基于机械臂的35 kV交流输电线路直线塔无人机检修作业系统设计*

2021-05-06张伟龙纪广裕苏国庆贾巨泰钱永生梁鑫钰王辰羽王文月

组合机床与自动化加工技术 2021年4期

张伟龙，纪广裕，苏国庆，贾巨泰，钱永生，梁鑫钰，杜强，王辰羽，王文月

(1. 国家电网天津电力公司，天津 300000；2. 天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387)

0 引言

架空输电线路地处偏远，所处地形、地势复杂，自然环境恶劣，输电设备由于长期暴露于户外，极易产生异物缠绕、雷电击穿绝缘子、导线锈蚀断股等问题。传统依靠人工逐基杆塔检修的作业方式不仅存在检修工作量大、耗时费力等问题，复杂的地理环境也时刻威胁着检修人员的生命安全，导致更多深入的检修工作无法进行[1-3]。相比较而言，利用无人机进行检修工作具有节省时间、降低成本、操作灵活、受限条件少等诸多优势[4-5]。现阶段将无人机作为实现野外高空检修搭载工具的检修方法已成为35 kV及以上架空输电线路不可或缺的检修手段，因此对基于机械臂的无人机检修作业系统开展研究具有重大的社会和经济效益。

近年来，国内外各研究团队对基于机械臂的无人机检修作业系统进行了深入研究。山东电力研究院[6]提出了高压带电作业机器人绝缘轻型机械臂的设计方法，针对机械臂不同部位的结构，通过安装绝缘防护罩或喷涂聚乙烯粉末的方式保证绝缘可靠，在满足持重要求的基础上大幅度降低了机械臂重量，使系统能够满足复杂线路环境的检修要求。广东电网有限责任公司揭阳供电局[7]提出了一种基于多旋翼无人机和多自由度机械电热切割器的输电线路异物清除装置，系统操作灵活，并大大提高了工作效率和安全。耶鲁大学[8-9]设计了一款飞行手爪系统，在无人机上装配了一个柔性顺从手爪，可实现对不同形状轻质物体的抓取，并分析了瞬间增加的有效负载所引起的动态载荷扰动影响以及它们在比例积分微分飞行控制下对无人机的影响。塞维利亚大学[10]研制的携带七关节手臂的作业型飞行机器人，使用变量参数积分Backstepping控制器，其能利用手臂的冗余自由度保证抓取作业的平稳性。

以上研究成果从系统的材料选取、机械结构、控制方法等多个方面研究了基于机械臂的无人机检修作业系统设计方法及其优化方法，对无人机检修作业技术的发展起到了较大的推进作用。但是目前输电线路无人机检修作业系统整机设计缺少定量化的数据支撑，仍然停留在作业人员主观经验判断的阶段，即在保证无人机不出现意外的前提下抵近杆塔或导地线，利用地面站和遥控手柄控制任务设备对巡检目标进行巡视和检查。这种方式虽然可以有效减少意外事故的发生，但也难以最大限度发挥无人机灵巧、效率高的优势，因而需开展相关研究工作，确定典型机型检修作业设计方法，得出定量化的精确结论[11]。

鉴于以上因素，本文基于既有研究成果，根据35 kV交流输电线路直线塔的实际检修要求，提出了一种基于机械臂的无人机检修作业系统的设计方法；通过建立35 kV输电线路无人机检修作业有限元仿真模型，重点研究了输电线路周围电场对检修系统的影响，仿真结果表明作业系统在检修过程中不会发生击穿现象；最后搭建了35 kV线路无人机检修作业真型试验平台对系统进行加压测试，试验结果表明，基于机械臂的无人机检修作业系统的各项参数均能满足检修要求与技术指标。本文研究成果可为35 kV输电线路多旋翼无人机检修作业系统的相关部件设计与防护提供技术保障。

1 系统设计方法

1.1 设计思路

本文针对现有的无人机检修作业系统功能较为单一的痛点问题，考虑无人机机械臂系统在高压输电线路的检修环境及其所要达到的预期目标，对应用于高压架空输电线路检修的绝缘操作机构及基于该类机械臂的无人机系统整机进行合理设计。系统整体的设计思路如下：首先，绝缘问题是研究的重中之重。无人机机械臂在作业过程中可能与输电线路发生接触，这就决定着对其绝缘等级的严格要求，通过合理选取绝缘材料，针对性设计机械臂结构，就可以达到输电线路作业的安全性要求；其次，保障无人机系统控制通信系统稳定。高压环境下强电磁场对通信的干扰是不可忽视的，通过对无人机特殊部位加装屏蔽罩或其他技术手段来保障正常通信也是设计的重点；再次，机械臂辅助控制需要采用测距与图传技术。要在无人机上搭载相应的云台，就要考虑到搭载云台的位置、质量和传输等问题，选取合乎规范内的云台将其对整体系统的影响降到最低；复次，为实现无人机与机械臂系统作业中的零值检测功能，要通过在系统中设立参考点位点来完成，初步设计在无人机系统电路板上设立参考电位点最为合理，该功能易实现且相对稳定；最后，要充分考虑基于机械臂的无人机检修作业系统的安全稳定和功能性要求，考虑系统各部分结构对整体的影响，设计合理的整机结构。

