王吉岱, 梁茂軒, 孫愛芹, 王云霞, 侯建國, 張斌

(1.山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東青島 266590；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211106；3.南瑞集團(tuán)(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司，江蘇南京 211106)

0 前言

輸電線路巡檢機(jī)器人是一種沿架空高壓輸電線路進(jìn)行巡檢工作的電力作業(yè)機(jī)器人，其自主越障運(yùn)動控制技術(shù)一直是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

加拿大魁北克水電研究院及日本HiBot公司等國外研究機(jī)構(gòu)首先對輸電線路巡檢機(jī)器人進(jìn)行了研制，所研制的機(jī)器人采用手動遙控的方式完成了線路障礙的跨越，證明了使用機(jī)器人對輸電線路進(jìn)行巡檢的方案是可行的。隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)及高校也對輸電線路巡檢機(jī)器人進(jìn)行了研制，并對其自主越障技術(shù)開展了大量研究工作。付雙飛、王偉、宋樹偉等提出了一種基于傳感器信息建立專家系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主越障運(yùn)動控制的方法，其中知識庫的質(zhì)量決定著專家系統(tǒng)推理結(jié)果的正確性，易發(fā)生因知識庫內(nèi)先驗(yàn)知識不足而導(dǎo)致推理失敗的現(xiàn)象。王魯單等采用預(yù)編程與傳感器定位相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的自主越障控制，但其機(jī)械臂找線時間決定了機(jī)器人越障效率較低。郭偉斌等基于模糊推理及有限狀態(tài)機(jī)理論實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人遙控與局部自主越障，其中推理結(jié)果是否正確、重心調(diào)節(jié)是否合適是機(jī)器人越障能否成功的關(guān)鍵，易發(fā)生因推理失敗、重力傾覆而導(dǎo)致越障失敗的現(xiàn)象。張義杰等提出了一種機(jī)器人始終與障礙物保持安全距離的自主越障控制方案，但機(jī)器人越障效率較低。

綜上所述，目前輸電線路巡檢機(jī)器人自主越障運(yùn)動普遍存在控制復(fù)雜、越障效率低、穩(wěn)定性差的問題。針對上述問題，以一款新型的沿地線行駛的輸電線路巡檢機(jī)器人為例，提出一種自主越障運(yùn)動控制方法。將機(jī)器人越障動作過程等同為機(jī)器人姿態(tài)轉(zhuǎn)換過程，通過建立以傳感器檢測信息為遷移條件的越障運(yùn)動控制模型，對機(jī)器人越障運(yùn)動進(jìn)行控制，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證機(jī)器人自主越障運(yùn)動控制方法的有效性。

1 機(jī)器人系統(tǒng)組成與運(yùn)動規(guī)劃

1.1 機(jī)器人系統(tǒng)組成

機(jī)器人本體主要由3個行走臂(Ⅰ～Ⅲ)，2個壓緊臂(Ⅳ、Ⅴ)及控制箱體Ⅵ等六部分組成，如圖1(a)所示。其中：手臂伸縮機(jī)構(gòu)1可以進(jìn)行上下伸縮動作，手臂開合機(jī)構(gòu)2可以進(jìn)行開合動作，行走驅(qū)動輪3可以進(jìn)行行走動作，故稱手臂Ⅰ～Ⅲ為行走臂，3個行走臂處于同一直線位置，避免了越障過程中的手臂找線動作；機(jī)器人行駛至充電基站時可通過充電接口4進(jìn)行自主對接充電；雙壓緊輪結(jié)構(gòu)6可以對輸電線路5進(jìn)行壓緊，使輸電線路與行走驅(qū)動輪緊密接觸，防止機(jī)器人發(fā)生行走打滑與前后整體傾覆的現(xiàn)象，故稱手臂Ⅳ、Ⅴ為壓緊臂。為描述方便，對手臂作出如下定義：巡檢的方向?yàn)闄C(jī)器人前方，位于前方的手臂為前行走臂及前壓緊臂，統(tǒng)稱為前臂，以此類推。

