變電站絕緣設(shè)備水沖洗機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與仿真

Optimization design of large arm structure of water washing robot

崔孔龍1，魯守銀1，談金東2，李　輝3

CUI Kong-long1, LU Shou-yin1, TAN Jin-dong2, LI Hui3

（1.山東建筑大學 機器人與智能系統(tǒng)研究院，濟南 250101；2.田納西大學 電子信息工程系，田納西 37996；3.山東建筑大學 機電工程學院，濟南 250101）

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變電站絕緣設(shè)備水沖洗機器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與仿真

Optimization design of large arm structure of water washing robot

崔孔龍1，魯守銀1，談金東2，李輝3

CUI Kong-long1, LU Shou-yin1, TAN Jin-dong2, LI Hui3

（1.山東建筑大學 機器人與智能系統(tǒng)研究院，濟南 250101；2.田納西大學 電子信息工程系，田納西 37996；3.山東建筑大學 機電工程學院，濟南 250101）

摘 要：為了提高變電站絕緣子的沖洗效率，對水沖洗機器人的大臂結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。首先，確定與沖洗效率相關(guān)的大臂結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后，根據(jù)要求確定大臂的優(yōu)化函數(shù)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，運用約束坐標輪換法求取大臂結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)實驗獲取的數(shù)值運用MATLAB進行仿真，畫出運動軌跡。優(yōu)化的結(jié)果可使大臂的末端沿近似的水平線運動，且沖洗效率大大提高。

關(guān)鍵詞：水沖洗機器人；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；沖洗效率；運動軌跡；仿真

0 引言

變電站很多電氣高壓設(shè)備長期運行在戶外，絕緣子表面污穢比較嚴重，易造成停電及污穢閃絡(luò)事故[1,2]，及時清理絕緣子表面的污穢變的尤為重要。目前國內(nèi)大多采用人工的方式，勞動強度大，而且存在安全隱患。國外帶電水沖洗絕緣設(shè)備的方式比較先進，如意大利Pisa University通過用直升機安放帶電水沖洗機器人的方法進行沖洗[3]，這種方法成本太高，而且難于操作。在國家863計劃的資助下，我們進行了水沖洗機器人的研究且取得良好的效果，但機械臂關(guān)節(jié)比較多，操作比較麻煩，導(dǎo)致沖洗過程中造成絕緣子沖洗不全面，沖洗時間長等問題。因此，為提高沖洗效率，我們簡化機械臂關(guān)節(jié)數(shù)，采用槍口與絕緣子垂直、等距的水平?jīng)_洗方法。為了實現(xiàn)該方法及減少機械臂的關(guān)節(jié)數(shù)，我們對多種方案反復(fù)設(shè)計篩選，并最終做出了優(yōu)化后的水沖洗機器人如圖1所示，結(jié)構(gòu)方案原理圖如圖2所示。

圖1　水沖洗機器人實物圖

圖2　結(jié)構(gòu)方案原理圖

該結(jié)構(gòu)方案的動作原理是：大臂3在油缸2的驅(qū)動下實現(xiàn)上升下降，以滿足絕緣子的上下沖洗；支撐臂1保證大臂可以垂直起落；小臂4在液壓馬達6的作用下可以在水平面內(nèi)做±60°的擺動，以調(diào)整小臂4前端的左右位置；液壓馬達7驅(qū)動槍桿5沿絕緣子的外表面進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度可達±50°；液壓馬達8、9驅(qū)動移動平臺做前后往復(fù)運動及左右旋轉(zhuǎn)。噴槍的運動軌跡如圖3(a)所示。

圖3　噴槍運動

因為變電所電壓為220kV，所以水柱的長度至少為1000mm，而實際水柱的長度可以達到10000mm，沖洗的絕緣子直徑在300mm左右，可以近似認為水柱與絕緣子表面垂直。在進行水沖洗作業(yè)時大臂與旁邊絕緣子的距離應(yīng)大于安全距離S，S>360mm，且大臂沿絕緣子方向的距離H2小于2000mm，否則會導(dǎo)致絕緣子與機械臂發(fā)生放電，以致發(fā)生危險事故。圖3(b)為沖洗內(nèi)部絕緣子示意圖。

為了滿足變電所絕緣子沖洗控制上要求，對水沖洗機器人的大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計還進行如下特殊要求：1）大臂的起落高度達5000mm；2）在到達清洗高度時，大臂的前端應(yīng)近似沿一條水平線運動，其水平度絕對偏差即沿y軸方向的擺動不大10mm為宜；3）大臂在起落時，沿垂直方向起落，在z軸方向的偏差小于6mm為宜；4）沖洗內(nèi)部絕緣子時，大臂與兩邊絕緣子的距離應(yīng)大于300mm。

1 機械臂參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計

1.1 機械臂參數(shù)的確定

水沖洗機器人的機械臂為3自由度關(guān)節(jié)型，為了描述大臂的運動軌跡，以機械臂末端中心為坐標原點建立坐標系，繪制機械臂的結(jié)構(gòu)簡圖，其中基座長度、大臂長度、小臂長度依次為L0、L1、L2；其中L1為可伸縮桿件，大臂寬度為L3，機械臂基座與Y軸正方向的夾角為θ0，大臂的旋轉(zhuǎn)角度為θ1，沿y軸方向旋轉(zhuǎn)，小臂的旋轉(zhuǎn)角度為θ2，沿Z軸方向旋轉(zhuǎn)。圖4中(a)為機械臂參數(shù)化后的圖形，小臂末端坐標為P(x,y,z)。

