鄒德華, 蔣智鵬, 喬明明, 鄺江華, 江維
(1.智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備(機(jī)器人)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓輸電公司),長(zhǎng)沙 420100;2.帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國(guó)家電網(wǎng)公司實(shí)驗(yàn)室(國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓輸電公司),長(zhǎng)沙 420100;3.武漢紡織大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院, 武漢 430073)
圖1 接續(xù)管的服役作業(yè)環(huán)境示意圖Fig.1 Schematic diagram of the service operation environmentfor connecting pipe
高壓輸電線路[1-4]是電力系統(tǒng)的大動(dòng)脈,是關(guān)系國(guó)計(jì)民生的“生命線”,是電力系統(tǒng)的重要組成部分,隨著電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式日益復(fù)雜,電網(wǎng)故障影響范圍也在不斷增大,對(duì)電網(wǎng)安全可靠性指標(biāo)的要求越來(lái)越高。高壓輸電線路輸送距離遠(yuǎn)長(zhǎng),導(dǎo)線必須采用接續(xù)管[5-6]進(jìn)行連接,受到外部環(huán)境、制造、施工中留下的缺陷加上運(yùn)行中的電、熱、機(jī)械力等應(yīng)力長(zhǎng)期影響,其機(jī)械強(qiáng)度不斷下降,有時(shí)還導(dǎo)致接續(xù)管產(chǎn)生局部發(fā)熱燒傷導(dǎo)線[7-8],尤其在導(dǎo)線覆冰的情況下,接續(xù)管產(chǎn)生的潛伏性缺陷發(fā)展到一定程度,極易發(fā)生掉線事故,必將引起設(shè)備故障并有可能擴(kuò)大為電網(wǎng)事故。接續(xù)管潛伏性缺陷的發(fā)現(xiàn)和消除成為最為迫切的需求,接續(xù)管處于高空高壓的環(huán)境中,運(yùn)行維護(hù)人員在日常巡視中無(wú)法發(fā)現(xiàn)接續(xù)管的隱性缺陷,因此,重視和加強(qiáng)對(duì)電力設(shè)備缺陷無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用,對(duì)減少設(shè)備事故、保障電網(wǎng)安全運(yùn)行具有重大意義。射線檢測(cè)[9]利用電磁波的穿透性和直線性對(duì)金屬零部件內(nèi)部缺陷進(jìn)行探測(cè)的無(wú)損檢測(cè)方法。在電力金具檢測(cè)中,X射線的應(yīng)用較為頻繁和廣泛,特別是基于數(shù)字成像的X射線技術(shù)更具備深遠(yuǎn)的應(yīng)用前景,除此之外還有利用DR(digit radiography)射線對(duì)電力金具的檢測(cè),但是相對(duì)較少。接續(xù)管等輸電線路金具處于高空中,利用X射線或DR檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)高壓輸電線路金具檢測(cè)不同于檢測(cè)其他處于地面的設(shè)備,需要將設(shè)備運(yùn)送至高空指定位置,上線下過(guò)程比較煩瑣,同時(shí)檢測(cè)設(shè)備含有大量的電子器件,高壓輸電線路將對(duì)其產(chǎn)生影響。目前,尚未見有帶電多分裂輸電線路DR檢測(cè)金具的研究文獻(xiàn)報(bào)道。
綜上所述,X射線探傷檢測(cè)是一項(xiàng)比較成熟的技術(shù),但是要將其應(yīng)用與輸電線路檢修領(lǐng)域,首先需要解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是探傷裝置的上下線技術(shù),這是解決實(shí)用化問(wèn)題的前提。隨著輸電線路帶電作業(yè)機(jī)器人[10-14]廣泛應(yīng)用,同時(shí)無(wú)人機(jī)輔助輸電線路帶電作業(yè)屢見不鮮[15-16],因此,現(xiàn)充分利用這三種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),通過(guò)三種技術(shù)的深度融合研究,提出一種利用無(wú)人機(jī)飛控搭載接續(xù)管探傷裝置上下線的方法開展多分裂輸電導(dǎo)線接續(xù)管智能帶電探傷相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究,開發(fā)能自主方便上下線夠適用于在高空、高壓帶電檢測(cè)多分裂導(dǎo)線接續(xù)管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及接續(xù)管運(yùn)行狀態(tài)的智能化裝備,提高檢測(cè)效率,降低檢測(cè)成本,為輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)維管理提供有力保障。
