黃榮輝，向 真，姜 勇，傅 博，景鳳仁

(1.深圳供電局有限公司，廣東深圳518001；2.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，遼寧沈陽110016)

在電力系統(tǒng)中，配電系統(tǒng)是生產(chǎn)、輸送、分配三大系統(tǒng)的核心之一，配電系統(tǒng)對整個電力系統(tǒng)的安全可靠起著至關重要的作用[1]。高壓配電室是電力系統(tǒng)的重要組成部分，保證高壓配電室的正常運行越來越受到電力企業(yè)的重視。高壓配電室的巡檢工作在保證高壓配電室安全運行方面占有極其重要的位置。傳統(tǒng)的巡檢方式是巡檢人員定期采集大量的運行數(shù)據(jù)，由于巡檢人員素質(zhì)、技術水平等因素會產(chǎn)生很多問題[2]。而且，當發(fā)生突發(fā)狀況時，工作人員需要對相應設備進行緊急處理，比如當高壓開關柜發(fā)生故障但未自動跳閘的情況下，工作人員通過高壓開關柜緊急分閘操作桿實現(xiàn)開關柜的緊急分閘操作[3-4]。傳統(tǒng)巡檢方式占用人員、危險性高。隨著互聯(lián)網(wǎng)與機器人技術的大力發(fā)展，電力系統(tǒng)正在向著無人值守方向發(fā)展，值班人員的巡檢作業(yè)任務將被逐漸代替[5]。因此，機器人被提出用于開展高壓配電室巡檢作業(yè)，達到降低勞動強度及危險性，提高作業(yè)自動化程度的目的。機器人機構(gòu)設計是機器人研究的一項關鍵技術，機器人機構(gòu)是機器人巡檢作業(yè)工具的載體，為快速可靠地進行巡檢作業(yè)提供保障[6]。

電力巡檢與維護機器人的研究始于上世紀八十年代[7]，主要包括高壓輸電線路巡檢機器人、絕緣子檢測機器人及變電站巡檢機器人等[8-10]，但是運用于高壓配電室巡檢的機器人才剛剛起步。目前，國內(nèi)已有幾家研究機構(gòu)對高壓配電室巡檢機器人開展了研究，但是國外還沒有相關研究。按行走機構(gòu)的原理主要分為懸掛軌道式和輪式2類，懸掛軌道式機器人穩(wěn)定性不高，容易發(fā)生顫動現(xiàn)象，輪式機器人定位復雜且不準確。蘇州震旦科技有限公司研制一種配電室巡檢機器人[11]，該機器人由懸掛式軌道、伸縮桿及攝像機等組成，可實現(xiàn)配電室運行狀態(tài)自動巡檢、電流電壓儀表讀數(shù)自動采集及出現(xiàn)異常自動報警等功能。朗馳欣創(chuàng)科技股份有限公司針對電力機房設計研發(fā)了電力機房智能機器人巡檢系統(tǒng)[12]，分為懸掛軌道式智能機器人和輪式智能機器人，具有智能手動/自動巡檢、智能識別各類儀器儀表讀數(shù)，準確分析煙霧、溫濕度等環(huán)境信息，局放檢測，語音對講等功能。目前高壓配電室巡檢機器人主要是利用各種已有設備對開關柜的環(huán)境信息進行識別及檢測，但是不具有輔助工作人員完成對開關柜進行操作的功能，比如按鈕的按壓操作、旋鈕的旋轉(zhuǎn)操作等。

針對高壓配電室的環(huán)境特點，基于機器人的總體任務需求，面向各分系統(tǒng)的功能需求進行機構(gòu)設計，提出了一種新型高壓配電室智能巡檢機器人機構(gòu)。這種新型機構(gòu)由軌道式移動機構(gòu)和機械臂組成，具有沿著彎曲軌道行走能力，并且具有良好的穩(wěn)定性與定位功能，方便機械臂末端執(zhí)行器對開關柜執(zhí)行相關操作任務。

