輸電線帶電作業(yè)機械臂末端位姿誤差補償方法研究

張宏偉，葉高呈，鄒德華，江 維

輸電線帶電作業(yè)機械臂末端位姿誤差補償方法研究

張宏偉1，葉高呈1，鄒德華2，江 維*1

（1.武漢紡織大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，湖北 武漢 430200；2.智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備（機器人）湖南省重點實驗室（國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓輸電公司），湖南 長沙 420100）

輸電線路帶電作業(yè)機械臂輔助并代替人工進行線路檢修作業(yè)與維護，具有廣闊的應(yīng)用前景。但自身與外部擾動等多重因素會使得機械臂末端位姿存在一定偏差，直接影響作業(yè)對象定位精度，為了提升機械臂末端在作業(yè)過程中的位姿精度，并使得機械臂能夠自適應(yīng)補償擾動帶來的影響，本文首先建立了機械臂作業(yè)過程的運動學(xué)模型，基于該運動學(xué)模型建立了機械臂關(guān)節(jié)連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角存在攝動時的末端位姿誤差數(shù)學(xué)模型，在上述基礎(chǔ)上提出了一種機器人機械臂末端位姿誤差補償方法，并通過仿真實驗驗證了誤差模型和補償方法的有效性。最后，在帶電線路上，以機械臂實現(xiàn)輸電線路引流板螺栓緊固為例進行了檢修作業(yè)，試驗驗證了本文所提出的機械臂末端位姿誤差補償方法的工程實用性，本文的研究對于輸電線路智能運維管理具有重要理論意義和實際應(yīng)用價值。

輸電線路；機器人；機械臂；位姿誤差；補償方法

0 引言

輸電線路帶電作業(yè)機器人[1-4]輔助甚至替代人工進行輸電線路檢修維護作業(yè)，對于提高作業(yè)效率，減輕人員勞動強度，降低作業(yè)安全和風險具有重要作用和較好的應(yīng)用前景。輸電線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，線路金具眾多，每一個部件的故障都會影響輸電線路的安全穩(wěn)定運行，最常見的檢修作業(yè)有絕緣子串更換[5-6]，防震錘更換[7-8]，間隔棒更換[9-10]，引流板緊固[11-12]等，通過分析各類輸電線路檢修作業(yè)，其具有一個共同的特點就是作業(yè)過程都是通過機械臂搭載作業(yè)末端通過各關(guān)節(jié)的協(xié)同運動逐漸接近、定位直至捕捉到作業(yè)對象，特別是作業(yè)對象中的具有代表性的連接件，比如防震錘、間隔棒、引流板上的螺栓和絕緣子串中的W銷和R銷等，在末端捕捉作業(yè)對象過程中有兩大類因素會造成末端在空間坐標系中的位姿產(chǎn)生偏差，其一，系統(tǒng)誤差[13-15]，該誤差是在機器人系統(tǒng)理論設(shè)計與實際機器人系統(tǒng)組裝中產(chǎn)生的連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角偏差，這種客觀存在的偏差一般可以通過人工經(jīng)驗盡可能地消除，其二，隨機誤差[16-18]該誤差是機械臂作業(yè)過程中外部隨機干擾因素造成的機械臂末端位姿產(chǎn)生的偏差，如風載荷造成的機械臂和末端的搖擺等隨機因素也會造成末端在空間中的位姿坐標發(fā)生誤差，末端空間位姿誤差直接影響末端對于作業(yè)對象的定位[19-20]，特別是螺栓等連接件，其對于末端定位要求較高，微小的位姿偏差會造成末端套筒與螺栓之間無法精準對接，甚至可能造成作業(yè)失敗?；谏鲜龇治觯M可能地減小系統(tǒng)誤差和盡可能地適應(yīng)外部環(huán)境產(chǎn)生的隨機誤差，實現(xiàn)機械臂末端位姿的自補償是解決機械臂末端位姿精準性和作業(yè)對象定位捕捉技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸問題。

