梁元清 王 斌 張 杰 郭 嘉
(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司南寧供電局,廣西南寧 530031)
近年來(lái),隨著電力需求的逐漸增大,變電站線路負(fù)荷大幅度增大,變電站的絕緣子串運(yùn)行時(shí)間久會(huì)出現(xiàn)老化,需要及時(shí)更換[1]。變電站難以停電作業(yè),因此更換絕緣子串大多數(shù)采用帶電作業(yè)。
目前絕緣子串大多數(shù)使用剛性卡具進(jìn)行更換,如祝昆[2]提出采用架構(gòu)卡具來(lái)完成絕緣子串的更換工作,將其設(shè)計(jì)的架構(gòu)卡具和導(dǎo)線線夾卡具固定在絕緣子串兩端,中間利用絕緣拉棒受力取代絕緣子,進(jìn)行絕緣子的帶電更換。絕緣子串為玻璃制品,本身材質(zhì)較硬且脆,傳統(tǒng)剛性?shī)A持手工作極易造成絕緣子串碎裂。因此可以使用柔性機(jī)械手來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性?shī)A持器,由于柔性材質(zhì)自身的柔軟性,柔性機(jī)械手可自動(dòng)適應(yīng)抓取物品的形狀及大小,而且不容易損傷物品。然而也由于柔性材料的柔軟性,柔性機(jī)械手并不能保持應(yīng)有的剛性,所以針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,提出了變剛度理論,在原有的基礎(chǔ)上,加上變剛度層,通過(guò)改變抓取機(jī)械手的剛度來(lái)調(diào)整機(jī)械手剛?cè)徂D(zhuǎn)換,使其有更好的適應(yīng)性。2010年芝加哥大學(xué)Eric Brown等人[3]采用“顆粒堵塞”的變剛度原理,研制出吸附式抓取裝置,此裝置采用柔性硅膠材料作為腔體,腔體內(nèi)裝滿粗糙顆粒物,當(dāng)硅膠腔體包裹住物品時(shí),排除腔體內(nèi)的空氣,形成真空腔,此時(shí)內(nèi)部粗糙的顆粒相互摩擦擠壓產(chǎn)生摩擦力從而改變抓取裝置的剛度。Yong-Jae Kim等人[4]則提出一種新型的可實(shí)現(xiàn)變剛度的“層狀干擾”機(jī)構(gòu),通過(guò)真空壓力控制柔性腔體內(nèi)薄膜之間的摩擦力來(lái)實(shí)現(xiàn)變剛度。崔錦泉[5]提出了一種仿生柔性手指,該手指結(jié)合編織型肌肉驅(qū)動(dòng)器,采用橫縱肌肉排布構(gòu)型方式,能夠更好地控制柔性手指的動(dòng)作。朱友權(quán)[6]提出了一種氣動(dòng)網(wǎng)格柔性驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)及制作方法,使柔性材料能夠更好地抓取物體。徐威銘[7]提出了一種變剛度柔性手方案,將變剛度執(zhí)行器作為手指關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng),利用調(diào)節(jié)執(zhí)行器的剛度來(lái)改變整體柔性手的剛度。
傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人手爪通常使用兩個(gè)或更多手指,這些手指需要視覺(jué)反饋和指尖的力感測(cè),以及運(yùn)行算法的中央處理器,以便在手爪接觸物體之前做出決定,從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抓取,因此,剛性多指手爪是一個(gè)控制過(guò)程復(fù)雜的實(shí)施系統(tǒng)[8]。而基于軟材料驅(qū)動(dòng)的通用抓取器可能有多種應(yīng)用場(chǎng)景,其中包括需要可靠且快速連續(xù)抓取不同尺寸和形狀的物體[9]。
