陳梁遠(yuǎn)，郭麗娟，唐 彬，張玉波

(廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，南寧 530000)

高壓斷路器是高壓電網(wǎng)的重要組成部分之一，其主要作用是切斷和接通高壓電路中的電流，吹滅開關(guān)電弧及降溫，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行。六氟化硫(即SF6)是一種無(wú)味無(wú)色無(wú)毒的惰性氣體，具有優(yōu)異的冷卻電弧特性，其絕緣特性遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的油、空氣絕緣介質(zhì)。以SF6氣體作為滅弧介質(zhì)的高壓斷路器開斷能力強(qiáng)、體積小，電氣壽命長(zhǎng)，逐漸取代了傳統(tǒng)的油斷路器和壓縮空氣斷路器，在110kV以上的斷路器設(shè)備中占據(jù)主流地位[1-2]。SF6斷路器本身也存在一定的缺點(diǎn)，在斷路器開斷電弧放電時(shí)，SF6會(huì)分解形成一定的有毒低氟化物，對(duì)絕緣材料和金屬產(chǎn)生腐蝕作用，導(dǎo)致斷路器密封性能下降，氣壓降低，含氧水量上升，嚴(yán)重影響斷路器開斷和滅弧性能，增加高壓電網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此為保證SF6斷路器長(zhǎng)期安全有效運(yùn)行，特別需要對(duì)斷路器進(jìn)行定期檢測(cè)[3]。目前變電站中對(duì)SF6斷路器密封處的檢測(cè)多采用人工檢測(cè)的方式，在斷電后的待測(cè)斷路器周圍搭設(shè)腳手架，檢測(cè)工人貼近斷路器使用檢漏儀或肥皂泡法對(duì)SF6斷路器進(jìn)行檢測(cè)；此人工檢測(cè)方式存在檢測(cè)周期長(zhǎng)、效率低、檢測(cè)準(zhǔn)確度低等問題；同時(shí)斷路器中泄漏的有毒氣體也對(duì)工人有潛在的毒性傷害。因此研制代替人工檢測(cè)作業(yè)的SF6斷路器帶電檢測(cè)機(jī)器人對(duì)高壓電網(wǎng)的安全運(yùn)行有重要意義。

檢測(cè)機(jī)械臂是SF6斷路器檢測(cè)機(jī)器人對(duì)斷路器檢測(cè)的關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，工作空間和檢測(cè)軌跡是影響其構(gòu)型和設(shè)計(jì)的重要因素。本文通過(guò)基于隨機(jī)概率的蒙特卡洛法[4-5]構(gòu)建檢測(cè)機(jī)械臂的工作空間，對(duì)檢測(cè)機(jī)械臂構(gòu)型進(jìn)行分析和篩選；通過(guò)五次多項(xiàng)式插值法[6-7]對(duì)任務(wù)檢測(cè)曲線進(jìn)行軌跡規(guī)劃，既能保證機(jī)器臂末端軌跡的速度與加速度曲線連續(xù)，又能避免產(chǎn)生過(guò)大的振動(dòng)。最后根據(jù)設(shè)計(jì)仿真結(jié)果完成檢測(cè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和組裝，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證檢測(cè)機(jī)械臂對(duì)SF6斷路器的檢測(cè)性能。

1 SF6泄漏檢測(cè)機(jī)械臂構(gòu)型分析

圖1為220kV變電站SF6斷路器工作環(huán)境。通過(guò)圖1可以看出，在220kV變電站中的SF6斷路器工作區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，工作空間狹小，環(huán)境約束眾多，因此需要在實(shí)際工作環(huán)境和檢測(cè)流程的約束下針對(duì)性地對(duì)檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。220kV變電站所采用的SF6斷路器一般通過(guò)絕緣子瓷瓶放置于3m的水泥安裝架上，斷路器安裝高度為7m。相鄰的斷路器之間距離為4m，同時(shí)為防止在高電壓下設(shè)備產(chǎn)生相間放電，斷路器間存在導(dǎo)電體的最小安全距離為2.5m。

