配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)的設(shè)計

李光茂，楊森，占鵬，陳勉之，喬勝亞

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局電力試驗研究院，廣東廣州 510410)

0 前言

帶電作業(yè)是指在高壓電氣設(shè)備上不停電進行檢修、測試的一種作業(yè)方法，是電網(wǎng)設(shè)備檢測、檢修維護和改造的重要手段和方法，是保證電力系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行的重要技術(shù)措施。從我國第1次帶電作業(yè)實踐至今，帶電作業(yè)研究和應(yīng)用在我國已有60多年的歷史，為保障電網(wǎng)安全可靠運行及提高經(jīng)濟效益發(fā)揮了重要作用。

由于10 kV配電線路中相間距、相對地距離的限制，檢修中發(fā)生人員觸電傷亡的事故率相對其他作業(yè)較高。針對目前帶電作業(yè)主要仍是人工操作的實際情況和10 kV配電線路帶電作業(yè)“機器人換人”需求，由主從遙操作液壓機械臂、智能感知系統(tǒng)、帶電作業(yè)機器人工具系統(tǒng)、絕緣防護系統(tǒng)組成的配網(wǎng)帶電作業(yè)主從遙操作液壓機械臂在配網(wǎng)帶電領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間和實際意義，不僅可以使操作人員遠離危險系數(shù)高、勞動強度大的工作，從而有效避免帶電作業(yè)時人員傷亡事故的發(fā)生，提高帶電作業(yè)的安全性和作業(yè)效率；同時還可以提高電網(wǎng)的運行質(zhì)量，進一步減少供電系統(tǒng)的人員投入，降低人員成本，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。

1 配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)構(gòu)成及技術(shù)參數(shù)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)組成如圖1所示，配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)由主從遙操作液壓機械臂、智能感知系統(tǒng)、絕緣防護系統(tǒng)、絕緣斗臂車、帶電作業(yè)工具系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。主從遙操作液壓機械臂采用絕緣斗臂車平臺安裝方式，適合城鎮(zhèn)道路附近的室外作業(yè)；主從遙操作液壓機械臂由兩個遙操作主手和兩個液壓機械臂組成，一對一主從位置閉環(huán)隨動控制。智能感知系統(tǒng)包括視覺系統(tǒng)和力反饋系統(tǒng)，力覺臨場感由力反饋遙操作主手反饋給操作人員實現(xiàn)。帶電作業(yè)工具系統(tǒng)包括專用工具、標(biāo)準(zhǔn)快換接口、標(biāo)準(zhǔn)動力座?？刂葡到y(tǒng)采用主控制器+多軸運動控制器，與位置傳感器、壓力傳感器、液壓伺服閥和液壓執(zhí)行件組成電液伺服系統(tǒng)?？刂品绞讲捎弥鲝倪b操作為主，自主運行為輔。

圖1 配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)組成

配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)示意如圖2所示，系統(tǒng)實物如圖3所示。

圖2 配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)示意

圖3 配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)實物

1.1.1 主從遙操作液壓機械臂

(1)液壓機械臂

液壓機械臂采用全液壓驅(qū)動，主從位置閉環(huán)隨動控制。全液壓驅(qū)動的液壓機械臂自重小，持重大，慣性小，換向沖擊小。各關(guān)節(jié)執(zhí)行部件均裝有壓力傳感器和角位移傳感器，實時測量各執(zhí)行部件參數(shù)，并反饋至多軸運動控制器和主控制器。液壓機械臂僅需一個電氣接口以及一進一回兩路液壓油路接口；伺服閥和壓力傳感器都封閉在液壓機械臂內(nèi)部，適合油管布局；液壓機械臂集成在絕緣斗臂車上，利用絕緣斗臂車上的工具油路，加上過濾裝置及控制閥組，為液壓機械臂提供動力。液壓機械臂設(shè)計框圖如圖4所示，技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖4 液壓機械臂設(shè)計框圖

表1 液壓機械臂技術(shù)參數(shù)

(2)遙操作主手

遙操作主手(簡稱“主手”)見圖5，各個關(guān)節(jié)安裝有力矩電機，用于遠程操作液壓機械臂，適用于具有6個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的液壓機械臂的操作，且主手操作手柄能夠通過手柄上按鈕控制液壓機械臂各軸鎖定功能及控制末端工具。

圖5 遙操作主手

力反饋實現(xiàn)。力反饋的力矩電機電流由負載決定的關(guān)節(jié)扭矩和主從手運行時角度差折算；控制系統(tǒng)通過液壓機械臂的壓力傳感器和執(zhí)行件參數(shù)計算出關(guān)節(jié)扭矩，并減去編碼器測得液壓機械臂姿態(tài)時各關(guān)節(jié)的重力力矩，核算出負載力矩，并按比例轉(zhuǎn)換成遙操作主手的力矩電機電流，實現(xiàn)力反饋功能，并且疊加主從手之間的運動時角度差折算成力矩電機電流，實現(xiàn)阻尼力反饋，傳遞給操作人員。

1.1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)基于工業(yè)機器人的控制器平臺進行開發(fā)，控制方式有主從遙操作和自主運行兩種，遙操作時可以對液壓機械臂單關(guān)節(jié)進行控制。將遙操作主手作為系統(tǒng)的外部輸入設(shè)備，采用主控制器+多軸運動控制器，與位置傳感器、壓力傳感器、電液伺服閥和液壓執(zhí)行件組成電液伺服系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)還包括作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、視頻管理系統(tǒng)和主手控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 控制系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

