王吉岱， 梁茂軒， 孫愛芹* ， 王智偉， 劉 毅， 張 斌

(1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211000)

輸電線路巡檢機(jī)器人是一種代替人工進(jìn)行輸電線路巡檢作業(yè)的電力作業(yè)機(jī)器人，其中機(jī)器人手臂作業(yè)空間小、無法跨越引流線等復(fù)雜障礙、越障可靠性能差等因素一直是限制其推廣應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)。

輸電線路巡檢機(jī)器人一直是中外電力機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，早在20世紀(jì)90年代初，發(fā)達(dá)國家就對(duì)其進(jìn)行了研制，其中代表性的有加拿大魁北克水電研究院研究的“LineScout”機(jī)器人[1-2]及日本HiBot公司研制的“OPGW”機(jī)器人[3]等。20世紀(jì)90年代末，中國一些研究機(jī)構(gòu)及高校也展開了相關(guān)研究工作并取得了突出進(jìn)展，其中最具代表性的有武漢大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的雙臂式巡檢機(jī)器人[4-5]、山東科技大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制的仿猿式三臂巡檢機(jī)器人[6]及中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所研制的多臂式巡檢機(jī)器人[7-8]等?？傮w來看，目前中外研究機(jī)構(gòu)所研制的巡檢機(jī)器人基本均可以實(shí)現(xiàn)簡單障礙(間隔棒、防振錘等)的穩(wěn)定跨越，但大多還不能實(shí)現(xiàn)引流線等復(fù)雜障礙的跨越。山東科技大學(xué)所研制的仿猿式巡檢機(jī)器人[9]雖然可以基本完成引流線障礙的跨越，但中臂作為重心平衡臂，并不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)器人重心位置，在風(fēng)力或重力的干擾下，易出現(xiàn)機(jī)器人前后傾覆及打滑下墜的現(xiàn)象，越障穩(wěn)定性較差。

針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)一種能穩(wěn)定跨越引流線等復(fù)雜障礙的巡檢機(jī)器人。通過觀察與分析尺蠖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，結(jié)合仿生學(xué)理論對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)及ADAMS軟件對(duì)機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真與分析，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及機(jī)器人越障過程的穩(wěn)定可靠性。

1 機(jī)器人仿尺蠖式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 尺蠖運(yùn)動(dòng)分析

尺蠖屬于無脊椎動(dòng)物，運(yùn)動(dòng)方式為屈伸蠕動(dòng)[10]，其運(yùn)動(dòng)過程中，胸足和腹足、臀足分別起著保持器的作用，這三種足在不同階段控制著尺蠖的身體與固定物保持著不同的關(guān)系，尺蠖的身體部分則起著推進(jìn)器的作用。把尺蠖一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分解，如圖1所示，可以得到以下運(yùn)動(dòng)規(guī)律：①胸足、腹足和臀足均抓緊固定物，軀干處于舒張狀態(tài)并靜止；②胸足抓附固定物，腹足和臀足脫離固定物，軀干收縮，胸足和臀足跟隨軀干的收縮移動(dòng)，腹足和臀足貼近胸足后，腹足和臀足再次抓附固定物；③胸足脫離固定物，軀干舒張并伸長，當(dāng)胸足越過障礙物并找到合適的位置后，胸足再次抓附固定物；④腹足和臀足脫離固定物，軀干收縮并越過障礙物，腹足和臀足跟隨越過障礙物，貼近胸足后再次抓附固定物。尺蠖的一個(gè)屈伸動(dòng)作，可使身體移動(dòng)距離h，h與腹足和胸足間的距離有關(guān)。尺蠖蠕動(dòng)式運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定可靠，軀干的舒張動(dòng)作使尺蠖具有較大的空間越障能力，可以完成空間中較大障礙的跨越。

圖1 尺蠖運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of inchworm motion

1.2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過分析尺蠖運(yùn)動(dòng)機(jī)理，結(jié)合巡檢作業(yè)環(huán)境，運(yùn)用仿生學(xué)理論，設(shè)計(jì)輸電線路巡檢機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。前行走臂、中臂及后行走臂分別模仿尺蠖的胸足、臀足及腹足；中臂具有伸縮機(jī)構(gòu)及滑移機(jī)構(gòu)，末端為手爪結(jié)構(gòu)，通過中臂沿導(dǎo)軌方向的前后滑移動(dòng)作模仿尺蠖的屈伸蠕動(dòng)動(dòng)作；箱體具有滑移結(jié)構(gòu)，可沿導(dǎo)軌方向前后滑移，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人重心平衡調(diào)節(jié)。前、后行走臂對(duì)稱布置在導(dǎo)軌兩端，其結(jié)構(gòu)組成均由大臂及小臂組成，小臂、大臂與導(dǎo)軌機(jī)架構(gòu)成三角形結(jié)構(gòu)，更具穩(wěn)定性，可承受較大的剛性沖擊。大臂可完成伸縮動(dòng)作及繞O點(diǎn)的外擺動(dòng)作，其中大臂的外擺動(dòng)作通過小臂的伸縮動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，小臂伸縮量ΔL與手臂外擺角度θ滿足關(guān)系式：

