配網帶電作業機器人系統的設計

李光茂，楊森，占鵬，陳勉之，喬勝亞

(廣東電網有限責任公司廣州供電局電力試驗研究院，廣東廣州 510410)

0 前言

帶電作業是指在高壓電氣設備上不停電進行檢修、測試的一種作業方法，是電網設備檢測、檢修維護和改造的重要手段和方法，是保證電力系統可靠穩定運行的重要技術措施。從我國第1次帶電作業實踐至今，帶電作業研究和應用在我國已有60多年的歷史，為保障電網安全可靠運行及提高經濟效益發揮了重要作用。

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

1 配網帶電作業機器人系統構成及技術參數

1.1 系統構成

配網帶電作業機器人系統組成如圖1所示，配網帶電作業機器人系統由主從遙操作液壓機械臂、智能感知系統、絕緣防護系統、絕緣斗臂車、帶電作業工具系統和控制系統組成。主從遙操作液壓機械臂采用絕緣斗臂車平臺安裝方式，適合城鎮道路附近的室外作業；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隨動控制。智能感知系統包括視覺系統和力反饋系統，力覺臨場感由力反饋遙操作主手反饋給操作人員實現。帶電作業工具系統包括專用工具、標準快換接口、標準動力座。控制系統采用主控制器+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行件組成電液伺服系統。控制方式采用主從遙操作為主，自主運行為輔。

圖1 配網帶電作業機器人系統組成

配網帶電作業機器人系統示意如圖2所示，系統實物如圖3所示。

圖2 配網帶電作業機器人系統示意

圖3 配網帶電作業機器人系統實物

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動，主從位置閉環隨動控制。全液壓驅動的液壓機械臂自重小，持重大，慣性小，換向沖擊小。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。液壓機械臂設計框圖如圖4所示，技術參數如表1所示。

圖4 液壓機械臂設計框圖

表1 液壓機械臂技術參數

(2)遙操作主手

遙操作主手(簡稱“主手”)見圖5，各個關節安裝有力矩電機，用于遠程操作液壓機械臂，適用于具有6個轉動關節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。力反饋的力矩電機電流由負載決定的關節扭矩和主從手運行時角度差折算；控制系統通過液壓機械臂的壓力傳感器和執行件參數計算出關節扭矩，并減去編碼器測得液壓機械臂姿態時各關節的重力力矩，核算出負載力矩，并按比例轉換成遙操作主手的力矩電機電流，實現力反饋功能，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，實現阻尼力反饋，傳遞給操作人員。

1.1.2 控制系統

控制系統基于工業機器人的控制器平臺進行開發，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節進行控制。將遙操作主手作為系統的外部輸入設備，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行件組成電液伺服系統。控制系統還包括作業監控系統、視頻管理系統和主手控制系統。控制系統技術參數如表2所示。

表2 控制系統技術參數

1.2 技術參數

配網帶電作業機器人技術參數如表3所示。

表3 配網帶電作業機器人技術參數

2 工作原理

主從遙操作控制原理如圖6所示，控制系統結構如圖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轉換、濾波處理后得到主手當前位姿，通過光纖通信發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節位置信息，經過處理后與主手位置進行比較;比較后的信號D/A轉換后經過液壓放大器與電液伺服閥驅動模塊連接，驅動各個軸運動，實現對液壓機械臂的位置閉環控制。

圖6 主從遙操作原理

圖7 控制系統結構

自主運行原理。自主運行是指視覺引導下的自主運動；建立液壓機械臂D-H坐標系及其D-H參數，通過運動學正解算法根據關節角度值得到末端位姿值；通過運動學逆解算法根據末端位姿值得到關節角度值；通過相機標定算法得到相機坐標系在液壓機械臂基坐標系下的表示。相機識別目標點，得到目標點在相機坐標系下的表示，目標點在液壓機械臂基坐標下的表示=·；通過軌跡規劃，完成各個軸時間相等的速度規劃；然后通過插補得到每個插補周期的關節角度值，液壓機械臂運動到目標點。

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是典型的電液位置伺服控制系統。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，實現關節執行器液壓系統關閉時的位置鎖定功能，并在系統供油后，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控制；在基座安裝擺動缸，腕部安裝液壓擺線馬達，分別實現肩部繞基座的左右擺動和腕部繞自身軸線的轉動。

圖8 液壓機械臂液壓原理

3 配網帶電作業機器人系統的性能和結構特點

配網帶電作業機器人系統具有以下結構和性能特點：

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

(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調節、主動阻尼、速度前饋、滑模模糊控制技術，不同的驅動關節采用合適的算法，提升液壓機械臂液壓阻尼比和剛度，改善液壓機械臂的穩定性和跟蹤性能。

4 結語

配網帶電作業機器人系統使操作人員遠離危險環境，保障作業人員安全，減輕勞動強度，提高工作效率。目前系統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設計，會大大提升帶電機器人系統的合理性和經濟性。通過現場試驗，也驗證了本系統的合理性。本配網帶電作業機器人系統的推廣和應用，提高了帶電作業的安全性和自動化水平，具有巨大的經濟效益和社會效益。“十四五”期間將是中國機器人產業發展的關鍵時期，把握國際機器人產業發展趨勢，汲取他國先進經驗，研制出符合中國電網的配網帶電作業機器人并取代傳統的人工作業將是歷史必然。