楊洋, 王建, 董新勝, 李孟, 趙冥冠, 葉寶安

(1. 國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院， 烏魯木齊 830000； 2. 武漢康普常青軟件技術(shù)股份有限公司， 武漢 430073)

隨著電力能源需求的不斷增加和超高壓技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的輸電線路日趨復(fù)雜, 特別是異構(gòu)電網(wǎng)環(huán)境下的輸電線路的檢修和維護作業(yè)更加困難。目前，220 kV以上的高壓輸電線路[1-3]是中國輸電線路的主體和骨干，傳統(tǒng)的輸電線路雙輪移動檢修機器人[4-6]只能應(yīng)用于單導(dǎo)線及220 kV以下電壓等級的檢修作業(yè)，為實現(xiàn)超高壓電網(wǎng)維修作業(yè)，開發(fā)多分裂輸電線路檢修機器人實現(xiàn)220 kV及以上等級更高電壓輸電線路成為研究熱點。另外從目前的研究來看，輸電線路檢修機器人多面向單作業(yè)任務(wù)，而輸電線路作業(yè)任務(wù)種類繁多，已有面向多任務(wù)的可重構(gòu)作業(yè)機器人[7-8]能夠一定程度上解決機器人“一機多用”問題提升作業(yè)效率，但是大多無法進行自主更換作業(yè)末端，而需要機器人離線到地面由人工進行更換，人工更換的過程甚至難于作業(yè)過程本身，作業(yè)效率大打折扣。此外，還有一些研究快速更換末端的方法[9-12]，并應(yīng)用于輸電線路帶電作業(yè)智能裝備末端快速更換，這些方法的優(yōu)點在于降低需要耗費的時間，能夠極大的提高工作效率，但其缺點就在于整個機器人體積過于龐大，不便于攜帶，特別是在野外復(fù)雜環(huán)境下難以實用化。國外具有代表性的研究機構(gòu)有 AGI 公司[13]、ATI 公司[14]和 RAD 公司[15]等都需要機器人離線到地面由人工進行更換，但這些自更換裝置的對接方式都采用剛性對接，并且只能固定在一個點進行末端更換。因此，亟需開發(fā)適用于多分裂輸電線路環(huán)境下的移動作業(yè)機器人[16-18]及其末端在線自重構(gòu)來改善上述作業(yè)末端體積大、固定點更換等缺點，從而提升作業(yè)效率及其復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下的實用性問題。

基于上述分析，提出了一種復(fù)雜輸電線路環(huán)境下四輪機器人基本構(gòu)型，通過搭載機械臂作業(yè)末端自重構(gòu)裝置實現(xiàn)了作業(yè)末端線上自重構(gòu)，通過合理的運動規(guī)劃，利用機器人作業(yè)臂的5個關(guān)節(jié)及其移動平臺對搭載于機器人本體后端的作業(yè)末端實現(xiàn)定向的抓取后進行作業(yè)，再返回后端更換其末端，其整個過程即作業(yè)末端的自重構(gòu)。與常規(guī)的離線人工更換作業(yè)末端方式相比，該自重構(gòu)機構(gòu)采用五自由度的作業(yè)臂能夠靈活抓取作業(yè)末端，并通過移動平臺能使自重構(gòu)機構(gòu)在機器人的機體導(dǎo)軌上移動。同時該機器人也采用四輪驅(qū)動模式，適應(yīng)了多分裂輸電線路的基本結(jié)構(gòu)，通用性更強，同時通過對該機器人機構(gòu)末端重構(gòu)過程中的運動學(xué)的理論建模和仿真研究分析，驗證了機器人機構(gòu)末端自重構(gòu)的可行性和有效性。對輸電線路的智能運維管理具有重要理論意義和實際應(yīng)用價值。

