張 屹，丁昌鵬，朱大林，韓 俊，艾福洲

（1. 三峽大學(xué) 機械與材料學(xué)院，宜昌 443002；2. 宜昌供電公司，宜昌 443000）

0 引言

近年來，由于輸電線路上的覆冰和積雪帶來的巨大經(jīng)濟損失，國內(nèi)高校和各科研院所開始大規(guī)模對輸電線路除冰機器人進行研究。山東科技大學(xué)王吉岱團隊主要對除冰機器人除冰方式進行了研究[1]；湖南大學(xué)孫煒教授團隊將研究重點放在了機器人傳感器和機器視覺以及控制上[2]；武漢大學(xué)動力與機械學(xué)院吳功平教授團隊對移動機器人機構(gòu)、自主移動導(dǎo)航、電源及其管理系統(tǒng)和機器人本體的系統(tǒng)集成做了深入探討[3]；華南理工大學(xué)則通過模型分析和仿真對巡線機器人跨越引流跳線的功能進行了研究[4]。這些研究都取得了一定的成果，但是關(guān)于機器人越障功能的研究較少，且僅有的對機器人越障功能的研究主要集中在簡化的直線線路條件下，沒有考慮實際線路中存在的傾角問題，對大傾角線路的越障研究和實驗不夠完善，而實際線路中的傾角問題是不可避免的?；诖耍恼轮攸c分析機器人跨越帶傾角線路障礙物的條件，總結(jié)線路傾角與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計出了一種能跨越帶傾角線路障礙物的新機器人結(jié)構(gòu)，并進行仿真及實驗驗證，豐富機器人越障領(lǐng)域的研究成果。

1 除冰機器人機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

除冰機器人是機電一體化系統(tǒng)，包括機器人機構(gòu)、通信、控制、傳感器和電源等，機械結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。除冰機器人在輸電線路上除冰，基本前提是機器人能在線路上平穩(wěn)行進，輸電線路上有防震錘、線夾、絕緣子等障礙物，機器人除能沿導(dǎo)線行走之外，關(guān)鍵是遇到障礙物能安全平穩(wěn)越過。本課題組設(shè)計的機器人由除冰機構(gòu)、行走機構(gòu)、手臂機構(gòu)、錯動箱及控制箱組成，其中行走機構(gòu)采用前后兩行走輪的雙行走輪結(jié)構(gòu)；手臂機構(gòu)包括具有伸縮、旋轉(zhuǎn)功能的前、后手臂和具有夾線夾的中間手臂，前、后臂分別位于導(dǎo)線左、右兩側(cè)，中間臂位于導(dǎo)線正下方。如圖1所示。

圖1 除冰機器人結(jié)構(gòu)圖

為滿足越障除冰需要，機器人上裝有10套直流無刷電機的伺服系統(tǒng)，在前后兩個手臂上裝有控制行走輪滾動和夾線夾的夾緊松開的成對伺服系統(tǒng)，前臂上裝有控制除冰機構(gòu)工作的伺服系統(tǒng)，錯動箱上裝有控制中間手臂水平移動和左右錯動箱錯動的伺服系統(tǒng)，左、右錯動箱里面分別安裝有控制前、后手臂的升降及旋轉(zhuǎn)的伺服系統(tǒng)，即一個伺服系統(tǒng)控制一個手臂的升降和旋轉(zhuǎn)兩個動作，中間臂上裝有控制夾線夾夾緊松開的伺服系統(tǒng)。左右錯動箱里還各裝有一個電磁鐵，對手臂進行定位，機器人本體上還裝有接近開關(guān)、行程開關(guān)等傳感器。

2 除冰機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

本課題組設(shè)計的除冰機器人主要采用人機結(jié)合、局部智能的控制方式，主要包括遠程控制系統(tǒng)、機器人本體控制系統(tǒng)和執(zhí)行層，整個控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 除冰機器人電控系統(tǒng)

無線收發(fā)模塊采用APC220模塊，APC220模塊是高度集成的半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機和高性能射頻芯片，采用高效的循環(huán)交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾正24 bits連續(xù)突發(fā)錯誤。系統(tǒng)選用AVR系列的Mega128作為主控芯片，該芯片內(nèi)部含有豐富的硬件資源，能夠十分方便地與無線收發(fā)模塊APC220進行通信。電機驅(qū)動采用Freescale公司的MC3386，該驅(qū)動可以同時驅(qū)動兩個電機。

