雙分裂高壓輸電線路四輪移動檢修機器人虛擬樣機設計與仿真

顧蘇,鄒德華,鄺江華,劉蘭蘭,江維

(1.智能帶電作業技術及裝備(機器人)湖南省重點實驗室(國網湖南省電力有限公司超高壓輸電公司)，湖南衡陽 420100；2.帶電巡檢與智能作業技術國家電網公司實驗室(國網湖南省電力有限公司超高壓輸電公司)，湖南衡陽 420100；3.武漢紡織大學機械工程與自動化學院，湖北武漢 430073)

0 前言

高壓輸電線路對于電力工業的發展和穩定有著重要影響，需要定期進行檢修維護以保障架空高壓輸電線路工作的穩定性。間隔棒的主要用途是限制子導線之間的相對運動及在正常運行情況下保持分裂導線的幾何形狀。目前220、330 kV的輸電線均采用二分裂導線，為保證分裂導線線束間距保持不變以滿足電氣性能、降低表面電位梯度，并且在短路情況下，導線線束間不產生電磁力而造成相互吸引碰撞，或雖引起瞬間的吸引碰撞，但事故消除后能恢復到正常狀態，在檔距中相隔一定距離安裝了間隔棒。此外，安裝間隔棒對次檔距的振蕩和微風振動也可起到一定的抑制作用。然而，微風、覆冰、雨雪等因素會引起間隔棒移位和銹蝕，因此需要對間隔棒進行定期檢查。目前間隔棒更換作業主要是人工攜帶作業工具攀爬上線，對間隔棒進行復位或更換。此類方法需停電作業，不僅效率低，而且人身安全得不到保障。吳功平等研制了面向110 kV單分裂輸電導線上絕緣子和引流板螺栓緊固的帶電檢修機器人。房立金、陶廣宏等研制了多臂式巡檢機器人并實現了在輸電線路上的越障功能。嚴宇等人成功研制了國內首臺可重構的輸電線路帶電檢修機器人“Dream-Ⅰ”,該機器人具有在導線上自主行走及準確定位的功能。陶志遠等針對110 kV智能變電站檢修機器人帶電作業,提出了一種面向高壓帶電操作機器人作業安全性的路徑規劃方法， 實現了機器人的路徑規劃。何滿棠等設計了110 kV智能變電站檢修機器人，實現了智能變電站檢修機器人帶電作業安全路徑的規劃。綜上所述，面向330 kV雙分裂輸電線路的帶電檢修工作的研究還較少。在此背景下，本文作者設計一種330 kV雙分裂輸電導線四輪驅動間隔棒檢修機器人及其作業方法，以代替人工進行帶電間隔棒更換作業，保障工人人身安全，提高作業效率。

1 作業環境與作業任務分析

雙分裂導線如圖1(a)所示，二分裂非阻尼球鉸式間隔棒FJQ-405外觀結構如圖1(b)所示。該型號間隔棒由夾頭本體、球鉸、連桿組成，兩端結構對稱。夾頭本體與連桿通過球鉸連接，兩端通過連桿連接。可通過擰緊螺栓使夾頭本體卡口閉合，松開螺栓使夾頭本體卡口張開。間隔棒更換作業包括舊間隔棒拆卸與新間隔棒安裝。拆卸舊間隔棒需將連桿固定，然后松開兩端螺栓，使夾頭本體張開，最后將間隔棒從輸電導線上取下。安裝新間隔棒時首先將夾頭本體套在輸電導線上，再擰緊兩端螺栓，使間隔棒固定。

圖1 機器人作業環境與作業對象

2 機器人構型與虛擬樣機設計

2.1 機器人構型設計

本文作者設計的間隔棒檢修機器人共有6個機械臂，分別為4個移動臂和2個作業臂。4個移動臂末端均安裝移動輪，適應雙分裂輸電導線作業環境。由于間隔棒螺栓緊固需將連桿固定，采用雙作業臂結構。作業臂1可進行伸縮和旋轉，將間隔棒套在輸電導線上并固定間隔棒連桿；作業臂2可進行伸縮、縱移、橫移，分別對間隔棒兩端螺栓進行緊固和松開。機器人構型如圖2所示。

圖2 間隔棒檢修機器人構型

2.2 作業機械手構型設計

此設計的間隔棒檢修機器人具有2個作業臂，其中：作業臂1布置在機體前端，遠離機體一側，具有二自由度，包括伸縮關節和旋轉關節，可將作業臂1末端運送至工作位置；作業臂2布置在機體前端，靠近機體一側，具有三自由度，包括伸縮關節、縱移關節、橫移關節，可將作業臂2末端運送至工作位置。作業臂1末端安裝有夾持機構如圖3(a)所示，具有2組夾爪，夾爪張角開口直徑小于間隔棒連桿直徑，內部電機驅動夾爪向中間移動夾緊間隔棒連桿，張開時松開間隔棒連桿。作業臂2末端安裝有螺栓緊固機構如圖3(b)所示，用于擰緊和擰松間隔棒螺栓。

