雷 霆，鐘 玉，韋海彬，鐘力強(qiáng)，張曉曄

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院,廣州 510080；2.廣東電科院能源技術(shù)有限責(zé)任公司，廣州 510080；3.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

隨著社會的發(fā)展，電能已經(jīng)成為了當(dāng)今社會生活與生產(chǎn)不可或缺的一種能源。除了市區(qū)部分區(qū)域外，高壓輸電線基本都采用架空線路方式，其長期在風(fēng)吹、日曬、雨淋或霜凍等惡劣環(huán)境下，線路受材料老化或化學(xué)反應(yīng)、機(jī)械振動、結(jié)構(gòu)疲勞等因素而使輸電線路出現(xiàn)各種影響電能供應(yīng)的隱患或潛在故障，需要及時發(fā)現(xiàn)并對其進(jìn)行處理。針對輸電線路中潛在的隱患或故障，目前基本上是通過人工的方式對其進(jìn)行維護(hù)作業(yè)，其勞動強(qiáng)度大、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、效率低。因此急需一些自動化設(shè)備代替或輔助工人去完成輸電線路中的維護(hù)作業(yè)任務(wù)。

面向輸電線路維護(hù)作業(yè)的機(jī)器人在上個世紀(jì)80年代以來就逐漸受到了科研工作者的廣泛關(guān)注。到目前為止，較有代表性的電網(wǎng)維護(hù)作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)可以分為地面移動式與巡線式兩大類。其中地面移動式占電網(wǎng)維護(hù)作業(yè)機(jī)器人中的絕大多數(shù)，作業(yè)時需借助移動汽車與升降臂將其送至作業(yè)現(xiàn)場附近，其作業(yè)范圍有限，幾乎都只用于配網(wǎng)完成相關(guān)作業(yè)。此類代表性的機(jī)器人系統(tǒng)有日本的Phase系列帶電作業(yè)機(jī)器人[1，2]與我國山東電力研究院研制的帶電作業(yè)機(jī)器人[3，4]。巡線式機(jī)器人中，絕大多數(shù)為電網(wǎng)檢測機(jī)器人，而用于維護(hù)作業(yè)的機(jī)器人系統(tǒng)則少之又少。目前具有代表性的巡線式作業(yè)機(jī)器人有加拿大的LineScout[5，6]與武漢大學(xué)吳功平教授團(tuán)隊(duì)的可重構(gòu)移動作業(yè)機(jī)器人[7，8]。它們在設(shè)計(jì)時多針對某一特定的作業(yè)任務(wù)，或需要手動重構(gòu)機(jī)器人后才能去完成其他作業(yè)任務(wù)，目前它們也仍主要處于研究、實(shí)驗(yàn)階段。然而，巡線式機(jī)器人可以沿輸電線路進(jìn)行移動且具有越障能力，可以很好的適應(yīng)主網(wǎng)輸電線路環(huán)境，是帶電維護(hù)作業(yè)機(jī)器人的一個發(fā)展趨勢[9]。

高壓輸電線路中常見的維護(hù)作業(yè)任務(wù)有：除冰、移除懸掛物、防震錘調(diào)整、開口銷補(bǔ)裝與引流板發(fā)熱處理等。其中除冰與移除懸掛物可遠(yuǎn)處或不用與輸電線路接觸就可以完成作業(yè)，目前也已有成熟的技術(shù)與設(shè)備快速完成上述作業(yè)[10，11]。防震錘調(diào)整、開口銷補(bǔ)裝與引流板發(fā)熱處理這三項(xiàng)作業(yè)任務(wù)必須要將維護(hù)設(shè)備送至作業(yè)現(xiàn)場，且需要與輸電線路進(jìn)行接觸式作業(yè)，因此作業(yè)難度大。而且，及時發(fā)現(xiàn)并消除此類隱患并對其進(jìn)行維護(hù)對保障電網(wǎng)的安全與穩(wěn)定具有重要意義。例如，防震錘位置不對將導(dǎo)致線路的晃動加劇、開口銷缺失則危及各金具的連接可靠性、引流板發(fā)熱不僅浪費(fèi)電能，嚴(yán)重時甚至還會造成線路斷路，釀成重大的安全生產(chǎn)事故。因此，本文以實(shí)現(xiàn)上述三項(xiàng)作業(yè)任務(wù)為基本目標(biāo)，同時考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展性與適應(yīng)性，注意末端執(zhí)行器的輕量化，對面向高壓輸電線路多作業(yè)任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)開展研究。

