鄺江華，鄒德華，劉蘭蘭，張 安，江 維

輸電線除冰機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)特性分析

鄺江華1,2，鄒德華1,2，劉蘭蘭1,2，張 安3，江 維*3

(1. 帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國(guó)家電網(wǎng)公司實(shí)驗(yàn)室（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司），湖南 長(zhǎng)沙 410100；2. 智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備（機(jī)器人）湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司），湖南 長(zhǎng)沙 410100；3. 武漢紡織大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430200)

針對(duì)四分裂輸電線路除冰作業(yè)任務(wù)，提出了一種能夠適應(yīng)多分裂輸電線路行走和作業(yè)的四輪移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)構(gòu)型及其末端工具，通過(guò)拉格朗日法推導(dǎo)并建立機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型，基于該動(dòng)力學(xué)模型在ADAMS中對(duì)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行仿真研究，結(jié)果表明，本文所提出的機(jī)器人機(jī)構(gòu)能夠完成四分裂除冰作業(yè)，同時(shí)機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)滿足作業(yè)過(guò)程中驅(qū)動(dòng)力矩的要求，避免了機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩驅(qū)動(dòng)力不足和驅(qū)動(dòng)力過(guò)大等造成的機(jī)器人系統(tǒng)作業(yè)故障和作業(yè)失敗的發(fā)生，最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出機(jī)械構(gòu)型和動(dòng)力學(xué)模型的工程實(shí)用性。通過(guò)本文的研究，對(duì)于輸電線路移動(dòng)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和電氣控制參數(shù)優(yōu)化具有雙重重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

多分裂線路；移動(dòng)機(jī)器人；機(jī)械構(gòu)型；動(dòng)力學(xué)特性；除冰作業(yè)

電力是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，高壓線纜是電能傳輸?shù)闹匾ǖ?，其特殊地理環(huán)境和惡劣自然環(huán)境會(huì)導(dǎo)致線上絕緣子污閃[1-2]、引流板螺栓松動(dòng)[3-4]、防振錘移位銹蝕[5]等多種不同故障發(fā)生，其中，這3類典型故障占到故障總數(shù)的80%以上，目前人工帶電作業(yè)不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低而且存在極大的人身安全風(fēng)險(xiǎn)。因此開(kāi)發(fā)能代替人工檢修作業(yè)的先進(jìn)實(shí)用自動(dòng)化裝備，對(duì)于提高電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行能效、提升電網(wǎng)供電可靠性和智能化水平、推廣運(yùn)維檢修新技術(shù)和新裝備，以及實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、資源節(jié)約和能源高效利用的可持續(xù)發(fā)展具有重要理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。國(guó)內(nèi)外研究和實(shí)踐表明[6-8]，代替人工進(jìn)行檢修的一種有效方法是采用移動(dòng)機(jī)器人搭載作業(yè)機(jī)械手及其末端工具，即帶電檢修機(jī)器人[9-11]。同時(shí)，沿導(dǎo)/地線行走越障的移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型結(jié)構(gòu)是國(guó)內(nèi)外學(xué)界和工程技術(shù)界研究開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人為完成既定典型作業(yè)功能，按機(jī)械臂是否具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)來(lái)劃分，有兩手臂[12]、三手臂[13]、四手臂[14]的作業(yè)機(jī)構(gòu)，按照不同的線路結(jié)構(gòu)（單分裂/雙分裂）來(lái)劃分，有雙輪驅(qū)動(dòng)[15]和四輪驅(qū)動(dòng)[16]機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)機(jī)構(gòu)，目前更多的研究集中在單導(dǎo)線上的移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，然而多分裂導(dǎo)線是電能傳輸?shù)闹髁Γ虼?，在單?dǎo)線雙輪移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上研究開(kāi)發(fā)能夠適應(yīng)多分裂導(dǎo)線線上行走的四輪移動(dòng)機(jī)器人對(duì)于擴(kuò)寬移動(dòng)機(jī)器人的檢修范圍具有重要理論意義與實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。此外，帶電作業(yè)機(jī)器人的自主行為控制是其完成作業(yè)任務(wù)的前提以及其作業(yè)智能性的重要體現(xiàn)，特別是雙分裂四輪機(jī)器人，其自身結(jié)構(gòu)和作業(yè)環(huán)境更加復(fù)雜, 而機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型是其控制器、關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，且動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確度直接影響到機(jī)器人控制性能和機(jī)械臂的力學(xué)特性，目前常用的動(dòng)力學(xué)建模方法有拉格朗日方程[17]，哈密爾頓原理[18]，牛頓-歐拉方程[19]等，但它們大都是從整體上進(jìn)行建模，且模型具有計(jì)算復(fù)雜度高、高階非線性特征[20]，這些給機(jī)器人機(jī)械臂動(dòng)作控制器的設(shè)計(jì)和關(guān)節(jié)電氣參數(shù)選型帶來(lái)一定困難，影響了機(jī)器人測(cè)控平臺(tái)的設(shè)計(jì)，嚴(yán)重制約了輸電線路移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人物理樣機(jī)的開(kāi)發(fā)及其實(shí)用化進(jìn)程。

