農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路機器人攀爬機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究

陳繼祥，陳 冉，張自偉，盛啟玉，牟憲民

(1.國家電網(wǎng)連云港供電公司東海供電分公司，江蘇 連云港 223000；2.保定理工學(xué)院電氣工程與自動化學(xué)院，河北 保定071000；3.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧 大連116024)

0 引言

供電系統(tǒng)一直是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施，對社會與經(jīng)濟的發(fā)展都存在著影響，其最重要的就是要保證供應(yīng)電力的穩(wěn)定與高質(zhì)量。當前，配電網(wǎng)輸電線路多采用超高壓或高壓架空線路，以實現(xiàn)配電網(wǎng)的長距離配電。然而，這種線路是在室外高空環(huán)境下長期暴露的，受自然環(huán)境影響很大，在鳥啄、酸雨和雷電等影響下很容易被磨損、腐蝕，甚至?xí)l(fā)生斷股現(xiàn)象，為供電帶來阻礙[1]。尤其是在農(nóng)網(wǎng)中，由于地處偏遠，這種現(xiàn)象往往更加常見。對于農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路故障，必須及時進行處理，否則很容易發(fā)生嚴重的電力系統(tǒng)故障，帶來農(nóng)村地區(qū)大面積停電問題，甚至導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟損失[2]。對農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)輸電線路實施高頻次、定期巡檢，是保障電力系統(tǒng)安全的基礎(chǔ)工作，具有十分重要的意義。

農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路由于架設(shè)的高度極高，并且地形較為偏遠或險峻，往往很難實施高頻次的人工巡檢，因此，機器人在農(nóng)網(wǎng)電力巡檢中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。對于農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路巡檢機器人來說，攀爬機構(gòu)是一個非常重要的構(gòu)造，對巡檢效率與精度有很大影響，對攀爬機構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化是巡檢機器人領(lǐng)域近年來的研究熱點。在農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路機器人攀爬機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問題的研究中，目前已經(jīng)實現(xiàn)了機器人攀爬機構(gòu)的多種參數(shù)優(yōu)化方式，優(yōu)化結(jié)果也已投入應(yīng)用，大幅度提升了架空線路巡檢機器人的工作效率。但是對該問題的研究目前仍在不斷推進，優(yōu)化架空線路巡檢機器人攀爬機構(gòu)的跨障性能、穩(wěn)定性能等問題成為未來的重點研究方向。現(xiàn)借鑒以往研究成果，對該問題進行深入研究，提出一種新的農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路機器人攀爬機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法。

1 農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路機器人攀爬機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法設(shè)計

1.1 攀爬機構(gòu)有限元模型構(gòu)建

使用Creo Parametric軟件構(gòu)建農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路機器人攀爬機構(gòu)的三維模型，完成三維模型的構(gòu)建后，在Workbench中導(dǎo)入該模型，通過網(wǎng)格劃分實現(xiàn)攀爬機構(gòu)有限元模型的構(gòu)建[3]。

以裝配體形式對攀爬機構(gòu)中的零件進行組裝，構(gòu)建其三維模型[4]。在攀爬機構(gòu)三維模型的構(gòu)建中，為使各部件符合其物理特性，對各部件添加相應(yīng)的信息，具體包括添加各種材料的材料特性、各種部件的質(zhì)量特性以及材料屬性和添加攀爬機構(gòu)的驅(qū)動與約束等[5]。

各種材料的材料特性如表1所示。

表1 各種材料的材料特性

各種部件的質(zhì)量特性以及材料屬性如表2所示。其中，Ixx、Iyy、Izz為相對于質(zhì)心坐標系(x,y,z)的轉(zhuǎn)動慣量。

表2 各種部件的質(zhì)量特性以及材料屬性

攀爬機構(gòu)的驅(qū)動與約束的添加流程為：首先定義攀爬機構(gòu)的凸輪和夾臂之間、管道和手爪之間的接觸力屬性；接著在手臂和手爪之間、各段軀干和翻轉(zhuǎn)電機之間施加固定的連接約束；然后在中轉(zhuǎn)電機和連接臂之間、電機和手臂之間對旋轉(zhuǎn)副進行添加；最后對各運動副施加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動[6]。并通過Model Verify這一自檢工具對攀爬機構(gòu)驅(qū)動與約束的添加是否存在隱含錯誤進行自檢。

