输电线模块化双臂带电作业机器人作业空间与轨迹规划仿真

输电线路带电作业机器人可以辅助甚至替代人工实现输电线路的带电巡视和作业,然而机器人体积庞大,在野外复杂作业环境下运输十分不便,因此针对输电线路多种检修作业任务设计了一种模块化双臂带电作业机器人。模块化设计可以实现机器人的快速拆装,解决机器人运输难题。针对典型金具检修作业任务,对机器人机械臂进行运动学建模,并基于该模型对机械臂末端进行作业空间与运动轨迹规划仿真,仿真结果验证了双臂带电作业机器人系统设计的可行性和有效性。

柔性输电线-带电作业机器人刚柔耦合特性分析

输电线路带电作业机器人通过双轮行驶于高压电缆,刚性的机器人系统和柔性的输电线路之间构成了复杂的刚柔耦合系统,特别是在刚性系统和柔性系统的轮线接触处表现出较强的非线性复杂耦合特性。为保障机器人作业过程的稳定性,获取较好的作业动态性能,分别建立了柔性导线、刚性机器人以及柔性导线-刚性机器人的耦合动力学模型。基于该模型,在ADAMS中分几种不同典型工况对带电作业机器人线上作业行为的动力学特性进行了仿真研究。通过仿真特性曲线一方面验证了刚柔耦合动力学模型的有效性,另一方面通过仿真模型得到了合适的机器人动力学参数,从而实现机器人作业优化与控制。最后在带电线路进行现场引流板紧固作业试验,结果也验证了所提出的刚柔耦合动力学模型的工程实用性。

10kV配电网带电作业机器人及其作业臂绝缘分析

随着我国电力系统的不断发展,用户对于用电的要求越来越高,配电网作为电力系统末端,必须保证其稳定可靠的运行。为实现不停电检修10kV配电网线路,满足各种复杂情况下的带电作业需求,本文设计一种可快速更换作业臂的带电作业机器人,介绍其整体结构设计,并详细描述带电作业机器人整体的绝缘设备,包括绝缘斗、无线传输台及作业臂。为验证机器人作业臂的绝缘性能,通过ATP-EMTP仿真软件,建立10kV配电网线路模型,仿真计算带电作业机器人在线路正常运行情况下,添加绝缘段与未添加绝缘段时作业臂上的电压与泄漏电流大小。结果表明,在未添加绝缘段时,作业臂上的电压及泄漏电流会对作业人员安全造成威胁;添加1cm尼龙材料绝缘段后,作业臂上电压为0.4μV,泄漏电流为0.4μA,远小于带电作业的安全规定限值。

基于ToF技术的带电作业安全监测与预警系统

针对目前国内带电作业中安全监控及预警手段和方法缺乏的现状,提出一种基于ToF(time of flight,飞行时间)技术的带电作业实时安全监测与预警系统。采用ToF摄像机实时对工作人员周围的空间进行三维重建,获取工作人员附近物体的坐标信息,进一步检测工作人员与身边物体的距离信息,当工作人员与导线等带电体的距离超过设定值时便会触发报警系统提醒操作人员。试验结果表明:该系统能实时、准确地监测距离,可靠地对危险情况进行提示与报警。

带电巡检机器人行走轮打滑控制研究

针对带电巡检机器人在行走及爬坡时出现的行走轮打滑问题,首先采用静力学方法分析了机器人的爬坡能力,设计了压紧轮机构,由于压紧轮与行走轮在接触点的线速度相同,提出了利用读取压紧轮的速度间接识别行走轮打滑的方法;对打滑状态进行识别后,发现无法利用准确的数学模型对打滑状态进行控制,而采用模糊控制可有效解决打滑控制问题;实验结果表明:压紧轮机构的设计增加了行走轮的摩擦力,提升了机器人的爬坡能力;在行走轮爬坡能力范围内,坡度是影响机器人打滑的主要因素,文中提出的模糊控制方法可以有效消除打滑现象。