基于上述分析，本文在分析異構(gòu)型多分裂輸電線路作業(yè)環(huán)境的基礎(chǔ)上，提出了面向輸電線路除冰作業(yè)任務(wù)的沿四分裂輸電導(dǎo)線行走移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)及其末端工具的基本構(gòu)型，通過(guò)拉格朗日法建立了四輪移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)動(dòng)力學(xué)特性的分析和仿真研究得到了機(jī)器人的最優(yōu)關(guān)節(jié)電氣參數(shù)，有效避免了參數(shù)不合適導(dǎo)致的機(jī)器人作業(yè)可靠性降低及作業(yè)失敗的發(fā)生。通過(guò)本文機(jī)器人機(jī)械構(gòu)型設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)特性仿真與分析為多分裂輸電線路四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人物理樣機(jī)開(kāi)發(fā)及其智能控制器的設(shè)計(jì)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

1 機(jī)器人機(jī)械構(gòu)型設(shè)計(jì)

1.1 作業(yè)任務(wù)分析

輸電線路覆冰不僅會(huì)增加輸電線的重量，還會(huì)影響輸電線路電能的傳輸質(zhì)量，因此，去除輸電線路導(dǎo)線上的覆冰以及輸電線路常見(jiàn)金具如絕緣子、引流板、防震錘、間隔棒上的覆冰是保證輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。由于絕大多數(shù)金具懸掛于輸電導(dǎo)線之上，因此可以采用移動(dòng)機(jī)器人行走于輸電導(dǎo)線，并通過(guò)搭載雙作業(yè)臂的模式來(lái)進(jìn)行除冰作業(yè)，其中除冰作業(yè)末端搭載于機(jī)器人機(jī)械臂之上，采用雙臂除冰模式可以大大增加除冰末端的可達(dá)作業(yè)空間從而保證除冰效果。根據(jù)輸電線路金具的分布及形態(tài)，設(shè)計(jì)移動(dòng)機(jī)器人采用機(jī)械臂1和機(jī)械臂2搭載末端的形式，為提升雙作業(yè)臂在線上運(yùn)動(dòng)的靈活性，分別設(shè)計(jì)了3自由度的雙機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，即每個(gè)機(jī)械臂都有旋轉(zhuǎn)，縱移，橫移三個(gè)關(guān)節(jié)從而盡可能的增大末端作業(yè)空間。因此，通過(guò)上述分析可知，兩機(jī)械臂均需要實(shí)現(xiàn)縱移、旋轉(zhuǎn)和伸縮運(yùn)動(dòng)，均具有三個(gè)自由度，因此，可得到機(jī)器人機(jī)械臂的自由度個(gè)數(shù)及各關(guān)節(jié)其功能如表1。

表1 機(jī)械臂自由度個(gè)數(shù)及關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)功能分析

1.2 移動(dòng)機(jī)器人的構(gòu)型設(shè)計(jì)

輸電線路除冰檢修機(jī)器人通過(guò)移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人搭載作業(yè)末端，可適應(yīng)在四分裂輸電導(dǎo)線上的行走作業(yè)，兩組機(jī)械臂搭載于縱移滑臺(tái)上，可對(duì)輸電線進(jìn)行除冰檢修，兩組機(jī)械臂均具有三自由度，可進(jìn)行縱移、旋轉(zhuǎn)、伸縮運(yùn)動(dòng)，可將作業(yè)末端運(yùn)送至工作位，移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人構(gòu)型圖如圖1所示。

圖1 移動(dòng)機(jī)器人構(gòu)型圖

圖2 除冰檢修機(jī)械臂1

2 機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

2.1 機(jī)械臂的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程

系統(tǒng)的總勢(shì)能為（3）式：

移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂1拉格朗日函數(shù)為（4）式：

對(duì)該函數(shù)求偏導(dǎo)并轉(zhuǎn)換可得拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程為（5）式：

