带电作业机器人控制系统

带电作业机器人控制系统

高磊

锡林郭勒电业局苏尼特右供电分局 内蒙古自治区锡林郭勒盟 011200

摘要：带电作业机器人是针对配电线路带电作业而研制开发的一种安全、可靠的带电作业设备．为了提高带电作业的自动化水平和安全性，减轻操作人员的劳动强度和强电磁场对操作人员的人身危害，从上世纪80年代起许多国家都开展了带电作业机器人的研究，本文分析了带电作业机器人控制系统研究。

关键词：带电作业；机器人

随着国民经济的发展和科学技术的不断进步,机器人已在许多领域得到了广泛应用.在电力系统带电作业工作中,作业对象复杂、多样,作业环境要求苛刻、危险系数高,为了减轻操作人员高空作业的劳动强度和强电磁场对操作人员的人身威胁,研制一种适用于带电作业的主从式带电作业机器人具有重要意义.

一、系统介绍

带电作业机器人系统主要是由主手、液压机械臂(从手)、曲臂式液压升降车(带有升降平台)、通讯系统等几部分组成,如图1所示。作业时,操作人员将作业车开到作业地点,控制升降机构将液压机械臂升到输电线路附近,根据带电作业任务,操作人员在车内操控主手,液压机械臂跟随主手运动,夹取不同的带电作业工具完成作业。

主手与液压机械臂同构,有腰部回转、大臂俯仰、小臂俯仰、腕部俯仰、腕部摇摆、腕部回转和手爪开合七个自由度。每个关节中安装力矩电机和电位计,用来控制主手各关节运动并检测运动信息。液压机械臂主要依赖分布在七个关节中的驱动单元完成作业任务,其运动性能直接取决于液压系统性能。液压机械臂的每个关节中安装电位计,用于检测液压缸驱动各关节运动后的关节旋转角度。由于驱动单元为液压执行器件,只要能控制液压执行器件的运动,就可以决定带电作业机器人的整体运动。曲臂式液压升降车由履带式车辆底盘、三自由度升降机构和移动作业平台构成。履带式车辆底盘采用电机驱动,发动机的动力经传动系传给驱动轮,驱动轮得到驱动扭矩使车辆向前行驶。升降机构采用新型优质型钢,强度高、重量轻,采用液压驱动,移动作业平台载重大,可搭载一定的设备;三自由度的设计可使工作台升高或延伸,还可360度旋转,易于跨越障碍物到达工作位置进行多点作业。通讯系统采用无线通信方式,是主、从控制器之间进行数据交互的桥梁。

二、带电作业机器人设计

1.主从式操作机械臂设计。每个绝缘机械臂均包括液压机械臂本体、机械臂供油装置、液压伺服驱动器、液压伺服驱动器电源、光纤、手持终端、主手、主手控制单元、逆变器和电源。机械臂是一个基于微控制器的、电液设备。机械臂本体采用铝合金和不锈钢制造。机械臂的主手便于左手或右手操作。机械臂本体可以分为上臂和前臂两个基本部分。上臂部分提供腰部回转、大臂俯仰和小臂俯仰的运动。前臂部分提供腕部俯仰、腕部摇摆和腕部旋转的运动。机械臂关节的运动通过7个液压执行器来执行。每个执行器通过一个液压伺服阀来控制。为了减少输油管线和机械臂的复杂度，所有液压伺服阀被集成到机械臂的内部。除了液压伺服阀，还增加了减压阀和电磁阀。电磁阀用来开关液压源。由于增加了减压阀，要求外部油液压力不能超过3000PSI。标准主手是一个结构紧凑，带自平衡模块的设备。主手和从手采用相同的结构。主手和机械臂每个关节都安装一个电位器，用来提供主手和机械臂的位置信息。

2.机器人专用升降系统设计。最大作业高度19m，最大作业幅度14.4m，斗臂车最大推举重量等于1200kg，为10Kv带电作业标准作业车，折叠式加伸缩式。斗臂车可以提供流量30 L/min以上，压力13.8MPa液压动力，能够满足液压机械臂作业的压力与流量要求。厂家能够进行机器人作业平台与绝缘斗臂车机械联接结构设计、加工和安装，完成整个机器人作业平台钢结构底架玻璃钢外包和机械臂绝缘外包和支撑。改造后绝缘斗臂车外形尺寸，不能超高（4.2m）、超宽（绝缘斗臂车宽度），行走过程中保证平稳安全。高空作业时，机器人作业平台可以实现空中180°旋转，利于三相线路作业。

