絕緣子涂層檢測(cè)機(jī)器人研究設(shè)計(jì)

陳建平，趙海軍，梁湘鵬，閆傳濱

（天津科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222）

1 引言

絕緣子是掛在高壓電線連接塔一端的盤狀絕緣體，其作用是為了增加爬電距離并對(duì)帶電部件進(jìn)行機(jī)械支撐與定位。絕緣子通常由玻璃或陶瓷制成，不僅要具有一定的電氣絕緣性能和機(jī)械性能，還要具備耐受各種自然環(huán)境的侵襲和污染。絕緣子在長(zhǎng)期運(yùn)行中，大氣中的塵埃顆粒會(huì)在其表面沉淀形成污穢層，在干燥天氣時(shí)，污穢層電阻很大，絕緣性能不會(huì)下降，但是在雨雪等潮濕環(huán)境下污穢層中的電解質(zhì)濕潤(rùn)后會(huì)使絕緣子表面電導(dǎo)增加，絕緣性能下降，而其中易溶于水的成分促使污穢層進(jìn)一步受潮，造成絕緣子表面閃絡(luò)放電，閃絡(luò)放電是導(dǎo)致電網(wǎng)供電線路發(fā)生跳閘的主要原因，給供電安全帶來(lái)極大的隱患。

目前，電網(wǎng)系統(tǒng)防治污閃主要方法是在絕緣子表面涂一層防污閃涂料PRTV，該涂料具有憎水性及獨(dú)特的憎水遷移性，不僅可以大幅提高輸電線路絕緣子的污閃電壓，而且可以有效防止灰塵及化工污穢在其表面結(jié)垢。但是在對(duì)絕緣子進(jìn)行涂抹時(shí)由于涂料本身特性和施涂工藝的限制，經(jīng)常出現(xiàn)漏涂、少涂、涂層不均勻、拉絲、氣泡等缺陷；同時(shí)，絕緣子長(zhǎng)期裸露在外界環(huán)境之中，遭受惡劣天氣不斷侵蝕，使得部分絕緣子涂層破損脫落，導(dǎo)致污閃事故發(fā)生概率大大增加。當(dāng)前電網(wǎng)系統(tǒng)中涂層缺陷是通過人工進(jìn)行檢測(cè)，這種作業(yè)方式使工作人員處于高空、高壓及高輻射的環(huán)境中，常常發(fā)生跌落或觸電等傷亡事故。涂層檢測(cè)機(jī)器人可以代替人工對(duì)絕緣子涂層缺陷進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到涂層有缺陷時(shí)及時(shí)的發(fā)出報(bào)警，提醒工作人員會(huì)對(duì)有缺陷的絕緣子進(jìn)行修復(fù)。

涂層檢測(cè)機(jī)器人作為一種能夠代替人工對(duì)絕緣子涂層缺陷進(jìn)行檢測(cè)的專用機(jī)器人，越來(lái)越多的國(guó)家開展了針對(duì)電網(wǎng)輸電線路作業(yè)機(jī)器人的研究。英國(guó)威爾士大學(xué)研制了電磁鐵吸附式電力鐵塔攀爬機(jī)器人，由兩個(gè)自由度組成，只能在平坦的表面移動(dòng)，不具備越障能力；日本研制了三代帶電作業(yè)機(jī)器人，第一代機(jī)械臂采用了電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種方式，第二代在第一代基礎(chǔ)上增加了視覺定位和三自由度的輔助手臂，第三代機(jī)器人智能程度更高，具有對(duì)環(huán)境識(shí)別后決策和控制能力。而國(guó)內(nèi)對(duì)針對(duì)輸電線路作業(yè)的機(jī)器人研究比較晚，1999年我國(guó)首臺(tái)輸電線路作業(yè)機(jī)器人由山東電力研究院和山東魯能智能技術(shù)公司合作完成，采用兩臺(tái)機(jī)械臂進(jìn)行作業(yè)，操作人員通過鍵盤進(jìn)行操作，不能實(shí)現(xiàn)主從控制?？傮w來(lái)看，現(xiàn)有的作業(yè)機(jī)器人主要是針對(duì)輸電線路本身進(jìn)行作業(yè)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自身空間大，因此，提出一種針對(duì)絕緣子涂層檢測(cè)的五自由度專用機(jī)器人。

2 絕緣子涂層檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 絕緣子涂層檢測(cè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

輸電線路中絕緣子都是成串的，并且兩片絕緣子之間的距離只有110mm左右，所以絕緣子涂層檢測(cè)裝置長(zhǎng)度必須小于100mm才能進(jìn)入兩片絕緣子之間；另外，絕緣子涂層缺陷不限于涂層表面，有時(shí)也需要檢測(cè)絕緣子背面凹槽，絕緣子凹槽的寬度是30mm左右，所以涂層檢測(cè)裝置的直徑必須小于30mm，同時(shí)末端需設(shè)計(jì)一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度調(diào)整涂層檢測(cè)裝置的位姿。

