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摘 要：电网的可靠性为我国经济快速发展的提供强有力的保障，其中输电线路的安全可靠供电是最为关键的部分。由于电能不能存储的特性，要求电网必须处于不停运的工作状态，而输电线路一直处于气候不断变化的工作环境，随着时间的推移会出现一些不可避免的故障。其中绝缘子损坏是最为常见的情况，如果不及时进行检修更换，将会导致事故的发生，甚至导致电网解裂，造成巨大的经济损失和人员伤亡。绝缘子带电更换带电作业是一项工作强度高、危险系数大的工作任务。针对此项工作任务本文提出一种替代作业人员完成带电更换输电线绝缘子的机器人。
关键词：输电线路；绝缘子更换；带电更换绝缘子作业机器人
中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0035-02
随着电子技术和计算机技术的飞速发展，机器人在许多领域得到了广泛的实际应用。其中无人机、电力巡检机器人、带电作业机器手臂在电力行业也是屡见不鲜。使用机器人代替作业人员完成各项带作业任务，提高了作业的效率。绝缘子更换作业需要作业人员登上输电塔架，在空中进行作业。由机器人代替作业人员进入危险环境中，提高了作业的安全性，并且避免人身伤亡事故的发生。现如今电能是全世界最为重要的能源，因此保证供电的可靠性至关重要。而绝缘子更换作业是保证供电可靠性措施中最为常见而且重要的工作任务。输电线路带电更换绝缘子作业机器人的研究将会成为智能电网建设和维护的重要手段。
1 絕缘子串的结构
架空输电线路由绝缘子将输电导线和输电杆塔进行分离，以保证输电线路传输电能的可靠性。其中绝缘子起着支撑输电导线和防止短路接地的作用。由于绝缘子长期暴露在空气中，容易遭受雷击、鸟类、恶劣天气等情况影响。这些情况都可会对绝缘子造成一定程度损坏。当输电线路绝缘子出现缺陷、损坏、残旧等故障，虽然一时间不会立即造成事故，但是不即时进行处理，会将会酿成严重的事故。为了保证输电线路的安全可靠，电网会对输电线路绝缘子进行周期性巡检，避免输电线路发生故障。
输电线路绝缘子串的基本结构如图1所示。输电铁塔与绝缘子串通过专用Z型挂板相连接。输电线路和绝缘子串通过W型碗头挂相连接。
2 更换绝缘子作业步骤
目前我国电网作业人员进行绝缘子带电更换作业流程大致相同，首先作业人员需登上铁塔靠近绝缘子，然后通过专用作业工具将绝缘子底部的W销取出，将绝缘子碗头脱出。通过地面作业人员的利用收紧吊物传递绳，将进行更换的绝缘子串缓慢的降至地面。最后地面作业人员通过收紧吊物传递绳将新绝缘子升至适当位置，铁塔上的作业人员利用专用工具将新的绝缘子安装完毕。整个过程对塔上作业人员的作业要求极高，而且塔上存在高空作业和误碰带电输电线路的触电危险，属于特种作业范畴。
结合实际现场人工更换绝缘子的作业步骤，我们设计一种可以替代塔上作业人员的绝缘子带电更换机器人。绝缘子带电更换机器人作业的具体步骤，如下：
（1）机器人通过电动卷扬机上线；
（2）机器人移动至悬垂线夹；
（3）机械手移动到需更换绝缘子位置；
（4）机械手末端的W销拔插装置定位并夹持碗头挂板；
（5）W销拔插装置拔出碗头挂板上的W销；
（6）塔上作业人员更换绝缘子。
3 绝缘子更换作业机器人作业分析
在现场实际绝缘子串拔取过程，只需将W销从碗口的反方向进行拔出，即可将绝缘子串与输电线路分离。通过实际工作的分析，只需要将机械手臂末端装置的W销拔插装置定位实际W销的位置后，然后利用夹爪装置将工作位置固定，最后完成W销的拔出任务。通过对W销拔出作业的分析，通过3D模拟仿真软件solidworks的模拟，整个作业流程分为：①碗头挂板定位；②夹持碗头挂板；③夹紧W销；④拔出W销四个步骤。模拟仿真图如图2所示。
输电线路绝缘子串的取出作业分为：①绝缘子串定位；②夹持钢帽；③推出绝缘子串三个步骤，如图3所示。绝缘子装入的操作步骤与取出的步骤刚好相反，当机器手臂完绝缘子更换的工作任务后，机器人移动到初始位置，即完成输电线路绝缘子更换的工作任务。
4 机器人总体设计
