Optimization design of large arm structure of water washing robot

崔孔龍1，魯守銀1，談金東2，李　輝3

CUI Kong-long1, LU Shou-yin1, TAN Jin-dong2, LI Hui3

（1.山東建筑大學(xué) 機(jī)器人與智能系統(tǒng)研究院，濟(jì)南 250101；2.田納西大學(xué) 電子信息工程系，田納西 37996；3.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

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變電站絕緣設(shè)備水沖洗機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與仿真

Optimization design of large arm structure of water washing robot

崔孔龍1，魯守銀1，談金東2，李輝3

CUI Kong-long1, LU Shou-yin1, TAN Jin-dong2, LI Hui3

（1.山東建筑大學(xué) 機(jī)器人與智能系統(tǒng)研究院，濟(jì)南 250101；2.田納西大學(xué) 電子信息工程系，田納西 37996；3.山東建筑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，濟(jì)南 250101）

摘 要：為了提高變電站絕緣子的沖洗效率，對(duì)水沖洗機(jī)器人的大臂結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，確定與沖洗效率相關(guān)的大臂結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后，根據(jù)要求確定大臂的優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，運(yùn)用約束坐標(biāo)輪換法求取大臂結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)值運(yùn)用MATLAB進(jìn)行仿真，畫(huà)出運(yùn)動(dòng)軌跡。優(yōu)化的結(jié)果可使大臂的末端沿近似的水平線運(yùn)動(dòng)，且沖洗效率大大提高。

關(guān)鍵詞：水沖洗機(jī)器人；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；沖洗效率；運(yùn)動(dòng)軌跡；仿真

0 引言

變電站很多電氣高壓設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行在戶外，絕緣子表面污穢比較嚴(yán)重，易造成停電及污穢閃絡(luò)事故[1,2]，及時(shí)清理絕緣子表面的污穢變的尤為重要。目前國(guó)內(nèi)大多采用人工的方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且存在安全隱患。國(guó)外帶電水沖洗絕緣設(shè)備的方式比較先進(jìn)，如意大利Pisa University通過(guò)用直升機(jī)安放帶電水沖洗機(jī)器人的方法進(jìn)行沖洗[3]，這種方法成本太高，而且難于操作。在國(guó)家863計(jì)劃的資助下，我們進(jìn)行了水沖洗機(jī)器人的研究且取得良好的效果，但機(jī)械臂關(guān)節(jié)比較多，操作比較麻煩，導(dǎo)致沖洗過(guò)程中造成絕緣子沖洗不全面，沖洗時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，為提高沖洗效率，我們簡(jiǎn)化機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)，采用槍口與絕緣子垂直、等距的水平?jīng)_洗方法。為了實(shí)現(xiàn)該方法及減少機(jī)械臂的關(guān)節(jié)數(shù)，我們對(duì)多種方案反復(fù)設(shè)計(jì)篩選，并最終做出了優(yōu)化后的水沖洗機(jī)器人如圖1所示，結(jié)構(gòu)方案原理圖如圖2所示。

圖1　水沖洗機(jī)器人實(shí)物圖

圖2　結(jié)構(gòu)方案原理圖

該結(jié)構(gòu)方案的動(dòng)作原理是：大臂3在油缸2的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)上升下降，以滿足絕緣子的上下沖洗；支撐臂1保證大臂可以垂直起落；小臂4在液壓馬達(dá)6的作用下可以在水平面內(nèi)做±60°的擺動(dòng)，以調(diào)整小臂4前端的左右位置；液壓馬達(dá)7驅(qū)動(dòng)槍桿5沿絕緣子的外表面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角度可達(dá)±50°；液壓馬達(dá)8、9驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)做前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)及左右旋轉(zhuǎn)。噴槍的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3(a)所示。

圖3　噴槍運(yùn)動(dòng)

