李長(zhǎng)鵬,吳小釗,宋偉,崔宇

(1. 許繼集團(tuán)有限公司,河南 許昌 461001; 2. 國(guó)網(wǎng)重慶電力公司電力科學(xué)研究院,重慶 400074;3. 許繼電氣股份有限公司,河南 許昌 461001)

0 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來,國(guó)家經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段,對(duì)于電力的需求將不斷增加,對(duì)供電質(zhì)量同時(shí)提出了更高的要求。為提高供電可靠性和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平,持續(xù)優(yōu)化用電營(yíng)商環(huán)境,國(guó)網(wǎng)與南網(wǎng)兩家電網(wǎng)公司將進(jìn)一步推進(jìn)帶電作業(yè)工作。依據(jù)《Q/GDW 10520 10kV配網(wǎng)不停電作業(yè)規(guī)范》,主要開展4類33項(xiàng)作業(yè)項(xiàng)目,涵蓋了中壓10kV架空線路及電纜線路,可在用戶不停電的情況下,實(shí)現(xiàn)對(duì)所有配網(wǎng)線路設(shè)備開展檢修作業(yè)。目前,我國(guó)的帶電作業(yè)方式仍然大都是人工帶電作業(yè),作業(yè)人員處于高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)環(huán)境,升空頻繁、精神緊張,容易引發(fā)人身傷亡事故,人工帶電作業(yè)安全性問題急待解決。配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人不但可以排除高空、高壓等危險(xiǎn)因素,同時(shí)也將作業(yè)流程標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化,提高工作效率和質(zhì)量。研制具有更強(qiáng)安全性和適應(yīng)性的帶電作業(yè)機(jī)器人,克服人工帶電作業(yè)的困難性和局限性,代替人工進(jìn)行帶電作業(yè)是非常緊迫和必要的需求,也是新時(shí)代的要求。

本文針對(duì)配網(wǎng)不停電的斷、接引流線作業(yè)項(xiàng)目實(shí)際需求,結(jié)合作業(yè)流程要求與實(shí)際線路工況情況,研制一種10kV配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)10kV線路在不停電情況下,完成斷、接引流線作業(yè)項(xiàng)目。

1 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人方案

配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人從整體結(jié)構(gòu)上主要有兩種形式[1-2]:一種是作業(yè)人員在絕緣斗臂車絕緣斗內(nèi),通過控制主手控制器對(duì)機(jī)器人進(jìn)行高空作業(yè)控制的形式;另一種是作業(yè)人員位于地面,通過視覺系統(tǒng)完成遙控的形式,如圖1所示。

圖1 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人

作業(yè)人員以絕緣斗臂車作業(yè)移動(dòng)絕緣承載平臺(tái)在高空進(jìn)行遙控,直接處于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng),減少了復(fù)雜環(huán)境的識(shí)別與避障問題,降低了操作難度,提高了作業(yè)效率,但這樣未能使作業(yè)人員完全脫離高壓和高空作業(yè)的危險(xiǎn)。作業(yè)人員在地面或遠(yuǎn)程操控雖不能直接直觀面對(duì)真實(shí)的作業(yè)環(huán)境,作業(yè)效率會(huì)降低,但該種作業(yè)模式可使作業(yè)人員遠(yuǎn)離高壓線路,可避免觸電和高空跌落事故的發(fā)生。

本文研究的配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人采用的是第二種方案。通過多角度的視頻采集器,為作業(yè)人員提供更真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境,為簡(jiǎn)化機(jī)器人控制系統(tǒng)的復(fù)雜性,提高作業(yè)人員作業(yè)的效率與精度?；跈C(jī)器人的主從隨動(dòng)操作技術(shù),設(shè)計(jì)適合配網(wǎng)帶電作業(yè)的主從操作手,研制的配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人在作業(yè)過程中結(jié)合人類的智慧及作業(yè)經(jīng)驗(yàn),高效可靠地完成不停電的斷、接引流線作業(yè)任務(wù)[3]。

