔn)操作。基于力傳感器的柔順控制主要需要分析套筒旋轉(zhuǎn)前的受力情況，利用該方式適當(dāng)調(diào)整機(jī)械臂的位置，科學(xué)掌握旋轉(zhuǎn)螺母的實際受力情況。在計算柔性角度時，需要準(zhǔn)確的掌握柔性角度的臨界情況，保證螺栓與套筒之間的偏角在柔性范圍之內(nèi)，順利進(jìn)行對準(zhǔn)。在研究螺栓緊固作業(yè)末端內(nèi)六角套筒承受載荷對扭矩的影響時，需要掌握內(nèi)六角套筒和十字連軸架的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)行位姿的調(diào)整。

4 螺栓緊固的力矩控制策略

螺栓緊固的力矩控制策略需要掌握常見的預(yù)緊力控制方式，其中扭矩控制方式較為簡單。掌握螺紋的連接狀態(tài)行，需要明確軸向夾緊力與擰緊扭矩之間的關(guān)系。在實際的裝配環(huán)節(jié)，要充分考慮螺孔本身和溫度的變化情況，有效降低成本，提升擰緊質(zhì)量。扭矩轉(zhuǎn)角控制法要控制轉(zhuǎn)角的時間，且螺栓緊固的精度較高，但在實際應(yīng)用過程中會產(chǎn)生一定的誤差。扭矩系數(shù)控制法在實際的試驗過程中，需要分析控制力矩轉(zhuǎn)化為具體電流的情況。為了實現(xiàn)智能化控制，放入程序中進(jìn)行觀察，實時監(jiān)測電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并與設(shè)置的電流進(jìn)行比較。當(dāng)超過設(shè)置的電流閾值時，將會實現(xiàn)自動停止。在分析扭矩隨時間變化的斜率時，需監(jiān)測螺栓擰緊的全過程，觀察螺母和墊片的貼緊程度，延長螺栓的使用壽命。輸電線路螺栓緊固機(jī)器人控制方式需要安裝機(jī)器人吊裝滑輪，針對線路中存在的故障進(jìn)行維修[3]。

5 結(jié) 論

本文詳細(xì)分析了螺栓緊固機(jī)器人輸電線路控制方法，闡述螺栓緊固的柔性末端結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體流程，研究螺栓緊固機(jī)器人在輸電線路上的預(yù)測對準(zhǔn)和緊固問題，要求相關(guān)研究人員具備較強(qiáng)的專業(yè)知識儲備，堅持理論聯(lián)系實際的原則，使其適應(yīng)當(dāng)前輸電線路運(yùn)行的實際情況。