因?yàn)樽冸娝妷簽?20kV，所以水柱的長(zhǎng)度至少為1000mm，而實(shí)際水柱的長(zhǎng)度可以達(dá)到10000mm，沖洗的絕緣子直徑在300mm左右，可以近似認(rèn)為水柱與絕緣子表面垂直。在進(jìn)行水沖洗作業(yè)時(shí)大臂與旁邊絕緣子的距離應(yīng)大于安全距離S，S>360mm，且大臂沿絕緣子方向的距離H2小于2000mm，否則會(huì)導(dǎo)致絕緣子與機(jī)械臂發(fā)生放電，以致發(fā)生危險(xiǎn)事故。圖3(b)為沖洗內(nèi)部絕緣子示意圖。

為了滿足變電所絕緣子沖洗控制上要求，對(duì)水沖洗機(jī)器人的大臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還進(jìn)行如下特殊要求：1）大臂的起落高度達(dá)5000mm；2）在到達(dá)清洗高度時(shí)，大臂的前端應(yīng)近似沿一條水平線運(yùn)動(dòng)，其水平度絕對(duì)偏差即沿y軸方向的擺動(dòng)不大10mm為宜；3）大臂在起落時(shí)，沿垂直方向起落，在z軸方向的偏差小于6mm為宜；4）沖洗內(nèi)部絕緣子時(shí)，大臂與兩邊絕緣子的距離應(yīng)大于300mm。

1 機(jī)械臂參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械臂參數(shù)的確定

水沖洗機(jī)器人的機(jī)械臂為3自由度關(guān)節(jié)型，為了描述大臂的運(yùn)動(dòng)軌跡，以機(jī)械臂末端中心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，繪制機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中基座長(zhǎng)度、大臂長(zhǎng)度、小臂長(zhǎng)度依次為L(zhǎng)0、L1、L2；其中L1為可伸縮桿件，大臂寬度為L(zhǎng)3，機(jī)械臂基座與Y軸正方向的夾角為θ0，大臂的旋轉(zhuǎn)角度為θ1，沿y軸方向旋轉(zhuǎn)，小臂的旋轉(zhuǎn)角度為θ2，沿Z軸方向旋轉(zhuǎn)。圖4中(a)為機(jī)械臂參數(shù)化后的圖形，小臂末端坐標(biāo)為P(x,y,z)。

圖4　機(jī)械臂參數(shù)化

小臂末端坐標(biāo)P(x,y,z)，滿足如下關(guān)系：

式中：

d為絕緣子的半徑，在此，我們?nèi)=200mm。

機(jī)械臂在X-Y-Z平面內(nèi)的作業(yè)區(qū)域如圖4(b)所示。曲線P1P2為大臂達(dá)到最大角度θ1max，小臂夾角由θ2min到θ2max變化時(shí)的曲線；曲線P3P4為大臂達(dá)到最小角度θ1min，小臂夾角由θ2max到θ2min變化時(shí)曲線[4]；交點(diǎn)依次為P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)、P4(x4,y4,z4)，由式(1)可求出各點(diǎn)：由P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)、P4(x4,y4,z4)可知，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)是AB、BC、CD、DB、H1、L1、L2的函數(shù)，同時(shí)考慮到?jīng)_洗中間絕緣子時(shí)的一些限制因素L3、H2，它們是需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量，現(xiàn)用W表示則有：

1.2 建立目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們期望的函數(shù)應(yīng)該[5]是：

式(3)期望在進(jìn)行沖洗作業(yè)時(shí)大臂末端沿水平線移動(dòng)，上下浮動(dòng)盡量??；式(4)期望大臂可以垂直起落，在進(jìn)行上下清洗時(shí)可以垂直進(jìn)行；式(5)期望大臂末端的起落高度為5000mm。