長(zhǎng)距離、大高差的輸電線路架設(shè)在高空中,其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括輸電線路和大量金具,其中壓接型金具接續(xù)管的主要作用是牢固兩段導(dǎo)線間的連接,需要承受導(dǎo)線的全部張力,同時(shí)還是通流導(dǎo)體,此類金具一旦安裝就不可拆卸。從物理角度來(lái)說(shuō),接續(xù)管不僅要承受導(dǎo)線的機(jī)械負(fù)荷,還必須承受線路高負(fù)荷狀態(tài)下引發(fā)的局部發(fā)熱溫度過(guò)高的情況,同時(shí)還要承受在惡劣極端天氣情況下引發(fā)的導(dǎo)線覆冰和舞動(dòng)帶來(lái)的沖擊載荷,還有在自然因素下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的破損,甚至斷裂和腐蝕等情況。從電氣角度來(lái)說(shuō),接續(xù)管必須耐受雷電和開關(guān)操作引起的過(guò)電壓沖擊,特別是在冬季,厚重的雪覆蓋在接續(xù)管上影響其導(dǎo)電性能,威脅輸電線路的安全運(yùn)行。因此,接續(xù)管探傷作業(yè)是一項(xiàng)常規(guī)的檢修任務(wù)。
接續(xù)管壓接后的截面圖如圖2(a)所示,其接續(xù)管主要由外部鋁管和內(nèi)部鋼管組成,外部鋁管的作用是壓接導(dǎo)線的左右兩端,而內(nèi)部鋼管的作用是壓接導(dǎo)線的內(nèi)芯,接續(xù)管相對(duì)導(dǎo)線呈凸起狀態(tài)。四分裂導(dǎo)線接續(xù)管探傷作業(yè)任務(wù)需要使成像裝置分別置于每根導(dǎo)線下方且在作業(yè)過(guò)程中不與導(dǎo)線發(fā)生接觸,如圖2(b)所示,由于四分裂導(dǎo)線呈長(zhǎng)方體形狀架設(shè)在高空中,故需要通過(guò)一定的設(shè)備將探傷裝置送至高空中。
圖2 接續(xù)管的實(shí)體結(jié)構(gòu)Fig.2 The physical structure of the connecting pipe
接續(xù)管探傷檢測(cè)機(jī)器人主要分為兩大部分:無(wú)人機(jī)搭載的紅外射線機(jī)和探傷裝置,兩者成上下分布,通過(guò)騎跨式安裝座將無(wú)人機(jī)支架與探傷裝置連接。其中無(wú)人機(jī)的作用是攜帶探傷裝置飛至高空中,并利用射線機(jī)配合探傷裝置對(duì)接續(xù)管進(jìn)行檢測(cè),其結(jié)構(gòu)為六旋翼無(wú)人機(jī),每個(gè)機(jī)翼上搭載一個(gè)螺旋槳,且每個(gè)機(jī)翼與無(wú)人機(jī)的連接處有一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),待探傷裝置固定在四分裂導(dǎo)線上時(shí),其機(jī)翼會(huì)收縮。紅外射線機(jī)通過(guò)支架架設(shè)在無(wú)人機(jī)中方鏤空處,通過(guò)射線機(jī)翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)調(diào)整射線機(jī)角度。探傷裝置主體分為固定裝置和成像裝置,其固定裝置包括四個(gè)支架和兩側(cè)的矩形壓塊還有夾持塊,其夾持塊有一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),作用是當(dāng)探傷裝置置于導(dǎo)線上時(shí)用來(lái)夾持導(dǎo)線。成像裝置包括推桿、滑塊、和成像板,其中推桿有一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)固定在矩形塊上,且搭配一個(gè)伸縮關(guān)節(jié)能控制下端的成像板旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)進(jìn)而調(diào)整成像板的角度,還有成像板升降關(guān)節(jié)和平移關(guān)節(jié)能調(diào)整成像板所處的高度和距離進(jìn)而能使成像板處于距離接續(xù)管適當(dāng)?shù)奈恢谩;谏鲜龇治隹傻玫浇永m(xù)管檢測(cè)裝置的整體結(jié)構(gòu)和完整的虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。
圖3 接續(xù)管探測(cè)裝置的整體結(jié)構(gòu)Fig.3 Overall structure of the connecting pipe detection device