在遠程控制方式下，其接收遠程控制系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，將其解釋為各個電機的運動序列，并依次發(fā)送給執(zhí)行層進行執(zhí)行; 在自主越障時，其根據(jù)知識庫和傳感器檢測信息，自主進行機器人動作規(guī)劃，生成電機動作。

3 越障方法研究

3.1 越障原理

除冰機器人在輸電線路上除冰，基本前提是機器人能在線路上平穩(wěn)行進，輸電線路上有防震錘、線夾、絕緣子等障礙物，機器人除能沿導(dǎo)線行走之外，關(guān)鍵是遇到障礙物能平穩(wěn)可靠地越過。圖3為機器人前臂翻越帶傾角線路上絕緣子示意圖。

圖3 除冰機器人前臂跨越絕緣子示意圖

當機器人前臂遇到障礙物時，通過遇障傳感器發(fā)出停止信號使機器人停止運動，機器人開始自動越障。前臂和后臂同時收縮，中間臂夾線夾上中裝有前、后兩個分別控制前臂和后臂的傳感器，前傳感器接近導(dǎo)線時，前臂停止收縮，后傳感器接近導(dǎo)線時，后臂停止收縮，中間手臂夾線夾夾緊導(dǎo)線，后臂上的夾線夾夾緊導(dǎo)線；通過前臂升降旋轉(zhuǎn)電機使前臂上升到最高，前臂電磁鐵插銷收進，前臂升降旋轉(zhuǎn)電機降速并使前臂順時針旋轉(zhuǎn)180°，前臂電磁鐵插銷彈出，前臂位置固定；前臂向前移動，越過障礙物后，前臂電磁鐵插銷收進，前臂升降旋轉(zhuǎn)電機降速并使前臂順時針旋轉(zhuǎn)180°，前臂電磁鐵插銷彈出，前臂位置固定；此時由于機器人自身重力作用，中間臂夾緊夾上的前傳感器脫離導(dǎo)線，前臂下降到導(dǎo)線，直到中間臂夾線夾上的前傳感器接近導(dǎo)線停止下降；中間臂夾線夾和后臂夾線夾松開導(dǎo)線，前臂和后臂同時伸長到最高點；機器人向前行走，直到后臂遇到障礙物，機器人停止運動。后臂采用與前臂相同的越障原理越過障礙物。

3.2 線路傾角與機器人主要機構(gòu)尺寸關(guān)系

架空線路是由多跨導(dǎo)線與多座桿塔、基礎(chǔ)以及附屬連接件組成的連續(xù)、耦合的空間體系結(jié)構(gòu)。在實際的輸電線路中，線路走廊穿越的地理環(huán)境更加復(fù)雜，如經(jīng)過大面積的水庫、湖泊和崇山峻嶺，輸電桿塔間存在著較大間距，基礎(chǔ)所處地勢高低不一，而且輸電線采用的是柔性相對較大的金屬材料鋁，兩相鄰桿塔間輸電線呈現(xiàn)的是弧線形，而不是繃緊的直線形?？拷€夾兩側(cè)的短距離的輸電線與水平面之間存在著一定的角度，這個角度即為實際輸電線路中存在的傾角，此角度會因基礎(chǔ)地勢、桿塔間距、輸電線型號及其它相關(guān)因素的不同而有差異，傾角會給機器人越障帶來困難。在工程實際中，一般懸垂角為5°～12°；當線路通過山區(qū)高差較大時，懸垂角可達20°～ 25°，超過25°的懸垂角極少見[5]。

線路傾角及障礙物位置約束機器人本體機構(gòu)尺寸，本課題組以導(dǎo)線傾角及障礙物位置為約束條件設(shè)計計算機器人機構(gòu)尺寸。將線夾兩側(cè)短距離內(nèi)的導(dǎo)線剛性處理，在分析機器人越障時不考慮導(dǎo)線變形影響。除冰機器人本體材料為鋁合金LY12，在運行中機器人與線路結(jié)構(gòu)簡化成為一個剛性系統(tǒng)，在前臂越障過程中，由于中間臂夾線夾和后臂夾線夾均已經(jīng)夾緊導(dǎo)線，兩點固定使機器人縱向軸線與同側(cè)導(dǎo)線平行。此處考慮線路傾角，分析計算機器人跨越絕緣子、線夾障礙物時線路傾角與機構(gòu)尺寸的關(guān)系。

