CN111168367A - 一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，根据套筒与螺母之间的偏角，设定偏差角阈值θ_max，根据偏转角度大小，控制机械臂的给进：套筒相对于螺母两者中轴线间几乎没有偏差，只是六边形有所偏差：直接控制机械臂进行给进，对螺母进行旋转，使螺母和套筒的六边形对准；套筒相对于螺母存在角度偏差，且偏差角θ(|θ|≤θ_max)，依据已知的偏差角θ₁和给进深度δ可得到偏差角θ₂，计算并监测θ₂的值，一旦达到目标值范围内，套筒对螺栓进行旋转，使螺母的六角形与套筒的内六角形对准；套筒相对于螺母偏差角过大，|θ|＞θ_max，需要重新调节机械臂进行对准。本发明用柔顺控制、力矩分析等方法自动完成机器人螺栓对中任务，代替了传统人工远程操控方式，具有更高的精度。

Description

一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及输电线路螺栓紧固机器人。

背景技术

为了防止人工带电作业事故的发生，提高带电作业的排查和维修效率，输电线路作业机器人得到了广泛应用。现有的输电线路螺栓紧固机器人一般通过安装在末端装置的高清摄像头采集信息，再将信息传输到工作站，作业人员通过视频监测画面对线路故障进行远程操控维护。该方式虽然将作业人员从高空、高压的环境中解放出来，但是仅通过摄像头传来的视频远程作业，存在因风力影响而引起的输电线路晃动和视频范围有盲点等干扰情况，且控制过程繁琐，无法保证作业精度。

发明内容

针对目前大部分输电线路作业机器人不具备自动螺栓对中能力，需作业人员远程操作机械臂，具有较高误差性的问题。本发明所要解决的技术问题就是提供一种用于输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，以高效、精准的实现螺栓对中。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，根据套筒与螺母之间的偏角，设定偏差角阈值θ_max，根据偏转角度大小，控制机械臂的给进：套筒相对于螺母两者中轴线间几乎没有偏差，只是六边形有所偏差：直接控制机械臂进行给进，对螺母进行旋转，使螺母和套筒的六边形对准；

套筒相对于螺母存在角度偏差，且偏差角θ(|θ|≤θ_max)，依据已知的偏差角θ₁和给进深度δ可得到偏差角θ₂，

计算并监测θ₂的值，一旦达到目标值范围内，套筒对螺栓进行旋转，使螺母的六角形与套筒的内六角形对准；

套筒相对于螺母偏差角过大，|θ|＞θ_max，需要重新调节机械臂进行对准。

优选的，偏差角阈值θ_max＝15°。

优选的，套筒相对于螺母的偏角小于5°,此时认为两者中轴线间几乎没有偏差，只是六边形有所偏差。

优选的，在螺栓给进的过程中，根据角度传感器测量θ₁，θ₂。

优选的，若Δl在0＜Δl≤l_max的范围内则能保证对准，即0＜δ≤l_max，其中l_max由套筒与螺栓的半径推算获得，l_max＝tanθ_e*2r，所以可通过θ₂的值来判断是否进行旋转。

优选的，旋转螺母前的几何协调方程为：

受力平衡方程为：

物理方程为：

由此可得：

其中，

u-u₀＝R-r-l_p(θ-θ₀)-u₀，套筒的半径为R,螺栓的半径为r,u为柔顺中心C沿X轴方向的平移误差，x为轴端中心沿X轴方向的平移误差，θ为轴的轴线相对于Z轴的角度误差。#

优选的，为防止出现在螺栓进入套筒的过程中，偏角过大，超出其柔性范围，无法完成螺栓的对准工作的情况，需讨论柔性角度的临界情况，即求解临界角度θ_e和临界深度l_max，其中R为套筒的半径；r为螺母的半径；l为套筒进入螺母的深度，

2(R-r)/tanθ_e＝2rtanθ_e

解得：

l_max＝tanθ_e*2r。

优选的，根据阻抗控制算法，调节位置的控制算法为：

其中k_f、k_fz为反馈系数，取值范围均在0.1一1.0之间，

依据机器人机械手末端套筒的Z轴与以螺栓为参考目标的坐标系的Z轴的相对位置，不断调整机器人机械手末端套筒的轴，使它的Z轴与以螺栓为参考目标的坐标系的Z轴重合。

优选的，螺栓对准的柔顺控制算法为：

当|θ|≤θ_e时，

当|θ|＞θ_e时，

其中k_f、k_fz为反馈系数，k_m为控制系数，取值范围均在0.1一1.0之间。

优选的，通过对六角套筒承受的载荷进行分析计算，推导得出，在旋转时，根据不同的转角ψ₁和夹角α，可以计算出不同的圆周力，此刻圆周力即为套筒相对于螺母克服的摩擦力，即为电机需要给进的最小力矩。

