高压导线断股修补机器人构型设计及作业仿真

蔡相男，吴功平

（武汉大学动力与机械学院，湖北 武汉 430072）

1 引言

高压输电导线是钢芯铝绞线结构。运行中的架空输电线路导线，在振动、舞动交变应力及股间相互摩擦作用下，往往会导致导线在其应力集中处产生断股，若不及时修补，将会扩展成为多股断裂而形成翘股散股，严重时产生整根导线断裂重大安全事故，及时修补断股导线是线路维护的一项重要作业内容，目前均采用人工作业方式来修补断股导线。人工作业安全风险高、劳动强度大，且需要停电，而机器人代替人作业，是线路检修维护的发展方向，也是目前研究的热点。

某研究院研制的LineScout检修作业人［1-2］，携带多关节机械臂，并搭载断股修补工具，通过调整位姿进入工作位，采用铝片包裹式的断股修补方法，在断股位置压裹一层铝片［3］，然而不能稳定可靠地加固断股导线，属于临时性修补，需要人工二次断股修补作业。某研究所研制的输电线维护机器人［4-5］，通过携带专用维护工具，沿线路行走过程中利用断股复位工具将故障位置的断股复位，紧接着利用断股压接工具在断股导线末端安装固定夹以防止断股散开，提高了断股修补的质量。文献［6］中机器人融入视觉方法，提出一种断股检测方法和断股补修作业规划，更加符合实际应用需求。

护线条修补断股导线是目前普遍采用的一种修补方法，也是一种最完整的修补方法。该方法是将多组螺旋状预绞丝护线条缠绕在断股导线表面，通过其自身弹性紧紧包裹在导线表面，既修补了断股，又增加了强度，同时增加了电流过流面积。基于此，这里提出了断股导线护线条修补作业机器人构型结构，尤其是具有导线夹持定位、翘股导线复位、护线条安装等功能的作业装置结构及其作业规划，建立了作业装置与护线条、导线的耦合仿真模型，通过动力学仿真分析，验证了作业装置的可行性。

2 构型结构设计

2.1 护线条修补工艺

在输电导线出现断股故障的情况下，利用护线条修补断股能够达到完整修补的作业效果，如图1（a）所示。护线条指的是通过将一定根数具有弹性的高强度铝合金丝按照规定要求预制成螺旋形状的预绞丝护线条，一般由多组共同完成断股修补作业，如图1（b）所示。它可以利用自身的弹性紧缠在断股导线外层，增加导线的强度和刚度，从而恢复导线的机械性能和运载能力［7］。由于护线条所用材质与导线材质相同，也保证了更高的相容性和抗腐蚀性能。

图1 导线断股/护线条/护线条修补示意图Fig.1 Schematic Diagram of Broken Strand/Pre-Twisted Wire/Installation Work

护线条修补断股工艺复杂，主要由翘股复位包扎、导线表面去氧化层涂脂和护线条安装三部分构成。首先需要在断股位置将翘股导线捋回其脱离的凹槽，确保复位后导线表面平整，为后续安装护线条减小阻力，待翘股导线复位后，在其末端用胶带进行捆扎，避免再次散开引起翘股。其次，用铜刷擦拭导线表面，去除表面的氧化层，并在导线表面均匀涂抹导电脂，提高线路的电流运载能力。最后，将护线条按照预制的螺旋形状缠绕于导线的表面，一般人工安装护线条过程中，依次安装各组护线条，如图1（c）所示。

2.2 断股修补作业装置及其机器人构型结构

断股修补作业装置，如图2所示。主要由夹持机构、断股预处理机构和护线条安装装置组成。由于断股预处理机构需要对断股位置两侧的翘股分别进行作业，因此在其底部设置水平回转机构，便于换向。这里主要介绍断股预处理机构和护线条安装装置的功能结构。

