龔政雄, 牛 捷, 劉蘭蘭, 毛 盾 , 彭沙沙, 朱 偉, 江 維

(1.帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國家電網(wǎng)公司實(shí)驗(yàn)室(國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司)，長沙 410100；2.智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備(機(jī)器人)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司)，長沙 410100；3.武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院，武漢 430073)

隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，超高壓[1-2]、特高壓[3-4]輸電線路越來越成為骨架電網(wǎng)，但是架空輸電線路經(jīng)常受到臺風(fēng)、雷電、氣溫劇變等氣候變化的影響，在巨大的交變張力、振動引起的彎曲應(yīng)力和氣溫急劇變化引起的長期疲勞共同作用下[5-6]，導(dǎo)線、絕緣子、金具等線路部件容易發(fā)生機(jī)械損壞，嚴(yán)重威脅線路本身及其輸變電設(shè)備的安全運(yùn)行。帶電作業(yè)[7-10]作為輸電線路最直接、有效的檢修手段，可減少停電次數(shù)，提高供電的安全性和可靠性，應(yīng)用越來越廣泛。

輸電線路的高空帶電檢修是一項(xiàng)艱苦而危險(xiǎn)的工作，常見的引流板螺栓緊固[11-12]、銷釘和彈簧銷補(bǔ)裝[13-14]等工作都必須由作業(yè)人員登塔上線進(jìn)行等電位操作方可完成，勞動強(qiáng)度大、工作效率低、存在嚴(yán)重的人身安全隱患。目前已有輸電線路機(jī)器人替代或輔助人工進(jìn)行高壓線上防震錘更換、導(dǎo)線修補(bǔ)、線路巡視等不同作業(yè)的研究和探索，但是由于輸電線路機(jī)器人自身體積和重量的原因普遍存在上下線困難、作業(yè)功能單一、同時大多采用半自主作業(yè)的方式，機(jī)器人智能化程度低的諸多缺陷，使得它的推廣應(yīng)用受到嚴(yán)重限制。因此，如何解決機(jī)器人的自主上下線以及增強(qiáng)作業(yè)過程的自主性和智能性以提升機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)用化水平是當(dāng)前研究的關(guān)鍵和熱點(diǎn)問題。

近年來，隨著無人機(jī)(unmanned aerial vehicle,UAV)飛控技術(shù)快速迭代進(jìn)步，特別是大載荷多旋翼飛行器已具有垂直起降、自主導(dǎo)航及人工遙控、定點(diǎn)懸停、航線飛行等多種飛行模式，以及多種高精度傳感器和先進(jìn)的控制算法，飛行器的操作簡單實(shí)用。基于此，把大載荷多旋翼無人機(jī)與輸電帶電作業(yè)機(jī)器人相結(jié)合，充分利用各自作業(yè)上的優(yōu)勢，形成一種輸電線路大載荷無人機(jī)與帶電作業(yè)機(jī)器人智能協(xié)同系統(tǒng)，可以有效解決機(jī)器人煩瑣的上下線過程及作業(yè)過程的智能控制等機(jī)器人實(shí)用化的瓶頸問題，對于提升輸電線路現(xiàn)代化帶電作業(yè)水平和電網(wǎng)運(yùn)行能效及智能化具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

基于上述分析，綜合無人機(jī)和機(jī)器人作業(yè)各自的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種利用大荷載無人機(jī)搭載機(jī)器人上下線實(shí)現(xiàn)多分裂輸電線路引流板緊固檢修帶電作業(yè)新方法，通過機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)建模、作業(yè)空間仿真分析、作業(yè)運(yùn)動規(guī)劃驗(yàn)證機(jī)器人進(jìn)行輸電線引流板緊固的可行性和有效性，對于輸電線路安全、穩(wěn)定、智能運(yùn)維管理具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 引流板緊固作業(yè)環(huán)境分析

