摘 要： 為了適應(yīng)10 kV配電線路帶電作業(yè)的要求，研制了一臺能夠最大限度滿足現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境要求的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，包括主從操作機(jī)械臂、機(jī)器人專用升降系統(tǒng)、絕緣工具系統(tǒng)、絕緣防護(hù)系統(tǒng)四部分。在10 kV配電線路上進(jìn)行了試驗(yàn)，機(jī)械臂操作靈活，絕緣防護(hù)方法設(shè)計(jì)合理，防護(hù)性能可靠，操作簡單方便。
關(guān)鍵詞： 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人；主從式機(jī)械臂；帶電作業(yè)工具；高空作業(yè)車
為了提高帶電作業(yè)的自動化水平和安全性，減輕操作人員的勞動強(qiáng)度和強(qiáng)電磁場對操作人員的人身危害，從上世紀(jì)80年代起許多國家都開展了帶電作業(yè)機(jī)器人的研究，如日本、西班牙、美國、加拿大、法國等。2002年我國也進(jìn)行了高壓帶電作業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品化樣機(jī)的研制。針對目前我國10 kV線路帶電作業(yè)工藝要求，以及作業(yè)環(huán)境的特點(diǎn)，研制一臺能夠最大限度地滿足現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境要求的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人可以代替人工完成作業(yè)頻率較高的帶電斷線、帶電接線等作業(yè)任務(wù)，減輕作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，使作業(yè)人員與高壓電場完全隔離，最大限度地保證作業(yè)人員的安全。
1 高壓帶電作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)組成
高壓帶電作業(yè)機(jī)器人按功能分為四個(gè)模塊。
(1)主從操作機(jī)械臂
完成作業(yè)任務(wù)，將高壓電場與作業(yè)人員隔離。主從控制精度高、實(shí)時(shí)性好、持重大、自重小、性能穩(wěn)定可靠。
(2)機(jī)器人專用升降系統(tǒng)
采用目前通用絕緣斗臂車改造，活動空間、絕緣等級參照國標(biāo)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。將機(jī)械臂運(yùn)送至線路作業(yè)位置。
(3)工具系統(tǒng)
包括剝皮器、扳手、斷線鉗、破螺母工具等專用工具，以及接引金具、遮蔽工具等。
(4)絕緣防護(hù)系統(tǒng)
保證操作人員與高壓電場完全隔離。同時(shí)應(yīng)保證機(jī)器人對地絕緣、防止相間短路。
2 主從式操作機(jī)械臂設(shè)計(jì)
如圖1所示，每個(gè)絕緣機(jī)械臂均包括液壓機(jī)械臂本體、機(jī)械臂供油裝置、液壓伺服驅(qū)動器、液壓伺服驅(qū)動器電源、光纖、主手控制器、主手、主手控制單元、逆變器、電源。機(jī)械臂是一個(gè)基于微控制器的電液設(shè)備。機(jī)械臂本體采用鋁合金和不銹鋼制造。機(jī)械臂的主手便于左手或右手操作。機(jī)械臂本體可以分為上臂和前臂兩個(gè)基本部分。上臂部分提供腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰和小臂俯仰的運(yùn)動。前臂部分提供腕部俯仰、腕部搖擺和腕部旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動。機(jī)械臂關(guān)節(jié)的運(yùn)動通過7個(gè)液壓執(zhí)行器來執(zhí)行。每個(gè)執(zhí)行器通過一個(gè)液壓伺服閥來控制。為了減少輸油管線和機(jī)械臂的復(fù)雜度，所有液壓伺服閥被集成到機(jī)械臂的內(nèi)部。除了液壓伺服閥，還增加了減壓閥和電磁閥。電磁閥用來開關(guān)液壓源。由于增加了減壓閥，要求外部油液壓力不能超過3 000 psi(1 psi=6.895 kPa)。標(biāo)準(zhǔn)主手是一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊、帶自平衡模塊的設(shè)備。主手和從手采用相同的結(jié)構(gòu)。主手每個(gè)關(guān)節(jié)都安裝一個(gè)電位器，用來提供主手的位置信息[1]。
3 機(jī)器人專用升降系統(tǒng)設(shè)計(jì)
