多機械手的配網帶電作業機器人的研究與設計

童翔威

（國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南 長沙 410000）

0 引 言

傳統帶電斷、接引作業主要依靠人工作業。自20世紀80年代末開展帶電作業以來，采用手套法作業，作業人員基于絕緣斗臂車對地進行絕緣隔離，穿戴絕緣服和絕緣手套并對裸露導線、金具、橫擔、電桿等設備進行絕緣遮蔽后，開展帶電作業工作[1]。21世紀后，也曾開展基于絕緣操作桿的帶電斷、接引作業。由于配網設備結構緊湊、安全距離裕度小，引流線解搭頭時易造成相間、相地短路。近年來，因作業人員操作疏忽造成的人身傷亡事故時有發生，如何保證作業人員的安全問題迫在眉睫。同時，受線路結構、地形和交通條件限制，絕緣斗臂車難以到達作業位置，導致不能開展帶電作業，從而被迫對線路進行停電檢修和改造，降低了供電可靠性，嚴重影響了國民經濟生產。帶電作業機器人是配網帶電維護搶修作業的一種新型作業方式和作業裝備。開展配網帶電作業機器人研制，對滿足民生電力需求十分必要且亟需。

圖1 機器人結構組成

1 多機械手的配網帶電機器人的總體架構

機器人由控制箱、X和Y軸位姿調整十字滑臺、環形工具傳送裝置、抓取機械手、絕緣導線剝皮機械手和設備線夾安裝機械手構成，如圖1所示，三機械手在機體中間以等邊三角形勻稱布置，均為6-DOF機構。移動絕緣平臺安裝有獨立的機械手，其末端為夾緊導線的夾爪裝置，從而保證機器人與導線相對位置的固定[2]。

機器人控制箱通過X、Y軸十字滑臺沿移動絕緣平臺移動，保證多機械手協同作業的有效空間。絕緣導線剝皮裝置機械手具有6自由度，可到達作業點范圍內的任何位置，并可獨立完成絕緣層剝皮任務。抓取機械手主要完成導線清理、涂導電脂、絕緣保護罩安裝的作業任務，可將設備線夾固定至設備線夾安裝機械手末端執行機構上。設備線夾安裝機械手攜帶設備線夾安裝在導線上，各機械手及其末端工具關系如圖2所示。作業時，抓取機械手和絕緣導線剝皮機械手協同工作將引線整理，絕緣導線剝皮機械手控制引線的適當位置，防止引流線碰觸相鄰的帶電相；抓取機械手控制引流線搭接端將引線插入設備線夾，設備線夾安裝機械手上作業末端的螺母擰緊機構動作，實現對螺栓的緊固[3]。

2 主從機械臂結構設計及優化

為增加機器人帶電作業范圍和作業時的靈活性，作業機械臂采用了6自由度關節型機械臂，如圖3所示。其中，基座底部通過法蘭連接到箱體上；臂Ⅰ具有回轉自由度，通過交叉滾子軸承與基座連接，可繞基座中心軸旋轉；臂Ⅱ與臂Ⅰ、臂Ⅲ與臂Ⅱ、臂Ⅳ與臂Ⅲ之間均為俯仰關節，可繞其鉸關節中心軸旋轉，增加機械臂伸展的長度；臂Ⅳ與臂Ⅲ具有相似的機械結構，其一端通過鉸關節與上一級連接，另一端可繞自身的中心軸回轉，運動方式靈活。

圖2 機械手及其末端工具關系

圖3 六自由度機械臂構型

機械臂關節的運動主要分布在各關節中的驅動單元，采用電機驅動的方式，使機器人在反應速度、控制精度、運動平滑性等方面都具有良好的特性。各關節執行部件均裝有壓力傳感器和角位移傳感器，實時測量各執行部件參數，并反饋至運動控制系統和主控制系統。

3 主從機械臂結構設計

3.1 剝皮末端

在配網系統中，考慮到行人和交通安全等因素，80%以上的架空線路采用交聯聚乙烯絕緣導線。根據荷載不同，它有90、120、150、240等多種型號。因此，需適當設計夾緊裝置與切削刀片結構尺寸，拓寬剝皮末端的適用范圍，提高其實用性。