圖1 220kV變電站SF6斷路器工作環(huán)境

通過(guò)對(duì)待檢目標(biāo)SF6斷路器分析，斷路器SF6泄漏點(diǎn)即檢測(cè)機(jī)器人的目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)，主要存在于法蘭連接位置、斷路器罐體焊縫位置及法蘭連接螺栓處。檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域?yàn)檠氐孛娲怪钡闹锌請(qǐng)A柱形區(qū)域，如圖2所示。

圖2 SF6斷路器氣體泄漏檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域

針對(duì)SF6斷路器的檢測(cè)環(huán)境和檢測(cè)目標(biāo)所提出檢測(cè)機(jī)器人方案由移動(dòng)平臺(tái)、絕緣升降梯和檢測(cè)機(jī)械臂三個(gè)部分組成，如圖3所示。

圖3 SF6斷路器氣體泄漏檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

檢測(cè)機(jī)械臂通過(guò)移動(dòng)平臺(tái)和絕緣升降梯移動(dòng)至待檢斷路器附近，其末端攜帶SF6檢漏儀吸氣管沿?cái)嗦菲髂繕?biāo)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)機(jī)械臂是檢測(cè)機(jī)器人方案中的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，在滿足對(duì)SF6斷路器檢測(cè)工作空間的基礎(chǔ)上，要求輕量化和結(jié)構(gòu)緊湊化設(shè)計(jì)。

綜上所述，本文提出四種檢測(cè)機(jī)械臂的機(jī)構(gòu)構(gòu)型[8-11]，如圖4所示，以檢測(cè)機(jī)械臂基座與被測(cè)斷路器中心距離700mm、待測(cè)斷路器罐體圓截面的直徑400mm為約束條件進(jìn)行尺寸綜合。

圖4 SF6氣體泄漏檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)機(jī)械臂構(gòu)型

本文采用幾何法對(duì)SF6斷路器檢測(cè)機(jī)器人的檢測(cè)機(jī)械臂進(jìn)行尺寸綜合，如圖5所示。

圖5 SF6氣體泄漏檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)機(jī)械臂尺寸綜合

通過(guò)圖5中尺寸分析可知，當(dāng)檢測(cè)機(jī)器人的升降云梯將檢測(cè)機(jī)械臂升到固定高度的位置時(shí)，檢測(cè)機(jī)械臂構(gòu)型二和構(gòu)型四無(wú)法完成對(duì)斷路器平面內(nèi)一個(gè)圓周的檢測(cè)流程，因此選擇構(gòu)型一和構(gòu)型三作為檢測(cè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。通過(guò)計(jì)算，可得到檢測(cè)機(jī)械臂的尺寸參數(shù)，第一節(jié)機(jī)械臂連桿長(zhǎng)度為792mm，第二節(jié)機(jī)械臂連桿長(zhǎng)度為730mm，機(jī)械臂末端檢漏儀吸氣管偏置距離為200mm。

2 檢測(cè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 檢測(cè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

機(jī)械臂末端工作空間代表機(jī)器人機(jī)械臂的活動(dòng)范圍，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性的重要指標(biāo)。運(yùn)動(dòng)學(xué)建模是檢測(cè)機(jī)械臂末端執(zhí)行器(即SF6檢測(cè)設(shè)備)位置和姿態(tài)與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系，是機(jī)械臂工作空間的研究基礎(chǔ)。SF6斷路器檢測(cè)機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)范圍需要覆蓋檢測(cè)機(jī)械臂前方斷路器罐體所在的一個(gè)圓柱形區(qū)域。

SF6斷路器檢測(cè)機(jī)械臂的兩個(gè)構(gòu)型均由三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，存在三個(gè)自由度。根據(jù)檢測(cè)流程，檢測(cè)機(jī)械臂的作業(yè)目標(biāo)在檢測(cè)機(jī)器人正前方，如表1所示，建立三個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度約束。按照D-H參數(shù)法在檢測(cè)機(jī)械臂上建立關(guān)節(jié)坐標(biāo)系[4]，如圖4中構(gòu)型一和構(gòu)型三所展示的坐標(biāo)系。

