摘要：针对高压线上绝缘子清洗过程中成本高、工作量大和危险性高的问题，研制了一款绝缘子清洗机器人。该机器人采用履带式移动机构，通过与绝缘子串表面之间的摩擦力实现定位和移动功能。机器人能够在绝缘子串上自由移动，这是进行清洗操作的前提。机器人配备双臂和清洗机构，通过驱动清洗机构的动作，喷嘴和毛刷联合作业，实现对绝缘子表面的清洗。喷嘴喷洒水润湿绝缘子表面，在水和机械力的作用下，将绝缘子表面的污渍冲刷掉，从而实现绝缘子的清洗。控制系统由上位机和底层控制系统组成，底层控制系统以STM32F103单片机为核心，采用无线蓝牙通信技术，可实现远程遥控操控。此外，还搭建了屏蔽罩，以实现对绝缘子的带电清洗方案。对绝缘子机器人的机械结构进行了分析和设计，并建立了相应的模型。在硬件选型和连接方面，做出了合理的选择。通过软件编程实现了机器人的功能，并具备良好的人机交互性能。试验结果表明，该机器人清洗后的绝缘子壁面干净程度可达到85%的良好率，初步满足了各项清洗要求。此外，该机器人的生产成本相对较低，具有良好的自主清洗和稳定性能，为商业化生产提供了理论参考。

　　关键词：绝缘子清洗机器人；清洗机构；STM32F103单片机；等电位带电清洗

　　0引言

　　随着我国经济建设的快速稳定发展，电网建设取得飞速进步，可靠运行的电力系统是保证日常生活和工业生产正常运转和可持续发展的基础。绝缘子作为变电站中常用的设备，它的性能直接关系到电网的安全稳定运行。变电站绝缘子在长期运行中，悬浮在空气中的灰尘容易粘附在绝缘子表面形成脏层，使得绝缘子绝缘性能降低，容易发生污染事故[1-3]。

　　针对绝缘子常见的闪络问题，输电线上的绝缘子需要人工定期清理，20世纪70~80年代，日本九州电力株式会社和安川机器人[4]联合开发了一种用于低压线路检测的智能绝缘子检测机器人。美国、澳大利亚、以色列等一些国家采用直升机水清洗方式，通过了500 kV等电位和过电压放电示范实验[5-6]。2001年上海交通大学[7]的机器人研究所研制出了一种支柱型绝缘子清扫机器人HVCR-1。2016年西安交通大学[8]科研团队研制出一种绝缘子带电水冲洗机器人。目前，我国主要采用人工定期清扫输电线上的绝缘子来解决问题[8-9]。然而，这种方法存在劳动强度大、危险性高的问题。同时，在高空和恶劣天气条件下，作业者可能感到不适，导致工作效率低下。虽然无人机搭载高压喷洒装置来清洗绝缘子是一种可行的方法[10-11]，但它只适用于简单的输电线路。一旦线路复杂多样，这种方法会增加无人机操作的难度，同时可能影响无人机的正常运作。

　　针对现有的绝缘子清洗机器人的不足，研发出一种绝缘子清扫机器人用于替代人工作业，实现便捷高效及安全的绝缘子带电清扫任务。通过实验验证，该机器人表现出高效的清洗能力，能够稳定地跨越绝缘子串，从而降低了清洗作业的成本和事故风险，具备显著的社会效益和广阔的应用前景。

　　1工作原理

　　绝缘子机器人的质量控制目标为约15 kg（图1所示机械结构整体示意图），通过无人机将其悬挂在高压线塔上的绝缘子串上。后期将会在机器人的前后左右各装配4个摄像头，以实现对绝缘子周围情况的全方位环视。通过左右摄像头，可以检测绝缘子表面的清洗情况，并且确保抱紧机构能够合理地卡在两个绝缘子之间，以保证清洗工作的正常进行。同时，前后摄像头可以实时检查路径规划，以确保机器人在绝缘子串移动过程中不会产生过大的偏移，从而避免机器人发生高空坠落的危险。这些摄像头采用车载摄像机，具备出色的稳定性和适应高温环境的能力。此外，它们还采用专门的通信协议，以确保高度可靠的数据传输。

　　在绝缘子串的移动过程中，履带跨越3个绝缘子，每次移动一个绝缘子的距离。伸缩机构始终处于展开状态，直至确定清洗位置后，伸缩机构回缩并紧抱绝缘子，随后驱动清洗机构进行绝缘子的清洗。通过使用摄像机在显示屏上观察绝缘子的清洁程度是否符合标准，如未达到要求，则驱动清洗机构进行再次清洗。在实现基本功能后，对机器人进行电磁场分析，以获取电磁场分布情况，并据此设计和搭建等电位屏蔽罩，以有效屏蔽外部电磁干扰，保证机器人的稳定运行。

