高压输电线路带电检修机器人作业臂运动优化王犇

高压输电线路带电检修机器人作业臂运动优化王犇

王犇

（国网朝阳供电公司辽宁省朝阳市122000）

摘要：近年来，城市高压输电线路铺设规模逐步扩大，现阶段高压输电线路带电检修工作普遍由机器人完成，随着现代科学技术的创新发展，为确保高压输电线路带电检修工作的有效性，加强高压输电线路带电检修机器人作业臂运动优化升级志在必行。本文主要从高压输电线路带电检修技术着手，进一步分析了带电检修机器人的整体结构，深入探究了高压输电线路带电检修机器人作业臂运动规划方法，并提出了高压输电线路带电检修机器人作业臂运动优化策略，望对我国未来高压输电线路带电检修机器人作业臂的优化工作提供相应借鉴。

关键词：高压输电线路；带电检修机器人；作业臂；运动优化

1高压输电线路带电检修分析

带电检修是指在高压电气设备上不停电进行检修、测试的一种作业方法，其对电网稳定运行，确保稳定供电具有极其重要的意义。引流板螺栓紧固是电力部门带电检修的重要内容之一，传统的螺栓拧紧方法主要是通过携带工器具登塔完全依靠人工独立完成，然而高空、高电压环境使得完全依靠人工的方式不仅劳动强度大和效率低，而且危险性高。高压线路引流板螺栓紧固带电检修机器人，通过搭载的双作业臂及其作业末端套筒完成关键位置的定位，实现引流板螺栓的紧固作业。带电检修机器人在作业过程中，作业臂由初始位姿到工作位姿各关节位置、速度和加速度状态的瞬间突变对作业臂造成一定冲击，导致机器人振动的发生，给作业臂及其末端的运动定位精度带来一定影响，因此快速、准确、稳定的作业臂多关节轨迹规划是保证作业任务顺利完成的关键。

2带电检修机器人的整体结构

带电检修机器人由双行走臂、双作业臂及其末端及控制箱等组成。双行走臂能够在线路上行走，一只作业臂（以下简称作业臂1）由旋转关节、伸缩关节和纵移关节组成，另一只作业臂（以下简称作业臂2）由横移关节、旋转关节、伸缩关节和纵移关节组成。双作业臂在线路上作业时都有足够裕度，使其能满足检修作业空间要求。拧螺母作业末端套筒通过燕尾槽固定在作业臂纵移关节上，安装于作业臂2的作业末端套筒有大功率电机，可以实现螺栓紧固，末端采用六角套筒扳手形式以确保套筒与螺栓接触面足够大，此外末端内设复位弹簧的虎克铰，能够适应耐张线夹螺栓一定角度的位置，减小紧固螺栓时对末端产生的内应力。输电导线和耐张引流线通过引流板相联接，其中联接部分通过螺栓固定起来。在进行螺栓紧固作业时，先利用一只机械手末端将螺栓头固定，再由另一只机械手末端套筒套住螺母，通过末端工具电机的转向控制实现螺栓的松开和拧紧操作。

3高压输电线路带电检修机器人作业臂运动规划方法

机器人关节运动规划方法有A*算法、C空间法、人工势场法、MAＲKOV法等。在众多方法中多项式插值算法应用最为普遍，常用的插值多项式有样条函数、三次多项式、五次多项式和高阶多项式。三次多项式插值算法简单但不能满足关节加速度的约束要求;高阶多项式插值算法能够满足关节加速度甚至关节脉动的约束要求但算法过于复杂且容易产生额外运动；结合机器人作业臂对位置、速度和加速度的控制要求，五次多项式插值算法及与其相结合的智能优化算法能够满足作业臂关节运动规划要求。当前关节轨迹多项式插值规划研究成果在一定程度上优化了机械臂的运动轨迹，但是存在两个问题：其一，关节轨迹与轨迹端点时刻有关，一旦轨迹端点时刻发生改变，轨迹函数需要重新计算，从而在一定程度上降低算法的实用性；其二，轨迹规划过于理想化，只考虑了轨迹端点的关节状态约束条件，而忽略了中间过程的关节状态约束，当关节低速运动时只需要保证关节位置不超限，关节速度和加速度不易越过约束范围，但当关节高速运动时，关节速度和加速度很容易越过其约束范围，其结果是可能会导致关节电机驱动电流过大损坏机器人硬件系统。因此，在关节轨迹规划时必须考虑各种约束条件，否则可能会造成大的作业事故。

