電力絕緣子智能除污機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軌跡規(guī)劃研究

摘 要：特高壓支柱絕緣子是換流站中的重要設(shè)備，長(zhǎng)期惡劣的服役環(huán)境使得絕緣子盤(pán)面大量積污，嚴(yán)重影響絕緣子的電氣絕緣性能，因此定期對(duì)特高壓支柱絕緣子的清洗作業(yè)是電力系統(tǒng)的一項(xiàng)常規(guī)作業(yè)任務(wù)，針對(duì)支柱絕緣子人工清洗作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及對(duì)于較高的絕緣子人工無(wú)法到達(dá)作業(yè)空間等問(wèn)題，本文開(kāi)發(fā)了一種特高壓支柱絕緣子除污機(jī)器人。首先根據(jù)作業(yè)任務(wù)分析，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的虛擬樣機(jī)模型及其成套末端清洗機(jī)構(gòu)，利用D-H坐標(biāo)法建立了機(jī)器人的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，基于該模型在MATLAB軟件中對(duì)末端可達(dá)作業(yè)空間進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到末端空間的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，從而優(yōu)化機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后，通過(guò)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了特高壓支柱絕緣子除污機(jī)器人物理樣機(jī)系統(tǒng)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和末端設(shè)計(jì)的合理性與工程實(shí)用性。本文相關(guān)內(nèi)容的研究對(duì)于推動(dòng)配網(wǎng)智能運(yùn)維管理具有較強(qiáng)的理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：支柱絕緣子；除污機(jī)器人；虛擬樣機(jī)模型；運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；作業(yè)空間優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095－414X（2023）02－0051－06

0 "引言

隨著我國(guó)電網(wǎng)建設(shè)的快速發(fā)展，各地區(qū)間電力能源的互聯(lián)關(guān)系越來(lái)越緊密，換流站[1-3]是電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，由于換流站特殊的電磁場(chǎng)環(huán)境，站內(nèi)設(shè)備尤其絕緣子表面積污嚴(yán)重，顯著降低了絕緣子憎水性能，給換流站設(shè)備安全運(yùn)行帶來(lái)極大的安全隱患。絕緣子污閃[4-6]對(duì)電力系統(tǒng)具有巨大危害，因此國(guó)內(nèi)外很早就開(kāi)始進(jìn)行絕緣子表面污穢清掃工作。絕緣子清掃工作[7-8]主要包括停電清掃和帶電清掃兩種途徑，停電清掃需專(zhuān)業(yè)人員在作業(yè)區(qū)域停電時(shí)攜帶擦拭工具攀爬至設(shè)備上進(jìn)行絕緣子的清掃，勞動(dòng)強(qiáng)度大，清洗效果差。而帶電水清洗是運(yùn)用高速水柱對(duì)絕緣子表面污染層進(jìn)行沖洗，不需設(shè)備停電，但是該方法會(huì)對(duì)水資源造成極大的浪費(fèi)，而且對(duì)絕緣子表面油污作用不大。綜上所述，本文提出了一種面向換流站內(nèi)立柱式絕緣子清掃機(jī)器人[9-10]及新型清洗方式，該機(jī)器人具備支柱絕緣子自動(dòng)清洗功能，能有效降低換流站人工清洗支柱絕緣子勞動(dòng)強(qiáng)度，提升清洗效果。本文將電力機(jī)器人應(yīng)用于換流站支柱絕緣子清掃過(guò)程是電力機(jī)器人的一個(gè)新應(yīng)用，具有重要的學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值，同時(shí)也為立柱式絕緣子清掃機(jī)器人在換流站作業(yè)環(huán)境下的研究及應(yīng)用奠定了理論與技術(shù)基礎(chǔ)，在支柱絕緣子清洗過(guò)程中，機(jī)器人清洗末端通過(guò)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)到達(dá)清洗空間[11-12]。因此，機(jī)器人末端作業(yè)空間是實(shí)現(xiàn)支柱絕緣子無(wú)盲區(qū)清洗的關(guān)鍵。