設(shè)計(jì)面向輸電線路引流板檢修機(jī)械臂，其工作環(huán)境是四分裂超高壓輸電導(dǎo)線，相比于單分裂輸電導(dǎo)線，分裂導(dǎo)線輸送電壓等級高、輸送距離遠(yuǎn)、輸電容量更大，并且分裂導(dǎo)線可減少電暈，減弱了無線電通信干擾。因此，中國目前主要采用分裂導(dǎo)線輸送電能，以提升輸電線路的傳輸能力與安全性，其中500 kV以上的輸電導(dǎo)線為四分裂超高壓輸電導(dǎo)線，如圖1所示。刮風(fēng)、雨雪和冰雹等自然環(huán)境因素會引起導(dǎo)線振動，造成防震錘移位和銹蝕、耐張線夾引流板螺栓松動，由于引流板之間接觸不實(shí)會造成電阻增大，使引流板溫度上升，接觸面的氧化作用增強(qiáng)，出現(xiàn)燒毀引流板的情況，發(fā)生斷線事故，而且電阻增大會造成大量電能損耗。因此，需要對輸電線路上的異常狀況進(jìn)行定期或不定期檢查并及時檢修，以保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象

2 基于無人機(jī)平臺和機(jī)器人的輸電線路檢修系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于無人機(jī)平臺和機(jī)器人的輸電線路檢修系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，主要分為無人機(jī)、機(jī)器人及聯(lián)接件。無人機(jī)用于搭載機(jī)器人上線，機(jī)器人完成作業(yè)后無人機(jī)又搭載其下線；機(jī)器人通過搭載機(jī)械臂、作業(yè)末端、控制箱等用于上線后在輸電線路上完成引流板螺栓緊固作業(yè)任務(wù)；聯(lián)接件主要包括磁鐵和絕緣桿，磁鐵位于絕緣桿的底端用于吸合機(jī)器人，絕緣桿的頂端位于無人機(jī)下方，由此而構(gòu)成了由無人機(jī)、絕緣桿、磁鐵、機(jī)器人、機(jī)械臂、作業(yè)末端等多位一體的輸電線路協(xié)同作業(yè)新模式。

圖2 無人機(jī)-機(jī)器人檢修平臺的系統(tǒng)構(gòu)成

2.2 無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無人機(jī)掛線平臺的工作過程分為兩個階段：①無人機(jī)掛載絕緣繩索升空，飛行至輸電線的高度；②無人機(jī)自動識別輸電線，并穿越輸電線的上空，實(shí)現(xiàn)絕緣繩掛在輸電線上。無人機(jī)需要完成的任務(wù)有：飛行過程中自動識別輸電線，計(jì)算自身與輸電線之間的空間位置關(guān)系、計(jì)算無人機(jī)飛行路徑，實(shí)時調(diào)整無人機(jī)與輸電線的位姿關(guān)系，完成攜帶絕緣繩索掛載于輸電線上。因此，無人機(jī)應(yīng)滿足以下基本要求：①無人機(jī)具備二次開發(fā)功能，能通過通信接口實(shí)現(xiàn)無人機(jī)飛控指令的發(fā)送以及無人機(jī)狀態(tài)和信息的接收；②無人機(jī)需具備一定的搭載能力，能攜帶絕緣繩索，機(jī)器人穩(wěn)定飛行；③無人機(jī)需滿足一定的定位精度要求，能達(dá)到厘米級的懸停精度；④無人機(jī)需在強(qiáng)電場、強(qiáng)磁場環(huán)境下穩(wěn)定工作，能在接近輸電導(dǎo)線的狀態(tài)下正常穩(wěn)定工作。其中無人機(jī)具備二次開發(fā)功能是至關(guān)重要的一點(diǎn)，只有具有二次開發(fā)功能的無人機(jī)才可能實(shí)現(xiàn)自動控制，完成掛線任務(wù)。通過無人機(jī)性能分析可知，能夠滿足無人機(jī)掛線任務(wù)要求的型號有M210RTK，其具備完善的二次開發(fā)功能，較大的負(fù)載能力，且懸停精度較高，外接電路豐富。

2.3 機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成如圖3所示，其由控制機(jī)箱、檢修作業(yè)機(jī)械手、電磁鐵、可重構(gòu)作業(yè)末端等組成，檢修作業(yè)機(jī)械手為6-DOF(degree of freedom)機(jī)構(gòu)。機(jī)器人總共有3個夾緊導(dǎo)線的抓手，其中兩個位于控制機(jī)箱靠近輸電線路側(cè)，另一個位于檢修作業(yè)機(jī)械手末端，3個抓手協(xié)同作用保證機(jī)器人與導(dǎo)線相對位置固定和其在導(dǎo)線上的移動。同時，在控制機(jī)箱上部設(shè)有兩個可承重50 kg的電磁鐵，用于大荷載無人機(jī)將機(jī)器人帶上導(dǎo)線。為了保證大荷載無人機(jī)將機(jī)器人準(zhǔn)確帶上導(dǎo)線，在控制機(jī)箱靠近導(dǎo)線側(cè)設(shè)計(jì)有導(dǎo)線出入口，在導(dǎo)線出入口上方設(shè)有兩個輔助從動輪，保證機(jī)器人在巡檢過程中始終與導(dǎo)線保持等電位。