圖4　機械臂參數(shù)化

小臂末端坐標P(x,y,z)，滿足如下關(guān)系：

式中：

d為絕緣子的半徑，在此，我們?nèi)=200mm。

機械臂在X-Y-Z平面內(nèi)的作業(yè)區(qū)域如圖4(b)所示。曲線P1P2為大臂達到最大角度θ1max，小臂夾角由θ2min到θ2max變化時的曲線；曲線P3P4為大臂達到最小角度θ1min，小臂夾角由θ2max到θ2min變化時曲線[4]；交點依次為P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)、P4(x4,y4,z4)，由式(1)可求出各點：由P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)、P4(x4,y4,z4)可知，機械臂的運動坐標是AB、BC、CD、DB、H1、L1、L2的函數(shù)，同時考慮到?jīng)_洗中間絕緣子時的一些限制因素L3、H2，它們是需要優(yōu)化設(shè)計的變量，現(xiàn)用W表示則有：

1.2 建立目標函數(shù)

根據(jù)設(shè)計要求，我們期望的函數(shù)應(yīng)該[5]是：

式(3)期望在進行沖洗作業(yè)時大臂末端沿水平線移動，上下浮動盡量小；式(4)期望大臂可以垂直起落，在進行上下清洗時可以垂直進行；式(5)期望大臂末端的起落高度為5000mm。

為了使大臂末端的運動滿足上述函數(shù)的要求，求出各分點輸出的F(yi) (i=1,2,…,n)對平均值的偏差；大臂抬起時的水平分點F(zi) (i=1,2,…,n)對均值得偏差；大臂末端的起落高度對5000mm的偏差；為保證機械臂結(jié)構(gòu)的緊湊性使AB、BC、CD、L2的總和最小，為滿足上面四部分的權(quán)重要求我們引進加權(quán)因子λ1、λ2、λ3和λ4，建立如下的目標函數(shù)：式中F(yi) (i=1,2,…,n)為進行水沖洗作業(yè)時，大臂末端各分點處實際的y坐標值，為軌跡上各分點的y坐標的平均值；Yn為進行水沖洗作業(yè)時大臂的最大高度值，Y1為最小高度值；F(zi) (i=1,2…,n)為大臂起落時各點的實際的z坐標，為水平軌跡上z坐標的平均值；λ1、λ2、λ3和λ4分別為小于1的加權(quán)因子，且λ1+λ2+λ3+λ4=1。

1.3 確立約束條件

因為各變量不能為負值，故可以確定如下的約束條件：

為保證油缸構(gòu)成的三角形結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足：

為限制B點移動范圍，我們進行以下設(shè)定：

當沖洗絕緣子的底端時，為保證穩(wěn)定性大臂不能太長，因此：

其中，w90為大臂初始長度。

為避免在沖洗過程中絕緣子對機械臂放電，因此：

將目標函數(shù)與前述的約束條件聯(lián)立起來就構(gòu)成了優(yōu)化設(shè)計數(shù)學模型。

1.4 優(yōu)化方法及最終結(jié)果

本論文中，我們運用約束坐標輪換法[6,7]對未知數(shù)進行求解，用VBS進行編程，其求解流程圖如圖5所示。

圖5　編程流程圖

式中，h=0.5，ε==00.2.2。因未知數(shù)的個數(shù)小于10個，故約束坐標輪換法可以快速的求解出最優(yōu)的結(jié)果。

對于加權(quán)因子的選擇，我們采用先選取再通過實際數(shù)據(jù)檢驗調(diào)整的方法，進行大量的實驗計算，最終選定比較合適的四個值分別為：1=0.05、2=0.80、3=0.05、4=0.10將1、2、3、4帶入優(yōu)化函數(shù)通過程序的多次運算，最后選擇了一組最滿意的結(jié)果，如表1所示。

表1　運算結(jié)果(單位：mm)

通過MATLAB的SimMechanics模塊編寫程序?qū)ι鲜銮蠼饨Y(jié)果進行驗證，對仿真后的點進行記錄，繪制水沖洗機器人機械臂末端的運動軌跡，圖6(a)為大臂末端移動軌跡。通過運動軌跡我們可以發(fā)現(xiàn)：1）機械臂的運動滿足與絕緣子表面垂直等距的關(guān)系；2）大臂的起落高度滿足水沖洗的需求，大約維持在5000mm；3）在進行沖洗作業(yè)時，末端基本沿水平線移動，其偏差在10mm以內(nèi)。機械臂的設(shè)計滿足快速沖洗絕緣子的要求。圖6(b)、圖6(c)為對內(nèi)部絕緣子進行沖洗的仿真圖。我們可以發(fā)現(xiàn)機械臂可以對內(nèi)部絕緣子進行充分的沖洗且機械臂有效的避開了絕緣子的放電距離，保證沖洗作業(yè)的安全進行。

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作者簡介：崔孔龍（1988 -）， 男，山東青島人，碩士，研究方向為智能機器人。

基金項目：山東省2014年科學技術(shù)發(fā)展計劃項目（2014GGX103002）

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號：TP242

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0056-03