1 環(huán)境描述與任務分析

如圖1所示，高壓配電室由各種開關柜(包括主變柜、饋線柜等)、站用變、安全黃線及墻體障礙等組成。開關柜是一種電氣設備，主要作用是在電力系統(tǒng)進行發(fā)電、輸電、配電和電能轉(zhuǎn)換的過程中，進行開合、控制和保護用電設備。開關柜發(fā)生弧光短路故障現(xiàn)象時有發(fā)生，引起開關柜內(nèi)部弧光短路故障的原因很多，比如結(jié)構(gòu)設計不合理、制造質(zhì)量不佳、設備材料絕緣老化、機械磨損、維護不當和誤操作等。盡管開關設備發(fā)生內(nèi)部弧光短路故障的概率不高，但是不能完全排除，一旦發(fā)生，會給附近操作人員和設備造成極大危害。開關柜一般集中分布在高壓配電室的若干區(qū)域，每個區(qū)域都標有安全黃線，機器人在非測試和操作狀態(tài)下應位于黃線外側(cè)。

圖1 高壓配電室環(huán)境

高壓配電室的運行狀態(tài)與人們的日常生活及生產(chǎn)息息相關，對高壓配電室的巡檢是一項非常重要、繁瑣及危險的任務。根據(jù)高壓配電室巡檢的任務需求及高壓配電室內(nèi)部的環(huán)境特點，開展高壓配電室智能巡檢機器人的研制，巡檢機器人需要對高壓配電室內(nèi)部的所有開關柜完成以下任務：1)對各種按鈕、指示燈及壓板狀態(tài)的識別；2)對具有紅外觀察窗的開關柜進行紅外測溫；3)對開關柜上中下部分各自取中及柜體背面上下部分各自取中進行局放檢測；4)當開關柜發(fā)生故障但未自動跳閘的情況下，實現(xiàn)開關柜的緊急分閘操作。綜上，機器人應為移動車體搭載機械臂的形式以實現(xiàn)完整巡檢的功能。為了保證機器人能夠高效地實現(xiàn)上述功能，移動車體必須具備如下特點：定位快速且準確、運行平穩(wěn)、移動速度快、可以到達所有作業(yè)點。基于上述特點開展機器人移動車體的機構(gòu)設計。

2 機構(gòu)總體方案

2.1 高壓室巡檢機器人簡介

如圖2所示，機器人由移動車體、機械臂及末端多功能作業(yè)工具盤組成。其中，移動車體由萬向輪、驅(qū)動輪、差速機構(gòu)及被動適應導向機構(gòu)組成，保證了機器人可以沿著高壓室內(nèi)的軌道快速穩(wěn)定移動。萬向輪與移動車體直接相連，驅(qū)動輪與被動適應導向機構(gòu)相連且驅(qū)動輪之間通過差速器相連，導向機構(gòu)與車體通過轉(zhuǎn)動副連接。萬向輪起支撐作用，驅(qū)動輪起支持和提供行駛驅(qū)動力的作用，被動適應導向機構(gòu)的作用是使得移動車體可以沿著彎曲軌道行駛。根據(jù)作業(yè)任務內(nèi)容及高壓室環(huán)境特點，采用6自由度的機械臂，使得末端作業(yè)工具達到相應的位姿，從而完成巡檢工作。末端多功能作業(yè)工具盤包含三個成一定角度的作業(yè)面，作業(yè)面分別安裝著可見光攝像機，紅外熱成像儀，局放檢測儀，緊急分閘操作裝置，在貼近開關柜檢測和操作的過程中，可以避免其他工具與開關柜發(fā)生碰撞。機械臂和末端多功能作業(yè)工具盤保證了機器人具有攜帶多個設備并完成給定全部作業(yè)任務的能力。

圖2 高壓室巡檢機器人

2.2 移動車體底盤設計

2.2.1 移動任務描述

由高壓室開關柜的布局特點及巡檢任務要求可以看出，機器人的運動軌跡簡單且固定，結(jié)合軌道式移動機構(gòu)具有軌跡固定、被動轉(zhuǎn)向及驅(qū)動方式簡單等特點，機器人采用軌道式移動車體技術，軌道布局如圖3，軌道交叉部分通過圓弧過渡。移動車體應具有在直線軌道和彎曲軌道上行駛的能力，并且具有良好的穩(wěn)定性能。

