單臂帶電作業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與分析

應(yīng)永靈，沈貝石，徐晨杰，陳杰輝，劉曉宏

（1.慈溪市輸變電工程有限公司，浙江 慈溪 315300；2.浙江鼎順電氣科技有限公司，浙江 慈溪 315300；3.湖南帝星智能科技有限公司，湖南 長沙 410100）

1 背景

配電線路進(jìn)行不停電檢修是近年來電力設(shè)備檢修的趨勢[1]。目前，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)帶電檢修主要由人工進(jìn)行[2-3]，大多是工人穿戴絕緣屏蔽服站立高空絕緣斗中進(jìn)行作業(yè)，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低且危險(xiǎn)系數(shù)高[4]。為了克服人工帶電作業(yè)的危險(xiǎn)和不足，帶電作業(yè)機(jī)器人作為智能電網(wǎng)建設(shè)的新興技術(shù)，已經(jīng)是配電網(wǎng)帶電作業(yè)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的課題。目前國內(nèi)外帶電作業(yè)機(jī)器人大多采用兩個(gè)機(jī)械臂來模擬人類雙手的動(dòng)作，但雙臂帶電作業(yè)機(jī)器人由于高空作業(yè)平臺(tái)最大承重的限制，機(jī)械臂的臂展短，并且雙臂需要協(xié)調(diào)控制，對控制的精度要求高，從而造成產(chǎn)品生產(chǎn)成本高，成為廣泛使用的阻礙。針對我國配電線路的特點(diǎn)以及帶電作業(yè)工藝要求，研制了單臂帶電作業(yè)機(jī)器人，具有機(jī)械臂臂展長、工具頭抓取范圍大、控制簡單、生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)，對帶電作業(yè)機(jī)器人的推廣應(yīng)用有著重要意義。

2 總體結(jié)構(gòu)

單臂帶電作業(yè)機(jī)器人主要用于穿刺型引流器的搭接，具備良好的絕緣性能，主要由工具頭、機(jī)械臂、平移裝置、剪線裝置、動(dòng)力及控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、機(jī)架等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，具有抓引流線、送引流線、剪引流線、緊固引流器等功能。

圖1 單臂帶電作業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

2.1 穿刺型引流器

穿刺型引流器的結(jié)構(gòu)如圖2 所示，包括支撐架、穿刺頭、夾頭、穿刺頭螺桿、夾頭螺桿、穿刺頭力矩螺母、夾頭力矩螺母組成。支撐架上設(shè)有供引流器搭接作業(yè)時(shí)固定在工具頭上的安裝孔、供穿刺頭螺桿、夾頭螺桿擰入的螺紋孔，支撐架的一側(cè)設(shè)有容納主線的穿刺卡口、供穿刺頭滑動(dòng)的滑槽和供穿刺主線用的穿刺齒，另一側(cè)設(shè)有容納引流線的夾緊卡口、供夾頭滑動(dòng)的滑槽和固定引流線用的弧形卡槽。穿刺頭、夾頭分別安裝在支撐架的兩側(cè)的滑槽內(nèi)，可在滑槽內(nèi)滑動(dòng)，穿刺頭螺桿、夾頭螺桿穿過支撐架的螺紋孔分別與穿刺頭、夾頭相連接，穿刺頭螺桿、夾頭螺桿的另一端分別擰入穿刺頭力矩螺母和夾頭力矩螺母。當(dāng)穿刺頭力矩螺母和夾頭力矩螺母受力旋轉(zhuǎn)時(shí)，穿刺頭力矩螺母和夾頭力矩螺母分別帶動(dòng)穿刺頭螺桿、夾頭螺桿旋轉(zhuǎn)，使穿刺頭、夾頭沿滑槽向穿刺齒、弧形卡槽移動(dòng)，使穿刺頭刺入主線并且夾頭夾緊引流線，使引流線和主線相連通，實(shí)現(xiàn)引流線的搭接。穿刺頭力矩螺母和夾頭力矩螺母均為鋁合金材質(zhì)，用于控制螺桿對主線及引流線的擰緊力，其設(shè)計(jì)擰斷力矩分別為15Nm 和7Nm。

圖2 穿刺型引流器結(jié)構(gòu)