機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖1(b)所示，系統(tǒng)由一臺接入局域網(wǎng)的PC機(jī)作為地面基站為系統(tǒng)管理級，一臺安裝Ubuntu16.04操作系統(tǒng)和機(jī)器人操作系統(tǒng)(ROS)的TX2為系統(tǒng)組織級，ARM1(STM32F407)和ARM2(STM32F407)并行分布作為系統(tǒng)執(zhí)行級。地面基站通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程交互機(jī)載TX2，實(shí)時顯示和處理系統(tǒng)信息并向機(jī)器人發(fā)布控制指令。TX2作為機(jī)器人本體主控制器，主要負(fù)責(zé)機(jī)器人本體動作決策；ARM1為機(jī)器人周圍環(huán)境信息采集及本體狀態(tài)信息感知單元；ARM2為機(jī)器人運(yùn)動控制單元；巡檢設(shè)備將采集的信息匯集至交換機(jī)，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至地面基站進(jìn)行下一步處理。

圖1 機(jī)器人系統(tǒng)框圖

機(jī)器人本體狀態(tài)信息可分為機(jī)器人關(guān)節(jié)狀態(tài)信息及整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息。機(jī)器人關(guān)節(jié)狀態(tài)信息主要通過行走電機(jī)編碼器、限位開關(guān)來檢測。行走電機(jī)編碼器可檢測機(jī)器人行走速度。伸/縮限位開關(guān)可檢測手臂的伸縮狀態(tài)，開/合限位開關(guān)可檢測手臂開合狀態(tài)。當(dāng)機(jī)器人處于高速行走狀態(tài)下，且行走臂位于縮限位位置和開限位位置、壓緊臂位于伸限位位置時，為機(jī)器人正常巡檢姿態(tài)，簡稱為常態(tài)。整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)信息主要通過傾角傳感器、溫濕度傳感器、庫侖計(jì)、行走電機(jī)編碼器及壓緊輪編碼器進(jìn)行檢測。當(dāng)各傳感器檢測到機(jī)器人整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常時，機(jī)器人停止巡檢，并向地面基站發(fā)出相應(yīng)異常警告，等待地面操作人員指令。

1.2 機(jī)器人越障運(yùn)動規(guī)劃

越障的概念可簡單描述為機(jī)器人在與障礙物不發(fā)生碰撞的前提下通過障礙。由于線路障礙相對固定，巡檢任務(wù)按障礙類型可分為無障礙直線段巡檢、懸垂線夾障礙巡檢、防振錘障礙巡檢及異物障礙巡檢，分別對上述巡檢任務(wù)運(yùn)動過程進(jìn)行規(guī)劃。無障礙直線段內(nèi)機(jī)器人以常態(tài)執(zhí)行巡檢任務(wù)；當(dāng)線路前方障礙為異物障礙時，機(jī)器人停止巡檢，等待地面基站動作指令。下面將重點(diǎn)對機(jī)器人跨越防振錘障礙及懸垂線夾障礙時的運(yùn)動過程進(jìn)行設(shè)計(jì)與規(guī)劃。

(1)跨越防振錘障礙動作規(guī)劃

由機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)可知，機(jī)器人以常態(tài)執(zhí)行巡檢任務(wù)時，與防振錘發(fā)生碰撞的部位為壓緊臂伸出部位，故機(jī)器人跨越防振錘障礙動作序列可視為壓緊臂跨越防振錘障礙動作序列。兩壓緊臂交替越障，其越障方式如下：越障壓緊臂收縮至縮限位位置，機(jī)器人低速行走。規(guī)劃機(jī)器人跨越防振錘障礙動作序列如圖2所示。

圖2 機(jī)器人跨越防振錘障礙動作序列

(2)跨越懸垂線夾障礙動作規(guī)劃

機(jī)器人以常態(tài)執(zhí)行巡檢任務(wù)時，與懸垂線夾發(fā)生碰撞的部位為行走臂行走輪部位及壓緊臂伸出部位，故機(jī)器人跨越懸垂線夾障礙過程可視為行走臂與壓緊臂越障過程的有機(jī)結(jié)合。3個行走臂交替越障，其越障方式如下：越障行走臂伸出至伸限位位置，行走輪脫離線路打開至開限位位置，機(jī)器人慢速行走。壓緊臂跨越懸垂線夾障礙方式和跨越防振錘障礙方式一致。規(guī)劃機(jī)器人前行走臂及前壓緊臂跨越懸垂線夾障礙動作序列如圖3所示，其他手臂越障方式與之類似。

圖3 機(jī)器人跨越懸垂線夾障礙動作序列

2 越障運(yùn)動控制模型的建立與實(shí)現(xiàn)

