電力絕緣子智能除污機器人機械系統設計與軌跡規劃研究

摘 要：特高壓支柱絕緣子是換流站中的重要設備，長期惡劣的服役環境使得絕緣子盤面大量積污，嚴重影響絕緣子的電氣絕緣性能，因此定期對特高壓支柱絕緣子的清洗作業是電力系統的一項常規作業任務，針對支柱絕緣子人工清洗作業效率低、勞動強度大及對于較高的絕緣子人工無法到達作業空間等問題，本文開發了一種特高壓支柱絕緣子除污機器人。首先根據作業任務分析，設計了機器人的虛擬樣機模型及其成套末端清洗機構，利用D-H坐標法建立了機器人的機械臂的運動學模型，基于該模型在MATLAB軟件中對末端可達作業空間進行了仿真實驗，得到末端空間的運動軌跡圖，從而優化機械臂的結構參數。最后，通過系統集成設計開發了特高壓支柱絕緣子除污機器人物理樣機系統，并進行了現場作業試驗，通過現場試驗驗證了機器人機械結構和末端設計的合理性與工程實用性。本文相關內容的研究對于推動配網智能運維管理具有較強的理論意義與實際應用價值。

關鍵詞：支柱絕緣子；除污機器人；虛擬樣機模型；運動學模型；作業空間優化

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：2095－414X（2023）02－0051－06

0 "引言

隨著我國電網建設的快速發展，各地區間電力能源的互聯關系越來越緊密，換流站[1-3]是電力系統的重要環節，由于換流站特殊的電磁場環境，站內設備尤其絕緣子表面積污嚴重，顯著降低了絕緣子憎水性能，給換流站設備安全運行帶來極大的安全隱患。絕緣子污閃[4-6]對電力系統具有巨大危害，因此國內外很早就開始進行絕緣子表面污穢清掃工作。絕緣子清掃工作[7-8]主要包括停電清掃和帶電清掃兩種途徑，停電清掃需專業人員在作業區域停電時攜帶擦拭工具攀爬至設備上進行絕緣子的清掃，勞動強度大，清洗效果差。而帶電水清洗是運用高速水柱對絕緣子表面污染層進行沖洗，不需設備停電，但是該方法會對水資源造成極大的浪費，而且對絕緣子表面油污作用不大。綜上所述，本文提出了一種面向換流站內立柱式絕緣子清掃機器人[9-10]及新型清洗方式，該機器人具備支柱絕緣子自動清洗功能，能有效降低換流站人工清洗支柱絕緣子勞動強度，提升清洗效果。本文將電力機器人應用于換流站支柱絕緣子清掃過程是電力機器人的一個新應用，具有重要的學術意義和實用價值，同時也為立柱式絕緣子清掃機器人在換流站作業環境下的研究及應用奠定了理論與技術基礎，在支柱絕緣子清洗過程中，機器人清洗末端通過機械臂各關節協同運動到達清洗空間[11-12]。因此，機器人末端作業空間是實現支柱絕緣子無盲區清洗的關鍵。

基于上述背景，本文提出了一種特高壓支柱絕緣子除污機器人新型構造，開發了其虛擬樣機模型，包括機器人移動平臺、機械臂系統、末端清掃系統，通過機器人移動平臺和機械臂系統的運動將機器人清掃末端送至作業點進行絕緣子清洗作業，建立了機械臂系統的運動學模型，并在MATLAB中對末端作業空間進行了分析，最后通過系統集成設計，開發了特高壓支柱絕緣子除污機器人物理樣機，通過現場絕緣子清洗作業實驗驗證了本文所設計的特高壓支柱絕緣子除污機器人的有效性和工程實用性，本文的研究對于變電智能運維管理自動化水平的提升具有重要理論意義與實際應用價值。

