农网配电网架空线路机器人攀爬机构参数优化研究

陈继祥，陈 冉，张自伟，盛启玉，牟宪民

(1.国家电网连云港供电公司东海供电分公司，江苏 连云港 223000；2.保定理工学院电气工程与自动化学院，河北 保定071000；3.大连理工大学电气工程学院，辽宁 大连116024)

0 引言

供电系统一直是国家重要的基础设施，对社会与经济的发展都存在着影响，其最重要的就是要保证供应电力的稳定与高质量。当前，配电网输电线路多采用超高压或高压架空线路，以实现配电网的长距离配电。然而，这种线路是在室外高空环境下长期暴露的，受自然环境影响很大，在鸟啄、酸雨和雷电等影响下很容易被磨损、腐蚀，甚至会发生断股现象，为供电带来阻碍[1]。尤其是在农网中，由于地处偏远，这种现象往往更加常见。对于农网配电网架空线路故障，必须及时进行处理，否则很容易发生严重的电力系统故障，带来农村地区大面积停电问题，甚至导致巨大的经济损失[2]。对农网配电网输电线路实施高频次、定期巡检，是保障电力系统安全的基础工作，具有十分重要的意义。

农网配电网架空线路由于架设的高度极高，并且地形较为偏远或险峻，往往很难实施高频次的人工巡检，因此，机器人在农网电力巡检中得到了越来越广泛的应用。对于农网配电网架空线路巡检机器人来说，攀爬机构是一个非常重要的构造，对巡检效率与精度有很大影响，对攀爬机构进行参数优化是巡检机器人领域近年来的研究热点。在农网配电网架空线路机器人攀爬机构参数优化问题的研究中，目前已经实现了机器人攀爬机构的多种参数优化方式，优化结果也已投入应用，大幅度提升了架空线路巡检机器人的工作效率。但是对该问题的研究目前仍在不断推进，优化架空线路巡检机器人攀爬机构的跨障性能、稳定性能等问题成为未来的重点研究方向。现借鉴以往研究成果，对该问题进行深入研究，提出一种新的农网配电网架空线路机器人攀爬机构参数优化方法。

1 农网配电网架空线路机器人攀爬机构参数优化方法设计

1.1 攀爬机构有限元模型构建

使用Creo Parametric软件构建农网配电网架空线路机器人攀爬机构的三维模型，完成三维模型的构建后，在Workbench中导入该模型，通过网格划分实现攀爬机构有限元模型的构建[3]。

以装配体形式对攀爬机构中的零件进行组装，构建其三维模型[4]。在攀爬机构三维模型的构建中，为使各部件符合其物理特性，对各部件添加相应的信息，具体包括添加各种材料的材料特性、各种部件的质量特性以及材料属性和添加攀爬机构的驱动与约束等[5]。

各种材料的材料特性如表1所示。

表1 各种材料的材料特性

各种部件的质量特性以及材料属性如表2所示。其中，Ixx、Iyy、Izz为相对于质心坐标系(x,y,z)的转动惯量。

表2 各种部件的质量特性以及材料属性

攀爬机构的驱动与约束的添加流程为：首先定义攀爬机构的凸轮和夹臂之间、管道和手爪之间的接触力属性；接着在手臂和手爪之间、各段躯干和翻转电机之间施加固定的连接约束；然后在中转电机和连接臂之间、电机和手臂之间对旋转副进行添加；最后对各运动副施加旋转驱动[6]。并通过Model Verify这一自检工具对攀爬机构驱动与约束的添加是否存在隐含错误进行自检。