圖3 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

3 無人機(jī)和機(jī)器人的輸電線路檢修作業(yè)運(yùn)動規(guī)劃與運(yùn)動學(xué)模型

3.1 系統(tǒng)作業(yè)運(yùn)動規(guī)劃

首先無人機(jī)、機(jī)器人、連接件三者有機(jī)組合，上線前在地面組合為一個整體如圖4(a)所示，啟動無人機(jī)通過遙操作控制，無人機(jī)搭載機(jī)器人飛至作業(yè)區(qū)域?qū)Ь€上方，將機(jī)器人懸掛至輸電導(dǎo)線上，然后通過磁鐵磁力的控制使得絕緣桿、無人機(jī)與機(jī)器人分離，無人機(jī)飛至地面等待機(jī)器人作業(yè)完成后重復(fù)上述過程完成系統(tǒng)下線，上下后機(jī)器人則可以進(jìn)行機(jī)械臂的關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動實(shí)現(xiàn)輸電導(dǎo)線檢修作業(yè)，無人機(jī)-機(jī)器人上下線過程如圖4所示。

圖4 無人機(jī)-機(jī)器人系統(tǒng)的上下線過程

當(dāng)機(jī)器人成功上線后，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)開始協(xié)調(diào)運(yùn)動，攜帶末端套筒逐漸接近引流板螺栓，當(dāng)捕捉到引流板螺栓后，左邊的末端套筒首先鉗住螺栓頭，然后右邊擰螺栓套筒與引流板螺母對準(zhǔn)對接，當(dāng)對接完成后可以開啟擰螺母電機(jī)的旋轉(zhuǎn)開始擰緊螺母作業(yè)，擰緊操作完成后機(jī)械臂及其作業(yè)末端退出工作位，無人機(jī)可以協(xié)助機(jī)器人進(jìn)行下線操作，完整的作業(yè)過程如圖5所示。

圖5 機(jī)器人輸電線路引流板緊固作業(yè)運(yùn)動規(guī)劃

3.2 機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)建模與分析

機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模及分析是機(jī)械臂末端可達(dá)作業(yè)空間、機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、末端自主捕捉定位作業(yè)對象的理論基礎(chǔ)。根據(jù)引流板檢修機(jī)械臂，建立的圖6所示的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡圖，它是一個6-DOF機(jī)械臂作業(yè)系統(tǒng)，每個自由度都是旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。根據(jù)D-H(Denavi-Hartenberg)表示法，建立6-DOF機(jī)械臂的D-H坐標(biāo)系，如圖7所示，其中x、y、z為空間坐標(biāo)系的3個方向，d為機(jī)械臂的連桿長度或者偏距，每個關(guān)節(jié)指定z軸和x軸，再由機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)得出D-H參數(shù)，如表1所示，其中θ1～θ6為機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。

圖6 機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)結(jié)構(gòu)簡圖

圖7 機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)D-H坐標(biāo)系

從表1中選取參數(shù)代入機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)齊次變換矩陣，得到每兩個相鄰關(guān)節(jié)之間的變換矩陣A1～A6如式(1)～式(3)所示，其中C表示cos運(yùn)算，S表示sin運(yùn)算。

表1 機(jī)械臂的D-H參數(shù)

(1)

(2)

(3)

通過齊次變換矩陣的疊乘可得到末端相對于基坐標(biāo)的位姿，并與式(4)的位姿矩陣進(jìn)行對比可以得到6-DOF系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)正解如式(5)所示。

(4)

式(4)中：RTH為齊次變換矩陣；nx、ny、nz、ox、oy、oz、ax、ay、az為機(jī)械臂末端3個方向上的位置；px、py、pz為機(jī)械臂末端在x，y，z3維空間坐標(biāo)系的位置坐標(biāo)。

(5)

4 仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場物理樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 作業(yè)空間仿真實(shí)驗(yàn)