1 機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文以防震錘調(diào)整、開口銷裝配與引流板發(fā)熱處理三項(xiàng)常見典型維護(hù)作業(yè)任務(wù)為基礎(chǔ)，同時注重機(jī)器人系統(tǒng)的可擴(kuò)展性來進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。在進(jìn)行設(shè)計(jì)前，先對上述三項(xiàng)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行分解，將一個復(fù)雜的任務(wù)分解成多個簡單的作業(yè)過程以便于機(jī)器人利用特制末端執(zhí)行器去完成，具體作業(yè)分解結(jié)果如圖1所示。為了完成上述作業(yè)任務(wù)需要研制三個特制末端執(zhí)行器：用于擰松/擰緊螺栓連接的力矩扳手、用于清潔引流板導(dǎo)電表面的清潔刷以及用于捏取開口銷的夾持器。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)具體應(yīng)用方案

同時結(jié)合面向高壓輸電線路作業(yè)機(jī)器人需在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境下利用多個特制末端執(zhí)行器去完成多項(xiàng)作業(yè)任務(wù)的特點(diǎn)，本文提出的機(jī)器人解決方案如圖2所示，該系統(tǒng)包含主機(jī)器人、從機(jī)器人、快換裝置與末端執(zhí)行器四部分。末端執(zhí)行器具有用于完成某一特定作業(yè)所需的功能，且它們都具有統(tǒng)一的電氣接口與控制邏輯以方便從機(jī)器人對其進(jìn)行控制；快換裝置包括兩部分，其中快換裝置機(jī)器人側(cè)安裝于機(jī)器人末端，快換裝置工具側(cè)安裝在每個末端執(zhí)行器的端部。通過快換裝置可以讓從機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對末端執(zhí)行器機(jī)械與電氣的自動連接與導(dǎo)通，從而使從機(jī)器人可以自動連接上不同的末端執(zhí)行器并對其進(jìn)行控制。后期也可以方便、快速的在此系統(tǒng)下引入用于完成其他作業(yè)任務(wù)的末端執(zhí)行器；主機(jī)器人則通過遙操作的方式用來控制從機(jī)器人。

圖2 作業(yè)分析圖

以高壓輸電線路為例，進(jìn)一步完善此機(jī)器人系統(tǒng)并形成的一個具體應(yīng)用方案如圖3所示，其包括高空作業(yè)端與地面操作端兩部分。高空作業(yè)端以具有越障能力的移動平臺為載體，同時還包括能源與控制中心、從機(jī)器人、末端執(zhí)行器以及用于監(jiān)控的若干相機(jī)。地面操作端由操作者、主機(jī)器人與工控機(jī)組成。高空作業(yè)端與地面操作端兩者之間的數(shù)據(jù)與信號通過無線方式進(jìn)行傳輸，以提高系統(tǒng)的靈活性與實(shí)用性。

圖3 機(jī)器人系統(tǒng)總體方案

2 主機(jī)器人設(shè)計(jì)

為了控制從機(jī)器人，本文設(shè)計(jì)了一款新型的模塊化主機(jī)器人。與現(xiàn)有主機(jī)器人相比，該主機(jī)器人主要由關(guān)節(jié)模塊Imas與Tmas裝配而成，其自由度與構(gòu)型可以根據(jù)具體的作業(yè)任務(wù)快速變換。主機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊Imas為回轉(zhuǎn)型關(guān)節(jié)，如圖4所示。Imas關(guān)節(jié)模塊內(nèi)設(shè)有采集關(guān)節(jié)運(yùn)動數(shù)據(jù)的編碼器，該數(shù)據(jù)在主從控制模式中作為從機(jī)器人的控制輸入量；同時在關(guān)節(jié)中設(shè)置有滑環(huán)部件，使得Imas關(guān)節(jié)模塊可以無限回轉(zhuǎn)，即關(guān)節(jié)空間不限。