输电线路带电检修机器人双轴联动控制研究

为了解决单关节串联式作业带来的带电检修机器人作业效率低下的问题,提出一种面向输电线路带电检修机器人关节空间的双轴联动的动力学控制方法。首先利用牛顿—欧拉方法建立了机器人越障时的整体动力学方程,为建立任意双轴联动动力学方程提供了依据;分析并确定了机器人可以进行双轴联动的关节,给出了一组常用的双轴联动关节的动力学方程;设计了一种带重力模型的PD控制方法。仿真与实验结果表明:双轴联动方法可行,并提高了机器人的作业效率。

10kV配电线路带电作业固定引流线及跳线绝缘装置的研究

10kV配电线路不停电检修中,作业人员在进行装、拆引流线和断、接跳线时,由于杆塔及设备上无合适的固定位置,易摆动造成短路或接地而引发安全事故。本文首先对现有方法的不足进行了详细分析和论述,针对性地设计并研制出一种绝缘固定装置,其主要由伸缩式绝缘底座、绝缘支杆、固定装置构成。通过现场试验验证表明:本装置通用性强、操作方便、安全可靠,可有效解决10k V带负荷更换柱上设备或断、接跳线作业中引流线及跳线无固定位置的问题,极大地提高了作业效率和作业安全性,同时缩短了用户的停电时间,提高了供电可靠性,对电网安全运行和供电连续性提供了有力技术支撑,具有很高的推广应用价值。

±800 kV输电线路悬垂线夹独立带电更换方法及装备研究

悬垂线夹作为特高压输电线路杆塔中常用的固定金具,故障概率较大,其检修方式转移荷载大,工作效率低。针对上述问题,提出±800 kV输电线路悬垂线夹独立带电更换方法并进行装备研究,分析作业方法的安全性,对研制装备进行仿真分析及试验验证。结果表明,该方法及装备可大幅降低转移荷载,提高作业效率。

±1100 kV特高压直流输电线路带电作业电位转移特性

针对±1 100 kV特高压带电作业电位转移的研究空白,基于多导体系统集总电容矩阵理论,建立了电位转移的暂态响应计算模型,计算并分析了不同转移距离与人体电位、放电电流和能量的关系。通过计算结果可知:人体电位、放电电流、能量在数值上与转移距离成正比;转移时人体与极导线经过1μs实现等电位,转移距离影响人体电位幅值,对等电位速度影响不明显;综合局部放电电流和电位转移电流得到最佳转移距离为0.4~0.5 m;能量释放与转移距离成正比,当距离为0.4 m和0.5 m时,释放能量分别约为1.19 J和1.39 J,作业过程中要注意屏蔽服局部温升问题。

同塔四回输电线路带电作业可行性分析

带电作业是对同塔多回输电线路检修最直接、有效的手段,因此有必要对同塔多回输电线路带电作业可行性进行分析。文中以110 kV、220/110 kV和500/220 kV同塔四回输电线路为研究对象,并从带电作业典型作业位置危险率和作业人员体表场强2个方面对带电作业安全性进行了评价。计算表明,110 kV、220/110 kV同塔四回线路直线塔导线侧带电作业危险率大于1×10-5;110 kV同塔四回线路耐张塔横担处危险率大于1×10-5,均不满足规程要求;而500/220 kV同塔四回线路各典型位置均小于1×10-5,满足规程要求。利用有限元仿真软件计算得到:当作业人员不穿屏蔽服在同塔四回输电线路开展带电作业时,人体最大场强均出现在脚的位置,分别为1 080.3、1 482.2、2 138 kV/m,当选用屏蔽效率至少为37.15、39.90、42.67 d B的屏蔽服时即能保证作业人员安全。综上表明,当身穿合适的屏蔽服后,作业人员可安全地在500/220 kV同塔四回线路上开展带电作业,但在110 kV、220/110 kV同塔四回线路直线塔和110 kV同塔四回线路耐张塔上开展带电作业时,仍有较大的安全风险。