綜上所述，本文提出了一種輸電線路帶電作業(yè)機械臂的末端位姿補償方法，首先，通過對作業(yè)過程的分析，建立作業(yè)機械臂的運動學(xué)模型，推導(dǎo)出機械臂末端位姿相對于各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動參數(shù)的理論模型，然后引入擾動因素并結(jié)合已有的運動學(xué)模型，推導(dǎo)出隨機擾動作用下末端位姿誤差模型，基于該模型提出機械臂的末端位姿補償方法，并通過相關(guān)運動學(xué)計算和仿真驗證位姿補償算法的有效性，最后，以實際帶電線路上的引流板螺栓緊固作業(yè)為例通過風載荷產(chǎn)生隨機末端位姿誤差，機器人機械臂及其末端帶電現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境下實現(xiàn)引流板的擰緊作業(yè)，從而驗證本文所提出方法的工程實用性。本文的研究對于增強機械臂對野外復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)性及輸電線路安全、穩(wěn)定、智能運維管理具有重要理論意義和實際應(yīng)用價值。

1 機械臂機構(gòu)構(gòu)型與運動學(xué)建模

1.1 機械臂機構(gòu)構(gòu)型

以輸電線路螺栓緊固作業(yè)檢修機器人的作業(yè)臂為研究對象進行單獨分析末端套筒位姿與關(guān)節(jié)連桿的參數(shù)關(guān)系，其作業(yè)臂包括底部基座、伸縮臂一、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、伸縮臂二、擰螺栓機構(gòu)和攝像探頭共六個部分。底部基座安裝在機器人機體上，支撐整個機械臂的作業(yè)動作，伸縮臂一與底座相連，可讓機械臂整體上升使其末端擰螺栓機構(gòu)處于螺栓的上方。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)位于伸縮臂一和伸縮臂二的中間，可繞其中心旋轉(zhuǎn)，使其末端對應(yīng)其作業(yè)位置。伸縮臂二處于最上方，其一端有末端擰螺栓機構(gòu)。其機械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 機械臂結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 機械臂運動學(xué)建模

利用D-H模型法是當前應(yīng)用最為廣泛的運動學(xué)建模方法，其基本原理是首先根據(jù)連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角確定各關(guān)節(jié)之間的齊次變換矩陣，然后通過齊次變換矩陣的疊乘得到機械臂末端空間位姿與各關(guān)節(jié)參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。由前述分析可知該機械臂共有三個自由度，其中包括兩個伸縮關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。運用D-H表示法，首先要為每個關(guān)節(jié)指定一個坐標系，即為每個關(guān)節(jié)指定一個z軸和一個x軸，一般不用特定y軸，其中z軸為每個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)按右手法則旋轉(zhuǎn)的方向和每個伸縮關(guān)節(jié)沿直線運動的方向。而xi軸則為zi-1和zi軸之間的公垂線。由上述方法建立該機械臂的D-H模型如圖2所示。依據(jù)圖2所示的D-H模型可將該機械臂的連桿基本參數(shù)表示為表1。

圖2 機械臂的運動學(xué)模型

表1 機械臂的連桿參數(shù)

將機械臂正運動學(xué)方程聯(lián)立，得到機械臂基座（0坐標系所在位置）和末端之間總變換為式（2）。

機械臂的運動學(xué)模型的研究最關(guān)鍵的是運動學(xué)逆解，正是有了運動學(xué)逆解才能確定各個關(guān)節(jié)的坐標參數(shù)從而使機器人達到期望位姿，將式（2）的期望位姿表示為式（3）。

將式（2）和式（4）聯(lián)立并化簡求得式（5）。

將式（6）簡化為分式可得為機械臂位姿逆解如式（7）所示。

2 機械臂末端位姿誤差建模

機器人末端執(zhí)行器的位姿誤差可由生產(chǎn)加工安裝偏差和齒輪傳動損壞偏差等多重因素共同決定。而利用D-H法建立的機械臂運動學(xué)模型其軸線互相平行的相鄰關(guān)節(jié)坐標系確定的參考點為零。實際生產(chǎn)制造的機械臂中存在著微小偏差，而這種微小偏差的影響對實際作業(yè)過程是巨大的。機械臂位姿誤差分析是以所建立的運動學(xué)模型為基礎(chǔ)，通過圖2對機械臂所建立的D-H坐標系，為便于機器人位姿誤差的計算，現(xiàn)將機械臂的位置和姿態(tài)用向量X來表示，如式（8）所示：

而機械臂末端姿態(tài)誤差可表示為式（11）：

表2 誤差參數(shù)下的機械臂連桿參數(shù)

其中各參數(shù)計算形式如式（15）所示。

3 機械臂末端位姿誤差補償方法

3.1 誤差攝動補償法的基本理論

圖3 誤差攝動補償法原理圖

3.2 末端位姿誤差補償?shù)倪^程

4 末端位姿誤差補償?shù)姆抡鎸嶒?/h2>

結(jié)合表2的機械臂連桿誤差參數(shù)，可求得在四個關(guān)節(jié)變量的輸入下，機械臂的位姿誤差如式（21）所示：

表3 機械臂末端補償前后數(shù)據(jù)