圖1 絕緣子涂層檢測(cè)示意圖Fig.1 Insulator Coating Test Schematic Diagram

2.2 絕緣子涂層檢測(cè)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

絕緣子涂層檢測(cè)裝置固定在末端執(zhí)行器上，涂層檢測(cè)的原理是檢測(cè)裝置與絕緣子涂層接觸時(shí)施加壓力，使用壓力傳感器采集壓力變化，通過分析壓力值固定區(qū)間所需要的時(shí)間判斷涂層厚度；在采集壓力變化值的同時(shí)通過末端執(zhí)行器上的攝像頭采集絕緣子涂層照片，利用圖像分析在照片上顯示出涂層漏涂、少涂缺陷并作出不同顏色標(biāo)記。理論上只需要三個(gè)自由度就能使檢測(cè)裝置檢測(cè)到絕緣子表面任何一個(gè)位置，但是實(shí)際工況中絕緣子并不是水平放置，有傾斜放置的也有垂直放置的，因此還需要兩個(gè)自由度調(diào)節(jié)檢測(cè)裝置的位姿。綜上所述，機(jī)器人只需要五個(gè)自由度即可完成絕緣子涂層的檢測(cè)。常用的機(jī)器人結(jié)構(gòu)大致分為六種，每種結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)，如表1所示。

表1 各種結(jié)構(gòu)機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)Tab.1 The Advantages and Dis advantages of All Kinds of Robots

絕緣子涂層檢測(cè)點(diǎn)是隨機(jī)選取的，所以對(duì)機(jī)器人的精度要求不高，但是機(jī)器人固定在移動(dòng)升降車，同時(shí)末端執(zhí)行器上檢測(cè)裝置檢測(cè)涂層時(shí)需要施加一定壓力，所以對(duì)機(jī)器人的剛度和負(fù)載能力有一定的要求，同時(shí)盡量使運(yùn)動(dòng)學(xué)的求解簡(jiǎn)單，以便控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并提高檢測(cè)時(shí)穩(wěn)定性。通過對(duì)比上面表格各種機(jī)器人結(jié)構(gòu)，直角坐標(biāo)型具有高精度、高剛度、運(yùn)動(dòng)學(xué)求解簡(jiǎn)單并且位置調(diào)整對(duì)姿態(tài)沒有影響等優(yōu)點(diǎn)，比較符合涂層檢測(cè)的要求，故選擇該種結(jié)構(gòu)作為機(jī)器人基體，同時(shí)考慮到負(fù)載最后都集中在X向直線關(guān)節(jié)，所以在X向直線關(guān)節(jié)添加一個(gè)輔助支撐，平衡垂直方向的力，防止關(guān)節(jié)扭曲變形，最終結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2 直角坐標(biāo)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Overall Structure Design of Rectangular Coordinate

2.3 X、Y、Z方向直線關(guān)節(jié)電機(jī)的選取

機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式主要有三種：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。液壓驅(qū)動(dòng)的精度高，但是液體對(duì)溫度的變化非常敏感；氣壓驅(qū)動(dòng)體積大，負(fù)載能力小，位置精度低；同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)和氣壓驅(qū)動(dòng)噪聲大。電機(jī)驅(qū)動(dòng)精度高、體積小、噪聲小，因此選擇電機(jī)驅(qū)動(dòng)。選取電機(jī)需要計(jì)算關(guān)節(jié)工作時(shí)最大負(fù)載扭矩，電機(jī)需要的扭矩又分為勻速運(yùn)動(dòng)和加減速運(yùn)動(dòng)，計(jì)算公式如下：

式中：T勻速—電機(jī)勻速運(yùn)動(dòng)所需扭矩（N.m）；μ—滾珠絲杠的摩擦系數(shù)；m—傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的負(fù)載質(zhì)量（kg）；g—重力加速度；f—滾珠絲杠傳動(dòng)軸向阻力（N）；l—滾珠絲杠導(dǎo)程（mm）。

式中：T勻加減速—電機(jī)勻加減速運(yùn)動(dòng)所需的扭矩（N.m）；a—機(jī)構(gòu)最大線加速度（mm/s2）；α—機(jī)構(gòu)最大角加速度（rad/s2）；J—繞電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.m2）。

經(jīng)負(fù)載估算和成本考慮，X、Y、Z方向直線關(guān)節(jié)均采用57步進(jìn)電機(jī)可滿足要求，考慮到X方向直線關(guān)節(jié)負(fù)載最大，故X方向直線關(guān)節(jié)采用兩個(gè)57步進(jìn)電機(jī)用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器同步控制。對(duì)于用來(lái)調(diào)整末端執(zhí)行器姿態(tài)的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)調(diào)整角度小，但是，與直角坐標(biāo)基體相連的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)扭矩較大，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，沒有添加減速機(jī)構(gòu)，因此選擇扭矩較大的86步進(jìn)電機(jī)，另一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)扭矩較小，選擇42步進(jìn)電機(jī)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的核心是利用PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，通過直角坐標(biāo)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，使絕緣子涂層檢測(cè)裝置定位到絕緣子表面需要檢測(cè)的位置以檢測(cè)絕緣子涂層的質(zhì)量。直角坐標(biāo)機(jī)器人控制系統(tǒng)采用觸摸屏+PLC的框架，觸摸屏為上位機(jī)，作為人機(jī)交互系統(tǒng)的載體，主要通過觸摸屏發(fā)出運(yùn)動(dòng)指令完成對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的操作；PLC為下位機(jī)，作為現(xiàn)場(chǎng)控制器，主要完成涂層檢測(cè)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)控制，控制系統(tǒng)方案，如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)Fig.3 Control System Design

