一種電力作業機器人硬件系統的設計

國網天津市電力公司濱海供電分公司 李少雄 于連祥

北京國電富通科技發展有限責任公司 郭俊龍 張玉濤 徐善軍 姚 穎

隨著電力用戶對供電服務品質的要求不斷提高，配電網的連續穩定性運行亟待提高，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重要手段。傳統帶電斷、接引作業主要依靠人工作業，因作業人員操作疏忽造成的人身傷亡事故時有發生，保證作業人員安全迫在眉睫。電力作業機器人用來替代人來完成配電線路帶電作業檢修工作，實現全自主帶電作業，作業效率高，適用范圍廣，減輕了作業人員的勞動強度，使作業人員與高壓電場完全隔離，最大限度地保證作業人員的安全[1]。

無論是人工作業法，還是絕緣斗臂車作業法，傳統的配網帶電斷、接引流線作業人員均通過高壓作業工具與電氣設備接觸，并且帶電檢修作業勞動量大、危險系數高、工作條件惡劣，并且作業效率低下[2]。因此，為提高配電可靠性和帶電作業效率，保證帶電作業人員人身安全，降低作業的勞動強度，提高帶電作業的自動化水平，研制電力作業機器人及其硬件控制系統具有十分重要的意義[3]。本文就此對電力作業機器人硬件控制系統展開研究。

1 電力作業機器人控制系統設計

1.1 電力作業機器人結構組成

雙臂協作系統作為機器人功能執行主體，線夾工裝末端工具可以手動更換，通過運動規劃技術，在不改變線路敷設的前提下，以各關節協調聯動的方式實現10kV帶電作業4種線型線路斷接引工作，絕緣斗臂車是雙臂作業系統的安裝平臺，如圖1所示為電力作業機器人結構圖。

圖1 電力作業機器人結構圖

機器人系統由防護基座、雙機械臂協作系統（含遙控器）、定位識別系統（深度相機+激光雷達融合系統）、視頻監控單元、無線通訊系統、末端工具單元、電源系統、地面控制終端、輔助加熱系統、安全防護單元、氣象監測單元、滑臺控制單元等部分構成[4]。機器人系統布局如圖1所示。包含支撐結構：剛性支架和基座；執行機構：含兩根UR10機械臂（主和從）、接線工具組、線夾工工裝、電動夾爪EFG-R、引流線夾持工裝；供電系統：電源管理系統給各個模塊提供不同電源等級供電；控制系統：工控機、路由器、控制箱（機械臂）；視覺和定位識別：雙目相機、球機云臺、激光雷達和滑臺；絕緣防護：絕緣端子、絕緣板（環氧樹脂板）。

1.2 硬件控制構架設計

高空作業系統分為核心模塊包括中央控制器模塊、電源模塊、通訊模塊、安全防護、感知探測、氣象模塊、滑臺控制、預熱控制、視頻監控、照明模塊10大模塊，拓撲圖如圖2所示。

圖2 控制系統拓撲圖

中央控制器是系統的數據處理中心，負責運動、安全、探測等數據的集中處理運算。電源由蓄電池供電，并進行電源轉換，實時監測電源健康狀況。通訊系統是機器人系統中央處理器與地面控制終端連接的橋梁，可通過無線的方式進行通信獲取系統狀態和視頻信息，雙臂協作系統內部運動控制采用有線通訊，末端作業工裝與雙臂協作系統采用無線通訊，感知探知模塊采用多種傳感器融合方案。視覺和激光系統安裝于電力作業機器人系統上，用于識別、定位配電線，為機械臂提供配電線的位置信息，便于機械臂運動規劃。雙臂協作采用UR10機械臂，同時做好保溫及絕緣防護工作。

氣象模塊可以檢測溫濕度、風速等參數，給地面人員提供安全操作依據。滑臺控制模塊，可以給定雷達實時位置，進行雷達預定位，以提高雷達和視覺的作業范圍。預加熱模塊可以進行機械臂及主控箱的預熱工作，輔助加熱系統可在環境溫度低于0℃時啟動，加熱雙臂系統，保證系統低溫啟動；監控系統可以方便的進行云臺升降旋轉俯仰，方便地面觀察作業情況。安全防護單元采用超聲波傳感器，給予地面操作人員以安全提示功能，降低高空作業系統與電桿等物體發生碰撞的概率，提高安全性。照明模塊可以給系統進行照明，方便進行夜晚施工。

