引言

受環(huán)境污染的影響,變電站污閃事故發(fā)生的頻次日益增加。定期對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行帶電水沖洗是防止污閃事故發(fā)生、保證電網(wǎng)可靠運(yùn)行的有效手段。目前,變電站帶電水沖洗作業(yè)仍以人工方式為主,工人勞動(dòng)強(qiáng)度大,危險(xiǎn)性高,且受人員心理素質(zhì)、業(yè)務(wù)水平、工作經(jīng)驗(yàn)和精神狀態(tài)等諸多因素的制約,清污效率低,效果差。人工方式帶電水沖洗作業(yè)已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代化變電站安全運(yùn)行的要求,研制開發(fā)可替代人工的帶電水沖洗設(shè)備已成為智能電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。

美國(guó)F1oridaPower&LightCo.的變電站設(shè)計(jì)了一種固定式水沖洗系統(tǒng),即在絕緣子等設(shè)備的周圍設(shè)置能承受一定水壓的固定管道和噴嘴。這種方式投資很大,工程建設(shè)一般需要在建造變電站時(shí)同期實(shí)施。澳大利亞、以色列等利用直升機(jī)開展帶電水沖洗作業(yè),價(jià)格昂貴、操作復(fù)雜。國(guó)內(nèi)的帶電水沖洗設(shè)備大多由消防車或工程車改裝而成[9-11],不僅工作人員的安全得不到保障,而且操作也相當(dāng)不便。

本文針對(duì)110kV變電站的環(huán)境特點(diǎn)及帶電水沖洗作業(yè)任務(wù)需求,提出了一種平穩(wěn)性高、越障能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好的新型帶電水沖洗機(jī)器人機(jī)構(gòu)。首先,分析了變電站的環(huán)境條件和作業(yè)任務(wù):然后,介紹了變電站帶電水沖洗機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)方案,分析了履腿復(fù)合移動(dòng)底盤的機(jī)構(gòu)構(gòu)型、工作機(jī)理、行走模式及越障流程:接著,利用DH法建立了折疊式機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,分析了機(jī)器臂的作業(yè)空間。分析與仿真結(jié)果表明,機(jī)器人能夠適應(yīng)臺(tái)階、斜面、凹凸路面等多種環(huán)境,跨越電纜溝、臺(tái)階等多種障礙物,驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和合理性。

1環(huán)境描述與任務(wù)分析

帶電水沖洗機(jī)器人的作業(yè)場(chǎng)所為110kV變電站,絕緣子分布的區(qū)域阻礙較多,機(jī)器人沖洗作業(yè)時(shí)需要靈活移動(dòng),必須考慮設(shè)計(jì)機(jī)器人的尺寸因素。另外,變電站屬于高電壓環(huán)境,站內(nèi)自動(dòng)化設(shè)備可能發(fā)生因絕緣不理想或操作失誤造成的設(shè)備損壞,因此必須針對(duì)機(jī)器人的絕緣性能和操作安全性進(jìn)行研究。變電站內(nèi)絕緣子布置區(qū)域的門型支架較多,限制了帶電水沖洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)高度:110kV變電站平行的門型支架之間的安全距離為2.9m,帶電水沖洗機(jī)器人的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和寬度不應(yīng)過(guò)大,滿足其在安全距離內(nèi)行進(jìn)或轉(zhuǎn)向:變電站內(nèi)鋪設(shè)有巡視小道,帶電水沖洗機(jī)器人可通過(guò)巡視小道進(jìn)入絕緣子沖洗作業(yè)區(qū)域,機(jī)器人的設(shè)計(jì)寬度應(yīng)允許其在1m寬的巡視小道上行進(jìn)。此外,針對(duì)機(jī)器人沖洗作業(yè)時(shí)存在水柱滿射和水槍滴漏的情況,機(jī)器人應(yīng)具有一定的防水性能,保證其正常工作。帶電水沖洗機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要實(shí)現(xiàn)功能應(yīng)包括本體移動(dòng)和絕緣子瞄準(zhǔn)兩部分,人工遠(yuǎn)程控制機(jī)器人移動(dòng)至指定位置,識(shí)別出待沖洗的絕緣子,然后采用自動(dòng)控制方式調(diào)節(jié)水槍姿勢(shì),使水槍瞄準(zhǔn)絕緣子開始沖洗作業(yè)。帶電水沖洗機(jī)器人的作業(yè)示意圖如圖1所示。