基于上述背景，本文提出了一種特高壓支柱絕緣子除污機(jī)器人新型構(gòu)造，開(kāi)發(fā)了其虛擬樣機(jī)模型，包括機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械臂系統(tǒng)、末端清掃系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)和機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)將機(jī)器人清掃末端送至作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行絕緣子清洗作業(yè)，建立了機(jī)械臂系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并在MATLAB中對(duì)末端作業(yè)空間進(jìn)行了分析，最后通過(guò)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了特高壓支柱絕緣子除污機(jī)器人物理樣機(jī)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)絕緣子清洗作業(yè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的特高壓支柱絕緣子除污機(jī)器人的有效性和工程實(shí)用性，本文的研究對(duì)于變電智能運(yùn)維管理自動(dòng)化水平的提升具有重要理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1特高壓支柱絕緣子除污機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與清洗運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

1.1 "整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

絕緣子清洗機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由機(jī)器人清洗組件和機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)組成，機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)可與高空作業(yè)車(chē)連接安裝，由高空作業(yè)車(chē)送到絕緣子附近，實(shí)現(xiàn)高空絕緣子的機(jī)械化清洗。機(jī)器人清洗組件包含剪刀式開(kāi)口機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、清掃機(jī)構(gòu)、噴淋系統(tǒng)等組成，剪刀式開(kāi)口機(jī)構(gòu)包含左右支撐架、剪刀式開(kāi)口動(dòng)力部分，可將清掃機(jī)構(gòu)打開(kāi)從而進(jìn)入絕緣子；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包含齒輪組、圓弧導(dǎo)軌、驅(qū)動(dòng)部分等，清掃機(jī)構(gòu)包含驅(qū)動(dòng)部分、清掃毛刷，兩種機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)構(gòu)的公轉(zhuǎn)及自轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕緣子的清掃；整體由4個(gè)清掃刷均布，呈半包圍形式

“抱住”復(fù)合支柱絕緣子，清掃刷由電機(jī)直驅(qū)；兩邊的兩組絕緣子分別固定在各自的轉(zhuǎn)動(dòng)部件框架上，兩邊框架可呈剪刀狀開(kāi)合，開(kāi)合動(dòng)力為氣缸推桿，可方便清掃刷套入絕緣子，防止碰到絕緣子造成絕緣子損傷等；回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的一部分圓弧上設(shè)置有齒輪，可通過(guò)齒輪帶動(dòng)沿基座上的圓弧導(dǎo)軌左右轉(zhuǎn)動(dòng)各45°來(lái)保證兩個(gè)清掃刷清掃，齒輪驅(qū)動(dòng)力為氣動(dòng)馬達(dá)。噴淋系統(tǒng)由水泵、管路及霧化噴嘴組成，負(fù)責(zé)噴灑清潔藥水以縮短清潔時(shí)間，同時(shí)可噴灑清水沖洗掉清掃的污穢。

機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)含3個(gè)自由度，豎直移動(dòng)、水平移動(dòng)及調(diào)平擺動(dòng)，豎直移動(dòng)機(jī)構(gòu)為滾珠絲杠副+導(dǎo)軌，水平移動(dòng)及調(diào)平擺動(dòng)機(jī)構(gòu)由上下兩組滾珠絲杠副+導(dǎo)軌組成，上下兩組滾珠絲杠副+導(dǎo)軌分別與豎直移動(dòng)機(jī)構(gòu)鉸接，且上端鉸接為腰圓槽活動(dòng)鉸接，當(dāng)上下兩組滾珠絲杠副+導(dǎo)軌同步移動(dòng)時(shí)，即形成水平移動(dòng)；當(dāng)上下兩組滾珠絲杠副+導(dǎo)軌非同步移動(dòng)時(shí)，即形成調(diào)平擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，可將機(jī)器人清洗組件調(diào)平。