1 輸電線路機器人末端自重構(gòu)作業(yè)任務(wù)分析

輸電線路帶電作業(yè)環(huán)境主要由桿塔、電線、絕緣子串、線路金具、電線塔基礎(chǔ)，接地裝置等組成，并架設(shè)于地面之上。其中絕緣子串是輸電線路運行需要的保護裝置, 用于懸掛導(dǎo)線并使導(dǎo)線與桿塔和大地絕緣的作用。防震錘安裝于輸電導(dǎo)線之上，主要用于穩(wěn)定輸電線路，特別是大檔距輸電線路在風(fēng)載荷和外力作用下所引起的導(dǎo)線振動與舞動。引流板架設(shè)于導(dǎo)線一側(cè)至另外一側(cè)用于支撐導(dǎo)線，上述金具的正常工作是輸電線路穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，任何一項出現(xiàn)故障，輸電線路的安全穩(wěn)定運行都會受到嚴(yán)重威脅，而輸電檢修機器人正是在該環(huán)境下實現(xiàn)線路檢修維護作業(yè)的智能化裝備。復(fù)雜的輸電線路作業(yè)環(huán)境給機器人系統(tǒng)的設(shè)計和作業(yè)提出了更高要求，以面向雙作業(yè)任務(wù)的可重構(gòu)系統(tǒng)為研究對象，機器人及其搭載的絕緣子作業(yè)末端和引流板作業(yè)末端采用模塊化顯示，其中機器人由4個行走輪和4個固定臂連接在機器人機體上，機器人機體下方還有一個控制箱一組絕緣子末端和一組引流板末端，它們放置在機器人機體的后端的機器人末端執(zhí)行器放置板上，機器人通過4個行走行駛于超高壓多分裂導(dǎo)線上。當(dāng)面向不同的作業(yè)需求時，需將一組作業(yè)末端即兩個成組的末端放置在機器人機體的前端的左右各一邊再展開作業(yè)。故需要先由第一組絕緣子末端放置在機器人機體前端，作業(yè)完成后再放回機器人機體后端，再將第二組引流板末端放置在機器人機體的前端，再展開作業(yè)，機器人實現(xiàn)末端自重構(gòu)的主要流程圖如圖1所示。

2 機器人構(gòu)型與末端自重構(gòu)方法設(shè)計

2.1 移動機器人系統(tǒng)設(shè)計

由于絕緣子末端和引流板末端都需要同時位于在機器人機體前端的左右各兩邊展開作業(yè)。因此，需設(shè)計兩個作業(yè)臂來抓取兩個成套的末端，其抓取末端后展開作業(yè)，為了保持整個機器人的平穩(wěn)性，作業(yè)臂需放置在機器人機體的前端。為避免其機械手過短而導(dǎo)致抓不到末端，太長而影響整個機器人的體積和自重構(gòu)作業(yè)過程中的與機器人機體的碰撞。因此，需設(shè)計其移動平臺，使機械手能夠相對靈活得在機器人機體上移動，而避免上述機械手太長和太短的問題。雙作業(yè)臂需通過移動平臺在機器人機體的左右前后移動，如左機械臂先向右移到機器人機體的中間，再移動到機體后端，再通過機械手的運動來抓取末端，再移動到機器人機體的前端中間，再向左移返回原處。最后，按照抓取末端的路線返回機器人機體后端，放置其抓取的末端，再抓取第二套作業(yè)末端，其移動路線與抓取第一套作業(yè)末端相同。因此，基于上述分析可設(shè)計得到機器人移動平臺的實體模型如圖2所示。

圖2 末端自重構(gòu)機器人機械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mechanical structure diagram of terminal self-reconfigurable robot

2.2 機械臂系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計

機械臂搭載作業(yè)末端工具進行作業(yè)，單個機械臂共有5個自由度。對于輸電線路在上端和放置在機器人機體后端的作業(yè)末端有高低差，故此設(shè)計旋轉(zhuǎn)1關(guān)節(jié)和伸縮2關(guān)節(jié)來克服其高低差，由于作業(yè)末端不一定剛好和機器人的機體在同一豎直平面，旋轉(zhuǎn)3關(guān)節(jié)是實現(xiàn)水平面的無死角覆蓋。旋轉(zhuǎn)4關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)5關(guān)節(jié)加起來就是一個球關(guān)節(jié)，是為了實現(xiàn)對于作業(yè)末端的靈活精確抓取。機器人左右兩端各放置一個這樣的機械臂，來抓取和放置末端。通過各關(guān)節(jié)的協(xié)同運動實現(xiàn)機器人線上末端自重構(gòu)作業(yè)任務(wù)。

2.3 機器人虛擬樣機系統(tǒng)設(shè)計

通過移動機器人和機械臂系統(tǒng)的集成設(shè)計可得到末端自重構(gòu)機器人的完整虛擬樣機模型如圖3(a)所示，機器人機體的左右各搭載一個機械臂。如圖3(b)所示，機械手的末端法蘭盤上有定位銷的配合孔再與作業(yè)末端上的定位銷配合，使其能夠輕松抓取和精準(zhǔn)定位，抓取末端后，作業(yè)臂返回作業(yè)位置，通過機械手調(diào)整作業(yè)末端位置，通過壓力傳感器檢測的數(shù)據(jù)判斷其作業(yè)末端是否平穩(wěn)調(diào)整到位，機器人通過雙臂各關(guān)節(jié)的協(xié)同運動完成線上末端自重構(gòu)作業(yè)。

