高压带电作业机器人产品化样机控制系统研制

    配电带电作业技术是保证供电设备安全可靠运行，提高电网经济效益和服务质量的一个重要检修手段，随着我国经济的发展，社会对供电可靠性的要求越来越高，带电作业的任务也越来越繁重。针对II前我国10kV线路带电作业工艺要求，以及作业环境的特点，研制一种适用于10kV及以下高压线路带电作业机器人具有重要意义，该机器人可以替代人工完成作业频率较高的带电断线、带电接线、带电更换绝缘子等作业任务，减轻作业人员的劳动强度，使作业人员与高压电场完全隔离，最大限度的保证作业人员的安全。为了进一步提高产品化样机的实用性，我们在实验室样机的基础上进行了产品化样机研制。如图1：

    机器人由升降系统、机器人本体、工具系统构成。其中：

    (1)绝缘斗臂车是高压带电作业机器人的升降系统，可以将机器人本体推举到作业位置。

    (2)机器人本体包括回转平台、绝缘机械臂，主控系统、从控制系统、隔离变压器等。

图1 高压带电作业机器人产品化样机

    (3)工具系统包括电动扳手、剥皮器、断线钳、穿刺线夹、并沟线夹等，在作业时安装在机械臂末端进行断接线、剥皮等工作。

    高压带电作业机器人控制系统采用主从控制方式，可以通过主手和键盘来实现。主控制系统包括：主手、控制键盘、主控工控机。从控制系统主要包括：从控工控机、运动控制器、交流伺服驱动系统。主从控制系统采用光纤网络通讯。操作人员进行作业时通过主手和键盘控制机械臂运动，主手实现机械臂的耦合联动控制，键盘实现机械臂微调、单轴运动、直线插补和其它复位操作等功能性控制。

1 控制系统硬件设计

    高压带电作业机器人系统的结构框图如图2所示：

图2 控制系统结构框图

    两机械臂控制系统采用相对独立的控制系统，下位机根据上位机的运动指令对机器人的运动进行轨迹规划，运动控制任务由基于PC总线的多轴运动控制器来实现。机械臂采用集成绝对码盘的交流伺服电机，绝对码盘信号采集卡读取各关节的位置信息。其中：

    控制键盘硬件设计有17路输入，21路输出，实现机械臂各种控制功能的操作。

图3 主手结构图

    主手(图3)与机械臂同构，有6个自由度，为垂直型关节结构，主手内部装有增量式编码器。为了使主手整体结构紧凑，编码器选用MKE一500—2—20．010一00的横出线超小型编码器，每两个关节之间的编码器垂直安装。主手内部走线，主手的第5关节安装复位弹簧，轻便灵活，操作舒适，齿轮与关节件之间采用两个铜半轴瓦连接，耐磨可靠，操作

    手柄上设计有常开按钮，用来控制信号采集，可以避免误操作带来的危险后果。
 

2 控制系统软件设计

    机器人控制系统采用windows2000操作系统，程序设计中应用面向对象的多线程技术进行软件设计，软件系统具有良好的开放性、实时性、可移植性。控制软件根据系统需要分为：主手控制软件和键盘控制软件。

    主手控制软件流程如图4所示：

图4 主手操作流程图

    键盘控制系统软件流程如图5所示

图5 键盘操作流程图

    当用户操作主手时，主手的空间姿态与机械臂的空间姿态实现同步的困难很大，主手的机械部分设计，加工与装配工艺难以满足这种需求，因此主手控制系统采用异步方式来实现对机械臂的控制。操作时，按下主手采集按钮，取得当前位移量最大的轴，忽略其它轴编码器的位移量，然后用主控系统设定的偏移量，下发给下位机驱动机械臂运动。停止时，用户松开主手上的采集按钮，给下位机发送停止指令。即，采用了两个指令(启、停)对机械臂进行控制。

    操作主手时所产生的该轴的加速度来控制机械臂的运动速度，即操作主手某个轴的速度变化越快，那么对应到机械臂的动作速度也就越快。同时机械臂在某一时刻能够6轴联动，这样更高效的利用了系统资源。