1特高壓支柱絕緣子除污機器人機構設計與清洗運動規劃

1.1 "整體機構設計

絕緣子清洗機器人總體結構如圖1所示，由機器人清洗組件和機器人移動平臺組成，機器人移動平臺可與高空作業車連接安裝，由高空作業車送到絕緣子附近，實現高空絕緣子的機械化清洗。機器人清洗組件包含剪刀式開口機構、回轉機構、清掃機構、噴淋系統等組成，剪刀式開口機構包含左右支撐架、剪刀式開口動力部分，可將清掃機構打開從而進入絕緣子；回轉機構包含齒輪組、圓弧導軌、驅動部分等，清掃機構包含驅動部分、清掃毛刷，兩種機構實現清掃機構的公轉及自轉，實現對絕緣子的清掃；整體由4個清掃刷均布，呈半包圍形式

“抱住”復合支柱絕緣子，清掃刷由電機直驅；兩邊的兩組絕緣子分別固定在各自的轉動部件框架上，兩邊框架可呈剪刀狀開合，開合動力為氣缸推桿，可方便清掃刷套入絕緣子，防止碰到絕緣子造成絕緣子損傷等；回轉機構的一部分圓弧上設置有齒輪，可通過齒輪帶動沿基座上的圓弧導軌左右轉動各45°來保證兩個清掃刷清掃，齒輪驅動力為氣動馬達。噴淋系統由水泵、管路及霧化噴嘴組成，負責噴灑清潔藥水以縮短清潔時間，同時可噴灑清水沖洗掉清掃的污穢。

機器人移動平臺含3個自由度，豎直移動、水平移動及調平擺動，豎直移動機構為滾珠絲杠副+導軌，水平移動及調平擺動機構由上下兩組滾珠絲杠副+導軌組成，上下兩組滾珠絲杠副+導軌分別與豎直移動機構鉸接，且上端鉸接為腰圓槽活動鉸接，當上下兩組滾珠絲杠副+導軌同步移動時，即形成水平移動；當上下兩組滾珠絲杠副+導軌非同步移動時，即形成調平擺動運動，可將機器人清洗組件調平。

1.2 末端毛刷機構設計

根據以上結論，同時考慮到裙邊下表面較難清潔，如使用軟質材料，更加難以清潔到下表面，所以本機器人選用清潔效果中等的軟硬適中的尼龍毛刷；同時在每個360°圓周上，分成3個120°的植毛區域，3個植毛區域的植毛角度分別為向下一定角度、水平、向下一定角度，可保證絕緣子裙邊上表面、下表面和內側達到良好的清洗效果；另外清掃毛刷的主軸采用快插方式安裝，在毛刷毛質磨損或毛刷被污穢污染后，可快速更換。整套設備由4個清掃毛刷均布，呈半包圍形式“抱住”復合支柱絕緣子，實現絕緣子360°的清掃。

1.3 末端毛刷剪刀式開口機構設計

剪刀式開口機構打開時開口需要大于絕緣子直徑480mm，同時開口閉合時毛刷的毛需完全進入裙邊；另外為保證開口打開時兩側毛刷實時對稱，且開口閉合時與絕緣子中心近似同心，兩側清掃機構安裝架打開與閉合通過齒輪嚙合，保證原始安裝時對稱，即可達到兩側毛刷實時對稱效果；為減輕總體重量，清掃機構安裝架采用上下疊板設計，中間使用支撐軸隔開，材質可選用航空級硬質鋁合金。

2特高壓支柱絕緣子除污機器人運動學建模

2.1 "機械臂D-H坐標系的建立

如圖2所示，建立清洗機械臂的連桿坐標系，根據圖2得到用于定量描述關節之間相對位姿的4種D-H參數：連桿長度a、連桿偏距d、連桿轉角和連桿關節角，以及對各個關節角的旋轉范圍進行了限制，清洗機械臂的D-H參數如表1所示。

2.2 "運動學正解模型的推導

通過選取表1所列的D-H參數，可得到各個相鄰連桿相對位姿關系的齊次坐標變換矩陣，如式（1）所示。（以下式中 指代 、 指代 ）。

（1）

其中參數d1為200，d2為100，a3為1500，a4為1500，參數長度單位為mm。將關節2、3、4處的關節角范圍限制在-90°～90°間，目的是使機器人在作業過程中不會觸碰到自身的其他機構，以免由于失誤的操作導致機械臂發生損壞或者卡死。將機械臂的初始關節角度帶入式（1）中，得到所有齊次變換矩陣的結果如式（2）所示。