圖4 主機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊-Imas

主機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊Tmas為擺轉(zhuǎn)型關(guān)節(jié)，如圖5所示。該關(guān)節(jié)模塊的整體工作原理與Imas模塊類似，但具體的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)完全不同，整體上結(jié)構(gòu)緊湊與輕巧，且具有流線型的外觀。

圖5 主機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊-Tmas

為了提高主機(jī)器人操作的人機(jī)友好性，需實(shí)現(xiàn)主機(jī)器人對自身重力的自平衡。具有自平衡能力的主機(jī)器人可以平衡自身重力，從而保證主機(jī)器人在不受外力時的姿態(tài)不發(fā)生改變。當(dāng)需要控制主機(jī)器人運(yùn)動時才需要操作者對主機(jī)器人進(jìn)行操作，從而降低操作者的工作強(qiáng)度。為此，我們在關(guān)節(jié)模塊中設(shè)計(jì)了一個可調(diào)阻尼結(jié)構(gòu)，如圖6所示，該結(jié)構(gòu)小巧緊湊且可快速調(diào)節(jié)阻尼大小。通過將主機(jī)器人各關(guān)節(jié)阻尼調(diào)至合適的大小就可以實(shí)現(xiàn)主機(jī)器人的自平衡以及較為柔順的運(yùn)動，從而提高操作的人機(jī)友好性。

圖6 可調(diào)阻尼結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)原理

3 機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)建

根據(jù)機(jī)器人系統(tǒng)總體方案構(gòu)建出的機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)如圖7所示。其中模塊化從機(jī)器人由5個基礎(chǔ)關(guān)節(jié)模塊及少數(shù)輔助模塊組成，且各模塊間的連接關(guān)系為B100-I100⊥T100∥T100⊥I185⊥T85。其中“-”表示兩者直接連接，“⊥”與“∥”分別表示相連接的兩關(guān)節(jié)模塊軸線相互垂直與平行，B100表示從機(jī)器人的基座模塊，I表示回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊、T表示擺轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)模塊、100與85分別表示關(guān)節(jié)模塊的外徑。更多關(guān)于此模塊化機(jī)器人系統(tǒng)的內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[12]。通過使用上一節(jié)設(shè)計(jì)的主機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊Imas與Tmas，再借助輔助手柄模塊Hmas與基座模塊Bmas，它們以Bmas-Imas⊥Tmas∥Tmas⊥Imas⊥Tmas-Hmas的連接關(guān)系就可以構(gòu)建出主機(jī)器人。

圖7 機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)

在此系統(tǒng)下，主、從機(jī)器人構(gòu)成了同構(gòu)型的主從控制系統(tǒng)硬件平臺。主、從機(jī)器人的自由度數(shù)與構(gòu)型還可以根據(jù)具體的作業(yè)任務(wù)需要進(jìn)行配置，從而在機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)上就具有對任務(wù)的柔性。

三個末端執(zhí)行器模塊固定在從機(jī)器人旁邊以方便對其進(jìn)行連接，同時末端執(zhí)行器模塊都使用DC24V的電源與兩路電平控制信號并結(jié)合快裝裝置工具側(cè)形成了統(tǒng)一的機(jī)電接口和控制邏輯。

在機(jī)器人系統(tǒng)控制方面，主、從機(jī)器人兩者相對獨(dú)立，分別以CAN總線的通信方式與安裝在PC上的本團(tuán)隊(duì)開發(fā)的控制軟件MoRoController.exe進(jìn)行通信與數(shù)據(jù)傳遞。機(jī)器人中的每個關(guān)節(jié)模塊只作為CAN總線上的一個節(jié)點(diǎn)，從而構(gòu)成了分布式控制架構(gòu)，使得此系統(tǒng)在機(jī)器人基礎(chǔ)關(guān)節(jié)模塊層面上具有可重構(gòu)性與容錯性。在控制軟件中也有人機(jī)交互界面，具有控制模式選擇、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)可視化與狀態(tài)顯示等功能。本機(jī)器人系統(tǒng)的整體控制框架如圖8所示。

