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、業(yè)務水平、工作經驗和精神狀態(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)已經滿足不了現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。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的總體設計方案,分析了履腿復合移動底盤的機構構型、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行進或轉向:變電站內鋪設有巡視小道,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構主要實現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構如圖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,可以實現機器人履帶行走和腿式行走之間的相互轉換,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。驅動箱位于底盤左側,液壓油箱位于底盤下方。圖1帶電水沖洗機器人傳動機構采用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,其輸出可直接與驅動輪連接。機器人行走過程中,支腿收起位于兩側,在沖洗作業(yè)時,支腿張開,提高機器人的穩(wěn)定性。根據作業(yè)任務內容及變電站環(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移動底盤構型

機器人移動底盤采用履腿復合機構,如圖3所示。

四條履帶腿都安裝于在車體外側,履帶腿的擺動范圍設計為3609回轉;主履帶采用后輪差速驅動。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:兩個主履帶驅動輪為2自由度,四個副履帶的旋轉傳動為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,基于履腿復合機構設計的移動底盤可實現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構環(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?？紤]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。根據該機械臂的構型和結構參數(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。分析和仿真結果表明,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)域范圍內具有良好的可操作性。與現有的變電站帶電水沖洗機器人機構相比,本文提出的機構具有結構緊湊、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。