圖2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Robot body structure diagram

(1)

式(1)中：LAB、LOA、LOB分別表示點(diǎn)A與B、O與A、O與B之間的距離。行走臂末端為行走輪機(jī)構(gòu)，可完成機(jī)器人行駛動(dòng)作及行走輪開合動(dòng)作。行走輪下部為中空腔體結(jié)構(gòu)，機(jī)器人在低速狀態(tài)下，可直接穿越防振錘障礙。

除防振錘障礙外，針對(duì)線路上其他障礙，機(jī)器人均需以尺蠖式(蠕動(dòng)式)運(yùn)動(dòng)方式完成兩行走臂的交替越障，機(jī)器人前行走臂越障動(dòng)作序列如圖3所示。①機(jī)器人停止在障礙前方，中臂滑移至導(dǎo)軌前端后伸出抓取線路，如圖3(a)所示，此時(shí)中臂的滑移動(dòng)作相當(dāng)于尺蠖的軀干收縮動(dòng)作，機(jī)器人在中臂、后行走臂及箱體的作用下保持平衡；②前行走臂脫離線路并探尋障礙物另一側(cè)合適的抓附點(diǎn)，如圖3(b)所示，此時(shí)中臂底部的滑移機(jī)構(gòu)與后行走輪相當(dāng)于尺蠖身體中部的軀干部分，起推進(jìn)作用；③在推進(jìn)作用下巡檢機(jī)器人前行走臂向前移動(dòng)h距離，待前行走臂越過障礙物并找到合適的抓附位置A3后重新抓附線路，如圖3(c)所示，后行走臂越障序列與前行走臂越障序列類似。

圖3 機(jī)器人蠕動(dòng)式越障運(yùn)動(dòng)Fig.3 Robot peristaltic obstacle-crossing movement

通過分析機(jī)器人蠕動(dòng)式運(yùn)動(dòng)序列可以發(fā)現(xiàn)，在機(jī)器人前臂不外擺的情況下，機(jī)器人單次運(yùn)動(dòng)距離最大為從A1位置到A3位置，即中臂相對(duì)機(jī)器人本體的位置從C1到C2，即A1A3=C1C2=h，h和巡檢機(jī)器人前后行走臂之間的距離有關(guān)，h的大小決定著機(jī)器人在手臂不外擺的情況下，機(jī)器人可通過的最大障礙尺寸。

2 機(jī)器人蠕動(dòng)式越障運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 機(jī)器人蠕動(dòng)式越障過程正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)器人越障過程中，主要運(yùn)動(dòng)為越障臂(正在越障的行走臂)和中臂的配合動(dòng)作，與另一個(gè)行走臂約束關(guān)系較小，故可將機(jī)器人越障模型簡化為越障臂和中臂。行走輪開合動(dòng)作不影響機(jī)器人位姿及越障臂末端位置，故忽略行走輪開合運(yùn)動(dòng)。將越障臂小臂的伸縮運(yùn)動(dòng)等效為越障臂的外擺運(yùn)動(dòng)，以中臂手爪抓握線路部位為基坐標(biāo)系原點(diǎn)(O0)建立機(jī)器人連桿D-H坐標(biāo)系如圖4所示，由齊次坐標(biāo)變換法[11]知相鄰兩連桿之間滿足關(guān)系式:

圖4 機(jī)器人連桿坐標(biāo)系Fig.4 Robot connecting rod coordinate system

(2)

通過分析線路上障礙尺寸及分布情況，設(shè)計(jì)機(jī)器人各連桿參數(shù)如表1所示，機(jī)器人蠕動(dòng)式越障初始狀態(tài)下，d1=-548mm；d2=250mm；θ3=-90°；d4=548mm。

表1 機(jī)器人連桿參數(shù)表

(3)

(4)

(5)

(7)