圖4 機械臂末端位姿誤差補償前后對比

由圖4仿真結(jié)果可以看出，機械臂末端補償前最小位姿誤差約為3mm，最大誤差約為8mm，而經(jīng)過該誤差攝動補償方法后，該機械臂末端的位姿誤差約為0.3mm，相比之前的誤差最大縮小了10%，驗證了本文所提出的機械臂位姿誤差補償方法的有效性，大幅提高機械臂末端的定位精度，證明了該誤差攝動補償方法的可行性。

5 輸電線路機械臂螺栓緊固現(xiàn)場作業(yè)試驗

為驗證機械臂末端位姿誤差補償方法的工程實用性，選取實際帶電線路環(huán)境下的單導(dǎo)線引流板螺栓緊固為應(yīng)用對象。在國網(wǎng)湖南省帶電作業(yè)中心的培訓(xùn)線路上進行機械臂末端位姿補償和引流板螺栓的對準捕捉與定位。輸電線路桿塔塔型為SDN31-18，輸電導(dǎo)線型號為LGB20A-95/55，機器人上線后在實際帶電作業(yè)環(huán)境下受到野外隨機風載荷的干擾，機械臂末端發(fā)生了一定的偏轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了一定的位姿誤差，但是通過機器人軟件系統(tǒng)自主調(diào)用末端位姿誤差自補償線程，機器人末端能夠自主補償誤差達到自我糾偏，在野外復(fù)雜環(huán)境下機器人末端套筒能夠克服位姿誤差自主實現(xiàn)螺栓頭的捕捉與對接，較好的完成了輸電線路引流板螺栓緊固作業(yè)任務(wù)，其末端套筒實現(xiàn)螺栓的對準對接過程作業(yè)現(xiàn)場和作業(yè)過程如圖5所示。

圖5 引流板螺栓緊固作業(yè)現(xiàn)場試驗圖

6 結(jié)論

（1）本文基于機械臂運動學(xué)模型研究了關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角存在攝動時的末端位姿誤差數(shù)學(xué)模型，提出了一種機器人機械臂末端位姿誤差補償方法，并通過仿真實驗，通過該方法姿態(tài)誤差補償后，機械臂末端綜合誤差減少了10%，驗證了本文提出的誤差模型和補償方法的有效性。

（2）本文在輸電線路上進行了引流板螺栓緊固作業(yè)試驗，試驗結(jié)果表明，本文提出的機械臂末端位姿誤差補償方法能夠適用于在野外風載荷下的機械臂末端自主實現(xiàn)螺栓頭的捕捉與對接任務(wù)。本文的研究對于輸電線路智能運維管理具有重要理論意義和實際應(yīng)用價值。

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Research on the Compensation Method of the End Posture Error for Live Working Manipulator on Transmission Line

ZHANG Hong-wei1, YE Gao-cheng, ZOU De-hua2, JIANG Wei1

(1. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China；2. State Grid Hunan EHV Transmission Company, Changsha Hunan 420100, China)

Power transmission line live-work robot arm assists and replaces manual line inspection and maintenance. It has broad application prospects. However, multiple factors such as the robot arm itself and external disturbance will make the robot arm end position deviation, which directly affects the positioning accuracy of the work object, to improve the position accuracy of the robot arm end in the operation process and make the robot arm can adapt and compensate the impact of disturbance. In this paper, the kinematics model of the manipulator's work process is first established, based on the motion a mathematical model of the end posture error of the robot arm’s joint link parameters and joint angle perturbation is established based on the scientific model. Based on the above, a method for compensating the end posture error of the robot manipulator is proposed, and the error is verified by simulation experiments. The effectiveness of the model and the compensation method. Finally, on the line with wires, the robot arm is used to realize the bolt fastening of the transmission line guide plate as an example. The test verifies the engineering of the robot arm end posture error compensation method proposed in this paper. Practicability, the research in this paper has important theoretical significance and practical application value for the intelligent operation and maintenance management of transmission lines.

power transmission line; robot; manipulator; posture error; compensation method

江維（1983-），男，博士研究生，研究方向：電力機器人.

智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備（機器人）湖南省重點實驗室2021年開放基金（NO:2021KZD2001）.

TP241

A

2095－414X(2022)05－0051－07