圖3 移動機器人及其搭載的機械臂Fig.3 Mobile robot and its equipped mechanical arm

2.4 機器人末端自重構(gòu)作業(yè)運動規(guī)劃

輸電線路檢修機器人作業(yè)末端自重構(gòu)運動規(guī)劃總體上可以分為兩大步：第一步是左右機械臂對末端1和末端2分別抓取后再展開作業(yè)，其中首先是最初始位置，左右兩個作業(yè)臂的頭部對著機器人機體后端，左機械臂移動到機體后端，左機械臂抓取末端1并返回作業(yè)位置，右作業(yè)臂移動到機器人機體后端，右作業(yè)臂抓取末端2并返回作業(yè)位置，一套作業(yè)末端的抓取完成并同時展開作業(yè)；第二步是作業(yè)完成后再由左機械臂將末端1放回機體后端并抓取末端3，左作業(yè)臂和抓取的末端3返回作業(yè)位置，右作業(yè)臂放回末端2并抓取末端4，右作業(yè)臂和抓取的末端4返回作業(yè)位置，通過上述關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動實現(xiàn)機器人線上末端自重構(gòu)，其主要作業(yè)運動規(guī)劃示意圖如圖4所示。

圖4 末端自重構(gòu)系統(tǒng)的運動規(guī)劃Fig.4 Motion planning of terminal self-reconfigurable system

3 末端自重構(gòu)過程的運動學(xué)建模與分析

3.1 D-H運動學(xué)坐標(biāo)系的建立與D-H參數(shù)

末端重構(gòu)機器人線上完成末端可重構(gòu)作業(yè)要求機械手實現(xiàn)末端工具的靈活抓取，除了機械臂與作業(yè)環(huán)境之間不能干涉外，機械臂和機器人機體之間也是不能碰撞，因此，必須實現(xiàn)機器人末端自重構(gòu)過程中的無碰避障運動規(guī)劃，而機器人運動學(xué)建模與分析是無碰避障運動規(guī)劃的基礎(chǔ)。首先，建立機器人自重構(gòu)機械臂的Denavit-Hartenberg(D-H)坐標(biāo)運動學(xué)模型如圖5所示，再根據(jù)其運動學(xué)模型和作業(yè)任務(wù)需求建立機器人，D-H參數(shù)如表1所示。

x為橫向坐標(biāo)；z為豎向坐標(biāo)；x0～x5為各關(guān)節(jié)橫向偏置量；z0～z5為各關(guān)節(jié)豎向偏置量；θ1、θ3、θ4、θ5為關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度；d1、d2、d3、d4為各關(guān)節(jié)之間的連桿長度圖5 機器人機械臂的D-H運動學(xué)坐標(biāo)模型Fig.5 D-H Kinematics coordinate model of robot manipulator

表1 自重構(gòu)機器人機械臂D-H參數(shù)Table 1 Self-reconfigurable robot arm D-H parameters

3.2 運動學(xué)正解理論推導(dǎo)與計算

基于運動學(xué)坐標(biāo)模型(圖5)和D-H參數(shù)(表1)，可得到機械手每兩個相鄰關(guān)節(jié)之間的齊次變換矩陣如式(1)所示。通過齊次變換矩陣的疊乘和機械臂的移動平臺和其末端法蘭盤的總變換建立等式關(guān)系，可得到機器人運動學(xué)正解為

(1)

(2)

式中：C、S分別為余弦函數(shù)和正弦函數(shù)的縮寫；下標(biāo)數(shù)字為不同關(guān)節(jié)；nx、ny、nz、ox、oy、oz、ax、ay、az為機械臂末端x、y、z方向上的位置、姿態(tài)及扭矩。

3.3 運動學(xué)逆解理論推導(dǎo)與計算

=A2A3A4A5

(3)

(4)

根據(jù)式(4)等式左右矩陣的對比建立等式，并結(jié)合關(guān)節(jié)運動幾何關(guān)系可以得到機械臂的兩個關(guān)節(jié)角，可表示為

(5)

=A5

(6)

根據(jù)式(6)再將式(1)的矩陣代入得

(7)

根據(jù)式(7)左右矩陣對比可求出機械臂的另外兩個關(guān)節(jié)角如式(8)所示。通過式(5)和式(8)可得到任何機器人位于任何位姿的所需的關(guān)節(jié)量為

(8)

4 仿真實驗研究

4.1 基于運動學(xué)的機器人機械臂末端作業(yè)空間仿真

自重構(gòu)作業(yè)機器人的末端運動空間分析是實現(xiàn)作業(yè)過程無碰撞避障的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵，為避免自重構(gòu)機器人與其帶電作業(yè)機器人機體發(fā)生碰撞，限制旋轉(zhuǎn)1關(guān)節(jié)以豎直平面為基礎(chǔ)左右旋轉(zhuǎn)范圍為0°～60°，伸縮2關(guān)節(jié)的伸縮范圍為0～200 mm，旋轉(zhuǎn)4和旋轉(zhuǎn)5不影響與機體碰撞，故不加限制。運用蒙特卡洛法結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)在MATLAB軟件里面仿真得到的作業(yè)空間效果如圖6所示，蒙特卡羅法求解作業(yè)空間的基本思路為，機械臂的各個關(guān)節(jié)的參數(shù)在一定的取值范圍內(nèi)隨機取值，通過運動學(xué)正解計算其位姿，通過不斷計算，機械臂末端所能達的所有空間點的組合就構(gòu)成機械臂的作業(yè)空間。

