基于主從控制技術的配網帶電作業機器人研制

李長鵬,吳小釗,宋偉,崔宇

(1. 許繼集團有限公司,河南 許昌 461001; 2. 國網重慶電力公司電力科學研究院,重慶 400074;3. 許繼電氣股份有限公司,河南 許昌 461001)

0 引言

進入新世紀以來,國家經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段,對于電力的需求將不斷增加,對供電質量同時提出了更高的要求。為提高供電可靠性和優質服務水平,持續優化用電營商環境,國網與南網兩家電網公司將進一步推進帶電作業工作。依據《Q/GDW 10520 10kV配網不停電作業規范》,主要開展4類33項作業項目,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,實現對所有配網線路設備開展檢修作業。目前,我國的帶電作業方式仍然大都是人工帶電作業,作業人員處于高電壓、強電場環境,升空頻繁、精神緊張,容易引發人身傷亡事故,人工帶電作業安全性問題急待解決。配網帶電作業機器人不但可以排除高空、高壓等危險因素,同時也將作業流程標準化、自動化,提高工作效率和質量。研制具有更強安全性和適應性的帶電作業機器人,克服人工帶電作業的困難性和局限性,代替人工進行帶電作業是非常緊迫和必要的需求,也是新時代的要求。

本文針對配網不停電的斷、接引流線作業項目實際需求,結合作業流程要求與實際線路工況情況,研制一種10kV配網帶電作業機器人,實現10kV線路在不停電情況下,完成斷、接引流線作業項目。

1 配網帶電作業機器人方案

配網帶電作業機器人從整體結構上主要有兩種形式[1-2]:一種是作業人員在絕緣斗臂車絕緣斗內,通過控制主手控制器對機器人進行高空作業控制的形式;另一種是作業人員位于地面,通過視覺系統完成遙控的形式,如圖1所示。

圖1 配網帶電作業機器人

作業人員以絕緣斗臂車作業移動絕緣承載平臺在高空進行遙控,直接處于作業現場,減少了復雜環境的識別與避障問題,降低了操作難度,提高了作業效率,但這樣未能使作業人員完全脫離高壓和高空作業的危險。作業人員在地面或遠程操控雖不能直接直觀面對真實的作業環境,作業效率會降低,但該種作業模式可使作業人員遠離高壓線路,可避免觸電和高空跌落事故的發生。

本文研究的配網帶電作業機器人采用的是第二種方案。通過多角度的視頻采集器,為作業人員提供更真實的現場作業環境,為簡化機器人控制系統的復雜性,提高作業人員作業的效率與精度?；跈C器人的主從隨動操作技術,設計適合配網帶電作業的主從操作手,研制的配網帶電作業機器人在作業過程中結合人類的智慧及作業經驗,高效可靠地完成不停電的斷、接引流線作業任務[3]。

2 機械臂運動學分析

根據我國現有的10kV線路的安裝標準和帶電作業安全距離要求,確定圖2的機器人工作空間坐標,并求解出帶電作業所需機械臂的最大臂展加帶電作業工具的長度和下限為1 305mm。為增加帶電作業范圍及作業時的靈活性,作業機械臂采用了6自由度關節型機械臂[4]。帶電作業機械臂結構如圖3所示。

圖2 機器人工作空間示意圖

圖3 帶電作業機械臂示意圖

2.1 機械臂坐標系與D-H模型

機器人運動學分析包括運動學正分析和逆分析。運動學正分析是已知關節空間中機器人關節變量,求解笛卡兒空間中的機械手末端位姿問題。正向運動學適用于主從控制操作模式,通過作業人員的操作完成配網帶電斷、接引流線作業項目。運動學逆分析則實現笛卡兒空間到關節空間中的變換,即已知機械手末端位姿求解關節變量,逆向運動學適用于自主控制作業模式,通過視覺識別系統,識別帶電線路主線和支線的位置,確認具體位置后由機器人自主完成作業項目。

由配網帶電作業項目及流程分析可知,開展斷、接引流線的作業過程中,如夾持引流線、穿引流線到線夾、接火作業等操作,雙臂通過主從作業或自主作業協調完成工作時,可簡化為單臂運動另一個靜止的工作方式。該種作業方式能夠簡化控制系統的復雜程度,降低錯誤率,避免雙臂之間的碰撞,且不影響作業效率。按照改進的D-H法建立機械臂坐標系(圖4),機械臂D-H參數如表1所示。

