陳建平，趙海軍，梁湘鵬，閆傳濱

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

1 引言

絕緣子是掛在高壓電線連接塔一端的盤狀絕緣體，其作用是為了增加爬電距離并對帶電部件進(jìn)行機(jī)械支撐與定位。絕緣子通常由玻璃或陶瓷制成，不僅要具有一定的電氣絕緣性能和機(jī)械性能，還要具備耐受各種自然環(huán)境的侵襲和污染。絕緣子在長期運(yùn)行中，大氣中的塵埃顆粒會在其表面沉淀形成污穢層，在干燥天氣時，污穢層電阻很大，絕緣性能不會下降，但是在雨雪等潮濕環(huán)境下污穢層中的電解質(zhì)濕潤后會使絕緣子表面電導(dǎo)增加，絕緣性能下降，而其中易溶于水的成分促使污穢層進(jìn)一步受潮，造成絕緣子表面閃絡(luò)放電，閃絡(luò)放電是導(dǎo)致電網(wǎng)供電線路發(fā)生跳閘的主要原因，給供電安全帶來極大的隱患。

目前，電網(wǎng)系統(tǒng)防治污閃主要方法是在絕緣子表面涂一層防污閃涂料PRTV，該涂料具有憎水性及獨(dú)特的憎水遷移性，不僅可以大幅提高輸電線路絕緣子的污閃電壓，而且可以有效防止灰塵及化工污穢在其表面結(jié)垢。但是在對絕緣子進(jìn)行涂抹時由于涂料本身特性和施涂工藝的限制，經(jīng)常出現(xiàn)漏涂、少涂、涂層不均勻、拉絲、氣泡等缺陷；同時，絕緣子長期裸露在外界環(huán)境之中，遭受惡劣天氣不斷侵蝕，使得部分絕緣子涂層破損脫落，導(dǎo)致污閃事故發(fā)生概率大大增加。當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)中涂層缺陷是通過人工進(jìn)行檢測，這種作業(yè)方式使工作人員處于高空、高壓及高輻射的環(huán)境中，常常發(fā)生跌落或觸電等傷亡事故。涂層檢測機(jī)器人可以代替人工對絕緣子涂層缺陷進(jìn)行檢測，當(dāng)檢測到涂層有缺陷時及時的發(fā)出報(bào)警，提醒工作人員會對有缺陷的絕緣子進(jìn)行修復(fù)。

涂層檢測機(jī)器人作為一種能夠代替人工對絕緣子涂層缺陷進(jìn)行檢測的專用機(jī)器人，越來越多的國家開展了針對電網(wǎng)輸電線路作業(yè)機(jī)器人的研究。英國威爾士大學(xué)研制了電磁鐵吸附式電力鐵塔攀爬機(jī)器人，由兩個自由度組成，只能在平坦的表面移動，不具備越障能力；日本研制了三代帶電作業(yè)機(jī)器人，第一代機(jī)械臂采用了電機(jī)驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩種方式，第二代在第一代基礎(chǔ)上增加了視覺定位和三自由度的輔助手臂，第三代機(jī)器人智能程度更高，具有對環(huán)境識別后決策和控制能力。而國內(nèi)對針對輸電線路作業(yè)的機(jī)器人研究比較晚，1999年我國首臺輸電線路作業(yè)機(jī)器人由山東電力研究院和山東魯能智能技術(shù)公司合作完成，采用兩臺機(jī)械臂進(jìn)行作業(yè)，操作人員通過鍵盤進(jìn)行操作，不能實(shí)現(xiàn)主從控制?？傮w來看，現(xiàn)有的作業(yè)機(jī)器人主要是針對輸電線路本身進(jìn)行作業(yè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自身空間大，因此，提出一種針對絕緣子涂層檢測的五自由度專用機(jī)器人。

2 絕緣子涂層檢測機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 絕緣子涂層檢測機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

輸電線路中絕緣子都是成串的，并且兩片絕緣子之間的距離只有110mm左右，所以絕緣子涂層檢測裝置長度必須小于100mm才能進(jìn)入兩片絕緣子之間；另外，絕緣子涂層缺陷不限于涂層表面，有時也需要檢測絕緣子背面凹槽，絕緣子凹槽的寬度是30mm左右，所以涂層檢測裝置的直徑必須小于30mm，同時末端需設(shè)計(jì)一個旋轉(zhuǎn)自由度調(diào)整涂層檢測裝置的位姿。

