高壓輸電線路作業機器人系統設計與應用研究

雷 霆，鐘 玉，韋海彬，鐘力強，張曉曄

（1.廣東電網有限責任公司電力科學研究院,廣州 510080；2.廣東電科院能源技術有限責任公司，廣州 510080；3.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006）

0 引言

隨著社會的發展，電能已經成為了當今社會生活與生產不可或缺的一種能源。除了市區部分區域外，高壓輸電線基本都采用架空線路方式，其長期在風吹、日曬、雨淋或霜凍等惡劣環境下，線路受材料老化或化學反應、機械振動、結構疲勞等因素而使輸電線路出現各種影響電能供應的隱患或潛在故障，需要及時發現并對其進行處理。針對輸電線路中潛在的隱患或故障，目前基本上是通過人工的方式對其進行維護作業，其勞動強度大、作業風險高、效率低。因此急需一些自動化設備代替或輔助工人去完成輸電線路中的維護作業任務。

面向輸電線路維護作業的機器人在上個世紀80年代以來就逐漸受到了科研工作者的廣泛關注。到目前為止，較有代表性的電網維護作業機器人系統可以分為地面移動式與巡線式兩大類。其中地面移動式占電網維護作業機器人中的絕大多數，作業時需借助移動汽車與升降臂將其送至作業現場附近，其作業范圍有限，幾乎都只用于配網完成相關作業。此類代表性的機器人系統有日本的Phase系列帶電作業機器人[1，2]與我國山東電力研究院研制的帶電作業機器人[3，4]。巡線式機器人中，絕大多數為電網檢測機器人，而用于維護作業的機器人系統則少之又少。目前具有代表性的巡線式作業機器人有加拿大的LineScout[5，6]與武漢大學吳功平教授團隊的可重構移動作業機器人[7，8]。它們在設計時多針對某一特定的作業任務，或需要手動重構機器人后才能去完成其他作業任務，目前它們也仍主要處于研究、實驗階段。然而，巡線式機器人可以沿輸電線路進行移動且具有越障能力，可以很好的適應主網輸電線路環境，是帶電維護作業機器人的一個發展趨勢[9]。

高壓輸電線路中常見的維護作業任務有：除冰、移除懸掛物、防震錘調整、開口銷補裝與引流板發熱處理等。其中除冰與移除懸掛物可遠處或不用與輸電線路接觸就可以完成作業，目前也已有成熟的技術與設備快速完成上述作業[10，11]。防震錘調整、開口銷補裝與引流板發熱處理這三項作業任務必須要將維護設備送至作業現場，且需要與輸電線路進行接觸式作業，因此作業難度大。而且，及時發現并消除此類隱患并對其進行維護對保障電網的安全與穩定具有重要意義。例如，防震錘位置不對將導致線路的晃動加劇、開口銷缺失則危及各金具的連接可靠性、引流板發熱不僅浪費電能，嚴重時甚至還會造成線路斷路，釀成重大的安全生產事故。因此，本文以實現上述三項作業任務為基本目標，同時考慮系統的擴展性與適應性，注意末端執行器的輕量化，對面向高壓輸電線路多作業任務的機器人系統開展研究。

1 機器人系統方案設計

本文以防震錘調整、開口銷裝配與引流板發熱處理三項常見典型維護作業任務為基礎，同時注重機器人系統的可擴展性來進行方案設計。在進行設計前，先對上述三項作業任務進行分解，將一個復雜的任務分解成多個簡單的作業過程以便于機器人利用特制末端執行器去完成，具體作業分解結果如圖1所示。為了完成上述作業任務需要研制三個特制末端執行器：用于擰松/擰緊螺栓連接的力矩扳手、用于清潔引流板導電表面的清潔刷以及用于捏取開口銷的夾持器。

圖1 機器人系統具體應用方案

同時結合面向高壓輸電線路作業機器人需在非結構化的環境下利用多個特制末端執行器去完成多項作業任務的特點，本文提出的機器人解決方案如圖2所示，該系統包含主機器人、從機器人、快換裝置與末端執行器四部分。末端執行器具有用于完成某一特定作業所需的功能，且它們都具有統一的電氣接口與控制邏輯以方便從機器人對其進行控制；快換裝置包括兩部分，其中快換裝置機器人側安裝于機器人末端，快換裝置工具側安裝在每個末端執行器的端部。通過快換裝置可以讓從機器人實現對末端執行器機械與電氣的自動連接與導通，從而使從機器人可以自動連接上不同的末端執行器并對其進行控制。后期也可以方便、快速的在此系統下引入用于完成其他作業任務的末端執行器；主機器人則通過遙操作的方式用來控制從機器人。