當(dāng)接續(xù)管探測(cè)裝置通過(guò)固定裝置固定在導(dǎo)線上時(shí)且無(wú)人機(jī)機(jī)翼收縮后,無(wú)人機(jī)上搭載的X射線機(jī)配合成像裝置開始作業(yè),其整個(gè)四分裂導(dǎo)線接續(xù)管探傷作業(yè)流程如圖4所示。如圖4(a)所示,X射線機(jī)先對(duì)右上方的導(dǎo)線開始檢測(cè),在檢測(cè)完第一根導(dǎo)線之后,通過(guò)成像板上的平移關(guān)節(jié)將成像板平移至另一根導(dǎo)線下方同時(shí)X射線機(jī)通過(guò)自身的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)至另一根導(dǎo)線上;在上方的兩根導(dǎo)線探傷作業(yè)完成后,需再對(duì)下方的導(dǎo)線進(jìn)行檢測(cè),為使成像板與下方導(dǎo)線無(wú)碰撞作業(yè),此時(shí)成像板需通過(guò)翻轉(zhuǎn)桿旋轉(zhuǎn)至導(dǎo)線外側(cè),再通過(guò)位置調(diào)整桿下降至其底端,再通過(guò)翻轉(zhuǎn)桿將成像板旋轉(zhuǎn)至右下方導(dǎo)線的正下側(cè)并開始進(jìn)行探傷作業(yè),其X射線機(jī)也對(duì)準(zhǔn)相應(yīng)的被測(cè)導(dǎo)線;最后通過(guò)其平移關(guān)節(jié)使成像板平移至左下方導(dǎo)線的正下方并通過(guò)X射線機(jī)調(diào)整其自身位置對(duì)其被測(cè)導(dǎo)線開始檢測(cè)。
通過(guò)接續(xù)管探傷裝置的構(gòu)型分析,可將其下端檢測(cè)裝置上的連續(xù)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)看作一個(gè)完整的機(jī)械臂,在對(duì)其機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析之前,需要運(yùn)用D-H表示法對(duì)其機(jī)械臂的每個(gè)連桿相連的始端定義了與之相關(guān)的坐標(biāo)系進(jìn)行表達(dá),其連桿坐標(biāo)系如圖5所示,得到用于定量描述連桿相對(duì)位姿的4種D-H參數(shù):連桿長(zhǎng)度a、連桿偏距d、連桿轉(zhuǎn)角α和連桿關(guān)節(jié)角θ、機(jī)械臂的D-H參數(shù)如表1所示。
圖4 接續(xù)管探傷作業(yè)流程Fig.4 Connection pipe detection operation process
圖5 探傷裝置的連桿坐標(biāo)系Fig.5 Connecting rod coordinate of flaw detection device
表1 探傷機(jī)械臂的D-H參數(shù)
正運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題就是根據(jù)已知的連桿相關(guān)參數(shù)來(lái)求解機(jī)械臂末端坐標(biāo)系相對(duì)固定基座坐標(biāo)系的位姿。通過(guò)選取表1所列的D-H參數(shù),可得到各個(gè)相鄰連桿相對(duì)位姿關(guān)系的齊次坐標(biāo)變換矩陣,即
(1)
式(1)中:S表示sinθ;C表示cosθ。
根據(jù)坐標(biāo)變化理論,將式(1)中的五個(gè)矩陣A1、A2、A3、A4、A5按照順序相乘即可得到機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)解,即
(2)
通過(guò)將已知的任意一組關(guān)節(jié)變量值代入式(2)中計(jì)算,得到的結(jié)果就是機(jī)械臂末端坐標(biāo)系相對(duì)固定基座坐標(biāo)系的唯一確定位姿。
運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解是已知機(jī)械臂末端要到達(dá)的位姿,在滿足各個(gè)關(guān)節(jié)變量值范圍的情況下求解各個(gè)關(guān)節(jié)對(duì)應(yīng)的θ角。為了求解這些角度,需要將未知量與已知量分離,首先定義RTH為機(jī)器人的期望位姿,用矩陣表示為
(3)
式(3)中:pi表示在末端空間里的位置,用一個(gè)3×1的矩陣來(lái)表示;ni、ai、oi表示末端在空間的朝向,用一個(gè)3×3的矩陣來(lái)表示。
(4)
將式(4)展開得
(5)
由式(5)可得
(6)
解得
(7)
(8)
由式(8)可得
(9)
解得
(10)
(11)
由式(11)得
(12)
聯(lián)立式(6)和式(12),得
(13)
式(13)中:t3表示tanθ3,最后由式(8)和式(9)解得
(14)
至此已求出機(jī)械臂所有的關(guān)節(jié)角θ,即得出了機(jī)械臂處于任何期望位姿所需的關(guān)節(jié)量。
