賈永剛，程志勇，郭 銳，李 勇，欒貽青

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南 250001）

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航空標(biāo)志球裝置及裝卸機(jī)器人系統(tǒng)研究

賈永剛1，2，程志勇1，2，郭 銳1，李 勇3，欒貽青2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250002；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101；3.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，濟(jì)南 250001）

摘 要：針對(duì)架空輸電線路航空標(biāo)志球裝卸的需要，設(shè)計(jì)了航空標(biāo)志球裝卸機(jī)器人系統(tǒng)及適合機(jī)器人裝卸的航空標(biāo)志球裝置。機(jī)器人系統(tǒng)包括線上行走機(jī)器人機(jī)械本體、機(jī)載控制系統(tǒng)及地面遙控系統(tǒng)。機(jī)械本體設(shè)計(jì)輕巧，機(jī)載控制系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)方法，地面控制站與機(jī)器人本體采用無(wú)線通信形式。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)，可高效地實(shí)現(xiàn)架空輸電線路航空標(biāo)志球的裝卸作業(yè)。

關(guān)鍵詞：架空輸電線路；航空標(biāo)志球；機(jī)器人；安裝和拆除；無(wú)線通訊

0　引言

架空輸電線路對(duì)日常生活、工農(nóng)業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展起著關(guān)鍵性作用，在輸送電能的同時(shí)也帶來(lái)了危險(xiǎn)和事故隱患，因此，在架空輸電線路上懸掛警示裝置具有廣泛的工程價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。航空標(biāo)志球作為普遍的航空警示裝置已被廣泛應(yīng)用在在飛機(jī)場(chǎng)附近，跨越鐵路、河流、山谷等架空輸電線路上，無(wú)航空標(biāo)志導(dǎo)航的輸電線路已經(jīng)引發(fā)了嚴(yán)重事故。

國(guó)內(nèi)外都有輸電線路警示裝置的研究和產(chǎn)品［1，2］，作為安全標(biāo)識(shí)大多安裝在架空地線、架空導(dǎo)線或桿塔上?，F(xiàn)有航空標(biāo)志球的安裝需要在停電的情況下人工完成，屬于高空作業(yè)，施工極為不便，且具有一定的危險(xiǎn)性。機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展為輸電線路警示裝置的安裝提供了新的平臺(tái)。但架空輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人技術(shù)研究主要集中在巡線機(jī)器人［3～6］、絕緣子串檢測(cè)機(jī)器人［7，8］、除冰機(jī)器人［9，10］及斷股修補(bǔ)［11］作業(yè)機(jī)器人等方面，在輸電線路上懸掛警示球也有相應(yīng)的機(jī)器人［12］，國(guó)內(nèi)還未出現(xiàn)航空標(biāo)志球裝卸機(jī)器人的報(bào)道和文獻(xiàn)。

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院聯(lián)合山東魯能智能技術(shù)有限公司研發(fā)了具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型航空標(biāo)志球裝置［13］，該裝置能夠適合機(jī)器人自動(dòng)裝卸。同時(shí)研發(fā)了航空標(biāo)志球裝卸機(jī)器人系統(tǒng)［14］，該機(jī)器人可以完成架空輸電線路航空標(biāo)志球自動(dòng)裝卸，避免了人工作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

1　航空標(biāo)志球裝置

一般情況下，航空標(biāo)志球安裝在架空地線或OPGW線纜上，航空標(biāo)志球每間隔30m安裝一個(gè)，高壓輸電線路兩桿塔間距大都在400m～500m之間，兩桿塔最大間距高達(dá)上千米?，F(xiàn)有的航空標(biāo)志球多采用上下兩薄殼半球體扣合，通過(guò)四螺栓鎖緊與上下半球連接的線夾將球體安裝在線纜上。國(guó)內(nèi)航空標(biāo)志球多采用人工安裝方式，特別是在已架設(shè)的高壓輸電線路上安裝航空標(biāo)志球，安裝難度大，危險(xiǎn)性高。

針對(duì)上述缺點(diǎn)提出了一種適合機(jī)器人裝卸的航空標(biāo)志球，該航空標(biāo)志球可以實(shí)現(xiàn)與航空標(biāo)志球機(jī)器人的對(duì)接，通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作完成航空標(biāo)志球的裝卸。航空標(biāo)志球由上下兩薄殼半球體、內(nèi)部連接裝置、旋轉(zhuǎn)接頭和夾持架組成。內(nèi)部連接裝置連接上下兩半球，主要由連接板、蝸桿機(jī)構(gòu)、絲杠螺母機(jī)構(gòu)、卡線槽、行走輪等結(jié)構(gòu)組成。

