余 斌，周 晨，咼 年，陳 偉，鄭 睿，李 文戴 虎

（1.國(guó)網(wǎng)安徽安慶供電公司，安徽 安慶 246000；2.安徽師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖 241002；3.安徽省智能機(jī)器人信息融合與控制工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

我國(guó)資源分布不均勻，其中電力方面表現(xiàn)尤為突出，長(zhǎng)距離架設(shè)高壓線設(shè)備進(jìn)行電力傳輸對(duì)于保證各地區(qū)用電需求至關(guān)重要[1]。但部分地域環(huán)境惡劣，輸電線路長(zhǎng)期裸露于自然環(huán)境中，由于天氣影響、電力損耗等因素會(huì)導(dǎo)致高壓線磨損、斷裂。為了加強(qiáng)防護(hù)，需定期對(duì)線路巡檢，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)維修[2]。

目前國(guó)家電網(wǎng)的巡線方式主要為人工操作，巡檢工程師需攜帶攝像設(shè)備登上高壓輸電線路進(jìn)行帶電作業(yè)，在強(qiáng)磁、高壓的條件下，工程師人身安全受到威脅，同時(shí)人工巡檢的速度過(guò)于緩慢，效率低下[3]。為了提高工作效率及保障工程師的人身安全，需要利用輸電線路安全、穩(wěn)定的傳輸電力資源，采用高壓線巡線機(jī)器人代替人來(lái)執(zhí)行巡檢任務(wù)，這不僅能提高巡線效率，且能保證安全穩(wěn)定性[4]。

高壓線巡線機(jī)器人作為一個(gè)新的研究方向，近年來(lái)受到較多的關(guān)注[5]，國(guó)內(nèi)外圍繞該機(jī)器人的研究工作取得了一些進(jìn)展。其技術(shù)難點(diǎn)在于機(jī)器人的平衡性、續(xù)航能力及越障方法。耐張線夾是高壓線巡線機(jī)器人需跨越的障礙物之一[6]，它的結(jié)構(gòu)中有鋼錨，利用鋼錨把絕緣子串固定在桿塔之上，導(dǎo)線在絕緣子串的下方通過(guò)鋼錨相連接[7，8]。耐張線夾的鋼錨由于耐張線夾處寬度與高壓線不同，而通常機(jī)器人的夾爪尺寸依據(jù)高壓線的尺寸設(shè)計(jì)，使得機(jī)器人的夾爪與耐張線夾的吻合度不高；耐張線夾與水平面之間存在夾角，機(jī)器人在該處運(yùn)行時(shí)存在滑落的風(fēng)險(xiǎn)；由于鋼錨的阻礙，機(jī)器人無(wú)法從其上方整體通過(guò)，因此機(jī)器人順利通過(guò)耐張線夾存在技術(shù)難度[9]。

日本研制的Expliner巡線機(jī)器人[10]、加拿大研制的LineScout機(jī)器人[11，12]在多股高壓線運(yùn)行均設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)用于越過(guò)耐張線夾。由于這些機(jī)器人在多股線上運(yùn)行，跨越耐張線夾的穩(wěn)定性較好。相比較多股線運(yùn)行的機(jī)器人，單股線運(yùn)行的高壓巡線機(jī)器人具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈活等特點(diǎn)，近年來(lái)得到了廣泛的研究。如吳功平教授[13]團(tuán)隊(duì)研制的雙臂巡線機(jī)器人，該裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，重量適中。上述研究中，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)均是單臂懸掛在高壓線上，容易發(fā)生傾斜和脫落，且未見(jiàn)通過(guò)耐張線夾的報(bào)道。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了前后三臂的機(jī)構(gòu)，機(jī)器人可以通過(guò)防震錘和耐張線夾，但該文獻(xiàn)只開(kāi)展了仿真分析。西安交通大學(xué)的楊德偉博士[15]發(fā)明了一種可以調(diào)節(jié)重心的三臂巡線機(jī)器人，在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境下成功通過(guò)耐張線夾，但該研究需設(shè)計(jì)重心調(diào)節(jié)裝置，使裝置得體積增大，重量增加。通過(guò)以上分析可知，夾爪式電力線巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，底座起到支撐的作用，步進(jìn)電機(jī)和主動(dòng)輪通過(guò)聯(lián)軸器相連接，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪通過(guò)齒輪傳動(dòng)，機(jī)械臂和夾爪連接在從動(dòng)輪上，隨著從動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)而動(dòng)作。