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)在硬件上主要有以下幾個(gè)部分組成：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PLC、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、傳感器及機(jī)械臂、觸摸屏、限位開關(guān)，整體形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)。PLC采用西門子S7-200，S7-200具有可靠性強(qiáng)、操作便捷、易于掌握、內(nèi)置集成功能豐富、通訊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。上位機(jī)采用西門子觸摸屏SMART700，SMART-200有較高的性價(jià)比，寬屏顯示分辨率高，通訊能力強(qiáng)高，能與S7-200無(wú)縫連接，使用的組態(tài)軟件是WinCC，它們之間通過RS485進(jìn)行通訊。

4 涂層檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

4.1 涂層檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解

機(jī)器人正運(yùn)動(dòng)學(xué)問題是已知機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)變量，求末端執(zhí)行器相對(duì)于參考坐標(biāo)系的位姿。通過分析對(duì)比確定機(jī)器人使用直角坐標(biāo)型結(jié)構(gòu)，由3個(gè)直角運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)構(gòu)成，簡(jiǎn)化模型，如圖4所示。在此基礎(chǔ)上利用D-H方法得到連桿參數(shù)表，如表2所示。表中：L1和L2是由結(jié)構(gòu)決定的已知量，數(shù)值分別為L(zhǎng)1=348 mm，

圖4 涂層檢測(cè)機(jī)器人的簡(jiǎn)化模型Fig.4 Simplified Three-Dimensional Model of Inspection Robot for Insulator Coating

表2 涂層檢測(cè)機(jī)器人連桿參數(shù)表Tab.2 Linkage Parameter Table of Inspection Robot for Insulator Coating

第i-1關(guān)節(jié)相對(duì)第i關(guān)節(jié)的齊次變換矩陣為：

由式（3）可得齊次變換矩陣：

4.2 涂層檢測(cè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解

機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)就是已知末端執(zhí)行器的位姿求解相應(yīng)的關(guān)節(jié)變量。

由正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解可知，在矩陣方程兩邊同時(shí)乘以整理可得：

通過比較矩陣相對(duì)應(yīng)元素的位置可以列出以下方程組：

4.3 涂層檢測(cè)機(jī)器人工作空間求解

機(jī)器人的工作空間描述的是機(jī)器人末端執(zhí)行器上的一個(gè)參考點(diǎn)所能達(dá)到的所有位置點(diǎn)的集合。由正運(yùn)動(dòng)學(xué)可知末端執(zhí)行器上參考點(diǎn)在基坐標(biāo)中的位置如下：

為了能夠更直觀的看出機(jī)器人的工作空間范圍的大小，應(yīng)用Matlab軟件進(jìn)行編程顯示其工作空間，如圖5所示。

圖5 機(jī)器人的工作空間三維圖Fig.5 The Robot’s Working Space Three-Dimensional Figure

從圖看出機(jī)械臂X方向最大活動(dòng)半徑為600mm，Y方向最大活動(dòng)活動(dòng)半徑為400mm，Z方向最大活動(dòng)800mm，而絕緣子的半徑為300mm，高度為200mm，因此檢測(cè)裝置能檢測(cè)到絕緣子表面任一點(diǎn)，較好的滿足了設(shè)計(jì)要求。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)設(shè)計(jì)，在實(shí)驗(yàn)室組建了涂層檢測(cè)機(jī)器人并進(jìn)行了涂層質(zhì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。選取涂層表面五個(gè)位置，實(shí)驗(yàn)證明，機(jī)器人能將檢測(cè)裝置定位到指定位置，運(yùn)行穩(wěn)定，檢測(cè)時(shí)施加一定壓力能夠定位保持，位置誤差為1mm，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試與分析Fig.6 The Debugging and Analysis in Laboratory

6 結(jié)語(yǔ)

（1）根據(jù)絕緣子涂層檢測(cè)要求研發(fā)出五自由度涂層檢測(cè)機(jī)器人，以直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)為基體，同時(shí)計(jì)算直線關(guān)節(jié)電機(jī)所需要的扭矩并選擇合適的步進(jìn)電機(jī)。

（2）設(shè)計(jì)研制出以PLC為核心的控制系統(tǒng)。

（3）運(yùn)用D-H參數(shù)法對(duì)涂層檢測(cè)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，利用MATLAB軟件求解出涂層檢測(cè)機(jī)器人工作空間，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

（4）通過實(shí)驗(yàn)，涂層檢測(cè)機(jī)器人能夠完成指定動(dòng)作，運(yùn)行穩(wěn)定，檢測(cè)誤差符合行業(yè)要求，具有良好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。

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