圖3 軌道布局

2.2.2 移動車體底盤構(gòu)型

圖4 軌道式移動機構(gòu)構(gòu)型

圖4為移動車體底盤機構(gòu)簡圖，該機構(gòu)由行走機構(gòu)、差速機構(gòu)及被動適應導向機構(gòu)組成。行走機構(gòu)包含兩個萬向輪1和兩個驅(qū)動輪7，均關于底盤9左右對稱。萬向輪為被動輪，起支撐作用，既可以繞著輪軸中心進行被動旋轉(zhuǎn)，也可以繞著垂直于底盤的軸線方向進行被動旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動輪在差速機構(gòu)6的驅(qū)動下為移動車體提供前進的動力，同樣也起到了支撐的作用。被動適應導向機構(gòu)由導向輪5、導向輪輪架4、彈簧3及轉(zhuǎn)向架2組成，彈簧使得導向輪在移動車體移動的過程中始終壓緊軌道，并且保證轉(zhuǎn)向機構(gòu)在軌道上可以順利過彎。4個導向輪夾緊軌道的設計方法相比2個導向輪可以保證移動車體具有更高的穩(wěn)定性。前后轉(zhuǎn)向架2與車體底盤之間通過轉(zhuǎn)動副連接，避免移動車體在過彎時發(fā)生卡死現(xiàn)象。差速機構(gòu)能夠使移動車體在過彎的過程中左右驅(qū)動輪以不同的速度轉(zhuǎn)動，避免驅(qū)動輪發(fā)生打滑的現(xiàn)象，并且移動車體只需要一個電機進行驅(qū)動，簡化了設計。所以該移動機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、適應能力強、行走快速且穩(wěn)定等特點。

2.2.3 移動車體底盤機構(gòu)分析

移動車體沿著軌道行走的過程中，導向機構(gòu)的導向輪與軌道之間的作用關系均包含三個階段：1)導向輪全部夾著直線軌道；2)導向輪部分夾著直線軌道，部分夾著彎曲軌道；3)導向輪全部夾著彎曲軌道，如圖5。當轉(zhuǎn)向架處于過彎狀態(tài)時，彈簧被壓縮或者拉伸，使得導向輪能夠時刻壓緊軌道并且避免卡死。階段1情況下可以很容易看出導向輪與軌道之間均始終保持壓緊狀態(tài)，彈簧形變量保持不變，所以階段1屬于穩(wěn)定行駛階段。通過幾何法對階段2和階段3情況下導向輪和軌道之間的接觸關系進行分析。

圖5 導向機構(gòu)運動過程

階段2中軌道兩側(cè)導向輪之間的間距會發(fā)生變化，彈簧形變量不斷變化，同時會出現(xiàn)只有三個導向輪與軌道接觸的情況，即彈簧的形變增量δ和導向輪與軌道之間的偏移距離ξ會導致移動車體過彎的不穩(wěn)定性。階段3中導向輪與軌道之間均始終保持壓緊狀態(tài)并且彈簧形變量保持不變，因此階段3也屬于穩(wěn)定行駛階段，相比于階段1，其彈簧被進一步壓縮。

階段2過彎分析：通過幾何法分析可知，當導向輪部分夾著直線軌道，部分夾著彎曲軌道時，軌道兩側(cè)導向輪之間的距離會發(fā)生變化，即導向輪A與B或C與D之間，且變化量等于彈簧的形變增量；彎軌外側(cè)導向輪B與軌道會發(fā)生脫離，如圖6。彈簧形變增量及導向輪B與軌道之間的偏移距離計算如下：

a4=a3-k(b4-b3)

(1)

(2)

其中A(ai，bi)(i=1，2，3，4)為導向輪輪心坐標，k為軌道同側(cè)導向輪輪心連線的斜率，θ為導向輪C輪心與坐標系原點O的連線與y軸負方向的夾角，R為軌道內(nèi)徑，m為導向輪接觸點軌道截面寬度，l為軌道同側(cè)導向輪輪心間的距離，δ為彈簧形變增量，ξ為導向輪B與軌道之間的偏移距離?？梢钥闯觯瑢驒C構(gòu)的四個導向輪在階段2與軌道之間不是完全接觸狀態(tài)，這將會導致移動車體的不穩(wěn)定性，但是階段2在軌道全長中只占據(jù)很小的部分，不影響機器人執(zhí)行巡檢任務，而且可以通過優(yōu)化導向機構(gòu)及軌道的結(jié)構(gòu)參數(shù)提高移動車體的穩(wěn)定性。

圖6 階段2運動分析

階段3過彎分析：通過幾何法分析可知，當導向輪全部夾著彎曲軌道時，軌道兩側(cè)導向輪之間的距離為定值，即導向輪A與B或C與D之間的距離不變，彈簧形變量保持不變；導向輪均與軌道處于壓緊狀態(tài)，即導向輪B與軌道之間的偏移距離恒為0，如圖7。相比于階段1彈簧的變形增量計算如下：

c1c2=m+d

(3)

