高壓電氣設備PRTV自動噴涂機器人設計

葉 濤 高卓航 王玄之 杜 巍 曾 晰

（1.國網寧夏電力有限公司檢修公司，銀川 750001；2.浙江工業大學，杭州 310000）

安全可靠的電力供應已經成為人類社會正常運轉必不可少的條件之一。一旦電力供應發生事故，將造成巨大的經濟損失。輸變電設備的絕緣子污閃是影響供電安全的主要因素之一[1-2]。電氣設備的絕緣子瓷瓶長期在戶外運行，受到SO2、氮氧化物等大氣環境的影響，表面逐漸沉積形成污穢層。遇到潮濕天氣時，污穢層吸收水分產生局部放電，最終導致電弧并發展為污閃，嚴重影響設備的安全穩定運行和供電的可靠性[3-4]。

各地電力系統采用PRTV硅橡膠防污閃涂料[5-6]，定期對變電站設備進行清掃及防污閃涂料噴涂，使得設備保持原有絕緣水平，防止污閃事故發生[7-8]。早在1993年，山西省臨汾市臨汾地區電業局研制了“環繞式絕緣子帶電清掃器”[9]，改善了絕緣子污閃的情況[10-11]。現有的PRTV噴涂機器人只有山東省電力公司研究的遙控式絕緣子噴涂機器人[12]和國網智能科技股份有限公司設計的機械臂式噴涂機器人[13]，但噴涂機器人在實際應用中會存在以下幾種問題。第一，無瓷瓶定位的傳感裝置，人工定位效率低。第二，有大量涂料沒有準確噴到瓷件上，造成比較嚴重的浪費和周圍環境污染。第三，只能噴涂垂直的瓷瓶，無法較好噴涂其他姿態的瓷瓶。第四，自動化程度低，對操作者有一定的操作經驗要求，且存在一定的安全隱患。

由于市場上尚無高壓電氣設備的PRTV噴涂專用裝置，目前各網省公司均只能采用半自動式帶電操作機具，存在一定的安全隱患，且難以保障質量。為提高PRTV噴涂效率和質量，提高變電站設備運行可靠性，本文提出了一種環抱式攀爬PRTV噴涂機器人。

1 攀爬驅動方式

噴涂機器人腿部設計對其在運動過程中的穩定性、承載力、攀爬速度以及越障能力等有至關重要的影響[14]。腿部機構可分為徑向收緊和周向收縮兩個動作。徑向收緊即基于仿人手抓握動作，在電機驅動下完成彎曲動作，以適應不同曲率半徑的表面貼合。周向伸縮即解決在徑向收緊過程中出現兩環抱腿干涉問題。根據現有欠驅動靈巧手的基本組成，結合實際需求，獲取機器人腿部結構適合尺寸[15-16]，計算方式為：

式中：λ為腿部伸縮角度；r為瓷瓶半徑（此時為最大位置處）；L為機身外殼長度；x為腿部距離桿件距離；L總為腿部總長；α為包覆余角。

考慮到變徑攀爬的情況，若關節個數少于3，在直徑變化至最小時已基本失去包覆效果。若關節個數較多，又將影響腿部力傳遞效率。因此，綜合取關節個數，取各關節長度為L1=195 mm、L2=165 mm、L3=165 mm、L4=145 mm。關節間距仿照人手關節尺寸等比例放大，如圖1所示。

腿部周向伸縮機構決定了機器人在攀爬過程中對變徑尺寸的適應性，可以有效擴大機器人對變徑尺寸的適應范圍。伸縮機構包括氣動伸縮缸、液壓伸縮缸、電動多級伸縮缸以及齒輪齒條等。在眾多的伸縮結構中，前兩種伸縮缸體積較大且無法完成較為精確的運動控制。多級電動伸縮缸同樣存在體積較大的問題。齒輪齒條式的機構相對較為簡單，能夠通過控制電機實現準確運動定位，因此伸縮機構選擇齒輪齒條。