1機(jī)構(gòu)總體方案

1.1變電站帶電水沖洗機(jī)器人簡(jiǎn)介

帶電水沖洗機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)如圖2所示,機(jī)器人由履腿式移動(dòng)底盤、折疊式機(jī)械臂及末端多功能作業(yè)工具組成。其中,履腿式移動(dòng)底盤由擺腿、副履帶、主履帶和電氣箱體組成。通過(guò)控制擺腿的擺動(dòng),可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人履帶行走和腿式行走之間的相互轉(zhuǎn)換,這樣既可保證機(jī)器人在平坦路面高速運(yùn)動(dòng),又能保證機(jī)器人在遇到障礙時(shí)順利跨越。驅(qū)動(dòng)箱位于底盤左側(cè),液壓油箱位于底盤下方。圖1帶電水沖洗機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用IKY履帶(車輪)用液壓傳動(dòng)裝置,由具有制動(dòng)功能的閥組、液壓馬達(dá)、制動(dòng)器、一級(jí)行星減速器組成,其輸出可直接與驅(qū)動(dòng)輪連接。機(jī)器人行走過(guò)程中,支腿收起位于兩側(cè),在沖洗作業(yè)時(shí),支腿張開,提高機(jī)器人的穩(wěn)定性。根據(jù)作業(yè)任務(wù)內(nèi)容及變電站環(huán)境特點(diǎn),采用4自由度的機(jī)械臂,使得末端作業(yè)工具達(dá)到相應(yīng)的位姿,從而完成水槍的對(duì)準(zhǔn)操作,保證了機(jī)器人以一定的沖洗角度進(jìn)行帶電水沖洗作業(yè)。

2.2移動(dòng)底盤設(shè)計(jì)

2.2.1移動(dòng)底盤構(gòu)型

機(jī)器人移動(dòng)底盤采用履腿復(fù)合機(jī)構(gòu),如圖3所示。

四條履帶腿都安裝于在車體外側(cè),履帶腿的擺動(dòng)范圍設(shè)計(jì)為3609回轉(zhuǎn);主履帶采用后輪差速驅(qū)動(dòng)。移動(dòng)底盤車體可裝載電控系統(tǒng)、通信模組及電池等設(shè)備。

依據(jù)履帶輪直徑、車體長(zhǎng)度及整機(jī)總體設(shè)計(jì)方案,機(jī)器人的自由度分配為:兩個(gè)主履帶驅(qū)動(dòng)輪為2自由度,四個(gè)副履帶的旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)為4自由度,四個(gè)履帶腿繞中心軸的擺動(dòng)為4自由度,總共需要10自由度。

2.2.2底盤移動(dòng)模式分析

如圖4所示,基于履腿復(fù)合機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的移動(dòng)底盤可實(shí)現(xiàn)腿式移動(dòng)和履帶移動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)模式,越障運(yùn)動(dòng)更靈活,越障性能更強(qiáng)。

2.2.2.1腿式移動(dòng)

該模式通過(guò)控制履帶腿的關(guān)節(jié)角,控制移動(dòng)底盤的腿式越障運(yùn)動(dòng),在增加車體高度和提高非結(jié)構(gòu)環(huán)境下越障能力方面有著明顯效果。

2.2.2.2履帶移動(dòng)

該模式利用前后兩對(duì)履帶的擺動(dòng)來(lái)提高移動(dòng)底盤的越障能力:(1)如圖5(a)(b)所示,當(dāng)履帶下擺著地時(shí),移動(dòng)底盤與地面的接觸面積增大,可適應(yīng)松軟和凹凸不平的地形,爬坡能力增大;(2)如圖5(c)所示,當(dāng)爬越臺(tái)階時(shí),通過(guò)前履帶腿上擺形成合適的前攻角,可以方便地越過(guò)臺(tái)階。

2.3折疊式機(jī)械臂設(shè)計(jì)

帶電水沖洗機(jī)器人的機(jī)械臂采用折疊式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),具有4個(gè)自由度,用于承載高壓水槍噴射裝置。高壓水槍噴射裝置包括高壓水槍、工業(yè)相機(jī)、激光測(cè)距傳感器、電磁場(chǎng)強(qiáng)檢測(cè)儀等,可為作業(yè)人員提供實(shí)時(shí)圖像反饋、目標(biāo)識(shí)別與定位、安全距離檢測(cè)等信息。

3機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

根據(jù)機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)需求和變電站環(huán)境模型,機(jī)械臂要求具有較大的工作空間及較高的自由度,以便完成水槍的準(zhǔn)確定位和絕緣子串的對(duì)準(zhǔn)任務(wù)。考慮采用機(jī)械臂搭載多功能末端工具盤的設(shè)計(jì)方案,機(jī)械臂保證多功能末端工具盤達(dá)到指定的位姿,由多功能末端工具盤完成指定的檢測(cè)和操作任務(wù)。設(shè)計(jì)采用的是折疊式4自由度機(jī)械臂。根據(jù)該機(jī)械臂的構(gòu)型和結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1),通過(guò)Denavit-Hartenber法建立各連桿的坐標(biāo)系,如圖6所示,推導(dǎo)相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為:

式中:

4結(jié)語(yǔ)

面向變電站帶電水沖洗的實(shí)際需求,本文提出了一種新型變電站帶電水沖洗機(jī)器人機(jī)構(gòu)。分析和仿真結(jié)果表明,采用履腿復(fù)合式移動(dòng)底盤提高了機(jī)器人越障能力和環(huán)境適應(yīng)能力,機(jī)械臂在作業(yè)區(qū)域范圍內(nèi)具有良好的可操作性。與現(xiàn)有的變電站帶電水沖洗機(jī)器人機(jī)構(gòu)相比,本文提出的機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、越障能力強(qiáng)、作業(yè)范圍廣等特點(diǎn),因而具有實(shí)用價(jià)值:其在完成帶電水沖洗作業(yè)的同時(shí),極大地保障了操作人員的安全,減少了停電作業(yè)的損失,為變電站帶電水沖洗作業(yè)提供了一種新的解決方案。