式(7)中：u、v、w、p是越障臂末端在基坐標(biāo)系中的期望位置與姿態(tài)。從式(7)可知，機(jī)器人越障臂末端位置與機(jī)器人位姿由轉(zhuǎn)角θ3及各關(guān)節(jié)伸縮量相關(guān)。

2.2 機(jī)器人蠕動(dòng)式越障過程逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

若已知越障臂末端目標(biāo)位置，可依據(jù)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)法對(duì)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變量進(jìn)行解算，從而為機(jī)器人越障動(dòng)作進(jìn)行合理的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人線路障礙的跨越。機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變量解算過程如下：

(8)

對(duì)應(yīng)兩邊元素可得：

(9)

從式(9)可以發(fā)現(xiàn)，越障臂末端在基坐標(biāo)系Z軸方向的位置由中臂的伸縮、越障臂的伸縮及外擺實(shí)現(xiàn)。越障臂末端在基坐標(biāo)系Y軸方向的位置由中臂的滑移、越障臂的伸縮及外擺實(shí)現(xiàn)。一般情況下，機(jī)器人存在多組運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解，甚至無窮多組逆解，無法解算出機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量值，故在機(jī)器人與障礙物不發(fā)生碰撞的前提下，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解做出如下約束：①在越障臂末端能到達(dá)目標(biāo)位置的前提下，關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)量最少時(shí)，解最優(yōu)；②在關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)數(shù)量相等情況下，以中臂滑移量最小及中臂伸縮量最小時(shí)，解最優(yōu)。經(jīng)上述約束后，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解有唯一最優(yōu)解。

忽略線路柔性變形，中臂伸出抓握線路，取抓握位置為O，依據(jù)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)繪制出越障臂作業(yè)空間如圖5中ABCDEFG組成的多邊形所示，從圖5中可以看出，越障臂在線路上部及下部均具有較大的作業(yè)空間，特別是中臂滑移動(dòng)作，大大擴(kuò)展了越障臂的作業(yè)空間范圍。越障臂作業(yè)空間范圍大于線路上各種金具障礙尺寸，具備跨越引流線等復(fù)雜障礙的前提條件。添加逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解約束后，不同作業(yè)空間區(qū)域內(nèi)機(jī)器人關(guān)節(jié)動(dòng)作情況如表2所示。若已知越障臂末端目標(biāo)位置，將其對(duì)應(yīng)至相應(yīng)越障臂作業(yè)空間區(qū)域，即可解算出機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變量，依據(jù)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)變量對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。

表2 機(jī)器人關(guān)節(jié)動(dòng)作分布情況表

圖5 越障臂作業(yè)空間Fig.5 Working space for obstacle-crossing arm

3 機(jī)器人蠕動(dòng)式越障過程仿真分析

結(jié)合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果，運(yùn)用ADAMS軟件對(duì)機(jī)器人從引流線跨越至輸電線路的過程進(jìn)行仿真分析，機(jī)器人跨越引流線障礙過程仿真如圖6所示。

圖6 機(jī)器人跨越引流線過程仿真Fig.6 Simulation of the process of the robot crossing the drainage line

機(jī)器人位于引流線最低點(diǎn)時(shí)，各關(guān)節(jié)處于初始狀態(tài)，機(jī)器人在前后行走輪的驅(qū)動(dòng)下前進(jìn)，如圖6(a)所示；機(jī)器人攀爬至合適位置后，機(jī)器人停止行走，中臂滑移至導(dǎo)軌前端，同時(shí)箱體在重心調(diào)節(jié)電機(jī)的作用下滑移至導(dǎo)軌后端，中臂伸出抓取線路，如圖6(b)所示；待中臂抓緊線路后，機(jī)器人前行走臂伸出脫離線路，前行走輪打開，由機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析結(jié)果得，前行走臂跨越引流線過程中，僅需大臂外擺一定角度即可伸出抓取輸電線路，如圖6(c)所示；待前行走輪準(zhǔn)確掛線后，中臂打開脫離線路，此時(shí)，機(jī)器人處于前后行走臂掛線狀態(tài)，機(jī)器人前進(jìn)，待機(jī)器人攀爬至后臂行走輪接近輸電線路和引流線交匯處時(shí)停止行走，如圖6(d)所示；機(jī)器人中臂伸出抓緊線路，開始進(jìn)行后行走臂引流線障礙的跨越，后行走臂伸出脫離線路后，在前行走輪及中臂滑移電機(jī)的作用下向前移動(dòng)，如圖6(e)、圖6(f)所示；當(dāng)后行走臂越過引流線障礙到達(dá)合適位置后，后行走臂伸出抓取線路，如圖6(g)所示；待后行走臂準(zhǔn)確掛線后，機(jī)器人恢復(fù)至初始姿態(tài)，如圖6(h)所示，至此，機(jī)器人跨越引流線障礙運(yùn)動(dòng)完成。

