單臂帶電作業機器人的設計與分析

應永靈，沈貝石，徐晨杰，陳杰輝，劉曉宏

（1.慈溪市輸變電工程有限公司，浙江 慈溪 315300；2.浙江鼎順電氣科技有限公司，浙江 慈溪 315300；3.湖南帝星智能科技有限公司，湖南 長沙 410100）

1 背景

配電線路進行不停電檢修是近年來電力設備檢修的趨勢[1]。目前，傳統的配電網帶電檢修主要由人工進行[2-3]，大多是工人穿戴絕緣屏蔽服站立高空絕緣斗中進行作業，勞動強度大、工作效率低且危險系數高[4]。為了克服人工帶電作業的危險和不足，帶電作業機器人作為智能電網建設的新興技術，已經是配電網帶電作業領域重點研究的課題。目前國內外帶電作業機器人大多采用兩個機械臂來模擬人類雙手的動作，但雙臂帶電作業機器人由于高空作業平臺最大承重的限制，機械臂的臂展短，并且雙臂需要協調控制，對控制的精度要求高，從而造成產品生產成本高，成為廣泛使用的阻礙。針對我國配電線路的特點以及帶電作業工藝要求，研制了單臂帶電作業機器人，具有機械臂臂展長、工具頭抓取范圍大、控制簡單、生產成本低等特點，對帶電作業機器人的推廣應用有著重要意義。

2 總體結構

單臂帶電作業機器人主要用于穿刺型引流器的搭接，具備良好的絕緣性能，主要由工具頭、機械臂、平移裝置、剪線裝置、動力及控制系統、傳感系統、機架等組成，其結構如圖1 所示，具有抓引流線、送引流線、剪引流線、緊固引流器等功能。

圖1 單臂帶電作業機器人結構

2.1 穿刺型引流器

穿刺型引流器的結構如圖2 所示，包括支撐架、穿刺頭、夾頭、穿刺頭螺桿、夾頭螺桿、穿刺頭力矩螺母、夾頭力矩螺母組成。支撐架上設有供引流器搭接作業時固定在工具頭上的安裝孔、供穿刺頭螺桿、夾頭螺桿擰入的螺紋孔，支撐架的一側設有容納主線的穿刺卡口、供穿刺頭滑動的滑槽和供穿刺主線用的穿刺齒，另一側設有容納引流線的夾緊卡口、供夾頭滑動的滑槽和固定引流線用的弧形卡槽。穿刺頭、夾頭分別安裝在支撐架的兩側的滑槽內，可在滑槽內滑動，穿刺頭螺桿、夾頭螺桿穿過支撐架的螺紋孔分別與穿刺頭、夾頭相連接，穿刺頭螺桿、夾頭螺桿的另一端分別擰入穿刺頭力矩螺母和夾頭力矩螺母。當穿刺頭力矩螺母和夾頭力矩螺母受力旋轉時，穿刺頭力矩螺母和夾頭力矩螺母分別帶動穿刺頭螺桿、夾頭螺桿旋轉，使穿刺頭、夾頭沿滑槽向穿刺齒、弧形卡槽移動，使穿刺頭刺入主線并且夾頭夾緊引流線，使引流線和主線相連通，實現引流線的搭接。穿刺頭力矩螺母和夾頭力矩螺母均為鋁合金材質，用于控制螺桿對主線及引流線的擰緊力，其設計擰斷力矩分別為15Nm 和7Nm。

圖2 穿刺型引流器結構

2.2 工具頭

工具頭主要實現3 個功能：①在搭接前引流器的安裝在工具頭上。②抓取引流線。③搭接后把主線和引流線與引流器相固定，從而對應設計三個功能裝置，即卡緊裝置、抓手裝置和擰緊裝置，卡緊裝置的作用是在進行搭接前安裝和卡緊引流器，使其固定在工具頭上，抓手裝置的作用是抓取引流線和在搭接過程中使引流線隨著工具頭一起移動，擰緊裝置的作用是驅動引流器上的穿刺頭螺桿和夾頭螺桿旋轉使穿刺頭穿入主線以及使夾頭夾住引流線，使引流線和主線牢靠的固定在引流器上的夾緊卡口和穿刺卡口內。