　　主程序的框架如图2所示，系统上电后，首先进行单片机CPU的初始化。CPU的主要任务是读取传感器数据，并对读取的数据进行数据融合和解算，以获取机器人的姿态数据。通过串口不断发送姿态数据，实现定位功能。同时，根据PID算法计算结果，控制定时器输出PWM信号，以实现对机器人运动的精确控制。

　　2机械结构

　　根据绝缘子清洗机器人实际作业情景的功能需求和技术要求，机器人在完成对清洗任务的同时，一定要保证高空作业的安全性及其机器人的可靠稳定性，因此，采用模块化设计理念，绝缘子清洗机器人本体结构主要包括移动机构、抱紧机构、清洗机构、伸缩机构，其整体结构如图3所示。

　　2.1伸缩机构

　　伸缩移动平台采用铝合金材料，行程为500 mm。当机器人作业时，伸缩移动平台通过移动平台的伸缩，与绝缘子靠近与分离操作，清洗阶段闭合，清洗结束分离，继续向前形式，清洗下一阶段绝缘子，从而实现了清洗的连贯性。

　　2.2移动机构

　　伸缩机构考虑实际需求，需要同时清洗两串绝缘子串，因此设计出图3所示的移动结构，蠕动是利用履带与绝缘子串表面之间的摩擦力向前后移动的常用方式，这种移动方式具有连续运动等优势，在运动过程中能够保证其绝缘子免受机械作用而受到损害。

　　2.3清洗机构

　　机器人清洗作业采用喷嘴和毛刷的协同工作方式，通过喷射清水对绝缘子表面进行湿润处理，借助水和机械力的双重作用，有效冲刷绝缘子表面的污渍，以实现对绝缘子表面的清洗[12]。机器人清洗机构如图4所示。由图可知，清洗作业采用两个连杆装置，通过滑动辅助件辅助连接杆运动，使得连接杆沿电动导轨往绝缘子方向运动，依靠调速电机转动，连杆机构能实现360°转动充分清洗绝缘子的每个角度，该机器人具备精确控制洗刷装置启停的能力，并能根据绝缘子表面不同的污染程度，设定不同的转速进行清洗作业。清洗机构选择旋转刷，考虑到以下几点：（1）绝缘体的表面呈圆形；（2）与顶部不同，绝缘体的底部形状复杂，极易受到污染物的影响。为了沿着绝缘体的圆周移动旋转刷，设计了一种清洁机制，该机构通过两个连杆装置，通过滑动辅助件辅助连接杆运动，使得连接杆沿电动导轨往绝缘子方向运动得更稳定和更顺畅，使得清洗刷能更准确地嵌入至两个绝缘子的圆盘结构之间。

　　2.4屏蔽罩

　　等电位技术创新性的运用实现对绝缘子等电位带电清洗的实现方案，等电位基本原理是当人体或机器人与带电体完全接触后，为了达到相同的电位，会发生较大的暂态电容放电电流。该电流的等效电路如图5所示，其中Uc表示人体或机器人与带电体之间的电位差，该电位差作用在人体（或机器人）与带电体所形成的电容C上。在等电位的过渡过程中，形成一个放电回路，放电瞬间相当于开关S接通瞬间。此时，限制电流仅由人体电阻（或机器人电阻）Rr提供，冲击电流的初始值Ich可由欧姆定律计算得出，即Ich=Uc/Rr。因此在等电位原理中，需要使其电流流经其他地方，即使使用比较低的电阻材料包裹着被保护体，内部电阻较大，因而电流流经表面[13]。

　　高压静电防护服（图6（a））是用导电纤维材料与纺织纤维混纺交织成布后再做成的服装。其高压带电作业工人必须穿戴的服装，作业流程：（1）等电位棒接入（避免人体与带电体瞬间放电）；（2）工人穿戴服装作业（形成一个屏蔽）。人体电阻约100 kΩ,当电压在500~1 000 V时，人体电阻便下降为1 000Ω,可见高压静电防护服的电阻比人体电阻低，即屏蔽材料比被保护物体电阻还低。

　　因此可以根据以下原理总结运用在机器人身上。当导电屏蔽材料与带电体接近时，形成了电场并在屏蔽材料周围形成局部离子活化区域。该区域内的空气被击穿，产生电晕放电，导致正负离子的生成。负离子移向带电体进行中和，而正离子则通过屏蔽材料向大地泄漏，实现对电场的屏蔽作用。

　　综上两个等电位例子，可进一步总结出一些标准。再根据高压静电防护服性质，可仿造其技术标准去制作机器人外壳，从而实现高压带电清洗绝缘子，机械仿真如图6（b）所示。

　　3清洗机器人控制系统设计

　　控制系统是绝缘子清洗机器人的主要核心部件，其性能直接决定该系统的表现、能否实现清洗功能和能否爬过绝缘子。该清洗机器人控制器是自主设计，主控芯片选用STM32F103单片机，对清洗装置和移动装置发出控制信号，依据清洗机器人功能需求设计整体硬件系统，主要包含STM32F103单片机、底盘驱动模块、直线模组模块、清洗模块和通信模块等[14]，机器人硬件系统设计如图7所示。

