多分裂輸電導線接續管探傷檢測機器人系統設計及探測空間分析

鄒德華， 蔣智鵬, 喬明明, 鄺江華， 江維

(1.智能帶電作業技術及裝備(機器人)湖南省重點實驗室(國網湖南省電力有限公司超高壓輸電公司)，長沙 420100；2.帶電巡檢與智能作業技術國家電網公司實驗室(國網湖南省電力有限公司超高壓輸電公司)，長沙 420100；3.武漢紡織大學機械工程與自動化學院， 武漢 430073)

圖1 接續管的服役作業環境示意圖Fig.1 Schematic diagram of the service operation environmentfor connecting pipe

高壓輸電線路[1-4]是電力系統的大動脈，是關系國計民生的“生命線”，是電力系統的重要組成部分，隨著電網的結構和運行方式日益復雜，電網故障影響范圍也在不斷增大，對電網安全可靠性指標的要求越來越高。高壓輸電線路輸送距離遠長，導線必須采用接續管[5-6]進行連接，受到外部環境、制造、施工中留下的缺陷加上運行中的電、熱、機械力等應力長期影響，其機械強度不斷下降，有時還導致接續管產生局部發熱燒傷導線[7-8]，尤其在導線覆冰的情況下，接續管產生的潛伏性缺陷發展到一定程度，極易發生掉線事故，必將引起設備故障并有可能擴大為電網事故。接續管潛伏性缺陷的發現和消除成為最為迫切的需求，接續管處于高空高壓的環境中，運行維護人員在日常巡視中無法發現接續管的隱性缺陷，因此，重視和加強對電力設備缺陷無損檢測技術的研究、開發和應用，對減少設備事故、保障電網安全運行具有重大意義。射線檢測[9]利用電磁波的穿透性和直線性對金屬零部件內部缺陷進行探測的無損檢測方法。在電力金具檢測中，X射線的應用較為頻繁和廣泛，特別是基于數字成像的X射線技術更具備深遠的應用前景，除此之外還有利用DR(digit radiography)射線對電力金具的檢測，但是相對較少。接續管等輸電線路金具處于高空中，利用X射線或DR檢測技術檢測高壓輸電線路金具檢測不同于檢測其他處于地面的設備，需要將設備運送至高空指定位置，上線下過程比較煩瑣，同時檢測設備含有大量的電子器件，高壓輸電線路將對其產生影響。目前，尚未見有帶電多分裂輸電線路DR檢測金具的研究文獻報道。

綜上所述，X射線探傷檢測是一項比較成熟的技術，但是要將其應用與輸電線路檢修領域，首先需要解決的一個關鍵問題就是探傷裝置的上下線技術，這是解決實用化問題的前提。隨著輸電線路帶電作業機器人[10-14]廣泛應用，同時無人機輔助輸電線路帶電作業屢見不鮮[15-16]，因此，現充分利用這三種技術的優點，通過三種技術的深度融合研究，提出一種利用無人機飛控搭載接續管探傷裝置上下線的方法開展多分裂輸電導線接續管智能帶電探傷相關關鍵技術研究，開發能自主方便上下線夠適用于在高空、高壓帶電檢測多分裂導線接續管內部結構及接續管運行狀態的智能化裝備，提高檢測效率，降低檢測成本，為輸電線路安全穩定運維管理提供有力保障。

1 接續管探傷機器人的作業環境與任務分析

1.1 作業環境

長距離、大高差的輸電線路架設在高空中，其典型結構如圖1所示，主要包括輸電線路和大量金具，其中壓接型金具接續管的主要作用是牢固兩段導線間的連接，需要承受導線的全部張力，同時還是通流導體，此類金具一旦安裝就不可拆卸。從物理角度來說，接續管不僅要承受導線的機械負荷，還必須承受線路高負荷狀態下引發的局部發熱溫度過高的情況，同時還要承受在惡劣極端天氣情況下引發的導線覆冰和舞動帶來的沖擊載荷，還有在自然因素下長時間運行的破損，甚至斷裂和腐蝕等情況。從電氣角度來說，接續管必須耐受雷電和開關操作引起的過電壓沖擊，特別是在冬季，厚重的雪覆蓋在接續管上影響其導電性能，威脅輸電線路的安全運行。因此，接續管探傷作業是一項常規的檢修任務。