寫(xiě)成封閉形式為（6）式：

2.2 關(guān)節(jié)空間動(dòng)力學(xué)方程

將式（6）寫(xiě)成矩陣形式為式（7）：

（7）式中為方陣，具有正定性和對(duì)稱性，其表示機(jī)械臂1慣性矩陣，表示機(jī)械臂1運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的離心力和哥氏力向量，表示機(jī)械臂1重力矢量，T為機(jī)械臂在關(guān)節(jié)空間中的動(dòng)力學(xué)方程閉環(huán)結(jié)構(gòu)式，其表達(dá)了關(guān)節(jié)力-力矩與關(guān)節(jié)變量、速度與加速度之間的映射關(guān)系。

3 機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)特性仿真研究

3.1 仿真模型的建立

3.2 機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)特性仿真

后處理模塊ADAMS/PostProcessor是ADAMS針對(duì)View、Vibration、Control、Car、Engine等模塊添加的后處理功能插件，可利用此模塊對(duì)機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣參數(shù)設(shè)計(jì)，后處理模塊具備非常強(qiáng)大的繪制曲線和動(dòng)畫(huà)仿真功能，可以清楚直觀地表達(dá)各個(gè)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)特性，能夠確切的反映機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性。將縱移關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與伸縮關(guān)節(jié)逐個(gè)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，設(shè)置仿真時(shí)間為10s，步數(shù)為100，機(jī)械臂的材料為鋁合金，關(guān)節(jié)約束根據(jù)本文運(yùn)動(dòng)學(xué)相關(guān)參數(shù)設(shè)定，載荷根據(jù)本文動(dòng)力學(xué)相關(guān)參數(shù)設(shè)定，仿真結(jié)束后調(diào)用后處理模塊ADAMS/PostProcessor，生成機(jī)器人機(jī)械臂縱移關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與伸縮關(guān)節(jié)力（角度）-力矩曲線如圖4、5、6所示。

表2 零部件常規(guī)特性與慣性特性

為了便于清楚直觀地表現(xiàn)機(jī)器人整體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及各物理量之間的耦合關(guān)系，將力（角度）-時(shí)間函數(shù)圖像與力矩-時(shí)間函數(shù)圖像整合在一個(gè)圖中，圖4～圖6中紅色實(shí)線對(duì)應(yīng)左邊坐標(biāo)軸，藍(lán)色虛線對(duì)應(yīng)右邊坐標(biāo)軸。根據(jù)得到的動(dòng)力學(xué)特性仿真結(jié)果可知，縱移關(guān)節(jié)主要受到電機(jī)驅(qū)動(dòng)力和關(guān)節(jié)滑動(dòng)摩擦力的作用，將機(jī)械臂帶到輸電導(dǎo)線另外一側(cè)，為避免關(guān)節(jié)劇烈碰撞，驅(qū)動(dòng)力恒定提供1s后緩慢減小，縱移滑臺(tái)在慣性作用下繼續(xù)縱向移動(dòng)并減速，8-10s繼續(xù)提供驅(qū)動(dòng)力對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行微調(diào)，使機(jī)械臂到達(dá)工作位置。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)受到電機(jī)轉(zhuǎn)矩和關(guān)節(jié)滑動(dòng)摩擦力的作用轉(zhuǎn)動(dòng)100deg，將機(jī)械臂翻轉(zhuǎn)至機(jī)體上方，角度均勻變化，3.2s機(jī)械臂翻轉(zhuǎn)至水平位置，此時(shí)力矩達(dá)到最大值。伸縮關(guān)節(jié)受到電機(jī)驅(qū)動(dòng)力和關(guān)節(jié)摩擦力的作用，隨著伸縮關(guān)節(jié)向上伸長(zhǎng)，重心上移，所需要的驅(qū)動(dòng)力逐漸增大，重力在豎直方向上的分力呈正弦曲線變化，相應(yīng)的力矩也呈近似正弦曲線變化。完整的機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程表明，機(jī)器人在作業(yè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)軌跡曲線平滑，無(wú)停滯、卡頓、突變現(xiàn)象，驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)械臂在檢修過(guò)程中所需要的驅(qū)動(dòng)力和力矩設(shè)置合理、有效避免了驅(qū)動(dòng)力矩過(guò)大或者過(guò)小造成的機(jī)器人機(jī)械臂作業(yè)事故和作業(yè)失敗的發(fā)生。綜上所述，機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所建立的機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型正確，同時(shí)機(jī)械臂能滿足帶電檢修作業(yè)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)要求，并表現(xiàn)出良好的動(dòng)力學(xué)性能。

