單臂帶電作業機器人工具頭的設計

應永靈 沈科炬 高東寅

慈溪市輸變電工程有限公司 浙江 慈溪 315300

引言

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[1]，實現引流線的搭接，但雙臂需要協調控制，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。帶電作業機器人采用單臂結構，可以有效降低控制難度和產品成本，促進帶電作業機器人的推廣應用，因此，本文研制了適用于單臂帶電作業機器人的工具頭，集引流線抓取、引流器緊固功能于一體，具有抓取范圍大、絕緣性好等特點。

1 工具頭結構設計

單臂帶電作業機器人主要由工具頭、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

工具頭安裝在機械臂的末端，主要實現三個功能：第一，在搭接前引流器安裝在工具頭上；第二，抓取引流線；第三，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。

工具頭主要包括卡緊裝置、抓手裝置、擰緊裝置、連接架體4個部分，如圖2所示。

圖2 工具頭結構圖

2 卡緊裝置

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。

卡緊裝置如圖3所示，包括卡緊氣缸安裝座、卡緊氣缸和卡緊塊，卡緊氣缸安裝在卡緊氣缸安裝座上，卡緊氣缸可以推動卡緊塊動作使引流器卡緊在工具頭上，卡緊氣缸所需的動力系統采用氣動系統，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。

圖3 卡緊裝置結構圖

3 抓手裝置

抓手裝置的設計原則為盡可能地方便抓取引流線，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[2]。

抓手裝置如圖4所示，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。

圖4 抓手裝置結構圖

4 擰緊裝置

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[3]。

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，傳動軸的材質采用玻璃纖維，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，其擊穿電壓可大于35kV/mm，傳動軸的長度為53mm，擊穿電壓理論上可達到1855kV，遠大于帶電作業線路的10kV，因此，既能滿足傳遞動力所需的強度，又能有效地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。

5 連接架體

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，其材質采用玻璃纖維，連接筒的長度為300mm，其擊穿電壓理論上可達到10500kV，遠大于帶電作業線路的10kV，可有效實現工具頭與機械臂之間的絕緣。

6 工具頭工作流程

單臂帶電作業機器人工具頭進行引流線搭接的工作流程包括以下步驟[4]：①安裝引流器到工具頭上，卡緊氣缸驅動卡緊塊卡緊引流器。②操作機械臂各運動關節使工具頭移動并調整好姿態，使引流線進入輔助抓手可抓取的范圍。③操作輔助抓手動作氣缸動作，使輔助抓手繞支座鉸點位置向支撐架內側旋轉，引流線在輔助抓手的撥動下進入由輔助抓手、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。④當操作機械臂使引流器位于待搭接的主線位置，調整引流線剝線部分離抓手側邊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。⑤操作機械臂使工具頭上的引流器的穿刺卡口卡入主線，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，在擰緊電機的驅動下，引流線會被夾頭壓緊，主線則被穿刺頭刺進去，當穿刺頭接觸到主線內部的線纜時，此時引流線就和主線并到一起并通電了，繼續擰緊使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。⑥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。

7 結束語

本文設計的適用于單臂帶電作業機器人的工具頭，可以實現抓取引流線、卡緊引流線、定力矩擰緊引流器的功能，主抓手和輔助抓手相配合的設計方式，使其具有抓取范圍大、送線過程引流線不會扭曲等特點，并且具有優良的絕緣性能，避免搭接引流線發生觸電，單臂工具頭的開發使帶電作業機器人可以采用單臂結構就能實現雙臂所具有的搭接引流線的功能，可以有效降低控制難度和產品成本，促進帶電作業機器人的推廣應用。