人機協同帶電作業機器人系統設計研究

陳賢飛，李 威，劉 倞

（1.國網瑞嘉（天津）智能機器人有限公司，天津 300450；2.國網天津市電力公司，天津 300010）

0 引言

供電企業負責運營的配網處于電力系統末端，是服務用戶、保證電力持續供給的關鍵環節，其可靠性在整個供電系統中占有非常重要的位置。一般情況下，停電檢修是電網日常維護檢修最常用的方式。但是，停電將直接影響居民用戶的日常生活，及工農商業用戶的生產經營活動，甚至會帶來嚴重的經濟損失，不利于社會和諧穩定；停電檢修后的倒閘操作也可能會對系統內的設備造成沖擊傷害，影響設備的使用壽命。減少配網停電檢修時間、提升供電可靠性和服務水平，已成為提升供電企業服務水平的重要手段。因此，供電企業需不斷加強配網不停電作業能力建設，努力堅持遵循配網檢修作業“能帶不停”原則，改善區域營商環境，為電力用戶創造更多的經濟效益和社會效益。當前，不停電作業已成為電力設備檢修、檢測、業擴、改造的重要手段，在減少停電損失、降低線損、提高可靠性指標、開展在線監測和狀態檢修方面都發揮了積極作用，并將發展成為狀態檢修和主動檢修的主要手段。

目前帶電作業基本采用絕緣手套作業法及絕緣桿作業法。通常情況下，為滿足帶電作業期間的絕緣需求，工作人員一般會使用絕緣斗臂車來協助完成帶電作業的任務。但由于配網設備結構緊湊、安全距離裕度小，人工帶電作業存在高空墜落、高壓觸電、人為差錯等安全風險。無論是人工作業法和絕緣斗臂車作業法，傳統的配網帶電斷、接引流線作業人員都是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，人身傷亡事故時有發生，并且作業效率低下。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，減低作業的勞動強度，提高帶電作業的自動化水平，研制一種適用于配網帶電作業機器人具有十分重要意義。

1 單臂人機協同帶電機器人關鍵技術研究

本文提出了該機器人的作業平臺、高精度導引系統、激光雷達導線識別系統、多級絕緣防護、人機交互系統等關鍵技術的設計原則，并對結構特點開展研究。

1.1 帶電作業平臺的總體設計

帶電作業平臺是帶電作業機器人的基礎組成部分，本文主要根據斗臂車支撐臂的機械接口、機械臂的接口、平臺上的設備、人的站位、人機協同接口系統和導引系統等對作業平臺進行拓撲設計，在滿足作業要求的前提下力求最大限度降低總體質量和體積；同時，為保證帶電作業時人員和設備的安全，充分考慮絕緣防護和電磁防護。作業平臺結構布置如圖1所示。

圖1 平臺系統結構布置圖

1）機械臂控制系統作為一個整體放置到絕緣斗內，與絕緣斗臂車用卡扣或螺栓連接牢固；

2）絕緣斗臂車為雙斗結構，機器人位于前斗，距離帶電線路更近，充分利用機械臂的作業功能；作業人員位于后斗，遠離帶電體，可觀察整個作業過程并輔助機械臂完成作業；

3）機器人整體總重量控制在130kg以內，其重心應在幾何中心附近，整個結構系統受力更加合理；

4）為滿足作業項目需要，機械臂可配置不同的末端作業工具，并具備精準自動取放工具的能力。

1.2 高精度導引系統的設計

導引系統用于指引待作業主線的作業位置，使機械臂獲取主線的作業位置進行作業，是能否完成帶電作業的關鍵。因此，能夠準確對線路進行定位的導引系統是該機器人關鍵技術之一。由于帶電作業現場環境復雜且有強光干擾，使用視覺和激光等非接觸式的檢測測量設備無法確保作業線路定位的準確率，本項目采用人手持絕緣桿將具有定位功能的導引模塊觸碰作業線路的方式實現導引，以接觸式的方式確保導引的準確性。接觸式導引系統設計及優化流程如圖2所示。

圖2 導引系統設計及優化流程圖

接觸式導引系統（圖3）由導引端（圖4）和固定端（圖5）兩部分組成。

圖3 導引系統模型

圖4 導引模塊主要組成器件

圖5 固定端模塊主要組成器件

1.3 激光雷達導線識別系統

機器人采用如圖6所示，轉臺加激光雷達的結構，對機器人上方空間進行障礙物檢測，轉臺由舵機驅動，移動范圍為作業側180°，轉動速度為0.08°/s，激光雷達采用SICK-TIM561，其主要技術參數如下：

