帶電作業機器人J型線夾安裝工具的研制與TCP位置標定方法

張銅，張黎明，徐善軍，任書楠，郭俊龍，渾連明，王勇琦

（1.北京國電富通科技發展有限責任公司，北京100071；2.國網天津市電力公司,天津300010；3.南瑞集團有限公司/國網電力科學研究院有限公司/國電南瑞科技股份有限公司，南京211106）

0 引言

隨著電力用戶對供電服務品質的要求不斷提高，配電網運行的連續穩定性亟待提高。配網帶電作業是持續不間斷供電的必要方式，是實現配電網安全可靠運行的重要手段。配網帶電作業已成為檢修搶修等電力作業的首選[1]。

架空絕緣配電線路中帶電接火作業占帶電作業中的較大比例。配網帶電作業技術導則中要求使用的J型線夾，由2個上下J型結構和1個螺栓組成，擰緊后依靠螺栓的緊固力和J型結構的楔緊彈力實現行線和引流線的壓接。目前帶電接火作業包括絕緣手套法和絕緣操作桿法，需要2個人配合完成帶電接火作業[2]，作業人員勞動量大并且處在高壓磁場環境中，安全性沒有保證。因此創造性地提出一種適用于配網帶電作業機器人和末端工具完成帶電接火作業。

本文研究根據帶電作業技術導則和機器人自身特點設計開發智能化J型線夾安裝工具，避免作業人員與帶電線路的接觸，安全可靠地完成帶電接火作業，提高作業效率和安全性，機器人和J型線夾安裝工具如圖1所示。

圖1 機器人和J型線夾安裝工具

1 機器人J型線夾安裝工具方案和原理

1.1 J型線夾安裝工具方案

J型線夾安裝工具需要具備自動換線夾并完成行線和引流線的搭接作業，要求質量輕、體積小、智能化程度高。總體方案如圖2所示。

1.2 J型線夾安裝工具原理

實現行線和引流線的可靠搭接，需要達到J型線夾擰緊轉矩的要求。根據作用力和反作用力及力矩平衡原理，設計J型線夾安裝工具的夾緊機構和擰緊機構。采用自動化控制和絕緣耐壓技術[3]，以滿足智能帶電作業工器具要求。

圖2 J型線夾安裝工具總體方案

2 J型線夾安裝工具的設計

圖3 J型線夾安裝工具總體設計圖

按照接火作業流程，J型線夾安裝工具的功能可以劃分為：擰緊裝置、夾緊機構、控制和通信系統。擰緊裝置用于旋轉J型線夾螺栓達到一定轉矩和預緊力。夾緊機構作為輔助機構包括線夾夾緊機構和引流線夾緊機構。控制和通信系統實現工具的自動控制和無線通信。工具系統設計如圖3所示。

2.1 擰緊機構設計和電動機選型

擰緊機構由大轉矩低轉速直流電動機和諧波減速器、擰緊套筒、線夾底座組成。根據作用力和反作用力及力矩平衡原理，擰緊機構中的電動機輸出正向轉矩，線夾底座提供反向轉矩，將線夾擰緊的外力轉化為擰緊機構的內力，∑M=∑M輸出+∑M底座=0，即電動機輸出力矩與線夾底座提供的反向轉矩的合力矩為零。擰緊機構將線夾螺栓擰緊后提供壓接行線和引流線的預緊力。

按照配網帶電作業金具標準擰緊J型線夾的力矩需要達到30 N·m，根據電動機力矩公式：

式中：T為電動機輸出轉矩；U為電動機電壓；I為電動機電流；n為電動機轉速。

從式（1）可知，在電動機電壓和轉速不變的情況下，轉矩與電樞電流成正比關系[4]。電樞電流越大，電動機的輸出轉矩越大。通過測試，當電動機電流達到2.5 A時，擰緊J型線夾的轉矩可達30 N·m，如圖4所示。

