一種雙臂巡檢機器人的質心調整策略

李貞輝，王洪光，王越超（.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，遼寧沈陽006；2.中國科學院大學，北京00049）

一種雙臂巡檢機器人的質心調整策略

李貞輝1，2，王洪光1，王越超1
（1.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室，遼寧沈陽110016；2.中國科學院大學，北京100049）

針對一種雙臂巡檢機器人單臂掛線越障時的動態穩定問題，提出了一種質心調整策略。在分析機器人越障過程的基礎上，建立了機器人單臂掛線時的動力學模型，設計了一種狀態反饋控制器。提出以過渡時間最短為目標規劃關節變量，設定機器人傾角和兩臂間距為控制目標，實時調節各關節運動，通過控制調整機器人質心位置實現機器人越障時的穩定運動。仿真和實驗證明了所提質心調整策略的可行性。

移動機器人；巡檢機器人；雙臂機器人；質心調整；反饋控制器；高壓輸電線

輸電線巡檢機器人研究始于20世紀80年代，近年來成為機器人領域的研究熱點［1?5］。輪臂復合結構的輸電線巡檢機器人是當前巡檢機器人中的常見類型，這種機器人通過輪臂復合機構實現機器人在架空輸電線上行走及跨越線路障礙。機器人在跨越障礙時需要在單臂掛線狀態下調節各關節運動使脫線手臂跨越障礙物。機器人跨越障礙時的姿態變化使得機器人的質量分布發生變化，從而造成傾斜，導致機器人承受附加傾覆力矩而處于不穩定狀態，盡管掛線手臂通過夾線機構能夠提供一定的夾緊力，但是過大的夾緊力容易損壞掛線處的輸電線路。由于機械結構限制，機器人傾斜還容易使脫線手臂與線路發生干涉。因此保持機器人越障時處于動態穩定狀態是實現機器人越障的關鍵。機器人的動態穩定狀態是指在機器人單臂掛線運動時通過實時調整機器人質心位置而保持機器人處于水平姿態的狀態。文獻［6］中通過模型計算，規劃配重塊的位置以調整機器人質心實現機器人的穩定運動，這種方法對建模精度要求很高；文獻［7］提出一種通過控制配重塊位置調整質心的方法，利用靜力矩平衡方程初步估計配重塊位置，當配重塊到達估計位置后再利用傾角傳感器的輸出調整配重塊位置使機器人穩定在水平姿態，這種方法可以保證機器人最終在穩定狀態，但是無法保證運動過程中機器人始終處于穩定狀態，即無法保證機器人質心的動態穩定。本文針對一種雙臂巡檢機器人越障過程中的動態穩定問題，提出一種質心調整策略。分析了機器人越障過程中的動力學模型，以過渡時間最短為目標規劃機器人的關節運動軌跡。為了確認機器人是否水平，在機器人箱體位置安裝了傾角傳感器，實時反饋機器人傾角。根據機器人傾角設計了狀態反饋H∞控制器，利用機器人傾角和關節位移實時調節各關節運動，通過控制調整機器人質心位置實現機器人越障時的穩定運動。

1 巡檢機器人及其越障過程

1.1 巡檢機器人結構

巡檢機器人沿輸電導線行走，并攜帶檢測設備對輸電導線進行檢測，輸電導線的障礙物環境如圖1所示。巡檢機器人沿輸電導線以滾動的方式運動，遇到安裝在導線上的防振錘、線夾和引流線等障礙物時，機器人采取尺蠖或雙臂交錯的方式跨越障礙物。

巡檢機器人由行走越障機構、質心調整機構和控制箱體組成，圖2所示。機器人行走越障機構由兩個輪－爪－臂復合手臂組成，每個手臂分別有行走關節（圖2（1））、腕關節（圖2（2））、伸縮關節（圖2（3））和旋轉關節（圖2（4）），手臂末端安裝夾爪，可以抓握導線。機器人質心調節機構由雙臂導軌和控制箱導軌組成，分別由3個移動關節驅動（圖2（5）和圖2（6）），可以實現兩臂和控制箱沿導軌水平運動；控制箱體裝有機器人控制系統及電源等，同時具有機器人質心配重塊的作用。