探傷裝置的機(jī)械臂作業(yè)空間仿真是實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電導(dǎo)線上探傷作業(yè)過(guò)程中無(wú)碰撞的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,為避免機(jī)械臂與輸電導(dǎo)線發(fā)生碰撞,故需要對(duì)其機(jī)械臂關(guān)節(jié)施加限定約束范圍,其關(guān)節(jié)1的角度約束為[-45°, 45°],關(guān)節(jié)2是通過(guò)關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)能帶動(dòng)其進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng),故關(guān)節(jié)2的伸縮范圍為[0,150 mm],關(guān)節(jié)3只需要使成像板在水平面的上方運(yùn)動(dòng),故關(guān)節(jié)3的角度約束為[-90°, 90°],關(guān)節(jié)4為控制成像板的高度,又其只需要在四分裂導(dǎo)線的上下運(yùn)動(dòng),故關(guān)節(jié)4的伸縮范圍為[0,450 mm],關(guān)節(jié)5為控制成像板的水平距離,需要使成像板能在水平兩根導(dǎo)線的距離下運(yùn)動(dòng),故伸縮約束范圍為[0,600 mm],上述關(guān)節(jié)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)副和變量范圍如表2所示,再運(yùn)用蒙特卡羅法結(jié)合表1中D-H參數(shù)使用MATLAB軟件里的Robotics Toolbox產(chǎn)生6 000組隨機(jī)關(guān)節(jié)變量值范圍內(nèi)的組合,得到的作業(yè)空間仿真如圖6所示。
表2 各關(guān)節(jié)所屬的運(yùn)動(dòng)副和變量范圍
圖6 探傷裝置機(jī)械臂末端作業(yè)空間點(diǎn)云圖Fig.6 Working space point cloud for the flaw detection device
通過(guò)探傷裝置機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)和三個(gè)方向的點(diǎn)云圖坐標(biāo)范圍可知,其末端的最大作業(yè)半徑為1 000 mm,最大作業(yè)高度為900 mm,最大作業(yè)深度為1 000 mm,均能夠覆蓋四分裂輸電導(dǎo)線上的接續(xù)管,滿足探傷裝置對(duì)作業(yè)空間的需求,因此,探傷裝置的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。
為使仿真環(huán)境更接近實(shí)際作業(yè)環(huán)境,按照等比例放大原則,搭建相鄰子導(dǎo)線間距900 mm和其直徑53.64 mm的四分裂導(dǎo)線仿真環(huán)境。因?yàn)镸ATLAB軟件里仿真得到的機(jī)械臂底座只能在xoy平面,與實(shí)際作業(yè)姿態(tài)不符合,故使四分裂導(dǎo)線成豎直分布,進(jìn)而使機(jī)械臂與實(shí)際姿態(tài)相符。如圖7(a)所示為機(jī)械臂的初始位姿。分別調(diào)整相應(yīng)的機(jī)械臂位姿對(duì)處于四分裂導(dǎo)線上中段的接續(xù)管進(jìn)行檢測(cè),其作業(yè)過(guò)程分別如圖7(b)~圖7(f)所示。整個(gè)探傷檢測(cè)作業(yè)完成,機(jī)械臂回到初始位姿等待無(wú)人機(jī)啟動(dòng)將探傷裝置撤離作業(yè)位置。機(jī)械臂在上述接續(xù)管探傷檢測(cè)運(yùn)動(dòng)中,成像板、探測(cè)儀探頭在四相導(dǎo)線中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如表3所示。同時(shí),按照上述作業(yè)位姿,選取探傷裝置作業(yè)末端為分析對(duì)象,生成末端位移、速度、加速度曲線如圖8所示。
紅色長(zhǎng)方體的豎直線代表四分裂導(dǎo)線并分別命名為導(dǎo)線1、導(dǎo)線2、導(dǎo)線3、導(dǎo)線4,假設(shè)接續(xù)管在長(zhǎng)方體四條豎直線上的中間圖7 探傷裝置機(jī)械臂作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃仿真Fig.7 Simulation of motion planning for the detection device
圖8 探傷裝置作業(yè)末端運(yùn)動(dòng)曲線圖Fig.8 Motion curve diagram of the detection device
表3 探傷檢測(cè)裝置末端運(yùn)動(dòng)狀態(tài)