圖2 作業分析圖

以高壓輸電線路為例，進一步完善此機器人系統并形成的一個具體應用方案如圖3所示，其包括高空作業端與地面操作端兩部分。高空作業端以具有越障能力的移動平臺為載體，同時還包括能源與控制中心、從機器人、末端執行器以及用于監控的若干相機。地面操作端由操作者、主機器人與工控機組成。高空作業端與地面操作端兩者之間的數據與信號通過無線方式進行傳輸，以提高系統的靈活性與實用性。

圖3 機器人系統總體方案

2 主機器人設計

為了控制從機器人，本文設計了一款新型的模塊化主機器人。與現有主機器人相比，該主機器人主要由關節模塊Imas與Tmas裝配而成，其自由度與構型可以根據具體的作業任務快速變換。主機器人關節模塊Imas為回轉型關節，如圖4所示。Imas關節模塊內設有采集關節運動數據的編碼器，該數據在主從控制模式中作為從機器人的控制輸入量；同時在關節中設置有滑環部件，使得Imas關節模塊可以無限回轉，即關節空間不限。

圖4 主機器人關節模塊-Imas

主機器人關節模塊Tmas為擺轉型關節，如圖5所示。該關節模塊的整體工作原理與Imas模塊類似，但具體的結構實現完全不同，整體上結構緊湊與輕巧，且具有流線型的外觀。

圖5 主機器人關節模塊-Tmas

為了提高主機器人操作的人機友好性，需實現主機器人對自身重力的自平衡。具有自平衡能力的主機器人可以平衡自身重力，從而保證主機器人在不受外力時的姿態不發生改變。當需要控制主機器人運動時才需要操作者對主機器人進行操作，從而降低操作者的工作強度。為此，我們在關節模塊中設計了一個可調阻尼結構，如圖6所示，該結構小巧緊湊且可快速調節阻尼大小。通過將主機器人各關節阻尼調至合適的大小就可以實現主機器人的自平衡以及較為柔順的運動，從而提高操作的人機友好性。

圖6 可調阻尼結構實現原理

3 機器人系統構建

根據機器人系統總體方案構建出的機器人系統樣機如圖7所示。其中模塊化從機器人由5個基礎關節模塊及少數輔助模塊組成，且各模塊間的連接關系為B100-I100⊥T100∥T100⊥I185⊥T85。其中“-”表示兩者直接連接，“⊥”與“∥”分別表示相連接的兩關節模塊軸線相互垂直與平行，B100表示從機器人的基座模塊，I表示回轉關節模塊、T表示擺轉關節模塊、100與85分別表示關節模塊的外徑。更多關于此模塊化機器人系統的內容可參考文獻[12]。通過使用上一節設計的主機器人關節模塊Imas與Tmas，再借助輔助手柄模塊Hmas與基座模塊Bmas，它們以Bmas-Imas⊥Tmas∥Tmas⊥Imas⊥Tmas-Hmas的連接關系就可以構建出主機器人。

圖7 機器人系統樣機

在此系統下，主、從機器人構成了同構型的主從控制系統硬件平臺。主、從機器人的自由度數與構型還可以根據具體的作業任務需要進行配置，從而在機器人系統機械結構上就具有對任務的柔性。

三個末端執行器模塊固定在從機器人旁邊以方便對其進行連接，同時末端執行器模塊都使用DC24V的電源與兩路電平控制信號并結合快裝裝置工具側形成了統一的機電接口和控制邏輯。

在機器人系統控制方面，主、從機器人兩者相對獨立，分別以CAN總線的通信方式與安裝在PC上的本團隊開發的控制軟件MoRoController.exe進行通信與數據傳遞。機器人中的每個關節模塊只作為CAN總線上的一個節點，從而構成了分布式控制架構，使得此系統在機器人基礎關節模塊層面上具有可重構性與容錯性。在控制軟件中也有人機交互界面，具有控制模式選擇、參數設置、數據可視化與狀態顯示等功能。本機器人系統的整體控制框架如圖8所示。

圖8 機器人系統控制框架

4 系統控制策略

由于本機器人系統的主、從機器人兩者是相對獨立的系統，同時結合系統作業時的需要開發了具有多種工作模式的控制系統：1）自由模式。在此模式下主從機器人系統之間互不關聯，一般用于系統的初始化與標定。2）自主模式。此模式控制系統只接入從機器人并對其進行控制，常用于從機器人的程序控制。如對于從機器人連取末端執執行器這個作業過程，由于機器人與末端執行器的相對位姿關系明確，可以直接執行之前編好的程序包就可以完成作業任務。3）主從控制模式。此模式下，從機器人的運動受主機器人控制，操作者根據作業現場進行分析與決策并操作主機器人以控制從機器人運動從而去完成相應作業任務。

上述三種控制模式中，自由模式用于系統初始化與標定，而自主與受控模式則用于具體的作業執行。自主模式為此機器人系統在作業過程中存在的局部結構化環境下直接采用程序控制，因此效率高。而主從控制是針對目前機器人系統的智能化水平還達不到自主完成作業任務的情況，采用了一種折中的但最合適的控制方式，讓操作者根據作業現場進行分析與決策并進行控制。