該航空標(biāo)志球的旋轉(zhuǎn)接頭與機(jī)器人對(duì)接，通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作完成機(jī)器人對(duì)航空標(biāo)志球的裝卸；旋轉(zhuǎn)接頭采用鉗口形機(jī)構(gòu)，解決了螺栓結(jié)構(gòu)精確對(duì)位的難題；兩薄殼半球體扣合后形成一個(gè)球體，采用球體外形起到防風(fēng)效果；連接裝置采用具有放松效果的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，避免了球體鎖緊后因外力作用產(chǎn)生的松動(dòng)；卡線槽內(nèi)設(shè)置橡膠襯墊，橡膠的壓縮彈性具有一定的放松效果，同時(shí)避免了鎖緊后因振動(dòng)等因素對(duì)架空線纜造成的磨損；航空標(biāo)志球內(nèi)部設(shè)置行走輪，方便機(jī)器人攜帶沿架空地線行走。

航空標(biāo)志球結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　航空標(biāo)志球

2　航空標(biāo)志球裝卸機(jī)器人系統(tǒng)

航空標(biāo)志球裝卸機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)載控制系統(tǒng)和地面站組成。

2.1機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)輕型的航空標(biāo)志球裝卸專用機(jī)器人，要求機(jī)器人具備沿地線平穩(wěn)行走，具備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，與航空標(biāo)志球裝置對(duì)接完成自動(dòng)裝卸航空標(biāo)志球裝任務(wù)。航標(biāo)球裝卸機(jī)器人主要由移動(dòng)本體、壓緊裝置和航空標(biāo)志球裝卸機(jī)構(gòu)組成。該機(jī)器人采用輪式小車行走機(jī)構(gòu)，能夠在架空線纜上平穩(wěn)行走；機(jī)器人的壓緊裝置可以防止機(jī)器人從線纜上跌落；機(jī)器人具有一定的爬坡能力，爬坡角度不小于20度；機(jī)器人具有視頻監(jiān)控功能，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)及航空標(biāo)志球裝卸情況。

航空標(biāo)志球裝卸機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　航空標(biāo)志球裝卸機(jī)器人

航空標(biāo)志球裝卸過(guò)程如下：

1）航空標(biāo)志球安裝：作業(yè)人員登上塔頂，將機(jī)器人和航空標(biāo)志球放置在桿塔一側(cè)，控制手抓抓住航空標(biāo)志球并完成對(duì)接，此時(shí)航空標(biāo)志球兩半球?yàn)榇蜷_狀態(tài)，控制機(jī)器人行走至航空標(biāo)志球安裝點(diǎn)，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)將航空標(biāo)志球鎖緊在線纜上，利用攝像頭實(shí)時(shí)觀測(cè)航空標(biāo)志球安裝情況，完成安裝后機(jī)器人行駛回桿塔處。

2）拆卸航空標(biāo)志球：作業(yè)人員登上塔頂，將機(jī)器人放置在航空標(biāo)志球安裝側(cè)，控制機(jī)器人沿線纜行走至航空標(biāo)志球安裝處，通過(guò)攝像頭觀察完成與航空標(biāo)志球的對(duì)接，啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)解除航空標(biāo)志球鎖緊狀態(tài)，拖回航空標(biāo)志球至桿塔側(cè)。

2.2機(jī)載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）硬件設(shè)計(jì)

航空標(biāo)志球裝卸機(jī)器人控制系統(tǒng)由遙控器和機(jī)載控制系統(tǒng)組成，機(jī)載控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。無(wú)線通信模塊AC4490接收來(lái)之遙控器的控制指令，通過(guò)UART接口與控制器連接。其主要參數(shù)：工作電壓3.3V～5.5V，調(diào)制方式FHSS FSK，工作頻率902MHz～928MHz，輸出功率5mW～200mW，接收靈敏度-110dB，傳輸距離6.5km?？刂破鬟x用STM32F103ZET6，該芯片為100腳TQFP封裝，3.3V供電，具有豐富的外設(shè)資源和IO口?？刂破鹘馕鯝C4490傳來(lái)的指令控制機(jī)器人相應(yīng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)航空標(biāo)志球的裝卸。

圖3　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

航標(biāo)球機(jī)器人的動(dòng)作分別是由行走電機(jī)、工具電機(jī)、手爪電機(jī)等三個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)完成。行走電機(jī)需要比較精確的速度控制，使用MAXON 150W/24V電機(jī)并配合AMC驅(qū)動(dòng)器模塊DZRALTE020L080，該方案驅(qū)動(dòng)器連續(xù)輸出電流可達(dá)12A，采用PWM加方向的控制方式。電機(jī)編碼器為500線，經(jīng)4倍頻，電機(jī)選擇一周可得到2000個(gè)脈沖?？刂破魍ㄟ^(guò)采集編碼器信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人行駛距離的閉環(huán)控制。

2）軟件設(shè)計(jì)

航標(biāo)球機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)功能劃分為五個(gè)模塊，分別為控制命令接收、解析模塊；行走電機(jī)控制模塊；工具電機(jī)控制模塊；手爪電機(jī)控制模塊；編碼器采集處理模塊。

