一种变电站带电水冲洗机器人的机构设计

引言

受环境污染的影响,变电站污闪事故发生的频次日益增加。定期对变电站设备进行带电水冲洗是防止污闪事故发生、保证电网可靠运行的有效手段。目前,变电站带电水冲洗作业仍以人工方式为主,工人劳动强度大,危险性高,且受人员心理素质、业务水平、工作经验和精神状态等诸多因素的制约,清污效率低,效果差。人工方式带电水冲洗作业已经满足不了现代化变电站安全运行的要求,研制开发可替代人工的带电水冲洗设备已成为智能电网发展的一个重要趋势。

美国F1oridaPower&LightCo.的变电站设计了一种固定式水冲洗系统,即在绝缘子等设备的周围设置能承受一定水压的固定管道和喷嘴。这种方式投资很大,工程建设一般需要在建造变电站时同期实施。澳大利亚、以色列等利用直升机开展带电水冲洗作业,价格昂贵、操作复杂。国内的带电水冲洗设备大多由消防车或工程车改装而成[9-11],不仅工作人员的安全得不到保障,而且操作也相当不便。

本文针对110kV变电站的环境特点及带电水冲洗作业任务需求,提出了一种平稳性高、越障能力强、环境适应性好的新型带电水冲洗机器人机构。首先,分析了变电站的环境条件和作业任务:然后,介绍了变电站带电水冲洗机器人本体机构的总体设计方案,分析了履腿复合移动底盘的机构构型、工作机理、行走模式及越障流程:接着,利用DH法建立了折叠式机械臂的运动学模型,分析了机器臂的作业空间。分析与仿真结果表明,机器人能够适应台阶、斜面、凹凸路面等多种环境,跨越电缆沟、台阶等多种障碍物,验证了机器人机构设计的可行性和合理性。

1环境描述与任务分析

带电水冲洗机器人的作业场所为110kV变电站,绝缘子分布的区域阻碍较多,机器人冲洗作业时需要灵活移动,必须考虑设计机器人的尺寸因素。另外,变电站属于高电压环境,站内自动化设备可能发生因绝缘不理想或操作失误造成的设备损坏,因此必须针对机器人的绝缘性能和操作安全性进行研究。变电站内绝缘子布置区域的门型支架较多,限制了带电水冲洗机器人的设计高度:110kV变电站平行的门型支架之间的安全距离为2.9m,带电水冲洗机器人的设计长度和宽度不应过大,满足其在安全距离内行进或转向:变电站内铺设有巡视小道,带电水冲洗机器人可通过巡视小道进入绝缘子冲洗作业区域,机器人的设计宽度应允许其在1m宽的巡视小道上行进。此外,针对机器人冲洗作业时存在水柱满射和水枪滴漏的情况,机器人应具有一定的防水性能,保证其正常工作。带电水冲洗机器人的机械结构主要实现功能应包括本体移动和绝缘子瞄准两部分,人工远程控制机器人移动至指定位置,识别出待冲洗的绝缘子,然后采用自动控制方式调节水枪姿势,使水枪瞄准绝缘子开始冲洗作业。带电水冲洗机器人的作业示意图如图1所示。

1机构总体方案

1.1变电站带电水冲洗机器人简介

带电水冲洗机器人的本体结构如图2所示,机器人由履腿式移动底盘、折叠式机械臂及末端多功能作业工具组成。其中,履腿式移动底盘由摆腿、副履带、主履带和电气箱体组成。通过控制摆腿的摆动,可以实现机器人履带行走和腿式行走之间的相互转换,这样既可保证机器人在平坦路面高速运动,又能保证机器人在遇到障碍时顺利跨越。驱动箱位于底盘左侧,液压油箱位于底盘下方。图1带电水冲洗机器人传动机构采用IKY履带(车轮)用液压传动装置,由具有制动功能的阀组、液压马达、制动器、一级行星减速器组成,其输出可直接与驱动轮连接。机器人行走过程中,支腿收起位于两侧,在冲洗作业时,支腿张开,提高机器人的稳定性。根据作业任务内容及变电站环境特点,采用4自由度的机械臂,使得末端作业工具达到相应的位姿,从而完成水枪的对准操作,保证了机器人以一定的冲洗角度进行带电水冲洗作业。

2.2移动底盘设计

2.2.1移动底盘构型

机器人移动底盘采用履腿复合机构,如图3所示。

四条履带腿都安装于在车体外侧,履带腿的摆动范围设计为3609回转;主履带采用后轮差速驱动。移动底盘车体可装载电控系统、通信模组及电池等设备。

依据履带轮直径、车体长度及整机总体设计方案,机器人的自由度分配为:两个主履带驱动轮为2自由度,四个副履带的旋转传动为4自由度,四个履带腿绕中心轴的摆动为4自由度,总共需要10自由度。

2.2.2底盘移动模式分析

如图4所示,基于履腿复合机构设计的移动底盘可实现腿式移动和履带移动两种运动模式,越障运动更灵活,越障性能更强。

2.2.2.1腿式移动

该模式通过控制履带腿的关节角,控制移动底盘的腿式越障运动,在增加车体高度和提高非结构环境下越障能力方面有着明显效果。

2.2.2.2履带移动

该模式利用前后两对履带的摆动来提高移动底盘的越障能力:(1)如图5(a)(b)所示,当履带下摆着地时,移动底盘与地面的接触面积增大,可适应松软和凹凸不平的地形,爬坡能力增大;(2)如图5(c)所示,当爬越台阶时,通过前履带腿上摆形成合适的前攻角,可以方便地越过台阶。

2.3折叠式机械臂设计

带电水冲洗机器人的机械臂采用折叠式机构设计,具有4个自由度,用于承载高压水枪喷射装置。高压水枪喷射装置包括高压水枪、工业相机、激光测距传感器、电磁场强检测仪等,可为作业人员提供实时图像反馈、目标识别与定位、安全距离检测等信息。

3机械臂运动学模型

根据机器人的作业任务需求和变电站环境模型,机械臂要求具有较大的工作空间及较高的自由度,以便完成水枪的准确定位和绝缘子串的对准任务。考虑采用机械臂搭载多功能末端工具盘的设计方案,机械臂保证多功能末端工具盘达到指定的位姿,由多功能末端工具盘完成指定的检测和操作任务。设计采用的是折叠式4自由度机械臂。根据该机械臂的构型和结构参数(表1),通过Denavit-Hartenber法建立各连杆的坐标系,如图6所示,推导相应的运动学方程为:

式中:

4结语

面向变电站带电水冲洗的实际需求,本文提出了一种新型变电站带电水冲洗机器人机构。分析和仿真结果表明,采用履腿复合式移动底盘提高了机器人越障能力和环境适应能力,机械臂在作业区域范围内具有良好的可操作性。与现有的变电站带电水冲洗机器人机构相比,本文提出的机构具有结构紧凑、越障能力强、作业范围广等特点,因而具有实用价值:其在完成带电水冲洗作业的同时,极大地保障了操作人员的安全,减少了停电作业的损失,为变电站带电水冲洗作业提供了一种新的解决方案。