配电网带电作业机器人机构配置与协调控制方法分析

陈欣欢

(安徽职业技术学院 机电工程学院，安徽 合肥 230011)

机器人的应用范围伴随其高速发展而日益广泛，机器人已应用于众多复杂环境的工作场合中，在人类无法工作的恶劣环境中实现高效工作[1].将机器人应用于电力行业中，推动电力领域的进一步发展[2-4].带电作业具有环境复杂、危险系数过高的缺陷.带电作业机器人指配电网电力设备正常运行时，利用机器人完成配电网高压情况下的检修以及监测等各项作业.配电网带电作业机器人有效解决了电力领域作业危险性过高的难题[5].配电网带电作业机器人高压作业时，需具有较高的实时性以及精准性，其协调控制性能尤为重要.

带电作业机器人是目前机器人领域以及电力领域受到众多研究学者重视的部分，刘召以及闫冬等人分别将激光光斑技术与层次深度强化学习技术应用于带电作业机器人中[6-7]，实现了机器人的线缆定位以及机械臂的精准控制，为带电作业机器人的高效作业提供依据.为了进一步提升配电网带电机器人的工作效率以及控制精度，研究配电网带电作业机器人机构配置与协调控制方法.分析配电网带电作业机器人的机构配置，将模糊PID控制器应用于带电作业机器人的作业过程中，实现带电作业机器人的协调控制.避免带电作业机器人在配电网作业过程中，受到复杂环境以及干扰等情况影响.带电作业机器人应用于配电网作业中，具有无污染、响应快速等优点，使用价值高.通过实验验证模糊PID控制器可实现配电网带电作业机器人的精准控制，输出的控制量极为平稳，具有较高的稳态性.

1 带电作业机器人机构配置与协调控制

1.1 带电作业机器人机构配置

设带电作业机器人工作于配电网的耐张段内，配电网带电作业机器人工作时需要跨越配电网的直线塔，带电机器人工作时还需跨越配电网的间隔棒、悬垂吊架等众多设备.带电作业机器人的主要作业任务是将配电网巡检设备设置于机器人中，带电作业机器人的基面基站依据巡检结果控制机器人的维修机械手作业[8]，机器人的维修机械手需通过行走方式工作于配电网的导线上，完成各项作业.

通过带电作业机器人设置的巡检设备检查配电网是否存在金具、螺栓脱落以及损坏情况，同时监测配电网导线是否存在断股情况，保障配电网的可靠运行[9].带电作业机器人将巡检内容利用通信信号传送至地面基站PC端的控制中心.配电网维修管理人员利用机器人返回的内容确定配电网中是否存在异常情况，及时制定相关运维方案.带电作业机器人操作人员通过机器人机械手以及爬升机构的协调控制实现配电网的部分维修工作.带电作业机器人需具有自动上线以及自动下线的功能，机器人需配置可独立工作的升降机，避免由于机器人本体工作载荷过重影响其运行.

带电作业机器人的本体主要包括吊臂装置、轮式行走机构、维修机械手、电源系统、控制系统、自救传感器系统和防滑装置等.带电作业机器人的主要机构配置如图1所示.

图1 带电作业机器人机构配置

通过图1可以看出，配电网带电作业机器人主要包括机器人本体以及地面基站两部分.机器人本体包括电源系统、障碍跨越机构、自救传感器系统以及自锁轮式爬升机构等.自锁轮式爬升机构组成升降机，利用包含主动轮以及从动轮的自锁轮组成，所组成的自锁轮可沿配电网的绝缘绳自由爬行[10]，具有工作可靠以及结构简单的优势.带电作业机器人选取双排吊臂轮式行走机构实现导线行走，双排行走轮需设置于两条同相导线上，保障机器人带电作业时，具有良好的稳定性，在天气状况较差以及风力较大时，不受外界环境影响.机器人包含障碍跨越机构，所设置的障碍跨越机构自由度数量为1，利用两个自由度提升障碍跨越机构的可靠性.

配电网带电作业机器人采用以上机构配置将机器人设置的升降机以及机器人本体划分为独立整体，避免机器人本体由于重力过大消耗过多的能量，提升机器人运行的可靠性，机器人故障情况下便于操作人员快速施救.

1.2 带电作业机器人爬升机构运行原理

带电作业机器人工作时，其升降机沿输电电缆的绝缘绳通过爬升以及下降实现运行.选取驱动轮以及定滑轮两个夹紧轮安装于爬升机构中设置的U型支架中.所设置的定滑轮和驱动轮利用绝缘绳缠绕[11]，存在载荷作用加至绝缘绳上时，驱动轮移动至定滑轮方向，夹紧绝缘绳.驱动轮上的包角范围受到绝缘绳作用时，形成大量摩擦力，通过所形成的摩擦力令绝缘绳具有自锁功能，升降机上升以及下降利用驱动轮的转动而驱动，提升带电作业机器人的运行可靠性.

不考虑爬升机构绝缘绳自由端重力W情况下，用f表示驱动轮缘与绝缘绳之间的摩擦因数，可得绝缘绳拉力F2表达式如下：

(1)

公式(1)中，P与F1分别表示绝缘绳的压力以及竖向拉力；L表示驱动轮与铰链之间的间距；R与θ分别表示驱动轮半径以及结构角度.

忽略绝缘绳运行过程中的质量、离心力以及弯曲对运行的影响[12]，依据欧拉公式获取爬升机构自锁条件表达式如下：

F1=F2×efα.

