人機協(xié)同帶電作業(yè)機器人系統(tǒng)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(yè)負責運營的配網處于電力系統(tǒng)末端，是服務用戶、保證電力持續(xù)供給的關鍵環(huán)節(jié)，其可靠性在整個供電系統(tǒng)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(yè)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(wěn)定；停電檢修后的倒閘操作也可能會對系統(tǒng)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(yè)服務水平的重要手段。因此，供電企業(yè)需不斷加強配網不停電作業(yè)能力建設，努力堅持遵循配網檢修作業(yè)“能帶不?！痹瓌t，改善區(qū)域營商環(huán)境，為電力用戶創(chuàng)造更多的經濟效益和社會效益。當前，不停電作業(yè)已成為電力設備檢修、檢測、業(yè)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(jiān)測和狀態(tài)檢修方面都發(fā)揮了積極作用，并將發(fā)展成為狀態(tài)檢修和主動檢修的主要手段。

目前帶電作業(yè)基本采用絕緣手套作業(yè)法及絕緣桿作業(yè)法。通常情況下，為滿足帶電作業(yè)期間的絕緣需求，工作人員一般會使用絕緣斗臂車來協(xié)助完成帶電作業(yè)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(yè)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(yè)法和絕緣斗臂車作業(yè)法，傳統(tǒng)的配網帶電斷、接引流線作業(yè)人員都是通過高壓作業(yè)工具與電氣設備接觸，并且?guī)щ姍z修作業(yè)勞動量大，危險系數(shù)高，工作條件惡劣，人身傷亡事故時有發(fā)生，并且作業(yè)效率低下。因此，為提高配電可靠性和帶電作業(yè)效率，保證帶電作業(yè)人員人身安全，減低作業(yè)的勞動強度，提高帶電作業(yè)的自動化水平，研制一種適用于配網帶電作業(yè)機器人具有十分重要意義。

1 單臂人機協(xié)同帶電機器人關鍵技術研究

本文提出了該機器人的作業(yè)平臺、高精度導引系統(tǒng)、激光雷達導線識別系統(tǒng)、多級絕緣防護、人機交互系統(tǒng)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(yè)平臺的總體設計

帶電作業(yè)平臺是帶電作業(yè)機器人的基礎組成部分，本文主要根據(jù)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(xié)同接口系統(tǒng)和導引系統(tǒng)等對作業(yè)平臺進行拓撲設計，在滿足作業(yè)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(yè)時人員和設備的安全，充分考慮絕緣防護和電磁防護。作業(yè)平臺結構布置如圖1所示。

圖1 平臺系統(tǒng)結構布置圖

1）機械臂控制系統(tǒng)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(yè)功能；作業(yè)人員位于后斗，遠離帶電體，可觀察整個作業(yè)過程并輔助機械臂完成作業(yè)；

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(tǒng)受力更加合理；

4）為滿足作業(yè)項目需要，機械臂可配置不同的末端作業(yè)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(tǒng)的設計

導引系統(tǒng)用于指引待作業(yè)主線的作業(yè)位置，使機械臂獲取主線的作業(yè)位置進行作業(yè)，是能否完成帶電作業(yè)的關鍵。因此，能夠準確對線路進行定位的導引系統(tǒng)是該機器人關鍵技術之一。由于帶電作業(yè)現(xiàn)場環(huán)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(yè)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(yè)線路的方式實現(xiàn)導引，以接觸式的方式確保導引的準確性。接觸式導引系統(tǒng)設計及優(yōu)化流程如圖2所示。

圖2 導引系統(tǒng)設計及優(yōu)化流程圖

接觸式導引系統(tǒng)（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(tǒng)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(tǒng)

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(yè)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(shù)如下：

圖6 轉臺加激光雷達測量范圍

激光發(fā)射器發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)接口輸出每個激光脈沖測量點的距離及對應角度值，據(jù)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(xù)不停的發(fā)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(fā)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(xiàn)代電力線路環(huán)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?；谌藱C協(xié)同作業(yè)要求，為確保帶電作業(yè)過程的安全性及可靠性，帶電作業(yè)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(yè)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(yè)工具與機械臂之間通過絕緣構件連接，實現(xiàn)作業(yè)工具與機械臂間的絕緣，增加系統(tǒng)爬電距離；