4高压输电线路带电检修机器人作业臂运动优化策略

4.1建立双作业臂运动模型

机器人双作业臂位姿的规划是依靠各关节的运动来实现的，因此必须将双作业臂轨迹转换到关节空间，再在关节空间中进行轨迹规划。通过机器人双作业臂各关节的轨迹规划，使得双作业臂由初始位姿运动动到作业位姿，实现双作业手末端与引流板螺栓螺母的对准对接。机器人作业手末端由初始位姿到螺栓螺母的对准状态整个过程可抽象为作业臂各关节轨迹规划控制问题，其实质是作业手在空间坐标系中由初始位姿通过作业臂的旋转、伸缩和横移，作业手的纵移关节运动调整双作业手在空间坐标系中的位姿，不断逼近理想位姿的过程。

4.2基于运动时间最优的关节轨迹优化

作业臂关节速度轨迹应该在关节电机输出的最大转速与最小转速之间、关节加速度轨迹会受到关节电机驱动力矩的限制，也应该在某一个区间范围内，但关节速度轨迹和加速度轨迹的制约均可以通过关节电机的选型解决，通过选择合适参数的电机来克服关节速度和加速度的制约条件。因此关于作业臂轨迹优化，本文主要研究的是关节位置约束优化问题，通过本文方法的推广也可进一步研究关节速度和加速度约束优化问题。采用多项式插值法对作业臂进行运动规划，任意关节轨迹的端点位置需要满足关节位置的约束要求，在整个运动过程中如果关节位置从起点到终点呈单调递增或递减运动状态，那么在满足这种条件状态下时可保证关节位置满足其运动约束条件。由改进多项式插值轨迹规划算法可知，关节运动轨迹仅仅与起点和终点的状态及轨迹的运动时间有关，而与端点时刻无关，因此可以考虑通过优化关节的运动时间，使得关节速度轨迹在运动时间内呈单调递增或递减状态，以保证关节位置轨迹满足其约束条件。

4.3双作业臂多关节轨迹优化

带电检修机器人的双作业臂由旋转、伸缩、横移和纵移共七个关节构成，通过各关节的轨迹运动规划使得双作业臂及其末端由初始位姿运动到螺栓螺母对准状态，为保证各关节位置轨迹满足其约束条件，利用关节运动时间最优轨迹规划原理对各关节的运动时间进行优化处理以获得各关节最优运动轨迹。为提高作业效率，各关节为联动模式，由于作业内容和对象已经确定，要求各关节同时到达目标点，而各关节的起始时间时刻是相同的，所以对于双作业臂各关节其运动时间是相同的，即对七个关节设定一个相同的运动时间。然而由于机械特性及关节电机的驱动能力等因素，各关节各有一个独立的最优执行时间范围，因此可对各关节独立最优执行时间取交集以获得各关节整体最优执行时间，可根据各关节的初始条件让双臂各关节满足位置约束的最优运动轨迹规划

结束语：

随着我国社会经济水平不断提高，我国城市化、工业化建设进程逐步加快，工农业生产以及居民日常生活用电需求持续增加，极大地带动了我国电力企业的迅速发展。现阶段，城市高压输电线路铺设规模和范围逐步扩大，高压输电线路故障问题逐步增加，为确保有效解决高压输电线路故障问题，提高高压触电线路带电机器人工作效率，加强对高压输电线路带电检修机器人作业臂的运动优化至关重要。实际工作中通过轨迹运动时间的优化，有效避免关节轨迹超调的发生，提高了关节运动的效率，同时满足轨迹状态全局约束要求，避免作业事故的发生。

参考文献：

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[2]刘夏清,吴功平,邹德华,等.架空高压输电线路带电检修机器人:CN104917105A[P].2015.

[3]严宇,邹德华,刘夏清,等.高压输电线路带电检修机器人的研制[J].现代制造工程,2017(9):29-35.