葉長龍，閆法兵，姜春英，于蘇洋(沈陽航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，沈陽 110136)

隨著社會的發(fā)展，電力系統(tǒng)已成為人們生活必不可少的一部分，因此電力線路可以說是人們生活保障的“生命線”。而架設(shè)在戶外的高壓架空線路，卻因長期處在復(fù)雜環(huán)境中，易老化破損，散股，金具松脫等問題，所以需要定期巡檢。由于人工巡檢效率低,危險(xiǎn)程度高，直升機(jī)巡檢的費(fèi)用高，所以各研究機(jī)構(gòu)專家學(xué)者對高壓線輸電線路的巡檢進(jìn)行了深入研究。加拿大、美國、日本等國家早期就開展了相關(guān)研究，但此時(shí)的機(jī)器人巡檢作業(yè)需要人工參與，且僅能完成兩線塔之間的巡檢或除冰工作[1-4]。2008年,伊朗seaman大學(xué)研制了機(jī)器人MOBOLAB[5]，它通過3個(gè)帶有滾輪的夾爪在導(dǎo)線上移動，越障時(shí)通過夾爪的升降、移動以避開障礙物。缺點(diǎn)是整體尺寸較大，適應(yīng)性低。2014年，伊朗的伊斯法罕電氣公司研制出用于高壓線檢測的機(jī)器人[6]，該機(jī)器人主要通過調(diào)整垂直橡膠輥?zhàn)雍退较鹉z棍子的位置進(jìn)行越障。由于框架式結(jié)構(gòu)的限制，該機(jī)器人僅能越過防震錘等下懸式障礙物。2015年，巴西聯(lián)邦大學(xué)研制出高壓線移動巡檢機(jī)器人的樣機(jī)[7]，它由4個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)組成的兩對相同的腿構(gòu)成，該機(jī)器人僅用一個(gè)驅(qū)動電機(jī)使腿式機(jī)構(gòu)移動，但是該機(jī)器人對線纜適應(yīng)性較差。國內(nèi)的研究起步于武漢大學(xué)、中國科學(xué)院自動化所等機(jī)構(gòu)，后期經(jīng)過與電力部門合作，使得巡檢機(jī)器人的研究快速發(fā)展。例如，2007年，上海大學(xué)研制出高壓導(dǎo)線巡檢機(jī)器人[8-9]，該機(jī)器人運(yùn)用了知識庫和傳感器在線監(jiān)測以實(shí)現(xiàn)自主越障。2012年，沈陽自動化研究所提出了一種四輪雙臂移動機(jī)器人，闡述了4種越障方式[10-11]。2013年，房立金等[12]提出了一種帶柔鎖的雙臂式巡檢機(jī)器人，驗(yàn)證了柔鎖在越障過程中可以降低手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩。2015年，葉長龍，高露等[13]開發(fā)了具有相對運(yùn)動的三臂高壓線巡檢機(jī)器人。通過驅(qū)動前后手臂與中間手臂的相對垂直運(yùn)動及相對轉(zhuǎn)動，進(jìn)行越障作業(yè)。同時(shí)，手臂的相對運(yùn)動，使機(jī)器人適應(yīng)了高壓線的曲率變化。2016年，王吉岱等[14]提出了仿靈長動物運(yùn)動原理與現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法相結(jié)合的新型巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人可越過非直線段障礙物。2017年，王婷，吳功平等[15]提出了穿越式巡線機(jī)器人，并設(shè)計(jì)出自動上下線裝置。2017年，胡亞南，馬書根等[16]提出了一種與模塊呈線性復(fù)雜度的高新重構(gòu)規(guī)劃方法，用于移動型模塊化機(jī)器人設(shè)計(jì)。

綜合以上討論與分析，巡檢機(jī)器人多采用臂式越障機(jī)構(gòu)，其越障效率低，環(huán)境適應(yīng)能力較差。結(jié)合高壓線環(huán)境，本文采用仿生原理與傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)相結(jié)合，提出新型越障機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)出巡檢機(jī)器人。對越障步驟和線纜曲率適應(yīng)性進(jìn)行了分析，并介紹了控制系統(tǒng)。最后針對線纜曲率適應(yīng)性做了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了越障機(jī)構(gòu)與巡檢機(jī)器人的可行性。

1 機(jī)器人機(jī)構(gòu)

1.1 輪指移動模塊

通過觀察浣熊倒掛攀爬樹枝的動作，仿生出四肢攀爬原理，并形成一個(gè)模塊。將模塊進(jìn)行串聯(lián)組合形成一個(gè)整體巡檢機(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)一檔內(nèi)高壓線上的快速移動與越障。攀爬簡圖如圖1所示。