特高压带电作业中高强防雨绝缘拉棒设计

针对现有特高压带电作业用绝缘拉棒存在的不足,通过对材料和连接技术的优化,研制一种新型高强防雨绝缘拉棒。借助Solidworks力学仿真软件对绝缘拉棒进行受力特性分析,计算发现拉棒受力薄弱环节位于双孔单耳销孔,施加3倍额定荷载(450kN)时销孔最大应力达到357.3MPa,最大位移量为0.014 9mm。对高强防雨绝缘拉棒进行出厂及型式试验,实验结果表明:其额定荷载达到150kN,破坏荷载达到452kN,抗拉强度提高了30%,操作冲击耐受电压和工频耐受电压分别达1 685和±985kV,并具有一定防雨能力,提高了作业安全系数,具有重要的工程实际意义。

用于特高压带电作业的碳纤维通用闭式卡设计及研制

针对现有用于特高压带电作业的闭式卡存在的不足,通过对通用结构研究和材料选型设计,设计研制碳纤维通用闭式卡,并利用仿真力学计算对闭式卡具结构进行静力学分析。计算结果表明:闭式卡受力薄弱环节位于双耳螺栓孔,在3倍额定荷载(240 kN)下,卡具最大应力达到58.78 MPa,最大位移量为0.007 156 mm,最小安全系数为5.1。机械强度校核试验结果表明,闭式卡的破坏荷载达到260 kN,满足设计要求。该轻质化碳纤维闭式卡是特高压带电作业大吨位工器具的升级换代产品,具有重要的工程实际意义。

基于SARSA算法的机器人轴孔装配策略

为解决机器人装配任务中轴孔位姿不确定问题,提高装配操作的成功率、效率和泛化能力,提出一种基于SARSA算法的变参数导纳控制策略。首先,分析了轴孔装配机理,指导运动控制策略设计。其次,仿真分析了不同导纳参数的位置响应,获得控制器参数。此外,建立了以插孔深度和单次调整移动量为尺度的动作评估机制,解决装配过程奖励函数建模难题,并在动作价值更新过程引入资格迹函数提高算法学习效率。最后,在真实机器人上开展了3组实验,对比基于位置控制和导纳控制的实验结果验证了所提算法在装配成功率和效率上的提升,从不同初始位姿开始装配的实验结果验证了所提算法的泛化能力。结果表明,所提算法有望解决机器人装配任务中轴孔位姿不确定问题。

配网零电位带电作业装置的研制

针对如何改变作业点对地电压,提出作业点零电位控制原理,基于该原理通过数字信号处理器(DSP)+复杂可编程逻辑器件(CPLD)框架结构研制出相应的配电网零电位带电作业样机。该样机主要有数据采集、数据分析、逻辑保护、信息传输等功能。实验和第3方机构检测表明:装置运行可靠、响应迅速、操作方便简单,能满足带电作业零电位控制等要求,对于提供配网作业点安全工作环境具有重要意义。

特高压输电线路带电作业沿跳线进出电场方法研究及工器具研制

针对目前±800 kV特高压输电线路耐张塔带电作业存在的技术难点,归纳出无法带电进出强电场的原因。通过对特高压直流线路塔型的分析和计算,设计出一种沿特高压跳线攀爬的辅助装置,创新提出“先进入管母跳线,在攀登至导线”的进入特高压强电场方法,解决了作业人员无法进入特高压耐张塔强电场的难题,极大地降低了作业人员的安全风险,为特高压带电作业提供了新的条件。

10 kV配电线路带电作业工具挂板装置的研制

对传统工具挂板的不足进行详细分析与论述,研制出一种适用10kV配电线路的工具挂板装置,并重点阐述该装置的结构组成。通过现场应用试验表明,本装置能够归类区分作业工具、便于作业工具取放以致提高作业效率等优点,解决了在配电线路带电检修过程中作业人员使用小工具、材料高空掉落的难题。