圖6 轉臺加激光雷達測量范圍

激光發射器發出激光脈沖，當激光碰到物體后，部分激光反射回激光接收器。通過計算發射/接收脈沖時間差，可以計算出距離值。在掃描器的掃描范圍內，通過數據接口輸出每個激光脈沖測量點的距離及對應角度值，據此獲得二維輪廓值。通常用于測量物體的外型輪廓及體積。

激光掃描器連續不停的發射激光脈沖，由旋轉的光學機構將激光脈沖按一定角度間隔（角度分辨率）發射至掃描角度內的各個方向而形成一個二維掃描面。加入轉臺后，增大其測量范圍。

1.4 多級絕緣防護技術

現代電力線路環境復雜，部分電力線路與設備之間產生的危險電壓十分強大。基于人機協同作業要求，為確保帶電作業過程的安全性及可靠性，帶電作業機器人的絕緣性能必須達到一個更高的水平。如何合理地確定機器人必要的絕緣水平是本課題的關鍵技術之一。為保證帶電作業機器人必備的絕緣性能，本文在使用絕緣斗絕緣的基礎上采用了多級絕緣防護設計，主要設計原則包括以下幾個方面。

1）末端作業工具與機械臂之間通過絕緣構件連接，實現作業工具與機械臂間的絕緣，增加系統爬電距離；

2）末端作業工具外表面涂覆絕緣漆來實現作業工具的絕緣防護；

3）在機械臂外部包裹絕緣衣，避免作業出現意外情況造成機械臂觸碰非作業相或非帶電物體時造成相間短路或對地短路；

4）平臺系統與斗臂車之間通過絕緣構件進一步增加與大地之間的絕緣。

1.5 人機交互系統

人機交互系統作為人與機器人的交互接口，對操作人員完成作業任務起著關鍵作用，是機器人的關鍵技術之一。本文所研制的機器人依據作業內容的難度、風險性和智能水平將人機交互的控制模型系統分為監督層、規劃層和反應層（如圖7所示）。人機交互系統分為作業人員人機協同作業操作系統和手持終端交互系統，主要通過語音播報系統、警示燈和機器人控制系統操控界面來實現工作人員與機器人之間的語音、視頻、文字等方面的交互。人機協作框架下，作業人員可以強行介入機器人任務執行過程，根據人機智能分配作業任務。

圖7 分級結構人機交互控制模型

利用人機交互終端可進行作業類型、方式的選取，并可以看到由待完成和已完成任務組成的任務管理板塊。

機器人作業前，利用導引系統完成機械比路徑規劃及作業目標定位，使機器人避開附近障礙物，此過程為分步進行，機械臂隨時根據操作員指令停止或進行下一步動作。

作業時，終端實時顯示安裝在機器人上的多路視頻信號。某些作業時，操作人員選擇人工輔助模式，暫停機械比作業。

此外，地面終端對臂姿態進行實時建模仿真，在實際機械臂移動時可，模擬出實時路徑，在作業過程中順控步序表內依次高亮展示當前作業步驟。

在某項作業中途異常中斷，信號燈出現綠、黃或紅色的閃動，分別指示不同系統狀態。在運行狀態恢復后，可根據作業步驟手動勾選需繼續完成的步驟。

終端上的手/自動切換按鈕，可切換手/自動模式。在手動控制模式下，可對臂進行多自由度操作，并控制相應的末端工具解鎖、夾緊、初始化等動作。

在絕緣斗臂車指定位置安裝有控制面板，該面板與機器人本體采用光纖連接，設計急停自保持鈕，在就地控制終端失靈時，利用該控制面板以電氣控制形式對高空機器人和末端工具進行急停、解除急停、解鎖等安全操作，及時將機器人移至安全位置，提高安全性。

