一種高壓室巡檢機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃榮輝，向 真，姜 勇，傅 博，景鳳仁

(1.深圳供電局有限公司，廣東深圳518001；2.中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽110016)

在電力系統(tǒng)中，配電系統(tǒng)是生產(chǎn)、輸送、分配三大系統(tǒng)的核心之一，配電系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全可靠起著至關(guān)重要的作用[1]。高壓配電室是電力系統(tǒng)的重要組成部分，保證高壓配電室的正常運(yùn)行越來越受到電力企業(yè)的重視。高壓配電室的巡檢工作在保證高壓配電室安全運(yùn)行方面占有極其重要的位置。傳統(tǒng)的巡檢方式是巡檢人員定期采集大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，由于巡檢人員素質(zhì)、技術(shù)水平等因素會(huì)產(chǎn)生很多問題[2]。而且，當(dāng)發(fā)生突發(fā)狀況時(shí)，工作人員需要對(duì)相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行緊急處理，比如當(dāng)高壓開關(guān)柜發(fā)生故障但未自動(dòng)跳閘的情況下，工作人員通過高壓開關(guān)柜緊急分閘操作桿實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜的緊急分閘操作[3-4]。傳統(tǒng)巡檢方式占用人員、危險(xiǎn)性高。隨著互聯(lián)網(wǎng)與機(jī)器人技術(shù)的大力發(fā)展，電力系統(tǒng)正在向著無人值守方向發(fā)展，值班人員的巡檢作業(yè)任務(wù)將被逐漸代替[5]。因此，機(jī)器人被提出用于開展高壓配電室巡檢作業(yè)，達(dá)到降低勞動(dòng)強(qiáng)度及危險(xiǎn)性，提高作業(yè)自動(dòng)化程度的目的。機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人研究的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，機(jī)器人機(jī)構(gòu)是機(jī)器人巡檢作業(yè)工具的載體，為快速可靠地進(jìn)行巡檢作業(yè)提供保障[6]。

電力巡檢與維護(hù)機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)八十年代[7]，主要包括高壓輸電線路巡檢機(jī)器人、絕緣子檢測(cè)機(jī)器人及變電站巡檢機(jī)器人等[8-10]，但是運(yùn)用于高壓配電室巡檢的機(jī)器人才剛剛起步。目前，國(guó)內(nèi)已有幾家研究機(jī)構(gòu)對(duì)高壓配電室巡檢機(jī)器人開展了研究，但是國(guó)外還沒有相關(guān)研究。按行走機(jī)構(gòu)的原理主要分為懸掛軌道式和輪式2類，懸掛軌道式機(jī)器人穩(wěn)定性不高，容易發(fā)生顫動(dòng)現(xiàn)象，輪式機(jī)器人定位復(fù)雜且不準(zhǔn)確。蘇州震旦科技有限公司研制一種配電室巡檢機(jī)器人[11]，該機(jī)器人由懸掛式軌道、伸縮桿及攝像機(jī)等組成，可實(shí)現(xiàn)配電室運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)巡檢、電流電壓儀表讀數(shù)自動(dòng)采集及出現(xiàn)異常自動(dòng)報(bào)警等功能。朗馳欣創(chuàng)科技股份有限公司針對(duì)電力機(jī)房設(shè)計(jì)研發(fā)了電力機(jī)房智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)[12]，分為懸掛軌道式智能機(jī)器人和輪式智能機(jī)器人，具有智能手動(dòng)/自動(dòng)巡檢、智能識(shí)別各類儀器儀表讀數(shù)，準(zhǔn)確分析煙霧、溫濕度等環(huán)境信息，局放檢測(cè)，語音對(duì)講等功能。目前高壓配電室巡檢機(jī)器人主要是利用各種已有設(shè)備對(duì)開關(guān)柜的環(huán)境信息進(jìn)行識(shí)別及檢測(cè)，但是不具有輔助工作人員完成對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行操作的功能，比如按鈕的按壓操作、旋鈕的旋轉(zhuǎn)操作等。