機器人跨越防震錘需滿足的條件：

機器人跨越絕緣子需滿足的條件：

式中：x為除冰機構(gòu)前端超出前臂側(cè)端距離；x1為錯動箱相對錯動最大距離；x2為越障時機器人兩端（除冰機構(gòu)前端，后行走輪后端）距障礙物的安全距離，取x2=30mm；x3為前臂側(cè)端距前臂行走輪后端距離，x3=120mm；x4為手臂上下箱錯動最大距離；x5為越防震錘時中間臂夾線夾中心距防震錘的安全距離，x5=30mm；L為機器人前后臂側(cè)端相隔距離；L1為懸垂線夾長；L2為絕緣子盤徑；L3為防震錘中心寬度；H1為導(dǎo)線中心到絕緣子底部的距離；H2為防震錘下部中心到導(dǎo)線中心距離；H3為前后臂伸至最長時，中間臂夾緊夾中心到導(dǎo)線中心的距離，H3=130mm；H4為中間臂夾線夾高度；d為前臂越過絕緣子時，前行走輪與絕緣子之間的安全距離，d=30mm；D為防震錘最大直徑；D2為行走輪直徑；S為防震錘中心到懸垂線夾中心距離；

為導(dǎo)線中心軸線方向與水平方向的夾角。

實際輸電線路的傾角必然存在，在相對平緩的線路時，手臂伸長量x4小，此時行走箱錯動距離主要取決于障礙物的結(jié)構(gòu)尺寸；隨著傾角增大，x4增量明顯；以障礙物兩邊對稱傾角分析，線路傾角理論上須小于25°，則機器人越障能力完全滿足實際線路工況。

4 除冰機器人越障仿真與實驗

本課題組在制造物理樣機前，運用現(xiàn)代的虛擬設(shè)計方法以驗證越障方案的可行性并評價機構(gòu)尺寸。以上節(jié)的分析計算結(jié)果為依據(jù)，以機器人跨越110KV帶傾角為20°輸電線路為例，此時機器人前后臂間距L=750mm，錯動箱相對錯動最大距離x1=740mm，手臂上下箱錯動最大距離x4=320mm。按越障原理規(guī)劃的機器人越障動作，忽略本體的局部結(jié)構(gòu)，在Pro/E環(huán)境下建立機器人的三維模型以及帶傾角線路環(huán)境，進行仿真分析。其過程如圖4所示。

圖4 機器人跨越帶傾角線路障礙物仿真

圖4列出了機器人前臂跨越單邊20°傾角線路中絕緣子和線夾的運動過程。后臂越障具體步驟與前臂一致。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化的機器人結(jié)構(gòu)和越障方案切實可行，機器人手臂攜帶除冰裝置能順利的完成帶傾角線路的越障功能。

在實驗室搭建帶傾角的輸電線路模擬環(huán)境進行樣機實驗，如圖5所示。通過模擬線路的樣機實驗，機器人能很好的滿足設(shè)計功能要求，能跨越帶傾角線路絕緣子串和線夾，越障動作順利可靠。

圖5 除冰機器人樣機實驗室越障實驗

5 結(jié)束語

通過分析輸電線路實際工況，得出了機器人機構(gòu)尺寸與實際線路傾角的關(guān)系，使得機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計分析更精確；設(shè)計出能跨越實際傾角線路障礙物、具有高機動性能的除冰機器人，結(jié)構(gòu)簡單、控制簡便；通過仿真和實驗驗證了機器人結(jié)構(gòu)正確性，能跨越帶傾角線路障礙物，機器人適應(yīng)性好，實用性強，實現(xiàn)了除冰機器人從實驗分析到實際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。

[1] 王吉岱,王珊,雷云云,等.一種新型輸電線路除冰機器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造,2011,5(5):62-64.

[2] 王聰,孫煒.高壓輸電線路除冰機器人抓線運動控制[J].機械工程學(xué)報,2011,47(9):8-15.

[3] 徐顯金,李維峰,吳功平,等.沿架空地線行駛的自主巡檢機器人及應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2010,12(6).752-761.

[4] 余曉鑫,田聯(lián)房,王孝洪,等.基于SolidWorks的巡線機器人機械本體設(shè)計及越障運動仿真[J].機械設(shè)計與制造,2010,8(8):180-182.

[5] 懂吉諤.電力金具手冊.2版[M].北京:中國電力出版社,2001.

[6] 張屹,邵威,朱大林,等.架空輸電線路除冰機器人的樣機研制及動力學(xué)仿真[J].水電能源科學(xué),2011,29(3):16 2-165.