一種高壓線巡檢機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究

黃榮舟，李炳川，陳 果，汪明輝

（西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621010）

0 引言

高壓輸電線路長期暴露于野外，存在線路老化、電器閃絡(luò)、材料老化等問題，需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并予以修復(fù)。傳統(tǒng)的地面目測法勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率和探測精度低；航測法盡管探測效率和精度高，但技術(shù)難度大、運(yùn)行費(fèi)用高。為了解決上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種高壓線巡檢機(jī)器人，其主要特征是能在電線上行進(jìn)、具有一定的避障和爬坡能力，其避障方式為遙控或手動(dòng)控制。

1 障礙物模型

在設(shè)計(jì)之初，本文通過查詢高壓線傳輸相關(guān)資料得知，高壓線上常見的保護(hù)金具有懸垂線夾、防震錘、壓線管等，故本文將高壓線上的障礙物簡化為以下三種： 壓線管，防震錘，懸垂線夾。障礙物模型與參數(shù)如圖1 所示。

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的高壓線巡檢機(jī)器人能在電線上移動(dòng)，完成線路的檢測任務(wù)。機(jī)器人在線上的行進(jìn)分為兩個(gè)過程，其一為線上移動(dòng)，其二為越障。針對機(jī)器人的行進(jìn)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了以連桿機(jī)構(gòu)為主的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線上的行進(jìn)與越障。機(jī)器人模型如圖2 所示，圖中的虛線為電線。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由三部分組成：行走輪、開合掌機(jī) 構(gòu)、滑 臺 機(jī)構(gòu)。機(jī)器人依靠三對行走輪在線上行進(jìn)，行走輪可以直接通過高壓線上的小型障礙物；開合掌機(jī)構(gòu)的升降功能可改變行走輪的高度和開合角度，從而越過障礙物；機(jī)器人在越障和爬坡過程中通過移動(dòng)滑臺機(jī)構(gòu)改變質(zhì)心，保證自身行進(jìn)的穩(wěn)定性。

圖1 障礙物模型Fig.1 Model of obstacles

圖2 機(jī)器人簡圖Fig.2 Schematic diagram of the robot

2.1 行走輪設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的行走輪如圖3 所示。圖中60°的夾角增大了線與行走輪之間的摩擦力，增加小車的行走能力以及提高行走的坡度。由于行走輪的左右兩個(gè)半輪具有離合性，在兩個(gè)半輪合并時(shí)，為了保證它們之間的轉(zhuǎn)動(dòng)同步同時(shí)減少能量損失，故在左右輪上分別加工處理成帶有互補(bǔ)形狀的方塊，使之能夠正確嚙合。

圖3 行走輪Fig.3 Wheel

2.2 開合掌機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

開合掌機(jī)構(gòu)為連桿與絲杠的組合機(jī)構(gòu)，通過絲杠控制連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，從而使行走輪開合、升降。當(dāng)前方有障礙物時(shí)，兩個(gè)開合掌機(jī)構(gòu)固定不動(dòng)，另一個(gè)開合掌機(jī)構(gòu)作為工作機(jī)構(gòu)，通過工作的開合掌機(jī)構(gòu)的張開使一對行走輪之間產(chǎn)生一定角度，并向上抬升。當(dāng)工作的開合掌機(jī)構(gòu)順利通過障礙物后，需要對線路重新定位，定位成功后緩慢將工作的開合掌機(jī)構(gòu)的移動(dòng)副下移，使工作的開合掌機(jī)構(gòu)的輪子與線路重新夾緊，從而順利通過電線上的障礙物，繼續(xù)移動(dòng)行走。

如圖4 所示為開合掌機(jī)構(gòu)閉合和開合兩種狀態(tài)圖。開合掌機(jī)構(gòu)能夠在閉合狀態(tài)下通過壓線管與防震錘，在開合狀態(tài)時(shí)通過懸垂線夾。設(shè)BC 兩點(diǎn)間的距離為l1，AB 兩點(diǎn)間的距離為l2，BF 兩點(diǎn)間的距離為l3，F(xiàn)G 兩點(diǎn)間的距離為l4。

開口度是衡量該機(jī)構(gòu)越障能力的指標(biāo)，設(shè)開口度為op，可得：

圖4 開合掌機(jī)構(gòu)Fig.4 Link and screw structure

op 取值范圍為（0,1），設(shè)a邊與x 軸的初始夾角為θ，變化量為△θ，則行走輪半徑r 和開合過程中行走輪相對豎直線角度的變化也為△θ，設(shè)行走輪中心開合距離為om'，可得：

om'=om+2rsin△θ

行走輪中心的豎直位移為：

Sy=l2sin（θ+△θ）-l2sinθ

水平位移為：

Sx=0.5l1-l2cos（θ+△θ）

故行走輪中心的合位移為：

當(dāng)行走輪的直徑相對l1、l2較小時(shí)，行走輪可以看做一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，開合掌機(jī)構(gòu)在開合狀態(tài)下，行走輪可通過障礙物的半徑即為S。設(shè)AB 邊與BF 邊的夾角為β，BF邊與FG 邊交點(diǎn)的上升距離為H1，可得：

H1=l3sin（β-θ-△θ）-l3sin（β-θ）

設(shè)FG 邊與y 軸的初始角度為γ，變化角度為△γ；絲杠節(jié)點(diǎn)與F 點(diǎn)間上升距離為H2，得：

H2=l4cosγ-l4cos（γ+△γ）

故絲杠總的上升高度為:

Hmin=H1+H2=l3sin（β-θ-△θ）-l3sin（β-θ）+l4cosγ-l4cos（γ+△γ）

開合掌機(jī)構(gòu)在通過懸垂線夾時(shí)，需要使行走輪底部與D 點(diǎn)距離大于障礙物的距離，設(shè)該距離為L，可得：

L=l2sinθ+0.5l1tan（β-θ）-r

經(jīng)過計(jì)算后，得到了機(jī)器人相關(guān)參數(shù)。

2.3 滑臺機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

滑臺機(jī)構(gòu)，其主體為一個(gè)可以移動(dòng)的控制箱，用于存放電源、控制器件、檢測設(shè)備等。控制箱可由滑軌來調(diào)整其位置，在機(jī)器人通過障礙物與爬坡時(shí)會(huì)適當(dāng)?shù)叵蚯盎蛳蚝筮\(yùn)動(dòng)，從而調(diào)整機(jī)器人的質(zhì)心，使機(jī)械本體保持穩(wěn)定。

本文用一個(gè)額外的驅(qū)動(dòng)來控制滑臺機(jī)構(gòu)移動(dòng)，采用了撓性傳動(dòng)的方式提供過載保護(hù)，使用雙繞線，完成對重物的拖動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 滑臺機(jī)構(gòu)Fig.5 Centroid moving structrue

3 三維建模分析

在完成機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算后，本文在Pro/E 中對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維造型，建立了線上障礙物模型，并且將機(jī)器人與線上障礙物模型一同導(dǎo)入ADAMS 中進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。在ADAMS 中虛擬仿真的主要目的是測試小車是否能順利通過線上的三種障礙物，并且在斜坡上行走。

3.1 開合掌機(jī)構(gòu)仿真

本文在ADAMS 中建立了開合掌機(jī)構(gòu)的模型，并且對其進(jìn)行了仿真處理。本文建立了測量點(diǎn)到點(diǎn)類型的測量變量，測定前文所述L 的距離，以驗(yàn)證開合掌機(jī)構(gòu)張開時(shí)能否通過懸垂線夾。

從圖7 可以得知： 當(dāng)該機(jī)構(gòu)不開合時(shí)，允許通過190mm 的障礙物，當(dāng)考慮到障礙實(shí)際尺寸時(shí)可能會(huì)略微減小；隨著開合的進(jìn)行，其值逐漸減小，開合掌機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到極限時(shí)，最小距離時(shí)為123mm 左右，大于懸垂線夾的直徑，故機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

本文又測試了絲杠驅(qū)動(dòng)端的驅(qū)動(dòng)力矩，以此選取了電機(jī)，絲桿驅(qū)動(dòng)力矩如圖8 所示。

圖6 開合掌機(jī)構(gòu)Fig.6 Opening and closing structure in ADAMS

圖7 距離曲線Fig.7 Distance curve

圖8 絲杠力矩曲線Fig.8 Torque curve of screw

3.2 通過障礙物仿真

本文先在ADAMS 中測試了機(jī)器人能否在開合掌機(jī)構(gòu)的閉合狀態(tài)下，通過壓線管與防震錘。在完成測試后，本文在ADAMS 中重點(diǎn)對機(jī)構(gòu)通過懸垂線夾進(jìn)行了虛擬仿真。仿真結(jié)果表明，在經(jīng)過懸垂線夾時(shí)，機(jī)器人可以保持兩臂不動(dòng)，剩下的一臂通過調(diào)整開合掌機(jī)構(gòu)的張開狀態(tài)，改變兩個(gè)行走輪之間的距離與角度，從而順利通過懸垂線夾。

圖9 機(jī)器人通過壓線管Fig.9 Moving across connection pipe

圖10 通過懸垂線夾Fig.10 Moving across suspension clamp

最后，本文在ADAMS中驗(yàn)證了線上避障行走機(jī)器人能爬上坡度為15°的高壓線。

圖11 機(jī)器人在斜坡行進(jìn)Fig.11 Moving on the slope

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種高壓線巡檢機(jī)器人，對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了闡述，建立了機(jī)器人的三維模型，并在ADAMS中對其進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。本文在ADAMS 中對機(jī)器人進(jìn)行了測試，結(jié)果表明機(jī)器人不僅能夠穩(wěn)定地通過線上的障礙物，而且可以爬上15°的斜坡。實(shí)物如圖12 所示，對加工出的經(jīng)行測試表明，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人滿足設(shè)計(jì)要求，具有控制方便、行進(jìn)穩(wěn)定、機(jī)構(gòu)可靠等特點(diǎn)。

圖12 實(shí)物圖Fig.12 The robot

[1] 孫翠蓮，王洪光，趙明揚(yáng)，等.超高壓線巡檢機(jī)器人移動(dòng)越障機(jī)構(gòu)綜述[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2006，10.

[2] 張廷羽.高壓線巡檢機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及分析[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2008，18.

[3] 張廷羽.高壓線巡檢機(jī)器人的研究[D].上海：上海大學(xué),2008.

[4] 任志斌.高壓輸電線巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海大學(xué)，2009.

[5] 杜娥.基于ADAMS 的巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真[D].武漢:武漢大學(xué)，2005.

[6] 孔志增.輸電線路巡檢機(jī)器人系統(tǒng)及控制軟件研究[D].北京：華北電力大學(xué)，2008.

[7] Alisson Fonseca，Ricardo Abdo，Jo?o Alberto. Robot for Inspection of Transmission Lines[C]. IEEE International Conference on Applied Robotics for the Power Industry，2012.

[8] S.Peungsungwal.B.Pungsiri.Autonomous Robot For A Powr Transmission Line Inspection[J].IEEE，2001.

[9] Jaka Katrasnik,Franjo Pernus,Bostjan Likar.New Robot for Power Line Inspection[J].IEEE，2008.