输电线路绝缘子更换作业机械人以移动机器人由机器人本体、行走轮、夹爪以及等电位轮四大部分组成，其中机器人的作业手臂对称分布在机器人本体两端两机械臂，实现多角度的摆动，在机械手臂上固定有行走轮，使其可以在输电线路上进行移动，并在机械手臂的末端安装可以夹紧导线的夹爪装置，使输电线路绝缘子更换作业机器人在工作时保证其稳定性，为了满足机器人等电位作业能力，采用等电位技术，在机器人行走轮一侧安装等电位轮，使得绝缘子更换作业机器人与导线始终为同一电位，不会有电压差，保证整个机构的可靠性。
绝缘子更换作业机器人设计有机械手臂，分别在机器人本体两侧对称布置。其中横向移动关节1和横向移动关节2通过电机带动可以实现横向地移动，通过横向移动关节的横向移动使机械手臂末端的执行机构与绝缘子串接触；俯仰关节1和俯仰关节2使得机械手臂实现自由的旋转；伸缩关节1和伸缩关节2可以使得末端执行机构在垂直方向进行一定范围的升降；回转关节1和回转关节2可以实现自由的旋转；最后通过驱动纵向移动关节1和纵向移动关节2的电机，对机械手臂的末端执行机构进行小范围的调整，使其准确的到达绝缘子串中心面的位置。通过横向移动关节、俯仰关节、伸缩关节、回转关节和纵向移动关节的协同工作，将机械手臂的末端执行机构准确的移动到W插销的位置。
W销拔插装置和绝缘子串取装机构构成组成了输电线路绝缘子更换作业机器人的末执行机构。W销拔插装置通过末端机构上的移动关节1进行工作，完成W销的拔出和插入的工作，与此同时通过夹爪1和夹爪2，夹住碗头挂板和W，使其在W插销拔取过程中保持稳定。绝缘子串取装机构主要由前端的以曲柄滑块机构为工作原理的夹爪3对钢帽进行夹持，该夹持机构的并由移动关节2对绝缘子串的推出和装入。 通过前期的实际考察和理论分析，我们先利用CAD制图软件将构想的设计模型进行了设计，模型设计图如图4所示。通过模型设计图的基本构想，通过机械加工、电机选型、电池选型和材料选择等方面综合考虑，最终研制出输电线路绝缘子更换作业机器人样机，样机如图5所示。
5 结 论
在智能电网大背景下，机器人在电网中的应用也成为一个必然的趋势。它将取代大部分强度高、危险系数大的作业任务。随着我国特高压输电技术的不断发展，电网联络更加紧密，对供电可靠性的要求也越来越高。输电线路在不停电的情况下进行绝缘子更换作业，对提高电网可靠性有着重要的作用。本文研制一种可以带电更换绝缘子的机器人，使得绝缘子更换作业更加安全可靠。
参考文献
[1]Aracil R，Ferre M，Hernando M，et al.Telerobotic system for live-power line maintenance： ROBTET[J].Control Engineering Practice，2002，10（11）：1271～1281.
[2]Nio S，Maruyama Y.Remote-operated robotic system for live-line maintenance work[C].Transmission and Distribution Construction and Live Line Maintenance，1993.Proceedings from ESMO-93.Sixth International Conference on，1993：425～435.
[3]鲁守银，傅孟潮，厉秉强，等.DWR-I遥操作高压带电作业机器人[J].上海交通大学学报，2005，39（6）：910～913.
[4]蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[J].高技术通讯，2001（6）：11～16.
[5]刘 超，阮江军，廖才波，等.1000kV特高压交流输电线路直升机平台法带电作业侵入路径[J].电力自动化设备，2015，35（6）：64～65.
[6]荣吉利，杨永泰，李 健，等.空间机械臂建模方法与控制策略研究[J].宇航学报，2012，33（11）：1564～1569.
[7]陈忠华，邬韦华，沈 佳.新型绝缘子锁紧销拔销器的研制[J].浙江电力，2014（1）：26～29.
[8]李 明，徐 伶.输电线路带电作业的安全防护[J].中国信息化，2012（16）.
