Research on Design and Experiments of an Insulator Cleaning Robot for Suspension Insulator Strings

Abstract

采用绝缘子清扫机器人对输电线路绝缘子进行清扫可以有效地清除沉积于绝缘子表面的污秽，减少和防止污闪事故的发生。本文依托于国家电网东北电网有限公司科技项目“绝缘子带电清扫机器人样机系统研制”（课题编号：Y2V3140301），针对500kV超高压交流输电线悬垂绝缘子串的带电清扫作业任务需求，研制一套绝缘子清扫机器人原理样机系统并开展相关研究工作，提高电力检修作业自动化水平。首先综述了绝缘子检测与清扫机器人的研究现状，重点总结了机构设计、控制系统、行为规划的研究成果。在此基础上，从机器人机构设计展开研究，进行了机器人的准静态和力学性能分析，之后基于分层递阶结构设计了机器人控制系统，开展了机器人清扫作业行为规划研究，并进行了相关的实验研究。具体的研究内容如下： （1）开展机器人机构设计研究。结合500kV输电线路悬垂绝缘子串的环境特点和带电清扫任务需求，提出了一种由基于蠕动式运动机理的移动机构和基于串联关节的清扫机构组成的绝缘子清扫机器人机构。在给出机器人构型的基础上，介绍了机器人的工作流程，并简要分析了机器人的运动学。 （2）开展了机器人准静态建模与力学性能分析。在分析夹紧平台受力的前提下，分别针对上夹紧平台夹持绝缘子和下夹紧平台夹持绝缘子的情形，建立了机器人的准静态模型。针对机器人的攀爬安全性问题，进行了夹紧机构的力封闭性分析和论证，验证了夹持机构的可行性。建立了机器人移动机构的虚拟样机模型并利用Adams对机器人沿绝缘子串向下的运动过程进行了仿真。（3）进行了机器人控制系统的设计。在分析控制系统设计需求的基础上，采用了一种基于分层递阶结构的绝缘子清扫机器人控制系统。绝缘子清扫机器人控制系统由机器人本体控制器和地面基站构成。以数字信号处理器TMS320F28335为控制核心，进行了机器人本体控制器硬件设计和地面基站硬件设计。探讨了嵌入式系统软件的分层结构，采用嵌入式实时操作系统DSP/BIOS，进行了控制系统软件设计，详细介绍了驱动层软件和应用层软件的设计过程。 （4）开展了机器人清扫作业行为规划研究。针对机器人的自主控制需求，提出了一种基于机器人行为的清扫作业行为规划方法。根据机器人的机构特点、作业环境特点和清扫任务需求，将绝缘子清扫机器人的行为分为基本行为和组合行为，并利用有限状态机管理组合行为。对机器人的清扫作业进行了描述和分解，利用子任务序列描述机器人的清扫作业，并采用组合行为实现子任务。在Matlab/Simulink中，建立了机器人的清扫作业行为规划模型并进行了仿真，验证了行为规划方法的正确性。 （5）开展绝缘子清扫机器人实验研究。利用研制的机器人原理样机系统，在实验室环境下开展了机器人的夹持实验、行为规划实验、移动实验和清扫实验。在此基础上，开展了综合实验，验证了机器人机构设计的可行性和清扫作业行为规划方法的正确性和有效性