絕緣子更換機器人變剛度機械手抓取仿真分析

梁元清 王 斌 張 杰 郭 嘉

（廣西電網(wǎng)有限責任公司南寧供電局，廣西南寧 530031）

0 引言

近年來，隨著電力需求的逐漸增大，變電站線路負荷大幅度增大，變電站的絕緣子串運行時間久會出現(xiàn)老化，需要及時更換[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)使用剛性卡具進行更換，如祝昆[2]提出采用架構(gòu)卡具來完成絕緣子串的更換工作，將其設(shè)計的架構(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)剛性夾持手工作極易造成絕緣子串碎裂。因此可以使用柔性機械手來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的剛性夾持器，由于柔性材質(zhì)自身的柔軟性，柔性機械手可自動適應(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，柔性機械手并不能保持應(yīng)有的剛性，所以針對這個問題，提出了變剛度理論，在原有的基礎(chǔ)上，加上變剛度層，通過改變抓取機械手的剛度來調(diào)整機械手剛?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，當硅膠腔體包裹住物品時，排除腔體內(nèi)的空氣，形成真空腔，此時內(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現(xiàn)變剛度的“層狀干擾”機構(gòu)，通過真空壓力控制柔性腔體內(nèi)薄膜之間的摩擦力來實現(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作。朱友權(quán)[6]提出了一種氣動網(wǎng)格柔性驅(qū)動器的設(shè)計及制作方法，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，利用調(diào)節(jié)執(zhí)行器的剛度來改變整體柔性手的剛度。

傳統(tǒng)的剛性機器人手爪通常使用兩個或更多手指，這些手指需要視覺反饋和指尖的力感測，以及運行算法的中央處理器，以便在手爪接觸物體之前做出決定，從而實現(xiàn)自適應(yīng)抓取，因此，剛性多指手爪是一個控制過程復(fù)雜的實施系統(tǒng)[8]。而基于軟材料驅(qū)動的通用抓取器可能有多種應(yīng)用場景，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]。

1 變剛度抓取手指設(shè)計與分析

1.1 絕緣子串更換機器人柔性機械手

如圖1所示，柔性機械手由柔性手指、薄膜、鎖緊扣、固定板、密封接頭組成，工作時，充氣區(qū)受到充氣壓力開始膨脹彎曲，當手指接觸到絕緣子串時，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 變剛度柔性機械手結(jié)構(gòu)示意圖

圖2所示為柔性機械手更換絕緣子串工作示意圖，絕緣子串更換機器人由柔性手指連桿、底座、套筒組成，工作時，三根手指從不同的方向?qū)^緣子串進行包絡(luò)抓取。

圖2 柔性機械手更換絕緣子串工作示意圖

1.2 變剛度機理

層狀結(jié)構(gòu)[4]響應(yīng)速度快，負載能力高，制作簡單。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。當柔性手指受到真空壓力時，薄膜受到擠壓，各層薄膜間產(chǎn)生摩擦力，從而使得整個結(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)為一個懸臂梁結(jié)構(gòu)，仿真分析不同層狀材料對變剛度結(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)的長度。

根據(jù)材料力學中懸臂梁的彎曲計算公式可得出，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。

當變剛度層狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有受到大氣壓力時，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為單個層狀變剛度材料的寬度；h為單個層狀變剛度材料的厚度。

當變剛度結(jié)構(gòu)抽真空時，層狀變剛度材料相互接觸，可將多層材料合作整體，此時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)沒有發(fā)生變化時，自由端受力在豎直方向上的位移r1為：

當變剛度層狀結(jié)構(gòu)抽真空時，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是抽真空的n2倍，所以可以得到抽取真空時，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。

2 有限元仿真分析

2.1 層狀結(jié)構(gòu)彎曲仿真分析

使用仿真軟件驗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，對自由端施加1 N集中力，對層狀結(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)制作變剛度柔性機械手進行不規(guī)則物體抓取仿真分析，觀察其接觸面應(yīng)變情況。

2.2 柔性機械手抓取絕緣子串仿真分析

變剛度柔性機械手抓取絕緣子仿真模型如圖7所示，對手指施加空氣壓力，手指氣囊受力膨脹會產(chǎn)生彎曲，此時三指會靠近被抓取物表面，當手指抓住物品時，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，此時薄膜之間會產(chǎn)生摩擦力，從而改變?nèi)嵝允种傅膭偠取?/p>

圖7 柔性機械手抓取絕緣子仿真

在仿真過程中選取三個參考點（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

運動過程分為三個部分，0～0.4 s為第一階段，此時手指處于彎曲階段，可以觀察到，這個階段開始時手指應(yīng)變變化較小，手指受到充氣壓力開始完成抓取動作，手指并未與絕緣子串接觸，此時應(yīng)變在0.025倍浮動，呈逐漸上升趨勢；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，達到最大值0.2～0.25倍，此時手指形變最為明顯；0.6～1.0 s為第三階段，此階段為手指變剛度階段，對變剛度層施加真空壓力，此時手指剛度增大，手指應(yīng)變呈下降趨勢，下降至0.2倍左右，真空壓力達到最大值時，手指的剛度也達到最大值，手指應(yīng)變會保持在0.2倍左右。根據(jù)材料力學理論可知，剛度與應(yīng)變存在線性關(guān)系，第三個階段，手指抓取動作完成，且手指動作不發(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，驗證了變剛度層狀結(jié)構(gòu)通過真空壓力對剛度變化的影響。

3 結(jié)論

針對變電站絕緣子串帶電更換作業(yè)，本文使用柔性機械手來抓取絕緣子串，利用變剛度層狀結(jié)構(gòu)改變機械手剛度的大小，對變剛度層狀結(jié)構(gòu)進行受力分析，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，柔性機械手更換絕緣子串抓取動作其表面應(yīng)變最大值為0.25倍，剛度與應(yīng)變存在線性關(guān)系，仿真分析過程中，手指抓取動作完成，且手指動作不發(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，驗證了變剛度層狀結(jié)構(gòu)對剛度變化的影響。