2 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)有的10kV線路的安裝標(biāo)準(zhǔn)和帶電作業(yè)安全距離要求,確定圖2的機(jī)器人工作空間坐標(biāo),并求解出帶電作業(yè)所需機(jī)械臂的最大臂展加帶電作業(yè)工具的長(zhǎng)度和下限為1 305mm。為增加帶電作業(yè)范圍及作業(yè)時(shí)的靈活性,作業(yè)機(jī)械臂采用了6自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械臂[4]。帶電作業(yè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 機(jī)器人工作空間示意圖

圖3 帶電作業(yè)機(jī)械臂示意圖

2.1 機(jī)械臂坐標(biāo)系與D-H模型

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正分析和逆分析。運(yùn)動(dòng)學(xué)正分析是已知關(guān)節(jié)空間中機(jī)器人關(guān)節(jié)變量,求解笛卡兒空間中的機(jī)械手末端位姿問題。正向運(yùn)動(dòng)學(xué)適用于主從控制操作模式,通過作業(yè)人員的操作完成配網(wǎng)帶電斷、接引流線作業(yè)項(xiàng)目。運(yùn)動(dòng)學(xué)逆分析則實(shí)現(xiàn)笛卡兒空間到關(guān)節(jié)空間中的變換,即已知機(jī)械手末端位姿求解關(guān)節(jié)變量,逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)適用于自主控制作業(yè)模式,通過視覺識(shí)別系統(tǒng),識(shí)別帶電線路主線和支線的位置,確認(rèn)具體位置后由機(jī)器人自主完成作業(yè)項(xiàng)目。

由配網(wǎng)帶電作業(yè)項(xiàng)目及流程分析可知,開展斷、接引流線的作業(yè)過程中,如夾持引流線、穿引流線到線夾、接火作業(yè)等操作,雙臂通過主從作業(yè)或自主作業(yè)協(xié)調(diào)完成工作時(shí),可簡(jiǎn)化為單臂運(yùn)動(dòng)另一個(gè)靜止的工作方式。該種作業(yè)方式能夠簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度,降低錯(cuò)誤率,避免雙臂之間的碰撞,且不影響作業(yè)效率。按照改進(jìn)的D-H法建立機(jī)械臂坐標(biāo)系(圖4),機(jī)械臂D-H參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)械臂D-H參數(shù)表

圖4 機(jī)械臂D-H坐標(biāo)系

2.2 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

針對(duì)配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的主從作業(yè)功能進(jìn)行研究,故僅對(duì)機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析[5]。機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解是在己知機(jī)器人的各關(guān)節(jié)θi變量(i=1,2,3,…,6)的情況下,計(jì)算出機(jī)械臂末端執(zhí)行器的位置。對(duì)機(jī)械臂建立連桿坐標(biāo)系后,通過矩陣運(yùn)算可以導(dǎo)出相鄰連桿間坐標(biāo)系變換的一般形式。因此連桿i相對(duì)連桿i-1變換矩陣可表示為

(1)

式中:sθi為sinθi;cθi為cosθi,所以可以求得:

(2)

用n表示從機(jī)械臂末端關(guān)節(jié)的法向向量;ο代表從機(jī)械臂末端關(guān)節(jié)的滑動(dòng)向量;a表示機(jī)械臂末端關(guān)節(jié)的接近向量;p表示從機(jī)械臂末端關(guān)節(jié)的末端位置坐標(biāo)。

可確定末端執(zhí)行器笛卡兒坐標(biāo)系的位置為

(3)

θz=αtan2(ny,nx)

(4)

(5)

θx=αtan2(oz,az)

(6)

2.3 機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人末端機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的建模是實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃及關(guān)節(jié)控制的基本條件,分別通過機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式(1)和D-H參數(shù)在Matlab中構(gòu)建仿真模型進(jìn)行計(jì)算,并通過對(duì)比實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解及驗(yàn)證推算的準(zhǔn)確性。