圖8 機(jī)器人系統(tǒng)控制框架

4 系統(tǒng)控制策略

由于本機(jī)器人系統(tǒng)的主、從機(jī)器人兩者是相對獨(dú)立的系統(tǒng)，同時結(jié)合系統(tǒng)作業(yè)時的需要開發(fā)了具有多種工作模式的控制系統(tǒng)：1）自由模式。在此模式下主從機(jī)器人系統(tǒng)之間互不關(guān)聯(lián)，一般用于系統(tǒng)的初始化與標(biāo)定。2）自主模式。此模式控制系統(tǒng)只接入從機(jī)器人并對其進(jìn)行控制，常用于從機(jī)器人的程序控制。如對于從機(jī)器人連取末端執(zhí)執(zhí)行器這個作業(yè)過程，由于機(jī)器人與末端執(zhí)行器的相對位姿關(guān)系明確，可以直接執(zhí)行之前編好的程序包就可以完成作業(yè)任務(wù)。3）主從控制模式。此模式下，從機(jī)器人的運(yùn)動受主機(jī)器人控制，操作者根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行分析與決策并操作主機(jī)器人以控制從機(jī)器人運(yùn)動從而去完成相應(yīng)作業(yè)任務(wù)。

上述三種控制模式中，自由模式用于系統(tǒng)初始化與標(biāo)定，而自主與受控模式則用于具體的作業(yè)執(zhí)行。自主模式為此機(jī)器人系統(tǒng)在作業(yè)過程中存在的局部結(jié)構(gòu)化環(huán)境下直接采用程序控制，因此效率高。而主從控制是針對目前機(jī)器人系統(tǒng)的智能化水平還達(dá)不到自主完成作業(yè)任務(wù)的情況，采用了一種折中的但最合適的控制方式，讓操作者根據(jù)作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行分析與決策并進(jìn)行控制。

同時，本主從機(jī)器人系統(tǒng)的主從控制框圖如圖9所示。首先通過對主機(jī)器人施加外力改變其位姿，此時主機(jī)器人每個關(guān)節(jié)處的角位移傳感器就可檢測出機(jī)器人的位姿并同步發(fā)送給控制系統(tǒng)。在一個采樣周期內(nèi)，從機(jī)器人反饋給控制系統(tǒng)的位姿仍為上一時刻的位姿，此時主從機(jī)器人就會存在位姿差?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)此位姿差信號就會產(chǎn)生從機(jī)器人的控制信號并驅(qū)動從機(jī)器人運(yùn)動，讓從機(jī)器人一直跟隨主機(jī)器人的位姿。

圖9 機(jī)器人系統(tǒng)主從控制框圖

得益于系統(tǒng)中主、從機(jī)器人模塊化與同構(gòu)型的設(shè)計(jì)，因此可以采用映射算法簡單、控制直觀的關(guān)節(jié)-關(guān)節(jié)型控制策略，即直接使用主機(jī)器人各關(guān)節(jié)的位移量來控制從機(jī)器人關(guān)節(jié)的運(yùn)動，其關(guān)節(jié)間的一一映射關(guān)系為：

5 作業(yè)流程分析

本文構(gòu)建的機(jī)器人系統(tǒng)不僅能對高壓輸電線路中的防震錘調(diào)整、引流板發(fā)熱處理與裝配開口銷三項(xiàng)任務(wù)進(jìn)行維護(hù)作業(yè)，同時還具有對其他作業(yè)任務(wù)的擴(kuò)展能力。借助于已設(shè)計(jì)的三個末端執(zhí)行器：清潔刷、力矩扳手與夾持器去完成上述作業(yè)的流程如圖10所示。整個作業(yè)流程為：系統(tǒng)開始作業(yè)時首先進(jìn)行初始化，完成機(jī)器人的標(biāo)定與校準(zhǔn)等準(zhǔn)備工作；然后判斷作業(yè)類型并自動連取/或更換相應(yīng)的末端執(zhí)行器進(jìn)行相應(yīng)的作業(yè)；在完成該項(xiàng)作業(yè)后放回末端執(zhí)行器，并對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位；最后判斷是否還需要再執(zhí)行任務(wù)，如果還有作業(yè)需要再按上述流程進(jìn)行，否則結(jié)束整個作業(yè)過程。

圖10 機(jī)器人系統(tǒng)作業(yè)流程圖

6 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證方案與作業(yè)方法的可行性、機(jī)器人系統(tǒng)的可靠性，本文使用已搭建的樣機(jī)完成了防震錘調(diào)整、開口銷裝配與引流板發(fā)熱處理三項(xiàng)作業(yè)試驗(yàn)。