[9]《輸配电线路带电作业图解丛书》编委会.输配电线路带电作业图解丛书[M].中国电力出版社，2014.
收稿日期：2018-11-4
作者简介：罗 俊（1989-），男，助理工程师，硕士研究生，主要从事变电运维工作。
关键词：输电线路；绝缘子更换；带电更换绝缘子作业机器人
中图分类号：TM755 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0035-02
随着电子技术和计算机技术的飞速发展，机器人在许多领域得到了广泛的实际应用。其中无人机、电力巡检机器人、带电作业机器手臂在电力行业也是屡见不鲜。使用机器人代替作业人员完成各项带作业任务，提高了作业的效率。绝缘子更换作业需要作业人员登上输电塔架，在空中进行作业。由机器人代替作业人员进入危险环境中，提高了作业的安全性，并且避免人身伤亡事故的发生。现如今电能是全世界最为重要的能源，因此保证供电的可靠性至关重要。而绝缘子更换作业是保证供电可靠性措施中最为常见而且重要的工作任务。输电线路带电更换绝缘子作业机器人的研究将会成为智能电网建设和维护的重要手段。
1 絕缘子串的结构
架空输电线路由绝缘子将输电导线和输电杆塔进行分离，以保证输电线路传输电能的可靠性。其中绝缘子起着支撑输电导线和防止短路接地的作用。由于绝缘子长期暴露在空气中，容易遭受雷击、鸟类、恶劣天气等情况影响。这些情况都可会对绝缘子造成一定程度损坏。当输电线路绝缘子出现缺陷、损坏、残旧等故障，虽然一时间不会立即造成事故，但是不即时进行处理，会将会酿成严重的事故。为了保证输电线路的安全可靠，电网会对输电线路绝缘子进行周期性巡检，避免输电线路发生故障。
输电线路绝缘子串的基本结构如图1所示。输电铁塔与绝缘子串通过专用Z型挂板相连接。输电线路和绝缘子串通过W型碗头挂相连接。
2 更换绝缘子作业步骤
目前我国电网作业人员进行绝缘子带电更换作业流程大致相同，首先作业人员需登上铁塔靠近绝缘子，然后通过专用作业工具将绝缘子底部的W销取出，将绝缘子碗头脱出。通过地面作业人员的利用收紧吊物传递绳，将进行更换的绝缘子串缓慢的降至地面。最后地面作业人员通过收紧吊物传递绳将新绝缘子升至适当位置，铁塔上的作业人员利用专用工具将新的绝缘子安装完毕。整个过程对塔上作业人员的作业要求极高，而且塔上存在高空作业和误碰带电输电线路的触电危险，属于特种作业范畴。
结合实际现场人工更换绝缘子的作业步骤，我们设计一种可以替代塔上作业人员的绝缘子带电更换机器人。绝缘子带电更换机器人作业的具体步骤，如下：
（1）机器人通过电动卷扬机上线；
（2）机器人移动至悬垂线夹；
（3）机械手移动到需更换绝缘子位置；
（4）机械手末端的W销拔插装置定位并夹持碗头挂板；
（5）W销拔插装置拔出碗头挂板上的W销；
（6）塔上作业人员更换绝缘子。
3 绝缘子更换作业机器人作业分析
在现场实际绝缘子串拔取过程，只需将W销从碗口的反方向进行拔出，即可将绝缘子串与输电线路分离。通过实际工作的分析，只需要将机械手臂末端装置的W销拔插装置定位实际W销的位置后，然后利用夹爪装置将工作位置固定，最后完成W销的拔出任务。通过对W销拔出作业的分析，通过3D模拟仿真软件solidworks的模拟，整个作业流程分为：①碗头挂板定位；②夹持碗头挂板；③夹紧W销；④拔出W销四个步骤。模拟仿真图如图2所示。
输电线路绝缘子串的取出作业分为：①绝缘子串定位；②夹持钢帽；③推出绝缘子串三个步骤，如图3所示。绝缘子装入的操作步骤与取出的步骤刚好相反，当机器手臂完绝缘子更换的工作任务后，机器人移动到初始位置，即完成输电线路绝缘子更换的工作任务。
4 机器人总体设计
输电线路绝缘子更换作业机械人以移动机器人由机器人本体、行走轮、夹爪以及等电位轮四大部分组成，其中机器人的作业手臂对称分布在机器人本体两端两机械臂，实现多角度的摆动，在机械手臂上固定有行走轮，使其可以在输电线路上进行移动，并在机械手臂的末端安装可以夹紧导线的夹爪装置，使输电线路绝缘子更换作业机器人在工作时保证其稳定性，为了满足机器人等电位作业能力，采用等电位技术，在机器人行走轮一侧安装等电位轮，使得绝缘子更换作业机器人与导线始终为同一电位，不会有电压差，保证整个机构的可靠性。
