高压电气设备PRTV自动喷涂机器人设计

2021-06-01高卓航王玄之

现代制造技术与装备 2021年4期

叶涛高卓航王玄之杜巍曾晰

（1.国网宁夏电力有限公司检修公司，银川 750001；2.浙江工业大学，杭州 310000）

安全可靠的电力供应已经成为人类社会正常运转必不可少的条件之一。一旦电力供应发生事故，将造成巨大的经济损失。输变电设备的绝缘子污闪是影响供电安全的主要因素之一[1-2]。电气设备的绝缘子瓷瓶长期在户外运行，受到SO2、氮氧化物等大气环境的影响，表面逐渐沉积形成污秽层。遇到潮湿天气时，污秽层吸收水分产生局部放电，最终导致电弧并发展为污闪，严重影响设备的安全稳定运行和供电的可靠性[3-4]。

各地电力系统采用PRTV硅橡胶防污闪涂料[5-6]，定期对变电站设备进行清扫及防污闪涂料喷涂，使得设备保持原有绝缘水平，防止污闪事故发生[7-8]。早在1993年，山西省临汾市临汾地区电业局研制了“环绕式绝缘子带电清扫器”[9]，改善了绝缘子污闪的情况[10-11]。现有的PRTV喷涂机器人只有山东省电力公司研究的遥控式绝缘子喷涂机器人[12]和国网智能科技股份有限公司设计的机械臂式喷涂机器人[13]，但喷涂机器人在实际应用中会存在以下几种问题。第一，无瓷瓶定位的传感装置，人工定位效率低。第二，有大量涂料没有准确喷到瓷件上，造成比较严重的浪费和周围环境污染。第三，只能喷涂垂直的瓷瓶，无法较好喷涂其他姿态的瓷瓶。第四，自动化程度低，对操作者有一定的操作经验要求，且存在一定的安全隐患。

由于市场上尚无高压电气设备的PRTV喷涂专用装置，目前各网省公司均只能采用半自动式带电操作机具，存在一定的安全隐患，且难以保障质量。为提高PRTV喷涂效率和质量，提高变电站设备运行可靠性，本文提出了一种环抱式攀爬PRTV喷涂机器人。

1 攀爬驱动方式

喷涂机器人腿部设计对其在运动过程中的稳定性、承载力、攀爬速度以及越障能力等有至关重要的影响[14]。腿部机构可分为径向收紧和周向收缩两个动作。径向收紧即基于仿人手抓握动作，在电机驱动下完成弯曲动作，以适应不同曲率半径的表面贴合。周向伸缩即解决在径向收紧过程中出现两环抱腿干涉问题。根据现有欠驱动灵巧手的基本组成，结合实际需求，获取机器人腿部结构适合尺寸[15-16]，计算方式为：

式中：λ为腿部伸缩角度；r为瓷瓶半径（此时为最大位置处）；L为机身外壳长度；x为腿部距离杆件距离；L总为腿部总长；α为包覆余角。

考虑到变径攀爬的情况，若关节个数少于3，在直径变化至最小时已基本失去包覆效果。若关节个数较多，又将影响腿部力传递效率。因此，综合取关节个数，取各关节长度为L1=195 mm、L2=165 mm、L3=165 mm、L4=145 mm。关节间距仿照人手关节尺寸等比例放大，如图1所示。

腿部周向伸缩机构决定了机器人在攀爬过程中对变径尺寸的适应性，可以有效扩大机器人对变径尺寸的适应范围。伸缩机构包括气动伸缩缸、液压伸缩缸、电动多级伸缩缸以及齿轮齿条等。在众多的伸缩结构中，前两种伸缩缸体积较大且无法完成较为精确的运动控制。多级电动伸缩缸同样存在体积较大的问题。齿轮齿条式的机构相对较为简单，能够通过控制电机实现准确运动定位，因此伸缩机构选择齿轮齿条。

图1 单组环抱机构简图

驱动部分由环抱驱动电机、伸缩驱动电机、箱体、蜗轮蜗杆、驱动连杆、导向侧板以及其他辅助零部件构成。环抱驱动电机驱动与之相连接的蜗轮蜗杆做往复运动，蜗轮推动推杆并将作用力传递到环抱机构，在腿部环抱滑块-弹簧-连杆传动机构的作用下，完成腿部的弯曲和环抱。由于根部关节有较小范围角度输入时，机构末端产生大范围运动，因此根据位移放大机构特点，在驱动机构中采用位移缩小以降低控制精度要求。小尺寸机构采用四杆机构进行传动，既可实现较高传动效率，又具有较高传动比，如图2所示。

图2 驱动部分位移放大机构四杆机构简图

将四杆机构置于直角坐标系中，通过解析法分别对机构的两极限位置进行设计计算，建立封闭图，如图2所示，可得到：

根据式（3），分别计算四杆机构极限位置。

首先在摇杆垂直位置时，四杆机构在x、y轴上的投影为：

将式（4）中的θb消除，整理得：

同理，当四杆机构运动到另一极限位置时，整理后的公式为：

式中各个杆件长度和曲柄旋转范围均可确定，但处理后其行程放大倍数依旧不高。实际上，在运动传递过程中，驱动力四杆机构在力输入端实际运动路程只有14 mm，因此采用涡轮蜗杆机构。蜗轮蜗杆一方面能够起到转动换向的作用，蜗轮角度为180°-(β1+β2)，另一方面可以增加传动比和扩大运动路径。