图2 断股修补作业装置Fig.2 Broken-Strand Repair Device

断股预处理机构负责复位包扎翘股导线、擦拭导线表面氧化层与涂抹导电脂等工作，其功能结构，如图3所示。该机构主要由外环和内环构成。外环包括固定座和转动座，通过设置回转铰点实现开合运动，当进入作业位置后，闭合包裹导线。内环包括齿轮传动机构、翘股复位件、铜刷和喷漆工具，其中二级齿轮为半圆环式结构，并与翘股复位件固定连接，同步转动。翘股复位件上均匀设置凸点，利用凸点间的空隙抓取断股分叉的铝绞线。同时，翘股复位件上安装铜刷和喷漆工具，分别用于给导线去锈迹、上导电脂。上述内环构件均由外环支撑，在外环闭合后可在电机驱动下通过一级齿轮的传递作用实现旋转运动，配合横移运动将翘股按螺旋轨迹缠绕在导线表面，并同步进行导线表面去氧化层和涂脂作业。在固定座的一侧安装了铝片压接工具，在翘股复位完成后，闭合压接爪将铝片包裹住翘股末端并压紧，避免翘股再次散开。

图3 断股预处理机构Fig.3 The Mechanism of Broken-Strand Pretreatment

护线条安装装置，如图4所示。由限位机构、缠绕机构和导向机构组成。三者同样设置回转铰点，作业之前保持打开状态，进入作业位置后闭合。限位机构固定安装在最左端，可以通过控制限位块的伸缩来夹紧护线条的端点，起到固定和定位的作用。缠绕机构和导向机构间隔一定的距离，安装于同一组丝杠传动机构的横移螺母，在作业过程中同步平移。同断股预处理机构相似，缠绕机构和导向机构同样由内环与外环组成，设置齿轮传动带动内环旋转。其中，缠绕机构的内环负责带动护线条缠绕于导线表面，其缠绕盘均匀设置四个限位孔，并安装被动回转件，将护线条限位的同时，能够提供更大的驱动回转力，同时由于护线条没有绕着自身的中心轴线回转，随着机构横移被动回转件可自适应护线条的形状而转动。导向机构的内环则是起到辅助引导护线条绕着导线轴线回转的作用，避免护线条发生不规则的缠绕。

图4 护线条安装装置Fig.4 The Device of Installation by Pre-Twisted Wire

断股修补装置搭载于避障机构，避障机构设置纵移关节、回转关节和横移关节，通过调整关节运动抵达四分裂线路不同的作业位置，同时避免与导线发生干涉。二者与机器人移动平台复合，构成断股修补机器人，如图5所示。

图5 断股修补机器人Fig.5 Broken-Strand Repair Robot

3 作业运动规划

断股修补机器人具体作业主要包括断股预处理作业与护线条安装作业，以机器人作业下相内侧导线为例，其作业运动规划，如图6所示。

图6 断股修补机器人作业运动规划Fig.6 The Operating Planning of Broken-Strand Repair Robot

（1）在机器人上线前，调整机构的回转铰点保持作业装置处于开放状态，将四组护线条依次穿过导向机构、缠绕机构的内环限位孔，并用限位机构夹紧护线条的左端点，完成固定工作。机器人上线行走至待修补区域。通过调整避障机构的关节运动，将作业装置送至作业位置点，控制夹持机构的夹爪闭合来夹紧导线，使作业装置与导线耦合为一体，确保后续作业的稳定性。此过程，如图6（a）～图6（c）所示。

（2）控制回转铰点闭合预处理机构包裹住导线。此时，翘股已被限位，通过控制预处理机构向左横移、内环旋转，将翘股缠绕回导线表面，同时也带动铜刷擦拭导线，去除锈迹，并配合喷漆工具给导线表面涂抹导电脂。断股位置右侧的翘股复位后，控制翘股压接工具将铝片压入，紧裹翘股的末端。之后，打开预处理机构，离开导线并水平回转180°，向左横移至翘股位置，按照上述的步骤完成左侧翘股的预处理作业。此过程，如图6（d）～图6（f）所示。