為避免存在偶然性,假定機(jī)器人處于作業(yè)準(zhǔn)備位姿狀態(tài)時(shí)的各關(guān)節(jié)角度q1如下:

(7)

則機(jī)械臂變換矩陣的計(jì)算結(jié)果為

(8)

基于Matlab Robotics Toolbox軟件構(gòu)建末端機(jī)械臂的模型[6],并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解的仿真驗(yàn)證。利用工具箱中SerialLink函數(shù)及teach函數(shù)構(gòu)建具有可視化末端機(jī)械臂模型,如圖5所示。通過圖中的滑塊控制器調(diào)節(jié)各關(guān)節(jié)的角度可控制機(jī)械臂的位置變化。通過fkine函數(shù)讀取此時(shí)的具體位姿數(shù)值,程序及運(yùn)行結(jié)果為:

圖5 機(jī)械臂模型與滑塊控制圖

L(1)= Link([0,0.163,0,pi/2,0] , 'modified');

L(2)= Link([pi/2,0,0.647,pi,0] ,'modified');

L(3)= Link([0,0,0.6005,pi,0] ,'modified');

L(4)= Link([-pi/2,0.2013,0,-pi/2,0] ,'modified');

L(5)= Link([0,0.1025,0,pi/2,0] ,'modified');

L(6)= Link([0,0.094,0,0,0] ,'modified');

Six_Link = SerialLink(L,'name','末端機(jī)械臂');

Six_Link. plot([0,0,0,0,0,0] ); teach(Six_Link);

T = Six_Link. fkine([0,0,0,0,0,0] );

經(jīng)比較,仿真結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致,證明末端機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真是正確的,故可實(shí)現(xiàn)末端機(jī)械臂作業(yè)過程中的精準(zhǔn)控制。

3 主從操作手設(shè)計(jì)

3.1 主從遙操作主手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前行業(yè)內(nèi)主從操作主手有外骨骼式和手持式兩種模式,其中外骨骼式主從遙操作主手(以下簡(jiǎn)稱主手)在操縱6自由度機(jī)械臂時(shí),可以直接將手臂上的各關(guān)節(jié)參數(shù)映射到末端機(jī)械臂上。操控者結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)與智慧將手臂的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào),所以主手的設(shè)計(jì)應(yīng)該盡量能夠適應(yīng)操作者的上肢運(yùn)動(dòng)[7]。

根據(jù)配網(wǎng)帶電機(jī)器人末端機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和手臂各個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)的分布,確定主手的設(shè)計(jì)方案。主手穿戴于人體上肢,故其設(shè)計(jì)離不開對(duì)人體上肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析。在分析操作者上肢的生理結(jié)構(gòu)及其生理尺寸后[8],以主手相互交互的人體上肢作為切入點(diǎn),并結(jié)合6自由度協(xié)作性機(jī)械臂特點(diǎn),完成配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人主從遙操作主手的設(shè)計(jì)。人體的手臂結(jié)構(gòu)如圖6所示,主要包括肩部、上臂、前臂及手部。所以,可簡(jiǎn)化腕部關(guān)節(jié)的3個(gè)自由度、肘部關(guān)節(jié)的1個(gè)自由度和肩部關(guān)節(jié)的3個(gè)自由度共7個(gè)自由度。為便于操控者適應(yīng)多種作業(yè)項(xiàng)目,在主手的末端及人體上肢手掌部設(shè)有操作手柄,可用于帶電作業(yè)工具的控制或機(jī)械臂的微調(diào)操控。

圖6 人體上肢結(jié)構(gòu)圖

文獻(xiàn)[9]介紹了上肢日?；顒?dòng)中所能達(dá)到的運(yùn)動(dòng)范圍,結(jié)合機(jī)械臂的各關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)范圍,可確定主手各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍如表2所示。配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人主手尺寸需參考成年人人體的坐姿,如表3所示。

表2 主手各自由度運(yùn)動(dòng)范圍 單位:(°)