圖1 輸電線的障礙物環境Fig.1 Obstacle environment on power transm ission line

圖2 巡檢機器人結構Fig.2 Structure of the robot

1.2 巡檢機器人越障過程描述

機器人以雙臂交錯方式跨越障礙物或通過引流線時，經常需要在單臂掛線狀態下調節各關節運動。以跨越耐張線夾為例，越障流程如圖3所示。

圖3 巡檢機器人越障流程（耐張線夾）Fig.3 The obstacle negotiating process of the robot

1）機器人正常在架空導線上行使時，其質心在兩臂中間，兩臂間距為Δ；

2）當機器人遇到線夾后，停止運動，移動雙臂和控制箱在導軌上的位置，將機器人質心調整至前臂下；

3）后臂伸長脫線，并旋轉90°以避讓導線，后臂收縮或前臂伸長使后臂輪爪降至線下；

4）保持機器人在水平狀態，驅動雙臂導軌和控制箱的移動關節使兩臂間距由Δ調整至－Δ；

5）后臂抬高至線上并回轉－90°；

6）后臂收縮落線，調整質心至后臂；

7）－8）前臂依同樣方式跨越線夾；

9）前臂落線完成后調整質心至兩臂中間，完成雙臂交錯跨越。

分析上述越障過程，機器人質心調整主要發生在以下3種情況：

1）機器人雙臂掛線，通過改變機器人手臂和控制箱在導軌上的位置使質心在兩臂中間、前臂下、后臂下之間相互轉換，如過程（b）、（f）、（i）；

2）機器人單臂掛線，保持穩定狀態（即機器人在水平姿態）將兩臂間距由Δ變化至Δnew，如過程（d）；

3）機器人單臂掛線，手臂伸縮或旋轉時保持機器人在穩定狀態，如過程（c）、（e）、（f）。

這3種情況以第2種最為復雜和關鍵，整個過程中應保持機器人在動態穩定狀態。當機器人在運動中產生傾斜時，抓線手臂對輸電線俯仰方向的作用力將對輸電線產生危害。機器人傾斜影響脫線手臂與輸電線的相對關系，同時影響機器人的力學特性，使得機器人處于不安全狀態。因此，保持機器人在穩定狀態是機器人越障的關鍵。

本文以機器人后臂掛線，保持機器人處于穩定狀態調整兩臂間距由Δ至Δnew為研究對象，通過調節雙臂導軌和控制箱移動關節的運動控制機器人質心位置，從而保證機器人在運行過程中始終在穩定狀態。

2 機器人單臂掛線的動力學模型

機器人單臂掛線運動時，一只手臂懸掛在輸電線上，通過懸掛手臂的夾爪將機器人的行走輪固定在輸電線上，另一手臂在空間運動。以后臂掛線運動為例，忽略輸電線振動和變形對機器人的影響，在后臂懸掛點中心建立基坐標X0Y0Z0，假設該基坐標固定。機器人有9個運動關節，設mi（i＝0，1，..，9）為各連桿的質量，si為各連桿的質心在本連桿坐標系中的位置，li為機器人在初始位置時各質心之間的連接長度，如圖4（a）所示。θ為機器人水平傾斜角度，D為導軌總長。在此基礎上，建立機器人各連桿的D?H坐標系，如圖4（b）所示。

圖4 機器人初始位置及坐標系Fig.4 Coordinates of the robot

采用牛頓－歐拉迭代算法建立機器人的動力學模型，各連桿的速度和加速度迭代方程表示為

若關節i＋1為轉動關節

忽略各關節之間的摩擦力，則作用在關節i的力和力矩由下列迭代算法給出：

機器人在后臂掛線狀態下運動時，后臂腕關節（關節1）電機處于自由狀態。由式（1）～（3）求的施加在關節1處的力矩為

式中：τ1由后臂俯仰關節被動機構提供的阻尼決定。阻尼所提供的力矩與后臂俯仰角度θ－α成反比，其中α為輸電導線與水平面的夾角，k為阻尼系數，如圖5所示。則

由（1）～（5）得機器人繞關節1的z軸的力矩平衡方程為

圖5 后臂懸掛的幾何關系Fig.5 Geometrical relationship

機器人后臂掛線，調整兩臂間距時，一般只需調節關節4、關節5和關節6位置，關節1被動適應，其他關節保持不變，即d2＝，＝，θ7＝，d8＝，θ9＝。機器人在運動過程中，傾斜角度θ一般不會過大，設－10°≤θ≤10°，故可近似cosθ≈1，sinθ≈θ，將（6）整理得：

3 控制器設計

設計質心調整控制器結構如圖6所示。

圖6 質心調整控制器結構Fig.6 Framework of centroid ad justment controller

在質心調整過程中，如控制箱體（d5）可調，由控制器Kc1調節，通過實時調節d5保持機器人平穩，并通過協調d4、d6使兩臂間距Δ按規劃運動；當控制箱體d5不可調時切換至控制器Kc2，通過協調兩臂運動（d4，d6）保持機器人平穩，且使兩臂間距Δ按規劃運動。控制器切換由Q觸發，P為規劃器。