圖1 單組環抱機構簡圖

驅動部分由環抱驅動電機、伸縮驅動電機、箱體、蝸輪蝸桿、驅動連桿、導向側板以及其他輔助零部件構成。環抱驅動電機驅動與之相連接的蝸輪蝸桿做往復運動，蝸輪推動推桿并將作用力傳遞到環抱機構，在腿部環抱滑塊-彈簧-連桿傳動機構的作用下，完成腿部的彎曲和環抱。由于根部關節有較小范圍角度輸入時，機構末端產生大范圍運動，因此根據位移放大機構特點，在驅動機構中采用位移縮小以降低控制精度要求。小尺寸機構采用四桿機構進行傳動，既可實現較高傳動效率，又具有較高傳動比，如圖2所示。

圖2 驅動部分位移放大機構四桿機構簡圖

將四桿機構置于直角坐標系中，通過解析法分別對機構的兩極限位置進行設計計算，建立封閉圖，如圖2所示，可得到：

根據式（3），分別計算四桿機構極限位置。

首先在搖桿垂直位置時，四桿機構在x、y軸上的投影為：

將式（4）中的θb消除，整理得：

同理，當四桿機構運動到另一極限位置時，整理后的公式為：

式中各個桿件長度和曲柄旋轉范圍均可確定，但處理后其行程放大倍數依舊不高。實際上，在運動傳遞過程中，驅動力四桿機構在力輸入端實際運動路程只有14 mm，因此采用渦輪蝸桿機構。蝸輪蝸桿一方面能夠起到轉動換向的作用，蝸輪角度為180°-(β1+β2)，另一方面可以增加傳動比和擴大運動路徑。

2 伸縮機構運動關系

考慮到高壓電氣設備的絕緣子瓷瓶型號差異，為了適應各種直徑和防止機器在攀爬過程中傾覆和掉落，對機器的夾持力、著力點以及包覆余角提出了相應要求。

在機器人攀爬過程中，腿部環抱機構需要緊靠在桿件表面。但是，由于瓷瓶橫截面曲率增大，單靠環抱機構已難以適應桿件尺寸形狀。在保證腿部長度不變情況下，本文采用伸縮機構實現不同直徑桿件的穩定環抱夾持，并可使包覆余角處于安全變化范圍內。圖3為機器人在不同直徑截面上的環抱動作對比。

圖3 伸縮機構優異性對比

通過分析獲得腿部環抱機構及伸縮機構運動學規律，得包覆余角與機身、腿部長度以及桿件橫截面半徑相關；通過計算機器人所包覆桿件比例，可近似得出包覆余角大小：

即可得到環抱機構轉角隨時間的變化函數：

可見，伸縮機構可實現包覆余角的控制，其運動關系的推導以包覆余角為自變量，提高了機器在攀爬過程中的穩定性。

3 腿部結構

傳統靈巧手機構一般通過繩索、鋼絲或連桿傳動[17-18]。本文設計的滑塊-彈簧-連桿傳動機構是在傳統連桿傳動機構的基礎上加以優化改進。該機構傳動原理是兩曲柄滑塊機構通過彈簧將滑塊串聯在一起，右側曲柄轉動后帶動滑塊滑移，同時滑塊拖動彈簧，彈簧儲存部分能量，另一部分能量帶動左側曲柄滑塊機構中的滑塊移動，最終實現左側曲柄的轉動。當電機停止運轉后，彈簧將提供持續的夾緊力。腿部運動結構如圖4所示。

圖4 腿部運動結構

包覆余角固定的情況下可得其根部關節在瓷瓶截面上的單獨伸縮軌跡。將單獨伸縮軌跡與機身移動軌跡相擬合，可得到在截面上的實際運行軌跡，如圖5所示。將傳統連桿結構和滑塊-彈簧-連桿傳動機構進行對比分析可得，在實際運行軌跡上兩者并沒有太大區別，只有在運行至桿件最細處時出現些許偏差。偏差的主要原因在于桿件最細位置處，機器人腿部環抱達到最大角度，在剛性桿件上具有更加固定的運動軌跡，而優化后的傳動機構由于具有一定柔性，其夾持角度可以在一定范圍內進一步彎曲。因此，在具有傳統連桿機構相似的運動軌跡的前提下，滑塊-彈簧-連桿傳動機構將連桿優化至關節內部，同時可以在電機停轉的情況下給桿件持續施力。

