绝缘子更换机器人变刚度机械手抓取仿真分析

梁元清 王 斌 张 杰 郭 嘉

（广西电网有限责任公司南宁供电局，广西南宁 530031）

0 引言

近年来，随着电力需求的逐渐增大，变电站线路负荷大幅度增大，变电站的绝缘子串运行时间久会出现老化，需要及时更换[1]。变电站难以停电作业，因此更换绝缘子串大多数采用带电作业。

目前绝缘子串大多数使用刚性卡具进行更换，如祝昆[2]提出采用架构卡具来完成绝缘子串的更换工作，将其设计的架构卡具和导线线夹卡具固定在绝缘子串两端，中间利用绝缘拉棒受力取代绝缘子，进行绝缘子的带电更换。绝缘子串为玻璃制品，本身材质较硬且脆，传统刚性夹持手工作极易造成绝缘子串碎裂。因此可以使用柔性机械手来代替传统的刚性夹持器，由于柔性材质自身的柔软性，柔性机械手可自动适应抓取物品的形状及大小，而且不容易损伤物品。然而也由于柔性材料的柔软性，柔性机械手并不能保持应有的刚性，所以针对这个问题，提出了变刚度理论，在原有的基础上，加上变刚度层，通过改变抓取机械手的刚度来调整机械手刚柔转换，使其有更好的适应性。2010年芝加哥大学Eric Brown等人[3]采用“颗粒堵塞”的变刚度原理，研制出吸附式抓取装置，此装置采用柔性硅胶材料作为腔体，腔体内装满粗糙颗粒物，当硅胶腔体包裹住物品时，排除腔体内的空气，形成真空腔，此时内部粗糙的颗粒相互摩擦挤压产生摩擦力从而改变抓取装置的刚度。Yong-Jae Kim等人[4]则提出一种新型的可实现变刚度的“层状干扰”机构，通过真空压力控制柔性腔体内薄膜之间的摩擦力来实现变刚度。崔锦泉[5]提出了一种仿生柔性手指，该手指结合编织型肌肉驱动器，采用横纵肌肉排布构型方式，能够更好地控制柔性手指的动作。朱友权[6]提出了一种气动网格柔性驱动器的设计及制作方法，使柔性材料能够更好地抓取物体。徐威铭[7]提出了一种变刚度柔性手方案，将变刚度执行器作为手指关节驱动，利用调节执行器的刚度来改变整体柔性手的刚度。

传统的刚性机器人手爪通常使用两个或更多手指，这些手指需要视觉反馈和指尖的力感测，以及运行算法的中央处理器，以便在手爪接触物体之前做出决定，从而实现自适应抓取，因此，刚性多指手爪是一个控制过程复杂的实施系统[8]。而基于软材料驱动的通用抓取器可能有多种应用场景，其中包括需要可靠且快速连续抓取不同尺寸和形状的物体[9]。

1 变刚度抓取手指设计与分析

1.1 绝缘子串更换机器人柔性机械手

如图1所示，柔性机械手由柔性手指、薄膜、锁紧扣、固定板、密封接头组成，工作时，充气区受到充气压力开始膨胀弯曲，当手指接触到绝缘子串时，薄膜所在真空区受到真空压力，薄膜之间产生摩擦力从而改变柔性手指的刚度。

图1 变刚度柔性机械手结构示意图

图2所示为柔性机械手更换绝缘子串工作示意图，绝缘子串更换机器人由柔性手指连杆、底座、套筒组成，工作时，三根手指从不同的方向对绝缘子串进行包络抓取。

图2 柔性机械手更换绝缘子串工作示意图

1.2 变刚度机理

层状结构[4]响应速度快，负载能力高，制作简单。如图3所示，层状结构由柔性腔体、薄膜、出气孔组成，柔性空腔内排列多层薄膜，利用各层薄膜间的摩擦力调节柔性手指结构的刚度。当柔性手指受到真空压力时，薄膜受到挤压，各层薄膜间产生摩擦力，从而使得整个结构刚度变大[10]。

图3 变刚度原理

变刚度层状结构受到弯曲向下的形变影响，且受真空压力薄膜之间产生的摩擦力，可将层状结构假设为一个整体，一端向下弯曲产生力矩，将变刚度结构假设为一个悬臂梁结构，仿真分析不同层状材料对变刚度结构刚度的影响，如图4所示，其中一端完全约束固定，自由端施加恒力F，产生力矩M为：

