變電站絕緣設備水沖洗機器人結構優化設計與仿真

Optimization design of large arm structure of water washing robot

崔孔龍1，魯守銀1，談金東2，李　輝3

CUI Kong-long1, LU Shou-yin1, TAN Jin-dong2, LI Hui3

（1.山東建筑大學 機器人與智能系統研究院，濟南 250101；2.田納西大學 電子信息工程系，田納西 37996；3.山東建筑大學 機電工程學院，濟南 250101）

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變電站絕緣設備水沖洗機器人結構優化設計與仿真

Optimization design of large arm structure of water washing robot

崔孔龍1，魯守銀1，談金東2，李輝3

CUI Kong-long1, LU Shou-yin1, TAN Jin-dong2, LI Hui3

（1.山東建筑大學 機器人與智能系統研究院，濟南 250101；2.田納西大學 電子信息工程系，田納西 37996；3.山東建筑大學 機電工程學院，濟南 250101）

摘 要：為了提高變電站絕緣子的沖洗效率，對水沖洗機器人的大臂結構尺寸進行優化設計。首先，確定與沖洗效率相關的大臂結構參數，然后，根據要求確定大臂的優化函數進行結構優化，運用約束坐標輪換法求取大臂結構參數，根據實驗獲取的數值運用MATLAB進行仿真，畫出運動軌跡。優化的結果可使大臂的末端沿近似的水平線運動，且沖洗效率大大提高。

關鍵詞：水沖洗機器人；結構優化；沖洗效率；運動軌跡；仿真

0 引言

變電站很多電氣高壓設備長期運行在戶外，絕緣子表面污穢比較嚴重，易造成停電及污穢閃絡事故[1,2]，及時清理絕緣子表面的污穢變的尤為重要。目前國內大多采用人工的方式，勞動強度大，而且存在安全隱患。國外帶電水沖洗絕緣設備的方式比較先進，如意大利Pisa University通過用直升機安放帶電水沖洗機器人的方法進行沖洗[3]，這種方法成本太高，而且難于操作。在國家863計劃的資助下，我們進行了水沖洗機器人的研究且取得良好的效果，但機械臂關節比較多，操作比較麻煩，導致沖洗過程中造成絕緣子沖洗不全面，沖洗時間長等問題。因此，為提高沖洗效率，我們簡化機械臂關節數，采用槍口與絕緣子垂直、等距的水平沖洗方法。為了實現該方法及減少機械臂的關節數，我們對多種方案反復設計篩選，并最終做出了優化后的水沖洗機器人如圖1所示，結構方案原理圖如圖2所示。

圖1　水沖洗機器人實物圖

圖2　結構方案原理圖

該結構方案的動作原理是：大臂3在油缸2的驅動下實現上升下降，以滿足絕緣子的上下沖洗；支撐臂1保證大臂可以垂直起落；小臂4在液壓馬達6的作用下可以在水平面內做±60°的擺動，以調整小臂4前端的左右位置；液壓馬達7驅動槍桿5沿絕緣子的外表面進行旋轉，旋轉角度可達±50°；液壓馬達8、9驅動移動平臺做前后往復運動及左右旋轉。噴槍的運動軌跡如圖3(a)所示。

圖3　噴槍運動

因為變電所電壓為220kV，所以水柱的長度至少為1000mm，而實際水柱的長度可以達到10000mm，沖洗的絕緣子直徑在300mm左右，可以近似認為水柱與絕緣子表面垂直。在進行水沖洗作業時大臂與旁邊絕緣子的距離應大于安全距離S，S>360mm，且大臂沿絕緣子方向的距離H2小于2000mm，否則會導致絕緣子與機械臂發生放電，以致發生危險事故。圖3(b)為沖洗內部絕緣子示意圖。

為了滿足變電所絕緣子沖洗控制上要求，對水沖洗機器人的大臂結構設計還進行如下特殊要求：1）大臂的起落高度達5000mm；2）在到達清洗高度時，大臂的前端應近似沿一條水平線運動，其水平度絕對偏差即沿y軸方向的擺動不大10mm為宜；3）大臂在起落時，沿垂直方向起落，在z軸方向的偏差小于6mm為宜；4）沖洗內部絕緣子時，大臂與兩邊絕緣子的距離應大于300mm。

1 機械臂參數的優化設計

1.1 機械臂參數的確定

水沖洗機器人的機械臂為3自由度關節型，為了描述大臂的運動軌跡，以機械臂末端中心為坐標原點建立坐標系，繪制機械臂的結構簡圖，其中基座長度、大臂長度、小臂長度依次為L0、L1、L2；其中L1為可伸縮桿件，大臂寬度為L3，機械臂基座與Y軸正方向的夾角為θ0，大臂的旋轉角度為θ1，沿y軸方向旋轉，小臂的旋轉角度為θ2，沿Z軸方向旋轉。圖4中(a)為機械臂參數化后的圖形，小臂末端坐標為P(x,y,z)。