為了使大臂末端的運(yùn)動(dòng)滿足上述函數(shù)的要求，求出各分點(diǎn)輸出的F(yi) (i=1,2,…,n)對(duì)平均值的偏差；大臂抬起時(shí)的水平分點(diǎn)F(zi) (i=1,2,…,n)對(duì)均值得偏差；大臂末端的起落高度對(duì)5000mm的偏差；為保證機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的緊湊性使AB、BC、CD、L2的總和最小，為滿足上面四部分的權(quán)重要求我們引進(jìn)加權(quán)因子λ1、λ2、λ3和λ4，建立如下的目標(biāo)函數(shù)：式中F(yi) (i=1,2,…,n)為進(jìn)行水沖洗作業(yè)時(shí)，大臂末端各分點(diǎn)處實(shí)際的y坐標(biāo)值，為軌跡上各分點(diǎn)的y坐標(biāo)的平均值；Yn為進(jìn)行水沖洗作業(yè)時(shí)大臂的最大高度值，Y1為最小高度值；F(zi) (i=1,2…,n)為大臂起落時(shí)各點(diǎn)的實(shí)際的z坐標(biāo)，為水平軌跡上z坐標(biāo)的平均值；λ1、λ2、λ3和λ4分別為小于1的加權(quán)因子，且λ1+λ2+λ3+λ4=1。

1.3 確立約束條件

因?yàn)楦髯兞坎荒転樨?fù)值，故可以確定如下的約束條件：

為保證油缸構(gòu)成的三角形結(jié)構(gòu)，應(yīng)滿足：

為限制B點(diǎn)移動(dòng)范圍，我們進(jìn)行以下設(shè)定：

當(dāng)沖洗絕緣子的底端時(shí)，為保證穩(wěn)定性大臂不能太長(zhǎng)，因此：

其中，w90為大臂初始長(zhǎng)度。

為避免在沖洗過(guò)程中絕緣子對(duì)機(jī)械臂放電，因此：

將目標(biāo)函數(shù)與前述的約束條件聯(lián)立起來(lái)就構(gòu)成了優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。

1.4 優(yōu)化方法及最終結(jié)果

本論文中，我們運(yùn)用約束坐標(biāo)輪換法[6,7]對(duì)未知數(shù)進(jìn)行求解，用VBS進(jìn)行編程，其求解流程圖如圖5所示。

圖5　編程流程圖

式中，h=0.5，ε==00.2.2。因未知數(shù)的個(gè)數(shù)小于10個(gè)，故約束坐標(biāo)輪換法可以快速的求解出最優(yōu)的結(jié)果。

對(duì)于加權(quán)因子的選擇，我們采用先選取再通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)檢驗(yàn)調(diào)整的方法，進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)計(jì)算，最終選定比較合適的四個(gè)值分別為：1=0.05、2=0.80、3=0.05、4=0.10將1、2、3、4帶入優(yōu)化函數(shù)通過(guò)程序的多次運(yùn)算，最后選擇了一組最滿意的結(jié)果，如表1所示。

表1　運(yùn)算結(jié)果(單位：mm)

通過(guò)MATLAB的SimMechanics模塊編寫(xiě)程序?qū)ι鲜銮蠼饨Y(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)仿真后的點(diǎn)進(jìn)行記錄，繪制水沖洗機(jī)器人機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)軌跡，圖6(a)為大臂末端移動(dòng)軌跡。通過(guò)運(yùn)動(dòng)軌跡我們可以發(fā)現(xiàn)：1）機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)滿足與絕緣子表面垂直等距的關(guān)系；2）大臂的起落高度滿足水沖洗的需求，大約維持在5000mm；3）在進(jìn)行沖洗作業(yè)時(shí)，末端基本沿水平線移動(dòng)，其偏差在10mm以內(nèi)。機(jī)械臂的設(shè)計(jì)滿足快速?zèng)_洗絕緣子的要求。圖6(b)、圖6(c)為對(duì)內(nèi)部絕緣子進(jìn)行沖洗的仿真圖。我們可以發(fā)現(xiàn)機(jī)械臂可以對(duì)內(nèi)部絕緣子進(jìn)行充分的沖洗且機(jī)械臂有效的避開(kāi)了絕緣子的放電距離，保證沖洗作業(yè)的安全進(jìn)行。

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作者簡(jiǎn)介：崔孔龍（1988 -）， 男，山東青島人，碩士，研究方向?yàn)橹悄軝C(jī)器人。

基金項(xiàng)目：山東省2014年科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2014GGX103002）

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號(hào)：TP242

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-0134(2016)01-0056-03