2.2 工具頭

工具頭主要實(shí)現(xiàn)3 個(gè)功能：①在搭接前引流器的安裝在工具頭上。②抓取引流線。③搭接后把主線和引流線與引流器相固定，從而對應(yīng)設(shè)計(jì)三個(gè)功能裝置，即卡緊裝置、抓手裝置和擰緊裝置，卡緊裝置的作用是在進(jìn)行搭接前安裝和卡緊引流器，使其固定在工具頭上，抓手裝置的作用是抓取引流線和在搭接過程中使引流線隨著工具頭一起移動(dòng)，擰緊裝置的作用是驅(qū)動(dòng)引流器上的穿刺頭螺桿和夾頭螺桿旋轉(zhuǎn)使穿刺頭穿入主線以及使夾頭夾住引流線，使引流線和主線牢靠的固定在引流器上的夾緊卡口和穿刺卡口內(nèi)。

工具頭主要包括抓手裝置、卡緊裝置、擰緊裝置、連接架體4個(gè)部分。

2.2.1 抓手裝置設(shè)計(jì)

抓手裝置的設(shè)計(jì)原則為盡可能方便抓取引流線，擴(kuò)大抓取范圍，降低對機(jī)械臂的移動(dòng)精度和控制要求。同時(shí)，在搭接移動(dòng)引流線的過程中應(yīng)盡量避免扭曲、彎曲引流線導(dǎo)致的損傷，盡量使引流線處于懸吊狀態(tài)，因而在到達(dá)主線搭接位置前不能將引流線固定在工具頭上，而是要在一定范圍內(nèi)可以自由移動(dòng)但又不能從工具頭脫落。

基于以上設(shè)計(jì)原則，抓手裝置設(shè)計(jì)成主抓手和輔助抓手相配合的方式。輔助抓手的作用為在距引流線一個(gè)較大范圍內(nèi)抓取引流線，將引流線限制在工具頭所構(gòu)建的沿引流線斷面的封閉空間內(nèi)。引流線能夠在封閉空間內(nèi)沿引流線的長度方向自由移動(dòng)，但是斷面方向上引流線始終在封閉空間內(nèi)，從而使引流線在搭接過程中不會(huì)從工具頭上脫落，隨著工具頭移動(dòng)的同時(shí)但是又有一定的自由度，使引流線處于懸吊狀態(tài)，避免扭曲、彎曲所帶來的對引流線的傷害。主抓手的作用是機(jī)器人將引流線送到主線搭接位置后，將在封閉空間內(nèi)的引流線精準(zhǔn)地送入引流器的夾緊卡口內(nèi)，并夾住引流線，此時(shí)引流線固定在引流器的夾緊卡口內(nèi)。

抓手裝置包括主抓手、輔助抓手、主抓手動(dòng)作氣缸、輔助抓手動(dòng)作氣缸、輔助抓手連桿，主抓手由兩側(cè)的抓手和鉸耳連接座連接而成，抓手中部設(shè)有在支點(diǎn)位置的轉(zhuǎn)軸安裝孔，主抓手動(dòng)作氣缸的前端鉸座與主抓手的鉸耳連接座相鉸接，可以推動(dòng)主抓手繞著支點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。輔助抓手、輔助抓手連桿、連接架體形成一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，輔助抓手動(dòng)作氣缸可以推動(dòng)輔助抓手繞著支點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.2.2 卡緊裝置設(shè)計(jì)

卡緊裝置的設(shè)計(jì)原則為在搭接過程中可靠地卡緊引流器，在搭接完成后能順利的松開引流器，使引流器輕松脫離工具頭。

卡緊裝置包括卡緊氣缸和卡緊塊，卡緊氣缸可以推動(dòng)卡緊塊動(dòng)作使引流器卡緊在工具頭上。

2.2.3 擰緊裝置設(shè)計(jì)

為了施工方便快捷，縮短帶電作業(yè)時(shí)間，帶電作業(yè)機(jī)器人一次作業(yè)進(jìn)行一相線的兩個(gè)引流器的同時(shí)搭接，即在工具頭一次安裝兩個(gè)引流器，將引流線同時(shí)并入兩個(gè)引流器上，而每個(gè)引流線上有兩個(gè)螺桿，分別用來固定引流線和主線，所以擰緊裝置需要擰緊四個(gè)螺桿，為了降低工具頭的重量，設(shè)計(jì)成一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)四個(gè)擰緊套筒同步旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)螺桿同步旋轉(zhuǎn)的方式，當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)擰緊套筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺桿向內(nèi)移動(dòng)夾緊引流線和穿刺主線。