針對(duì)高壓配電室的環(huán)境特點(diǎn)，基于機(jī)器人的總體任務(wù)需求，面向各分系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了一種新型高壓配電室智能巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)。這種新型機(jī)構(gòu)由軌道式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂組成，具有沿著彎曲軌道行走能力，并且具有良好的穩(wěn)定性與定位功能，方便機(jī)械臂末端執(zhí)行器對(duì)開關(guān)柜執(zhí)行相關(guān)操作任務(wù)。

1 環(huán)境描述與任務(wù)分析

如圖1所示，高壓配電室由各種開關(guān)柜(包括主變柜、饋線柜等)、站用變、安全黃線及墻體障礙等組成。開關(guān)柜是一種電氣設(shè)備，主要作用是在電力系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)電、輸電、配電和電能轉(zhuǎn)換的過程中，進(jìn)行開合、控制和保護(hù)用電設(shè)備。開關(guān)柜發(fā)生弧光短路故障現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，引起開關(guān)柜內(nèi)部弧光短路故障的原因很多，比如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、制造質(zhì)量不佳、設(shè)備材料絕緣老化、機(jī)械磨損、維護(hù)不當(dāng)和誤操作等。盡管開關(guān)設(shè)備發(fā)生內(nèi)部弧光短路故障的概率不高，但是不能完全排除，一旦發(fā)生，會(huì)給附近操作人員和設(shè)備造成極大危害。開關(guān)柜一般集中分布在高壓配電室的若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都標(biāo)有安全黃線，機(jī)器人在非測(cè)試和操作狀態(tài)下應(yīng)位于黃線外側(cè)。

圖1 高壓配電室環(huán)境

高壓配電室的運(yùn)行狀態(tài)與人們的日常生活及生產(chǎn)息息相關(guān)，對(duì)高壓配電室的巡檢是一項(xiàng)非常重要、繁瑣及危險(xiǎn)的任務(wù)。根據(jù)高壓配電室巡檢的任務(wù)需求及高壓配電室內(nèi)部的環(huán)境特點(diǎn)，開展高壓配電室智能巡檢機(jī)器人的研制，巡檢機(jī)器人需要對(duì)高壓配電室內(nèi)部的所有開關(guān)柜完成以下任務(wù)：1)對(duì)各種按鈕、指示燈及壓板狀態(tài)的識(shí)別；2)對(duì)具有紅外觀察窗的開關(guān)柜進(jìn)行紅外測(cè)溫；3)對(duì)開關(guān)柜上中下部分各自取中及柜體背面上下部分各自取中進(jìn)行局放檢測(cè)；4)當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生故障但未自動(dòng)跳閘的情況下，實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜的緊急分閘操作。綜上，機(jī)器人應(yīng)為移動(dòng)車體搭載機(jī)械臂的形式以實(shí)現(xiàn)完整巡檢的功能。為了保證機(jī)器人能夠高效地實(shí)現(xiàn)上述功能，移動(dòng)車體必須具備如下特點(diǎn)：定位快速且準(zhǔn)確、運(yùn)行平穩(wěn)、移動(dòng)速度快、可以到達(dá)所有作業(yè)點(diǎn)?；谏鲜鎏攸c(diǎn)開展機(jī)器人移動(dòng)車體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 機(jī)構(gòu)總體方案

2.1 高壓室巡檢機(jī)器人簡(jiǎn)介

如圖2所示，機(jī)器人由移動(dòng)車體、機(jī)械臂及末端多功能作業(yè)工具盤組成。其中，移動(dòng)車體由萬向輪、驅(qū)動(dòng)輪、差速機(jī)構(gòu)及被動(dòng)適應(yīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成，保證了機(jī)器人可以沿著高壓室內(nèi)的軌道快速穩(wěn)定移動(dòng)。萬向輪與移動(dòng)車體直接相連，驅(qū)動(dòng)輪與被動(dòng)適應(yīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)相連且驅(qū)動(dòng)輪之間通過差速器相連，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與車體通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。萬向輪起支撐作用，驅(qū)動(dòng)輪起支持和提供行駛驅(qū)動(dòng)力的作用，被動(dòng)適應(yīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用是使得移動(dòng)車體可以沿著彎曲軌道行駛。根據(jù)作業(yè)任務(wù)內(nèi)容及高壓室環(huán)境特點(diǎn)，采用6自由度的機(jī)械臂，使得末端作業(yè)工具達(dá)到相應(yīng)的位姿，從而完成巡檢工作。末端多功能作業(yè)工具盤包含三個(gè)成一定角度的作業(yè)面，作業(yè)面分別安裝著可見光攝像機(jī)，紅外熱成像儀，局放檢測(cè)儀，緊急分閘操作裝置，在貼近開關(guān)柜檢測(cè)和操作的過程中，可以避免其他工具與開關(guān)柜發(fā)生碰撞。機(jī)械臂和末端多功能作業(yè)工具盤保證了機(jī)器人具有攜帶多個(gè)設(shè)備并完成給定全部作業(yè)任務(wù)的能力。