表1 檢測(cè)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍

工具坐標(biāo)系建立在檢測(cè)儀器末端，建立構(gòu)型一和構(gòu)型三的D-H參數(shù)，如表2、表3所示。其中α1，i-1、a1， i-1、d1，i、θ1，i為構(gòu)型1的關(guān)節(jié)i的關(guān)節(jié)D-H參數(shù)[8]，α3，i-1、a3，i-1、d3，i、θ3，i為構(gòu)型3的關(guān)節(jié)i的關(guān)節(jié)D-H參數(shù)[8]。

表2 構(gòu)型一連桿D-H參數(shù)表

表3 構(gòu)型三連桿D-H參數(shù)表

通過(guò)已知的兩個(gè)構(gòu)型的D-H參數(shù)建立檢測(cè)機(jī)械臂的正運(yùn)動(dòng)學(xué)變換矩陣，即已知各關(guān)節(jié)角度求解末端執(zhí)行器工具點(diǎn)相對(duì)于機(jī)械臂基坐標(biāo)系的位置關(guān)系。式(1)和式(2)為構(gòu)型一的檢測(cè)機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)變換矩陣。

(1)

(2)

式(3)和式(4)為構(gòu)型三的檢測(cè)機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)變換矩陣。

(3)

(4)

P為末端檢測(cè)儀器端點(diǎn)相對(duì)檢測(cè)機(jī)械臂底座中心坐標(biāo)的位置向量。

2.2 機(jī)械臂的工作空間分析

用蒙特卡洛法對(duì)兩種構(gòu)型檢測(cè)機(jī)械臂的工作空間進(jìn)行計(jì)算，可得到該檢測(cè)機(jī)械臂的工作空間形狀如圖6所示[12-14]。

從圖6b的工作空間中可以看出，構(gòu)型三的工作空間不能將目標(biāo)位置的SF6斷路器包容在內(nèi)。與構(gòu)型三相比，構(gòu)型一工作空間無(wú)空腔，范圍大，很好的包圍了目標(biāo)范圍。因此最終選擇構(gòu)型一作為SF6斷路器檢測(cè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。

圖6 檢測(cè)機(jī)械臂工作空間

3 軌跡規(guī)劃與仿真

在對(duì)SF6斷路器檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)機(jī)械臂末端貼近斷路器罐體后沿一側(cè)繞罐體進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)到最遠(yuǎn)點(diǎn)后返回初始點(diǎn)，繼續(xù)沿另一側(cè)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器整體圓周的檢測(cè)流程。針對(duì)檢測(cè)機(jī)械臂的檢測(cè)過(guò)程，規(guī)劃和仿真檢測(cè)機(jī)械臂對(duì)斷路器進(jìn)行檢測(cè)時(shí)的檢測(cè)軌跡，以保證機(jī)械臂末端能夠以20mm/s的速度穩(wěn)定沿?cái)嗦菲鬟M(jìn)行檢測(cè)。

考慮到機(jī)械臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線，同時(shí)目標(biāo)220kV SF6斷路器位于距離檢測(cè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)1軸向700mm、半徑200mm的圓形區(qū)域，因此規(guī)劃?rùn)z測(cè)機(jī)械臂的檢測(cè)軌跡為沿檢測(cè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)1與斷路器罐體中軸線向斷路器移動(dòng)，貼近斷路器后沿?cái)嗦菲鲌A形區(qū)域半圓形軌跡移動(dòng)，以檢測(cè)機(jī)械臂在檢測(cè)軌跡中速度穩(wěn)定平穩(wěn)為目標(biāo)。設(shè)定在檢測(cè)工作平面內(nèi)，機(jī)械臂末端檢測(cè)工具點(diǎn)在啟動(dòng)時(shí)以一個(gè)穩(wěn)定的加速度進(jìn)行加速，當(dāng)末端檢測(cè)工具點(diǎn)達(dá)到20mm/s后，沿?cái)嗦菲鞴摅w進(jìn)行檢測(cè)，到達(dá)終點(diǎn)時(shí)以同樣的加速度進(jìn)行減速運(yùn)動(dòng)，在終點(diǎn)處停止運(yùn)動(dòng)。末端速度變化如圖7所示。通過(guò)檢測(cè)機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程將運(yùn)動(dòng)軌跡路徑點(diǎn)轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)角度值，然后分別對(duì)每一個(gè)關(guān)節(jié)變量映射成一個(gè)五次多項(xiàng)式插值[15-16]光滑時(shí)間函數(shù)，使之從起始點(diǎn)開始，一次通過(guò)所有路徑點(diǎn)，最后達(dá)到目標(biāo)點(diǎn)。