擰緊裝置包括擰緊電機(jī)、傳動(dòng)軸、齒輪傳動(dòng)裝置、擰緊套筒。擰緊電機(jī)的動(dòng)力經(jīng)傳動(dòng)軸、主動(dòng)齒輪、從動(dòng)齒輪傳遞至擰緊套筒，引流器的力矩螺母套在擰緊套筒內(nèi)，擰緊套筒旋轉(zhuǎn)將引流器上的力矩螺母擰斷，擰緊電機(jī)采用大傳動(dòng)比直流電機(jī)，其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)80Nm。

2.2.4 連接架體

包括前端的支撐架、中部的齒輪箱、后端的連接筒，支撐架上設(shè)有安裝卡緊氣缸的安裝座、安裝引流器的引流器安裝座以及安裝主抓手、輔助抓手的支座。為了減輕重量，其材料均為鋁合金，齒輪箱采用鋁合金材料加工而成，用于安裝齒輪傳動(dòng)裝置中的各級齒輪。連接筒連接齒輪箱和機(jī)械臂，將工具頭的重量及所受的負(fù)載傳遞至機(jī)械臂上。

2.3 機(jī)械臂

引流線未搭接前，引流線的一端固定在輸電塔的接線柱上，另一端自由垂落。由于是人工將引流線的一端固定在接線柱上，引流線的姿態(tài)和位置是在一個(gè)范圍內(nèi)是隨機(jī)出現(xiàn)。為了方便工具頭能夠輕松地到達(dá)抓取引流線的位置，工具頭需要較高的自由度以調(diào)整最佳姿態(tài)達(dá)到在較大范圍內(nèi)抓取引流線的效果。因此，我們的機(jī)械臂選擇采用六軸協(xié)作機(jī)器臂，具有六個(gè)自由度，既可以姿態(tài)控制，又可以單獨(dú)控制每個(gè)軸，可以很靈活地對工具頭的位置及姿態(tài)進(jìn)行操作。機(jī)械臂最大負(fù)載為16kg，最大臂展為1m，自重為38kg。

2.4 平移裝置

帶電作業(yè)機(jī)器人安裝在高空作業(yè)平臺(tái)上，帶電作業(yè)機(jī)器人的重量要在高空作業(yè)平臺(tái)能承受的范圍之內(nèi)。要想盡量地降低帶電作業(yè)機(jī)器人的重量，就需要降低機(jī)械臂自身的重量，同時(shí)機(jī)器臂要承受工具頭的重量以及在搭接過程中引流線對工具頭的摩擦力和拉扯力，機(jī)器臂只能犧牲臂展來滿足承載和重量限制要求。因此為了擴(kuò)大工具頭的運(yùn)動(dòng)范圍，在機(jī)器臂的底座上增加一個(gè)平移裝置，使機(jī)器臂整體移動(dòng)，擴(kuò)大工具頭對引流線的抓取范圍和對主線的搭接范圍。

平移裝置安裝在機(jī)架上，由絲杠模組和機(jī)械臂安裝座組成，機(jī)械臂安裝在機(jī)械臂安裝座上，可以在絲杠模組的驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行整體平移，擴(kuò)大了機(jī)械臂及工具頭的活動(dòng)范圍，降低了搭接過程的操作難度。

2.5 剪線裝置

剪線裝置安裝在機(jī)架的一側(cè)，包括電動(dòng)線纜剪、位姿調(diào)節(jié)裝置，電動(dòng)線纜剪包括靜刀片、動(dòng)刀片、電機(jī)、小齒輪。靜刀片、動(dòng)刀片采用合金鋼刀片，靜刀片、動(dòng)刀片的內(nèi)側(cè)為刀口，剪切鋒利，動(dòng)刀片外側(cè)有齒，和小齒輪相嚙合，電機(jī)驅(qū)動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)刀片繞靜刀片旋轉(zhuǎn)，借助兩個(gè)齒輪的嚙合傳動(dòng)，以帶動(dòng)動(dòng)刀片的刀口向靜刀片的刀口推進(jìn)，使動(dòng)刀片與靜刀片的刀口所形成的圓形部漸次縮小，以達(dá)到剪切的目的，從而切斷刀口中的線纜。位姿調(diào)節(jié)裝置包括移動(dòng)裝置和角度調(diào)節(jié)裝置，移動(dòng)裝置用來調(diào)節(jié)電動(dòng)線纜剪的位置，角度調(diào)節(jié)裝置用來調(diào)節(jié)電動(dòng)線纜剪的傾斜角度，使引流線的末端更方便地進(jìn)入由靜刀片和動(dòng)刀片封閉的刀口中。

