摘要：近些年来，我国电力事业的发展速度十分的迅猛，电网范围开始不断的扩大，电网安全是公共安全中的核心内容。对此，我国必须要开展电力线路的检修工作。本文主要就耐张绝缘子带电更换机器人控制系统的实用化进行分析，合理的利用好机器人，挖掘机器人的使用价值。
关键词：绝缘子带电更换；控制系统；主从控制机器人
引言：绝缘子更换带电作业的操作要求十分严苛，且该项作业的施工难度较高，容易对施工人员造成安全威胁。在这一时代发展背景下，我国需要利用机器人的共性关键技术以及专用技术等，研究出更适合电网抢修维护作业的带电作业机器人，通过该机器人的使用来取代人工完成作业的形式，机器人可以高频率的完成带电作业，并对带电作业任务进行处理，尽可能的减小作业人员的劳动任务量，让作业人员可以切实的保障自身的安全，隔离开作业人员和高压电场。
1带电作业存在的问题
输电线路绝缘子更换带电作业是用来维修电力设备的重要方式，通过该种作业形式切实保障电力正常输送，提升供电的可靠程度，尽可能的降低停电所产生的各类损失，为电网的安全予以帮助。现阶段，我国输电线路绝缘子带电抢修作业现场较为混乱，首先，带电作业的强度比较大，施工效率低，自动化水平极为薄弱。其次，相关的操作人员直接的去接触各类高压性的电力线路，其安全隐患比较严重。想要处理好上述的各类问题，就需要开发出一套可以在带电状况进行绝缘子更换作业的机器人，实时的进行抢修作业，用机器人去代替人工，更换带电设备。
2系统组成
耐张绝缘子带电更换机器人在作业时，通过绝缘斗臂车把机器人作业平台抬升到需要进行抢修的位置区域内，同时设置全方位的操作手柄，让作业人员可以始终处于一个绝缘的状态下进行施工作业。该机器人的运行系统十分复杂，可以将其功能大致分为如下三个部分，机器人平台、控制平台和操作平台。其中机器人平台由机体、机械臂、机械手、夹爪及末端执行机构构成；控制平台包括运动控制系统、通信系统、图像采集系统和电源系统组成；操作平台通过无线局域网实现对机器人平台和控制平台的无线遥控。其中，控制系统是绝缘子带电更换作业机器人的重要组成部分，通过该系统，把高压电场和施工作业人员隔离开来，更好的完成相关的作业任务目标。利用无线通讯方式，在地面操作站对机械臂进行作业控制，减少高压电场给作业人员带来的潜在威胁。
图1机器人整体结构
图2 机器人系统构成
3 机器人自由度分析
与耐张绝缘子相连的有两个部件，分别是球头挂环与碗头挂板。在更换绝缘子时，首先需要对球头挂环、碗头挂板及绝缘子进行定位和固定，以方便下一步操作。因此，系统需要三个夹爪，分别固定和定位上述三个部件。球头挂环的圆环与UB型直角挂板相连，UB型直角挂板固定在横担上，因此，与固定球头挂环的夹爪相连的机械臂，只需要竖直方向的自由度即可。
碗头挂板一头与绝缘子相连，一头与耐张线夹相连。固定碗头挂板的机械臂需要竖直与左右两个方向的自由度。碗头挂板的定位控制主要包含两个部分：①碗头挂板夹持机构所在平面与碗头挂板所在平面之间夹角的定位；②碗头挂板夹持机构夹爪之间的空间与碗头挂板位置的定位。只有当碗头挂板夹持机构所在平面与碗头挂板所在平面垂直时，夹持机构才可以两端平衡的夹持碗头挂板。
固定绝缘子的机械臂需要竖直、左右两个方向的自由度及水平左右方向的旋转自由度。竖直方向的旋转自由度是为了调整绝缘子钢脚及钢帽的位置，方便拆下及安装绝缘子。绝缘子钢帽的定位控制主要包含两个部分：①绝缘子钢帽夹持机构所在平面与钢帽所在平面之间夹角的定位；②绝缘子钢帽夹持机构夹爪之间的空间与钢帽位置的定位。只有当绝缘子夹持机构所在平面与钢帽所在平面垂直时，夹持机构才可以两端平衡的夹持钢帽；只有当钢帽正好在碗头挂板夹持机构夹爪之间的空间内，在钢帽夹持时才不会出现末端执行机构与作业环境的干涉。
夹爪将球头挂环、绝缘子、碗头挂板定位好后，W销推块将W销推出。W销推块与W销处于同一个平面上。
推出W销后，碗头挂板机械臂向横担方向移动，收紧线缆，使绝缘子处于松弛状态。绝缘子机械臂竖直向下移动，取出绝缘子。
绝缘子上下料机械手将旧绝缘子取下，放入新绝缘子。绝缘子机械臂将新绝缘子顶起，并定位好绝缘子。W销推块将W销推入，碗头挂板机械臂向远离横担方向移动，放松导线。机器人完成耐张绝缘子更换过程。
4 控制系统设计
4.1 控制系统硬件组成
根据对作业过程中运动行为的分解，该机器人共需10个电机，三个液压驱动单元。运动控制系统包含有工控机、西门子S7-200 PLC、PLC无线通信扩展板、I/O扩展卡、无线路由器、位置传感器、图像采集卡等部分。工控机通过无线通信方式，对PLC进行控制，同时接收PLC反馈回来的状态信息。工控机通过图像采集卡，获取机器人上摄像头采集的图像信息。PLC通过位置传感器，获取各机械手所在位置，并进行相应控制。
4.2 控制系统通信方式
机器人与操作平台采取无线通信，机器人平台能够向操作平台实时传输图像信息和机器人状态信息，同时操作平台可以向机器人平台发送控制指令。完整的通信系统结构如图4所示。
图 4 机器人通信系统结构
图5 操作平台构成
4.3 机器人操作平台
操作平台要能够实时对机器人进行控制，通过人机交互界面方便人工控制机器人的运行，同时对其重要状态进行在线反馈，从而使操作人员能够实时掌握机器人的运行状态，为带电更换耐张绝缘子的工作顺利进行提供有效保证。操作平台构成如图5所示。
4.4 控制流程
控制流程分为两种类型，一种为遥控控制方式，一种为自动控制方式。遥控控制方式流程如图6左图所示，自动控制流程如图6右图所示。
4.5 界面原型
界面原型如图7所示，左上角为三维虚拟显示示意图，右上角为实时监控画面，下方为各机械手操作区域。
结语：耐张绝缘子带电更换作业机器人的开发和使用十分的重要，通过耐张绝缘子带电更换作业机器人的应用会有效的提升我国输电线路作业的质量以及效率，从根源上对输电线路作业的方式进行改革和创新，有效的证实了将抢修作业机器人应用到带电作业中是具有可行性的，为我国日后电力事业的发展做铺垫，完善其理论以及实验的内容。
基金项目：江苏省电力公司重点科技项目资助（J2017102）”
参考文献：
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论文作者:周鹏,汪祝年
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/7
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