圖5 腿部運行擬合圖

4 PRTV噴涂機構

由于不同型號的高壓電器設備瓷瓶直徑不同，因此本方案采用了手動式調節噴嘴角度和自動式調節噴嘴間距的組合式噴涂方式，如圖6所示。

PRTV噴涂機構[19-20]主要包括環繞軌道和自適應調節的噴嘴架。噴涂機器人以多遍噴涂為原則，在開始作業時調節噴槍流量，將單邊噴頭調整到正對最下面的絕緣子扇葉處。設備有兩對噴槍，圍繞絕緣子按照順時針轉180°噴涂，完成一個扇葉的噴涂，再豎直爬升預先設好的距離，逆時針圍繞絕緣子轉180°噴涂，完成第二個扇葉的噴涂。循環上述步驟，完成整個絕緣子噴涂。待涂層干后，再循環上述步驟，直到整個絕緣子噴涂兩遍[21]。

圖6 PRTV噴涂機構

機器人進行噴涂作業時，布置在噴嘴附近的距離傳感器能夠實時檢測與壁面的距離，然后將信號發送到直線導軌。機器人可根據距離信號調整噴涂機構的徑向距離，以適應各種類型高壓電器設備，實現了變電站絕緣子防污閃涂料智能噴涂，提升了作業效率。通過驅動電機帶動噴涂機構，使噴涂工具能基于環抱機構進行周向移動，實現絕緣子表面360°全方位噴涂。激光厚度傳感器能夠實時檢測噴涂厚度，與旋轉角度結合，可精確定位厚度未達到預設值處再次噴涂補救，解決絕緣子瓷瓶在噴涂過程中存在的噴涂死角和噴涂厚度不均勻等問題。

5 機器人整體結構

高壓電氣設備PRTV噴涂機器人采用兩組單驅動連桿機器手，結合周向收縮結構，通過布置的距離傳感器檢測與瓷瓶壁面的距離，用直線導軌模塊調節合適位置，從而適合各直徑瓷瓶作業。采用滑塊-彈簧-連桿傳動機構中的彈簧等系列柔性機構實現機器人翻越式越障動作以及專用的可調節PRTV噴涂機構。機器人整機尺寸（長×寬×高）為1 290 mm×1 000 mm×610 mm，可噴涂瓷瓶內徑范圍為300～600 mm。整體結果如圖7所示。

圖7 PRTV噴涂機器人三維模型

由于絕緣子瓷瓶直徑存在各式大小的情況，且在機器人上行的過程中為使腿部始終保持與桿件表面的貼合狀態，伸縮機構與環抱夾持機構始終保持緩慢運行或者伸縮機構進行過運行，利用腿部環抱機構的彈簧實現持續給力。在越障過程中利用攀爬機構中履帶的減震機構、腿部雙扭簧設計以及滑塊-彈簧-連桿傳動機構中的彈簧等一系列柔性機構，實現機器人翻越式越障動作。

6 結語

針對現有高壓電氣設備的PRTV噴涂困難問題，研究開發了一款集變徑攀爬、法蘭越障和自動噴涂等功能于一體的專用PRTV噴涂機器人。

（1）設計了一種新型環抱式變徑越障爬桿機器人，可應用于高壓電氣設備瓷瓶及外表面的攀爬。設計了多連桿式單自由度驅動仿生靈巧手，改善了機器人在攀爬連續性或非連續性變徑桿件時對桿件尺寸的適應性。

（2）設計了腿部滑塊-彈簧-連桿雙曲柄滑塊串聯傳動機構，實現了環抱過程中驅動停轉下的腿部對桿件持續給力，有效提高了腿部傳遞機構的可靠性和柔性，提高了越障能力，并通過仿真驗證了腿部滑塊-彈簧-連桿雙曲柄滑塊串聯傳動機構對于夾緊力的作用。

（3）設計了一種新型環抱式可自適應噴涂機構，采用開口組合式結構，結合相應傳感系統，調節噴涂水平距離和垂直高度，可噴涂已安裝好的一定尺寸范圍內任意直徑的絕緣子傘裙。