本发明采用的技术方案，具有如下有益效果：

1、力用柔顺控制、力矩分析等方法自动完成机器人螺栓对中任务，代替了传统人工远程操控方式，具有更高的精度。

2、能够稳定地完成从上位机发来的各条指令动作，以完成后续螺栓紧固工作。

3、采用机器人代替人工带电作业，具有更高的安全性和稳定性。

本发明采用的具体技术方案及其带来的有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图中予以详细的揭露。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述：

图1a是本发明实施例的螺栓紧固机器人主体结构图一；

图1b是本发明实施例的螺栓紧固机器人主体结构图二；

图2a是本发明实施例的机器人柔性末端装置结构图一；

图2b是本发明实施例的机器人柔性末端装置结构图二；

图3是本发明实施例的套筒相对于螺栓的偏转角度示意图；

图4是本发明实施例的旋转螺母前的受力分析图；

图5是本发明实施例的柔性角度临界示意图；

图6是本发明实施例的十字绞受力矩分析。

具体实施方式

下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1(a、b)所示：一种输电线路螺栓紧固作业机器人，其整体结构由柔性末端紧固装置1.1、行走轮1.2、等电位轮1.3、夹爪1.4、机械臂1.5以及箱体1.6等组成。其中，多自由度机械臂由旋转关节1.7、纵移关节1.8、伸缩关节1.9和旋转关节1.10组成，具体动作方向参考图1(a、b)所示，可实现伸缩和旋转运动，调整柔性末端紧固装置的位置。

机器人柔性末端紧固装置具体结构如图2(a、b)所示，包括内六角套筒2.1、十字联轴架2.2、旋转轴2.3、拧螺母电机2.4和内置摄像头2.5。十字联轴架2.2内设有旋转弹簧2.6，以保证内六角套筒在不受外力时与旋转轴同轴。旋转轴内设有移动弹簧2.7，当套筒接触螺母后，通过作业臂的纵移使移动弹簧进一步压缩。

两个柔性末端紧固装置配合进行螺栓紧固，在螺栓对中前，一端先将螺栓头锁紧，拧螺母装置缓缓移向螺母。根据不同的情况，控制机械臂的给进；当套筒相对于螺母的偏角到达规定角度后，套筒带动螺母进行旋转；对套筒进行受力分析和临界角度计算，利用柔顺控制方法调节旋转过程中机械臂的位姿，使套筒与螺母六角对准，完成裹覆。

一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其运行所需的机器人主体结构如上述参见上述记载。

具体实施时，依据套筒与螺母之间的偏角，设定偏差角阈值θ_max，(由经验确定，一般情况下可设θ_max＝15°)制定相应对中策略。套筒相对于螺母的偏角有三种情况：

1)套筒相对于螺母几乎没有偏差(在这里可以认为套筒相对于螺母的偏角小于5°)，只是六边形有所偏差，则直接控制旋转关节1.7进行给进，对螺母进行旋转，使螺母和套筒的六边形对准，当弹簧恢复其形变量后，实施螺栓紧固策略。

2)套筒相对于螺母存在大小为θ(|θ|≤θ_max)的偏差，此时依据偏差角度变化判断是否开始旋转对准，分析给进螺母的圈数判断此次对准是否能够成功，若不能，则控制机械臂根据摄像头进行微调后重新进行螺栓对准。如图3所示，以套筒相对于螺母向下偏θ₁的角度为例，可计算：

S＝l*sinθ₁

l₁＝cosθ₁*l

此刻控制电机给进，移动弹簧压缩，由此可得：

δ＝Δl

Δl＝P*n

式中，P是螺母内螺纹的螺距，n是螺母内螺纹圈数。

基于上述公式可以推导得到关于θ₂的关系公式，

若套筒给进圈数过多，会导致上端螺母偏离套筒过多，难以实现对准；若套筒给进圈数很小，同样会难以对准。经计算，当Δl在0＜Δl≤l_max的范围内时，能保证对准，即0＜δ≤l_max，其中l_max由套筒与螺栓的半径推算获得，l_max＝tanθ_e*2r。因此，在给进的过程中可通过θ₂的值来判断是否进行旋转，θ₁、θ₂是可以根据角度传感器测量的，在δ规定的范围内，根据不同的θ₁的值，计算并监测θ₂的值，当θ₂≤5°时，套筒对螺栓进行旋转，使螺母的六角形与套筒的内六角形对准。