圖1 電力線巡檢機(jī)器人的結(jié)構(gòu)圖

為了使電力巡檢機(jī)器人通過(guò)耐張線夾，首先設(shè)計(jì)夾爪，使其夾爪具有可吻合多種線型且接觸面積大、摩擦系數(shù)大等特點(diǎn)；并且設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械臂使機(jī)器人向前運(yùn)行，通過(guò)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)避免機(jī)器人與鋼錨發(fā)生干涉。

1 夾爪的設(shè)計(jì)

1.1 夾爪的形狀設(shè)計(jì)

圖2 適合于多種線型的夾爪示意圖

圖2中夾爪雙側(cè)面均有圓孔，二者通過(guò)圓孔內(nèi)部絲釘進(jìn)行連接，整個(gè)夾爪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成多曲線型，自上而下分別適應(yīng)高壓?jiǎn)喂删€、并溝線夾、耐張線夾三種直徑線型，保證夾爪在巡線過(guò)程中與輸電線路緊密貼合，可大大降低裝置脫落的風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 夾爪和高壓線之間摩擦力的研究

耐張線夾處高壓線存在坡度，為了使得機(jī)器人不沿著高壓線滑落，夾爪與高壓線之間需存在足夠的靜摩擦力，通常在夾爪的內(nèi)部填充橡膠之類摩擦系數(shù)較大的材料。設(shè)機(jī)器人的質(zhì)量為m，高壓線與水平面的夾角為θ，機(jī)器人的重力沿著高壓線方向的分力Ghc為：

設(shè)夾爪與高壓線之間的最大摩擦系數(shù)為μmax，那么最大靜摩擦力為：

式中Gvc是機(jī)器人的重力垂直于高壓線方向的分力，其大小為：

對(duì)于橡膠類材料，式（2）中的μmax與壓強(qiáng)成反比[16]，所以當(dāng)Gvc一定時(shí)，夾爪與高壓線之間的接觸面積越大，μmax也就越大。因此對(duì)耐張線夾處夾爪與高壓線之間的接觸方式進(jìn)行分析，如圖3所示。由圖3（a）可知，此時(shí)夾爪與高壓線之間是面接觸，接觸充分；由圖3（b）可知，此時(shí)夾爪與高壓線之間的接觸方式是線接觸，接觸不充分。

圖3 耐張線夾處夾爪與高壓線之間的接觸方式示意圖

耐張線夾處的坡度的斜率大并且變化，機(jī)器人夾爪與高壓線之間的接觸方式主要是線接觸。因此需增大夾爪與高壓線之間的接觸面積使得二者之間的靜摩擦力增大，為此在夾爪的內(nèi)部填充柔性物質(zhì)，利用柔性物質(zhì)的形變來(lái)增大接觸面積，其原理如圖4所示。

圖4 在夾爪內(nèi)部填充柔性物質(zhì)以增大接觸面積的示意圖

由圖4可以看出，在夾爪內(nèi)部填充柔性材料，在重力作用下與高壓線接觸的部位發(fā)生形變，使得二者的接觸面積增大，只要能夠滿足：

“連峰際天”的畢節(jié)，從“飛鳥(niǎo)不通”到縣縣通高速公路，再到推進(jìn)加密高速公路網(wǎng)建設(shè)，實(shí)施“組組通”公路三年大決戰(zhàn)，正與畢節(jié)全面小康的時(shí)間點(diǎn)契合。

就可以使得機(jī)器人保持相對(duì)靜止，不沿著高壓線滑落。

2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在完成夾爪設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 機(jī)器人的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖

圖5中，輪1和輪2由減速電機(jī)所驅(qū)動(dòng)，是主運(yùn)動(dòng)輪。通過(guò)精密齒輪的傳動(dòng)，輪1的動(dòng)力被傳遞至輪3和輪4，輪2的動(dòng)力被傳遞到輪5和輪6。輪3與輪5，輪4與輪6通過(guò)轉(zhuǎn)軸相連接。輪3、4、5、6分別帶動(dòng)機(jī)械臂7、8、9、10運(yùn)動(dòng)，機(jī)械臂7與機(jī)械臂10的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，機(jī)械臂8和機(jī)械臂9的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相同，機(jī)械臂7、10與機(jī)械臂8、9的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相反。在減速電機(jī)的帶動(dòng)下，根據(jù)三連桿原理使得兩側(cè)各有一個(gè)夾爪懸掛在高壓線上，另外兩個(gè)夾爪向前運(yùn)行，形成位置的互補(bǔ)，保持機(jī)器人姿態(tài)的平衡。