绝缘子更换作业机器人设计有机械手臂，分别在机器人本体两侧对称布置。其中横向移动关节1和横向移动关节2通过电机带动可以实现横向地移动，通过横向移动关节的横向移动使机械手臂末端的执行机构与绝缘子串接触；俯仰关节1和俯仰关节2使得机械手臂实现自由的旋转；伸缩关节1和伸缩关节2可以使得末端执行机构在垂直方向进行一定范围的升降；回转关节1和回转关节2可以实现自由的旋转；最后通过驱动纵向移动关节1和纵向移动关节2的电机，对机械手臂的末端执行机构进行小范围的调整，使其准确的到达绝缘子串中心面的位置。通过横向移动关节、俯仰关节、伸缩关节、回转关节和纵向移动关节的协同工作，将机械手臂的末端执行机构准确的移动到W插销的位置。
W销拔插装置和绝缘子串取装机构构成组成了输电线路绝缘子更换作业机器人的末执行机构。W销拔插装置通过末端机构上的移动关节1进行工作，完成W销的拔出和插入的工作，与此同时通过夹爪1和夹爪2，夹住碗头挂板和W，使其在W插销拔取过程中保持稳定。绝缘子串取装机构主要由前端的以曲柄滑块机构为工作原理的夹爪3对钢帽进行夹持，该夹持机构的并由移动关节2对绝缘子串的推出和装入。 通过前期的实际考察和理论分析，我们先利用CAD制图软件将构想的设计模型进行了设计，模型设计图如图4所示。通过模型设计图的基本构想，通过机械加工、电机选型、电池选型和材料选择等方面综合考虑，最终研制出输电线路绝缘子更换作业机器人样机，样机如图5所示。
5 结 论
在智能电网大背景下，机器人在电网中的应用也成为一个必然的趋势。它将取代大部分强度高、危险系数大的作业任务。随着我国特高压输电技术的不断发展，电网联络更加紧密，对供电可靠性的要求也越来越高。输电线路在不停电的情况下进行绝缘子更换作业，对提高电网可靠性有着重要的作用。本文研制一种可以带电更换绝缘子的机器人，使得绝缘子更换作业更加安全可靠。
参考文献
[1]Aracil R，Ferre M，Hernando M，et al.Telerobotic system for live-power line maintenance： ROBTET[J].Control Engineering Practice，2002，10（11）：1271～1281.
[2]Nio S，Maruyama Y.Remote-operated robotic system for live-line maintenance work[C].Transmission and Distribution Construction and Live Line Maintenance，1993.Proceedings from ESMO-93.Sixth International Conference on，1993：425～435.
[3]鲁守银，傅孟潮，厉秉强，等.DWR-I遥操作高压带电作业机器人[J].上海交通大学学报，2005，39（6）：910～913.
[4]蔡自兴.机器人学的发展趋势和发展战略[J].高技术通讯，2001（6）：11～16.
[5]刘 超，阮江军，廖才波，等.1000kV特高压交流输电线路直升机平台法带电作业侵入路径[J].电力自动化设备，2015，35（6）：64～65.
[6]荣吉利，杨永泰，李 健，等.空间机械臂建模方法与控制策略研究[J].宇航学报，2012，33（11）：1564～1569.
[7]陈忠华，邬韦华，沈 佳.新型绝缘子锁紧销拔销器的研制[J].浙江电力，2014（1）：26～29.
[8]李 明，徐 伶.输电线路带电作业的安全防护[J].中国信息化，2012（16）.
[9]《輸配电线路带电作业图解丛书》编委会.输配电线路带电作业图解丛书[M].中国电力出版社，2014.
收稿日期：2018-11-4
作者简介：罗 俊（1989-），男，助理工程师，硕士研究生，主要从事变电运维工作。