在 Workbench 中導(dǎo)入該模型后，需要在零件間對連接進行施加，才能對力進行傳遞[7]。施加的連接包括絞點和接觸，其中鉸點的施加類型具體如下。

a.轉(zhuǎn)動：兩構(gòu)件在rx、ry、ux、uy、uz上保持同樣的自由度位移。其中，rx、ry分別為三維實體結(jié)構(gòu)單元在質(zhì)心坐標系中的x軸與y軸的位置；ux、uy、uz為鉸鏈在質(zhì)心坐標系中的位置。

b.固定：兩構(gòu)件保持完全相同的自由度位移。

接觸的施加類型具體如下。

a.不分離接觸：在兩構(gòu)件接觸面上可以發(fā)生少量的滑移(無摩擦)，只迭代1次。

b.綁定：在兩構(gòu)件接觸面上不存在穿透、分離以及滑移等現(xiàn)象。

在此基礎(chǔ)上，還需對接觸力進行定義[8]。其中農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路與手爪夾臂之間、凸輪與手爪夾臂之間的接觸力參數(shù)設(shè)定具體如下：動滑移速度設(shè)定分別為10 mm/s、100 mm/s；靜滑移速度設(shè)定分別為1 mm/s、10 mm/s；動態(tài)系數(shù)設(shè)定分別為0.1、0.3；靜態(tài)系數(shù)設(shè)定均為0.5；摩擦力計算方法均為庫倫法；切入深度設(shè)定均為0.1 mm；阻尼設(shè)定均為10.0 N/(m·s-1)；接觸剛度設(shè)定均為1.05×103N/mm；接觸力計算方法均為沖擊函數(shù)法。

最后進行網(wǎng)格的劃分，實現(xiàn)攀爬機構(gòu)有限元模型的構(gòu)建。

1.2 有限元分析

根據(jù)構(gòu)建的攀爬機構(gòu)有限元模型對攀爬機構(gòu)的應(yīng)力分配與整體變形情況進行分析，以對其參數(shù)進行優(yōu)化[9]。

首先對有限元分析中的約束條件進行制定。當約束部位為轉(zhuǎn)向機構(gòu)齒時，約束條件為所有自由度能夠使轉(zhuǎn)向機構(gòu)無法轉(zhuǎn)動；當約束部位為各車架底面支腿時，約束條件為z方向的自由度，能夠使各車架支腿無法沿軸向移動；當約束部位為其他車輪組的對應(yīng)三角架左右圈時，約束條件為z方向與y方向的位移自由度，能夠使其余車輪組沿農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路移動；當約束部位為正在對直角面進行跨越的車輪時，約束條件為全部位移自由度，能夠使該主動車輪組無法沿平面移動[10]。

制定約束條件后，對攀爬機構(gòu)的載荷進行計算。

首先對摩擦力進行計算，車輪在受到結(jié)構(gòu)摩擦力時，軸承和軸會將其向三腳架傳遞，使三腳架左右圈受到摩擦力[11]。各車輪受到的摩擦力是12.5 N，并對動載效應(yīng)進行考慮，動載系數(shù)的取值為1.2，則各三角架圈受到的摩擦力為

F1=12.5×1.2=15 N

主動車輪組受到的總摩擦力為

F2=15×32=480 N

接著對電機驅(qū)動力矩進行計算。電機驅(qū)動力矩是通過皮帶向車軸傳遞的，因此，該力矩是施加于車軸帶輪上的[12]。用R1表示車輪半徑，則各車軸帶輪上受到的電機驅(qū)動力矩為

M1=4F1R1=4×15×15=900 N·mm

最后對機械臂轉(zhuǎn)矩和壓力進行計算，l1為回轉(zhuǎn)中心和舵機與支架的重心之間的距離；l2為回轉(zhuǎn)中心和鏡頭與相機的重心之間的距離；m1為舵機與支架的質(zhì)量；m2為鏡頭與相機的質(zhì)量[13]；g為機械臂自重。則機械臂等效轉(zhuǎn)矩為

M2=m1gl1+m2gl2=

0.5×9.8×100+1×9.8×170=2156 N·mm

機械臂的等效壓力與相機和機械臂的重力相等。

根據(jù)載荷計算結(jié)果獲取攀爬機構(gòu)的應(yīng)力分配與整體變形情況，如圖1所示[14]。

(b)整體應(yīng)力云圖

根據(jù)有限元分析結(jié)果實施農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路機器人攀爬機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化。

1.3 參數(shù)優(yōu)化

在農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路機器人攀爬機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化中，在對相關(guān)設(shè)計變量進行確定時，需要適當減少變量數(shù)目[15]。

攀爬機構(gòu)的設(shè)計參數(shù)為a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2、Ψ1、Ψ2、θ12、θ13。其中，a1、c1、d1、a2、c2、d2、θ12、θ13是其他機構(gòu)的實際尺寸參數(shù)，也就是設(shè)計變量。在設(shè)計變量中，前4個為下四連桿機構(gòu)的對應(yīng)設(shè)計變量，后4個為上四連桿機構(gòu)的對應(yīng)設(shè)計變量。

Ψ2、Ψ1分別為各關(guān)節(jié)間的夾角；b2、b1分別為中間關(guān)節(jié)長度、首端關(guān)節(jié)長度。為適當減少設(shè)計變量的實際數(shù)目，將設(shè)計變量a1、c1、d1、a2、c2、d2、θ12、θ13重新設(shè)定為x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8，并用集合x來表示。

設(shè)計變量確定后，對參數(shù)優(yōu)化目標函數(shù)進行構(gòu)建，即

(1)

對目標函數(shù)傳動比與傳動角需要滿足的對應(yīng)約束條件進行確定，通過枚舉法對參數(shù)優(yōu)化目標函數(shù)進行求解，獲取優(yōu)化參數(shù)取值，實現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化[16]。