表3 主手尺寸 單位:mm

在配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中,操控者感知配電線路環(huán)境信息,并借主手與末端機(jī)械臂完成作業(yè)內(nèi)容。主手的結(jié)構(gòu)形式對(duì)信息測(cè)量的準(zhǔn)確性及傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、操作者操作的方便性、工作效率的高低都有很大的影響。因此,主手是帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中的核心部分,關(guān)系整個(gè)作業(yè)過程的安全和高效率。配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的主手結(jié)構(gòu)及其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖7和圖8所示。

圖7 主手結(jié)構(gòu)

圖8 主手機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

3.2 主手控制策略

項(xiàng)目研制的10kV配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人具備主從作業(yè)功能和自主作業(yè)功能。作業(yè)過程中作業(yè)人員可根據(jù)線路實(shí)際情況選擇合適的作業(yè)模式,并且兩種作業(yè)模式可以隨意切換。配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)框圖如圖9所示,本文僅對(duì)配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人的主從作業(yè)功能進(jìn)行介紹。

圖9 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

主從遙操作機(jī)器人有兩種類型分別是主從同構(gòu)型機(jī)器人和主從異構(gòu)型機(jī)器人。雖然主從異構(gòu)型主手更充分考慮人體工程學(xué),操作更舒服,并且可以匹配多種不同結(jié)構(gòu)的從端機(jī)器人,但機(jī)器人控制問題相較于主從同構(gòu)的要復(fù)雜很多。結(jié)合配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人在作業(yè)過程中的需求,可采用簡(jiǎn)單的關(guān)節(jié)-關(guān)節(jié)控制方法即可實(shí)現(xiàn)主從控制,再配合主手末端手柄的按鍵功能將手腕等操作不便的關(guān)節(jié)代替。

對(duì)于機(jī)械臂的主從運(yùn)動(dòng)控制方法主要有關(guān)節(jié)空間控制方法與笛卡兒空間控制兩種方法。其中笛卡兒空間控制方法還具體包括絕對(duì)空間映射、增量空間映射和雅克比映射等[10]。本文采用的是關(guān)節(jié)空間控制方法,如圖10所示。主手的每個(gè)關(guān)節(jié)集成高精度旋轉(zhuǎn)電位器,用來檢查各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)信息。當(dāng)操控者想要控制機(jī)械臂完成抓取引流線或接引流線等作業(yè)內(nèi)容時(shí),操控者的手臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)位移,主手上的電位器檢測(cè)到角位移并傳遞給末端機(jī)械臂的控制器。

圖10 關(guān)節(jié)空間控制方法

從主手上使能按鍵按下發(fā)出指令,一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)動(dòng)作模擬信號(hào)傳遞給主手控制器、經(jīng)工控機(jī)通過上下兩個(gè)光纖交換機(jī)至機(jī)械臂控制柜,最后通過內(nèi)部通信實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的伺服控制。主從操作動(dòng)作時(shí)序示意如圖11所示。

圖11 主從操作動(dòng)作時(shí)序示意圖

一個(gè)運(yùn)行周期的控制指令信號(hào)通過軟件源代碼的一個(gè)程序計(jì)算出從主手發(fā)出指令開始至機(jī)械臂控制柜的一個(gè)延時(shí)時(shí)序。一個(gè)運(yùn)行周期的控制信號(hào)從機(jī)械臂控制柜至機(jī)械臂采用的是內(nèi)部CAN通信,伺服控制,常規(guī)延時(shí)為2ms。根據(jù)伺服控制及傳輸方式等經(jīng)驗(yàn)判斷這段延時(shí)不會(huì)大于5ms。將兩段延時(shí)時(shí)間加到一起即為總共延時(shí)時(shí)間,大概在60～80ms范圍內(nèi)。

4 配網(wǎng)帶電機(jī)器人測(cè)試

4.1 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人電磁兼容檢測(cè)