表1 機械臂D-H參數表

圖4 機械臂D-H坐標系

2.2 機械臂正運動學分析

針對配網帶電作業機器人的主從作業功能進行研究,故僅對機械臂的正運動學進行分析[5]。機械臂的正運動學求解是在己知機器人的各關節θi變量(i=1,2,3,…,6)的情況下,計算出機械臂末端執行器的位置。對機械臂建立連桿坐標系后,通過矩陣運算可以導出相鄰連桿間坐標系變換的一般形式。因此連桿i相對連桿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表示從機械臂末端關節的法向向量;ο代表從機械臂末端關節的滑動向量;a表示機械臂末端關節的接近向量;p表示從機械臂末端關節的末端位置坐標。

可確定末端執行器笛卡兒坐標系的位置為

(3)

θz=αtan2(ny,nx)

(4)

(5)

θx=αtan2(oz,az)

(6)

2.3 機械臂正運動學仿真

配網帶電作業機器人末端機械臂運動學的建模是實現關節空間軌跡規劃及關節控制的基本條件,分別通過機械臂的運動學方程式(1)和D-H參數在Matlab中構建仿真模型進行計算,并通過對比實現機械臂正運動學的求解及驗證推算的準確性。

為避免存在偶然性,假定機器人處于作業準備位姿狀態時的各關節角度q1如下:

(7)

則機械臂變換矩陣的計算結果為

(8)

基于Matlab Robotics Toolbox軟件構建末端機械臂的模型[6],并對其進行運動學正解的仿真驗證。利用工具箱中SerialLink函數及teach函數構建具有可視化末端機械臂模型,如圖5所示。通過圖中的滑塊控制器調節各關節的角度可控制機械臂的位置變化。通過fkine函數讀取此時的具體位姿數值,程序及運行結果為:

圖5 機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] );

經比較,仿真結果與計算結果一致,證明末端機械臂正運動學仿真是正確的,故可實現末端機械臂作業過程中的精準控制。

3 主從操作手設計

3.1 主從遙操作主手結構設計

目前行業內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(以下簡稱主手)在操縱6自由度機械臂時,可以直接將手臂上的各關節參數映射到末端機械臂上。操控者結合自己的經驗與智慧將手臂的運動轉化為機械臂的運動控制信號,所以主手的設計應該盡量能夠適應操作者的上肢運動[7]。

根據配網帶電機器人末端機械臂的結構特點和手臂各個活動關節的分布,確定主手的設計方案。主手穿戴于人體上肢,故其設計離不開對人體上肢的運動機理進行分析。在分析操作者上肢的生理結構及其生理尺寸后[8],以主手相互交互的人體上肢作為切入點,并結合6自由度協作性機械臂特點,完成配網帶電作業機器人主從遙操作主手的設計。人體的手臂結構如圖6所示,主要包括肩部、上臂、前臂及手部。所以,可簡化腕部關節的3個自由度、肘部關節的1個自由度和肩部關節的3個自由度共7個自由度。為便于操控者適應多種作業項目,在主手的末端及人體上肢手掌部設有操作手柄,可用于帶電作業工具的控制或機械臂的微調操控。

圖6 人體上肢結構圖

文獻[9]介紹了上肢日?；顒又兴苓_到的運動范圍,結合機械臂的各關節角度運動范圍,可確定主手各關節轉動范圍如表2所示。配網帶電作業機器人主手尺寸需參考成年人人體的坐姿,如表3所示。

表2 主手各自由度運動范圍 單位:(°)

表3 主手尺寸 單位:mm

在配網帶電作業機器人系統中,操控者感知配電線路環境信息,并借主手與末端機械臂完成作業內容。主手的結構形式對信息測量的準確性及傳輸的實時性、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,主手是帶電作業機器人系統中的核心部分,關系整個作業過程的安全和高效率。配網帶電作業機器人的主手結構及其機構簡圖如圖7和圖8所示。

圖7 主手結構

圖8 主手機構簡圖

3.2 主手控制策略

項目研制的10kV配網帶電作業機器人具備主從作業功能和自主作業功能。作業過程中作業人員可根據線路實際情況選擇合適的作業模式,并且兩種作業模式可以隨意切換。配網帶電作業機器人系統框圖如圖9所示,本文僅對配網帶電作業機器人的主從作業功能進行介紹。

圖9 配網帶電作業機器人系統

主從遙操作機器人有兩種類型分別是主從同構型機器人和主從異構型機器人。雖然主從異構型主手更充分考慮人體工程學,操作更舒服,并且可以匹配多種不同結構的從端機器人,但機器人控制問題相較于主從同構的要復雜很多。結合配網帶電作業機器人在作業過程中的需求,可采用簡單的關節-關節控制方法即可實現主從控制,再配合主手末端手柄的按鍵功能將手腕等操作不便的關節代替。