工具頭主要包括抓手裝置、卡緊裝置、擰緊裝置、連接架體4個部分。

2.2.1 抓手裝置設計

抓手裝置的設計原則為盡可能方便抓取引流線，擴大抓取范圍，降低對機械臂的移動精度和控制要求。同時，在搭接移動引流線的過程中應盡量避免扭曲、彎曲引流線導致的損傷，盡量使引流線處于懸吊狀態，因而在到達主線搭接位置前不能將引流線固定在工具頭上，而是要在一定范圍內可以自由移動但又不能從工具頭脫落。

基于以上設計原則，抓手裝置設計成主抓手和輔助抓手相配合的方式。輔助抓手的作用為在距引流線一個較大范圍內抓取引流線，將引流線限制在工具頭所構建的沿引流線斷面的封閉空間內。引流線能夠在封閉空間內沿引流線的長度方向自由移動，但是斷面方向上引流線始終在封閉空間內，從而使引流線在搭接過程中不會從工具頭上脫落，隨著工具頭移動的同時但是又有一定的自由度，使引流線處于懸吊狀態，避免扭曲、彎曲所帶來的對引流線的傷害。主抓手的作用是機器人將引流線送到主線搭接位置后，將在封閉空間內的引流線精準地送入引流器的夾緊卡口內，并夾住引流線，此時引流線固定在引流器的夾緊卡口內。

抓手裝置包括主抓手、輔助抓手、主抓手動作氣缸、輔助抓手動作氣缸、輔助抓手連桿，主抓手由兩側的抓手和鉸耳連接座連接而成，抓手中部設有在支點位置的轉軸安裝孔，主抓手動作氣缸的前端鉸座與主抓手的鉸耳連接座相鉸接，可以推動主抓手繞著支點進行轉動。輔助抓手、輔助抓手連桿、連接架體形成一個四桿機構，輔助抓手動作氣缸可以推動輔助抓手繞著支點進行轉動。

2.2.2 卡緊裝置設計

卡緊裝置的設計原則為在搭接過程中可靠地卡緊引流器，在搭接完成后能順利的松開引流器，使引流器輕松脫離工具頭。

卡緊裝置包括卡緊氣缸和卡緊塊，卡緊氣缸可以推動卡緊塊動作使引流器卡緊在工具頭上。

2.2.3 擰緊裝置設計

為了施工方便快捷，縮短帶電作業時間，帶電作業機器人一次作業進行一相線的兩個引流器的同時搭接，即在工具頭一次安裝兩個引流器，將引流線同時并入兩個引流器上，而每個引流線上有兩個螺桿，分別用來固定引流線和主線，所以擰緊裝置需要擰緊四個螺桿，為了降低工具頭的重量，設計成一個電機驅動四個擰緊套筒同步旋轉，從而帶動螺桿同步旋轉的方式，當電機驅動擰緊套筒旋轉時，螺桿向內移動夾緊引流線和穿刺主線。

擰緊裝置包括擰緊電機、傳動軸、齒輪傳動裝置、擰緊套筒。擰緊電機的動力經傳動軸、主動齒輪、從動齒輪傳遞至擰緊套筒，引流器的力矩螺母套在擰緊套筒內，擰緊套筒旋轉將引流器上的力矩螺母擰斷，擰緊電機采用大傳動比直流電機，其最大轉矩可達80Nm。

2.2.4 連接架體

包括前端的支撐架、中部的齒輪箱、后端的連接筒，支撐架上設有安裝卡緊氣缸的安裝座、安裝引流器的引流器安裝座以及安裝主抓手、輔助抓手的支座。為了減輕重量，其材料均為鋁合金，齒輪箱采用鋁合金材料加工而成，用于安裝齒輪傳動裝置中的各級齒輪。連接筒連接齒輪箱和機械臂，將工具頭的重量及所受的負載傳遞至機械臂上。

2.3 機械臂

引流線未搭接前，引流線的一端固定在輸電塔的接線柱上，另一端自由垂落。由于是人工將引流線的一端固定在接線柱上，引流線的姿態和位置是在一個范圍內是隨機出現。為了方便工具頭能夠輕松地到達抓取引流線的位置，工具頭需要較高的自由度以調整最佳姿態達到在較大范圍內抓取引流線的效果。因此，我們的機械臂選擇采用六軸協作機器臂，具有六個自由度，既可以姿態控制，又可以單獨控制每個軸，可以很靈活地對工具頭的位置及姿態進行操作。機械臂最大負載為16kg，最大臂展為1m，自重為38kg。