2.6 動(dòng)力及控制系統(tǒng)

動(dòng)力系統(tǒng)包括電源、空壓機(jī)，電源采用48V 的鋰電池供電，電量可維持滿負(fù)載下帶電作業(yè)機(jī)器人工作2～3h，空壓機(jī)由電源供電，提供各氣缸動(dòng)作所需要的壓縮空氣。

控制系統(tǒng)包括工控機(jī)、機(jī)械臂控制系統(tǒng)、PLC 控制系統(tǒng)和信號傳輸系統(tǒng)。

2.7 傳感系統(tǒng)

傳感系統(tǒng)包括距離檢測模塊、視覺模塊、電量檢測模塊、溫度檢測模塊，距離檢測模塊采用超聲距離傳感器，安裝在工具頭前端，用于檢測帶電作業(yè)機(jī)器人工具頭離異電位的距離。當(dāng)此距離小于警告距離時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出警告，避免帶電作業(yè)機(jī)器人離異電位過近導(dǎo)致放電，從而產(chǎn)生危險(xiǎn)。視覺模塊主要包括4 個(gè)攝像頭和照明燈，其中有2 個(gè)攝像頭布置在工具頭前端，用于觀察引流線入引流器的情況以及引流器穿刺主線的情況。另外2 個(gè)攝像頭安裝在機(jī)架上，一個(gè)用于觀察引流線、主線的位置和機(jī)架臂的狀態(tài)，一個(gè)用于觀察剪線裝置的位姿以及引流線末端入剪線裝置刀口的情況。照明燈用于光線不佳時(shí)對環(huán)境光線的加強(qiáng)，電量檢測模塊用于檢測電池的電量，當(dāng)電量低于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警，避免由于電量不足沒有完成搭接任務(wù)而不能收回帶電作業(yè)機(jī)器人的情況。溫度檢測模塊用于檢測絕緣斗內(nèi)的溫度，當(dāng)溫度過高時(shí)進(jìn)行報(bào)警，并自動(dòng)開啟散熱風(fēng)扇。

2.8 機(jī)架

機(jī)架采用鋁型材拼接而成，主要起支撐和固定其他部件的作用。

3 高壓絕緣設(shè)計(jì)

單臂帶電作業(yè)機(jī)器人能進(jìn)行引流線搭接帶電作業(yè)的關(guān)鍵在于具備良好的高壓絕緣性能，單臂帶電作業(yè)機(jī)器人采用四級絕緣設(shè)計(jì)，第一級為工具頭的絕緣，第二級為機(jī)械臂的絕緣，第三級為帶電作業(yè)機(jī)器人與高空作業(yè)車的絕緣，第四級為無線遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制上的絕緣。

（1）工具頭的絕緣包括工具頭與機(jī)械臂的絕緣、擰緊電機(jī)與工具頭的絕緣、動(dòng)力系統(tǒng)與工具頭的絕緣。

工具頭上連接架體中的連接筒與機(jī)械臂的末端相連接，其材質(zhì)采用玻璃纖維，玻璃纖維是一種機(jī)械強(qiáng)度高的絕緣材料，強(qiáng)度高、絕緣性能好，可有效實(shí)現(xiàn)工具頭與機(jī)械臂之間的絕緣。

擰緊電機(jī)與工具頭的絕緣采取的方案是傳動(dòng)路線中傳動(dòng)軸的材質(zhì)采用玻璃纖維，既能滿足傳遞動(dòng)力所需的強(qiáng)度，又能有效的使電機(jī)與工具頭接觸帶電線路的部分相絕緣，避免高壓電擊壞擰緊電機(jī)。

工具頭上其他的動(dòng)作元件所需的動(dòng)力系統(tǒng)采用氣動(dòng)系統(tǒng)，例如主抓手氣缸、輔助抓手氣缸、卡緊氣缸。由于空氣的導(dǎo)電性差，因此選用空氣作為動(dòng)力傳遞介質(zhì)可實(shí)現(xiàn)在動(dòng)力傳遞路徑上的有效絕緣。

（2）機(jī)械臂的絕緣包括機(jī)械臂表面涂有絕緣漆并覆有絕緣膜，絕緣膜采用疏水材料制作，可有效避免水積留在機(jī)械臂上導(dǎo)致的導(dǎo)電。

