高壓帶電作業機器人系統研制

徐善軍 夏益青 杜婧 楊冰 湯瀟

摘? 要：為滿足國內10kV配網帶電線路帶電作業的要求，研制了高壓帶電作業機器人系統，包括機器人子系統和作業人員平臺子系統等兩大部分組成，可最大限度滿足帶電作業要求。該機器人系統已在實際帶電線路上完成帶電接火作業，極大地降低了作業人員的勞動強度和保障了作業人員的安全，滿足了現階段帶電作業的要求。

關鍵詞：帶電作業機器人;人機協同;絕緣防護

中圖分類號：TM84? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0031-03

Abstract： In order to satisfy the requirement of live line operation in domestic 10kV distribution network， a high voltage live line operation robot system is developed， which consists of two parts： the robot subsystem and the operator platform subsystem. It can meet the live line operation requirement to the greatest extent. The robot system has completed live firing operation on actual live line， which greatly reduces the worker's labor intensity and guarantees the safety of the worker， and meets the requirements of live operation at the present stage.

Keywords： live working robot; man-machine cooperation; insulation protection

引言

配網處于電力系統末端，是保證電力持續供給的關鍵環節，其可靠性在整個供電系統中占有非常重要的位置。為減少配網停電時間、提升供電可靠性和服務水平，配網帶電作業已成最直接、最有效的重要手段。目前，主要由人通過絕緣手套法或者絕緣操作桿法實施帶電作業[1]，作業人員都是通過高壓作業工具與電氣設備接觸，并且帶電檢修作業勞動量大，危險系數高，工作條件惡劣，人身傷亡事故時有發生，作業效率低下[2]。為提高配電可靠性和帶電作業效率，保證帶電作業人員人身安全，減低作業勞動強度，針對我國配電線路特點以及帶電作業工藝要求，研制了人機協同的帶電作業機器人，消除帶電作業人員由于相間距離緊湊嚴重威脅人身安全的隱患，可最大限度減輕作業人員的勞動強度和確保帶電作業的安全性。

1 機器人系統組成

本機器人系統結合了作業人員和機器人各自優勢，以最大限度滿足作業環境要求并順利完成帶電作業，主要由作業人員平臺子系統和機器人子系統兩大部分組成，分別在兩個絕緣斗內。如圖1所示作業人員平臺子系統由作業人員、人機交互接口、絕緣防護系統、絕緣加持工具等組成;機器人子系統包括差分導引模塊、視覺及激光定位系統、夾緊機構、工具快換裝置、末端作業工具、絕緣防護系統和作業機械臂等組成。

作業人員與機器人分別在兩個絕緣斗內，完全實現絕緣隔離，最大限度提高作業人員的安全。充分利用絕緣斗的拓撲空間，使機器人在絕緣斗范圍內占用最小的作業空間，最大限度提高在相間狹小作業空間的活動裕度，同時，機器人系統所在的絕緣斗可實現上下升降，并相對于作業人員絕緣斗實現水平方向上的旋轉，可滿足各線型的作業需求。

人機交互接口與機器人子系統均通過夾緊機構，在不破壞絕緣斗前提下實現與絕緣斗壁沿的夾緊連接，方便拆裝，便于維護，同時利用絕緣斗為機器人提供絕緣防護。

作業機械臂可通過工具快換裝置實現不同作業工具間的快速準確更換，在一次上線作業情況下滿足不同作業類型依次作業或一種作業需不同作業工具實現依次作業的要求，最大限度提高作業效率。

2 斗臂車設計

絕緣斗臂車是機器人系統的承載體，實現將機器人系統輸送到作業線路附近，并提供整體的絕緣防護，其性能直接影響到帶電作業的安全性和作業效率。結合國內各線路的拓撲結構并分析帶電作業工藝流程，選用標準的10kV帶電作業用雙斗絕緣斗臂車進行相應的改造，實現雙斗同時旋轉180°、雙斗間水平分開及閉合、機器人所在斗上下升降等功能。該絕緣斗臂車每個斗的額定載重為135kg以上，完全滿足機器人系統對載重的要求。

3 定位系統設計

機器人定位系統包括接觸式差分定位模塊和激光定位模塊兩部分，其中，接觸式差分定位模塊采用差分GPS定位系統來確定待作業位置的在機械臂坐標系中的坐標值，激光定位模塊利用該坐標值對作業位置進行精確定位。

4 絕緣防護系統設計

現代電力線路環境復雜，部分電力線路與設備之間產生的危險電壓十分強大。基于人機協同作業要求，為確保帶電作業過程的安全性及可靠性，帶電作業機器人的絕緣性能必須達到一個更高的水平。如何合理地確定機器人必要的絕緣水平是本課題的關鍵技術之一。為保證帶電作業機器人必備的絕緣性能，本文采用多級絕緣防護設計，主要包括以下幾個方面。