500kV紧凑型同塔双回线路带电作业进入等电位绝缘梯研制

500kV紧凑型同塔双回线路在带电作业中的安全距离有限、作业难度大,为此本文设计出一种180°旋转伸缩绝缘梯。该工具利用安全绳增加梯子的稳定性,以此提高作业的安全性;其可伸缩性增加了携带的便捷性,通过牵引绳控制梯子的伸缩。根据理论与实验分析,所研究的伸缩绝缘梯的绝缘强度和材料强度均满足使用要求,且相对于绝缘平梯,其安装更加便捷,操作更加简单,能为500kV紧凑型同塔双回线路带电作业提供更良好的作业条件。

输电线带电作业机械臂末端位姿误差补偿方法研究

输电线路带电作业机械臂辅助并代替人工进行线路检修作业与维护,具有广阔的应用前景。但自身与外部扰动等多重因素会使得机械臂末端位姿存在一定偏差,直接影响作业对象定位精度,为了提升机械臂末端在作业过程中的位姿精度,并使得机械臂能够自适应补偿扰动带来的影响,本文首先建立了机械臂作业过程的运动学模型,基于该运动学模型建立了机械臂关节连杆参数和关节转角存在摄动时的末端位姿误差数学模型,在上述基础上提出了一种机器人机械臂末端位姿误差补偿方法,并通过仿真实验验证了误差模型和补偿方法的有效性。最后,在带电线路上,以机械臂实现输电线路引流板螺栓紧固为例进行了检修作业,试验验证了本文所提出的机械臂末端位姿误差补偿方法的工程实用性,本文的研究对于输电线路智能运维管理具有重要理论意义和实际应用价值。

大荷载无人机-机器人高压输电线协同检修新方法研究

输电线路带电检修机器人是一种辅助和代替人工进行输电线路带电作业检修的一种智能化装备,其对于提高作业效率、作业可靠性、作业安全性具有重要实际意义,然而机器人在上下线过程中耗费大量的人力物力,大大降低了整体作业效率,机器人上下线问题已经成为制约机器人实用化的一个重要瓶颈。针对上述问题,提出了大荷载无人机(unmanned aerial vehical,UAV)和机器人的输电线协同检修新方法,该系统分为无人机、机器人和联接件,联接件用于联接无人机和机器人,通过电磁铁磁力的控制实现无人机与机器人系统的对接与分离,同时,通过对机器人机械臂系统的运动学建模与分析,得到了作业末端套筒所能到达的运动空间,从而进一步优化机械臂的结构参数,最后,通过硬件系统、软件系统、机械系统的集成设计,开发了机器人物理样机系统,在四分裂输电线路上进行引流板拧紧作业实验。实验结果表明:改系统能够顺利完成四分裂引流板作业任务,具有较强工程实用性,研究结果对于输电线路智能运维管理具有重要理论意义和实际应用价值。

超高压输电线悬垂绝缘子串激光除冰机器人构型设计研究

绝缘子是超高压输电线路上的重要装备,由于长期服役于高空、高压恶劣作业环境,以及冬季极端低温环境下会造成的绝缘子串覆冰不仅增大了绝缘子串的重量,而且还会影响绝缘子的电气绝缘性能,特别是绝缘子串上片与片之间所形成的冰凌会直接导致绝缘子片间短路,因此,去除超高压输电线路绝缘子串间的冰凌是保证输电线路正常运行的一项常规作业任务。提出了一种基于激光技术的绝缘子新型除冰机构及除冰方法,设计了激光除冰机器人的基本机械构型,通过无人机的复合,搭载激光装备实现绝缘子串冰凌去除作业,提出了相应的激光除冰作业运动规划,相比传统机械除冰、热融冰等方法,激光除冰作业是一种非接触式的除冰方法,其作业效率高,更适用于远距离除冰,对于超高压多分裂输电线路所处的野外复杂作业环境具有更强的实用性。最后,通过激光装备的2自由度偏转角的测试实验和不同作业方式效率及性能对比测试实验,验证了所设计的激光除冰机构能够无盲区地实现绝缘子串除冰作业,同时输电线路激光除冰的可行性最高,激光除冰机器人虚拟样机系统的研究对于绝缘子激光除冰机器人物理样机开发及其实用化研究具有重要理论意义与实际应用价值。