3)套筒相对于螺栓的偏差角过大，|θ|＞θ_max，即使通过作业臂的纵移压缩也无法实现套筒和螺栓完全裹覆，则需要重新调节机械臂进行对准。

具体实施时，为采用柔顺控制方法调节机械手的位姿，首先，对已经可以进行旋转的螺母进行受力分析。如附图4所示，由于力的作用是相互的，套筒的受力即为螺母的反作用力。通过对已经可以进行旋转的螺母进行受力分析得到套筒旋转前的受力分析，减少在套筒旋转过程中对螺母的损坏。

旋转螺母前的几何协调方程为：

受力平衡方程为：

物理方程为：

由此可得：

其中，

u-u₀＝R-r-l_p(θ-θ₀)-u₀，套筒的半径为R,螺栓的半径为r,u为柔顺中心C沿X轴方向的平移误差，x为轴端中心沿X轴方向的平移误差，θ为轴的轴线相对于Z轴的角度误差。

具体实施时，为防止出现在螺栓进入套筒的过程中，偏角过大，超出其柔性范围，无法完成螺栓的对准工作的情况，需讨论柔性角度的临界情况，即求解临界角度θ_e和临界深度l_max。

如附图5所示，其中R为套筒的半径；r为螺母的半径；l为套筒进入螺母的深度。

2(R-r)/tanθ_e＝2rtanθ_e

解得：

l_max＝tanθ_e*2r

通过柔性角度临界值计算，防止在螺栓进入套筒过程中，偏角超出其柔性范围。具体实施时，机械臂末端装有三维力传感器，力传感器主要负责调整位置上的误差，姿态上的误差则由被动柔顺来调节。但是在某些主动柔顺的场合中进行螺栓装配，由于螺栓的姿态基本不变，因此在套筒姿态已知的情况下，只使用三维力传感器作主动柔顺装配是可行的。

针对位置调整方法，螺栓在装配对准过程中，X轴和Y轴方向上都是不受力的，只有Z轴有一个给进力F_r，所以期望力值为F₀＝[0 0 F_r]^T,如果力传感器测得三维力为F_m＝[F_xF_y F_z]^T,根据阻抗控制算法，调节位置的控制算法如下：

其中k_f、k_fz为反馈系数。

针对姿态调整方法，假设螺栓的姿态为T_L，可得到以螺栓作为参考目标坐标系{L},进而得到其Z轴的单位矢量在基座坐标系{B}中的表示

，具体公式如下：

已知当前机器人机械臂末端姿态为T_T，同理，可得其Z轴的单位矢量在基座坐标系{B}中的表示

具体公式如下：

在螺栓对准的过程中，必须不断调整机器人机械手末端套筒的轴，使它的Z轴与以螺栓为参考目标的坐标系的Z轴重合。

当|θ|＞θ_e时，应该主动调整姿态，得到姿态调整的控制算法为

综上可得，螺栓对准的柔顺控制算法为：

当|θ|≤θ_e时，

当|θ|＞θ_e时，

其中k_f、k_fz为反馈系数，k_m为控制系数，上述系数按照经验取定，取值范围均在0.1一1.0之间。

具体实施时，在传递扭矩的过程中，由于偏差角的存在，内六角套筒和十字连轴架会产生一对大小相等方向相反的侧向载荷。通过对十字绞受力矩分析，验证六角套筒承受的载荷未对最终螺栓对中控制产生影响，确保了结果的可靠性。

在旋转过程中，假设电机转动带动旋转轴转动，即主动轴I以角速度ω₁转动，则从动轴Ⅱ的角速度为ω₂。经推导ω₁，ω₂的关系为：

式中：ψ₁为轴I的转角；α为轴I和轴Ⅱ的夹角。

十字铰传动的摩擦损失较小可以忽略，认为效率1。如果作用在主动轴上的扭矩为M₁,从动轴的传递扭矩为M₂,则：

M₁ω₁＝M₂ω₂

M₂使从动轴Ⅱ产生圆周力P₂，其中P₂＝M₂/2R，R为内六角套筒的半径。

由于轴间交角α的存在，在传递扭矩时，旋转轴、内六角套筒还承受附加弯矩M_U1、M_U2，在不同位置，旋转轴、内六角套筒与十字联轴架会产生一对大小相等方向相反的侧向载荷，具体受力矩分析如附图6所示。以ψ₁＝0为例，扭矩为M₁，附加弯矩M_U1＝0，此时从动轴Ⅱ的扭矩为M₂，且产生的附加弯矩为M_U2＝M₁sinα。M_U2使从动轴2产生周期性变化的侧向载荷F₁。F₁＝M₁sinα/L，式中，L是十字连轴架到套筒支撑的距离。

由上述公式可知，轴间交角α对内六角套筒的圆周力无影响，但影响附加弯矩带来侧向载荷的大小，并且与侧向载荷正相关。假设在拧螺母期间，套筒偏离螺母的角度较小，假定α＝10°，R＝22mm，L＝28mm经计算产生的侧向载荷相对圆周力较小，可以忽略不计。故在旋转时，根据不同的ψ₁和α，可以计算出不同的圆周力，圆周力P₂＝M₂/2R，M2由主动轴扭矩M1、ψ₁、α计算得

