多机械手的配网带电作业机器人的研究与设计

童翔威

（国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

传统带电断、接引作业主要依靠人工作业。自20世纪80年代末开展带电作业以来，采用手套法作业，作业人员基于绝缘斗臂车对地进行绝缘隔离，穿戴绝缘服和绝缘手套并对裸露导线、金具、横担、电杆等设备进行绝缘遮蔽后，开展带电作业工作[1]。21世纪后，也曾开展基于绝缘操作杆的带电断、接引作业。由于配网设备结构紧凑、安全距离裕度小，引流线解搭头时易造成相间、相地短路。近年来，因作业人员操作疏忽造成的人身伤亡事故时有发生，如何保证作业人员的安全问题迫在眉睫。同时，受线路结构、地形和交通条件限制，绝缘斗臂车难以到达作业位置，导致不能开展带电作业，从而被迫对线路进行停电检修和改造，降低了供电可靠性，严重影响了国民经济生产。带电作业机器人是配网带电维护抢修作业的一种新型作业方式和作业装备。开展配网带电作业机器人研制，对满足民生电力需求十分必要且亟需。

图1 机器人结构组成

1 多机械手的配网带电机器人的总体架构

机器人由控制箱、X和Y轴位姿调整十字滑台、环形工具传送装置、抓取机械手、绝缘导线剥皮机械手和设备线夹安装机械手构成，如图1所示，三机械手在机体中间以等边三角形匀称布置，均为6-DOF机构。移动绝缘平台安装有独立的机械手，其末端为夹紧导线的夹爪装置，从而保证机器人与导线相对位置的固定[2]。

机器人控制箱通过X、Y轴十字滑台沿移动绝缘平台移动，保证多机械手协同作业的有效空间。绝缘导线剥皮装置机械手具有6自由度，可到达作业点范围内的任何位置，并可独立完成绝缘层剥皮任务。抓取机械手主要完成导线清理、涂导电脂、绝缘保护罩安装的作业任务，可将设备线夹固定至设备线夹安装机械手末端执行机构上。设备线夹安装机械手携带设备线夹安装在导线上，各机械手及其末端工具关系如图2所示。作业时，抓取机械手和绝缘导线剥皮机械手协同工作将引线整理，绝缘导线剥皮机械手控制引线的适当位置，防止引流线碰触相邻的带电相；抓取机械手控制引流线搭接端将引线插入设备线夹，设备线夹安装机械手上作业末端的螺母拧紧机构动作，实现对螺栓的紧固[3]。

2 主从机械臂结构设计及优化

为增加机器人带电作业范围和作业时的灵活性，作业机械臂采用了6自由度关节型机械臂，如图3所示。其中，基座底部通过法兰连接到箱体上；臂Ⅰ具有回转自由度，通过交叉滚子轴承与基座连接，可绕基座中心轴旋转；臂Ⅱ与臂Ⅰ、臂Ⅲ与臂Ⅱ、臂Ⅳ与臂Ⅲ之间均为俯仰关节，可绕其铰关节中心轴旋转，增加机械臂伸展的长度；臂Ⅳ与臂Ⅲ具有相似的机械结构，其一端通过铰关节与上一级连接，另一端可绕自身的中心轴回转，运动方式灵活。

图2 机械手及其末端工具关系

图3 六自由度机械臂构型

机械臂关节的运动主要分布在各关节中的驱动单元，采用电机驱动的方式，使机器人在反应速度、控制精度、运动平滑性等方面都具有良好的特性。各关节执行部件均装有压力传感器和角位移传感器，实时测量各执行部件参数，并反馈至运动控制系统和主控制系统。

3 主从机械臂结构设计

3.1 剥皮末端

在配网系统中，考虑到行人和交通安全等因素，80%以上的架空线路采用交联聚乙烯绝缘导线。根据荷载不同，它有90、120、150、240等多种型号。因此，需适当设计夹紧装置与切削刀片结构尺寸，拓宽剥皮末端的适用范围，提高其实用性。