在 Workbench 中导入该模型后，需要在零件间对连接进行施加，才能对力进行传递[7]。施加的连接包括绞点和接触，其中铰点的施加类型具体如下。

a.转动：两构件在rx、ry、ux、uy、uz上保持同样的自由度位移。其中，rx、ry分别为三维实体结构单元在质心坐标系中的x轴与y轴的位置；ux、uy、uz为铰链在质心坐标系中的位置。

b.固定：两构件保持完全相同的自由度位移。

接触的施加类型具体如下。

a.不分离接触：在两构件接触面上可以发生少量的滑移(无摩擦)，只迭代1次。

b.绑定：在两构件接触面上不存在穿透、分离以及滑移等现象。

在此基础上，还需对接触力进行定义[8]。其中农网配电网架空线路与手爪夹臂之间、凸轮与手爪夹臂之间的接触力参数设定具体如下：动滑移速度设定分别为10 mm/s、100 mm/s；静滑移速度设定分别为1 mm/s、10 mm/s；动态系数设定分别为0.1、0.3；静态系数设定均为0.5；摩擦力计算方法均为库伦法；切入深度设定均为0.1 mm；阻尼设定均为10.0 N/(m·s-1)；接触刚度设定均为1.05×103N/mm；接触力计算方法均为冲击函数法。

最后进行网格的划分，实现攀爬机构有限元模型的构建。

1.2 有限元分析

根据构建的攀爬机构有限元模型对攀爬机构的应力分配与整体变形情况进行分析，以对其参数进行优化[9]。

首先对有限元分析中的约束条件进行制定。当约束部位为转向机构齿时，约束条件为所有自由度能够使转向机构无法转动；当约束部位为各车架底面支腿时，约束条件为z方向的自由度，能够使各车架支腿无法沿轴向移动；当约束部位为其他车轮组的对应三角架左右圈时，约束条件为z方向与y方向的位移自由度，能够使其余车轮组沿农网配电网架空线路移动；当约束部位为正在对直角面进行跨越的车轮时，约束条件为全部位移自由度，能够使该主动车轮组无法沿平面移动[10]。

制定约束条件后，对攀爬机构的载荷进行计算。

首先对摩擦力进行计算，车轮在受到结构摩擦力时，轴承和轴会将其向三脚架传递，使三脚架左右圈受到摩擦力[11]。各车轮受到的摩擦力是12.5 N，并对动载效应进行考虑，动载系数的取值为1.2，则各三角架圈受到的摩擦力为

F1=12.5×1.2=15 N

主动车轮组受到的总摩擦力为

F2=15×32=480 N

接着对电机驱动力矩进行计算。电机驱动力矩是通过皮带向车轴传递的，因此，该力矩是施加于车轴带轮上的[12]。用R1表示车轮半径，则各车轴带轮上受到的电机驱动力矩为

M1=4F1R1=4×15×15=900 N·mm

最后对机械臂转矩和压力进行计算，l1为回转中心和舵机与支架的重心之间的距离；l2为回转中心和镜头与相机的重心之间的距离；m1为舵机与支架的质量；m2为镜头与相机的质量[13]；g为机械臂自重。则机械臂等效转矩为

M2=m1gl1+m2gl2=

0.5×9.8×100+1×9.8×170=2156 N·mm

机械臂的等效压力与相机和机械臂的重力相等。

根据载荷计算结果获取攀爬机构的应力分配与整体变形情况，如图1所示[14]。

(b)整体应力云图

根据有限元分析结果实施农网配电网架空线路机器人攀爬机构的参数优化。

1.3 参数优化

在农网配电网架空线路机器人攀爬机构的参数优化中，在对相关设计变量进行确定时，需要适当减少变量数目[15]。

攀爬机构的设计参数为a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2、Ψ1、Ψ2、θ12、θ13。其中，a1、c1、d1、a2、c2、d2、θ12、θ13是其他机构的实际尺寸参数，也就是设计变量。在设计变量中，前4个为下四连杆机构的对应设计变量，后4个为上四连杆机构的对应设计变量。

Ψ2、Ψ1分别为各关节间的夹角；b2、b1分别为中间关节长度、首端关节长度。为适当减少设计变量的实际数目，将设计变量a1、c1、d1、a2、c2、d2、θ12、θ13重新设定为x1、x2、x3、x4、x5、x6、x7、x8，并用集合x来表示。

设计变量确定后，对参数优化目标函数进行构建，即

(1)