可達作業(yè)空間范圍的相關(guān)仿真結(jié)果如表2所示。結(jié)合表2和圖6，分析可知以機器人為中心的水平面

圖6 自重構(gòu)機器人作業(yè)空間仿真Fig.6 Self-reconfigurable robot work space simulation

表2 自重構(gòu)機器人末端可達作業(yè)空間范圍Table 2 Self-reconfigurable robot end reachable working space

上半徑為200～250 mm范圍和豎直平面即z軸的20～420 mm范圍的點云密集，越往外圈的點云越稀疏，能夠滿足機器人末端重構(gòu)及作業(yè)的運動需求。

4.2 基于運動學(xué)的關(guān)節(jié)運動軌跡規(guī)劃仿真

以自重構(gòu)機器人單作業(yè)臂運動為例進行仿真研究，設(shè)定機器人的初始位姿如圖7(a)所示。然后移動平臺開始移動帶著機器人靠近機體后端的末端執(zhí)行器放置板，再調(diào)整機械臂的角度使其機械手抓取末端如圖7(b)所示，最后，自重構(gòu)機器人和抓取的末端返回作業(yè)位置，調(diào)整自重構(gòu)機器人的角度，

圖7 自重構(gòu)機器人運動軌跡仿真Fig.7 Self-reconfigurable robot motion trajectory simulation

第一個末端執(zhí)行器開始作業(yè)，作業(yè)完成后再由機械臂將其第一個末端放回機體后端并取第二個末端。最后由自重構(gòu)機器人帶著第二個末端返回作業(yè)位置，第二個末端執(zhí)行器開始作業(yè)。上述過程為機械臂一末端執(zhí)行器的在線自重構(gòu)過程，機械臂二的作業(yè)末端自重構(gòu)過程與此完全相同。

基于上述末端重構(gòu)運動過程，利用三次多項式插值，對路徑中任意兩個點的軌跡進行規(guī)劃，規(guī)定末端起點qA=[1 0 0 200;0 1 0 200;0 0 1 150;0 0 0 1], 終止點qB=[1 0 0 200;0 0 1 -300;0 0 1 200;0 0 0 1],運動時間t=30 s,每隔0.1 s記錄位移和時間的關(guān)系，圖8(a)為末端從qA運動到qB的軌跡曲線圖，根據(jù)其三維坐標(biāo)的范圍可知滿足表2作業(yè)空間范圍要求，因此，其軌跡運動在仿真空間點云圖覆蓋的范圍內(nèi)。圖8(b)清晰地反映了每個關(guān)節(jié)的位移隨時間變化的情況，且各關(guān)節(jié)運動曲線平滑、連續(xù)、沒有突變，無拐點，因此，機器人作業(yè)過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、沖擊較小、不會產(chǎn)生過大的振動，軌跡規(guī)劃合理，可以滿足自重構(gòu)和作業(yè)過程的運動要求，進一步驗證了自重構(gòu)機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的可行性和有效性。

圖8 自重構(gòu)機器人關(guān)節(jié)運動仿真Fig.8 Self-reconfigurable robot joint motion simulation

5 結(jié)論

(1)針對輸電檢修機器人末端手動重構(gòu)方式的復(fù)雜性，提出了一種能夠適應(yīng)二分裂和四分裂輸電導(dǎo)線線上行走的移動機器人構(gòu)型及其機械臂作業(yè)末端的線上自重構(gòu)方法，和常規(guī)重構(gòu)方式相比不僅提升了機器人整體作業(yè)效率，而且增強了機器人的作業(yè)智能性。

(2)通過D-H參數(shù)及坐標(biāo)系的建立得到機器人機械臂運動學(xué)的理論模型為機器人末端自重構(gòu)作業(yè)運動規(guī)劃，機器人末端作業(yè)空間分析，機器人機械臂末端的自主定位控制奠定了理論基礎(chǔ)。

(3)在MATLAB環(huán)境下利用機器人工具箱RobotToolbox建立了機器人機械臂及其末端的仿真運動模型，分別進行了機械臂末端的作業(yè)空間仿真和機械臂的作業(yè)運動規(guī)劃，仿真結(jié)果表明，末端能夠無盲區(qū)的到達作業(yè)空間，同時自重構(gòu)作業(yè)過程中關(guān)節(jié)運動連續(xù)、流暢、平穩(wěn)。