ξ=0

(4)

基于以上分析結(jié)果可知，導向機構(gòu)的四個導向輪在階段3始終與軌道保持接觸狀態(tài)，彈簧形變量保持不變，彈簧對導向機構(gòu)的作用反力恒定，移動車體在階段3可以保持穩(wěn)定運行。

圖7 階段3運動分析

3 移動車體仿真分析

3.1 移動車體及軌道優(yōu)化仿真

通過對公式(1)～(4)的分析可知，彈簧變形增量δ及導向輪B與軌道之間的偏移距離ξ在階段2過彎過程中是變化的，而在階段3過彎過程中保持不變。δ和ξ的變化會導致車體運動的不穩(wěn)定性，分別按照(1)和(2)分析軌道內(nèi)徑R、軌道寬度m、導向輪半徑d、同側(cè)導向輪間距l(xiāng)對移動車體階段2過彎穩(wěn)定性的影響，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 軌道參數(shù)對平穩(wěn)性影響

可以發(fā)現(xiàn)減小導軌寬度、導向輪半徑、同側(cè)導向輪間距及增大導軌半徑均可以增加車體過彎的穩(wěn)定性。綜合以上分析，軌道內(nèi)徑設計為490 mm，軌道寬度設計為20 mm；導向輪半徑設計為40 mm，同側(cè)導向輪間距設計為80 mm。

圖9 導向機構(gòu)參數(shù)對平穩(wěn)性影響

3.2 移動車體過彎動力學仿真

圖10 彈簧變形增量曲線

采用ADAMS多體動力學軟件對移動車體過彎過程進行仿真。根據(jù)上面的分析及尺寸設計結(jié)果，在SOLIDWORKS中建立移動車體底盤機構(gòu)的三維模型。然后導入ADAMS軟件中，依次添加運動副、載荷、驅(qū)動及彈簧，其中差速器輸入軸轉(zhuǎn)速的設置使得移動車體理論移動速度為250 mm/s，彈簧的預緊力設置為100 N，剛度系數(shù)設置為15 N/mm。完成以上步驟后，進行移動車體的動力學仿真。圖10表示彈簧在車體仿真運動過程中變形增量的變化情況，圖11表示移動車體的速度變化情況。可以看出，導向機構(gòu)保證移動車體具備在彎曲軌道上行駛的能力，車體具有較好的穩(wěn)定行駛能力。

圖11 車體速度曲線

4 機械臂運動學模型

圖12 坐標系建立

表1 UR5機械臂D-H參數(shù)

5 機械臂運動性能仿真分析

移動車體的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為長650 mm，寬L3=500 mm，高985 mm，移動車體距離開關柜L3=400 mm，機械臂底座距離車體側(cè)面L2=400 mm，開關柜高2250 mm。根據(jù)機械臂的運動學模型、移動車體及開關柜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用Matlab Robotics Toolbox工具箱建立機械臂、移動車體及開關柜的三維模型，如圖13所示，然后基于蒙特卡洛法對機械臂在工作空間中的可操作性進行研究。分析結(jié)果如圖14所示，該圖為機械臂在開關柜正面區(qū)域的可操作性圖，可以看出在該區(qū)域內(nèi)機械臂普遍具有較高的可操作性，滿足了機械臂在開關柜正面及背面檢測及操作點處的運動性能要求。

圖13 機器人工作場景 圖14 工作平面可操作性圖

6 結(jié)束語

面向高壓配電室檢測和操作任務的實際需求，本文提出了一種新型軌道式高壓室巡檢機器人移動機構(gòu)。分析和仿真結(jié)果表明，采用被動適應導向機構(gòu)可實現(xiàn)機器人沿著直彎組合軌道行走，差速機構(gòu)不僅簡化了傳動系統(tǒng)的設計，而且避免了移動車體在轉(zhuǎn)彎的過程中驅(qū)動輪發(fā)生打滑的現(xiàn)象；機械臂在作業(yè)區(qū)域范圍內(nèi)具有良好的可操作性。與現(xiàn)有的高壓室巡檢機器人機構(gòu)相比，本文提出的機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運動速度快且平穩(wěn)、定位準確且快速等特點，可以完成更多的檢測和操作任務，因而具有實用價值。