2）末端作業(yè)工具外表面涂覆絕緣漆來實現(xiàn)作業(yè)工具的絕緣防護；

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

4）平臺系統(tǒng)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(tǒng)

人機交互系統(tǒng)作為人與機器人的交互接口，對操作人員完成作業(yè)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(jù)作業(yè)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(tǒng)分為監(jiān)督層、規(guī)劃層和反應層（如圖7所示）。人機交互系統(tǒng)分為作業(yè)人員人機協(xié)同作業(yè)操作系統(tǒng)和手持終端交互系統(tǒng)，主要通過語音播報系統(tǒng)、警示燈和機器人控制系統(tǒng)操控界面來實現(xiàn)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(xié)作框架下，作業(yè)人員可以強行介入機器人任務執(zhí)行過程，根據(jù)人機智能分配作業(yè)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(yè)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(yè)前，利用導引系統(tǒng)完成機械比路徑規(guī)劃及作業(yè)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(jù)操作員指令停止或進行下一步動作。

作業(yè)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(yè)時，操作人員選擇人工輔助模式，暫停機械比作業(yè)。

此外，地面終端對臂姿態(tài)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(yè)過程中順控步序表內依次高亮展示當前作業(yè)步驟。

在某項作業(yè)中途異常中斷，信號燈出現(xiàn)綠、黃或紅色的閃動，分別指示不同系統(tǒng)狀態(tài)。在運行狀態(tài)恢復后，可根據(jù)作業(yè)步驟手動勾選需繼續(xù)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(xiàn)場應用

2.1 人機協(xié)同帶電作業(yè)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(xù)作、業(yè)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(yè)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(xié)同帶電作業(yè)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(tǒng)測試

導引模塊放置于指定位置，接收作業(yè)位置RTK數(shù)據(jù)，通過七參數(shù)法將大地坐標（經緯度）轉換為大地直角坐標系（X，Y，Z）數(shù)據(jù)，最終與機器人坐標系進行轉換，獲得作業(yè)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(shù)據(jù)差異，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 導引模塊與機械臂末端RTK模塊采集數(shù)據(jù)

由表2數(shù)據(jù)可知，不同RTK模塊在同一位置獲得的數(shù)據(jù)值準確、穩(wěn)定，X軸、Y軸和Z軸數(shù)值差值≤1cm。

將導引模塊分別放置于作業(yè)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(shù)據(jù)如表3所示。

表3 導引模塊與機械臂末端RTK模塊采集數(shù)據(jù)（A、B、C三點）

由表3數(shù)據(jù)可知，機器人機械臂末端到達指定位置的時，坐標值與RTK數(shù)據(jù)實際坐標值X軸、Y軸和Z軸數(shù)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(xiàn)機器人機械臂攜帶末端工具到達指定作業(yè)位置進行作業(yè)。帶電作業(yè)機器人實際定位精度要低于RTK數(shù)據(jù)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(xiàn)場應用場景

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

2.4.1 作業(yè)現(xiàn)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(yè)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(yè)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(yè)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(xù)完成三相作業(yè)。

2.5 現(xiàn)場應用結果

人機協(xié)同帶電作業(yè)機器人作業(yè)現(xiàn)場如圖10所示?，F(xiàn)場應用結果如表4所示。

圖10 人機協(xié)同帶電作業(yè)機器人作業(yè)現(xiàn)場

表4 現(xiàn)場應用結果

3 結語

本文首次提出了基于單機械臂人機協(xié)同帶電作業(yè)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(xié)同帶電機器人具有結構簡單、安全等級高、定位精度高、作業(yè)空間大等特點，能夠滿足10kV高壓帶電作業(yè)的多項作業(yè)要求，并通過了實驗室與現(xiàn)場實際工況實驗，具有廣闊的發(fā)展前景。