圖1 機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理

將攀爬仿生原理與傳統(tǒng)輪式相結(jié)合提出輪指移動機(jī)構(gòu)。其中指形結(jié)構(gòu)是從浣熊倒掛樹枝時(shí)的攀爬動作獲得的啟發(fā)，提出的抓取式越障的機(jī)構(gòu)。為提高機(jī)器人整體在線纜上的移動速度，增加驅(qū)動力，在抓取指上設(shè)計(jì)了聚氨酯滾輪，形成輪指移動機(jī)構(gòu)。如圖2所示。

輪指移動模塊具有行走及越障功能，需要兩個(gè)驅(qū)動機(jī)構(gòu)：一是越障開合驅(qū)動機(jī)構(gòu)，另一個(gè)是輪式行走驅(qū)動機(jī)構(gòu)。越障開合機(jī)構(gòu)是由對稱四桿機(jī)構(gòu)演變得到，包括輪指、連桿1、連桿2、絲杠副和越障開合驅(qū)動電機(jī)。越障開合驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過絲杠副帶動連桿使輪指繞定軸旋轉(zhuǎn)，執(zhí)行打開和關(guān)閉，該機(jī)構(gòu)在開合過程中可自動調(diào)整機(jī)構(gòu)抓取的高度，以實(shí)現(xiàn)上下位置的調(diào)整和適應(yīng)線纜曲率的變化。行走驅(qū)動系統(tǒng)是由行走驅(qū)動電機(jī)、帶傳動和齒輪傳動組合而成。行走驅(qū)動機(jī)構(gòu)通過帶傳動和齒輪傳動驅(qū)動機(jī)器人在線纜上的前后移動。由于輪指移動模塊中的輪指移動機(jī)構(gòu)和開合驅(qū)動機(jī)構(gòu)外形像手指，且手指末端可以轉(zhuǎn)動，因此稱為輪指機(jī)構(gòu)，如圖3所示。輪指機(jī)構(gòu)包含一個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)和滾動手指。

圖2 輪指移動模塊三維模型及機(jī)構(gòu)簡圖

圖3 輪指機(jī)構(gòu)

1.2 模塊化組合機(jī)構(gòu)

輪指移動的模塊化設(shè)計(jì)使安裝組合更簡單，通過3個(gè)模塊的組合，可組成一個(gè)具有越障能力的巡檢機(jī)器人。模塊化組合的巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖，如圖4所示。3個(gè)模塊組合后，將輪指的滾輪驅(qū)動通過串聯(lián)方式聯(lián)結(jié)后，采用一個(gè)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動，使行走速度一致。模塊化組合的巡檢機(jī)器人整體機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖4 巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖

圖5 巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

該巡檢機(jī)器人在一檔內(nèi)的高壓線路上可以快速越過常見的障礙物，如懸垂絕緣子串、懸垂線夾、防震錘等。圖6所示為巡檢機(jī)器人巡檢作業(yè)路徑示意圖。該巡檢機(jī)器人作為初代研究成果，目前解決在一檔內(nèi)的越障問題，圖7為機(jī)器人功能樣機(jī)，其具體參數(shù)見表1所示。

圖6 巡檢作業(yè)路徑示意圖

圖7 巡檢機(jī)器人樣機(jī)

表1 機(jī)器人樣機(jī)的結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)

2 線纜曲率適應(yīng)性分析

2.1 巡檢機(jī)器人的越障過程

巡檢機(jī)器人通過3個(gè)指形機(jī)構(gòu)的依次順序打開與閉合，可以順利完成越障動作。以跨越絕緣子串為例，越障過程如圖8所示。以下是巡檢機(jī)器人越障過程分析：

(1)第一模塊打開，第二、三模塊調(diào)整位姿，機(jī)器人前進(jìn)，其狀態(tài)如圖8a所示;

(2)第一模塊閉合，第二模塊打開，第一、三模塊調(diào)整位姿，機(jī)器人前進(jìn)，其狀態(tài)如圖8b所示;

(3)第一、二模塊閉合，第三模塊閉合，第一、二模塊調(diào)整位姿，機(jī)器人前進(jìn)，狀態(tài)如圖8c所示;

(4)第一、二、三模塊閉合，機(jī)器人順利完成越障。如圖8d所示。

圖8 巡檢機(jī)器人越障步驟

巡檢機(jī)器人不僅能實(shí)現(xiàn)線纜的攀爬和跨越障礙物，而且能適應(yīng)高壓線兩個(gè)平面上的線纜形狀的變化；一個(gè)是垂直面內(nèi)，線纜自重造成線纜的曲率變化；另一個(gè)是水平面內(nèi)，由于金具位置造成線纜轉(zhuǎn)向曲率變化，如圖9所示。