1.2 末端毛刷機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上結(jié)論，同時(shí)考慮到裙邊下表面較難清潔，如使用軟質(zhì)材料，更加難以清潔到下表面，所以本機(jī)器人選用清潔效果中等的軟硬適中的尼龍毛刷；同時(shí)在每個(gè)360°圓周上，分成3個(gè)120°的植毛區(qū)域，3個(gè)植毛區(qū)域的植毛角度分別為向下一定角度、水平、向下一定角度，可保證絕緣子裙邊上表面、下表面和內(nèi)側(cè)達(dá)到良好的清洗效果；另外清掃毛刷的主軸采用快插方式安裝，在毛刷毛質(zhì)磨損或毛刷被污穢污染后，可快速更換。整套設(shè)備由4個(gè)清掃毛刷均布，呈半包圍形式“抱住”復(fù)合支柱絕緣子，實(shí)現(xiàn)絕緣子360°的清掃。

1.3 末端毛刷剪刀式開(kāi)口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

剪刀式開(kāi)口機(jī)構(gòu)打開(kāi)時(shí)開(kāi)口需要大于絕緣子直徑480mm，同時(shí)開(kāi)口閉合時(shí)毛刷的毛需完全進(jìn)入裙邊；另外為保證開(kāi)口打開(kāi)時(shí)兩側(cè)毛刷實(shí)時(shí)對(duì)稱(chēng)，且開(kāi)口閉合時(shí)與絕緣子中心近似同心，兩側(cè)清掃機(jī)構(gòu)安裝架打開(kāi)與閉合通過(guò)齒輪嚙合，保證原始安裝時(shí)對(duì)稱(chēng)，即可達(dá)到兩側(cè)毛刷實(shí)時(shí)對(duì)稱(chēng)效果；為減輕總體重量，清掃機(jī)構(gòu)安裝架采用上下疊板設(shè)計(jì)，中間使用支撐軸隔開(kāi)，材質(zhì)可選用航空級(jí)硬質(zhì)鋁合金。

2特高壓支柱絕緣子除污機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

2.1 "機(jī)械臂D-H坐標(biāo)系的建立

如圖2所示，建立清洗機(jī)械臂的連桿坐標(biāo)系，根據(jù)圖2得到用于定量描述關(guān)節(jié)之間相對(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)角和連桿關(guān)節(jié)角，以及對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)角的旋轉(zhuǎn)范圍進(jìn)行了限制，清洗機(jī)械臂的D-H參數(shù)如表1所示。

2.2 "運(yùn)動(dòng)學(xué)正解模型的推導(dǎo)

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，如式（1）所示。（以下式中 指代 、 指代 ）。

（1）

其中參數(shù)d1為200，d2為100，a3為1500，a4為1500，參數(shù)長(zhǎng)度單位為mm。將關(guān)節(jié)2、3、4處的關(guān)節(jié)角范圍限制在-90°～90°間，目的是使機(jī)器人在作業(yè)過(guò)程中不會(huì)觸碰到自身的其他機(jī)構(gòu)，以免由于失誤的操作導(dǎo)致機(jī)械臂發(fā)生損壞或者卡死。將機(jī)械臂的初始關(guān)節(jié)角度帶入式（1）中，得到所有齊次變換矩陣的結(jié)果如式（2）所示。

（2）

根據(jù)坐標(biāo)變化理論，將式1中的六個(gè)矩陣 、 、 、 、 、 按照順序相乘即可得到機(jī)

械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)解，得到正向模型的矩陣最終結(jié)果如式（3）所示。

（_6^1）T=

=

3仿真實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)試驗(yàn)

3.1 "末端作業(yè)空間仿真實(shí)驗(yàn)