1.2 作業任務分析

接續管壓接后的截面圖如圖2(a)所示，其接續管主要由外部鋁管和內部鋼管組成，外部鋁管的作用是壓接導線的左右兩端，而內部鋼管的作用是壓接導線的內芯，接續管相對導線呈凸起狀態。四分裂導線接續管探傷作業任務需要使成像裝置分別置于每根導線下方且在作業過程中不與導線發生接觸，如圖2(b)所示，由于四分裂導線呈長方體形狀架設在高空中，故需要通過一定的設備將探傷裝置送至高空中。

圖2 接續管的實體結構Fig.2 The physical structure of the connecting pipe

2 接續管探傷檢測機器人的機構設計與探傷作業運動規劃

2.1 總體結構

接續管探傷檢測機器人主要分為兩大部分：無人機搭載的紅外射線機和探傷裝置，兩者成上下分布，通過騎跨式安裝座將無人機支架與探傷裝置連接。其中無人機的作用是攜帶探傷裝置飛至高空中，并利用射線機配合探傷裝置對接續管進行檢測，其結構為六旋翼無人機，每個機翼上搭載一個螺旋槳，且每個機翼與無人機的連接處有一個旋轉關節，待探傷裝置固定在四分裂導線上時，其機翼會收縮。紅外射線機通過支架架設在無人機中方鏤空處，通過射線機翻轉關節調整射線機角度。探傷裝置主體分為固定裝置和成像裝置，其固定裝置包括四個支架和兩側的矩形壓塊還有夾持塊，其夾持塊有一個旋轉關節，作用是當探傷裝置置于導線上時用來夾持導線。成像裝置包括推桿、滑塊、和成像板，其中推桿有一個旋轉關節固定在矩形塊上，且搭配一個伸縮關節能控制下端的成像板旋轉關節進而調整成像板的角度，還有成像板升降關節和平移關節能調整成像板所處的高度和距離進而能使成像板處于距離接續管適當的位置。基于上述分析可得到接續管檢測裝置的整體結構和完整的虛擬樣機模型如圖3所示。

圖3 接續管探測裝置的整體結構Fig.3 Overall structure of the connecting pipe detection device

2.2 探傷檢測作業運動規劃

當接續管探測裝置通過固定裝置固定在導線上時且無人機機翼收縮后，無人機上搭載的X射線機配合成像裝置開始作業，其整個四分裂導線接續管探傷作業流程如圖4所示。如圖4(a)所示，X射線機先對右上方的導線開始檢測，在檢測完第一根導線之后，通過成像板上的平移關節將成像板平移至另一根導線下方同時X射線機通過自身的旋轉關節旋轉至另一根導線上；在上方的兩根導線探傷作業完成后，需再對下方的導線進行檢測，為使成像板與下方導線無碰撞作業，此時成像板需通過翻轉桿旋轉至導線外側，再通過位置調整桿下降至其底端，再通過翻轉桿將成像板旋轉至右下方導線的正下側并開始進行探傷作業，其X射線機也對準相應的被測導線；最后通過其平移關節使成像板平移至左下方導線的正下方并通過X射線機調整其自身位置對其被測導線開始檢測。

3 接續管探傷檢測機器人運動學建模

3.1 探傷機械臂運動學D-H坐標系的建立

通過接續管探傷裝置的構型分析，可將其下端檢測裝置上的連續運動關節看作一個完整的機械臂，在對其機械臂進行運動學分析之前，需要運用D-H表示法對其機械臂的每個連桿相連的始端定義了與之相關的坐標系進行表達，其連桿坐標系如圖5所示，得到用于定量描述連桿相對位姿的4種D-H參數：連桿長度a、連桿偏距d、連桿轉角α和連桿關節角θ、機械臂的D-H參數如表1所示。