該大轉矩低轉速關節電動機，采用CAN總線隔離驅動，保證通信速率和抗干擾性，通過轉矩模式或者查詢電流的方式評估鎖緊轉矩，轉矩達到標準后鎖緊停止。

2.2 夾緊機構設計

夾緊機構分為引流線夾緊機構和線夾夾緊機構，引流線夾緊機構用于夾持固定支線，線夾夾緊機構用于取線夾盒處的線夾及固定線夾。

夾緊機構電動機采用全橋驅動電路，通過檢測電動機電流來評估夾緊力，達到一定夾緊力則電動機停止。通過電動機的正反轉執行引流線和線夾的夾緊和松開。

圖4 J型線夾力矩測試

2.3 控制和通信系統設計

J型線夾安裝工具采用嵌入式控制系統，集成電動機控制、傳感器信號檢測、電壓和電流檢測、攝像頭控制等。通信系統采用工業級WIFI模塊和攝像頭數據采集，如圖5所示。

圖5 控制和通信系統拓撲圖

控制系統應用STM32芯片處理AD信號和PWM脈寬，改變占空比實現電動機調速，控制系統中的電流檢測傳感器檢測電動機電流大小，控制電動機的啟停[5]。旋轉初始定位傳感器采用霍爾傳感器，在耦合器上180°對稱安裝磁鐵，尋找初始位置。支線檢測傳感器采用光電傳感器，支線到位后光被遮住，顯示支線到位。控制系統實時監測電池電量數據。

通信系統運用工業級WIFI通信模塊與機器人進行通信指令交互和數據傳輸。通信指令統一為Modbus協議標準，工具自檢各個模塊信息和傳感器的信號，實時反饋執行機構的狀態。攝像頭采用工業級內窺針孔攝像頭，通過獨立WIFI視頻通道連接到機器人進行數據傳輸，監控工具的工作狀態。

3 機器人J型線夾安裝工具TCP位置標定

UR六軸機械臂的突出特點是它的自由驅動功能，因此采用一個固定點示教工具中心點。工具中心點（TCP）包含相對于工具輸出法蘭中心的轉換和旋轉，位置坐標X、Y、Z決定TCP的位置，θ1、θ2、θ3決定TCP的方向。示教工具中心點如圖6所示。

圖6 示教工具中心點

對式（2）用齊次變換矩陣展開第i個標定點的轉換關系為

令式（3）兩邊第4列對應相等，可得

將TCP從4個不同的角度移動至所選的固定點上，并保存機器人工具相應位置。數據如表1所示。

表1 機器人工具標定點記錄

結合式（4）用2點的公式減去1點的公式得到：

依次類推可得：

式（6）為列滿秩矩陣，只能求出FPT的最佳最小二乘解，利用廣義逆求得

將表1的3個點的數據代入到式（7）中計算得到TCP相對于機械臂末端法蘭中心的坐標為：X=-0.24 mm；Y=26.14 mm；Z=242.35 mm。

實際測量的TCP相對機械臂末端法蘭中心的坐標為：X=0 mm；Y=26.05 mm；Z=242.39 mm。

通過轉換計算出TCP，3個位置可以確定TCP，使用第4個位置驗證計算結果是否正確。TCP位置坐標確定后，只需要再指定2個坐標軸就可以確定TCP的方向，讓TCP分別沿著工具坐標系X軸方向和Y軸方向移動一定距離，通過轉換計算得到TCP的X、Y、Z軸的方向[7]。

從計算結果與實際測量結果對比可以看出，示教TCP位置的誤差為±0.3 mm，滿足帶電接引流線作業的要求。

4 J型線夾安裝工具的測試和試驗

J型線夾安裝工具采用等電位作業方式，進行多層絕緣和電磁兼容設計。

工具和機械臂間安裝有絕緣子，工具外殼、電動機外殼等采用復合材料，其內部噴涂金屬漆。主電動機座和外殼采用一體化設計，減少拼接處的縫隙，最大限度地保證電動機和控制盒的密封性。控制盒體包裹銅箔并采用屏蔽線纜連接，所有外接控制與控制芯片信號通過光耦隔離。多種措施保障絕緣耐壓和電磁兼容性。

J型線夾安裝工具的測試包括絕緣耐壓、電磁兼容測試等。進行工頻耐壓測試，通過對地20 kV/1 min的測試。進行《電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》，試驗等級4級；進行《電磁兼容試驗和測量技術 射頻電磁場輻射抗擾度試驗》，試驗等級3級；進行《電磁兼容 試驗和測量技術 工頻磁場抗擾度試驗》，試驗等級5級[8]。

J型線夾安裝工具在10 kV帶電線路上進行了多次試驗，如圖7所示，工具運行平穩，能夠完成多種型號絕緣架空線纜的帶電接火作業。

圖7 J型線夾安裝工具試驗

5 結論

本文提供一種配網帶電作業機器人末端工具TCP標定方法，對機械臂的種類和末端工具的外形沒有特殊要求，適用于大多數機器人末端工具的TCP標定。

J型線夾安裝工具與機器人配合能夠自動完成穿引流線、掛載行線、擰緊線夾等帶電接火流程。小型化自動化程度高。

J型線夾安裝工具作為機器人的末端工具，可以替代人工完成接火作業，亦可作為單獨的工具安裝在絕緣桿上使用，具有很好的社會效益和經濟效益。