升降系統(tǒng)最大作業(yè)高度19 m，最大作業(yè)幅度14.4 m，斗臂車最大推舉重量等于1 200 kg，為10 kV帶電作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)車，折疊式加伸縮式。斗臂車可以提供30 L/min以上流量，壓力13.8 MPa液壓動力。斗臂車改造后，機(jī)器人平臺位于車尾正中，平臺高度、寬度沒有限制，改裝效果如圖2所示。
4 機(jī)器人工具系統(tǒng)設(shè)計(jì)
如圖3所示，電動剝皮器主要由直流減速電機(jī)、曲柄、連桿、搖桿、棘爪、棘輪、刀頭等幾部分組成。系統(tǒng)特點(diǎn)如下：直流減速電機(jī)驅(qū)動曲柄，通過連桿帶動搖桿和棘爪一起運(yùn)動，棘爪撥動棘輪和刀頭完成刀具的圓周運(yùn)動。雙彈簧保證棘爪在傳動位置/開口位置保持同一姿態(tài)；工具軸向進(jìn)給力由機(jī)械臂提供；凸輪機(jī)構(gòu)將壓線與壓刀動作合二為一，由另一個(gè)機(jī)械手完成；工具采用無線遙控，嵌入式控制系統(tǒng)控制工具正反轉(zhuǎn)及加減速；考慮工具瞬時(shí)過載，對電源要求較高，采用12 V電動扳手電池，電路設(shè)計(jì)反接、過流保護(hù)；工具控制器與遙控電動扳手可互換，工具顏色與電動扳手基本一致，便于今后工具系列化[2]。
電動扳手、電動破螺母工具、電動斷線鉗是高壓帶電作業(yè)機(jī)器人重要的專用作業(yè)工具，其主要功能是安裝、拆卸需要檢修的高壓帶電作業(yè)絕緣子及其他接續(xù)工具。目前應(yīng)用的工具多是手動控制，為了適應(yīng)高壓帶電作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的要求，研制了一套以Atmega128作為主控制器的新型無線控制工具，滿足了高壓帶電作業(yè)任務(wù)的要求[3]。
5 機(jī)器人絕緣防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)對地絕緣依靠絕緣斗臂車實(shí)現(xiàn)，絕緣斗臂車的絕緣臂采用玻璃纖維增強(qiáng)型環(huán)氧樹脂材料制成，繞制成圓柱形截面結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、電氣絕緣性能好、憎水性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在帶電作業(yè)時(shí)為人體提供相對地之間絕緣防護(hù)；操作人員站在絕緣斗內(nèi)操控主手作業(yè)，操作人員與機(jī)械臂之間僅通過光纖通信，操作人員完全與高壓電場隔離；在相-相之間，空氣間隙和絕緣平臺起主絕緣作用，絕緣遮蔽罩形成相間后備防護(hù)，因作業(yè)機(jī)械臂等電位作業(yè)，機(jī)械臂外包絕緣材料，形成最后一道防線，防止機(jī)械臂偶然觸及兩相導(dǎo)線造成短路；機(jī)械臂絕緣方法：玻璃鋼開模具，采用雙面玻璃鋼模模壓成型，內(nèi)外表面光滑，無毛刺，無氣泡，密實(shí)程度好；絕緣平臺布置如圖4所示：主要防止平臺作業(yè)時(shí)接觸導(dǎo)線造成相間短路，支架采用鋼材，外部采用玻璃鋼開模具；邊相采用絕緣遮蔽罩遮蔽[4]。
為了適應(yīng)10 kV配電線路帶電作業(yè)的要求，研制了一臺能夠最大限度滿足現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境要求的高壓帶電作業(yè)機(jī)器人，進(jìn)行了交流耐壓試驗(yàn)和泄漏電流試驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)絕緣防護(hù)方法的可行性。在交流耐壓試驗(yàn)過程中沒有擊穿、閃絡(luò)和嚴(yán)重過熱現(xiàn)象發(fā)生。交流泄露電流試驗(yàn)的泄露電流都小于500 μA。整個(gè)絕緣防護(hù)方法設(shè)計(jì)合理，防護(hù)性能可靠，操作簡單方便。工具系統(tǒng)采用無線遙控方式，可以代替人工完成作業(yè)頻率較高的帶電斷線、帶電接線等作業(yè)任務(wù)，減輕作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，使作業(yè)人員與高壓電場完全隔離，最大限度地保證作業(yè)人員的安全，具有很大的實(shí)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
[1] 孫迪生.機(jī)器人控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.
[2] 曾國華.可控扭矩電動扳手的設(shè)計(jì)[J].工具技術(shù)，2002，36(5).
[3] 李邦協(xié).實(shí)用電動工具手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.
[4] 戚暉，厲秉強(qiáng)，顧載新.高壓帶電作業(yè)機(jī)器人絕緣防護(hù)技術(shù)研究[M].高電壓技術(shù)，2003，29(5)：19-20.