（3）帶電作業(yè)機(jī)器人與高空作業(yè)車的絕緣是在兩者之間采用絕緣斗絕緣，帶電作業(yè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)放置在絕緣斗中，并進(jìn)行有效的防水。

（4）控制上采用無線遙控技術(shù)，可以避免控制線路上的物理連接，達(dá)到絕緣的效果。

綜合上述四級絕緣設(shè)計(jì)，單臂帶電作業(yè)機(jī)器人具備良好的高壓絕緣性能，確保帶電作業(yè)時(shí)的安全。

4 搭接流程

單臂帶電作業(yè)機(jī)器人進(jìn)行引流線搭接作業(yè)包括以下步驟。

（1）設(shè)備啟動(dòng)，操作人員安裝引流器到工具頭上，卡緊氣缸驅(qū)動(dòng)卡緊塊卡緊引流器，操作人員控制高空作業(yè)車將單臂帶電作業(yè)機(jī)器人舉升到待搭接的引流線附近的適當(dāng)位置。

（2）啟動(dòng)帶電作業(yè)機(jī)器人控制程序，機(jī)械臂自動(dòng)運(yùn)行到預(yù)設(shè)的抓取位置和抓取姿態(tài)，此時(shí)工具頭的抓手裝置運(yùn)動(dòng)到待搭接的引流線的附近。

（3）手動(dòng)遠(yuǎn)程操作機(jī)械臂，精確調(diào)整機(jī)械臂的位姿，使引流線進(jìn)入輔助抓手可抓取的范圍。

（4）遠(yuǎn)程操作輔助抓手動(dòng)作，使引流線進(jìn)入輔助抓手、引流器、支座所圍成的封閉空間內(nèi)，引流線只能在此空間內(nèi)沿引流線的長度方向滑動(dòng)。

（5）機(jī)械臂自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到設(shè)定好的剪線位置，此過程中引流線在封閉空間滑動(dòng)，此時(shí)引流線的末端位于電動(dòng)線纜剪的附近，調(diào)節(jié)電動(dòng)線纜剪的位置和姿態(tài)到合適位姿，手動(dòng)遠(yuǎn)程操作機(jī)械臂使引流線的末端進(jìn)入電動(dòng)線纜剪中的剪刀口內(nèi)，到達(dá)合適長度后，運(yùn)行電動(dòng)線纜剪，使引流線過長的部分剪斷。

（6）機(jī)械臂自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到設(shè)定好的搭線位置，此時(shí)引流器位于待搭接的主線位置，控制平移裝置使引流線沿主線方向在封閉空間滑動(dòng)，調(diào)整引流線剝線部分離抓手側(cè)邊的距離，也就是使引流線剝線部分離引流器的距離在規(guī)定的范圍內(nèi)，控制主抓手動(dòng)作使引流線卡入引流器的弧形卡槽內(nèi)并由主抓手卡緊。

（7）手動(dòng)遠(yuǎn)程操作機(jī)械臂的各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)，精確調(diào)整機(jī)械臂的位姿，使引流器的穿刺卡口卡入主線上，控制擰緊電機(jī)動(dòng)作帶動(dòng)擰緊套筒旋轉(zhuǎn)擰緊引流器的力矩螺母，實(shí)現(xiàn)穿刺主線，使引流線和主線相連通。當(dāng)擰緊力矩達(dá)到力矩螺母所能承受的最大力矩時(shí)，力矩螺母破壞，從而達(dá)到了定力矩?cái)Q緊的要求。

（8）所有的力矩螺母擰斷后，卡緊氣缸驅(qū)動(dòng)卡緊塊松開引流器，松開主抓手和輔助抓手，操作機(jī)械臂帶動(dòng)工具頭往下移，引流器從工具頭上脫開，從而引流器搭接工作完成。機(jī)械臂根據(jù)設(shè)定程序及關(guān)鍵點(diǎn)的位姿自動(dòng)運(yùn)動(dòng)到設(shè)定好的起點(diǎn)位置，進(jìn)行下一相引流線的搭接。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的單臂帶電作業(yè)機(jī)器人，可以替代人工搭接引流線的作業(yè)，避免人工搭接引流線發(fā)生觸電事故的風(fēng)險(xiǎn)，工具頭抓取范圍大，可有效降低機(jī)械臂的精度要求，采用單臂大負(fù)載和大臂展的機(jī)械臂，降低了控制難度和產(chǎn)品成本，對我國帶電作業(yè)機(jī)器人的推廣應(yīng)用有著重要意義。