2.1 有限狀態(tài)機(jī)理論

通過規(guī)劃機(jī)器人越障動作序列，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)器人越障的過程其實(shí)就是機(jī)器人各種姿態(tài)轉(zhuǎn)變的過程。機(jī)器人各種姿態(tài)的轉(zhuǎn)變可以通過有限狀態(tài)機(jī)進(jìn)行描述。有限狀態(tài)機(jī)是一種具有有限個狀態(tài)變換的概念機(jī)，一般包含3個部分：1個有限狀態(tài)集合、1個輸入集合及1個狀態(tài)遷移規(guī)則集合。有限狀態(tài)機(jī)可以由一個五元數(shù)組表示：

(1)

式中：為系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的有限集合；為系統(tǒng)的輸入事件集合；為系統(tǒng)的狀態(tài)遷移函數(shù)；為初始狀態(tài)；為系統(tǒng)終止?fàn)顟B(tài)集合。

將機(jī)器人越障過程中各種姿態(tài)作為系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)集合，傳感器檢測信息作為系統(tǒng)輸入事件集合，建立越障運(yùn)動控制模型對機(jī)器人自主越障運(yùn)動進(jìn)行控制。根據(jù)線路障礙類型不同，分別建立跨越防振錘障礙運(yùn)動控制模型及跨越懸垂線夾障礙運(yùn)動控制模型。機(jī)器人通過判斷障礙物類型及整機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)入相應(yīng)運(yùn)動控制模型。

2.2 跨越障防振錘障礙運(yùn)動控制模型建立

本文作者僅以機(jī)器人跨越防振錘障礙為例描述機(jī)器人運(yùn)動控制模型建立過程，跨越懸垂線夾障礙運(yùn)動控制模型建立方法與之類似，故不再贅述。

(1)將引導(dǎo)機(jī)器人運(yùn)動的傳感器檢測信息進(jìn)行離散化處理。手臂通過搭載的紅外線接近傳感器可以檢測前方80 mm內(nèi)是否存在障礙：0表示手臂前方無障礙、1表示手臂前方有障礙。分別建立前臂前行障礙信息集合、中臂前行障礙信息集合及后臂前行障礙信息集合：

(2)

(3)

(4)

機(jī)器人運(yùn)動關(guān)節(jié)主要包括行走臂伸縮關(guān)節(jié)、行走臂開合關(guān)節(jié)、壓緊臂伸縮關(guān)節(jié)及行走輪行走關(guān)節(jié)。將機(jī)器人各關(guān)節(jié)信息進(jìn)行離散化處理：

前行走臂關(guān)節(jié)狀態(tài)：表示位于伸限位位置,表示位于縮限位位置,表示位于開限位位置,表示位于合限位位置；

中行走臂關(guān)節(jié)狀態(tài)：表示位于伸限位位置,表示位于縮限位位置,表示位于開限位位置,表示位于合限位位置；

后行走臂關(guān)節(jié)狀態(tài)：表示位于伸限位位置,表示位于縮限位位置,表示位于開限位位置,表示位于合限位位置；

前壓緊臂關(guān)節(jié)狀態(tài)：表示位于伸限位位置,表示位于縮限位位置；

后壓緊臂關(guān)節(jié)狀態(tài)：表示位于伸限位位置,表示位于縮限位位置；

機(jī)器人行走狀態(tài)：表示停止,表示低速(0.2 m/s),表示高速(0.6 m/s)。

分別建立關(guān)節(jié)狀態(tài)信息集合：

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

將各關(guān)節(jié)狀態(tài)信息集合合并為機(jī)器人關(guān)節(jié)狀態(tài)信息集合：

選取2015年3月到2016年3月期間在我院進(jìn)行治療的頸椎管狹窄以及頸椎損傷的60例患者,根據(jù)治療方法的不同將其隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和對照組,每組各30例患者。所有患者均經(jīng)過磁共振成像(MRI)、CT等檢查確診患有該病。其中實(shí)驗(yàn)組30例患者中男16例,女14例.年齡在44到70歲之間,平均年齡53.2歲。對照組30例患者中男17例,女13例,年齡在43到68歲之間,平均年齡52.1歲。兩組患者在性別、年齡等一般資料的比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05),具有可比性。

(11)

將機(jī)器人手臂前行障礙信息及機(jī)器人關(guān)節(jié)狀態(tài)信息結(jié)合，建立傳感器檢測信息集合：

(12)