2.4 平移裝置

帶電作業機器人安裝在高空作業平臺上，帶電作業機器人的重量要在高空作業平臺能承受的范圍之內。要想盡量地降低帶電作業機器人的重量，就需要降低機械臂自身的重量，同時機器臂要承受工具頭的重量以及在搭接過程中引流線對工具頭的摩擦力和拉扯力，機器臂只能犧牲臂展來滿足承載和重量限制要求。因此為了擴大工具頭的運動范圍，在機器臂的底座上增加一個平移裝置，使機器臂整體移動，擴大工具頭對引流線的抓取范圍和對主線的搭接范圍。

平移裝置安裝在機架上，由絲杠模組和機械臂安裝座組成，機械臂安裝在機械臂安裝座上，可以在絲杠模組的驅動下進行整體平移，擴大了機械臂及工具頭的活動范圍，降低了搭接過程的操作難度。

2.5 剪線裝置

剪線裝置安裝在機架的一側，包括電動線纜剪、位姿調節裝置，電動線纜剪包括靜刀片、動刀片、電機、小齒輪。靜刀片、動刀片采用合金鋼刀片，靜刀片、動刀片的內側為刀口，剪切鋒利，動刀片外側有齒，和小齒輪相嚙合，電機驅動小齒輪轉動，帶動動刀片繞靜刀片旋轉，借助兩個齒輪的嚙合傳動，以帶動動刀片的刀口向靜刀片的刀口推進，使動刀片與靜刀片的刀口所形成的圓形部漸次縮小，以達到剪切的目的，從而切斷刀口中的線纜。位姿調節裝置包括移動裝置和角度調節裝置，移動裝置用來調節電動線纜剪的位置，角度調節裝置用來調節電動線纜剪的傾斜角度，使引流線的末端更方便地進入由靜刀片和動刀片封閉的刀口中。

2.6 動力及控制系統

動力系統包括電源、空壓機，電源采用48V 的鋰電池供電，電量可維持滿負載下帶電作業機器人工作2～3h，空壓機由電源供電，提供各氣缸動作所需要的壓縮空氣。

控制系統包括工控機、機械臂控制系統、PLC 控制系統和信號傳輸系統。

2.7 傳感系統

傳感系統包括距離檢測模塊、視覺模塊、電量檢測模塊、溫度檢測模塊，距離檢測模塊采用超聲距離傳感器，安裝在工具頭前端，用于檢測帶電作業機器人工具頭離異電位的距離。當此距離小于警告距離時，控制系統發出警告，避免帶電作業機器人離異電位過近導致放電，從而產生危險。視覺模塊主要包括4 個攝像頭和照明燈，其中有2 個攝像頭布置在工具頭前端，用于觀察引流線入引流器的情況以及引流器穿刺主線的情況。另外2 個攝像頭安裝在機架上，一個用于觀察引流線、主線的位置和機架臂的狀態，一個用于觀察剪線裝置的位姿以及引流線末端入剪線裝置刀口的情況。照明燈用于光線不佳時對環境光線的加強，電量檢測模塊用于檢測電池的電量，當電量低于設定值時進行報警，避免由于電量不足沒有完成搭接任務而不能收回帶電作業機器人的情況。溫度檢測模塊用于檢測絕緣斗內的溫度，當溫度過高時進行報警，并自動開啟散熱風扇。

2.8 機架

機架采用鋁型材拼接而成，主要起支撐和固定其他部件的作用。

3 高壓絕緣設計

單臂帶電作業機器人能進行引流線搭接帶電作業的關鍵在于具備良好的高壓絕緣性能，單臂帶電作業機器人采用四級絕緣設計，第一級為工具頭的絕緣，第二級為機械臂的絕緣，第三級為帶電作業機器人與高空作業車的絕緣，第四級為無線遙控技術實現控制上的絕緣。

