趙玉良，戚 暉，李 健，李運(yùn)廠

ZHAO Yu-liang1, QI Hui1, LI Jian2, LI Yun-chang2

(1.山東電力研究院，濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250002)

0 引言

為了提高帶電作業(yè)的自動化水平和安全性，減輕操作人員的勞動強(qiáng)度和強(qiáng)電磁場對操作人員的人身威脅，從80年代起許多國家都先后開展了帶電作業(yè)機(jī)器人的研究，如日本、西班牙、美國、加拿大、法國等國家先后開展了對帶電作業(yè)機(jī)器人的研究。2002年我國也進(jìn)行了高壓帶電作業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品化樣機(jī)的研制。針對目前我國10KV線路帶電作業(yè)工藝要求，以及作業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)，研制一臺能夠最大限度的滿足現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境要求的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人可以代替人工完成作業(yè)頻率較高的帶電斷線、帶電接線等作業(yè)任務(wù)，減輕作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，使作業(yè)人員與高壓電場完全隔離，最大限度的保證作業(yè)人員的安全。

1 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成

高壓帶電作業(yè)機(jī)器人作業(yè)時，作業(yè)人員在絕緣斗內(nèi)隨機(jī)器人升至線路附近，作業(yè)人員操控機(jī)器人主手遙控操作機(jī)器人從手進(jìn)行作業(yè)，機(jī)器人主手與從手之間控制信號由光纖進(jìn)行傳遞，保證了作業(yè)人員與高壓電場隔離。

如圖1所示，高壓帶電作業(yè)機(jī)器人按功能分為四個模塊。

1）主從操作機(jī)械臂

完成作業(yè)任務(wù)，將高壓電場與作業(yè)人員隔離。主從控制精度高、實(shí)時性好、持重大、自重小、性能穩(wěn)定可靠。

2）機(jī)器人專用升降系統(tǒng)

采用目前通用絕緣斗臂車改造，活動空間、絕緣等級參照國標(biāo)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。將機(jī)械臂運(yùn)送至線路作業(yè)位置。

3）工具系統(tǒng)

包括自動剝皮器、遙控電動扳手、自動斷線鉗、自動破螺母工具等專用工具。以及接引金具、遮蔽工具等。

4）絕緣防護(hù)系統(tǒng)

保證操作人員與高壓電場完全隔離。同時應(yīng)保證機(jī)器人對地絕緣、防止相間短路。

圖1 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)圖

2 主從式操作機(jī)械臂設(shè)計(jì)

如圖2所示，每個絕緣機(jī)械臂均包括液壓機(jī)械臂本體、機(jī)械臂供油裝置、液壓伺服驅(qū)動器、液壓伺服驅(qū)動器電源、光纖、手持終端、主手、主手控制單元、逆變器和電源。機(jī)械臂是一個基于微控制器的、電液設(shè)備。機(jī)械臂本體采用鋁合金和不銹鋼制造。機(jī)械臂的主手便于左手或右手操作。機(jī)械臂本體可以分為上臂和前臂兩個基本部分。上臂部分提供腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰和小臂俯仰的運(yùn)動。前臂部分提供腕部俯仰、腕部搖擺和腕部旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動。機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動通過7個液壓執(zhí)行器來執(zhí)行。每個執(zhí)行器通過一個液壓伺服閥來控制。為了減少輸油管線和機(jī)械臂的復(fù)雜度，所有液壓伺服閥被集成到機(jī)械臂的內(nèi)部。除了液壓伺服閥，還增加了減壓閥和電磁閥。電磁閥用來開關(guān)液壓源。由于增加了減壓閥，要求外部油液壓力不能超過3000PSI。標(biāo)準(zhǔn)主手是一個結(jié)構(gòu)緊湊，帶自平衡模塊的設(shè)備。主手和從手采用相同的結(jié)構(gòu)。主手和機(jī)械臂每個關(guān)節(jié)都安裝一個電位器，用來提供主手和機(jī)械臂的位置信息[1]。