（1）通過在工具外表面涂覆絕緣漆來實現作業工具的絕緣防護。

（2）作業工具與機械臂之間通過絕緣構件連接，實現作業工具與機械臂間的絕緣，增加系統爬電距離;該絕緣構件按耐壓42kV電壓等級設計。

（3）在機械臂外部包裹絕緣衣，避免作業出現意外情況造成機械臂觸碰非作業相或非帶電物體時造成相間短路或對地短路;該絕緣衣按耐壓20kV電壓等級設計。

（4）機器人系統與作業人員系統之間采用無線通訊方式，避免因通訊原因破壞兩系統間的絕緣，進一步保障作業人員和整個系統的安全性。

（5）絕緣斗的絕緣防護。如圖2所示，本機器人系統充分利用斗臂車的拓撲結構關系和絕緣斗自身的絕緣性能，通過夾緊機構與絕緣斗直接連接，避免對絕緣斗的破壞，從而保持了其結構和絕緣性能的完整性;機器人上裝結構通過絕緣護殼進行全面防護，無金屬件裸露，進一步保障了機器人系統的安全性。上裝結構絕緣護殼按耐壓20kV電壓等級設計。

（6）平臺系統與斗臂車之間通過絕緣構件進一步增加與大地之間的絕緣。該部分的絕緣主要通過由絕緣斗臂車自身絕緣臂來實現。

5 人機交互接口設計

人機交互接口作為人與機器人的僅有的交互接口，對操作人員完成作業任務起著關鍵作用[3，4]。本文所研制的機器人依據作業內容的難度、風險性和智能水平將人機交互的控制模型系統分為監督層、規劃層和反應層（如圖3所示）。人機交互系統分為作業人員人機協同作業操作系統和手持終端交互系統，主要通過語音播報系統、警示燈和機器人控制系統操控界面來實現工作人員與機器人之間的語音、視頻、文字等方面的交互。人機協作框架下，作業人員可以強行介入機器人任務執行過程，根據人機智能分配作業任務。

通過人機交互接口，作業人員可實時獲取機器人的作業步驟及關鍵數據，并根據現場環境和所獲取的信息決定機器人的下步工作。

6 試驗

6.1 工具組絕緣構件試驗

帶電作業工具組通過絕緣構件與機械臂進行連接，該絕緣構件的絕緣性能直接影響到機器人作業的安全性，需進行絕緣耐壓試驗。

工頻交流耐壓試驗方法是：將工具組與絕緣構件連接后作為一個整體，在工具組與導線接觸部分施加工頻交流電壓42kV一分鐘，絕緣構件一端接地，如圖4所示，絕緣構件未出現閃落、擊穿和發熱現象。

泄漏電流試驗方法是：將工具組與絕緣構件連接后作為一個整體，在工具組與導線接觸部分施加工頻交流電壓20kV，絕緣構件一端接地，測量其泄漏電流小于100μA。

6.2 機械臂絕緣衣耐壓試驗

機械臂絕緣衣的試驗方法是：將機械臂絕緣衣用軟質繩吊在空中，在其外表面施加工頻交流電壓20kV，內壁接地，測量其泄漏電流小于100μA。

6.3 機器人防護外殼耐壓試驗

機器人防護外殼的試驗方法是：將機器人的防護外殼用軟質繩吊在空中，在其外表面施加工頻交流電壓20kV，內表面接地，測量其泄漏電流小于100μA。

6.4 機器人本體電磁兼容試驗

該機器人本體電磁兼容試驗包括：靜電放電抗擾度試驗（接觸放電4級 空氣放電4級）、射頻電磁場輻射抗擾度試驗（試驗等級2級）、工頻磁場抗擾度試驗（穩試等4級 短試等級4級），如圖5所示。

6.5 機器人帶電線路作業試驗

該機器人系統在天津津南區重慶街5102010號桿完成實際帶電線路的接火作業，如圖6所示。

7 結束語

為滿足10kV配網線路帶電作業的現實需求，結合現有斗臂車的載重要求，研制了能夠最大限度適應現場作業環境的人機協同帶電作業機器人，進行了絕緣防護構件的耐壓試驗和機器人本體的電磁兼容試驗，并在實際線路上成功進行了帶電接火試驗，驗證了機器人絕緣防護的安全性和整體的性能。該機器人系統可代替人工完成帶電斷接引工作，極大降低了作業人員的勞動強度，最大限度保證了作業人員的安全，滿足了現階段帶電作業要求，具有巨大的實用價值。

參考文獻：

[1]童翔威.多機械手的配網帶電作業機器人的研究與設計[J].通信電源技術，2018，35（12）：62-64.

[2]魯守銀，馬培蓀，戚暉，等.高壓帶電作業機器人的研制[J].電力系統自動化，2003，27（17）：56-58.

[3]何景鵬.基于LinuxCNC的工業機器人人機交互系統研究與實現[D].廣州：華南理工大學，2017.

[4]王田苗，陶永.我國工業機器人技術現狀與產業化發展戰略[J].機械工程學報，2014，50（9）：1-13.