1.2 机械臂系统设计

图1所示的是机械臂系统的构造示意图。

1.机械爪 2.舵机保护盒 3.零值检测仪连接套 4.高压验电器连接套 5.绝缘杆 6.限位杆 7.环氧树脂绝缘层 8.俯仰专用轴承套 9.连动杆 10.滚转专用轴承套

环氧树脂绝缘层7通过绝缘螺栓安装于无人机体底部与起落架之间，绝缘层下端通过钢架连接俯仰专用轴承套8，轴承套8固套在金属轴承外部，轴承右端安装俯仰专用伺服舵机以驱动轴承旋转带动俯仰机械结构及连动杆9，实现机械臂俯仰操作。

在设备前端，通过在绝缘杆5上添加可拆卸式设计装置(零值检测仪连接套3、高压验电器连接套4)可用绝缘螺栓连接机械爪1、伸缩验电笔以及零值检测仪等设备。在机械爪1左侧安装伺服舵机，通过舵机驱动机械爪完成异物清除操作。

在设备后端，绝缘杆5的滚转动作通过伺服舵机进行控制实现，轴承套10固套在金属轴承外部并固定到连动杆9的另一端。在舵机顶部，装备有配重块，防止绝缘杆前端过重导致的绝缘杆5后端上翘损坏无人机。

环氧树脂绝缘层7前后两端均安装有限位杆，防止绝缘杆5前端或后端异常翘起时损坏无人机机翼。各伺服舵机的驱动线路均位于绝缘杆内部，舵机均置于舵机绝缘保护盒2内，隔绝外部高压环境可能带来的电磁冲击，对舵机间隙处做等电位处理，减小舵机内电路击穿风险。绝缘层7上可以搭载独立云台，用于装载高精度工业摄像头、图传机载端设备，实时显示机械爪1、零值检测仪、高压验电器、绝缘杆5的工作状态并保证无人机在工作中保持在与高压输电线相对的安全距离。

1.3 其他部件选择

就无人机型号而言，目前天津电力公司普遍采用M600无人机进行线路巡检，通过搭载D-RTK GNSS系统可实现厘米级精度定位，双天线测向技术抗干扰性强，在输电线路强磁干扰的环境下能够保障无人机飞行控制精准可靠。

大扭矩、高力矩的舵机作为机械装置的动力来源，是机械臂系统设计的重要环节，结合机械臂前端机械爪拖拽异物的实际工况，本文将HITEC HSR-5990TG高电压钛齿轮可编程数字舵机作为机械臂系统的驱动源。

基于机械臂的无人机检修作业系统主要由机械臂系统和无人机系统组成，为了防止等电位的机械臂系统对无人机飞控系统造成冲击，机械臂系统的控制要与飞控系统相互独立，因此需要搭载单独的接收机和控制器用于控制舵机运转。根据检修需要本文采用的舵机控制器型号为FUTABA T16SZ，机载接收器为FUTABA R7008SB高压版接收器。

在高空、强电磁环境中，无人机高清视频无线传输的低延迟性是工作高效性与安全性的重要保障。Amimon CONNEX 5.8G数字高清图传可以满足无人机视频传输中的带宽业务需求，其视频传输延时低于100 ms。

在检修作业系统中，轴承链接件作为整个系统的主要受力点承担着作业系统的载荷平衡与运转任务，具备高精度、低摩擦、耐磨损性能的BKD轴承能有效延长系统寿命，提高可靠性。

1.4 整机搭建

基于前文部分介绍的多种设备对基于机械臂的无人机检修作业系统进行整体搭建。样机实物与概念图如图2所示。

(a) 系统样机

(b) 概念图

2 仿真实验与分析

2.1 仿真模型

如图3所示的是天津电力公司设计用35 kV输电杆塔，根据天津电力公司的杆塔设计文献可知，杆塔塔全高31 200 mm，大伞半径为2400 mm，中伞半径为3200 mm，小伞半径为2700 mm，输电线路导线采用LGJ-150型号，直径为17.48 mm。

图3 输电线路杆塔平面图

图4所示的基于机械臂的无人机检修作业系统是以天津电力公司通用的M600无人机为原型搭建，机械臂材料为环氧树脂，无人机旋翼、机架、机身均采用碳纤维材料。

图4 基于机械臂的无人机检修作业系统模型

将系统模型导入COMSOL Multiphysics有限元仿真软件，对基于机械臂的无人机检修作业系统受输电线路周围电场的影响进行探究，主要分析机械臂左端到线路几何中心的距离d为0.84 m、0.34 m与0.02 m时，系统中机械臂、旋翼、机架、机身所要承受最大电场强度与电压值的变化情况，进而根据参数变化探究系统是否存在击穿风险。