圖3 機器人作業末端

2.3 機器人虛擬樣機設計

本文作者設計的間隔棒檢修機器人完整樣機如圖4所示，主要包括機箱、機體、移動部件、作業臂部件、作業末端部件等基本部件。移動部件具體包括移動臂、移動輪、移動輪驅動器。作業臂部件具體包括作業臂1、作業臂2，其中移動關節和伸縮關節通過鏈條軌道配合，旋轉關節為曲柄搖桿機構。作業末端部件具體包括夾持機構、螺栓緊固機構。夾持機構具有一組夾爪，通過電機-減速箱控制夾爪開合。螺栓緊固機構以蝸輪蝸桿傳動的方式輸出扭矩。螺栓緊固機構頂部均安裝攝像頭，用于自主定位。

圖4 間隔棒檢修機器人完整樣機

3 機器人作業運動規劃及作業過程關鍵問題分析

3.1 機器人作業運動規劃

間隔棒檢修作業運動規劃如圖5所示。

圖5 間隔棒檢修作業運動規劃

所設計的機器人間隔棒更換作業運動具體規劃如下：

(1)舊間隔棒拆卸。人工將間隔棒檢修機器人吊裝上線，旋轉關節將作業臂1旋轉至工作狀態，機器人沿導線行駛至工作位置；作業臂1通過伸縮關節運動至工作位置，電機驅動夾持機構夾爪收縮夾緊舊間隔棒連桿；作業臂2通過伸縮關節和橫移關節運動至工作位置，將螺栓緊固機構與舊間隔棒一端螺栓對準，螺栓緊固機構擰松舊間隔棒螺栓，縱移關節將螺栓緊固機構與舊間隔棒另一端螺栓對準，螺栓緊固機構擰松舊間隔棒另一端螺栓；作業臂1通過旋轉關節和伸縮關節將舊間隔棒從導線上取下；雙作業臂退出工作位置，間隔棒檢修機器人下線。

(2)新間隔棒安裝。人工將攜帶新間隔棒的機器人吊裝上線，旋轉關節將作業臂1旋轉至工作狀態，機器人沿導線行駛至工作位置；作業臂1通過伸縮關節運動至工作位置，使間隔棒與輸電導線等高，旋轉關節將新間隔棒放置在輸電導線上，使新間隔棒夾頭夾住輸電導線；作業臂2通過伸縮關節和橫移關節運動至工作位置，將螺栓緊固機構與新間隔棒一端螺栓對準，螺栓緊固機構擰緊新間隔棒一端螺栓，縱移關節將螺栓緊固機構與新間隔棒另一端螺栓對準，螺栓緊固機構擰緊新間隔棒另一端螺栓；電機驅動夾持機構夾爪張開松開新間隔棒連桿，間隔棒檢修機器人安裝新間隔棒；雙作業臂退出工作位置，間隔棒檢修機器人下線。三維實體模型作業運動規劃如圖6所示。

圖6 三維實體模型作業運動規劃

3.2 作業過程關鍵問題分析

通過機器人作業運動規劃可知，作業過程中的關鍵技術問題主要包括以下3個方面：

(1)機器人初定位。機器人吊裝上線之后，地面基站工作人員控制機器人快速前進，當距離間隔棒約為10 m時開始減速緩慢前進。當機器人移動輪觸碰到間隔棒夾頭本體時，地面基站收到機器人返回數據，控制機器人反向行走20 cm。此時，機器人到達初始工作位。

(2)夾頭本體卡口卡住輸電導線。作業臂1通過伸縮關節與旋轉關節將間隔棒夾頭本體卡口卡住輸電導線的過程中，受到導線振蕩的影響，作業臂1會進行適當的微調。

(3)擰螺栓套筒分別與間隔棒兩端螺栓的對準與定位。通過采集作業末端攝像頭輸出的視頻圖像信息，提出一種圖像邊緣檢測的機器人作業末端與螺栓螺母的對準定位控制方法，實現作業末端與作業對象的對準與定位。