3.2 夹持末端

机器人夹持末端的主要作用是夹持各类专用工具进行导线清理、凃导电脂及安装绝缘保护罩等作业，并在断、接引流线时夹持引流线搭接端将其插入设备线夹。夹持末端主要由绝缘夹持手指、曲柄滑块机构、丝杠螺母机构和驱动电机构成。夹持手指采用绝缘材料。作业时，电机作为驱动元件，通过丝杠螺母机构将旋转运动转变为螺母的直线运动，而螺母通过双曲柄滑块机构与成对称布置的绝缘夹持手指连接，带动夹持手指张开或闭合，从而实现夹持末端的抓取功能。

3.3 线夹安装末端

安装引流线时，需将设备线夹挂到引流线上并紧固线夹螺栓。为了简化作业步骤，便于装置找准螺栓，在线夹安装末端上同时设计有拧螺母装置和夹持装置。拧螺母装置用于拧紧或拧松螺栓，夹持装置用于夹持设备线夹。为了使内六角套筒在不受外力时与旋转轴同轴并与螺母较好地对接，在套筒与旋转轴之间设计成十字铰的联接形式，且在十字联轴器内还设有旋转弹簧构成柔性连接。当装置受力时，内六角套筒可相对旋转轴调整一定的角度，实现与螺母的对接。

4 机器人作业运动规划

4.1 导线剥皮

剥皮前，机械手1抓取导线防止导线摆动，机械手2的剥皮末端夹紧装置分别将螺纹孔对准并锁住导线，之后剥皮电机通过齿轮传动带动切削刀片绕导线作圆周运动，在导向螺纹的作用下，将绝缘导线的绝缘层有序均匀剥离。作业完毕后，机械手2离开导线，完成导线剥皮作业。

4.2 导线清理

剥皮作业完成后，环形工具传送装置旋转将导线专用清扫刷送至机器人前侧。机械手1夹持末端从传送装置上抓取清扫工具，并靠近已剥皮导线的裸露部分，对裸导线内侧的异物进行清理。之后，机械手1伸展至导线外侧进行清理。作业完毕后，机械手1收缩远离导线，完成导线清理作业。

4.3 涂导电脂

导线清理作业完毕后，机械手1将专用清扫刷送回至工具传送装置，同时工具传送装置旋转将涂导电脂专用工具送至机器人前端。机械手1抓取专用工具后，靠近已清理的裸导线，对裸导线内侧进行涂脂。之后，机械手1伸展至导线外侧涂脂，完成涂导电脂作业。

4.4 安装线夹

机械手1收缩将涂导电脂专用工具放回工具传送装置，之后机器人X轴直线滑台动作，将机器人移动至左侧适当位置，同时工具传送装置旋转将设备线夹送至机器人前侧。抓取机械手1抓取设备线夹，并将线夹放置在安装机械手3夹持装置内。机械手3的夹持装置收缩以夹紧线夹，最后机械手3靠近导线并将设备线夹一端固定在裸露的导线上。

4.5 安装引流线

安装线夹后，抓取机械手1移动至引流线一端并抓取引流线搭接端，机械手2抓取引流线中间适当位置。之后，机械手1将引流线搭接端插入设备线夹内。作业过程中，机械手2配合控制引流线上下移动，防止被接引流线碰触零相线路造成相间短路。

4.6 紧固线夹螺栓

引流线插入线夹后，安装机械手3上的拧螺母装置动作，将设备线夹的螺栓拧紧，之后抓取机械手1松开引流线并抓取绝缘护套专用工具，将绝缘护套包裹在设备线夹外。

5 结 论

用机器人替代人工作业将是今后运行与检修的发展趋势。带电作业机器人是配网带电维护抢修作业的一种新型作业方式和作业装备。因此，主要探究了配网带电作业机器人研制，对满足民生电力需求具有重要意义。