基于圖6中的機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)模型，在MATLAB中利用機(jī)器人工具箱RobotToobox，對機(jī)械臂進(jìn)行引流板作業(yè)過程中的軌跡規(guī)劃和末端套筒可達(dá)作業(yè)空間進(jìn)行仿真研究以驗(yàn)證機(jī)械臂設(shè)計(jì)的合理性。圖8為利用蒙特卡羅法在MATLAB仿真得到的該機(jī)械臂作業(yè)末端的3個方向的可達(dá)工作空間，圖8(a)為x-y-z方向的空間點(diǎn)云圖，圖8(b)、圖8(c)、圖8(d)分別為x-y、y-z、x-z平面的點(diǎn)云圖。

紅色的點(diǎn)云圖為機(jī)械臂運(yùn)動過程中，所搭載的引流板末端套筒所能達(dá)到的空間點(diǎn)云圖

通過輸電線路引流板結(jié)構(gòu)參數(shù)和點(diǎn)云圖在3個方向上的坐標(biāo)范圍可知，末端套筒3個方向的可達(dá)作業(yè)空間均覆蓋輸電線路引流板的螺栓投和螺母，因此，機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

4.2 作業(yè)運(yùn)動軌跡規(guī)劃仿真實(shí)驗(yàn)

機(jī)器人機(jī)械臂的作業(yè)運(yùn)動軌跡規(guī)劃是機(jī)器人完成輸電線路引流板緊固作業(yè)任務(wù)的關(guān)鍵，基于機(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)分析和作業(yè)空間分析，在MATLAB中調(diào)用機(jī)器人工具箱RobotToolBox，給定起始點(diǎn)空間坐標(biāo)和理想點(diǎn)空間坐標(biāo)，機(jī)械臂及其末端在空間中的軌跡運(yùn)動如圖9所示，從仿真結(jié)果可知，機(jī)械臂關(guān)節(jié)運(yùn)動流暢、平滑、穩(wěn)定、連續(xù)，因此，仿真驗(yàn)證了機(jī)械臂在運(yùn)動和作業(yè)過程中平滑并保持了較好的力學(xué)性能，從而能夠完成引流板緊固作業(yè)任務(wù)。

圖9 機(jī)械臂作業(yè)軌跡規(guī)劃仿真

4.3 現(xiàn)場作業(yè)試驗(yàn)

通過機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)形成了完整的機(jī)器人物理樣機(jī)系統(tǒng)，在國網(wǎng)湖南輸電檢修公司帶電作業(yè)中心輸電線路實(shí)訓(xùn)場 220 kV 望新I、II線003號塔實(shí)施，該塔型為SDN31-18，總高為35.3 m，呼稱高為18.0 m，導(dǎo)線型號為LGJ-400/50，地線型號為JLB20A-90/55(OPGW)，絕緣子型號為望新I線前側(cè)ABC三相為雙串FC10P/146，后側(cè)三相為雙串XWP2-160，望新II線后側(cè)ABC三相為雙串FXBW4-220/160，跳線絕緣子為FC7P/146。通過無人機(jī)將機(jī)器人搭載至該四分裂輸電線路上，機(jī)器人能夠通過各關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動將作業(yè)末端送至工作空間，實(shí)現(xiàn)四分裂引流板螺栓的擰緊作業(yè)，現(xiàn)場機(jī)器人作業(yè)試驗(yàn)如圖10所示。

圖10 機(jī)器人的現(xiàn)場擰螺栓試驗(yàn)

5 結(jié)論

針對四分裂輸電線路引流板檢修作業(yè)任務(wù)，設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)靈巧、操控方便的6自由度機(jī)械臂系統(tǒng)，通過關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了四分裂引流板螺栓緊固作業(yè)，同時為了提高作業(yè)效率，解決機(jī)器人的上下線問題，提出了利用無人機(jī)搭載機(jī)器人上線作業(yè)的新思路，通過絕緣桿和磁鐵磁性的控制，順利實(shí)現(xiàn)了無人機(jī)與機(jī)器人系統(tǒng)的對接與分離，同時通過機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)建模和作業(yè)空間分析表明機(jī)械臂末端能夠到達(dá)作業(yè)空間，實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)的螺栓擰緊作業(yè)。同時，在作業(yè)過程中末端套筒與螺栓的自主對接與控制，下線過程中絕緣桿、磁鐵與機(jī)器人系統(tǒng)的對接是提升整個無人機(jī)-機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)自動化水平和智能性的關(guān)鍵，這些都是后續(xù)研究的關(guān)鍵和重點(diǎn)。