圖1 絕緣子涂層檢測示意圖Fig.1 Insulator Coating Test Schematic Diagram

2.2 絕緣子涂層檢測機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

絕緣子涂層檢測裝置固定在末端執(zhí)行器上，涂層檢測的原理是檢測裝置與絕緣子涂層接觸時施加壓力，使用壓力傳感器采集壓力變化，通過分析壓力值固定區(qū)間所需要的時間判斷涂層厚度；在采集壓力變化值的同時通過末端執(zhí)行器上的攝像頭采集絕緣子涂層照片，利用圖像分析在照片上顯示出涂層漏涂、少涂缺陷并作出不同顏色標(biāo)記。理論上只需要三個自由度就能使檢測裝置檢測到絕緣子表面任何一個位置，但是實(shí)際工況中絕緣子并不是水平放置，有傾斜放置的也有垂直放置的，因此還需要兩個自由度調(diào)節(jié)檢測裝置的位姿。綜上所述，機(jī)器人只需要五個自由度即可完成絕緣子涂層的檢測。常用的機(jī)器人結(jié)構(gòu)大致分為六種，每種結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，如表1所示。

表1 各種結(jié)構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 The Advantages and Dis advantages of All Kinds of Robots

絕緣子涂層檢測點(diǎn)是隨機(jī)選取的，所以對機(jī)器人的精度要求不高，但是機(jī)器人固定在移動升降車，同時末端執(zhí)行器上檢測裝置檢測涂層時需要施加一定壓力，所以對機(jī)器人的剛度和負(fù)載能力有一定的要求，同時盡量使運(yùn)動學(xué)的求解簡單，以便控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提高檢測時穩(wěn)定性。通過對比上面表格各種機(jī)器人結(jié)構(gòu)，直角坐標(biāo)型具有高精度、高剛度、運(yùn)動學(xué)求解簡單并且位置調(diào)整對姿態(tài)沒有影響等優(yōu)點(diǎn)，比較符合涂層檢測的要求，故選擇該種結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人基體，同時考慮到負(fù)載最后都集中在X向直線關(guān)節(jié)，所以在X向直線關(guān)節(jié)添加一個輔助支撐，平衡垂直方向的力，防止關(guān)節(jié)扭曲變形，最終結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 直角坐標(biāo)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Overall Structure Design of Rectangular Coordinate

2.3 X、Y、Z方向直線關(guān)節(jié)電機(jī)的選取

機(jī)器人的驅(qū)動方式主要有三種：液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動和電機(jī)驅(qū)動。液壓驅(qū)動的精度高，但是液體對溫度的變化非常敏感；氣壓驅(qū)動體積大，負(fù)載能力小，位置精度低；同時液壓驅(qū)動和氣壓驅(qū)動噪聲大。電機(jī)驅(qū)動精度高、體積小、噪聲小，因此選擇電機(jī)驅(qū)動。選取電機(jī)需要計(jì)算關(guān)節(jié)工作時最大負(fù)載扭矩，電機(jī)需要的扭矩又分為勻速運(yùn)動和加減速運(yùn)動，計(jì)算公式如下：

式中：T勻速—電機(jī)勻速運(yùn)動所需扭矩（N.m）；μ—滾珠絲杠的摩擦系數(shù)；m—傳動機(jī)構(gòu)的負(fù)載質(zhì)量（kg）；g—重力加速度；f—滾珠絲杠傳動軸向阻力（N）；l—滾珠絲杠導(dǎo)程（mm）。

式中：T勻加減速—電機(jī)勻加減速運(yùn)動所需的扭矩（N.m）；a—機(jī)構(gòu)最大線加速度（mm/s2）；α—機(jī)構(gòu)最大角加速度（rad/s2）；J—繞電機(jī)轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量（kg.m2）。

經(jīng)負(fù)載估算和成本考慮，X、Y、Z方向直線關(guān)節(jié)均采用57步進(jìn)電機(jī)可滿足要求，考慮到X方向直線關(guān)節(jié)負(fù)載最大，故X方向直線關(guān)節(jié)采用兩個57步進(jìn)電機(jī)用一個驅(qū)動器同步控制。對于用來調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的兩個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)調(diào)整角度小，但是，與直角坐標(biāo)基體相連的轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)扭矩較大，為了簡化結(jié)構(gòu)，沒有添加減速機(jī)構(gòu)，因此選擇扭矩較大的86步進(jìn)電機(jī)，另一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)扭矩較小，選擇42步進(jìn)電機(jī)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心是利用PLC實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制，通過直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動，使絕緣子涂層檢測裝置定位到絕緣子表面需要檢測的位置以檢測絕緣子涂層的質(zhì)量。直角坐標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用觸摸屏+PLC的框架，觸摸屏為上位機(jī)，作為人機(jī)交互系統(tǒng)的載體，主要通過觸摸屏發(fā)出運(yùn)動指令完成對機(jī)器人運(yùn)動的操作；PLC為下位機(jī)，作為現(xiàn)場控制器，主要完成涂層檢測機(jī)器人本體的運(yùn)動控制，控制系統(tǒng)方案，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)Fig.3 Control System Design