1.2 技術(shù)參數(shù)

配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人技術(shù)參數(shù)

2 工作原理

主從遙操作控制原理如圖6所示，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示：操作者操作主手運動，控制器通過主手力矩電機位置信息的信息采集、A/D轉(zhuǎn)換、濾波處理后得到主手當(dāng)前位姿，通過光纖通信發(fā)送給液壓機械臂控制器，同時液壓機械臂多軸運動控制器接收液壓機械臂各個關(guān)節(jié)位置信息，經(jīng)過處理后與主手位置進行比較;比較后的信號D/A轉(zhuǎn)換后經(jīng)過液壓放大器與電液伺服閥驅(qū)動模塊連接，驅(qū)動各個軸運動，實現(xiàn)對液壓機械臂的位置閉環(huán)控制。

圖6 主從遙操作原理

圖7 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

自主運行原理。自主運行是指視覺引導(dǎo)下的自主運動；建立液壓機械臂D-H坐標(biāo)系及其D-H參數(shù)，通過運動學(xué)正解算法根據(jù)關(guān)節(jié)角度值得到末端位姿值；通過運動學(xué)逆解算法根據(jù)末端位姿值得到關(guān)節(jié)角度值；通過相機標(biāo)定算法得到相機坐標(biāo)系在液壓機械臂基坐標(biāo)系下的表示。相機識別目標(biāo)點，得到目標(biāo)點在相機坐標(biāo)系下的表示，目標(biāo)點在液壓機械臂基坐標(biāo)下的表示=·；通過軌跡規(guī)劃，完成各個軸時間相等的速度規(guī)劃；然后通過插補得到每個插補周期的關(guān)節(jié)角度值，液壓機械臂運動到目標(biāo)點。

液壓機械臂的液壓原理如圖8所示。液壓機械臂的液壓系統(tǒng)是典型的電液位置伺服控制系統(tǒng)。其中肩部、大臂、肘部、前臂和手爪處都安裝有液壓缸，通過對稱流量伺服閥控制非對稱液壓缸的伸縮分別實現(xiàn)液壓機械臂肩部繞基座俯仰、大臂繞肩部俯仰、肘部繞大臂俯仰、前臂繞肘部左右擺動及手爪的伸縮開合5個自由度的運動；肩部伸縮油缸安裝有外控液控單向閥，實現(xiàn)關(guān)節(jié)執(zhí)行器液壓系統(tǒng)關(guān)閉時的位置鎖定功能，并在系統(tǒng)供油后，供油壓力打開液控單向閥，不影響伺服閥對肩部伸縮油缸的位置閉環(huán)控制；在基座安裝擺動缸，腕部安裝液壓擺線馬達，分別實現(xiàn)肩部繞基座的左右擺動和腕部繞自身軸線的轉(zhuǎn)動。

圖8 液壓機械臂液壓原理

3 配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)的性能和結(jié)構(gòu)特點

配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)具有以下結(jié)構(gòu)和性能特點：

(1)大負載比液壓機械臂。液壓機械臂采用主從位置閉環(huán)隨動控制，自重小650 N，持重大400 N，自重負載比達到0.62；慣性小，換向沖擊小，抗干擾能力強；方便集成在絕緣斗臂車上并利用絕緣斗臂車上的工具油路為其提供動力。

(2)智能感知系統(tǒng)給操作人員提供視覺感知和力覺臨場感。由視覺系統(tǒng)和力覺反饋系統(tǒng)支撐。機械臂上安裝的雙視覺相機和作業(yè)工作臺上安裝的全景相機為操作人員獲得三維位置信息；同構(gòu)力反饋主手實現(xiàn)力覺臨場感，操作者可以根據(jù)力覺反饋信息掌握作業(yè)機械臂的動作狀態(tài)。在進行主從遙操作配網(wǎng)帶電作業(yè)任務(wù)時，通過遙操作將操作者的智能映射到任務(wù)空間，依靠人的智能和經(jīng)驗實現(xiàn)對液壓機械臂的控制，提高帶電作業(yè)的安全性和作業(yè)效率。

(3)合適的液壓伺服控制算法。液壓多軸運動控制器嵌套液壓伺服控制算法，包括變增益PID調(diào)節(jié)、主動阻尼、速度前饋、滑模模糊控制技術(shù)，不同的驅(qū)動關(guān)節(jié)采用合適的算法，提升液壓機械臂液壓阻尼比和剛度，改善液壓機械臂的穩(wěn)定性和跟蹤性能。

4 結(jié)語

配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)使操作人員遠離危險環(huán)境，保障作業(yè)人員安全，減輕勞動強度，提高工作效率。目前系統(tǒng)主從遙操作加自主運行工作模式的專用液壓機械臂的研發(fā)設(shè)計，會大大提升帶電機器人系統(tǒng)的合理性和經(jīng)濟性。通過現(xiàn)場試驗，也驗證了本系統(tǒng)的合理性。本配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用，提高了帶電作業(yè)的安全性和自動化水平，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。“十四五”期間將是中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵時期，把握國際機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢，汲取他國先進經(jīng)驗，研制出符合中國電網(wǎng)的配網(wǎng)帶電作業(yè)機器人并取代傳統(tǒng)的人工作業(yè)將是歷史必然。