(2)將機(jī)器人跨越防振錘障礙時關(guān)鍵姿態(tài)定義為7種：

(13)

式中：～表示機(jī)器人跨越防振錘障礙動作序列中7種關(guān)鍵姿態(tài);為機(jī)器人常態(tài)。

表1 機(jī)器人姿態(tài)與關(guān)節(jié)狀態(tài)對應(yīng)

(3)依據(jù)越障動作序列，基于有限狀態(tài)機(jī)理論，建立以傳感器檢測信息集合為遷移條件的機(jī)器人跨越防振錘障礙運(yùn)動控制模型：

(14)

式中:

=；

=；

其中:,,、,,分別表示由姿態(tài)向姿態(tài)遷移的控制函數(shù)及監(jiān)督函數(shù)。

機(jī)器人跨越防振錘障礙過程中姿態(tài)遷移情況如圖4所示，相對應(yīng)的遷移條件、姿態(tài)遷移函數(shù)、控制函數(shù)與監(jiān)督函數(shù)如表2所示。

圖4 機(jī)器人越障姿態(tài)遷移示意

表2 機(jī)器人越障姿態(tài)遷移

表3 機(jī)器人越障姿態(tài)遷移條件

表2中,,,表示由姿態(tài)向姿態(tài)遷移的控制函數(shù)，機(jī)器人接收控制命令，執(zhí)行相應(yīng)動作，為可控事件。,1,2表示控制機(jī)器人停止行走；,2,3表示控制機(jī)器人前壓緊臂收縮至縮限位位置；,3,4表示控制機(jī)器人低速行走；,4,3表示控制機(jī)器人停止行走；,3,2表示控制機(jī)器人前壓緊臂伸出至伸限位位置；,2,5表示控制機(jī)器人后壓緊臂收縮至縮限位位置；,5,6表示控制機(jī)器人低速行走；,6,2表示控制機(jī)器人低速行走3 s后機(jī)器人停止行走，后壓緊臂伸出至伸限位位置；,2,0表示控制機(jī)器人高速行走，此時，機(jī)器人退出跨越防振錘運(yùn)動控制模型，恢復(fù)巡檢常態(tài)。

,,表示由姿態(tài)向姿態(tài)遷移的監(jiān)督函數(shù)，通過檢測本體狀態(tài)信息監(jiān)測機(jī)器人姿態(tài)遷移是否成功，為自動事件。

2.3 障礙類型識別

障礙類型的準(zhǔn)確識別是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主越障的前提條件，機(jī)器人障礙識別流程如圖5所示。機(jī)器人通過安裝在前行走臂及前壓緊臂上的超聲波傳感器(檢測距離20～1 200 mm)檢測前方線路是否存在障礙。當(dāng)巡檢方向上任一超聲波傳感器檢測到信號時，都認(rèn)為前方線路有障礙，機(jī)器人由高速行走狀態(tài)轉(zhuǎn)為低速行走狀態(tài)。

圖5 障礙識別流程

機(jī)器人前后兩側(cè)裝有單目攝像頭作為機(jī)器人視覺模塊，在主控制器中與超聲波傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行特征值關(guān)聯(lián)融合。關(guān)聯(lián)融合過程中取攝像頭檢測到懸垂線夾時，視覺特征值為1；檢測到防振錘時，視覺特征值為2；其他情況，視覺特征值為3。融合決策器如式(15)所示：

=

(15)

式中：為前方線路有無障礙特征值；為視覺模塊特征值；為決策結(jié)果。機(jī)器人障礙類型決策如表4所示。機(jī)器人依據(jù)融合決策結(jié)果確定前方線路障礙物類型，并進(jìn)入相應(yīng)運(yùn)動控制模型，實(shí)現(xiàn)自主越障運(yùn)動控制。通過安裝在手臂上的接近傳感器(檢測距離10～1 000 mm)可使機(jī)器人在距障礙物約70 mm處停止行走。

表4 傳感器信息決策

3 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證機(jī)器人系統(tǒng)的合理性及機(jī)器人自主越障運(yùn)動控制方法的有效性，將機(jī)器人置于待檢線路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。機(jī)器人接收到自主巡檢指令，開始以常態(tài)進(jìn)行巡檢。