圖2 高壓室巡檢機(jī)器人

2.2 移動(dòng)車體底盤設(shè)計(jì)

2.2.1 移動(dòng)任務(wù)描述

由高壓室開關(guān)柜的布局特點(diǎn)及巡檢任務(wù)要求可以看出，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡簡(jiǎn)單且固定，結(jié)合軌道式移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有軌跡固定、被動(dòng)轉(zhuǎn)向及驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，機(jī)器人采用軌道式移動(dòng)車體技術(shù)，軌道布局如圖3，軌道交叉部分通過圓弧過渡。移動(dòng)車體應(yīng)具有在直線軌道和彎曲軌道上行駛的能力，并且具有良好的穩(wěn)定性能。

圖3 軌道布局

2.2.2 移動(dòng)車體底盤構(gòu)型

圖4 軌道式移動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)型

圖4為移動(dòng)車體底盤機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該機(jī)構(gòu)由行走機(jī)構(gòu)、差速機(jī)構(gòu)及被動(dòng)適應(yīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)組成。行走機(jī)構(gòu)包含兩個(gè)萬向輪1和兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪7，均關(guān)于底盤9左右對(duì)稱。萬向輪為被動(dòng)輪，起支撐作用，既可以繞著輪軸中心進(jìn)行被動(dòng)旋轉(zhuǎn)，也可以繞著垂直于底盤的軸線方向進(jìn)行被動(dòng)旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動(dòng)輪在差速機(jī)構(gòu)6的驅(qū)動(dòng)下為移動(dòng)車體提供前進(jìn)的動(dòng)力，同樣也起到了支撐的作用。被動(dòng)適應(yīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向輪5、導(dǎo)向輪輪架4、彈簧3及轉(zhuǎn)向架2組成，彈簧使得導(dǎo)向輪在移動(dòng)車體移動(dòng)的過程中始終壓緊軌道，并且保證轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在軌道上可以順利過彎。4個(gè)導(dǎo)向輪夾緊軌道的設(shè)計(jì)方法相比2個(gè)導(dǎo)向輪可以保證移動(dòng)車體具有更高的穩(wěn)定性。前后轉(zhuǎn)向架2與車體底盤之間通過轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，避免移動(dòng)車體在過彎時(shí)發(fā)生卡死現(xiàn)象。差速機(jī)構(gòu)能夠使移動(dòng)車體在過彎的過程中左右驅(qū)動(dòng)輪以不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，避免驅(qū)動(dòng)輪發(fā)生打滑的現(xiàn)象，并且移動(dòng)車體只需要一個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。所以該移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、適應(yīng)能力強(qiáng)、行走快速且穩(wěn)定等特點(diǎn)。

2.2.3 移動(dòng)車體底盤機(jī)構(gòu)分析

移動(dòng)車體沿著軌道行走的過程中，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向輪與軌道之間的作用關(guān)系均包含三個(gè)階段：1)導(dǎo)向輪全部夾著直線軌道；2)導(dǎo)向輪部分夾著直線軌道，部分夾著彎曲軌道；3)導(dǎo)向輪全部夾著彎曲軌道，如圖5。當(dāng)轉(zhuǎn)向架處于過彎狀態(tài)時(shí)，彈簧被壓縮或者拉伸，使得導(dǎo)向輪能夠時(shí)刻壓緊軌道并且避免卡死。階段1情況下可以很容易看出導(dǎo)向輪與軌道之間均始終保持壓緊狀態(tài)，彈簧形變量保持不變，所以階段1屬于穩(wěn)定行駛階段。通過幾何法對(duì)階段2和階段3情況下導(dǎo)向輪和軌道之間的接觸關(guān)系進(jìn)行分析。

