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。定期對變電站設備進行帶電水沖洗是防止污閃事故發(fā)生、保證電網(wǎng)可靠運行的有效手段。目前,變電站帶電水沖洗作業(yè)仍以人工方式為主,工人勞動強度大,危險性高,且受人員心理素質(zhì)、業(yè)務水平、工作經(jīng)驗和精神狀態(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)代化變電站安全運行的要求,研制開發(fā)可替代人工的帶電水沖洗設備已成為智能電網(wǎng)發(fā)展的一個重要趨勢。

美國F1oridaPower&LightCo.的變電站設計了一種固定式水沖洗系統(tǒng),即在絕緣子等設備的周圍設置能承受一定水壓的固定管道和噴嘴。這種方式投資很大,工程建設一般需要在建造變電站時同期實施。澳大利亞、以色列等利用直升機開展帶電水沖洗作業(yè),價格昂貴、操作復雜。國內(nèi)的帶電水沖洗設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,而且操作也相當不便。

本文針對110kV變電站的環(huán)境特點及帶電水沖洗作業(yè)任務需求,提出了一種平穩(wěn)性高、越障能力強、環(huán)境適應性好的新型帶電水沖洗機器人機構(gòu)。首先,分析了變電站的環(huán)境條件和作業(yè)任務:然后,介紹了變電站帶電水沖洗機器人本體機構(gòu)的總體設計方案,分析了履腿復合移動底盤的機構(gòu)構(gòu)型、工作機理、行走模式及越障流程:接著,利用DH法建立了折疊式機械臂的運動學模型,分析了機器臂的作業(yè)空間。分析與仿真結(jié)果表明,機器人能夠適應臺階、斜面、凹凸路面等多種環(huán)境,跨越電纜溝、臺階等多種障礙物,驗證了機器人機構(gòu)設計的可行性和合理性。

1環(huán)境描述與任務分析

帶電水沖洗機器人的作業(yè)場所為110kV變電站,絕緣子分布的區(qū)域阻礙較多,機器人沖洗作業(yè)時需要靈活移動,必須考慮設計機器人的尺寸因素。另外,變電站屬于高電壓環(huán)境,站內(nèi)自動化設備可能發(fā)生因絕緣不理想或操作失誤造成的設備損壞,因此必須針對機器人的絕緣性能和操作安全性進行研究。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器人的設計高度:110kV變電站平行的門型支架之間的安全距離為2.9m,帶電水沖洗機器人的設計長度和寬度不應過大,滿足其在安全距離內(nèi)行進或轉(zhuǎn)向:變電站內(nèi)鋪設有巡視小道,帶電水沖洗機器人可通過巡視小道進入絕緣子沖洗作業(yè)區(qū)域,機器人的設計寬度應允許其在1m寬的巡視小道上行進。此外,針對機器人沖洗作業(yè)時存在水柱滿射和水槍滴漏的情況,機器人應具有一定的防水性能,保證其正常工作。帶電水沖洗機器人的機械結(jié)構(gòu)主要實現(xiàn)功能應包括本體移動和絕緣子瞄準兩部分,人工遠程控制機器人移動至指定位置,識別出待沖洗的絕緣子,然后采用自動控制方式調(diào)節(jié)水槍姿勢,使水槍瞄準絕緣子開始沖洗作業(yè)。帶電水沖洗機器人的作業(yè)示意圖如圖1所示。

1機構(gòu)總體方案

1.1變電站帶電水沖洗機器人簡介

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

2.2移動底盤設計

2.2.1移動底盤構(gòu)型

機器人移動底盤采用履腿復合機構(gòu),如圖3所示。

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

依據(jù)履帶輪直徑、車體長度及整機總體設計方案,機器人的自由度分配為:兩個主履帶驅(qū)動輪為2自由度,四個副履帶的旋轉(zhuǎn)傳動為4自由度,四個履帶腿繞中心軸的擺動為4自由度,總共需要10自由度。

2.2.2底盤移動模式分析

如圖4所示,基于履腿復合機構(gòu)設計的移動底盤可實現(xiàn)腿式移動和履帶移動兩種運動模式,越障運動更靈活,越障性能更強。

2.2.2.1腿式移動

該模式通過控制履帶腿的關節(jié)角,控制移動底盤的腿式越障運動,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

該模式利用前后兩對履帶的擺動來提高移動底盤的越障能力:(1)如圖5(a)(b)所示,當履帶下擺著地時,移動底盤與地面的接觸面積增大,可適應松軟和凹凸不平的地形,爬坡能力增大;(2)如圖5(c)所示,當爬越臺階時,通過前履帶腿上擺形成合適的前攻角,可以方便地越過臺階。

2.3折疊式機械臂設計

帶電水沖洗機器人的機械臂采用折疊式機構(gòu)設計,具有4個自由度,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、激光測距傳感器、電磁場強檢測儀等,可為作業(yè)人員提供實時圖像反饋、目標識別與定位、安全距離檢測等信息。

3機械臂運動學模型

根據(jù)機器人的作業(yè)任務需求和變電站環(huán)境模型,機械臂要求具有較大的工作空間及較高的自由度,以便完成水槍的準確定位和絕緣子串的對準任務。考慮采用機械臂搭載多功能末端工具盤的設計方案,機械臂保證多功能末端工具盤達到指定的位姿,由多功能末端工具盤完成指定的檢測和操作任務。設計采用的是折疊式4自由度機械臂。根據(jù)該機械臂的構(gòu)型和結(jié)構(gòu)參數(shù)(表1),通過Denavit-Hartenber法建立各連桿的坐標系,如圖6所示,推導相應的運動學方程為:

式中:

4結(jié)語

面向變電站帶電水沖洗的實際需求,本文提出了一種新型變電站帶電水沖洗機器人機構(gòu)。分析和仿真結(jié)果表明,采用履腿復合式移動底盤提高了機器人越障能力和環(huán)境適應能力,機械臂在作業(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器人機構(gòu)相比,本文提出的機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、越障能力強、作業(yè)范圍廣等特點,因而具有實用價值:其在完成帶電水沖洗作業(yè)的同時,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。