2 伸缩机构运动关系

考虑到高压电气设备的绝缘子瓷瓶型号差异，为了适应各种直径和防止机器在攀爬过程中倾覆和掉落，对机器的夹持力、着力点以及包覆余角提出了相应要求。

在机器人攀爬过程中，腿部环抱机构需要紧靠在杆件表面。但是，由于瓷瓶横截面曲率增大，单靠环抱机构已难以适应杆件尺寸形状。在保证腿部长度不变情况下，本文采用伸缩机构实现不同直径杆件的稳定环抱夹持，并可使包覆余角处于安全变化范围内。图3为机器人在不同直径截面上的环抱动作对比。

图3 伸缩机构优异性对比

通过分析获得腿部环抱机构及伸缩机构运动学规律，得包覆余角与机身、腿部长度以及杆件横截面半径相关；通过计算机器人所包覆杆件比例，可近似得出包覆余角大小：

即可得到环抱机构转角随时间的变化函数：

可见，伸缩机构可实现包覆余角的控制，其运动关系的推导以包覆余角为自变量，提高了机器在攀爬过程中的稳定性。

3 腿部结构

传统灵巧手机构一般通过绳索、钢丝或连杆传动[17-18]。本文设计的滑块-弹簧-连杆传动机构是在传统连杆传动机构的基础上加以优化改进。该机构传动原理是两曲柄滑块机构通过弹簧将滑块串联在一起，右侧曲柄转动后带动滑块滑移，同时滑块拖动弹簧，弹簧储存部分能量，另一部分能量带动左侧曲柄滑块机构中的滑块移动，最终实现左侧曲柄的转动。当电机停止运转后，弹簧将提供持续的夹紧力。腿部运动结构如图4所示。

图4 腿部运动结构

包覆余角固定的情况下可得其根部关节在瓷瓶截面上的单独伸缩轨迹。将单独伸缩轨迹与机身移动轨迹相拟合，可得到在截面上的实际运行轨迹，如图5所示。将传统连杆结构和滑块-弹簧-连杆传动机构进行对比分析可得，在实际运行轨迹上两者并没有太大区别，只有在运行至杆件最细处时出现些许偏差。偏差的主要原因在于杆件最细位置处，机器人腿部环抱达到最大角度，在刚性杆件上具有更加固定的运动轨迹，而优化后的传动机构由于具有一定柔性，其夹持角度可以在一定范围内进一步弯曲。因此，在具有传统连杆机构相似的运动轨迹的前提下，滑块-弹簧-连杆传动机构将连杆优化至关节内部，同时可以在电机停转的情况下给杆件持续施力。

图5 腿部运行拟合图

4 PRTV喷涂机构

由于不同型号的高压电器设备瓷瓶直径不同，因此本方案采用了手动式调节喷嘴角度和自动式调节喷嘴间距的组合式喷涂方式，如图6所示。

PRTV喷涂机构[19-20]主要包括环绕轨道和自适应调节的喷嘴架。喷涂机器人以多遍喷涂为原则，在开始作业时调节喷枪流量，将单边喷头调整到正对最下面的绝缘子扇叶处。设备有两对喷枪，围绕绝缘子按照顺时针转180°喷涂，完成一个扇叶的喷涂，再竖直爬升预先设好的距离，逆时针围绕绝缘子转180°喷涂，完成第二个扇叶的喷涂。循环上述步骤，完成整个绝缘子喷涂。待涂层干后，再循环上述步骤，直到整个绝缘子喷涂两遍[21]。

图6 PRTV喷涂机构

机器人进行喷涂作业时，布置在喷嘴附近的距离传感器能够实时检测与壁面的距离，然后将信号发送到直线导轨。机器人可根据距离信号调整喷涂机构的径向距离，以适应各种类型高压电器设备，实现了变电站绝缘子防污闪涂料智能喷涂，提升了作业效率。通过驱动电机带动喷涂机构，使喷涂工具能基于环抱机构进行周向移动，实现绝缘子表面360°全方位喷涂。激光厚度传感器能够实时检测喷涂厚度，与旋转角度结合，可精确定位厚度未达到预设值处再次喷涂补救，解决绝缘子瓷瓶在喷涂过程中存在的喷涂死角和喷涂厚度不均匀等问题。

5 机器人整体结构

高压电气设备PRTV喷涂机器人采用两组单驱动连杆机器手，结合周向收缩结构，通过布置的距离传感器检测与瓷瓶壁面的距离，用直线导轨模块调节合适位置，从而适合各直径瓷瓶作业。采用滑块-弹簧-连杆传动机构中的弹簧等系列柔性机构实现机器人翻越式越障动作以及专用的可调节PRTV喷涂机构。机器人整机尺寸（长×宽×高）为1 290 mm×1 000 mm×610 mm，可喷涂瓷瓶内径范围为300～600 mm。整体结果如图7所示。

图7 PRTV喷涂机器人三维模型

由于绝缘子瓷瓶直径存在各式大小的情况，且在机器人上行的过程中为使腿部始终保持与杆件表面的贴合状态，伸缩机构与环抱夹持机构始终保持缓慢运行或者伸缩机构进行过运行，利用腿部环抱机构的弹簧实现持续给力。在越障过程中利用攀爬机构中履带的减震机构、腿部双扭簧设计以及滑块-弹簧-连杆传动机构中的弹簧等一系列柔性机构，实现机器人翻越式越障动作。