圖5 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程

階段2中軌道兩側(cè)導(dǎo)向輪之間的間距會(huì)發(fā)生變化，彈簧形變量不斷變化，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)只有三個(gè)導(dǎo)向輪與軌道接觸的情況，即彈簧的形變?cè)隽喀暮蛯?dǎo)向輪與軌道之間的偏移距離ξ會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)車體過彎的不穩(wěn)定性。階段3中導(dǎo)向輪與軌道之間均始終保持壓緊狀態(tài)并且彈簧形變量保持不變，因此階段3也屬于穩(wěn)定行駛階段，相比于階段1，其彈簧被進(jìn)一步壓縮。

階段2過彎分析：通過幾何法分析可知，當(dāng)導(dǎo)向輪部分夾著直線軌道，部分夾著彎曲軌道時(shí)，軌道兩側(cè)導(dǎo)向輪之間的距離會(huì)發(fā)生變化，即導(dǎo)向輪A與B或C與D之間，且變化量等于彈簧的形變?cè)隽?；彎軌外?cè)導(dǎo)向輪B與軌道會(huì)發(fā)生脫離，如圖6。彈簧形變?cè)隽考皩?dǎo)向輪B與軌道之間的偏移距離計(jì)算如下：

a4=a3-k(b4-b3)

(1)

(2)

其中A(ai，bi)(i=1，2，3，4)為導(dǎo)向輪輪心坐標(biāo)，k為軌道同側(cè)導(dǎo)向輪輪心連線的斜率，θ為導(dǎo)向輪C輪心與坐標(biāo)系原點(diǎn)O的連線與y軸負(fù)方向的夾角，R為軌道內(nèi)徑，m為導(dǎo)向輪接觸點(diǎn)軌道截面寬度，l為軌道同側(cè)導(dǎo)向輪輪心間的距離，δ為彈簧形變?cè)隽?，ξ為?dǎo)向輪B與軌道之間的偏移距離?？梢钥闯觯瑢?dǎo)向機(jī)構(gòu)的四個(gè)導(dǎo)向輪在階段2與軌道之間不是完全接觸狀態(tài)，這將會(huì)導(dǎo)致移動(dòng)車體的不穩(wěn)定性，但是階段2在軌道全長(zhǎng)中只占據(jù)很小的部分，不影響機(jī)器人執(zhí)行巡檢任務(wù)，而且可以通過優(yōu)化導(dǎo)向機(jī)構(gòu)及軌道的結(jié)構(gòu)參數(shù)提高移動(dòng)車體的穩(wěn)定性。

圖6 階段2運(yùn)動(dòng)分析

階段3過彎分析：通過幾何法分析可知，當(dāng)導(dǎo)向輪全部夾著彎曲軌道時(shí)，軌道兩側(cè)導(dǎo)向輪之間的距離為定值，即導(dǎo)向輪A與B或C與D之間的距離不變，彈簧形變量保持不變；導(dǎo)向輪均與軌道處于壓緊狀態(tài)，即導(dǎo)向輪B與軌道之間的偏移距離恒為0，如圖7。相比于階段1彈簧的變形增量計(jì)算如下：

c1c2=m+d

(3)

ξ=0

(4)

基于以上分析結(jié)果可知，導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的四個(gè)導(dǎo)向輪在階段3始終與軌道保持接觸狀態(tài)，彈簧形變量保持不變，彈簧對(duì)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的作用反力恒定，移動(dòng)車體在階段3可以保持穩(wěn)定運(yùn)行。

圖7 階段3運(yùn)動(dòng)分析

3 移動(dòng)車體仿真分析

3.1 移動(dòng)車體及軌道優(yōu)化仿真

通過對(duì)公式(1)～(4)的分析可知，彈簧變形增量δ及導(dǎo)向輪B與軌道之間的偏移距離ξ在階段2過彎過程中是變化的，而在階段3過彎過程中保持不變。δ和ξ的變化會(huì)導(dǎo)致車體運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性，分別按照(1)和(2)分析軌道內(nèi)徑R、軌道寬度m、導(dǎo)向輪半徑d、同側(cè)導(dǎo)向輪間距l(xiāng)對(duì)移動(dòng)車體階段2過彎穩(wěn)定性的影響，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 軌道參數(shù)對(duì)平穩(wěn)性影響