图4 悬臂梁弯曲受力图

式中：L为变刚度层状结构的长度。

根据材料力学中悬臂梁的弯曲计算公式可得出，自由端在竖直方向上的位移r为：

式中：I为截面惯性矩；E为材料弹性模量。

当变刚度层状结构内部没有受到大气压力时，层状材料之间并未发生接触，不产生摩擦力，截面惯性矩可表示为：

式中：n为层状材料的层数；b为单个层状变刚度材料的宽度；h为单个层状变刚度材料的厚度。

当变刚度结构抽真空时，层状变刚度材料相互接触，可将多层材料合作整体，此时层状变刚度材料的截面的厚度为nh，截面惯性矩可表示为：

联立公式（2）与（3）可得变刚度结构没有发生变化时，自由端受力在竖直方向上的位移r1为：

当变刚度层状结构抽真空时，在自由端竖直方向上的位移r2为：

由式（5）和式（6）可知，自由端位移量未抽真空时是抽真空的n2倍，所以可以得到抽取真空时，层状结构可以很大程度提升结构的刚度。并且自由端位移的大小与层状材料的层数和弹性模量相关，层状材料的层数越多，自由端位移越小，刚度越大；层状材料的弹性模量越大，自由端位移越小，刚度越大。建立变刚度层状结构模型，采用柔性硅胶材料作为外壳，层状结构放置于内腔。

2 有限元仿真分析

2.1 层状结构弯曲仿真分析

使用仿真软件验证刚度的变化是否和真空抽取有关，建立悬臂梁模型，采用有限元仿真分析，对自由端施加1 N集中力，对层状结构腔内施加不同的真空压力，压力范围为0～100 kPa，进行6次仿真分析，压力每次递增20 kPa，结果如图5所示。

图5 变刚度层状结构仿真分析

由仿真数据得出真空压力与弯曲位移量的关系，如图6所示。

图6 压力与位移量折线图

由图6可以看出，随着真空压力增大，位移量不断减小，且真空压力越大，位移变化量越小。为了更好地观察变刚度情况，由层状结构制作变刚度柔性机械手进行不规则物体抓取仿真分析，观察其接触面应变情况。

2.2 柔性机械手抓取绝缘子串仿真分析

变刚度柔性机械手抓取绝缘子仿真模型如图7所示，对手指施加空气压力，手指气囊受力膨胀会产生弯曲，此时三指会靠近被抓取物表面，当手指抓住物品时，变刚度层状结构腔施加真空压力使层状薄膜受到压缩，此时薄膜之间会产生摩擦力，从而改变柔性手指的刚度。

图7 柔性机械手抓取绝缘子仿真

在仿真过程中选取三个参考点（图7）观察其表面应变变化，作应变变化图，仿真结果为20帧，如图8所示。

图8 应变变化图

运动过程分为三个部分，0～0.4 s为第一阶段，此时手指处于弯曲阶段，可以观察到，这个阶段开始时手指应变变化较小，手指受到充气压力开始完成抓取动作，手指并未与绝缘子串接触，此时应变在0.025倍浮动，呈逐渐上升趋势；0.4～0.6 s为第二阶段，该阶段处于接触阶段，手指触碰到绝缘子串，应变急剧变大，达到最大值0.2～0.25倍，此时手指形变最为明显；0.6～1.0 s为第三阶段，此阶段为手指变刚度阶段，对变刚度层施加真空压力，此时手指刚度增大，手指应变呈下降趋势，下降至0.2倍左右，真空压力达到最大值时，手指的刚度也达到最大值，手指应变会保持在0.2倍左右。根据材料力学理论可知，刚度与应变存在线性关系，第三个阶段，手指抓取动作完成，且手指动作不发生改变，应变应保持不变，但由于受到真空压力的影响，薄膜产生摩擦力，此时应变下降至0.2倍左右，由此可知手指的刚度变大，使应变减小，验证了变刚度层状结构通过真空压力对刚度变化的影响。

3 结论

针对变电站绝缘子串带电更换作业，本文使用柔性机械手来抓取绝缘子串，利用变刚度层状结构改变机械手刚度的大小，对变刚度层状结构进行受力分析，获取变刚度层状结构的刚度变化特性。由有限元仿真分析可知变刚度层状结构在不同真空压力下的刚度变化，得到在100 kPa的真空压力下，变刚度层状结构的位移量为5.662 mm，且刚度变化趋势为随着真空压力的增大而逐渐减小。经有限元仿真分析，柔性机械手更换绝缘子串抓取动作其表面应变最大值为0.25倍，刚度与应变存在线性关系，仿真分析过程中，手指抓取动作完成，且手指动作不发生改变，受到真空压力的影响，应变下降，由应变的变化值可以看出柔性手指刚度的变化，验证了变刚度层状结构对刚度变化的影响。