如圖1所示,柔性機(jī)械手由柔性手指、薄膜、鎖緊扣、固定板、密封接頭組成,工作時(shí),充氣區(qū)受到充氣壓力開(kāi)始膨脹彎曲,當(dāng)手指接觸到絕緣子串時(shí),薄膜所在真空區(qū)受到真空壓力,薄膜之間產(chǎn)生摩擦力從而改變?nèi)嵝允种傅膭偠取?/p>
圖1 變剛度柔性機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖
圖2所示為柔性機(jī)械手更換絕緣子串工作示意圖,絕緣子串更換機(jī)器人由柔性手指連桿、底座、套筒組成,工作時(shí),三根手指從不同的方向?qū)^緣子串進(jìn)行包絡(luò)抓取。
圖2 柔性機(jī)械手更換絕緣子串工作示意圖
層狀結(jié)構(gòu)[4]響應(yīng)速度快,負(fù)載能力高,制作簡(jiǎn)單。如圖3所示,層狀結(jié)構(gòu)由柔性腔體、薄膜、出氣孔組成,柔性空腔內(nèi)排列多層薄膜,利用各層薄膜間的摩擦力調(diào)節(jié)柔性手指結(jié)構(gòu)的剛度。當(dāng)柔性手指受到真空壓力時(shí),薄膜受到擠壓,各層薄膜間產(chǎn)生摩擦力,從而使得整個(gè)結(jié)構(gòu)剛度變大[10]。
圖3 變剛度原理
變剛度層狀結(jié)構(gòu)受到彎曲向下的形變影響,且受真空壓力薄膜之間產(chǎn)生的摩擦力,可將層狀結(jié)構(gòu)假設(shè)為一個(gè)整體,一端向下彎曲產(chǎn)生力矩,將變剛度結(jié)構(gòu)假設(shè)為一個(gè)懸臂梁結(jié)構(gòu),仿真分析不同層狀材料對(duì)變剛度結(jié)構(gòu)剛度的影響,如圖4所示,其中一端完全約束固定,自由端施加恒力F,產(chǎn)生力矩M為:
圖4 懸臂梁彎曲受力圖
式中:L為變剛度層狀結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度。
根據(jù)材料力學(xué)中懸臂梁的彎曲計(jì)算公式可得出,自由端在豎直方向上的位移r為:
式中:I為截面慣性矩;E為材料彈性模量。
當(dāng)變剛度層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒(méi)有受到大氣壓力時(shí),層狀材料之間并未發(fā)生接觸,不產(chǎn)生摩擦力,截面慣性矩可表示為:
式中:n為層狀材料的層數(shù);b為單個(gè)層狀變剛度材料的寬度;h為單個(gè)層狀變剛度材料的厚度。
當(dāng)變剛度結(jié)構(gòu)抽真空時(shí),層狀變剛度材料相互接觸,可將多層材料合作整體,此時(shí)層狀變剛度材料的截面的厚度為nh,截面慣性矩可表示為:
聯(lián)立公式(2)與(3)可得變剛度結(jié)構(gòu)沒(méi)有發(fā)生變化時(shí),自由端受力在豎直方向上的位移r1為:
當(dāng)變剛度層狀結(jié)構(gòu)抽真空時(shí),在自由端豎直方向上的位移r2為:
由式(5)和式(6)可知,自由端位移量未抽真空時(shí)是抽真空的n2倍,所以可以得到抽取真空時(shí),層狀結(jié)構(gòu)可以很大程度提升結(jié)構(gòu)的剛度。并且自由端位移的大小與層狀材料的層數(shù)和彈性模量相關(guān),層狀材料的層數(shù)越多,自由端位移越小,剛度越大;層狀材料的彈性模量越大,自由端位移越小,剛度越大。建立變剛度層狀結(jié)構(gòu)模型,采用柔性硅膠材料作為外殼,層狀結(jié)構(gòu)放置于內(nèi)腔。
使用仿真軟件驗(yàn)證剛度的變化是否和真空抽取有關(guān),建立懸臂梁模型,采用有限元仿真分析,對(duì)自由端施加1 N集中力,對(duì)層狀結(jié)構(gòu)腔內(nèi)施加不同的真空壓力,壓力范圍為0~100 kPa,進(jìn)行6次仿真分析,壓力每次遞增20 kPa,結(jié)果如圖5所示。