（3）待断股预处理作业完成后，控制回转铰点闭合护线条安装装置。控制缠绕机构和导向机构旋转电机工作，通过齿轮传动驱动内环同步旋转，带动护线条以非自转的方式绕着导线回转，同时缠绕机构和导向机构向右侧平动，脱离缠绕机构的部分护线条由于自身的弹性能够以预制的螺旋形状紧贴导线表面。最后，待护线条的右端点完全脱离缠绕机构后，限位机构松放护线条的左端点，作业完成。此过程，如图6（g）～图6（i）所示。

4 护线条安装作业仿真分析

护线条安装作业过程中，机器人的作业装置、弹性护线条和柔性导线组成的是一个由刚性体和柔性体耦合的系统，对其开展研究分析可以准确的掌握系统的动态特性，为机器人作业的控制提供理论依据，进而提高工作效率和控制精度。通过Adams软件对该耦合系统建模以及仿真分析，快速准确仿真出在实际运行中机器人护线条安装装置的各关节的驱动力与力矩，为运动规划和动态控制的进一步优化提供服务［8-10］。

4.1 建立仿真模型

为了确保护线条安装作业仿真过程的真实性，需要将导线和护线条作柔性化处理。在这里利用Ansys软件完成导线和护线条的建模工作，分别进行网格划分并定义单元属性，其材料属性，如表1所示。将建立的柔性体模型设定参数后通过计算输出模态中性文件，与作业装置一起导入Adams中，设置约束和边界条件，构成仿真模型。

表1 柔性体材料参数Tab.1 The Material Parameters of Flexible Body

4.2 作业仿真分析

由于护线条是螺旋状结构，在缠绕作业过程中，每一个缠绕循环都可以看做同一种作业状态，为了提高仿真效率，选取开始作业后第一个缠绕周期作为研究对象开展仿真工作。护线条安装作业主要由护线条安装装置的横移关节、缠绕机构和导向机构的回转关节实现的。根据护线条的结构参数，确定横移关节和回转关节运动需要满足以下关系：

式中：v—横移关节平动的速度；ω—回转关节转动的速度；p—护线条螺旋螺距。

基于此，利用五次插值法确定各关节的运动函数表达式如下：

（1）护线条安装装置横移关节：

（2）护线条安装装置回转关节：

将护线条安装装置各关节运动函数，作为该耦合系统的输出运动参数，对构建的仿真模型利用Adams的仿真功能模块开展仿真分析，分别得到断股修补作业过程中横移关节和回转关节所受力/力矩与位姿变化的关系，如图7所示。

图7 力/力矩与位移/角度关系Fig.7 Relationship Between Force/Moment and Displacement/Rotation

由图7可以看出，各个关节通过预设的作业轨迹和运动状态到达最终的位姿。对于横移关节，如图7（a）所示。所受力主要是横移运动过程产生的摩擦力，因此能够保持稳定变化。对于回转关节，如图7（b）、图7（c）所示。

所受力矩很大程度受到护线条弹性变形后产生的弹性力的影响，因此所受力矩存在波动的现象。根据仿真结果得出各关节运动所需的力/力矩变化曲线，即可确定关节驱动电机的选型，并为后续运动控制方案的设计提供依据。

5 结论

根据护线条修补断股工艺，提出了断股修补机器人的基本构型，尤其是具备复合作业功能的断股修补装置，并提出搭载护线条修补断股的机器人作业运动规划，主要包括断股预处理与护线条安装作业。

针对护线条安装作业，建立由断股修补作业装置、弹性护线条和柔性导线构成的仿真模型，通过仿真分析，得到护线条安装装置驱动关节力矩参数，为作业轨迹规划和控制提供依据，验证了护线条修补作业的可行性。