根據(jù)上一節(jié)分析的作業(yè)流程，要去完成防震錘的調(diào)整實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人首先通過程序控制的方式去連取力矩扳手末端執(zhí)行器，如圖11(a)～圖11(c)所示。然后采用主從控制的方式控制從機(jī)器人借助力矩扳手依次完成螺栓連接的擰松（但保證螺母仍還處于螺栓上）、調(diào)整好防震錘的位置后再將螺栓連接鎖緊，如圖11(d)～圖11(i)所示。此項(xiàng)作業(yè)的關(guān)鍵與難點(diǎn)在于機(jī)器人需要借助于力矩扳手實(shí)現(xiàn)螺母與套筒的對準(zhǔn)，以及實(shí)現(xiàn)對螺栓連接的擰松/擰緊并控制預(yù)緊力。

圖11 防震錘調(diào)整實(shí)驗(yàn)

對于開口銷裝配作業(yè)，從機(jī)器人在連取完夾持器后還需自動去捏取料倉處的開口銷，如圖12(a)所示。接著從機(jī)器人結(jié)合設(shè)計(jì)有的特殊作業(yè)方式完成開口銷的裝配作業(yè)過程包括：以主從方式控制從機(jī)器人的運(yùn)動與位姿使開口銷對準(zhǔn)螺栓的銷孔（圖12(b)）、將開口銷前半部分插入銷孔中（圖12(c)）、松開夾持器（開口銷由于自身往外撐的趨勢將與孔壁產(chǎn)生摩擦力使其保持在孔中）（圖12(d)）、夾持器運(yùn)動至開口銷尾部后閉合夾持器并將開口銷完全推入至銷孔中（圖12(e)、圖12(f)），從而完成此項(xiàng)作業(yè)。在此項(xiàng)作業(yè)中，快速、準(zhǔn)確的將開口銷插入至螺栓銷孔中是整個實(shí)驗(yàn)最大的挑戰(zhàn)。

圖12 開口銷裝配實(shí)驗(yàn)

引流板發(fā)熱處理實(shí)驗(yàn)則需要分三步來完成：第一步需要從機(jī)器人使用力矩扳手將引流板處的螺栓連接松開，如圖13(a)所示；第二步為更換成清潔刷末端執(zhí)行器并使刷體戳入到兩引流板縫隙，結(jié)合刷體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動與刷體沿縫隙的往復(fù)運(yùn)動完成引流板表面的清潔作用，如圖13(c)所示；圖13(d)為實(shí)驗(yàn)最后一步，再次更換成力矩扳手將螺栓連接鎖緊。與前面兩個實(shí)驗(yàn)不同的是本作業(yè)需要使用到兩種末端執(zhí)行器分三步去完成整個作業(yè)實(shí)驗(yàn)。

圖13 引流板發(fā)熱處理實(shí)驗(yàn)

7 結(jié)語

為了完成高壓輸電線路中防震錘調(diào)整、開口銷裝配與引流板發(fā)熱處理三項(xiàng)典型維護(hù)作業(yè)任務(wù)，本文通過采用模塊化的設(shè)計(jì)思想提出了一個機(jī)器人系統(tǒng)解決方案，包括一個5自由度的模塊化作業(yè)機(jī)器人（從機(jī)器人）、多個具有統(tǒng)一機(jī)電接口的末端執(zhí)行器、快換裝置及同構(gòu)型的模塊化主機(jī)器人。同時設(shè)計(jì)了可快速調(diào)節(jié)阻尼的主機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊Imas與Tmas，使用上述兩類關(guān)節(jié)模塊快速裝配出了一款與從機(jī)器人同構(gòu)型的模塊化主機(jī)器人。根據(jù)搭建出的機(jī)器人系統(tǒng)樣機(jī)特點(diǎn)，提出了程序控制與主從遙操作相結(jié)合的高效控制策略，也分析了此系統(tǒng)的作業(yè)流程。最后通過三個綜合實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文提出的作業(yè)方案與作業(yè)方法是可行的，樣機(jī)也具有較好的穩(wěn)定性與可靠性，從而為將此機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際作業(yè)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。