為確保操作人員安全，設置兩級權限切換，在斗內控制失靈時，地面人員可迅速接管控制權限，及時操作斗臂車和機器人遠離操作空間。

2 現場應用

2.1 人機協同帶電作業機器人樣機

適用電壓等級：10kV及以下；機器人適用溫度：-10℃～50℃；機器人防護等級：IP54；機器人適用風速：≤10m/s ；機器人適用濕度：≤95%；機器人連續作、業時長：≥4h ；綜合定位精度：≤20mm；機器人重量：≤130kg；與斗臂車絕緣斗接口：卡扣；機械臂作業范圍：≤1.3m；機械臂有效負載：≤10kg；通訊傳輸時延：≤300ms；無線通信距離≥30m。

圖8 人機協同帶電作業機器人樣機

2.2 絕緣連接件試驗

對機械臂與末端工具間的絕緣連接件進行了1min、45kV工頻耐壓及泄漏電流測試，按照連接件的尺寸加工了適配的試驗電極，模擬連接件兩端連接的末端工具法蘭和機械臂，試驗布置如圖9所示。

圖9 整體耐壓及泄漏電流試驗布置

試驗結果如表1所示。

表1 整體耐壓及泄漏電流試驗結果

由表1可知，絕緣連接件的整體絕緣性能滿足主絕緣耐受水平要求。

2.3 導引系統測試

導引模塊放置于指定位置，接收作業位置RTK數據，通過七參數法將大地坐標（經緯度）轉換為大地直角坐標系（X，Y，Z）數據，最終與機器人坐標系進行轉換，獲得作業位置相對于機器人的坐標，使用該坐標系機器人控制機械臂到達指定點。實驗中在機械臂末端安裝RTK模塊，實時記錄機械臂末端所在位置坐標（X1，Y1，Z1）。

利用導引模塊與機械臂末端RTK模塊在同一位置獲得大地直角坐標系坐標，分別測量3次，比較不同RTK模塊間所采集的數據差異，數據如表2所示。

表2 導引模塊與機械臂末端RTK模塊采集數據

由表2數據可知，不同RTK模塊在同一位置獲得的數據值準確、穩定，X軸、Y軸和Z軸數值差值≤1cm。

將導引模塊分別放置于作業位置A、B、C三點，機器人獲取坐標后，控制機械臂分別到達A、B、C三點，機械臂末端RTK模塊記錄A、B、C點RTK坐標，比較導引模塊坐標值與機械臂RTK坐標值，計算機器人導引定位精度。數據如表3所示。

表3 導引模塊與機械臂末端RTK模塊采集數據（A、B、C三點）

由表3數據可知，機器人機械臂末端到達指定位置的時，坐標值與RTK數據實際坐標值X軸、Y軸和Z軸數值差值≤2cm。

機器人定位精度≤2cm滿足機器人使用需求，可順利實現機器人機械臂攜帶末端工具到達指定作業位置進行作業。帶電作業機器人實際定位精度要低于RTK數據提供的精度，主要原因是受機器人自身結構、裝配精度等造成的影響。

2.4 現場應用場景

試點地點：天津市津南區重慶街10kV桿；作業線路：單回三角橫線路；作業項目：帶電搭接引線。

2.4.1 作業現場條件

1）桿頭為單回三角排列，主導線標稱截面積為150mm2。引線與主導線的空間位置關系為橫線路，引線標稱截面積為95mm2，材質為鋁絞線。

2）三相引線長度（支柱絕緣子算起）1.9m～2.1m。

2.4.2 作業主要步驟

1）絕緣斗臂車就位，支好支腿，做好接地工作。

2）機器人完成自檢等準備工作。

3）作業人員導引定位。

4）機械臂自動移動到定位點，單相自動剝開主線絕緣片。

5）機械臂自動更換線夾工具。

6）作業人員將引線穿入線夾工具，人機配合。

7）機械臂自動移動到定位點，單相自動搭接主線和引線。

8）按照中相-遠邊相-近邊相連續完成三相作業。

2.5 現場應用結果

人機協同帶電作業機器人作業現場如圖10所示。現場應用結果如表4所示。

圖10 人機協同帶電作業機器人作業現場

表4 現場應用結果

3 結語

本文首次提出了基于單機械臂人機協同帶電作業機器人，并對該機器人的關鍵技術進行了論述和分析。單臂人機協同帶電機器人具有結構簡單、安全等級高、定位精度高、作業空間大等特點，能夠滿足10kV高壓帶電作業的多項作業要求，并通過了實驗室與現場實際工況實驗，具有廣闊的發展前景。