(2)

将公式(1)代入公式(2)中，可得表达式如下：

(3)

由于存在α=π+π/2-θ=3π/2-θ，依据爬升机构的运行结构可知存在0<θ<π/2，可将公式(3)转化如下：

(4)

驱动轮与绝缘绳间的结构参数L、R、θ以及摩擦因数f是影响带电作业机器人爬升机构自锁条件的重要因素，良好的控制方法可保障带电作业机器人的可靠作业.

1.3 带电作业机器人的协调控制

带电作业机器人协调控制包括通用部分的控制和专用部分的控制两部分，利用通用部分的控制实现带电作业机器人的机械臂、行走机构、夹持机构以及带电作业机器人机械手部位的运动控制[13].专用部分的控制指对于带电作业机器人末端机械手的运动控制.

将模糊PID控制器应用于带电机器人的作业过程控制中，有效提升带电作业机器人的协调控制性能.模糊PID控制器总体结构图如图2所示.

图2 模糊PID控制器控制结构图

模糊PID控制器包括模糊参数调节器以及PID控制器两部分.令带电作业机器人输出值y(t)为期望值Z，PID控制的控制信号u(t)由以下公式形成：

e(t)=Z-y(t).

(5)

为了提升模糊PID控制器的控制性能，将参数KP、KI、KD的增量ΔKP、ΔKI、ΔKD作为控制参数，由于3个参数的增量在控制器运行过程中仅存在少量变化，因此降低了PID控制器的控制复杂度.

(6)

(7)

(8)

考虑带电作业机器人运行过程中的波动，将PID控制器的输出参数转化如下：

(9)

(10)

(11)

模糊PID控制器运行过程中的输入量变化范围即变量的基本论域，需模糊化处理各个参数，将各变量的基本论域映射至模糊集的论域.

完成映射后，调节参数KP下期望值Zl的表达式如下：

(12)

同理可获取调节参数KI与KD的期望值Zm与Zn表达式如下：

(13)

(14)

模糊PID控制的输出变量即模糊推理的结果，由于模糊推理结果为模糊集，因此无法直接控制带电作业机器人，需转化为带电作业机器人可以执行的精确量[15]，通过重心法的解模糊方法实现模糊集的解模糊.

用C与μC(z)分别表示模糊集以及其隶属度，z*表示二者的覆盖区域中心，其表达式如下：

(15)

通过以上过程建立控制决策表，带电作业机器人运行时，通过调用形成的控制决策表读取控制数据，大量降低了协调控制所需时间.

输入变量转化为论域确切值的逆过程即解模糊的过程，通过解模糊的过程获取输出变量的最终结果，将该结果利用模糊PID控制器传送至执行器，精准控制配电网带电作业机器人.

2 实例分析

为验证所研究配电网带电作业机器人机构配置与协调控制方法的有效性，将采用本文方法配置机构的带电作业机器人应用于220 kV的输电线路中，通过带电作业机器人的螺栓紧固等配电网作业任务验证本文方法的协调控制有效性.

统计本文方法设置爬升机构的参数为L=2R时，带电作业机器人爬升机构的结构角度与摩擦因数的关系曲线结果如图3所示.

结构角度/rad图3 结构角度与摩擦因数关系曲线

通过图3结果可以看出，带电作业机器人爬升机构完成自锁的最大摩擦因数值为0.37.带电作业机器人的绝缘绳以及驱动轮材料的摩擦因数均低于0.05，可满足爬升机构完成自锁的摩擦因数需求.爬升机构材料的摩擦因数明显低于0.37，通过图3关系曲线研究结果可知，爬升机构不受带电作业机器人本体质量的大小影响，可满足自锁条件.

设置配电网带电作业机器人工作的主要关节运行路径，验证采用本文方法协调控制机器人运行的有效性.带电作业机器人的实际运行路径与所设置运行路径对比结果如图4所示.

X轴/cm图4 设置路径与实际路径对比

图4实验结果可以看出，采用本文方法协调控制的带电作业机器人，主要关节的运行路径的误差值低于1 cm，可满足带电作业机器人的路径误差低于5 cm的需求.对比结果验证本文方法所采用模糊PID控制器具有良好的控制效果，可满足带电作业机器人的低运行偏差需求.

将采用本文方法控制的带电作业机器人应用于220 kV配电网实际应用中，统计带电作业机器人的工频耐压以及实际应用性能.令带电作业机器人进行不同类型的配电网作业，测试结果如表1所示.

表1 配电网带电作业测试结果

由表1实验结果可以看出，配电网施加电压大小为220 kV，测试持续时间为120 min时，采用本文方法控制的带电作业机器人在220 kV高电压配电网情况下，可以实现有效作业，作业过程中的机器人本体以及地面基站运行状况中的各项指标均为正常.带电作业机器人本体可有效接收地面基站所发送的各项指令，地面基站同样可以准确接收带电作业机器人运行过程中的各项反馈信息.带电作业机器人可依据配电网管理人员的作业需求成功完成绝缘子更换、异物清除等多项作业，作业过程中的各关节可正常运行，满足作业的定位需求，应用性能极高.

3 结 论

配电网高压带电作业对时效性以及作业精度要求较高，带电作业机器人的机构配置以及协调控制极其重要.分析了配电网带电作业机器人机构配置，利用模糊PID控制器实现带电作业机器人的协调控制.配电网带电作业机器人具有沿高压输电线路行走作业的特点，通过实验验证采用模糊PID控制器控制带电作业机器人具有较好的控制效果，可实现带电作业机器人的协调控制，并且具有超调小、响应速度快的优势.将带电作业机器人应用于配电网高压输电线路带电作业应用中，可有效实现螺栓紧固以及导线修补等众多高压带电作业，保障配电网的稳定运行.