基于清洗機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在MATLAB軟件中利用機(jī)器人工具箱搭建了清洗機(jī)械臂系統(tǒng)，通過(guò)給定各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)可以得到機(jī)械臂的清洗作業(yè)的運(yùn)動(dòng)軌跡，仿真圖如圖3所示，其中圖3（a）為清洗機(jī)械臂的初始狀態(tài)，隨后，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)1開(kāi)始伸長(zhǎng)，機(jī)械臂的關(guān)節(jié)2開(kāi)始伸長(zhǎng)，分別如圖3（b），3（c）所示，最后將清洗末端機(jī)構(gòu)送至支柱絕緣子附近開(kāi)始清洗作業(yè)如圖3（d），整個(gè)作業(yè)過(guò)程，機(jī)器人機(jī)械臂軌跡平滑，運(yùn)行流暢、穩(wěn)定，能夠較好地完成絕緣子清洗作業(yè)。

3.2 "現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)實(shí)驗(yàn)

通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了特高壓支柱絕緣子除污機(jī)器人物理樣機(jī)，通過(guò)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)搭載的機(jī)械臂協(xié)同運(yùn)動(dòng)，將清洗末端送至工作位開(kāi)始絕緣子清洗作業(yè)，機(jī)器人末端通過(guò)升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)絕緣子的頂端、中部和底部的清洗，整個(gè)作業(yè)過(guò)程人機(jī)交互協(xié)調(diào)順暢，機(jī)器人順利完成了絕緣子的清洗作業(yè)，并取得了良好的清洗效果。機(jī)器人的絕緣子清洗作業(yè)實(shí)驗(yàn)如圖4所示，通過(guò)機(jī)器人替換人工進(jìn)行電力絕緣子的清洗作業(yè)大大提高了作業(yè)效率，同時(shí)減輕了人工清洗作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度，整個(gè)系統(tǒng)取得了較好效果。

4結(jié)論

（1）提出了一種多模塊的特高壓支柱絕緣子除污機(jī)器人系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案，通過(guò)機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、末端清洗系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，將末端清洗機(jī)構(gòu)送至工作位，實(shí)現(xiàn)支柱絕緣子的自動(dòng)化清洗作業(yè)。

（2）針對(duì)機(jī)器人末端作業(yè)空間受限問(wèn)題，建立了機(jī)器人機(jī)械臂系統(tǒng)的D-H坐標(biāo)模型，推導(dǎo)了機(jī)械臂及其末端的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)清洗末端在三維空間中的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。

（3）通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了機(jī)器人物理樣機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)絕緣子清洗試驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提出的絕緣子清洗機(jī)器人構(gòu)型與系統(tǒng)的有效性和工程實(shí)用性。

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Mechanical System Design and Trajectory Planning Research of Power Insulator Intelligence Decontamination Robot

YAN Yu1，2， KANG Wen1，2， XIAO Yi1，2， WANG Li-de1，2， JIANG Wei3

（1. State Grid Hunan EHV Substation Company， Changsha Hunan 410004， China;

2. Substation intelligent transportation and inspection laboratory of State Grid Hunan Company， Changsha Hunan 410004， China;

3. School of Mechanical Engineering and Automation， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430200， China）

Abstract：The UHV pillar insulator is an important equipment in the converter station. The long-term harsh service environment causes a lot of contamination on the surface of the insulator， which seriously affects the electrical insulation performance. Therefore， regular cleaning of the UHV pillar insulator is an item of the power system. For routine operation tasks， in view of the low efficiency of manual cleaning of pillar insulators， high labor intensity and the inability to manually reach the working space for higher insulators， this paper develops a UHV pillar insulator decontamination robot. First， according to the task analysis， the virtual prototype model of the robot and its complete set of end cleaning mechanism has been designed and established， the kinematic model of the robot arm is established by using the D-H coordinate method. The 3D point cloud map to optimize the structural parameters of the robot arm. Finally， the physical prototype system of the UHV pillar insulator decontamination robot is developed through the system integration design and the field operation test is also carried out. The rationality and engineering practicability of the mechanical structure and terminal design of the robot are verified through the field test. It has strong theoretical significance and practical application value to promote intelligent operation and maintenance management of distribution network.

Keywords：Pillar insulators; Decontamination robots; Virtual prototype models; Kinematic models; Working space optimization

（責(zé)任編輯：周莉）