圖7 SF6檢測(cè)管工具末端速度曲線

檢測(cè)機(jī)械臂為三自由度機(jī)械臂，則末端點(diǎn)的位置向量可設(shè)為

(5)

(6)

通過(guò)式(1)、式(5)和式(6)可解出構(gòu)型一的檢測(cè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解。

θ12=θ11+θ12-θ11

(7)

式中：

k1=px2+py2+a1T2cosθ13+d132-a112+

2pxa1Tcosθ13+2pyd13

k2=-4pya1Tcosθ13-4pxd13

k3=px2+py2+a1T2cosθ13+d132-a112-

2pxa1Tcosθ13-2pyd13

通過(guò)五次多項(xiàng)式插值仿真，可以得到機(jī)械臂從圓弧一側(cè)端點(diǎn)移動(dòng)到另一側(cè)端點(diǎn)中各個(gè)關(guān)節(jié)角速度、角加速度與時(shí)間關(guān)系，如圖8所示。通過(guò)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在保持末端工具點(diǎn)速度穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)穩(wěn)定，角速度變化平穩(wěn)，無(wú)突變，角加速度在檢測(cè)時(shí)間段保持穩(wěn)定，無(wú)沖擊，證明在檢測(cè)軌跡中檢測(cè)機(jī)械臂運(yùn)行穩(wěn)定。

圖8 各關(guān)節(jié)角速度與角加速度隨時(shí)間變化趨勢(shì)

4 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)檢測(cè)機(jī)械臂的仿真結(jié)果，采用構(gòu)型一作為檢測(cè)機(jī)械臂的構(gòu)型并完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。所研制的機(jī)械臂已通過(guò)由電力工業(yè)帶電作業(yè)工器具質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心開展的絕緣第三方測(cè)試，并通過(guò)了在高壓試驗(yàn)大廳和供電局實(shí)訓(xùn)基地進(jìn)行的模擬現(xiàn)場(chǎng)帶電測(cè)試和實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)帶電測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)機(jī)械臂完全能夠準(zhǔn)確有效地對(duì)SF6斷路器罐體周邊開展氣體泄漏帶電檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)如圖9所示。

圖9 SF6斷路器氣體泄漏檢測(cè)機(jī)器人檢測(cè)機(jī)械臂現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析220kV變電站SF6斷路器的檢測(cè)任務(wù)和檢測(cè)環(huán)境，提出了針對(duì)斷路器周邊狹小受約束環(huán)境的檢測(cè)機(jī)器人設(shè)計(jì)方法。結(jié)合小型輕量化的設(shè)計(jì)需求和實(shí)際檢測(cè)任務(wù)，通過(guò)尺寸綜合和工作空間分析，研究了四種三自由度檢測(cè)機(jī)械臂構(gòu)型方案的分析比較，實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)機(jī)械臂構(gòu)型設(shè)計(jì)及連桿尺寸優(yōu)化。分別采用仿真和實(shí)驗(yàn)方法開展設(shè)計(jì)驗(yàn)證，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)機(jī)械臂在檢測(cè)中運(yùn)行平穩(wěn)、無(wú)沖擊，證明檢測(cè)機(jī)械臂性能穩(wěn)定，能夠在狹小受約束檢測(cè)環(huán)境中可靠的完成對(duì)SF6斷路器的檢測(cè)任務(wù)。