由于鋼錨的阻礙，需要設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)改變夾爪的位置，才能使機(jī)器人通過(guò)。圖5中四個(gè)步進(jìn)電機(jī)11、12、13、14可以分別控制夾爪15、16、17、18。當(dāng)夾爪在輪子的帶動(dòng)下，離開(kāi)高壓線的一定距離不與高壓線發(fā)生干涉時(shí)，步進(jìn)電機(jī)使得夾爪由與高壓線垂直狀態(tài)變換為平行于高壓線狀態(tài)，至此完成了機(jī)器人傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)方案研制出高壓線巡線機(jī)器人。機(jī)器人的側(cè)板和底座等固件采用鋁合金材料加工，用以減輕機(jī)器人的重量；由于機(jī)器人的機(jī)械臂與夾爪等部件需要承重，采用剛性材料加工；機(jī)器人的輪子由尼龍材質(zhì)加工；機(jī)器人的主電機(jī)選用大扭矩減速電機(jī)，機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)選用單軸GM2020BY步進(jìn)電機(jī)；機(jī)器人的控制器由STM32微處理器為核心組成。以此機(jī)器人為對(duì)象開(kāi)展通過(guò)耐張線夾的實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.1.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在室內(nèi)搭建高壓線輸電線模擬線路，模擬線路的長(zhǎng)度為4.13 m，高度為0.78 m，形狀類似“W”形，右半部分坡度較小，左半部分坡度較大，中間部分為耐張線夾，耐張線夾中間的鋼錨使得機(jī)器人不能從高壓線上方連續(xù)通過(guò)。耐張線夾與水平面之間角度是變化的，最大值約為40°。

3.1.2 夾爪參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中夾爪內(nèi)徑被設(shè)計(jì)為25.9 mm，與單股高壓線所匹配；中徑被設(shè)計(jì)為28 mm，與并溝線夾所匹配；外徑被設(shè)計(jì)為35 mm，與耐張線夾所匹配。在夾爪內(nèi)部首先填充聚乙烯醇高分子材料，使得機(jī)器人在有坡度的高壓線運(yùn)行時(shí)，夾爪內(nèi)部發(fā)生如圖4所示的形變；接著在聚乙烯醇外部增加一層橡膠磨砂材質(zhì)，進(jìn)一步增大摩擦系數(shù)，增大夾爪與高壓線之間的摩擦力。

3.1.3 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)參數(shù)

運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同的輪子之間的相位相差180°，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度的平均值為0.5 m/s。機(jī)器人運(yùn)行至高壓線上方大于0.06 m時(shí)不會(huì)與高壓線發(fā)生干涉，此時(shí)夾爪可在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用下打開(kāi)。

3.1.4 姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)

為了定量分析機(jī)器人越過(guò)耐張線夾的平衡性，采用MTi-30系列的慣性傳感器，其運(yùn)行中偏置穩(wěn)定性為18°/h；運(yùn)行時(shí)偏航角誤差典型值為1°，俯仰角和傾斜角誤差典型值為0.5°。將其安裝在機(jī)器人的上，其位置如圖6所示。MTi-30導(dǎo)航坐標(biāo)系設(shè)置為X軸與高壓線方向一致，X軸的正方向?yàn)闄C(jī)器人運(yùn)行方向；Z軸垂直于地心，其正方向指向上方；Y軸根據(jù)右手定則確定即可。

3.2 機(jī)器人通過(guò)耐張線夾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述參數(shù)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，從機(jī)器人準(zhǔn)備通過(guò)耐張線夾開(kāi)始，至完全通過(guò)耐張線夾后運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖6所示。