    机械臂的从控系统采用多线程结构，有通讯线程和报警检测线程，通讯线程主要是接收主控系统的下发指令，经解析后控制机械臂完成各种运动；报警线程提供软报警检测，当出现报警时，输出报警信号并及时提供相应保护措施。

    通过通讯协议解析，机械臂可以实现以下运动功能：单轴运动、多轴联动、基于基座的世界坐标系直线插补运动、基于工具坐标系的直线插补运动、辅助操作功能(如复位操作等)。

3 异常处理

    高压带电作业机器人是工作在非结构危险环境下的特种机器人，在作业过程中可能由于操作人员误操作造成对机器人和电力设备的损害。为此机器人设计了完善的保护和异常处理功能，包括：

    (1)机械保护：包括机械臂各关节机械限位、机器人升降系统限位、主手活动空间限位。

    (2)电器保护：包括机械臂各电机的过载保护、升降系统的液压互锁保护。

    (3)软件保护与异常处理，包括：

    电机编码器采用绝对式位置码盘，机械臂运动过程中实时检测各轴位置，实现软限位检测，提前一级保护各设备。

    从控系统的控制柜也是完全独立的两系统，两者也基于操作安全等考虑，在控制面板设有急停按钮、报警指示灯、自动报警断电等安全设置。当机械臂伺服电机工作异常(过电流、过电压、欠电压、过速、过载、过热、编码器异常)时，异常信号反馈至控制系统，输出控制信号，断开电机电源，电机报警信号灯亮，当故障排除后，电源可复位。
 

2 控制系统软件设计

    机器人控制系统采用windows2000操作系统，程序设计中应用面向对象的多线程技术进行软件设计，软件系统具有良好的开放性、实时性、可移植性。控制软件根据系统需要分为：主手控制软件和键盘控制软件。

    主手控制软件流程如图4所示：

图4 主手操作流程图

    键盘控制系统软件流程如图5所示

图5 键盘操作流程图

    当用户操作主手时，主手的空间姿态与机械臂的空间姿态实现同步的困难很大，主手的机械部分设计，加工与装配工艺难以满足这种需求，因此主手控制系统采用异步方式来实现对机械臂的控制。操作时，按下主手采集按钮，取得当前位移量最大的轴，忽略其它轴编码器的位移量，然后用主控系统设定的偏移量，下发给下位机驱动机械臂运动。停止时，用户松开主手上的采集按钮，给下位机发送停止指令。即，采用了两个指令(启、停)对机械臂进行控制。

    操作主手时所产生的该轴的加速度来控制机械臂的运动速度，即操作主手某个轴的速度变化越快，那么对应到机械臂的动作速度也就越快。同时机械臂在某一时刻能够6轴联动，这样更高效的利用了系统资源。

    机械臂的从控系统采用多线程结构，有通讯线程和报警检测线程，通讯线程主要是接收主控系统的下发指令，经解析后控制机械臂完成各种运动；报警线程提供软报警检测，当出现报警时，输出报警信号并及时提供相应保护措施。

    通过通讯协议解析，机械臂可以实现以下运动功能：单轴运动、多轴联动、基于基座的世界坐标系直线插补运动、基于工具坐标系的直线插补运动、辅助操作功能(如复位操作等)。

3 异常处理

    高压带电作业机器人是工作在非结构危险环境下的特种机器人，在作业过程中可能由于操作人员误操作造成对机器人和电力设备的损害。为此机器人设计了完善的保护和异常处理功能，包括：

    (1)机械保护：包括机械臂各关节机械限位、机器人升降系统限位、主手活动空间限位。

    (2)电器保护：包括机械臂各电机的过载保护、升降系统的液压互锁保护。

    (3)软件保护与异常处理，包括：

    电机编码器采用绝对式位置码盘，机械臂运动过程中实时检测各轴位置，实现软限位检测，提前一级保护各设备。

    从控系统的控制柜也是完全独立的两系统，两者也基于操作安全等考虑，在控制面板设有急停按钮、报警指示灯、自动报警断电等安全设置。当机械臂伺服电机工作异常(过电流、过电压、欠电压、过速、过载、过热、编码器异常)时，异常信号反馈至控制系统，输出控制信号，断开电机电源，电机报警信号灯亮，当故障排除后，电源可复位。