王 林 ，王洪光 ，張宏志

（1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.錦州超高壓局，遼寧 錦州 121000）

1 引言

輸電線路絕緣子是安裝在輸電線路與鐵塔之間、由絕緣材料制成的器件，使輸電線路與鐵塔在機(jī)械上連接而在電氣上絕緣，是架空輸電線路的重要組成部分。運(yùn)行中的線路絕緣子由于受到外界多種因素的影響，會逐漸出現(xiàn)絕緣水平下降的老化現(xiàn)象，容易引起輸電線路短路、掉線故障，嚴(yán)重威脅線路的安全運(yùn)行。傳統(tǒng)的檢測方法為人工登塔檢測，存在勞動量大、檢測效率低、危險性高的缺點(diǎn)。因此，研制絕緣子帶電檢測機(jī)器人是十分必要的。

自21世紀(jì)以來，國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)開展了線路絕緣子帶電檢測檢測人的研究?；谌鋭邮揭苿訖C(jī)構(gòu)，韓國電力研究院研制了水平雙聯(lián)絕緣子串帶電檢測與清掃機(jī)器人[1]和懸垂絕緣子串帶電檢測與清掃機(jī)器人[2]，文獻(xiàn)[3-4]提出了一種機(jī)器人移動機(jī)構(gòu)，文獻(xiàn)[5]提出了一種懸垂絕緣子帶電檢測機(jī)器人方案。韓國電力研究院研制的基于蠕動式移動機(jī)構(gòu)的兩種原理樣機(jī)質(zhì)量輕、負(fù)載能力強(qiáng)、安全性高，然而運(yùn)動速度慢、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動控制困難、對環(huán)境的適應(yīng)能力較差、易損傷絕緣子表面的涂層。基于履帶式移動機(jī)構(gòu)，沈陽自動化所研制了水平雙聯(lián)絕緣子串帶電檢測機(jī)器人[6]，該機(jī)器人運(yùn)動速度快、安全性高、對環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，然而履帶式機(jī)構(gòu)難以運(yùn)用到懸垂絕緣子串的檢測中。文獻(xiàn)[7]提出了一種履帶式絕緣子帶電檢測機(jī)器人方案，適用于水平絕緣子串的帶電檢測?；谳喭仁揭苿訖C(jī)構(gòu)，韓國電力研究院研究院研制了懸垂絕緣子帶電檢測機(jī)器人[8]，該機(jī)器人質(zhì)量輕、移動速度快、短接的絕緣子片數(shù)少、對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，然而運(yùn)動平穩(wěn)性較差、存在速度沖擊。此外，文獻(xiàn)[9]提出了一種基于輪腿式機(jī)構(gòu)的絕緣子檢測機(jī)器人。針對500kV懸垂絕緣子帶電檢測任務(wù)要求，考慮到機(jī)器人的質(zhì)量、運(yùn)動速度、機(jī)構(gòu)復(fù)雜程度、控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度、對絕緣子表面的損傷性，基于輪腿式移動機(jī)構(gòu)，提出了一種懸垂絕緣子帶電檢測機(jī)器人機(jī)構(gòu)，確定了機(jī)構(gòu)的主要尺度參數(shù)，并進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析。針對該機(jī)器人在運(yùn)動過程中存在速度沖擊的不足，分析了沖擊產(chǎn)生的原因并給出了解決方法。

2 檢測任務(wù)描述

懸垂絕緣子帶電檢測機(jī)器人工作于500kV超高壓交流輸電線路，直線塔上的懸垂絕緣子串線路環(huán)境及線路絕緣子的主要尺寸，絕緣子的片數(shù)通常為25-32，如圖1所示。絕緣子的型號為XWP2-160，為瓷質(zhì)雙傘盤形絕緣子，釉質(zhì)表面涂有憎水性材料。其標(biāo)稱直徑為280mm，結(jié)構(gòu)高度為155mm。

圖1 懸垂絕緣子串與輸電線路絕緣子結(jié)構(gòu)尺寸Fig.1 Suspension Insulator Chain and Dimensions of Insulator

借鑒人工登塔檢測絕緣子的作業(yè)流程，并考慮到作業(yè)任務(wù)的安全性，制定機(jī)器人的檢測流程為：機(jī)器人在電力工作人員的輔助下上串后，從鐵塔側(cè)開始，每跨越一個絕緣子，機(jī)器人停止運(yùn)動并進(jìn)行絕緣電阻的測量，機(jī)器人重復(fù)檢測步驟直至完成整串絕緣子檢測，檢測任務(wù)完成后機(jī)器人返回到起始位置，工作人員輔助機(jī)器人下串，檢測數(shù)據(jù)可由工作人員導(dǎo)入電腦進(jìn)行分析。在整個檢測流程中，如果檢測到的零值絕緣子數(shù)超過一定的數(shù)值，機(jī)器人停止檢測，返回起始位置。絕緣子檢測機(jī)器人工作于強(qiáng)電磁場環(huán)境，需克服重力的作用在高空進(jìn)行作業(yè)，因此，該機(jī)器人必須滿足以下要求：移動能力、自主性、安全性、電磁兼容性、輕量性、環(huán)境適應(yīng)性、高效率。