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)在硬件上主要有以下幾個部分組成：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動器、傳感器及機(jī)械臂、觸摸屏、限位開關(guān)，整體形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。PLC采用西門子S7-200，S7-200具有可靠性強(qiáng)、操作便捷、易于掌握、內(nèi)置集成功能豐富、通訊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。上位機(jī)采用西門子觸摸屏SMART700，SMART-200有較高的性價比，寬屏顯示分辨率高，通訊能力強(qiáng)高，能與S7-200無縫連接，使用的組態(tài)軟件是WinCC，它們之間通過RS485進(jìn)行通訊。

4 涂層檢測機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析

4.1 涂層檢測機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解

機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)問題是已知機(jī)器人各個關(guān)節(jié)變量，求末端執(zhí)行器相對于參考坐標(biāo)系的位姿。通過分析對比確定機(jī)器人使用直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，由3個直角運(yùn)動關(guān)節(jié)和2個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)構(gòu)成，簡化模型，如圖4所示。在此基礎(chǔ)上利用D-H方法得到連桿參數(shù)表，如表2所示。表中：L1和L2是由結(jié)構(gòu)決定的已知量，數(shù)值分別為L1=348 mm，

圖4 涂層檢測機(jī)器人的簡化模型Fig.4 Simplified Three-Dimensional Model of Inspection Robot for Insulator Coating

表2 涂層檢測機(jī)器人連桿參數(shù)表Tab.2 Linkage Parameter Table of Inspection Robot for Insulator Coating

第i-1關(guān)節(jié)相對第i關(guān)節(jié)的齊次變換矩陣為：

由式（3）可得齊次變換矩陣：

4.2 涂層檢測機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解

機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)就是已知末端執(zhí)行器的位姿求解相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。

由正運(yùn)動學(xué)求解可知，在矩陣方程兩邊同時乘以整理可得：

通過比較矩陣相對應(yīng)元素的位置可以列出以下方程組：

4.3 涂層檢測機(jī)器人工作空間求解

機(jī)器人的工作空間描述的是機(jī)器人末端執(zhí)行器上的一個參考點(diǎn)所能達(dá)到的所有位置點(diǎn)的集合。由正運(yùn)動學(xué)可知末端執(zhí)行器上參考點(diǎn)在基坐標(biāo)中的位置如下：

為了能夠更直觀的看出機(jī)器人的工作空間范圍的大小，應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行編程顯示其工作空間，如圖5所示。

圖5 機(jī)器人的工作空間三維圖Fig.5 The Robot’s Working Space Three-Dimensional Figure

從圖看出機(jī)械臂X方向最大活動半徑為600mm，Y方向最大活動活動半徑為400mm，Z方向最大活動800mm，而絕緣子的半徑為300mm，高度為200mm，因此檢測裝置能檢測到絕緣子表面任一點(diǎn)，較好的滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室組建了涂層檢測機(jī)器人并進(jìn)行了涂層質(zhì)量檢測實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。選取涂層表面五個位置，實(shí)驗(yàn)證明，機(jī)器人能將檢測裝置定位到指定位置，運(yùn)行穩(wěn)定，檢測時施加一定壓力能夠定位保持，位置誤差為1mm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試與分析Fig.6 The Debugging and Analysis in Laboratory

6 結(jié)語

（1）根據(jù)絕緣子涂層檢測要求研發(fā)出五自由度涂層檢測機(jī)器人，以直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)為基體，同時計(jì)算直線關(guān)節(jié)電機(jī)所需要的扭矩并選擇合適的步進(jìn)電機(jī)。

（2）設(shè)計(jì)研制出以PLC為核心的控制系統(tǒng)。

（3）運(yùn)用D-H參數(shù)法對涂層檢測機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，利用MATLAB軟件求解出涂層檢測機(jī)器人工作空間，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

（4）通過實(shí)驗(yàn)，涂層檢測機(jī)器人能夠完成指定動作，運(yùn)行穩(wěn)定，檢測誤差符合行業(yè)要求，具有良好的應(yīng)用和推廣價值。

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