圖4　機械臂參數化

小臂末端坐標P(x,y,z)，滿足如下關系：

式中：

d為絕緣子的半徑，在此，我們取d=200mm。

機械臂在X-Y-Z平面內的作業區域如圖4(b)所示。曲線P1P2為大臂達到最大角度θ1max，小臂夾角由θ2min到θ2max變化時的曲線；曲線P3P4為大臂達到最小角度θ1min，小臂夾角由θ2max到θ2min變化時曲線[4]；交點依次為P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)、P4(x4,y4,z4)，由式(1)可求出各點：由P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z2)、P3(x3,y3,z3)、P4(x4,y4,z4)可知，機械臂的運動坐標是AB、BC、CD、DB、H1、L1、L2的函數，同時考慮到沖洗中間絕緣子時的一些限制因素L3、H2，它們是需要優化設計的變量，現用W表示則有：

1.2 建立目標函數

根據設計要求，我們期望的函數應該[5]是：

式(3)期望在進行沖洗作業時大臂末端沿水平線移動，上下浮動盡量小；式(4)期望大臂可以垂直起落，在進行上下清洗時可以垂直進行；式(5)期望大臂末端的起落高度為5000mm。

為了使大臂末端的運動滿足上述函數的要求，求出各分點輸出的F(yi) (i=1,2,…,n)對平均值的偏差；大臂抬起時的水平分點F(zi) (i=1,2,…,n)對均值得偏差；大臂末端的起落高度對5000mm的偏差；為保證機械臂結構的緊湊性使AB、BC、CD、L2的總和最小，為滿足上面四部分的權重要求我們引進加權因子λ1、λ2、λ3和λ4，建立如下的目標函數：式中F(yi) (i=1,2,…,n)為進行水沖洗作業時，大臂末端各分點處實際的y坐標值，為軌跡上各分點的y坐標的平均值；Yn為進行水沖洗作業時大臂的最大高度值，Y1為最小高度值；F(zi) (i=1,2…,n)為大臂起落時各點的實際的z坐標，為水平軌跡上z坐標的平均值；λ1、λ2、λ3和λ4分別為小于1的加權因子，且λ1+λ2+λ3+λ4=1。

1.3 確立約束條件

因為各變量不能為負值，故可以確定如下的約束條件：

為保證油缸構成的三角形結構，應滿足：

為限制B點移動范圍，我們進行以下設定：

當沖洗絕緣子的底端時，為保證穩定性大臂不能太長，因此：

其中，w90為大臂初始長度。

為避免在沖洗過程中絕緣子對機械臂放電，因此：

將目標函數與前述的約束條件聯立起來就構成了優化設計數學模型。

1.4 優化方法及最終結果

本論文中，我們運用約束坐標輪換法[6,7]對未知數進行求解，用VBS進行編程，其求解流程圖如圖5所示。

圖5　編程流程圖

式中，h=0.5，ε==00.2.2。因未知數的個數小于10個，故約束坐標輪換法可以快速的求解出最優的結果。

對于加權因子的選擇，我們采用先選取再通過實際數據檢驗調整的方法，進行大量的實驗計算，最終選定比較合適的四個值分別為：1=0.05、2=0.80、3=0.05、4=0.10將1、2、3、4帶入優化函數通過程序的多次運算，最后選擇了一組最滿意的結果，如表1所示。

表1　運算結果(單位：mm)

通過MATLAB的SimMechanics模塊編寫程序對上述求解結果進行驗證，對仿真后的點進行記錄，繪制水沖洗機器人機械臂末端的運動軌跡，圖6(a)為大臂末端移動軌跡。通過運動軌跡我們可以發現：1）機械臂的運動滿足與絕緣子表面垂直等距的關系；2）大臂的起落高度滿足水沖洗的需求，大約維持在5000mm；3）在進行沖洗作業時，末端基本沿水平線移動，其偏差在10mm以內。機械臂的設計滿足快速沖洗絕緣子的要求。圖6(b)、圖6(c)為對內部絕緣子進行沖洗的仿真圖。我們可以發現機械臂可以對內部絕緣子進行充分的沖洗且機械臂有效的避開了絕緣子的放電距離，保證沖洗作業的安全進行。

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作者簡介：崔孔龍（1988 -）， 男，山東青島人，碩士，研究方向為智能機器人。

基金項目：山東省2014年科學技術發展計劃項目（2014GGX103002）

收稿日期：2015-09-10

中圖分類號：TP242

文獻標識碼：A

文章編號：1009-0134(2016)01-0056-03