圖9 高壓線兩種曲率形態(tài)

2.2 線纜曲率適應(yīng)性分析

輪指移動模塊的工作空間如圖10a所示的藍(lán)線圍成的區(qū)域，機(jī)器人的整體抓線空間為圖10b顯示的范圍。因此，在水平面和垂直面內(nèi)，線纜可以在上半?yún)^(qū)域內(nèi)任意位置。相應(yīng)的輪指機(jī)構(gòu)夾持線纜，同時(shí)適應(yīng)了線纜。

圖10 越障機(jī)構(gòu)的工作空間及機(jī)器人工作空間

巡檢機(jī)器人遇到障礙物后，調(diào)整各模塊越障機(jī)構(gòu)的開合角度，以適應(yīng)線纜曲率變化。輪指移動模塊的兩輪指交錯(cuò)相鄰布置，且相距距離較近，可近似認(rèn)為兩指桿交叉。取第二模塊兩指桿根部連線的中點(diǎn)為原點(diǎn)O，以O(shè)點(diǎn)直線第一模塊為X軸正方向，以O(shè)點(diǎn)垂直向上為Z軸正方向，建立笛卡爾坐標(biāo)系，如圖11所示。輪指與線纜的交叉點(diǎn)分別為A、B、C。

圖11 巡檢機(jī)器人坐標(biāo)系

各模塊的輪指機(jī)構(gòu)開合角度分析：

機(jī)器人在越障過程中，需要對各模塊的輪指機(jī)構(gòu)開合角度進(jìn)行調(diào)整。由于機(jī)器人尺寸相對線纜長度尺寸較小，假設(shè)機(jī)器人第一模塊和第三模塊之前的線纜為直線，因此A、B、C三點(diǎn)的斜率應(yīng)與線纜相同。整理后得

2h2=h1+h3

(1)

其中

(2)

式中，h為各輪指機(jī)構(gòu)夾持線纜時(shí)，線纜距離原點(diǎn)O的距離。

將式(2)代入到式(1)即可導(dǎo)出3個(gè)輪指移動模塊開合角度關(guān)系

2L2b-4pd+L2tanα3-2qd=L2a-2md

(3)

式(3)中，

α1，α2，α3為輪指移動模塊輪指開合角度；L2為指桿長度；R為滾輪半徑；r為線纜的半徑。

垂直面內(nèi)曲率適應(yīng)性分析：

巡檢機(jī)器人在垂直面內(nèi)進(jìn)行線纜上越障作業(yè)時(shí)，適應(yīng)的最大曲率是兩端的模塊的工作空間處于極限位置時(shí),第一模塊指桿頂端夾持住線纜，第三模塊指桿末端夾持住線纜。設(shè)機(jī)器人在垂直面內(nèi)適應(yīng)的最大角度為k1，即

(4)

式(4)中，L3為兩輪指移動模塊之間距離。

水平面內(nèi)曲率適應(yīng)性分析：

巡檢機(jī)器人在水平面內(nèi)進(jìn)行線纜上越障作業(yè)時(shí)，適應(yīng)的最大曲率是輪指開合最大限度時(shí)輪子內(nèi)側(cè)恰好與線纜相切。尺寸關(guān)系如圖12所示。

圖12 水平面內(nèi)機(jī)器人尺寸關(guān)系

設(shè)機(jī)器人在水平面內(nèi)適應(yīng)的最大角度為k2，即

(5)

由于機(jī)器人結(jié)構(gòu)限制，在大尺度轉(zhuǎn)向和爬坡越障時(shí)具有一定困難，但可滿足一類小尺度轉(zhuǎn)向和小角度爬坡越障線路。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)巡檢機(jī)器人的功能，機(jī)器人的控制系統(tǒng)包括：控制器、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、電源系統(tǒng)?？刂破鬟x用Arduino mega2560，其特點(diǎn)是具有大量接口，適用于大量I/0接口的設(shè)計(jì)。感知系統(tǒng)包括3個(gè)光電開關(guān)、一個(gè)陀螺儀和一個(gè)攝像頭，每個(gè)輪指移動模塊各安裝一個(gè)光電開關(guān)，陀螺儀布置在中間輪指移動模塊上。另外4個(gè)20W的直流電機(jī)組成驅(qū)動系統(tǒng)，系統(tǒng)采用9V鋰電池供電。其控制系統(tǒng)如圖13所示，巡檢機(jī)器人作業(yè)過程如圖14所示。根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，開發(fā)了基于MATLAB平臺的操作系統(tǒng)，其運(yùn)行界面如圖15所示。

