500 kV輸電線路絕緣子安裝質量驗收機器人機構設計

摘要：【目的】針對500 kV輸電線路中水平玻璃絕緣子安裝質量驗收工作中存在的作業難題，提出一種絕緣子安裝質量驗收機器人機構設計方案。【方法】首先，根據作業環境建立了絕緣子驗收機器人三維模型，利用D-H參數法對檢測機構進行正運動學分析；然后，為解決機器人在不同傾斜角絕緣子串上的穩定爬行問題，對機器人驅動機構進行優化，并在5°、10°和15°這3種不同傾斜角絕緣子串上分別進行了運動學仿真；最后，對優化后的履帶式機器人分別進行縱向和橫向穩定性受力分析，并對減振彈簧進行了受力仿真分析。【結果】結果表明，和多輪式驅動機構相比，履帶式驅動機構的機器人質心在Z 軸的速度穩定性分別提升了84. 73%、75. 76%、73. 70%；在X 軸的偏移距離穩定性分別提升了40. 47%、44. 21%、74. 14%。優化后機器人具有更好的穩定性，為后續絕緣子機器人整體設計提供了支撐。

關鍵詞：500 kV輸電線路；玻璃絕緣子串；D-H參數法；履帶式驅動機構；仿真分析

中圖分類號：TM216；TP242 DOI：10. 16578/j. issn. 1004. 2539. 2025. 01. 007

0 引言

玻璃絕緣子是500 kV輸電線路中使用量最大的絕緣器件之一，起著連接桿塔和輸電線、使輸電線和桿塔絕緣的重要作用[1]。在輸變電工程建設階段，對于剛完成架空輸電線路安裝的絕緣子串，工人的不當安裝作業會導致絕緣子磕傷、損壞等安裝質量問題，嚴重時將導致玻璃絕緣子自爆，影響線路后續正常運行。因此，絕緣子安裝施工的質量驗收是工程建設的重要環節[2]。在工程運行階段，由于絕緣子的長期運行，會出現絕緣電阻降低、表面開裂等劣化現象，嚴重的將導致絕緣子閃絡[3]。目前，絕緣子檢測主要有火花叉法、小球放電法、紅外熱像儀法、絕緣電阻法、激光多普勒振動法及非接觸式電場法等，但大都以人工為載體進行檢測[4]。隨著電壓等級的提高，絕緣子串長度也在不斷增加，采用以人工為載體的方法進行檢測的難度也大大增加，同時也具有一定危險性。因此，新型檢測設備的研制越來越重要[5]。近年來，機器人技術逐漸被引入絕緣子檢測領域，提高了絕緣子檢測的工作效率，也降低了絕緣子的誤判率。

目前，國內外已開發了多款絕緣子檢測機器人樣機，并開展了相關的現場試驗和示范應用研究[6]。PARK等[7-8]提出的絕緣子清掃機器人采用蠕動式行走原理，可在懸垂絕緣子串上爬行；還展示了一種懸式絕緣子串帶電巡檢機器人，機器人移動機構由3對交替的攀爬桿組成，通過攀爬桿互相配合，可以實現機器人的上下運動。DONG等[9]提出的機器人由3個相同的攀爬機構組成，使用兩組切比雪夫連桿來實現全時攀爬功能。張天宇等[10]提出的絕緣子檢測機器人采用了蠕動式移動機構，并應用了導向桿的自適應結構。劉海峰[11]提出的盤式絕緣子串檢測機器人采用了翻滾式結構。郭小昆[12]提出的懸垂絕緣子串攀爬機器人，同樣采用導向桿的自適應結構，可以保證裝置在向上攀爬過程中不發生偏離。

上述絕緣子機器人的研究都具有其自身優點，但同時存在一些不足，如：未深入研究絕緣子和架空懸線因自重而引起的架空懸線傾斜角對機器人爬行穩定性的影響；同時，未將視覺檢測技術與機器人技術相結合。

基于上述背景，本文以輸變電工程建設階段的500 kV輸電線路水平玻璃絕緣子串為驗收對象，設計了一種可適應不同傾斜角絕緣子串、具有多方位檢測功能的絕緣子驗收機器人。利用D-H參數法對檢測機構進行了運動學分析；對驅動機構進行了運動學仿真及優化；然后，引入方差，對多輪式、履帶式驅動機構的穩定性進行了定量分析；最后，對優化后機器人進行了穩定性受力分析和仿真分析。