同時，本主從機器人系統的主從控制框圖如圖9所示。首先通過對主機器人施加外力改變其位姿，此時主機器人每個關節處的角位移傳感器就可檢測出機器人的位姿并同步發送給控制系統。在一個采樣周期內，從機器人反饋給控制系統的位姿仍為上一時刻的位姿，此時主從機器人就會存在位姿差。控制系統根據此位姿差信號就會產生從機器人的控制信號并驅動從機器人運動，讓從機器人一直跟隨主機器人的位姿。

圖9 機器人系統主從控制框圖

得益于系統中主、從機器人模塊化與同構型的設計，因此可以采用映射算法簡單、控制直觀的關節-關節型控制策略，即直接使用主機器人各關節的位移量來控制從機器人關節的運動，其關節間的一一映射關系為：

5 作業流程分析

本文構建的機器人系統不僅能對高壓輸電線路中的防震錘調整、引流板發熱處理與裝配開口銷三項任務進行維護作業，同時還具有對其他作業任務的擴展能力。借助于已設計的三個末端執行器：清潔刷、力矩扳手與夾持器去完成上述作業的流程如圖10所示。整個作業流程為：系統開始作業時首先進行初始化，完成機器人的標定與校準等準備工作；然后判斷作業類型并自動連取/或更換相應的末端執行器進行相應的作業；在完成該項作業后放回末端執行器，并對系統進行復位；最后判斷是否還需要再執行任務，如果還有作業需要再按上述流程進行，否則結束整個作業過程。

圖10 機器人系統作業流程圖

6 實驗與分析

為了驗證方案與作業方法的可行性、機器人系統的可靠性，本文使用已搭建的樣機完成了防震錘調整、開口銷裝配與引流板發熱處理三項作業試驗。

根據上一節分析的作業流程，要去完成防震錘的調整實驗，機器人首先通過程序控制的方式去連取力矩扳手末端執行器，如圖11(a)～圖11(c)所示。然后采用主從控制的方式控制從機器人借助力矩扳手依次完成螺栓連接的擰松（但保證螺母仍還處于螺栓上）、調整好防震錘的位置后再將螺栓連接鎖緊，如圖11(d)～圖11(i)所示。此項作業的關鍵與難點在于機器人需要借助于力矩扳手實現螺母與套筒的對準，以及實現對螺栓連接的擰松/擰緊并控制預緊力。

圖11 防震錘調整實驗

對于開口銷裝配作業，從機器人在連取完夾持器后還需自動去捏取料倉處的開口銷，如圖12(a)所示。接著從機器人結合設計有的特殊作業方式完成開口銷的裝配作業過程包括：以主從方式控制從機器人的運動與位姿使開口銷對準螺栓的銷孔（圖12(b)）、將開口銷前半部分插入銷孔中（圖12(c)）、松開夾持器（開口銷由于自身往外撐的趨勢將與孔壁產生摩擦力使其保持在孔中）（圖12(d)）、夾持器運動至開口銷尾部后閉合夾持器并將開口銷完全推入至銷孔中（圖12(e)、圖12(f)），從而完成此項作業。在此項作業中，快速、準確的將開口銷插入至螺栓銷孔中是整個實驗最大的挑戰。

圖12 開口銷裝配實驗

引流板發熱處理實驗則需要分三步來完成：第一步需要從機器人使用力矩扳手將引流板處的螺栓連接松開，如圖13(a)所示；第二步為更換成清潔刷末端執行器并使刷體戳入到兩引流板縫隙，結合刷體的旋轉運動與刷體沿縫隙的往復運動完成引流板表面的清潔作用，如圖13(c)所示；圖13(d)為實驗最后一步，再次更換成力矩扳手將螺栓連接鎖緊。與前面兩個實驗不同的是本作業需要使用到兩種末端執行器分三步去完成整個作業實驗。

圖13 引流板發熱處理實驗

7 結語

為了完成高壓輸電線路中防震錘調整、開口銷裝配與引流板發熱處理三項典型維護作業任務，本文通過采用模塊化的設計思想提出了一個機器人系統解決方案，包括一個5自由度的模塊化作業機器人（從機器人）、多個具有統一機電接口的末端執行器、快換裝置及同構型的模塊化主機器人。同時設計了可快速調節阻尼的主機器人關節模塊Imas與Tmas，使用上述兩類關節模塊快速裝配出了一款與從機器人同構型的模塊化主機器人。根據搭建出的機器人系統樣機特點，提出了程序控制與主從遙操作相結合的高效控制策略，也分析了此系統的作業流程。最后通過三個綜合實驗，驗證了本文提出的作業方案與作業方法是可行的，樣機也具有較好的穩定性與可靠性，從而為將此機器人系統應用于實際作業打下了堅實基礎。