2 仿真分析實驗

2.1 生成仿真環(huán)境

首先構(gòu)建農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路仿真模型與機器人攀爬機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的機器人仿真模型，使用的三維軟件是Creo Parametric軟件。通過該軟件中的裝配平臺對機器人攀爬機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的各零件進行設(shè)計與裝配，然后進行仿真線路環(huán)境的建模。對于構(gòu)建的實驗仿真模型，將為保存成.X_T格式。為了達到對比效果，同時對機器人攀爬機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前的機器人仿真模型進行創(chuàng)建。

在使用該軟件前，設(shè)置其工作環(huán)境。具體設(shè)置為：重力方向設(shè)置為與Y軸相反；角度、力、質(zhì)量、時間、長度的單位分別設(shè)置為°、N、kg、s、mm。

2.2 添加仿真約束

為使仿真結(jié)果與實際情況相接近，在仿真環(huán)境中對必要約束進行添加，包括固定副、接觸副以及旋轉(zhuǎn)副，并根據(jù)仿真要求對立等與驅(qū)動條件進行創(chuàng)建。

2.3 攀爬仿真分析

為測試設(shè)計的農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路機器人攀爬機構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，在攀爬情況下對機器人性能進行對比仿真分析，驗證參數(shù)優(yōu)化成效。

將仿真時間設(shè)置為30 s，并將機器人仿真步長設(shè)置為340。完成實驗仿真后，在Postprocessor 模塊中進行后處理操作，獲取仿真曲線。

機器人在攀爬狀態(tài)下車輪的實際驅(qū)動力矩變化對比數(shù)據(jù)如圖2所示。

根據(jù)圖2的實際驅(qū)動力矩變化對比數(shù)據(jù)可知，在攀爬過程中，機器人需要克服阻力，因此驅(qū)動力矩會持續(xù)增加。在對攀爬機構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化后，驅(qū)動力矩明顯降低，說明進行參數(shù)優(yōu)化攀爬機構(gòu)的中心發(fā)生前移，使其車輪附著力增加，攀爬能耗降低，攀爬能力得到大幅提升。

機器人在攀爬狀態(tài)下豎直方向上的加速度變化對比數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 豎直方向上的加速度變化對比數(shù)據(jù)

由圖3可知，在進行攀爬結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前，機器人加速度起伏較大，且在機器人脫離起始狀態(tài)進入穩(wěn)定狀態(tài)后，其加速度仍有一定波動。而在進行攀爬結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后，機器人加速度起伏較小，且在機器人脫離起始狀態(tài)進入穩(wěn)定狀態(tài)后，其加速度較小、較平穩(wěn)。對比結(jié)果表明，攀爬結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化使機器人的攀爬更加穩(wěn)定。

機器人在攀爬狀態(tài)下豎直方向相對質(zhì)心變化數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 豎直方向相對質(zhì)心變化數(shù)據(jù)

表3的豎直方向相對質(zhì)心變化對比數(shù)據(jù)表明，參數(shù)優(yōu)化前后，在起始階段機器人豎直方向相對質(zhì)心位置不變；在起始階段以后，機器人豎直方向相對質(zhì)心位置逐漸由低向高變化，也就是參數(shù)優(yōu)化前后豎直方向相對質(zhì)心位置變化的趨勢是相同的。然而，在參數(shù)優(yōu)化后，起始階段以后的機器人豎直方向相對質(zhì)心位置明顯低于參數(shù)優(yōu)化前。說明通過參數(shù)優(yōu)化能夠?qū)崿F(xiàn)機器人攀爬時重心位置的降低，實現(xiàn)了機器人攀爬性能的提升。

機器人在攀爬狀態(tài)下速度變化對比情況如表4所示。

表4 速度變化對比情況

由表4可知，機器人在攀爬狀態(tài)下會不斷加速，直到達到最高后保持該速度。參數(shù)優(yōu)化前后機器人的速度變化趨勢是相似的，但參數(shù)優(yōu)化前，機器人的攀爬速度最高達到389.32 mm/s，而參數(shù)優(yōu)化后，機器人的攀爬速度最高達到452.74 mm/s，可見參數(shù)優(yōu)化處理實現(xiàn)了機器人攀爬速度的提升。同時，參數(shù)優(yōu)化后機器人的提速也更快，說明攀爬結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化使機器人的攀爬速度更高，提速更快。

3 結(jié)束語

架空線路機器人攀爬機構(gòu)的參數(shù)優(yōu)化對于農(nóng)網(wǎng)配電網(wǎng)架空線路巡檢機器人巡檢效率與精度的提升有很大意義。在對該問題進行研究的過程中，本文實現(xiàn)了攀爬機構(gòu)攀爬性能的大幅優(yōu)化，取得了一定研究成果。在此次研究過程中，受到研究時間與水平的限制，有些內(nèi)容還有待完善與改進，將會在今后對這些研究內(nèi)容進行補充說明。同時在今后會對測試平臺進行搭建進行設(shè)計成果的精確測試，以此進一步對機器人的性能進行優(yōu)化。