圖6 機(jī)器人通過(guò)耐張線夾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

圖6（a）中機(jī)器人準(zhǔn)備開(kāi)始通過(guò)耐張線夾，機(jī)器人整體均在鋼錨右側(cè)，2、3號(hào)夾爪懸掛高壓線上，此時(shí)機(jī)器人處于傾斜狀態(tài)。由于機(jī)器人的夾爪與耐張線夾吻合度較高，另一方面內(nèi)部裝有聚乙烯醇和橡膠磨砂材質(zhì)，夾爪與高壓線之間有足夠的靜摩擦力，使得機(jī)器人在與水平成30°傾斜角的高壓線上保持穩(wěn)定，不會(huì)沿著高壓線下滑。圖5（b）中機(jī)器人的1號(hào)夾爪在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用下由與高壓線垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)變成平行于高壓線狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下從側(cè)面通過(guò)鋼錨，此時(shí)仍是2、3號(hào)夾爪懸掛于高壓線上，使機(jī)器人可以保持穩(wěn)定。圖5（c）中機(jī)器人的1號(hào)夾爪恢復(fù)到與高壓線垂直狀態(tài)，3號(hào)夾爪在由與高壓線垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)變成平行于高壓線狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下從側(cè)面通過(guò)鋼錨，此時(shí)2、3號(hào)夾爪懸掛高壓線上，使機(jī)器人可以保持穩(wěn)定。圖6（d）中機(jī)器人的3號(hào)夾爪恢復(fù)到與高壓線垂直狀態(tài)，4號(hào)夾爪在由與高壓線垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)變成平行于高壓線狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下從側(cè)面通過(guò)鋼錨，此時(shí)2、3號(hào)夾爪懸掛高壓線上，使機(jī)器人保持穩(wěn)定。圖6（e）中機(jī)器人的4號(hào)夾爪恢復(fù)到與高壓線垂直狀態(tài)，2號(hào)夾爪在由與高壓線垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)變成平行于高壓線狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下從側(cè)面通過(guò)鋼錨。此時(shí)由于結(jié)點(diǎn)左側(cè)坡度原因，1號(hào)夾爪處于懸空狀態(tài)，僅4號(hào)夾爪懸掛于高壓線上，機(jī)器人仍可保持穩(wěn)定。圖6（f）中機(jī)器人完全通過(guò)鋼錨，機(jī)器人整體均在結(jié)點(diǎn)左側(cè)，2、3號(hào)夾爪懸掛高壓線上，此時(shí)機(jī)器人處于傾斜狀態(tài)，此時(shí)機(jī)器人保持穩(wěn)定。

3.3 機(jī)器人通過(guò)耐張線夾時(shí)的平衡性測(cè)試

根據(jù)以上分析可知，機(jī)器人成功通過(guò)耐張線夾，為了進(jìn)一步測(cè)試越過(guò)耐張線夾時(shí)的平衡性，通過(guò)MTi-30慣性傳感器測(cè)量沿著X軸旋轉(zhuǎn)的橫滾角。為此開(kāi)展多次實(shí)驗(yàn)，從中隨機(jī)選取兩次實(shí)驗(yàn)，得到機(jī)器人的橫滾角的曲線，如圖7所示。

圖7 通過(guò)耐張線夾過(guò)程中機(jī)器人橫滾角的曲線

由圖7可知，機(jī)器人通過(guò)耐張線夾時(shí)間約為12 s。在圖7（a）中，機(jī)器人橫滾角正方向的最大值為9.23°。橫滾角負(fù)方向的最大值為12.29°。由于橫滾角為0°時(shí)，機(jī)器人不向任何方向傾斜，平衡性最好，因此取0°作為機(jī)器人橫滾角理想期望值，那么圖7（a）中橫滾角的標(biāo)準(zhǔn)差約為6°；在圖7（b）中，機(jī)器人橫滾角正方向的最大值為18.92°，橫滾角負(fù)方向的最大值為16.68°，圖7（b）中標(biāo)準(zhǔn)差約為8°。對(duì)十次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析可得，機(jī)器人橫滾角的標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值約為7.5°。

在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，根據(jù)測(cè)試所知，當(dāng)橫滾角在20°之內(nèi)時(shí)，機(jī)器人就可以穩(wěn)定運(yùn)行，因此，本設(shè)計(jì)的高壓線巡線機(jī)器人在通過(guò)耐張線夾時(shí)具有較好的平衡性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)耐張線夾的尺寸與高壓線不同使機(jī)器人的夾爪難以匹配，存在坡度使機(jī)器人有下滑風(fēng)險(xiǎn)，鋼錨使機(jī)器人不能整體通過(guò)，設(shè)計(jì)一種可通過(guò)耐張線夾的電力巡檢機(jī)器人。實(shí)驗(yàn)證表明，機(jī)器人的夾爪能夠與耐張線夾吻合，可以在傾斜處運(yùn)行而不下滑；在旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用下，機(jī)器人能夠逐步通過(guò)鋼錨；在通過(guò)耐張線夾過(guò)程中，機(jī)器人沿著高壓線方向橫滾角的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為7.5°。因此利用該方法，機(jī)器人能順利通過(guò)耐張線夾并且平衡性較好，有助于該機(jī)器人長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)省人力物力并提高巡線效率。