換流站閥廳內(nèi)壁清潔機器人的設(shè)計*

焦義康，劉志遠，潘 燁，鄒洪森，趙欣洋

(1.浙江工業(yè)大學 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，浙江 杭州 310014；2.國家電網(wǎng)寧夏檢修公司，寧夏 銀川 750000)

0 引 言

換流站是在高壓直流輸電系統(tǒng)中，為了完成將交流電變換為直流電或者將直流電變換為交流電的轉(zhuǎn)換，并達到電力系統(tǒng)對于安全穩(wěn)定及電能質(zhì)量的要求而建立的站點。換流閥作為換流站直流輸電工程的核心設(shè)備，通過依次將三相交流電壓連接到直流端得到期望的直流電壓和實現(xiàn)對功率的控制。閥廳是放置換流閥的封閉建筑，換流站及直流輸電系統(tǒng)的運行性能和安全可靠程度與閥廳內(nèi)電力設(shè)備的安全運行度密切相關(guān)，對整個電力系統(tǒng)的運行也有重要的影響。閥廳雖然是封閉建筑，但是長年累月的累積依然會導(dǎo)致閥廳內(nèi)壁積灰，對換流閥的安全性和使用壽命造成很大的影響，因此要保持閥廳壁面的清潔。

經(jīng)過現(xiàn)場考察，換流站閥廳壁面為特殊的鋼結(jié)構(gòu)，壁面總高30 m，壁面橫向每隔150 mm會有一個高24 mm的梯形加強筋，并且壁面上存在規(guī)則排列的高10 mm的螺釘，同時壁面上方約0.4 m處有橫梁懸空。目前全部由人工清潔，但人工清潔危險性高，且需要換流站停電，損失巨大。為此，需要開發(fā)一款爬壁機器人。為了不影響閥廳的正常工作，閥廳頂部與壁面不能搭建用于吊裝機器人攀爬的纜索或其它設(shè)備。

早在1966年，日本就研制出基于負壓吸附的爬壁機器人樣機[1]。我國的壁面移動機器人研究起步較晚，哈爾濱工業(yè)大學、北京航空航天大學、上海交通大學在壁面移動機器人這一領(lǐng)域處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。現(xiàn)有的壁面清潔機器人主要分為3類：磁吸附清潔機器人[2-5]、負壓吸附清潔機器人[6-9]、仿生清潔機器人[10-13]。負壓吸附清潔機器人由于采用了負壓吸附方式使它無法在換流站閥廳這種特殊結(jié)構(gòu)的壁面上產(chǎn)生穩(wěn)定的吸附力，導(dǎo)致機器人不能正常工作；而市面上的磁吸附清潔機器人由于設(shè)計時未考慮到換流站閥廳的環(huán)境以及壁面的特殊結(jié)構(gòu)因此也無法在此壁面上穩(wěn)定工作；仿生吸附一般在外形、吸附原理和運動形式上都參照壁虎或尺蠖設(shè)計，可微型化，但承載能力弱，不能滿足搭載清潔裝置的要求，同樣不適用于換流站閥廳的清潔。

因此，本文將研制一款專用于換流站閥廳內(nèi)壁的清潔機器人。

1 行進吸附和驅(qū)動方式

1.1 行進方案

履帶式運動可靠穩(wěn)定，承載能力和越障能力強，故采用履帶式運動方式[14]。由于換流站閥廳壁面有凸起的螺釘，為了提高機器人的越障能力，本文采用了雙節(jié)履帶式行進機構(gòu)。雙節(jié)履帶機器人在越障過程中的效果如圖1所示。

圖1 雙節(jié)履帶機構(gòu)越障示意圖

行進機構(gòu)分為前履帶和后履帶兩部分，前后機身通過3條彈簧鋼連接，以增加機器人柔性。雙節(jié)履帶的方案使得機器人單節(jié)履帶在越障時由于彈簧鋼的彈性變形使得另一節(jié)履帶完全吸附于壁面，提高了機器人越障能力。

其中履帶是由鏈輪鏈條及永磁體組成，由于鏈速及傳遞的功率比較小，本研究選用了型號為08B國標GB/T1243-2006的普通短節(jié)距滾子鏈，其節(jié)距p=12.7 mm?？紤]到機器人尺寸以及鏈條均勻磨損，為此傳動比i取1，鏈輪齒數(shù)為z1=z2=19。鏈輪實際中心距為349.4 mm。機器人攀爬過程中單個鏈條始終穩(wěn)定吸附的永磁體數(shù)量為7塊。

1.2 吸附方式

換流站閥廳內(nèi)壁為鋼結(jié)構(gòu)，屬于導(dǎo)磁性材料，采用磁吸附方案。由于電磁吸附結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單位體積產(chǎn)生的吸附力小，且電磁吸附存在斷電安全隱患，選用永磁吸附。