3.机器人工具系统设计。机器人工具系统是一套创新型机器人工具系统，设计中体现了机器人应用的特点，工具设计标准化、系列化，以保证机器人及其工具设计的实用性。电动剥皮器主要由直流减速电机、曲柄、连杆、摇杆、棘爪、棘轮和刀头等几部分组成。系统特点如下：直流减速电机驱动曲柄，通过连杆带动摇杆和棘爪一起运动，棘爪拨动棘轮和刀头完成刀具的圆周运动。双弹簧保证棘爪在传动位置/开口位置保持同一姿态；工具轴向进给力由机械臂提供；凸轮机构将压线与压刀动作合二为一，由另一个机械手完成；工具采用无线遥控，嵌入式控制系统、控制工具正反转，加减速；考虑工具瞬时过载，对电源要求较高，采用12V电动扳手电池，电路设计反接、过流保护；工具控制器与遥控电动扳手可互换，工具颜色与电动扳手基本一致，便于今后工具系列化。

4.机器人绝缘防护系统设计。系统对地绝缘，依靠绝缘斗臂车实现，绝缘斗臂车的绝缘臂采用玻璃纤维增强型环氧树脂材料制成，绕制成圆柱形截面结构，具有质量轻、机械强度高、电气绝缘性能好、憎水性强等优点，在带电作业时为人体提供相对地之间绝缘防护；操作人员站在绝缘斗内操控主手作业，操作人员与机械臂之间仅通过光纤通讯，操作人员完全与高压电场隔离；在相-相之间，空气间隙和绝缘平台起主绝缘作用，绝缘遮蔽罩形成相间后备防护，因作业机械臂等电位作业，机械臂外包绝缘材料，形成最后一道防线，防止机械臂偶然触及两相导线造成短路；机械臂绝缘方法：玻璃钢开模具，采用双面玻璃钢模模压成型，内外表面光滑，无毛刺，无气泡，密实程度好；绝缘平台布置，主要防止平台作业时接触导线造成相间短路，支架采用钢材，外部采用玻璃钢开模具，边相采用绝缘遮蔽罩遮蔽。

三、运动控制系统的实现

运动控制系统，操作者操纵主手，主手各关节上的电位计检测移动位移，输出8路模拟量信号，经A／D转换后，输出给主控制器，主从控制器之间经过光纤进行通信。将主控制器发出的控制信号进行D／A转换，驱动各关节伺服阀，控制油缸移动相应的位移．同时，从手各关节传感器也会将信息反馈给从控制器，并上传至主控单元。

1. 硬件实现。运动控制器通过光纤与主控单元连接，接收并解析主控系统下发的运动指令序列，控制伺服阀驱动油缸和马达运动，同时，通过角位移传感器、压力传感器等实时采集油缸和液压马达的相关运动参数，并上传至主控系统，系统结构图如图2所示。选用TRIOEur0209控制器，它是针对运动控制领域独立开发出来的基于微处理技术的高精密数字运动控制器；液压马达输出旋转运动，能够将液压泵提供的液压能转变为机械能，应选择体积小、重量轻、结构简单、对油液的污染不敏感的马达：电位计要求体积小、比例系数高、精度土0．25％以上；伺服阀与比例阀相比，控制精度高、响应速度快，它能够将输入的微小电气信号转换为大功率的液压信号(流量与压力)输出。

随着信息技术的发展和自动化水平的提高，利用遥操作机器人代替人类完成危险场合的作业任务已经变得非常普遍，技术也逐渐趋于成熟，但是一些控制方式还处于摸索阶段．本文采用力位置混合控制策略，既保留了位置伺服控制的优点，又使系统具有力觉临场感．

参考文献

[1]孙建.高压带电作业机器人的开发背景及技术动向[M].北京：机械工业出版社，2018.

[2]曾娜.高压带电作业机器人系统的研制[J].工具技术，2018，36(5).