根據(jù)圖8所示探傷檢測(cè)裝置作業(yè)末端的參數(shù)曲線圖可知,在0~2 s內(nèi),探傷裝置正處于初始位姿對(duì)第1根接續(xù)管進(jìn)行檢測(cè),位移、速度的變化很小,在2~4 s內(nèi),探傷裝置加速調(diào)整位姿對(duì)第2根接續(xù)管進(jìn)行檢測(cè),最高速度達(dá)7.36 mm/s;在4~6 s內(nèi)和6~8 s內(nèi),探傷裝置分別對(duì)第3根和第4根接續(xù)管進(jìn)行檢測(cè),其過(guò)程屬于減速階段,當(dāng)?shù)?根接續(xù)管檢測(cè)完成后,整個(gè)檢修作業(yè)完成,探傷裝置末端速度為0。通過(guò)對(duì)圖7和圖8的仿真分析可知,在整個(gè)探傷檢測(cè)過(guò)程中,本文所設(shè)計(jì)的接續(xù)管探傷裝置作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能滿足作業(yè)需求,且其裝置各個(gè)關(guān)節(jié)軌跡運(yùn)行平穩(wěn),速度和加速度曲線無(wú)突變,能滿足關(guān)節(jié)約束要求,同時(shí)表3也表明對(duì)于實(shí)際的四分裂導(dǎo)線所轄區(qū)域,接續(xù)管探傷檢測(cè)作業(yè)過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)無(wú)碰避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
探傷裝置的作業(yè)過(guò)程主要是使成像板依次處于四分裂輸電導(dǎo)線的下方,即使得機(jī)械臂末端靠近四分裂導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)接續(xù)管探傷檢測(cè),其中500 kV四分裂輸電導(dǎo)線的實(shí)際線路如圖9(a)所示,其相鄰子導(dǎo)線間距為450 mm,直徑為26.82 mm。通過(guò)對(duì)探傷檢測(cè)機(jī)器人設(shè)置合適的X 射線探測(cè)參數(shù)如表4所示,對(duì)四分裂輸電 線路上可能存在壓接質(zhì)量的典型部位進(jìn)行探傷檢測(cè),可以得到壓接管的X射線探傷檢測(cè)圖,如圖9(b),從實(shí)驗(yàn)探測(cè)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)壓接管的壓力不均勻?qū)е聣航庸軌毫|(zhì)量出現(xiàn)了一定異常,特別是在接觸面不均勻會(huì)導(dǎo)致壓接管局部過(guò)熱造成能量浪費(fèi)甚至燒斷壓接管,同時(shí)壓接管和輸電線上接觸面和下接觸面連接部分存在一定縫隙和空鼓,這些探測(cè)結(jié)果表明該線路金具都存在一定安全隱患,需要進(jìn)行相關(guān)維修作業(yè),綜上所述,通過(guò)探傷檢測(cè)裝置可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些肉眼無(wú)法識(shí)別的隱性安全隱患,為輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行保駕護(hù)航。
圖9 四分裂輸電導(dǎo)線典型區(qū)域的探傷檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Flaw detection results of typical areas of four-split transmission conductors
表4 X射線探測(cè)器的探傷檢測(cè)參數(shù)
(1)針對(duì)多分裂輸電線路接續(xù)管的壓接質(zhì)量和內(nèi)部損傷自動(dòng)化檢測(cè)問(wèn)題,提出了一種適用于四分裂輸電導(dǎo)線接續(xù)管探傷檢測(cè)的機(jī)器人機(jī)械構(gòu)型及其實(shí)體模型和探傷運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
(2)建立了探傷檢測(cè)機(jī)械臂的D-H坐標(biāo)模型,推導(dǎo)得出了探傷機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解和運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解,并對(duì)機(jī)器人的探傷運(yùn)動(dòng)進(jìn)行特性分析。
(3)基于探測(cè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,在MATLAB軟件中利用機(jī)器人工具箱對(duì)機(jī)械臂末端的可達(dá)空間進(jìn)行了仿真得到了末端點(diǎn)云圖和關(guān)節(jié)軌跡規(guī)劃曲線,驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的接續(xù)管探傷檢測(cè)機(jī)器人機(jī)械構(gòu)型的可行性和有效性。