2.2 d=0.84 m时的无人机检修系统状态

通常情况下，基于机械臂的无人机检修作业系统局部场强大于经典棒-板间隙击穿强度3 kV/cm～3.5 kV/cm或者大于空气击穿强度为30 kV/cm时，系统部件容易产生击穿风险，威胁到检修作业系统运行。当d=0.84 m时，检修作业系统各部件的电势变化情况如图5所示。

图5 d=0.84 m时的系统各部件电势变化情况

由图5可知，无人机检修作业系统中各部件电势随系统与输电线路间距的增加而减小。考虑各部件具备一定的耐压能力，通过图5所示的电势变化可以得出如表1所示的各部件承受电压值与所处环境的最大电场强度。

表1 d=0.84 m时的系统各部件最大电场强度与电压

由表1可以看出当检修作业系统距离输电线路0.84 m时，机械臂承受电场强度与电压值最大，分别为3712 V/m、2069 V；距离检修线路更近的前端旋翼相较于后端旋翼而言，承受电场更强；机架的电场强度和承受电压也远大于机身，这主要是因为机架外形为棒状尖端，易发生电荷聚集和场强畸变现象。

根据表格数据，基于机械臂的无人机检修作业系统在距离输电线路0.84 m时，无击穿现象发生，设备可以安全运行。

2.3 d=0.34 m时的无人机检修系统状态

如图6所示的是机械臂左端到线路几何中心距离为0.34 m时的检修作业系统各部件的电势变化情况。

图6 d=0.34 m时的系统各部件电势变化情况

由图6可知，作业系统中各部件电势随系统与输电线路间距变化的趋势与图5基本相同。通过图6所示的电势变化可以得出如表2所示的各部件承受电压值与所处环境的最大电场强度。

表2 d=0.34 m时的系统各部件最大电场强度与电压

由表2可知，当系统距线路0.34 m时，系统部件中的最大电场强度仍均小于空气击穿强度和棒-板间隙击穿强度，不会发生击穿现象。

2.4 d=0.02 m时的无人机检修系统状态

作业系统与输电线路相距0.02 m意味着系统紧贴输电线路，由图7可知，此时输电线路周围电场对无人机检修作业系统影响最大，机械臂、旋翼、机架、机身等部件相较于之前的两种工况出现明显的电势增大现象。

图7 d=0.02 m时的系统各部件电势变化情况

根据图7的系统电势分布情况可以得出各部件承受的电场强度如表3所示。

表3 d=0.02 m时的系统各部件最大电场强度与电压

由表3可知，当系统距线路0.02 m时，系统接触输电线路进行检修作业，各部件承受电场强度是间距变化过程中的最大值，机械臂承受的电场强度为34 673 V/m。此时系统部件中的最大电场强度仍均小于空气击穿强度和棒-板间隙击穿强度，因此不会导致击穿现象发生。

综上所述，基于机械臂的无人机检修作业系统在35 kV架空输电线路周围电场的影响下，不会被击穿，可以完成检修工作。

3 型式试验结果与分析

根据架空输电线路电气特性及检修诉求，基于机械臂的无人机检修作业系统将工作于35 kV输电线路的强电磁环境，工作状态为近导作业。为了实现挂载绝缘机械臂的无人机检修装置示范落地应用，完成对35 kV线路零值检测、验电和清除异物工作的部分替代，需要对检修作业系统的适应与承受能力进行实际加压测试，验证样机系统与预期技术目标及相关标准的实际适用性。

样机考核的主要技术指标如下：装置能够稳定自主悬停且悬停精度水平及垂直不大于10 cm；上下行链路能够稳定传输，作业点监控视频延迟在100 ms以内；机械装置可以完成清除异物、验电、零值检测操作。

3.1 图像延迟、图像畸变与抗干扰能力

图像延迟试验的测试设备主要包括图传显示器、秒表和相机。在进行试验时需要将图传显示器摆在秒表旁，秒表开始计时后，将摄像头对准秒表，用相机拍下显示器和秒表的计时照片，计算两者显示秒数的差值再乘以1000就得到了图像传输系统的延迟时间。

图像畸变试验的测试设备主要包括测试图像畸变的MATLAB程序、棋盘格和相机。在进行试验时需要用相机拍摄多张不同角度棋盘格的图片，将图片传入电脑并运行MATLAB程序就可以得到图像像素误差以及畸变参数。在粘贴打印好的棋盘格图片时，要保持棋盘格的平整、光滑，不能发生变形和皱褶。

图传抗干扰能力试验的测试设备主要有35 kV测试线路、相机、高清图传和显示器。将图传机载端放置于35 kV测试线路外围1.5 m处，对比正常环境和强电磁环境图片的清晰度，观察回传图像是否出现雪花或其他异常情况。

经型式试验测得图像传输系统延迟时间为89 ms，低于指标要求的100 ms；图像像素误差在x轴方向为0.182 36，在y轴方向为0.207 56，畸变参数为[-0.08062 -0.7992 -0.00324 0.00831 0]±[0.05965 1.494 0.002 0.00217 0]；在35 kV输电线路电磁环境下图像传输质量未受影响，地面端显示器未出现雪花点等异常情况，可以正常工作。综上所述，图像传输系统能够满足基于机械臂的无人机检修系统的作业要求。