（1）工具頭的絕緣包括工具頭與機械臂的絕緣、擰緊電機與工具頭的絕緣、動力系統與工具頭的絕緣。

工具頭上連接架體中的連接筒與機械臂的末端相連接，其材質采用玻璃纖維，玻璃纖維是一種機械強度高的絕緣材料，強度高、絕緣性能好，可有效實現工具頭與機械臂之間的絕緣。

擰緊電機與工具頭的絕緣采取的方案是傳動路線中傳動軸的材質采用玻璃纖維，既能滿足傳遞動力所需的強度，又能有效的使電機與工具頭接觸帶電線路的部分相絕緣，避免高壓電擊壞擰緊電機。

工具頭上其他的動作元件所需的動力系統采用氣動系統，例如主抓手氣缸、輔助抓手氣缸、卡緊氣缸。由于空氣的導電性差，因此選用空氣作為動力傳遞介質可實現在動力傳遞路徑上的有效絕緣。

（2）機械臂的絕緣包括機械臂表面涂有絕緣漆并覆有絕緣膜，絕緣膜采用疏水材料制作，可有效避免水積留在機械臂上導致的導電。

（3）帶電作業機器人與高空作業車的絕緣是在兩者之間采用絕緣斗絕緣，帶電作業機器人的控制系統、動力系統、信號傳輸系統放置在絕緣斗中，并進行有效的防水。

（4）控制上采用無線遙控技術，可以避免控制線路上的物理連接，達到絕緣的效果。

綜合上述四級絕緣設計，單臂帶電作業機器人具備良好的高壓絕緣性能，確保帶電作業時的安全。

4 搭接流程

單臂帶電作業機器人進行引流線搭接作業包括以下步驟。

（1）設備啟動，操作人員安裝引流器到工具頭上，卡緊氣缸驅動卡緊塊卡緊引流器，操作人員控制高空作業車將單臂帶電作業機器人舉升到待搭接的引流線附近的適當位置。

（2）啟動帶電作業機器人控制程序，機械臂自動運行到預設的抓取位置和抓取姿態，此時工具頭的抓手裝置運動到待搭接的引流線的附近。

（3）手動遠程操作機械臂，精確調整機械臂的位姿，使引流線進入輔助抓手可抓取的范圍。

（4）遠程操作輔助抓手動作，使引流線進入輔助抓手、引流器、支座所圍成的封閉空間內，引流線只能在此空間內沿引流線的長度方向滑動。

（5）機械臂自動運動到設定好的剪線位置，此過程中引流線在封閉空間滑動，此時引流線的末端位于電動線纜剪的附近，調節電動線纜剪的位置和姿態到合適位姿，手動遠程操作機械臂使引流線的末端進入電動線纜剪中的剪刀口內，到達合適長度后，運行電動線纜剪，使引流線過長的部分剪斷。

（6）機械臂自動運動到設定好的搭線位置，此時引流器位于待搭接的主線位置，控制平移裝置使引流線沿主線方向在封閉空間滑動，調整引流線剝線部分離抓手側邊的距離，也就是使引流線剝線部分離引流器的距離在規定的范圍內，控制主抓手動作使引流線卡入引流器的弧形卡槽內并由主抓手卡緊。

（7）手動遠程操作機械臂的各運動關節，精確調整機械臂的位姿，使引流器的穿刺卡口卡入主線上，控制擰緊電機動作帶動擰緊套筒旋轉擰緊引流器的力矩螺母，實現穿刺主線，使引流線和主線相連通。當擰緊力矩達到力矩螺母所能承受的最大力矩時，力矩螺母破壞，從而達到了定力矩擰緊的要求。

（8）所有的力矩螺母擰斷后，卡緊氣缸驅動卡緊塊松開引流器，松開主抓手和輔助抓手，操作機械臂帶動工具頭往下移，引流器從工具頭上脫開，從而引流器搭接工作完成。機械臂根據設定程序及關鍵點的位姿自動運動到設定好的起點位置，進行下一相引流線的搭接。

5 結語

本文設計的單臂帶電作業機器人，可以替代人工搭接引流線的作業，避免人工搭接引流線發生觸電事故的風險，工具頭抓取范圍大，可有效降低機械臂的精度要求，采用單臂大負載和大臂展的機械臂，降低了控制難度和產品成本，對我國帶電作業機器人的推廣應用有著重要意義。