可以發(fā)現(xiàn)減小導(dǎo)軌寬度、導(dǎo)向輪半徑、同側(cè)導(dǎo)向輪間距及增大導(dǎo)軌半徑均可以增加車體過彎的穩(wěn)定性。綜合以上分析，軌道內(nèi)徑設(shè)計(jì)為490 mm，軌道寬度設(shè)計(jì)為20 mm；導(dǎo)向輪半徑設(shè)計(jì)為40 mm，同側(cè)導(dǎo)向輪間距設(shè)計(jì)為80 mm。

圖9 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)參數(shù)對(duì)平穩(wěn)性影響

3.2 移動(dòng)車體過彎動(dòng)力學(xué)仿真

圖10 彈簧變形增量曲線

采用ADAMS多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)移動(dòng)車體過彎過程進(jìn)行仿真。根據(jù)上面的分析及尺寸設(shè)計(jì)結(jié)果，在SOLIDWORKS中建立移動(dòng)車體底盤機(jī)構(gòu)的三維模型。然后導(dǎo)入ADAMS軟件中，依次添加運(yùn)動(dòng)副、載荷、驅(qū)動(dòng)及彈簧，其中差速器輸入軸轉(zhuǎn)速的設(shè)置使得移動(dòng)車體理論移動(dòng)速度為250 mm/s，彈簧的預(yù)緊力設(shè)置為100 N，剛度系數(shù)設(shè)置為15 N/mm。完成以上步驟后，進(jìn)行移動(dòng)車體的動(dòng)力學(xué)仿真。圖10表示彈簧在車體仿真運(yùn)動(dòng)過程中變形增量的變化情況，圖11表示移動(dòng)車體的速度變化情況?？梢钥闯觯瑢?dǎo)向機(jī)構(gòu)保證移動(dòng)車體具備在彎曲軌道上行駛的能力，車體具有較好的穩(wěn)定行駛能力。

圖11 車體速度曲線

4 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

圖12 坐標(biāo)系建立

表1 UR5機(jī)械臂D-H參數(shù)

5 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)性能仿真分析

移動(dòng)車體的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為長(zhǎng)650 mm，寬L3=500 mm，高985 mm，移動(dòng)車體距離開關(guān)柜L3=400 mm，機(jī)械臂底座距離車體側(cè)面L2=400 mm，開關(guān)柜高2250 mm。根據(jù)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、移動(dòng)車體及開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Matlab Robotics Toolbox工具箱建立機(jī)械臂、移動(dòng)車體及開關(guān)柜的三維模型，如圖13所示，然后基于蒙特卡洛法對(duì)機(jī)械臂在工作空間中的可操作性進(jìn)行研究。分析結(jié)果如圖14所示，該圖為機(jī)械臂在開關(guān)柜正面區(qū)域的可操作性圖，可以看出在該區(qū)域內(nèi)機(jī)械臂普遍具有較高的可操作性，滿足了機(jī)械臂在開關(guān)柜正面及背面檢測(cè)及操作點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)性能要求。

圖13 機(jī)器人工作場(chǎng)景 圖14 工作平面可操作性圖

6 結(jié)束語

面向高壓配電室檢測(cè)和操作任務(wù)的實(shí)際需求，本文提出了一種新型軌道式高壓室巡檢機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)。分析和仿真結(jié)果表明，采用被動(dòng)適應(yīng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿著直彎組合軌道行走，差速機(jī)構(gòu)不僅簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，而且避免了移動(dòng)車體在轉(zhuǎn)彎的過程中驅(qū)動(dòng)輪發(fā)生打滑的現(xiàn)象；機(jī)械臂在作業(yè)區(qū)域范圍內(nèi)具有良好的可操作性。與現(xiàn)有的高壓室巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)相比，本文提出的機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)動(dòng)速度快且平穩(wěn)、定位準(zhǔn)確且快速等特點(diǎn)，可以完成更多的檢測(cè)和操作任務(wù)，因而具有實(shí)用價(jià)值。