3.1 規劃器P

機器人靜止時，滿足靜力矩平衡方程：

以巡檢機器人后臂懸掛在輸電線上，保持機器人在穩定狀態調整兩臂間距由Δ0至Δ為研究對象。機器人通過雙臂導軌和控制箱移動關節相互配合實現由初始位置(，，，，，)保持θ＝0調整兩臂間距至Δ。關節變量的期望值為(θ1，d2，θ3，d4，d5，d6，θ7，d8，θ9)，調整過程中保持d2＝θ3＝θ7＝，d8＝θ9＝。關節變量的期望值滿足式（9），整理得：

由于機器人3個水平移動關節最大速度相同，則機器人調整時間最短即3個水平移動關節的最大位移最小。3個水平移動關節的期望值(d5，d4，d6)應滿足：

采取遍歷變量的方法解式（11）得滿足調整時間最短的機器人期望關節變量。

3.2 d5可調，設計控制器Kc1

令d＝dr－Δd，則eΔ＝Δr－Δ＝－Δd6－Δd4。代入式（7）得

3.3 d5不可調，設計控制器Kc2

4 仿真與實驗

4.1 仿真

仿真中使用的巡檢機器人模型參數為：D＝0.78，J≈1，gu＝－19.168，f1＝［1.02 0.6－2.04］，f2＝［17 10.01 34.01］，f3＝－24。由于建模誤差的存在，實際機器人參數與模型存在偏差，假設實際機器人參數為：f1＝［1.2 0.66－2.1］，f2＝［20 11 35］，其他參數相同。設計控制器：

[0 0 0 0.36.503 6 0.32 0 0.2 0]兩臂間距Δ0＝0.1，初始偏角θ0＝0.098。調整后機器人狀態為兩臂間距Δ＝0.3，偏角θ＝0。解規劃器P，即機器人期望位置：

圖7是存在建模誤差情況下，機器人的開環和閉環響應曲線。結果表明所設計的控制器可以保證機器人系統的穩定性，能在建模誤差存在的情況下，將機器人傾角偏差調節到能夠接受的范圍內，從而保證了機器人在調整質心過程中保持穩定狀態。圖8是在運動過程中，機器人同時受到風載外力矩干擾和關節速度響應干擾時，機器人的響應曲線對比，結果表明控制器能抑制干擾對傾角的影響，使機器人平穩并保持兩臂間距按規劃值變化。其中虛線為不加控制作用時的開環響應曲線，實線為有控制作用時的閉環響應曲線。

圖7 機器人傾角的開環和閉環響應Fig.7 Open and closed loop response of the robot

圖8 加入干擾后傾角的開環和閉環響應Fig.8 Open and closed loop response of the robotw ith disturbances

4.2 實驗

在實驗室模擬的輸電線路上進行巡檢機器人質心調節實驗，如圖9所示。實驗內容為：后臂行走輪落在導線上，前臂抬起，將兩臂間距由300 mm調整至－300 m，機器人初始的傾角為－5.2°，機器人傾角的開環和閉環響應曲線如圖10所示。實驗表明在兩臂間距調整過程中機器人兩手臂和控制箱沿導軌協調運動，機器人傾角穩定在設定值0°。

圖9 質心調節實驗Fig.9 Centroid ad justm ent experiment

圖10 試驗中機器人傾角的開環和閉環響應Fig.10 Open and closed loop response of the robot in experimen t

5 結束語

巡檢機器人單臂懸掛運動是實現機器人越障的關鍵環節，針對巡檢機器人單臂懸掛運動時的機器人的動態穩定問題，本文提出了一種能夠實時保持機器人在穩定狀態的質心調整策略。實驗表明所提出的策略能夠在存在建模誤差和干擾的情況下，使機器人在雙臂交錯運動時保持穩定狀態。本文在研究過程中忽略了輸電導線柔性特性的影響，將機器人掛線手臂的行走輪固定在了剛性導線上。在實際中，受導線柔性的影響，機器人和導線構成了一個強耦合的動力學系統［12］。特別是在機器人通過引流線時，大垂度引流線的振動和變形對機器人質心調整有很大影響，該問題還在進一步研究中。

［1］KATRASNIK J，PERNUSF，LIKAR B.A survey ofmobile robots for distribution power line inspection［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25（1）：485?493.

［2］POULIOT N，RICHARD P L，MONTAMBAULT S.LineScout power line robot：Characterization of a UTM?30LX LIDAR system for obstacle detection［C］／／Proceed?ings of the IEEE／RSJ International Conference on Intelli?gent Robots and Systems.Vilamoura，Algarve，Portugal，2012：4327?4334.

［3］HIGUCHIM，MAEDA Y，TSUTANIS，etal.Development of amobile inspection robot for power transmission lines［J］.Journal of the Robotics Society of Japan，1991，9（4）：457?463.

［4］MARIO FM C，ALEXANDREQ B，GUILHERME A SP，et al.A mobile manipulator for installation and removal of aircraft warning spheres on aerial power transmission lines［C］／／Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation.Piscataway，USA：2002：3559?3564.