為保證配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人在配電線路中的運(yùn)行可靠性,對(duì)其進(jìn)行圖12所示的靜電放電抗擾度檢驗(yàn)(①為接觸放電(間接放電)部位;②為空氣放電部位)、射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度檢驗(yàn)、工頻磁場(chǎng)抗擾度檢驗(yàn)和阻尼振蕩磁場(chǎng)抗擾度檢驗(yàn)的電磁兼容檢測(cè)試驗(yàn),檢查結(jié)果均為合格滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖12 電磁兼容檢測(cè)試驗(yàn)圖

4.2 配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人電磁兼容上桿測(cè)試

結(jié)合人工斷、接引流線作業(yè)流程,在品字形單回路配網(wǎng)線路上開展配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人測(cè)試。按照如下步驟進(jìn)行斷、接引流線作業(yè)測(cè)試。

1)接引流線作業(yè)試驗(yàn)

a)將機(jī)器人及絕緣承載平臺(tái)調(diào)整至主導(dǎo)線下側(cè)適當(dāng)位置,啟動(dòng)引流線抓取程序;

b)通過控制終端上給出的多角度視頻,操控主手控制1號(hào)機(jī)械臂抓牢引線,然后運(yùn)動(dòng)到引線與線夾安裝位置;

c)控制2號(hào)機(jī)械臂帶動(dòng)接線工具到達(dá)引線末端位置并完成引線與線夾穿線作業(yè);

d)通過地面控制終端確認(rèn)相線接線位置;

e)操控主手控制2號(hào)機(jī)械臂完成接線作業(yè);

f)全部工作完畢后,將機(jī)械臂收回至初始位置;

g)將絕緣承載平臺(tái)移動(dòng)至指定位置。

2)斷引流線作業(yè)試驗(yàn)

a)將機(jī)器人調(diào)整至近主導(dǎo)線下側(cè)適當(dāng)位置,啟動(dòng)斷線程序;

b)操控1號(hào)機(jī)械臂抓牢引線,地面控制終端顯示引線斷線位置;

c)通過地面控制終端確認(rèn)引線剪斷位置;

d)操控2號(hào)機(jī)械臂到達(dá)指定位置,通過斷線工具將引線剪斷;

e)2號(hào)機(jī)械臂收回至初始位置,1號(hào)機(jī)械臂控制引線降低至合適位置;

f)全部工作完畢后,將機(jī)械臂收回至初始位置;

g)將絕緣承載平臺(tái)移動(dòng)至指定位置。

按照以上作業(yè)流程,可完成1相的斷、接引流線作業(yè)內(nèi)容,其他相按照此流程重復(fù)作業(yè),配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人斷、接引流線作業(yè)測(cè)試如圖13—圖16所示。

圖13 接引流作業(yè)—遠(yuǎn)相

圖14 接引流作業(yè)—中相

圖15 接引流作業(yè)—近相

圖16 斷引流線作業(yè)—近相

5 結(jié)語

針對(duì)配網(wǎng)不停電的斷、接引流線作業(yè)項(xiàng)目的實(shí)際需求,為解決帶電作業(yè)工人的高風(fēng)險(xiǎn)、高強(qiáng)度作業(yè)等問題,本文研制了一種基于主從隨動(dòng)操作技術(shù)的配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人,可代替人工在高溫環(huán)境下開展不停電作業(yè)。結(jié)合人體上肢結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用關(guān)節(jié)空間控制方法的主手并將末端手柄集成關(guān)節(jié)控制按鍵以適應(yīng)人體工程學(xué)的需求?；谌耙曈X采集器主從控制作業(yè),可結(jié)合作業(yè)人員的智慧和豐富經(jīng)驗(yàn)完成配網(wǎng)線路下不停的電斷、接引流線作業(yè)內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在配電網(wǎng)線路復(fù)雜的電磁環(huán)境下,主從操控可靠穩(wěn)定,未出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。下階段將雙目相機(jī)立體成像技術(shù)和機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù)相結(jié)合,使成像增加實(shí)感,增強(qiáng)定位的精確性與復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性,以實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)帶電作業(yè)機(jī)器人面對(duì)真實(shí)復(fù)雜線路情況下的自主作業(yè)功能。