圖5 變剛度層狀結(jié)構(gòu)仿真分析
由仿真數(shù)據(jù)得出真空壓力與彎曲位移量的關(guān)系,如圖6所示。
圖6 壓力與位移量折線圖
由圖6可以看出,隨著真空壓力增大,位移量不斷減小,且真空壓力越大,位移變化量越小。為了更好地觀察變剛度情況,由層狀結(jié)構(gòu)制作變剛度柔性機(jī)械手進(jìn)行不規(guī)則物體抓取仿真分析,觀察其接觸面應(yīng)變情況。
變剛度柔性機(jī)械手抓取絕緣子仿真模型如圖7所示,對(duì)手指施加空氣壓力,手指氣囊受力膨脹會(huì)產(chǎn)生彎曲,此時(shí)三指會(huì)靠近被抓取物表面,當(dāng)手指抓住物品時(shí),變剛度層狀結(jié)構(gòu)腔施加真空壓力使層狀薄膜受到壓縮,此時(shí)薄膜之間會(huì)產(chǎn)生摩擦力,從而改變?nèi)嵝允种傅膭偠取?/p>
圖7 柔性機(jī)械手抓取絕緣子仿真
在仿真過(guò)程中選取三個(gè)參考點(diǎn)(圖7)觀察其表面應(yīng)變變化,作應(yīng)變變化圖,仿真結(jié)果為20幀,如圖8所示。
圖8 應(yīng)變變化圖
運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為三個(gè)部分,0~0.4 s為第一階段,此時(shí)手指處于彎曲階段,可以觀察到,這個(gè)階段開(kāi)始時(shí)手指應(yīng)變變化較小,手指受到充氣壓力開(kāi)始完成抓取動(dòng)作,手指并未與絕緣子串接觸,此時(shí)應(yīng)變?cè)?.025倍浮動(dòng),呈逐漸上升趨勢(shì);0.4~0.6 s為第二階段,該階段處于接觸階段,手指觸碰到絕緣子串,應(yīng)變急劇變大,達(dá)到最大值0.2~0.25倍,此時(shí)手指形變最為明顯;0.6~1.0 s為第三階段,此階段為手指變剛度階段,對(duì)變剛度層施加真空壓力,此時(shí)手指剛度增大,手指應(yīng)變呈下降趨勢(shì),下降至0.2倍左右,真空壓力達(dá)到最大值時(shí),手指的剛度也達(dá)到最大值,手指應(yīng)變會(huì)保持在0.2倍左右。根據(jù)材料力學(xué)理論可知,剛度與應(yīng)變存在線性關(guān)系,第三個(gè)階段,手指抓取動(dòng)作完成,且手指動(dòng)作不發(fā)生改變,應(yīng)變應(yīng)保持不變,但由于受到真空壓力的影響,薄膜產(chǎn)生摩擦力,此時(shí)應(yīng)變下降至0.2倍左右,由此可知手指的剛度變大,使應(yīng)變減小,驗(yàn)證了變剛度層狀結(jié)構(gòu)通過(guò)真空壓力對(duì)剛度變化的影響。
針對(duì)變電站絕緣子串帶電更換作業(yè),本文使用柔性機(jī)械手來(lái)抓取絕緣子串,利用變剛度層狀結(jié)構(gòu)改變機(jī)械手剛度的大小,對(duì)變剛度層狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析,獲取變剛度層狀結(jié)構(gòu)的剛度變化特性。由有限元仿真分析可知變剛度層狀結(jié)構(gòu)在不同真空壓力下的剛度變化,得到在100 kPa的真空壓力下,變剛度層狀結(jié)構(gòu)的位移量為5.662 mm,且剛度變化趨勢(shì)為隨著真空壓力的增大而逐漸減小。經(jīng)有限元仿真分析,柔性機(jī)械手更換絕緣子串抓取動(dòng)作其表面應(yīng)變最大值為0.25倍,剛度與應(yīng)變存在線性關(guān)系,仿真分析過(guò)程中,手指抓取動(dòng)作完成,且手指動(dòng)作不發(fā)生改變,受到真空壓力的影響,應(yīng)變下降,由應(yīng)變的變化值可以看出柔性手指剛度的變化,驗(yàn)證了變剛度層狀結(jié)構(gòu)對(duì)剛度變化的影響。