［5］WANG H，ZHANG F，JIANG Y，et al.Development of an inspection robot for 500 kV EHV power transmission lines［C］／／Proceedings of the 2010 IEEE／RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems.Taipei，Chi?na，2010：5107?5112.

［6］鄔大為，阮毅，任志斌.基于產生式系統和軌跡優化的巡線機器人控制［J］.計算機工程與設計，2008，29（11）：2868?2870.WU Dawei，RUAN Yi，REN Zhibin.Inspection robot con?trol system of power transmission line based on production system and trajectory optimization［J］.Computer Engineer?ing and Design，2008，29（11）：2868?2870.

［7］朱興龍，王洪光，房立金，等.自主越障巡檢機器人質心調節控制［J］.機器人，2006，28（4）：385?388.ZHU Xinglong，WANG Hongguang，FANG Lijin，et al.Centroid adjustment control on autonomous obstacle negotia?ting inspection robot［J］.Robot，2006，28（4）：385?388.

［8］喻向陽，送鵬云，張長勝.狀態反饋H∞控制器設計的線性矩陣不等式方法［J］.昆明理工大學學報：理工版，2006，31（2）：82?85.YU Xiangyang，SONG Pengyun，ZHANGChangsheng.State feedback H∞controller design via LM I approach［J］.Jour?nal of Kunming University of Science and Technology：Sci?ence and Technology，2006，31（2）：82?85.

［9］周景雷.機器人系統中的狀態反饋控制器設計［J］.菏澤學院學報，2009，31（5）：52?57.ZHOU Jinglei.State feedback control design in robotic sys?tems［J］.Journal of Heze University，2009，31（5）：52?57.

［10］房立金.架空線移動機器人主被動混合控制［J］.華中科技大學學報：自然科學版，2011，39（Supp2）：5?8.FANG Lijin.A passive?active hybrid control of wire?sus?pended mobile robot［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology：Natural Science Edition，2011，39（Supp2）：5?8.

［11］郭偉斌，王洪光，姜勇，等.一種輸電線巡檢機器人的自主抓線視覺伺服控制［J］.機器人，2012，34（5）：620?627.GUO Weibin，WANG Hongguang，JIANG Yong，et al.Visual servo control for automatic line?grasping of a power transmission line inspection robot［J］.Robot，2012，34（5）：620?627.

［12］張廷羽，張國賢，金健，等.高壓線巡檢機器人動力學建模及分析［J］.系統仿真學報，2008，20（18）：4982?4986. ZHANG Tingyu，ZHANG Guoxian，JIN Jian，et al.Dy?namicsmodeling and analysis for power lines inspection ro?bot［J］.Journal of System Simulation，2008，20（18）：4982?4986.

Centroid ad justment strategy for a dual arm inspection robot

LIZhenhui1，2，WANG Hongguang1，WANG Yuechao1
（1.State Key Laboratory of Robotics，Shenyang Institute of Automation，Chinese Academy of Sciences，Shenyang 110016，China；2.University of the Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In this paper，a centroid adjustment strategy is presented for solving the dynamic stability problem for a du?al arm inspection robotwhen it is hung by single arm.Based on analysis of the obstacle crossing process of the robot，a kineticmodel isestablished when the robot is hung by a single arm and a state?feedback controller based on the ro?botmodel is presented.This paper also discusses the planningmethod for the variable of joints based on shortest tran?sition time，achieving the dynamically stablemovementby regulating joint variables in time and adjusting the centroid of the robot.The simulation and experimental results showed that the centroid adjustment strategy is feasible.

mobile robot；inspection robot；dual arm robot；centroid adjustment；state?feedback controller；high voltage transmission line

P24

A

1673?4785（2014）06?0665?07

李貞輝，王洪光，王越超.一種雙臂巡檢機器人的質心調整策略［J］.智能系統學報，2014，9（6）：665?671.

英文引用格式：LI Zhenhui，WANG Hongguang，WANG Yuechao.Centroid ad justment strategy for a dual arm inspection robot［J］.CAAITransactions on Intelligent Systems，2014，9（6）：665?671.

10.3969／j.issn.1673?4785.201311045

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1673?4785.201311045.htm l

2013?11?19.

日期：2014?11?20.

國家“863”計劃資助項目（2006AA04Z203）.

李貞輝.E?mail：lizhenhui＠sia.cn.

李貞輝，男，1984年生，博士研究生。主要研究方向為特種機器人及其控制。發表學術論文？？？

王洪光，男，1965年生，研究員，博士生導師。主要研究方向為機器人機構學，特種機器人及機電一體化技術。介紹一下主要學術成就科研和論文發表情況

缺少第三作者簡介