（2）

根據坐標變化理論，將式1中的六個矩陣 、 、 、 、 、 按照順序相乘即可得到機

械臂的正運動學解，得到正向模型的矩陣最終結果如式（3）所示。

（_6^1）T=

=

3仿真實驗與現場作業試驗

3.1 "末端作業空間仿真實驗

基于清洗機械臂的運動學分析，在MATLAB軟件中利用機器人工具箱搭建了清洗機械臂系統，通過給定各關節的運動參數可以得到機械臂的清洗作業的運動軌跡，仿真圖如圖3所示，其中圖3（a）為清洗機械臂的初始狀態，隨后，機械臂的關節1開始伸長，機械臂的關節2開始伸長，分別如圖3（b），3（c）所示，最后將清洗末端機構送至支柱絕緣子附近開始清洗作業如圖3（d），整個作業過程，機器人機械臂軌跡平滑，運行流暢、穩定，能夠較好地完成絕緣子清洗作業。

3.2 "現場作業實驗

通過機械系統、電氣系統和軟件系統的集成設計，開發了特高壓支柱絕緣子除污機器人物理樣機，通過機器人移動平臺搭載的機械臂協同運動，將清洗末端送至工作位開始絕緣子清洗作業，機器人末端通過升降機構實現絕緣子的頂端、中部和底部的清洗，整個作業過程人機交互協調順暢，機器人順利完成了絕緣子的清洗作業，并取得了良好的清洗效果。機器人的絕緣子清洗作業實驗如圖4所示，通過機器人替換人工進行電力絕緣子的清洗作業大大提高了作業效率，同時減輕了人工清洗作業的勞動強度，整個系統取得了較好效果。

4結論

（1）提出了一種多模塊的特高壓支柱絕緣子除污機器人系統集成設計方案，通過機器人移動平臺、機械臂運動系統、末端清洗系統的協同運動，將末端清洗機構送至工作位，實現支柱絕緣子的自動化清洗作業。

（2）針對機器人末端作業空間受限問題，建立了機器人機械臂系統的D-H坐標模型，推導了機械臂及其末端的運動學方程，基于運動學模型，對清洗末端在三維空間中的運動范圍進行仿真分析，優化機器人系統的機械結構。

（3）通過機械系統、控制系統、軟件系統的集成設計，開發了機器人物理樣機系統，通過現場絕緣子清洗試驗，驗證了本文所提出的絕緣子清洗機器人構型與系統的有效性和工程實用性。

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Mechanical System Design and Trajectory Planning Research of Power Insulator Intelligence Decontamination Robot

YAN Yu1，2， KANG Wen1，2， XIAO Yi1，2， WANG Li-de1，2， JIANG Wei3

（1. State Grid Hunan EHV Substation Company， Changsha Hunan 410004， China;

2. Substation intelligent transportation and inspection laboratory of State Grid Hunan Company， Changsha Hunan 410004， China;

3. School of Mechanical Engineering and Automation， Wuhan Textile University， Wuhan Hubei 430200， China）

Abstract：The UHV pillar insulator is an important equipment in the converter station. The long-term harsh service environment causes a lot of contamination on the surface of the insulator， which seriously affects the electrical insulation performance. Therefore， regular cleaning of the UHV pillar insulator is an item of the power system. For routine operation tasks， in view of the low efficiency of manual cleaning of pillar insulators， high labor intensity and the inability to manually reach the working space for higher insulators， this paper develops a UHV pillar insulator decontamination robot. First， according to the task analysis， the virtual prototype model of the robot and its complete set of end cleaning mechanism has been designed and established， the kinematic model of the robot arm is established by using the D-H coordinate method. The 3D point cloud map to optimize the structural parameters of the robot arm. Finally， the physical prototype system of the UHV pillar insulator decontamination robot is developed through the system integration design and the field operation test is also carried out. The rationality and engineering practicability of the mechanical structure and terminal design of the robot are verified through the field test. It has strong theoretical significance and practical application value to promote intelligent operation and maintenance management of distribution network.

Keywords：Pillar insulators; Decontamination robots; Virtual prototype models; Kinematic models; Working space optimization

（責任編輯：周莉）