對于機械臂的主從運動控制方法主要有關節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]。本文采用的是關節空間控制方法,如圖10所示。主手的每個關節集成高精度旋轉電位器,用來檢查各關節的運動信息。當操控者想要控制機械臂完成抓取引流線或接引流線等作業內容時,操控者的手臂運動參數位移,主手上的電位器檢測到角位移并傳遞給末端機械臂的控制器。

圖10 關節空間控制方法

從主手上使能按鍵按下發出指令,一個運行周期內動作模擬信號傳遞給主手控制器、經工控機通過上下兩個光纖交換機至機械臂控制柜,最后通過內部通信實現機械臂的伺服控制。主從操作動作時序示意如圖11所示。

圖11 主從操作動作時序示意圖

一個運行周期的控制指令信號通過軟件源代碼的一個程序計算出從主手發出指令開始至機械臂控制柜的一個延時時序。一個運行周期的控制信號從機械臂控制柜至機械臂采用的是內部CAN通信,伺服控制,常規延時為2ms。根據伺服控制及傳輸方式等經驗判斷這段延時不會大于5ms。將兩段延時時間加到一起即為總共延時時間,大概在60～80ms范圍內。

4 配網帶電機器人測試

4.1 配網帶電作業機器人電磁兼容檢測

為保證配網帶電作業機器人在配電線路中的運行可靠性,對其進行圖12所示的靜電放電抗擾度檢驗(①為接觸放電(間接放電)部位;②為空氣放電部位)、射頻電磁場輻射抗擾度檢驗、工頻磁場抗擾度檢驗和阻尼振蕩磁場抗擾度檢驗的電磁兼容檢測試驗,檢查結果均為合格滿足相關標準要求。

圖12 電磁兼容檢測試驗圖

4.2 配網帶電作業機器人電磁兼容上桿測試

結合人工斷、接引流線作業流程,在品字形單回路配網線路上開展配網帶電作業機器人測試。按照如下步驟進行斷、接引流線作業測試。

1)接引流線作業試驗

a)將機器人及絕緣承載平臺調整至主導線下側適當位置,啟動引流線抓取程序;

b)通過控制終端上給出的多角度視頻,操控主手控制1號機械臂抓牢引線,然后運動到引線與線夾安裝位置;

c)控制2號機械臂帶動接線工具到達引線末端位置并完成引線與線夾穿線作業;

d)通過地面控制終端確認相線接線位置;

e)操控主手控制2號機械臂完成接線作業;

f)全部工作完畢后,將機械臂收回至初始位置;

g)將絕緣承載平臺移動至指定位置。

2)斷引流線作業試驗

a)將機器人調整至近主導線下側適當位置,啟動斷線程序;

b)操控1號機械臂抓牢引線,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引線剪斷位置;

d)操控2號機械臂到達指定位置,通過斷線工具將引線剪斷;

e)2號機械臂收回至初始位置,1號機械臂控制引線降低至合適位置;

f)全部工作完畢后,將機械臂收回至初始位置;

g)將絕緣承載平臺移動至指定位置。

按照以上作業流程,可完成1相的斷、接引流線作業內容,其他相按照此流程重復作業,配網帶電作業機器人斷、接引流線作業測試如圖13—圖16所示。

圖13 接引流作業—遠相

圖14 接引流作業—中相

圖15 接引流作業—近相

圖16 斷引流線作業—近相

5 結語

針對配網不停電的斷、接引流線作業項目的實際需求,為解決帶電作業工人的高風險、高強度作業等問題,本文研制了一種基于主從隨動操作技術的配網帶電作業機器人,可代替人工在高溫環境下開展不停電作業。結合人體上肢結構特點,采用關節空間控制方法的主手并將末端手柄集成關節控制按鍵以適應人體工程學的需求?；谌耙曈X采集器主從控制作業,可結合作業人員的智慧和豐富經驗完成配網線路下不停的電斷、接引流線作業內容。實驗結果表明,在配電網線路復雜的電磁環境下,主從操控可靠穩定,未出現卡頓現象。下階段將雙目相機立體成像技術和機器人路徑規劃技術相結合,使成像增加實感,增強定位的精確性與復雜環境的適應性,以實現配網帶電作業機器人面對真實復雜線路情況下的自主作業功能。