通過越障仿真過程可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人以蠕動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式可以完成引流線障礙跨越。越障過程中機(jī)器人始終至少有兩條手臂處于掛線狀態(tài)，保證了機(jī)器人的安全性能。由前行走輪豎直方向上重心變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，越障手臂脫離線路后，沒有在豎直方向上出現(xiàn)大幅度的沉降，說明箱體起到了很好的重心平衡作用，驗(yàn)證了機(jī)器人重心調(diào)節(jié)的有效性，前行走輪重心變化曲線如圖7所示。

圖7 前行走輪重心變化曲線Fig.7 Variation curve of center of gravity of front walking wheel

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

對(duì)機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析后，進(jìn)行物理樣機(jī)的制作，并將樣機(jī)置于模擬線路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬線路中各金具障礙參數(shù)與實(shí)際線路金具障礙參數(shù)相同。

(1)為測(cè)試機(jī)器人爬坡性能是否滿足越障要求，將樣機(jī)置于模擬線路上引流線段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如圖8所示。通過改變引流線段的垂度來實(shí)現(xiàn)線路的不同坡度，觀察機(jī)器人在不同坡度線路下的行走狀況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：線路坡度在40°內(nèi)機(jī)器人不會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，機(jī)器人滿足爬坡性能要求。

圖8 機(jī)器人爬坡示意圖Fig.8 Schematic diagram of robot climbing

(2)為驗(yàn)證機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及越障過程的穩(wěn)定性，將樣機(jī)置于模擬線路進(jìn)行防振錘、間隔棒、懸垂線夾及引流線等障礙跨越實(shí)驗(yàn)。機(jī)器人跨越引流線障礙實(shí)驗(yàn)如圖9所示，機(jī)器人實(shí)際越障過程中關(guān)節(jié)動(dòng)作與仿真實(shí)驗(yàn)越障過程中關(guān)節(jié)動(dòng)作基本一致，越障過程耗時(shí)約2.4 min。越障過程中，機(jī)器人在箱體重心自適應(yīng)調(diào)節(jié)的作用下，重心波動(dòng)較為平穩(wěn)，沒有發(fā)生前后傾覆現(xiàn)象；機(jī)器人在中臂手爪的抓握作用下，在受到風(fēng)力載荷等外界擾動(dòng)時(shí)沒有發(fā)生打滑下墜現(xiàn)象，驗(yàn)證了機(jī)器人具有很好的重心平衡能力與穩(wěn)定越障能力。

圖9 機(jī)器人跨越引流線實(shí)驗(yàn)Fig.9 Experiment of robot crossing drainage line

多次實(shí)驗(yàn)后，將機(jī)器人目標(biāo)參數(shù)與機(jī)器人實(shí)際功能參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表3所示。對(duì)比表3中數(shù)據(jù)可得機(jī)器人具有較強(qiáng)的爬坡能力與負(fù)載能力，越障效率較高，機(jī)器人各實(shí)際功能參數(shù)滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

表3 機(jī)器人目標(biāo)參數(shù)與實(shí)際功能參數(shù)對(duì)比表

5 結(jié)論

針對(duì)目前輸電線路巡檢機(jī)器人作業(yè)空間小、不能穩(wěn)定跨越引流線等復(fù)雜障礙的問題，通過分析尺蠖運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，研制了一款新型的仿尺蠖式巡檢機(jī)器人，對(duì)其越障運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論。

(1)通過中臂的前后滑移動(dòng)作模仿尺蠖的屈伸蠕動(dòng)動(dòng)作，擴(kuò)展了越障行走臂的作業(yè)空間，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)引流線等復(fù)雜障礙的跨越。

(2)蠕動(dòng)式越障運(yùn)動(dòng)過程中，在中臂手爪抓握及箱體重心自適應(yīng)調(diào)節(jié)的作用下，機(jī)器人重心起伏波動(dòng)較為平穩(wěn)，越障過程穩(wěn)定可靠。

(3)以蠕動(dòng)式運(yùn)動(dòng)方式，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)線路上多種類型障礙的穩(wěn)定跨越，為輸電線路巡檢機(jī)器人研發(fā)提供了一種新的思路。