1.3 永磁吸附單元永磁體與磁路設(shè)計

為了制造及安裝的方便，永磁吸附單元被設(shè)計為矩形，其結(jié)構(gòu)尺寸(長×寬×高)為：36 mm×12 mm×4 mm。永磁吸附單元和磁路如圖2所示。

圖2 永磁吸附單元

永磁體通過螺釘固定在鏈條的彎板上。為了在相同質(zhì)量下盡可能地增大磁吸附力，本研究將相鄰永磁體采用圖中方向進行充磁和排列，使得相鄰兩個永磁體形成的閉合磁力線盡可能多地穿過壁面，并且相鄰永磁體“兩兩相吸”的方式使永磁體形成“環(huán)環(huán)相扣”的整體，吸附得更加牢固。

1.4 驅(qū)動方式

電機驅(qū)動是應(yīng)用最廣泛的一種驅(qū)動方式，體積小、重量輕、響應(yīng)速度快、精度高[15]?；跈C器人的工作環(huán)境等要求，筆者選擇電機驅(qū)動方式，同時根據(jù)電機應(yīng)用要求，選用帶剎車的步進電機。

選定電機類型后，需要對電機位置進行布置，由于機器人采用了雙節(jié)履帶式行進機構(gòu)，電機位置主要有4種布置形式，如圖3所示。

圖3 4種驅(qū)動位置示意圖

因為清潔機器人是豎直向上攀爬，重心越低發(fā)生傾覆的概率越小，穩(wěn)定性越強。但在機器人越障時，若采用后履帶后驅(qū)有可能使機器人后履帶出現(xiàn)脫離壁面而發(fā)生打滑無法行進的現(xiàn)象，因此本研究選擇后履帶前驅(qū)并通過鏈傳動將動力傳遞到前履帶輪的驅(qū)動形式。

2 清掃機構(gòu)

由于換流站閥廳對室內(nèi)環(huán)境有一定的要求，內(nèi)壁不允許用液體沖洗壁面，并且壁面存在加強筋和螺釘?shù)韧蛊穑膊灰瞬捎貌恋姆绞?，本研究采用了滾刷加吸塵的組合清掃方式，如圖4所示。

圖4 清掃機構(gòu)1—吸塵電機；2—支撐板；3—按鈕；4—過濾網(wǎng)；5—集塵罩；6—導(dǎo)軌；7—絲杠電機；8—接近開關(guān)；9—吸塵支座；10—氣管；11—滾刷；12—遮塵罩；13—帶輪；14—同步帶；15—直流電機；16—導(dǎo)軌支撐板；17—安裝板

清掃機構(gòu)主要包括升降、吸塵和清掃3大功能模塊。本文采用模塊化的思路[16]，將升降模塊和清掃模塊通過一塊安裝板與機器人機身相連接，便于一同安裝與拆卸，提高了工作效率。在吸塵模塊中，集塵罩可通過上方的按扭方便拆卸，便于重復(fù)利用。另外，吸塵器殼和遮塵罩為3D打印制造，氣管為EVA材質(zhì)軟管；滾刷的形狀則是根據(jù)彩鋼板截面形狀而定制的。

機器人清掃作業(yè)時，直流電機帶動滾刷轉(zhuǎn)動，將壁面上的灰塵揚起，并擋在遮塵罩內(nèi)。然后吸塵電機將揚起的灰塵通過氣管吸入集塵罩內(nèi)以達到除塵的效果；當機器人無需工作時，絲杠電機帶動清掃模塊沿導(dǎo)軌向上移動，使清掃刷脫離壁面，當上升到一定高度時，接近開關(guān)檢測到信號，絲杠電機斷電，清掃裝置即停止運動。

3 機器人結(jié)構(gòu)確定

換流站閥廳壁面清潔機器人采用永磁吸附方式與雙節(jié)履帶式行進機構(gòu)，可以穩(wěn)定吸附于壁面并安全的翻越螺釘；并采用帶剎車的步進電機為驅(qū)動以防止機器人斷電滾落；以及專用于換流站閥廳壁面的清掃機構(gòu)。機器人整機尺寸(長×寬×高)為：271 mm×507 mm×245 mm，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 整機結(jié)構(gòu)圖1—后機架；2—電路板；3—驅(qū)動器；4—彈簧鋼；5—履帶；6—前機架；7—電池；8—升降電機；9—接近開關(guān)；10—導(dǎo)軌；11—滾刷；12—遮塵罩；13—氣管；14—直流電機；15—連接板；16—紅外傳感器；17—過濾網(wǎng)；18—按鈕；19—吸塵電機；20—傳動鏈；21—張緊器；22—步進電機