对目标函数传动比与传动角需要满足的对应约束条件进行确定，通过枚举法对参数优化目标函数进行求解，获取优化参数取值，实现参数优化[16]。

2 仿真分析实验

2.1 生成仿真环境

首先构建农网配电网架空线路仿真模型与机器人攀爬机构参数优化后的机器人仿真模型，使用的三维软件是Creo Parametric软件。通过该软件中的装配平台对机器人攀爬机构参数优化后的各零件进行设计与装配，然后进行仿真线路环境的建模。对于构建的实验仿真模型，将为保存成.X_T格式。为了达到对比效果，同时对机器人攀爬机构参数优化前的机器人仿真模型进行创建。

在使用该软件前，设置其工作环境。具体设置为：重力方向设置为与Y轴相反；角度、力、质量、时间、长度的单位分别设置为°、N、kg、s、mm。

2.2 添加仿真约束

为使仿真结果与实际情况相接近，在仿真环境中对必要约束进行添加，包括固定副、接触副以及旋转副，并根据仿真要求对立等与驱动条件进行创建。

2.3 攀爬仿真分析

为测试设计的农网配电网架空线路机器人攀爬机构参数优化方法，在攀爬情况下对机器人性能进行对比仿真分析，验证参数优化成效。

将仿真时间设置为30 s，并将机器人仿真步长设置为340。完成实验仿真后，在Postprocessor 模块中进行后处理操作，获取仿真曲线。

机器人在攀爬状态下车轮的实际驱动力矩变化对比数据如图2所示。

根据图2的实际驱动力矩变化对比数据可知，在攀爬过程中，机器人需要克服阻力，因此驱动力矩会持续增加。在对攀爬机构进行参数优化后，驱动力矩明显降低，说明进行参数优化攀爬机构的中心发生前移，使其车轮附着力增加，攀爬能耗降低，攀爬能力得到大幅提升。

机器人在攀爬状态下竖直方向上的加速度变化对比数据如图3所示。

图3 竖直方向上的加速度变化对比数据

由图3可知，在进行攀爬结构参数优化前，机器人加速度起伏较大，且在机器人脱离起始状态进入稳定状态后，其加速度仍有一定波动。而在进行攀爬结构参数优化后，机器人加速度起伏较小，且在机器人脱离起始状态进入稳定状态后，其加速度较小、较平稳。对比结果表明，攀爬结构参数优化使机器人的攀爬更加稳定。

机器人在攀爬状态下竖直方向相对质心变化数据如表3所示。

表3 竖直方向相对质心变化数据

表3的竖直方向相对质心变化对比数据表明，参数优化前后，在起始阶段机器人竖直方向相对质心位置不变；在起始阶段以后，机器人竖直方向相对质心位置逐渐由低向高变化，也就是参数优化前后竖直方向相对质心位置变化的趋势是相同的。然而，在参数优化后，起始阶段以后的机器人竖直方向相对质心位置明显低于参数优化前。说明通过参数优化能够实现机器人攀爬时重心位置的降低，实现了机器人攀爬性能的提升。

机器人在攀爬状态下速度变化对比情况如表4所示。

表4 速度变化对比情况

由表4可知，机器人在攀爬状态下会不断加速，直到达到最高后保持该速度。参数优化前后机器人的速度变化趋势是相似的，但参数优化前，机器人的攀爬速度最高达到389.32 mm/s，而参数优化后，机器人的攀爬速度最高达到452.74 mm/s，可见参数优化处理实现了机器人攀爬速度的提升。同时，参数优化后机器人的提速也更快，说明攀爬结构参数优化使机器人的攀爬速度更高，提速更快。

3 结束语

架空线路机器人攀爬机构的参数优化对于农网配电网架空线路巡检机器人巡检效率与精度的提升有很大意义。在对该问题进行研究的过程中，本文实现了攀爬机构攀爬性能的大幅优化，取得了一定研究成果。在此次研究过程中，受到研究时间与水平的限制，有些内容还有待完善与改进，将会在今后对这些研究内容进行补充说明。同时在今后会对测试平台进行搭建进行设计成果的精确测试，以此进一步对机器人的性能进行优化。