即

此刻圆周力即为套筒相对于螺母克服的摩擦力，即为电机需要给进的最小力矩。

综上，本发明针对输电线路在高空受风力的影响，难以对准和内六角形套筒难以完全裹覆螺母等情况，提出了一种克服内六角套筒与六角螺母之间的摩擦力、实现套筒与螺母对接的螺栓对中控制策略。所述方法以输电线路螺栓紧固机器人为硬件基础，计算套筒相对于螺母的偏转角度，根据不同的情况，控制机械臂的给进；当套筒相对于螺母的偏角到达规定角度后，套筒带动螺母进行旋转；对套筒进行受力分析和临界角度计算，利用柔顺控制方法调节旋转过程中机械臂的位姿，使套筒与螺母六角对准，完成裹覆。因而可以高效、精准的实现螺栓对中，进一步实现没有人为参与情况下的带电维护、检修任务，提高电网运行的稳定性。本方法在尽量不损坏螺母的情况下实现了螺栓自动对准，减少了人力资源的投入，提高了螺栓紧固机器人的工作效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其特征在于：根据套筒与螺母之间的偏角，设定偏差角阈值θ_max，根据偏转角度大小，控制机械臂的给进：

套筒相对于螺母两者中轴线间几乎没有偏差，只是六边形有所偏差：直接控制机械臂进行给进，对螺母进行旋转，使螺母和套筒的六边形对准；

套筒相对于螺母存在角度偏差，且偏差角θ(|θ|≤θ_max)，依据已知的偏差角θ₁和给进深度δ可得到偏差角θ₂，

计算并监测θ₂的值，一旦达到目标值范围内，套筒对螺栓进行旋转，使螺母的六角形与套筒的内六角形对准；

套筒相对于螺母偏差角过大，|θ|＞θ_max，需要重新调节机械臂进行对准。

2.根据权利要求1所述的一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其特征在于：偏差角阈值θ_max＝15°。

3.根据权利要求1所述的一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其特征在于：套筒相对于螺母的偏角小于5°,此时认为两者中轴线间几乎没有偏差，只是六边形有所偏差。

4.根据权利要求1所述的一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其特征在于：在螺栓给进的过程中，根据角度传感器测量θ₁，θ₂。

5.根据权利要求4所述的一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其特征在于：若Δl在0＜Δl≤l_max的范围内则能保证对准，即0＜δ≤l_max，其中l_max由套筒与螺栓的半径推算获得，l_max＝tanθ_e*2r，所以可通过θ₂的值来判断是否进行旋转。

6.根据权利要求1所述的一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其特征在于：

旋转螺母前的几何协调方程为：

受力平衡方程为：

物理方程为：

由此可得：

其中，

u-u₀＝R-r-l_p(θ-θ₀)-u₀，套筒的半径为R,螺栓的半径为r,u为柔顺中心C沿X轴方向的平移误差，x为轴端中心沿X轴方向的平移误差，θ为轴的轴线相对于Z轴的角度误差。

7.根据权利要求6所述的一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其特征在于：为防止出现在螺栓进入套筒的过程中，偏角过大，超出其柔性范围，无法完成螺栓的对准工作的情况，需讨论柔性角度的临界情况，即求解临界角度θ_e和临界深度l_max，其中R为套筒的半径；r为螺母的半径；l为套筒进入螺母的深度，

2(R-r)/tanθ_e＝2r tanθ_e

解得：

l_max＝tanθ_e*2r。

8.根据权利要求7所述的一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其特征在于：根据阻抗控制算法，调节位置的控制算法为：

其中k_f、k_fz为反馈系数，取值范围均在0.1一1.0之间，

依据机器人机械手末端套筒的Z轴与以螺栓为参考目标的坐标系的Z轴的相对位置，不断调整机器人机械手末端套筒的轴，使它的Z轴与以螺栓为参考目标的坐标系的Z轴重合。

9.根据权利要求8所述的一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其特征在于：螺栓对准的柔顺控制算法为：

当|θ|≤θ_e时，

当|θ|＞θ_e时，

其中k_f、k_fz为反馈系数，k_m为控制系数，取值范围均在0.1一1.0之间。

10.根据权利要求9所述的一种输电线路螺栓紧固机器人的螺栓对中控制方法，其特征在于：通过对六角套筒承受的载荷进行分析计算，推导得出，在旋转时，根据不同的转角ψ₁和夹角α，可以计算出不同的圆周力，此刻圆周力即为套筒相对于螺母克服的摩擦力，即为电机需要给进的最小力矩。

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