3 機(jī)器人構(gòu)型與運(yùn)動學(xué)分析

基于輪腿式移動機(jī)構(gòu)，針對500kV超高壓交流輸電線路中使用廣泛的瓷質(zhì)雙傘盤形絕緣子，結(jié)合絕緣子帶電檢測任務(wù)需求，提出了一種懸垂絕緣子檢測機(jī)器人機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)簡圖，如圖2所示。該機(jī)器人由機(jī)架、三組輪腿式驅(qū)動單元、開合機(jī)構(gòu)和檢測機(jī)構(gòu)組成。其中三組輪腿式驅(qū)動單元沿絕緣子串周向均勻分布，每組輪腿式驅(qū)動單元由上輪腿單元和下輪腿單元組成，上輪腿單元和下輪腿單元由三條均布的輪腿組成，上、下輪腿單元由同步帶連接，兩者具有60°的相位差。開合機(jī)構(gòu)用于機(jī)器人的上下串操作，檢測機(jī)構(gòu)通過檢測絕緣電阻判斷絕緣子是否為低值絕緣子。

圖2 懸垂絕緣子檢測機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 Kinematic Diagram of Inspection Robot for Suspension Insulators

假設(shè)絕緣子串上的絕緣子軸線在同一直線上，由于機(jī)器人的三組輪腿式驅(qū)動單元沿絕緣子串周向均勻分布，在對機(jī)器人的運(yùn)動流程分析時可簡化，僅用一組輪腿式驅(qū)動單元進(jìn)行分析，簡化后機(jī)器人向上運(yùn)動的流程，如圖3所示。

機(jī)器人的下輪腿單元與絕緣子的下瓷裙的上表面接觸，如圖3（a）所示。機(jī)器人的輪腿式驅(qū)動單元驅(qū)動軸逆時針旋轉(zhuǎn)一定的角度后，機(jī)器人的上、下輪腿單元分別與相鄰絕緣子的下瓷裙的上表面接觸，如圖3（b）所示。驅(qū)動軸逆時針旋轉(zhuǎn)，下輪腿單元脫離絕緣子表面，上輪腿單元與絕緣子表面接觸。驅(qū)動軸繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人的上、下輪腿單元同時接觸同一片絕緣子表面，如圖3（c）所示。驅(qū)動軸逆時針旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人的上輪腿脫離絕緣子表面，下輪腿與絕緣子接觸，驅(qū)動軸繼續(xù)逆時針旋轉(zhuǎn)，機(jī)器人的上、下輪腿同時接觸相鄰絕緣子的表面，如圖3（d）所示。輪腿式驅(qū)動單元每旋轉(zhuǎn)120°，機(jī)器人跨越一個絕緣子。機(jī)器人向下運(yùn)動流程與向上運(yùn)動流程類似。

在分析了機(jī)器人的運(yùn)動流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合瓷質(zhì)雙傘盤形絕緣子的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定了機(jī)器人的尺度參數(shù)。機(jī)器人的輪腿長度為77.5mm，上下輪腿單元的轉(zhuǎn)動中心距離為77.5mm，輪腿式驅(qū)動單元與絕緣子串軸線的距離為190mm。建立坐標(biāo)系，如圖4所示。對絕緣子的表面進(jìn)行簡化，簡化后絕緣子下瓷裙的上表面的母線方程可以表示為：y=-0.9x+142.12，x∈［84，135］ （1）

圖4 絕緣子外形簡化圖Fig.4 Simplification of Outline of Insulator

機(jī)器人下輪腿單元與絕緣子表面接觸，如圖4（a）所示。由于點(diǎn)A1在絕緣子表面上，從而可以得到：

式中：θ—輪腿的轉(zhuǎn)角。

機(jī)器人上輪腿單元與絕緣子表面接觸，如圖4（b）所示。由于點(diǎn)B1在絕緣子表面上，從而可以得到：

假定機(jī)器人跨越一片絕緣子的時間為3s，則輪腿式驅(qū)動單元在3s內(nèi)轉(zhuǎn)過的120°，據(jù)此得到機(jī)器人的運(yùn)動曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，機(jī)器人在輪腿式驅(qū)動單元轉(zhuǎn)動角度為210°時，產(chǎn)生了速度沖擊。