機(jī)器人在距防振錘障礙約1.1 m處檢測到前方有障礙，開始以0.2 m/s的速度進(jìn)行巡檢。當(dāng)識別出前方障礙為防振錘時，進(jìn)入跨越防振錘障礙運(yùn)動控制模型，開始執(zhí)行防振錘障礙巡檢任務(wù),如圖6所示。機(jī)器人前壓緊臂紅外接近傳感器得到信號后，機(jī)器人停止行走，機(jī)器人由姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)，見圖6(a)；機(jī)器人前壓緊臂收縮，當(dāng)機(jī)器人前壓緊臂縮限位得到信號時，機(jī)器人由姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)，見圖6(b)；機(jī)器人低速行走，機(jī)器人由姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)，見圖6(c)；當(dāng)機(jī)器人后壓緊臂紅外接近傳感器得到信號后，機(jī)器人行走停止，機(jī)器人由姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)，見圖6(d)；機(jī)器人前壓緊臂伸出，當(dāng)機(jī)器人前壓緊臂伸限位得到信號后，機(jī)器人由姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)，見圖6(e)；機(jī)器人后壓緊臂收縮，當(dāng)機(jī)器人后壓緊臂縮限位得到信號后，機(jī)器人由姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)，見圖6(f)；機(jī)器人慢速行走，機(jī)器人由姿態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽藨B(tài)，見圖6(g)；機(jī)器人慢速行走3 s后停止，機(jī)器人后壓緊臂伸出，當(dāng)機(jī)器人后壓緊臂伸限位得到信號后，機(jī)器人姿態(tài)由轉(zhuǎn)變?yōu)椋妶D6(h)；機(jī)器人高速行走，恢復(fù)巡檢常態(tài)，見圖6(i)；跨越防振錘動作序列完成，機(jī)器人繼續(xù)以常態(tài)進(jìn)行巡檢。整個跨越防振錘障礙過程大約用時54 s。

圖6 機(jī)器人跨越防振錘障礙

因懸垂線夾上方懸垂鏈結(jié)構(gòu)被檢測面積較小，機(jī)器人高速行走狀態(tài)下檢測到前方具有障礙的距離在0.6～1.1 m內(nèi)波動。檢測到障礙后，機(jī)器人由0.6 m/s的高速行走狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?.2 m/s的低速行走狀態(tài)，并對障礙物類型進(jìn)行識別。當(dāng)識別出前方障礙為懸垂線夾時，機(jī)器人結(jié)合本體狀態(tài)信息進(jìn)入跨越懸垂線夾障礙運(yùn)動控制模型，機(jī)器人跨越懸垂線夾障礙過程如圖7所示，機(jī)器人跨越懸垂線夾障礙大約用時110 s。

實(shí)驗(yàn)過程中，機(jī)器人在自主巡檢任務(wù)模式下，識別出障礙類型后會自動進(jìn)入對應(yīng)越障運(yùn)動控制模型，并能結(jié)合傳感器檢測信息準(zhǔn)確地完成各種越障姿態(tài)遷移，從而完成金具障礙的跨越。若未檢測出前方障礙類型，機(jī)器人會將其歸為異物障礙，在距障礙物約70 mm處停止巡檢，并向地面基站發(fā)出異物障礙提醒，等待地面操作人員指令。當(dāng)機(jī)器人本體運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生異常時，機(jī)器人會停止一切巡檢任務(wù)，并向地面基站發(fā)出運(yùn)行異常警告，等待操作人員命令。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了機(jī)器人系統(tǒng)的合理性及自主越障運(yùn)動控制方法的可行性。

圖7 機(jī)器人跨越懸垂線夾障礙

4 結(jié)論

本文作者依據(jù)一種新型的沿地線行駛的輸電線路巡檢機(jī)器人提出了一種自主越障運(yùn)動控制方法。規(guī)劃機(jī)器人越障動作序列及分析機(jī)器人各關(guān)節(jié)傳感器檢測信息與機(jī)器人位姿之間的對應(yīng)關(guān)系，基于有限狀態(tài)機(jī)理論建立了機(jī)器人自主越障運(yùn)動控制模型，對機(jī)器人越障運(yùn)動進(jìn)行控制。進(jìn)行了線路巡檢實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：利用該方法，機(jī)器人能較為準(zhǔn)確地識別出金具障礙類型并進(jìn)入相應(yīng)越障運(yùn)動控制模型，能夠穩(wěn)定、高效地跨越線路上金具障礙，完成巡檢任務(wù)。