圖4 接續管探傷作業流程Fig.4 Connection pipe detection operation process

圖5 探傷裝置的連桿坐標系Fig.5 Connecting rod coordinate of flaw detection device

表1 探傷機械臂的D-H參數

3.2 機械臂正運動學分析

正運動學問題就是根據已知的連桿相關參數來求解機械臂末端坐標系相對固定基座坐標系的位姿。通過選取表1所列的D-H參數，可得到各個相鄰連桿相對位姿關系的齊次坐標變換矩陣，即

(1)

式(1)中：S表示sinθ；C表示cosθ。

根據坐標變化理論，將式(1)中的五個矩陣A1、A2、A3、A4、A5按照順序相乘即可得到機械臂的正運動學解，即

(2)

通過將已知的任意一組關節變量值代入式(2)中計算，得到的結果就是機械臂末端坐標系相對固定基座坐標系的唯一確定位姿。

3.3 探傷機械臂逆運動學分析

運動學逆解是已知機械臂末端要到達的位姿，在滿足各個關節變量值范圍的情況下求解各個關節對應的θ角。為了求解這些角度，需要將未知量與已知量分離，首先定義RTH為機器人的期望位姿，用矩陣表示為

(3)

式(3)中：pi表示在末端空間里的位置，用一個3×1的矩陣來表示；ni、ai、oi表示末端在空間的朝向，用一個3×3的矩陣來表示。

(4)

將式(4)展開得

(5)

由式(5)可得

(6)

解得

(7)

(8)

由式(8)可得

(9)

解得

(10)

(11)

由式(11)得

(12)

聯立式(6)和式(12)，得

(13)

式(13)中:t3表示tanθ3，最后由式(8)和式(9)解得

(14)

至此已求出機械臂所有的關節角θ，即得出了機械臂處于任何期望位姿所需的關節量。

4 接續管探傷檢測裝置工作空間分析軌跡規劃仿真與現場試驗

4.1 工作空間分析

探傷裝置的機械臂作業空間仿真是實現對輸電導線上探傷作業過程中無碰撞的基礎和關鍵，為避免機械臂與輸電導線發生碰撞，故需要對其機械臂關節施加限定約束范圍，其關節1的角度約束為[-45°, 45°]，關節2是通過關節1的旋轉能帶動其進行伸縮運動，故關節2的伸縮范圍為[0,150 mm]，關節3只需要使成像板在水平面的上方運動，故關節3的角度約束為[-90°, 90°]，關節4為控制成像板的高度，又其只需要在四分裂導線的上下運動，故關節4的伸縮范圍為[0,450 mm]，關節5為控制成像板的水平距離，需要使成像板能在水平兩根導線的距離下運動，故伸縮約束范圍為[0,600 mm]，上述關節相應的運動副和變量范圍如表2所示，再運用蒙特卡羅法結合表1中D-H參數使用MATLAB軟件里的Robotics Toolbox產生6 000組隨機關節變量值范圍內的組合，得到的作業空間仿真如圖6所示。

表2 各關節所屬的運動副和變量范圍

圖6 探傷裝置機械臂末端作業空間點云圖Fig.6 Working space point cloud for the flaw detection device

通過探傷裝置機械臂的結構參數和三個方向的點云圖坐標范圍可知，其末端的最大作業半徑為1 000 mm，最大作業高度為900 mm，最大作業深度為1 000 mm，均能夠覆蓋四分裂輸電導線上的接續管，滿足探傷裝置對作業空間的需求，因此，探傷裝置的機械臂結構設計是合理的。