對以上兩式進(jìn)行微分可得機(jī)器人的速度為：

圖5 機(jī)器人y方向速度曲線與位移曲線Fig.5 Displacement Curve and Speed Curve of Robot Along y Axis

4 產(chǎn)生速度沖擊的原因

分析機(jī)器人的運(yùn)動流程可知，機(jī)器人速度發(fā)生沖擊的時刻恰好是上輪腿單元和下輪腿單元同時接觸絕緣子的時刻，以上、下輪腿單元同時接觸接觸相鄰絕緣子為例闡明速度沖擊產(chǎn)生的原因。機(jī)器人下輪腿單元接觸絕緣子，上輪腿單元即將接觸相鄰絕緣子的狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 上輪腿單元即將接觸絕緣子的狀態(tài)Fig.6 Upper Wheel-Leg Unit about to Contact with Insulator

由速度合成原理和正弦定理可得：

式中：vrobot—機(jī)器人的速度；φ1—下輪腿單元與絕緣子接觸點(diǎn)切線的傾角；l—輪腿的長度，值為77.5；w—輪腿式驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)動角速度。下輪腿單元即將離開絕緣子，上輪腿單元與相鄰絕緣子接觸的狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 下輪腿單元即將接觸絕緣子的狀態(tài)Fig.7 Lower Wheel-Leg Unit About to Leave Insulator

由速度合成原理和正弦定理可得：

式中：φ2—上輪腿單元與絕緣子接觸點(diǎn)切線的傾角。

對于文中提出的機(jī)器人，在上、下輪腿單元同時接觸絕緣子時，有下式成立：

式中：φ1=φ2。

從式中可以看出，當(dāng)上下輪腿單元同時接觸絕緣子時，根據(jù)式（4）和式（5）計算得到的上輪腿末端的速度不相等，此時產(chǎn)生速度沖擊。由圖5可知，機(jī)器人的輪腿式驅(qū)動單元每轉(zhuǎn)動60°，產(chǎn)生一次速度沖擊。

5 消除沖擊的措施

從圖6、圖7中可以看出，當(dāng)α=β=π/3時，機(jī)器人處于同一狀態(tài)，從式（7）可以看出，為了減少速度沖擊，可適當(dāng)減少輪腿長度或者減少輪腿角速度。然而輪腿的最小長度取決于絕緣子的機(jī)構(gòu)參數(shù)，因此，通過減小輪腿的長度來減少速度沖擊的效果是有限的。通過合理規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動，減小上下輪腿同時接觸絕緣子時輪腿的轉(zhuǎn)動角速度可以有效地減少或者消除速度沖擊。從圖5以及以上的分析中可以看出，機(jī)器人的速度具有一定的周期性，其周期正好為輪腿式驅(qū)動單元轉(zhuǎn)動60°所需的時間，因此針對輪腿式驅(qū)動單元轉(zhuǎn)動60°進(jìn)行軌跡規(guī)劃，保證輪腿的起始速度和終止速度均為零即可消除速度沖擊。對輪腿式驅(qū)動單元的轉(zhuǎn)動角速度采用梯形規(guī)劃，條件為：

規(guī)劃后輪腿式驅(qū)動單元角速度曲線、角度曲線，如圖8所示。機(jī)器人y方向的速度曲線、位移曲線，從圖中可以看出，輪腿式驅(qū)動單元轉(zhuǎn)動角度為210°時，機(jī)器人的速度為零，從而消除了速度沖擊。

圖8 軌跡規(guī)劃后的運(yùn)動曲線Fig.8 Motion Curves of Robot after Trajectory Planning

6 結(jié)語

基于輪腿式移動機(jī)構(gòu)，針對500kV超高壓交流輸電線路絕緣子帶電檢測任務(wù)，確定了一種絕緣子帶電檢測機(jī)器人的尺度參數(shù)，介紹了其運(yùn)動原理，分析了機(jī)器人運(yùn)動學(xué)。通過仿真簡例，指出了機(jī)器人在運(yùn)動過程中存在速度沖擊的問題，并結(jié)合機(jī)器人的運(yùn)動原理給出了沖擊產(chǎn)生的原因。最后，通過對輪腿式驅(qū)動單元進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃，消除了速度沖擊。結(jié)果表明，進(jìn)行軌跡規(guī)劃后的機(jī)器人可以有效消除沖擊，運(yùn)動平穩(wěn)。提出的絕緣子帶電檢測機(jī)器人可應(yīng)用于500kV交流輸電線路絕緣子串的帶電檢測，能夠提高檢測效率和檢測準(zhǔn)確率，減輕電力工人的勞動強(qiáng)度，推進(jìn)電力系統(tǒng)自動化的進(jìn)程。

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