（1）控制命令接收、解析模塊接口函數(shù)：void ControlFun（void）

函數(shù)說(shuō)明：通過(guò)USART2接收無(wú)線通訊模塊AC4490的控制命令，控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，采用中斷方式。UART2 配置為：串口波特率：38400bit/s；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度：8bit；無(wú)校驗(yàn)。串口接收到新的有效命令后，將命令寫入命令緩沖區(qū)。通過(guò)該接口函數(shù)查詢緩沖區(qū)新的有效命令，當(dāng)檢測(cè)到命令緩沖區(qū)有新的命令時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行命令解析，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制。

（2）行走電機(jī)控制模塊

接口函數(shù)如下：void RobotMove（int16_t speed）

函數(shù)說(shuō)明：設(shè)置機(jī)器人行走的速度，速度值范圍為-100～100，代表了設(shè)置速度與額定轉(zhuǎn)速的百分比。

（3）工具電機(jī)控制模塊

接口函數(shù)如下：void ToolMove（int16_t speed）

函數(shù)說(shuō)明：設(shè)置工具電機(jī)的速度，速度值范圍為-100～100，代表了設(shè)置速度與最高轉(zhuǎn)速（3500r/min）的百分比。

（4）手爪電機(jī)控制模塊

接口函數(shù)：void HandAuto（int8_t action）函數(shù)說(shuō)明：給定工具電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。

（5）編碼器采集處理模塊

接口函數(shù)：void GetEncoderCounter（uint16_t motor）

函數(shù)說(shuō)明：給定電機(jī)編號(hào)，自動(dòng)返回當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、累加距離以及相對(duì)距離等信息，并自動(dòng)存儲(chǔ)到當(dāng)前電機(jī)的緩沖區(qū)中。

2.3地面站設(shè)計(jì)

在外作業(yè)業(yè)時(shí)，地面操作人員手持遙控器給機(jī)器人發(fā)出各種指令控制機(jī)器人完成航標(biāo)球的裝卸。航空標(biāo)志球的安裝步驟依次為：1）將航空標(biāo)志球放置在地線上；2）將航空標(biāo)志球推送至指定位置；3）緊固航空標(biāo)志球。

航空標(biāo)志的拆卸步驟依次為：1）機(jī)器人到達(dá)指定位置；2）將航空標(biāo)志球擰松；3）將航空標(biāo)志球拖回到桿塔側(cè)。

為了便于實(shí)現(xiàn)航空標(biāo)志球裝卸過(guò)程中的每一個(gè)步驟。遙控器功能設(shè)計(jì)如圖4所示：其中，B0、B1、B2為開關(guān)B的三個(gè)檔位，VA、VB為旋鈕，C0、C1為開關(guān)C的兩個(gè)檔位，E0、E1為開關(guān)E的兩個(gè)檔位。

圖4　遙控器控制流程圖

航標(biāo)球機(jī)器人前端裝有微型高清攝像頭，機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中線路、航空標(biāo)志球以及機(jī)器人的狀態(tài)信息由COFD圖傳系統(tǒng)以圖像形式實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛婵刂贫?。操作者可以通過(guò)圖傳接收箱了解到當(dāng)前航標(biāo)球被推送至的位置及航空標(biāo)志球是否已經(jīng)安裝或拆卸完成。

3　航空標(biāo)志球裝卸實(shí)驗(yàn)

航空標(biāo)志球裝置和裝卸機(jī)器人系統(tǒng)研制成功后，在實(shí)驗(yàn)室線路上進(jìn)行反復(fù)模擬試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整和修改，機(jī)器人能夠完成航空標(biāo)志球裝卸任務(wù)。

機(jī)器人在山東電網(wǎng)華德線路上進(jìn)行了實(shí)際線路航空標(biāo)志球裝卸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人可以有效的完成航空標(biāo)志球裝卸作業(yè)，操作簡(jiǎn)單，安全可靠。

圖5　航空標(biāo)志球裝卸實(shí)驗(yàn)

4　結(jié)束語(yǔ)

本文研制了航空標(biāo)志球裝置及裝卸機(jī)器人系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了架空輸電線路機(jī)器人自動(dòng)裝卸航空標(biāo)志球作業(yè)。成功實(shí)現(xiàn)了架空輸電線路實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人裝卸航空標(biāo)志球具有自動(dòng)化程度高、準(zhǔn)確度高、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。

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Intelligent aircraft warning spheres device for over-head power transmission lines and robot for installation and removal

JIA Yong-gang1，2， CHENG Zhi-yong1，2， GUO Rui1， LI Yong3， LUAN Yi-qing2

中圖分類號(hào)：TP373

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134（2016）05-0037-04

收稿日期：2015-12-07

作者簡(jiǎn)介：賈永剛（1982 -），男，山東聊城人，碩士，研究方向?yàn)殡娏C(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)。