3.2 夾持末端

機器人夾持末端的主要作用是夾持各類專用工具進行導線清理、凃導電脂及安裝絕緣保護罩等作業，并在斷、接引流線時夾持引流線搭接端將其插入設備線夾。夾持末端主要由絕緣夾持手指、曲柄滑塊機構、絲杠螺母機構和驅動電機構成。夾持手指采用絕緣材料。作業時，電機作為驅動元件，通過絲杠螺母機構將旋轉運動轉變為螺母的直線運動，而螺母通過雙曲柄滑塊機構與成對稱布置的絕緣夾持手指連接，帶動夾持手指張開或閉合，從而實現夾持末端的抓取功能。

3.3 線夾安裝末端

安裝引流線時，需將設備線夾掛到引流線上并緊固線夾螺栓。為了簡化作業步驟，便于裝置找準螺栓，在線夾安裝末端上同時設計有擰螺母裝置和夾持裝置。擰螺母裝置用于擰緊或擰松螺栓，夾持裝置用于夾持設備線夾。為了使內六角套筒在不受外力時與旋轉軸同軸并與螺母較好地對接，在套筒與旋轉軸之間設計成十字鉸的聯接形式，且在十字聯軸器內還設有旋轉彈簧構成柔性連接。當裝置受力時，內六角套筒可相對旋轉軸調整一定的角度，實現與螺母的對接。

4 機器人作業運動規劃

4.1 導線剝皮

剝皮前，機械手1抓取導線防止導線擺動，機械手2的剝皮末端夾緊裝置分別將螺紋孔對準并鎖住導線，之后剝皮電機通過齒輪傳動帶動切削刀片繞導線作圓周運動，在導向螺紋的作用下，將絕緣導線的絕緣層有序均勻剝離。作業完畢后，機械手2離開導線，完成導線剝皮作業。

4.2 導線清理

剝皮作業完成后，環形工具傳送裝置旋轉將導線專用清掃刷送至機器人前側。機械手1夾持末端從傳送裝置上抓取清掃工具，并靠近已剝皮導線的裸露部分，對裸導線內側的異物進行清理。之后，機械手1伸展至導線外側進行清理。作業完畢后，機械手1收縮遠離導線，完成導線清理作業。

4.3 涂導電脂

導線清理作業完畢后，機械手1將專用清掃刷送回至工具傳送裝置，同時工具傳送裝置旋轉將涂導電脂專用工具送至機器人前端。機械手1抓取專用工具后，靠近已清理的裸導線，對裸導線內側進行涂脂。之后，機械手1伸展至導線外側涂脂，完成涂導電脂作業。

4.4 安裝線夾

機械手1收縮將涂導電脂專用工具放回工具傳送裝置，之后機器人X軸直線滑臺動作，將機器人移動至左側適當位置，同時工具傳送裝置旋轉將設備線夾送至機器人前側。抓取機械手1抓取設備線夾，并將線夾放置在安裝機械手3夾持裝置內。機械手3的夾持裝置收縮以夾緊線夾，最后機械手3靠近導線并將設備線夾一端固定在裸露的導線上。

4.5 安裝引流線

安裝線夾后，抓取機械手1移動至引流線一端并抓取引流線搭接端，機械手2抓取引流線中間適當位置。之后，機械手1將引流線搭接端插入設備線夾內。作業過程中，機械手2配合控制引流線上下移動，防止被接引流線碰觸零相線路造成相間短路。

4.6 緊固線夾螺栓

引流線插入線夾后，安裝機械手3上的擰螺母裝置動作，將設備線夾的螺栓擰緊，之后抓取機械手1松開引流線并抓取絕緣護套專用工具，將絕緣護套包裹在設備線夾外。

5 結 論

用機器人替代人工作業將是今后運行與檢修的發展趨勢。帶電作業機器人是配網帶電維護搶修作業的一種新型作業方式和作業裝備。因此，主要探究了配網帶電作業機器人研制，對滿足民生電力需求具有重要意義。