1.3 硬件控制關鍵技術

CAN總線拓撲設計：基于CAN總線通數據通信沒有主從之分，任意一個節點可以向任何其他節點發起數據通信，靠各個節點信息優先級先后順序來決定通信次序的特點。考慮把不同功能的設備進行模塊化設計并保留一個CAN輸出接口，把每個功能模塊都預留一個CAN接口，此時每個模塊相當于CAN總線上的一個節點，通過一根CAN總線就可以實現各個模塊之間的通訊，便于核心控制器直接與各個模塊間的通訊。

通訊總拓撲設計：通訊系統是機器人系統中央處理器與地面控制終端連接的橋梁，本次設計中雙臂協作系統內部的運動控制通過有線通訊，末端作業工裝與雙臂協作系統之間采用無線通訊。核心控制器通過無線AP與核心控制器與千兆交換機進行通訊，有效地提高通信速率。雷達、云臺、機械臂等設備接入百兆交換機進行通信。IO控制模塊可通過CAN總線與外設進行通信，完成系統開關機、信號指示、機械臂開關機、氣象數據采集等工作，并可通過串口經過超級網口進行TCP/IP通信。模塊化后通過CAN總線，實現了系統拓撲的統一化。

核心控制器設計：核心控制器包括中央控制器模塊、電源模塊、通訊模塊、IO控制模塊4大模塊。中央控制器是系統的數據處理中心，負責運動、安全、探測等數據的集中處理運算。核心模塊處在系統的控制核心位置，本設計采用高性能的Jetson TX2 GPU，且集成度高尺寸小，提高了系統的可靠性，控制系統中心拓撲如圖3所示。

圖3 模塊化設計拓撲圖

由于核心控制器模塊需要支持雙臂或單臂兩種機器人，因此采用功能模塊化設計更具有優勢，只需要更換不同類型主程序，即可實現對雙臂或單臂機器人的更換或維修。

1.4 地面控制終端設計

地面控制終端可以直接控制電力作業機器人系統，地面控制終端配備獨立的電源、通訊、主控系統，為操作者提供全面監控、遠程操作、應急處置功能。地面控制系統由核心控制器、操作模塊、電源模塊、顯示模塊、通訊模塊5部分組成。核心控制器負責數據處理、監控視頻流、控制命令下發等并通過通訊模塊進行數據交換處理工作，進而控制高空作業系統（如圖4所示）。

圖4 地面控制系統

操作模塊有工具、機械臂的手動操作按鈕或者指令器，可以發出控制命令。電源模塊給系統提供電源。顯示可以顯示監控數據、監控圖像、高空作業系統狀態等數據信息。通訊模塊負責和高空作業系統進行數據交換。通過結構設計及控制電路開發，最終完成的設計效果圖如圖5所示。地面控制終端可以直觀看到高空作業系統當前的工作狀態，地面控制終端為操作者提供全面監控及處置功能。

圖5 地面控制系統設計圖

2 測試與分析

2.1 電力作業機器人樣機

本團隊進行了機器人樣機開發，采用了本設計的硬件控制系統，開發的機器人本體樣機如圖1所示，整體尺寸：1100mm×800mm×1400mm，總質量為280kg；將機器人安裝在海倫哲帶電作業車上，在某地進行了帶電作業測試，測試現場情況如圖6所示。

圖6 電力作業機器人高壓環境測試

2.2 作業測試

機器人在試驗測試中心在通電的配電線路中進行測試，配電線路的電壓可通過控制平臺進行調節，試驗電壓從低到高依次升高，取2kV、4kV、6kV、8kV和10kV，在同一電壓等級下，進行20次作業測試，測試結果記錄見表1。

表1 不同電壓等級下機器人單相作業實驗數據

通過現場進行機器人控制系統實際作業測試，在測試過程中，機器人作業正常，作業時長基本不受電壓升高影響，由此證明本硬件控制系統在實際作業環境中工作穩定，抗干擾能力強，滿足10kV帶電作業使用要求。

3 結語

本項目通過電氣拓撲設計，以及對不同的模塊深度集成應用，提高機器人智能化水平，通過機器人操作終端與機器人互聯，優化人機接口，簡化操作步驟，擴大電力作業機器人適用范圍，提高整體作業效率。本項目開發的電力作業機器人的電氣控制系統，通過樣機的試驗驗證，證明該系統可穩定可靠運行。該機器人系統在實際應用中，滿足實際帶電作業需求，具有廣闊的推廣價值。