4 運動學分析

4.1 D-H運動學建模

目前，串聯式作業臂運動學分析一般使用D-H坐標法描述桿件相對關系，本文作者設計的間隔棒檢修機器人D-H參數如表1所示。分別對移動平臺建立基坐標系、作業臂3個連桿建立連桿坐標系。作業臂1有2個關節，作業臂2有3個關節，按串聯順序分別是作業臂1伸縮關節、作業臂1旋轉關節、作業臂2伸縮關節、作業臂2縱移關節、作業臂2橫移關節，按照D-H法建立坐標系-，如圖7所示。其中，基坐標系建立于初定位完成后機器人到達初始工作位時作業臂1的初始位置處，連桿坐標系建立于作業臂1伸縮關節，連桿坐標系建立于作業臂1旋轉關節,連桿坐標系建立于作業臂2伸縮關節,連桿坐標系建立于作業臂2縱移關節,連桿坐標系建立于作業臂2橫移關節。

表1 作業臂的連桿參數及關節變量

圖7 機器人作業臂連桿坐標系

4.2 運動學正解

機器人運動學正解是根據已知的連桿長度和關節角度，計算機械手的位姿。以某一連桿+1為例，連桿+1固有屬性采用連桿長度和連桿扭角2個量共同確定；連桿+1所在空間位置通過它與相鄰連桿的相對位置確定，采用連桿偏置和連桿轉角2個量共同確定。可以利用連桿4個參數構成的4×4矩陣在上一個連桿坐標系中描述當前連桿。通過齊次變換矩陣疊乘，得出作業手連接作業末端的連桿位于基坐標中的位姿矩陣。通過平移得到末端位姿矩陣。根據連桿參數及關節變量，經理論推導可以得出連桿坐標系在連桿-1坐標系下的位姿矩陣-1的表達式為

(1)

將表1中的連桿參數、變量代入公式(1)中，得出連桿坐標系{}于坐標系{-1}中的位姿矩陣。設雙分裂導線的寬度為，通過運動學分析可分別得到坐標變換矩陣：

(3)

(4)

作業臂1最后的運動學正解是相鄰關節之間的3個變換矩陣的乘積，從而得到作業臂1末端相對于基坐標的坐標:

(5)

因此，可得運動學正解為

=cos=sin=0

=-sin=cos=0

=0=0=1

=658+

5 機器人系統的運動學仿真分析

為驗證機器人的運動性能，可以在MATLAB環境中對機器人作業臂各連桿、關節的參數進行設置，并對機器人進行運動學仿真分析；在后處理模塊中調出仿真過程中每個關節的運動動態如圖8所示，生成的作業臂1末端運動學參數曲線如圖9所示。

圖8 機器人作業臂1仿真示意

圖9 作業臂1末端運動學參數曲線

圖8為機器人作業臂1運動學仿真過程示意。其結構依次為機體、伸縮關節、旋轉關節和作業末端。其中，圖8(a)對應圖6(a)，機器人行駛至工作位，作業末端運動至點(0，-125，658) mm；圖8(b)對應圖6(b),伸縮關節運動至工作位置，使間隔棒與輸電導線等高，作業末端運動至(0，-125，743) mm；圖8(c)對應圖6(c)，旋轉關節將新間隔棒放置在輸電導線上，使新間隔棒夾頭夾住輸電導線，作業末端運動至(125，0，743) mm。由圖8可以看出，仿真得到的運動動態與圖6所示的三維實體模型作業運動規劃的關鍵步驟完全對應。

由圖9可知：在0～5 s內，機器人伸縮關節將新間隔棒送到與輸電導線等高，速度上升較快，最大速度為0.3 m/s；在5～8 s內，旋轉關節將新間隔棒安裝在輸電導線上，該過程為減速運動；在8～10 s內，新間隔棒已安裝完成，機械手作業末端速度為0。可以看出，整個安裝過程圖像曲線平滑，無停滯、卡頓、突變現象，說明安裝過程無空間、操作障礙。綜上所述，仿真實驗結果證明了文中所建立的機械手運動學模型正確，驗證了所設計的機械結構能夠滿足間隔棒更換作業過程中機器人的運動學要求。

6 結論

(1)提出了一種面向雙分裂輸電導線間隔棒更換作業任務的帶電檢修機器人的基本構型，建立了其虛擬樣機模型，并設計了相應的作業末端工具及完整的作業方案。

(2)提出了面向雙分裂導線間隔棒拆卸與安裝的機器人作業臂及其作業末端運動規劃，并對作業過程中的關鍵技術問題進行了分析，建立了末端定位的D-H坐標與運動學模型。

(3)通過機器人運動學仿真實驗驗證了所設計的機器人系統能夠滿足作業過程中作業末端與作業對象之間的運動控制需求，為機器人物理樣機開發提供了參考。