圖2 主從式機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3 機(jī)器人專用升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最大作業(yè)高度19m，最大作業(yè)幅度14.4m，斗臂車最大推舉重量等于1200kg，為10Kv帶電作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)車，折疊式加伸縮式。斗臂車可以提供流量30 L/min 以上，壓力13.8MPa液壓動力，能夠滿足液壓機(jī)械臂作業(yè)的壓力與流量要求。廠家能夠進(jìn)行機(jī)器人作業(yè)平臺與絕緣斗臂車機(jī)械聯(lián)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工和安裝，完成整個機(jī)器人作業(yè)平臺鋼結(jié)構(gòu)底架玻璃鋼外包和機(jī)械臂絕緣外包和支撐。改造后絕緣斗臂車外形尺寸，不能超高（4.2m）、超寬（絕緣斗臂車寬度），行走過程中保證平穩(wěn)安全。高空作業(yè)時，機(jī)器人作業(yè)平臺可以實(shí)現(xiàn)空中180°旋轉(zhuǎn)，利于三相線路作業(yè)。

4 機(jī)器人工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人工具系統(tǒng)是一套創(chuàng)新型機(jī)器人工具系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中體現(xiàn)了機(jī)器人應(yīng)用的特點(diǎn)，工具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，以保證機(jī)器人及其工具設(shè)計(jì)的實(shí)用性。

如圖3所示，電動剝皮器主要由直流減速電機(jī)、曲柄、連桿、搖桿、棘爪、棘輪和刀頭等幾部分組成。系統(tǒng)特點(diǎn)如下：直流減速電機(jī)驅(qū)動曲柄，通過連桿帶動搖桿和棘爪一起運(yùn)動，棘爪撥動棘輪和刀頭完成刀具的圓周運(yùn)動。雙彈簧保證棘爪在傳動位置/開口位置保持同一姿態(tài)；工具軸向進(jìn)給力由機(jī)械臂提供；凸輪機(jī)構(gòu)將壓線與壓刀動作合二為一，由另一個機(jī)械手完成；工具采用無線遙控，嵌入式控制系統(tǒng)、控制工具正反轉(zhuǎn)，加減速；考慮工具瞬時過載，對電源要求較高，采用12V電動扳手電池，電路設(shè)計(jì)反接、過流保護(hù)；工具控制器與遙控電動扳手可互換，工具顏色與電動扳手基本一致，便于今后工具系列化[2]。

圖3 電動剝皮器原理圖

電動扳手、電動破螺母工具和電動斷線鉗是高壓帶電作業(yè)機(jī)器人重要的專用作業(yè)工具，其主要功能是安裝、拆卸需要檢修的高壓帶電作業(yè)絕緣子及其他接續(xù)工具。目前應(yīng)用的工具多是手動控制，為了適應(yīng)高壓帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的要求，研制了一套以Atmega128作為主控制器的新型無線控制工具，滿足了高壓帶電作業(yè)任務(wù)的要求[3]。

5 機(jī)器人絕緣防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對地絕緣，依靠絕緣斗臂車實(shí)現(xiàn)，絕緣斗臂車的絕緣臂采用玻璃纖維增強(qiáng)型環(huán)氧樹脂材料制成，繞制成圓柱形截面結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、電氣絕緣性能好、憎水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在帶電作業(yè)時為人體提供相對地之間絕緣防護(hù)；操作人員站在絕緣斗內(nèi)操控主手作業(yè)，操作人員與機(jī)械臂之間僅通過光纖通訊，操作人員完全與高壓電場隔離；在相-相之間，空氣間隙和絕緣平臺起主絕緣作用，絕緣遮蔽罩形成相間后備防護(hù)，因作業(yè)機(jī)械臂等電位作業(yè)，機(jī)械臂外包絕緣材料，形成最后一道防線，防止機(jī)械臂偶然觸及兩相導(dǎo)線造成短路；機(jī)械臂絕緣方法：玻璃鋼開模具，采用雙面玻璃鋼模模壓成型，內(nèi)外表面光滑，無毛刺，無氣泡，密實(shí)程度好；絕緣平臺布置如圖4所示，主要防止平臺作業(yè)時接觸導(dǎo)線造成相間短路，支架采用鋼材，外部采用玻璃鋼開模具，邊相采用絕緣遮蔽罩遮蔽[4]。