3.3 機(jī)械臂關(guān)節(jié)電氣參數(shù)優(yōu)化

由上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，各關(guān)節(jié)所需要的驅(qū)動(dòng)力和力矩分別為18.98N、4490Nmm、26.76N，根據(jù)電機(jī)功率和轉(zhuǎn)矩計(jì)算關(guān)系P=F*v/1000，T=9550P/n。其中P為功率（kW），F(xiàn)為所需驅(qū)動(dòng)力（N），v為機(jī)械臂線速度（m/s），n為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速（r/min），T為轉(zhuǎn)矩（Nm），電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩須大于機(jī)器人工作時(shí)所需要的轉(zhuǎn)矩，減速箱減速比計(jì)算公式為：i=n1/n2，n1是減速箱輸入端的轉(zhuǎn)速，n2是減速箱輸出端的轉(zhuǎn)速。調(diào)用后處理模塊ADAMS/PostProcessor獲得縱移關(guān)節(jié)與伸縮關(guān)節(jié)最大線速度為0.045m/s、0.064m/s，代入換算得到轉(zhuǎn)矩分別為45.36 Nmm、67.58 Nmm。因此，在選擇機(jī)械臂關(guān)節(jié)電氣驅(qū)動(dòng)器型號(hào)時(shí)可以選用Freud交流齒輪減速電機(jī)，同時(shí)，對(duì)照電機(jī)參數(shù)手冊(cè)可以確定機(jī)械臂各關(guān)節(jié)電機(jī)減速箱具體型號(hào)如表3所示。

表3 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)電氣參數(shù)優(yōu)化

4 結(jié)論

（1）和行走于單導(dǎo)線上的雙輪移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人相比，本文所設(shè)計(jì)的四輪移動(dòng)機(jī)器人能行走于四分裂輸電線路上，能夠適應(yīng)四分裂輸電導(dǎo)線作業(yè)環(huán)境，其檢修范圍更為廣闊，實(shí)用性更強(qiáng)。

（2）通過(guò)四輪移動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模及其動(dòng)力學(xué)特性分析，獲取了機(jī)器人的最優(yōu)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)電氣控制參數(shù)，有效避免了關(guān)節(jié)電機(jī)力矩選取不適當(dāng)造成的機(jī)器人作業(yè)事故與作業(yè)失敗的發(fā)生。

（3）ADAMS中的仿真實(shí)驗(yàn)和分析驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人構(gòu)型能夠完成四分裂導(dǎo)線檢修作業(yè)，同時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)也驗(yàn)證了本文提出的機(jī)械構(gòu)型和動(dòng)力學(xué)模型的工程實(shí)用性。

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Mechanical Structure Design and Motion Characteristics Analysis of Transmission Line Deicing Robot

KUANG Jiang-hua1,2, ZOU De-hua1,2, LIU Lan-lan1,2, ZHANG An3, JIANG Wei3*

（1. Live Inspection and Intelligent Operation Technology State Grid Corporation Laboratory (State Grid Hunan Transmission Maintenance Company), Changsha Hunan 410100, China; 2. Hunan Province Key Laboratory of Intelligent Live Working Technology and Equipment (ROBOT) (State Grid Hunan Transmission Maintenance Company), Changsha Hunan 410100, China; 3. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China）

This article proposes a four-wheel mobile robot mechanism configuration and its end tool that can adapt to the walking and operation of multi-split transmission lines for the deicing task of the four-split transmission line. A dynamic model of the robotic arm is established. Based on this dynamic model, the dynamic characteristics of the robot are simulated in ADAMS. The results show that the robot mechanism proposed in this paper can complete the four-split deicing, and the robot joints motion of the robot meets the requirements of the driving torque during the operation process, and avoids the robot system operation failure and operation failure caused by insufficient driving force of the robot joint torque and excessive driving force. Finally, the mechanical configuration proposed in this paper is verified by the experiment. And the engineering practicality of the kinetic model. Through the research of this article, it has dual important theoretical significance and practical application value for the optimization of mechanical structure parameters and electrical control parameters of mobile robots on transmission lines.

multi-split line; mobile robot; mechanical configuration; motion characteristics; deicing operation

江維（1983-），男，講師，博士研究生，研究方向：機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng).

國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司科技項(xiàng)目（5216AJ20000T）

TP24

A

2095－414X(2021)05－0033－07