输电线路空中机器人更换防振锤的研究

输电线路空中机器人更换防振锤的研究

张静    孙喆

西安电力高等专科学校

防振锤是架空高压输电线路的重要组成部分，当架空线发生振动时，防振锤通过两端重锤的上下运动消耗架空线的部分振动能量，从而降低架空线的微风振动强度。然而架空输电线路经常受到大风、雷电、气温剧变等气候变化的影响，在巨大的交变张力、振动引起的弯曲应力和气温急剧变化引起的长期疲劳共同作用下，防振锤易产生锈蚀变形或锤头断裂等损坏现象，故障防振锤将不能起到原有的防振效果，将导致输电异常，甚至出现严重事故。

近年来，特别是老旧架空输电线路运行年限长，防振锤损坏现象有逐年上升趋势，使得带电更换或安装防振锤等检修工作日益频繁。传统的防振锤更换作业主要是通过带电作业人员携带工器具及防振锤登塔并在输电线路上人工独立完成，作业过程中劳动强度大、效率低、危险性高。输电线路巡检机器人可以替代或辅助人工进行高压线上防振锤更换、导线修补、线路巡视等不同作业，可大大减少人工作业次数、提升作业效率，但此类线路机器人在实际运行过程中存在因体积和重量的原因需要人工辅助上下线，使得它的推广应用受到严重限制。因此，如何解决线路机器人的自主上下线以及增强作业过程的自主性和智能性以提升机器人系统的实用化水平是当前研究的关键和热点问题。

随着输电线路无人机巡检技术进步，可见光自主巡检、红外测温、激光雷达建模、喷火清障技术在电网公司广泛应用。基于大载荷无人机平台的空中作业飞行器，具有起降灵活、挂载机械臂操作性强等优势，特别是大载荷多旋翼飞行器已具有垂直起降、自主导航、定点悬停、易拓展等多种飞行模式，飞行器的操作简单实用。基于此，把大载荷多旋翼无人机与输电线作业机器人相结合，发挥各自优势，进行输电线路载荷无人机与带电作业机器人智能协同系统，能够有效解决机器人烦琐的上下线过程及作业过程的智能控制的瓶颈问题，对于提升输电线路现代化带电作业水平和电网运行智能化具有重要的工程应用价值。因此，研制大载荷无人机搭载带电更换防振锤机器人协同工作来替代现有带电作业方式具有重要意义。

输电线路机器人的设计主要包括机器人的结构设计、控制系统设计和传感器系统设计。结构设计需要考虑机器人的尺寸、重量、稳定性等因素，以保证机器人能够在输电线路上稳定运行。控制系统设计需要考虑机器人的运动控制、任务规划和路径规划等问题，以保证机器人能够准确地完成防振锤的更换任务。传感器系统设计需要考虑机器人的视觉传感器、触觉传感器和力传感器等，以实现机器人对环境的感知和对任务的执行。

经分析电力智能化作业现状，大载荷无人机、输电线路作业机器人部分技术比较成熟，而大载荷无人机输电线路作业机器人投送技术，大载荷无人机搭载作业机器人准确悬挂上线技术仍少有研究，所以研究关键技术为以下四方面：

1无人机自主定位投送技术。经过前期输电线路缺陷金具勘测，定位缺销螺栓的经纬坐标，无人机获取维修点坐标，经过算法设计完成航线规划，无人机自主带载悬停至维修点上侧，人工微调无人机左右方向、高度位置。无人机连接臂下降、机体导向对接结构与导线连接，无人机处于姿态模式。机器人由无人机连接臂伸缩下降，与导线固定，并向一侧移动，与无人机分离。

2作业机器人上下线涉及的末端装置结构。无人机通过连接臂牵引机器人上下线，连接臂末端与作业机器人的连接方式是决定装置能否顺利完成吸附和脱离动作的关键。机械末端与物体的接触性搬运常见设计为电动夹持、电磁吸附，依据无人机载荷和作业机器人重量需求，设计连接臂末端执行机构为平衡式电磁吸盘排列机构，结合机器人上下线时末端受力分析，优化电磁吸盘结构布置并进行仿真验证和实物试验；与之相应的设计作业机器人上线悬挂末端结构为光滑平板，电磁吸盘与平板组成吸引脱离装置，考虑到上线摆动问题，在悬挂末端设计防摆动装置。

3金具螺栓图像目标识别测距，项目中作业机器人在线路上不可长距离移动（即越障机构只能进行小金具跨越），无人机牵引作业机器人上线就需要准确定位并脱离；作业机器人完成销钉插补任务需要机械臂末端对插孔的识别和对准。设计连接臂末端-导线、连接臂末端-金具、机械臂末端-螺栓插孔的激光距离测量装置；分别需要对金具（线夹）、螺栓、销子插孔进行图像采集识别，建立基于深度学习的图像处理框架，优化改进图像分类、边缘信息提取、几何特征识别算法，探讨连接臂末端在牵引上线过程中的对中策略、机械臂末端在插补销子的对准策略，并进行仿真及现场实验。

4连接臂及机械臂运动轨迹规划，作业机器人准确上线的最终执行机构，决定了能否上线成功；机械臂末端执行机构决定了能否完成插补销钉。依据视觉测距系统的参数，建立连接臂、机械臂伸缩/转动关节基于D-H坐标系的正逆运动学方程，进行运动学分析，采用牛顿-欧拉方程完成动力学分析，提出连接臂牵引作业机器人上下线的轨迹优化模型和优化方法，提出机械臂插补螺栓销钉的轨迹优化模型和优化方法，实现连接臂、机械臂的轨迹跟踪运动控制并仿真论证最优轨迹。

输电线路机器人更换防振锤的应用可以提高防振锤更换的效率和安全性，降低人工作业的风险。同时，机器人可以24小时不间断工作，大大提高了防振锤更换的效率。此外，机器人还可以通过远程监控和数据分析，实现对输电线路的实时监控和故障预警，提高输电线路的运行安全性。

通过对无人机-机器人更换防振锤作业任务的分析，及现在各部分机构研究现状，本装置的重点功能为准确悬挂作业机器人上线，拆除/安装防振锤为装置作业目标。

拆除/安装防振锤为装置作业目标，需要夹持防振锤、拧螺栓功能。机械臂夹持末端、拧螺栓末端依据测距参数进行运动学、动力学数学模型构建，采用D-H坐标描述、齐次矩阵坐标变换、建立正逆运动学方程完成运动学分析，采用牛顿-欧拉方程完成动力学分析，采用关节空间型进行轨迹优化、B样条曲线插值用遗传算法求解，仿真论证最优轨迹；在执行末端里安装工业摄像头采集图像，采用HOG和SVM法进行图像分类，优化Canny边缘信息提取算法对螺栓进行边缘信息提取，经改进的Hough变换后对螺栓几何特征进行识别，最后机械臂末端达到螺栓对中要求，并进行仿真验证。

未来，我们将继续研究输电线路机器人更换防振锤的技术，主要包括以下几个方面：1. 提高空中机器人的稳定性：通过优化机器人的结构设计和控制系统设计，提高机器人在复杂环境下的稳定性。2. 提高防振锤的识别和抓取技术：通过引入更先进的视觉传感器和力传感器，提高防振锤的识别和抓取精度。3. 提高防振锤的安装技术：通过优化机器人的运动控制和路径规划，提高防振锤的安装精度。4. 实现机器人的远程监控和数据分析：通过引入大数据和云计算等技术，实现对输电线路的实时监控和故障预警。5. 研究机器人的安全性：通过研究机器人的安全设计和安全控制，提高机器人的安全性。