圖4 絕緣平臺布置圖

6 試驗(yàn)

6.1 絕緣機(jī)械臂試驗(yàn)

表1 機(jī)械臂絕緣試驗(yàn)

1）交流耐壓試驗(yàn)

兩絕緣機(jī)械臂交流耐壓試驗(yàn)加壓方法如圖5所示，一個機(jī)械臂末端施加工頻交流電壓，另外一個機(jī)械臂末端接地。施加的交流電壓值見表1。機(jī)械臂和平臺之間的交流耐壓試驗(yàn)如圖6所示，機(jī)械臂末端施加工頻交流電壓，平臺接地。施加的工頻交流電壓如表1所示。

圖5 兩機(jī)械臂交流耐壓試驗(yàn)

圖6 機(jī)械臂和平臺間交流耐壓試驗(yàn)

2）泄露電流試驗(yàn)

兩機(jī)械臂在進(jìn)行交流泄露試驗(yàn)時，其試驗(yàn)電極采用12.7mm的導(dǎo)電膠帶設(shè)置，施加的工頻交流電壓值及泄露值見表1，試驗(yàn)方法如圖7所示。機(jī)械臂和絕緣平臺之間進(jìn)行交流泄露試驗(yàn)時，其試驗(yàn)電極采用12.7mm的導(dǎo)電膠帶設(shè)置，施加的工頻交流電壓值及泄露值見表1，試驗(yàn)方法見圖8所示。

圖7 兩機(jī)械泄露電流試驗(yàn)

圖8 機(jī)械臂和平臺間泄露電流試驗(yàn)

6.2 絕緣平臺試驗(yàn)

表2 絕緣平臺外表面絕緣性能

絕緣平臺交流耐壓試驗(yàn)的加壓方法如圖9所示。在絕緣平臺的上下側(cè)貼錫箔紙，錫箔紙與平臺邊沿距離h不大于150mm。絕緣平臺在進(jìn)行交流泄露試驗(yàn)時，其試驗(yàn)電極采用12.7mm的導(dǎo)電膠帶設(shè)置，施加的工頻交流電壓值、沿面距離h及泄露值見表2，試驗(yàn)方法如圖10所示。絕緣平臺的表面應(yīng)平整、光潔、無凹坑、麻面現(xiàn)象、憎水。

圖9 絕緣平臺耐壓試驗(yàn)

7 結(jié)論

為了適應(yīng)10KV配電線路帶電作業(yè)的要求，研制了一臺能夠最大限度的滿足現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境要求的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行了交流耐壓試驗(yàn)和泄漏電流試驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)絕緣防護(hù)方法的可行性。在交流耐壓試驗(yàn)過程中沒有擊穿、閃絡(luò)和嚴(yán)重過熱現(xiàn)象發(fā)生。交流泄露電流試驗(yàn)的泄露電流都小于500μA。整個絕緣防護(hù)方法設(shè)計(jì)合理，防護(hù)性能可靠，操作簡單方便。工具系統(tǒng)采用無線遙控方式，可以代替人工完成作業(yè)頻率較高的帶電斷線、帶電接線等作業(yè)任務(wù)，減輕作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，使作業(yè)人員與高壓電場完全隔離，最大限度的保證作業(yè)人員的安全。具有很大的實(shí)用價(jià)值。

圖10 絕緣平臺交流耐壓試驗(yàn)

[1]孫迪生.機(jī)器人控制技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,1997.

[2]曾國華.可控扭矩電動扳手的設(shè)計(jì)[J].工具技術(shù),2002.36(5).

[3]李邦協(xié).實(shí)用電動工具手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社.2007.

[4]戚暉.高壓帶電作業(yè)機(jī)器人絕緣防護(hù)技術(shù)研究.[J]高電壓技術(shù),2003.