　　绝缘子清洗机器人清洗前清洗机构姿态的稳定和插入位置的准确是确保清洗效率的关键因素。确保清洗机构姿态的稳定是利用两个光电传感器分别对左右的清洁机构进行零位检测，从而实现清洁机构最终停留在指定位置，方便直线模组的张开和关闭动作；确保插入位置的准确是在机器人行驶过程中，两个光电传感器分别对左右的绝缘子进行检测，从而确定绝缘子位置和计数，通过以太网接口可以向主控器输出姿态和位置信息，主控制器也通过Modbus TCP通信协议对电机驱动器进行通信从而控制直流无刷电机运动，实现机器人控制清洁机构转动，从而达到清洁绝缘子的功能。

　　4上位机控制界面设计

　　上位机控制面板作为绝缘子清洗机器人的远程控制终端，具备接收机器人本体传感器数据信息并解析，以及发送机器人控制指令的双重功能[15]。

　　机器人底层控制系统采用STM32F103单片机作为主控制器，并集成了继电器、光电传感器、限位开关、步进电机和直流无刷电机等外部元件。在启动后，主控制器通过输出不同高低电平时间的PWM信号来精确控制绝缘子清洗机器人的运动，以实现对机器人本体姿态和清洗压力的控制。主控制器通过以太网接口与人机交互界面进行通信，实现传感器数据传输和控制指令的解析与发送。工作人员可以通过人机交互界面实时观察机器人本体的姿态等数据信息，并发送相应的控制信号，实现对机器人的监控和控制。控制软件界面示意如图8所示。由图可知，人机交互界面主要包括串口搜索连接区域、直线模组、履带电机、清洁电机、数据发送接收区域和清洗机器人状态和数据显示区域。为了实现对机器人的控制和监测，进行了以下研究。

　　（1）通信模块：采用了以太网接口和Modbus TCP协议的数传模块，确保数据传输的安全、可靠和稳定，主要负责传输各种传感器数据和控制指令。

　　（2）状态检测模块：实时测量和收集机器人本体的运动状态数据，以实现对机器人本体姿态的实时监测。

　　（3）运动控制模块：根据机器人本体状态数据显示，设计人机交互的控制输出指令，方便操作清洗机器人的电机、水泵的启停，以及控制清洗机器人的移动、伸缩、清洁等动作。

　　5样机试验

　　根据上文对清洗机器人机械结构与控制硬件的详细介绍，搭建出整套清洗机器人系统，如图9所示。

　　为了验证清洗机器人的可行性，在实验室环境下搭建了一个实验平台，并进行了清洗实验。实验中，清洗机器人的主控制器采用了STM32F103单片机，并通过Modbus TCP协议与人机交互界面进行通信，以实现对机器人清洗和越障等功能的控制。实验过程中，在待清洗的玻璃绝缘子表面随机撒播了灰尘，并让机器人在清洗位置停下时，上位机发送清洗指令。机器人执行毛刷清洗去尘动作的同时，水泵也启动喷水，为机器人提供一定的清洗压力。清洗完成后，机器人向前移动到下一组绝缘子位置继续清洗。实验结果显示，经过机器人清洗后，绝缘子表面的污垢得到了有效清除。如图10所示，实验结果表明所研制的绝缘子清洗机器人能够初步满足各项清洗要求。

　　作为测试样品，使用的绝缘体的等效盐沉积密度（ESDD）为0.506 mg/cm2，在污染水平上被归类为E级。在使用机器人清洁之后，测量了他们的ESDD。表4显示了清扫机器人的清扫性能测试结果，从表中可以看到，E级绝缘体可以通过清洁两次变成B级绝缘体。然而，清洁两次以上并不能大大提高其效率。这意味着大约20%的污染物粘附在绝缘体的表面上。即便如此，5次清洁也能获得A级。清洗性能测试如表1所示。

　　6结束语

　　在本文中，以STM32F103单片机作为控制核心，采用Modbus TCP通信协议，集成了清洗和移动功能的绝缘子清洗机器人控制系统。设计了一套人机交互界面，并进行了绝缘子清洗实验。实验结果表明，该机器人能够在绝缘子串上进行正常的清洗作业和移动，并且具有较好的抗掉落性能，能够有效应对外界环境对机器人姿态的影响。然而，实验数据显示清洗绝缘子时仍存在一定的位置误差，这可能是由于绝缘子机器人的机械结构不稳定所导致的。进一步的研究仍需解决这些潜在影响因素。

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