機器人工作時始終有28塊永磁體吸附于壁面，并且由于兩個步進電機驅(qū)動，因此可以實現(xiàn)小幅度轉(zhuǎn)向和前進后退。另外，由于壁面加強筋的存在，布置在機器人前后左右的4個紅外傳感器可以通過測量與壁面的距離實時檢測機器人的位置，當機器人沿豎直方向發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)時，距離變化使傳感器發(fā)送信號到步進電機，通過差速調(diào)節(jié)機器人轉(zhuǎn)向。驅(qū)動電機均安裝于后履帶，以使重心后移以增強抗傾覆性能。該壁面清潔機器人專用于換流站閥廳壁面的清潔工作。

4 驅(qū)動力計算

驅(qū)動模塊的設(shè)計主要在于電機轉(zhuǎn)矩的計算和選型。機器人總質(zhì)量m約為25 kg(含電池質(zhì)量)，現(xiàn)對機器人所需驅(qū)動扭矩進行計算。

清潔機器人攀爬過程中，永磁體是“一吸一離”的向上移動，因此受到的阻力主要包括：機器人自身重量G、揭起單個永磁體的阻力矩M和加速時所克服阻力F1。其中為了防止永磁體損傷壁面，對永磁體外表面加了一片薄橡膠，查機械設(shè)計手冊知：鋼鐵與橡膠的靜摩擦系數(shù)為0.7。

其中，機器人自身重量G為：

G=m·g

(1)

加速時所克服阻力F1為：

F1=m·a

(2)

式中：m—機器人自身質(zhì)量；a—機器人行進加速度。

故機器人在行進過程中受到的總的阻力F2為：

F2=G+F1

(3)

機器人穩(wěn)定攀爬時速度約為2.2 m/min，設(shè)定機器人由靜止到穩(wěn)定運行的時間為1 s，那么可以得到加速度a=0.04 m/s2。將m，a的值代入(1～3)中得到機器人總的阻力F2=246 N。

另外，已知機器人平穩(wěn)行進時始終吸附于壁面的永磁體數(shù)量n=28，則單個永磁體磁力F3應(yīng)滿足：

(4)

相應(yīng)地：

(5)

式中：d—壁面到驅(qū)動輪中心距離；N—完全吸附于壁面上的永磁體數(shù)量。

驅(qū)動扭矩T的計算公式為：

(6)

式中：N—驅(qū)動電機數(shù)量；η—傳動機構(gòu)效率；i—傳動機構(gòu)傳動比。

將d=0.09 m，η′=0.8，i=10及式(5)代入式(6)，得到驅(qū)動扭矩T≥2.93 N·m。

根據(jù)上述計算結(jié)果，并考慮到安全系數(shù)，最終筆者選取一對型號為5704HS42D8的步進電機、DM5045型號的電機驅(qū)動器和減速比為1∶10的行星齒輪減速器。其技術(shù)參數(shù)如表(1，2)所示。

表1 步進電機技術(shù)參數(shù)

表2 行星齒輪減速器技術(shù)參數(shù)

5 樣機實驗及結(jié)果

首先本研究對機器人做攀爬速度測試，通過秒表全程計時，計算出小車攀爬速度。

實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 攀爬速度測試

由表3可知：機器人實際攀爬速度略低于設(shè)定速度，相差幅度在2%～5%之間。其原因在于履帶與壁面接觸面滑動影響了攀爬的速度。

對機器人樣機做各項性能實驗如圖6所示。

圖6 機器人樣機實驗

經(jīng)過實驗得到機器人性能參數(shù)如表4所示。

表4 性能測試

爬壁實驗結(jié)果表明：機器人關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計合理，能穩(wěn)定并安全地在壁面上攀爬，并可以完成清潔壁面的任務(wù)。

6 結(jié)束語

針對換流站閥廳的特殊工況，本研究開發(fā)了一款集吸附攀爬、直線行駛、清潔和越障等功能于一體的專用壁面清潔機器人。主要工作如下：

(1)設(shè)計了雙節(jié)履帶式行進機構(gòu)，提高了機器人的越障能力；設(shè)計了永磁體以特定方向充磁和排列的永磁吸附方案，以使同等質(zhì)量下的永磁體產(chǎn)生較強的吸附力；選用了帶剎車的步進電機驅(qū)動，有效防止突然斷電造成的機器人滾落，以及后履帶前驅(qū)在降低機器人重心與穩(wěn)定攀爬之間取得了良好的平衡；設(shè)計了專用于換流站閥廳壁面的滾刷加吸塵組合的清掃機構(gòu)；

(2)筆者對機器人驅(qū)動轉(zhuǎn)矩進行了理論計算，并根據(jù)計算結(jié)果完成了步進電機及減速器的選型，樣機實驗驗證了計算結(jié)果的可靠性；

(3)筆者完成了樣機的制作，并模擬真實工況對樣機進行了攀爬速度測試。結(jié)果表明：由于存在輕微打滑，機器人速度相比設(shè)定速度減小了約2%～5%。