圖13 控制系統(tǒng)圖

4 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性，應(yīng)用輕型鋁合金材料制作了小結(jié)構(gòu)的功能樣機(jī)。并搭建了模擬的高壓線環(huán)境，建立了障礙物環(huán)境，如圖16和圖17所示。該環(huán)境中有防震錘、絕緣子串、水平面內(nèi)的曲線形狀和垂直面內(nèi)的曲線形狀。通過實(shí)驗(yàn)，得出該功能樣機(jī)能夠越過防震錘、絕緣子串障礙物，能夠適應(yīng)兩個(gè)平面內(nèi)的線纜曲率變化。

5 結(jié)論

本文通過仿生原理，提出了輪指式移動模塊結(jié)構(gòu)。并可通過模塊的串聯(lián)，組合成一種新型高壓線巡檢機(jī)器人。機(jī)器人能較好的適應(yīng)線纜環(huán)境，可在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)適應(yīng)線纜曲率的變化。對該模塊化高壓線巡檢機(jī)器人的適應(yīng)能力做了詳細(xì)分析。同時(shí)開發(fā)了功能樣機(jī)，并模擬實(shí)際應(yīng)用環(huán)境做了機(jī)器人的初步實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明該機(jī)器人能夠跨越防震錘、絕緣子串等障礙物。并能夠適應(yīng)兩個(gè)平面內(nèi)高壓線纜曲率的變化，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和線上驅(qū)動能力，應(yīng)用前景較好。

圖14 巡檢機(jī)器人作業(yè)過程

圖15 巡檢機(jī)器人作業(yè)過程

圖16 垂直面內(nèi)跨越障礙并適應(yīng)曲率變化的過程

圖17 水直面內(nèi)跨越障礙并適應(yīng)曲率變化的過程

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] SAWADA J，KUSUMOTO K，MUNAKATA T，et al.A mobile robot for inspection of power transmission lines[J].IEEE Power Engineering Review，1991，11(1):57.

[2] DEBENEST P,GUAMIERIM,TAKITA K,et al..Expliner-Robot for inspection of transmission lines[C].Intermational Conference on Robotics and Automation,2008:3978-3984.

[3] MONTAMBAULT S，COTE J，ST.LOUIS M.Preliminary results on the development of a teleoperated compact trolley for live-line working[C]// IEEE Esmo-2000 IEEE,International Conference on Transmission and Distribution Construction,Operation and Live-Line Maintenance Proceedings.IEEE，2000:21-27.

[4] MONTAMBAULT S，POULIOT N.The HQ LineROVer:contributing to innovation in transmission line maintenance[C]// IEEE,International Conference on Transmission and Distribution Construction,Operation and Live-Line Maintenance，2003.2003 IEEE Esmo.IEEE，2003:33-40.

[5] PINTO J K C，MASUDA M,MAGRINI L C，et al.Mobile robot for hot spot monitoring in electric power substation[C]// Transmission and Distribution Conference and Exposition，2008.T&D.IEEE/PES.IEEE，2008:1-5.

[6] MOSTASHFI A，F(xiàn)AKHARI A，BADRI M A.A novel design of inspection robot for high-voltage power lines[J].Industrial Robot，2014，41(2):166-175.

[7] GON?ALVES R S，CARVALHO J C M.A mobile robot to be applied in high-voltage power lines[J].Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences & Engineering，2014，37(1):1-11.

[8] ZHIBIN R，YI R，YONG Y，et al.Control of inspection robot for the power transmission lines based on database[C]//2008 27th Chinese Control Conference.IEEE,2008:281-285.

[9] 任志斌，阮毅.架空輸電線路巡檢機(jī)器人的空間定位方法研究[J].機(jī)床與液壓，2008，36(3):66-69.

[10]郭偉斌，王洪光，凌烈，等.一種四輪雙臂巡檢機(jī)器人越障特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012(10):167-169.

[11]郭偉斌，王洪光，姜勇，等.一種輸電線路巡檢機(jī)器人越障規(guī)劃方法[J].機(jī)器人，2012，34(4):505-512.

[12]房立金，魏永樂，陶廣宏.一種新型帶柔索雙臂式巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)[J].機(jī)器人，2013，35(3):319-325.

[13]葉長龍，高露，余雪，等.三臂結(jié)構(gòu)高壓線巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)與運(yùn)動學(xué)仿真效果研究[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，46(1):79-84.

[14]WANG J，LIU X，LU K，et al.A new bionic structure of inspection robot for high voltage transmission line[C]// International Conference on Applied Robotics for the Power Industry.IEEE，2016:1-4.

[15]王婷，吳功平.穿越式巡線機(jī)器人自動上下線裝置設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017(5):245-248.

[16]胡亞南,馬書根,李斌,等.移動型模塊化機(jī)器人的高效重構(gòu)規(guī)劃方法[J].機(jī)器人,2016,38(4):467-474.