4.2 軌跡規劃仿真

為使仿真環境更接近實際作業環境，按照等比例放大原則，搭建相鄰子導線間距900 mm和其直徑53.64 mm的四分裂導線仿真環境。因為MATLAB軟件里仿真得到的機械臂底座只能在xoy平面，與實際作業姿態不符合，故使四分裂導線成豎直分布，進而使機械臂與實際姿態相符。如圖7(a)所示為機械臂的初始位姿。分別調整相應的機械臂位姿對處于四分裂導線上中段的接續管進行檢測，其作業過程分別如圖7(b)～圖7(f)所示。整個探傷檢測作業完成，機械臂回到初始位姿等待無人機啟動將探傷裝置撤離作業位置。機械臂在上述接續管探傷檢測運動中，成像板、探測儀探頭在四相導線中的運動狀態如表3所示。同時，按照上述作業位姿，選取探傷裝置作業末端為分析對象，生成末端位移、速度、加速度曲線如圖8所示。

紅色長方體的豎直線代表四分裂導線并分別命名為導線1、導線2、導線3、導線4，假設接續管在長方體四條豎直線上的中間圖7 探傷裝置機械臂作業運動規劃仿真Fig.7 Simulation of motion planning for the detection device

圖8 探傷裝置作業末端運動曲線圖Fig.8 Motion curve diagram of the detection device

表3 探傷檢測裝置末端運動狀態

根據圖8所示探傷檢測裝置作業末端的參數曲線圖可知，在0～2 s內，探傷裝置正處于初始位姿對第1根接續管進行檢測，位移、速度的變化很小，在2～4 s內，探傷裝置加速調整位姿對第2根接續管進行檢測，最高速度達7.36 mm/s；在4～6 s內和6～8 s內，探傷裝置分別對第3根和第4根接續管進行檢測，其過程屬于減速階段，當第4根接續管檢測完成后，整個檢修作業完成，探傷裝置末端速度為0。通過對圖7和圖8的仿真分析可知，在整個探傷檢測過程中，本文所設計的接續管探傷裝置作業運動規劃能滿足作業需求，且其裝置各個關節軌跡運行平穩，速度和加速度曲線無突變，能滿足關節約束要求，同時表3也表明對于實際的四分裂導線所轄區域，接續管探傷檢測作業過程可以實現無碰避障運動規劃。

4.3 探傷檢測試驗

探傷裝置的作業過程主要是使成像板依次處于四分裂輸電導線的下方，即使得機械臂末端靠近四分裂導線實現接續管探傷檢測，其中500 kV四分裂輸電導線的實際線路如圖9(a)所示，其相鄰子導線間距為450 mm，直徑為26.82 mm。通過對探傷檢測機器人設置合適的X 射線探測參數如表4所示，對四分裂輸電 線路上可能存在壓接質量的典型部位進行探傷檢測，可以得到壓接管的X射線探傷檢測圖，如圖9(b)，從實驗探測結果可以發現壓接管的壓力不均勻導致壓接管壓力質量出現了一定異常，特別是在接觸面不均勻會導致壓接管局部過熱造成能量浪費甚至燒斷壓接管，同時壓接管和輸電線上接觸面和下接觸面連接部分存在一定縫隙和空鼓，這些探測結果表明該線路金具都存在一定安全隱患，需要進行相關維修作業，綜上所述，通過探傷檢測裝置可以及時發現這些肉眼無法識別的隱性安全隱患，為輸電線路的安全穩定運行保駕護航。

圖9 四分裂輸電導線典型區域的探傷檢測結果Fig.9 Flaw detection results of typical areas of four-split transmission conductors

表4 X射線探測器的探傷檢測參數

5 結論

(1)針對多分裂輸電線路接續管的壓接質量和內部損傷自動化檢測問題，提出了一種適用于四分裂輸電導線接續管探傷檢測的機器人機械構型及其實體模型和探傷運動規劃。

(2)建立了探傷檢測機械臂的D-H坐標模型，推導得出了探傷機械臂的運動學正解和運動學逆解，并對機器人的探傷運動進行特性分析。

(3)基于探測機械臂的運動學模型，在MATLAB軟件中利用機器人工具箱對機械臂末端的可達空間進行了仿真得到了末端點云圖和關節軌跡規劃曲線，驗證了本文所設計的接續管探傷檢測機器人機械構型的可行性和有效性。