一種110 kV輸電線路巡檢機器人機構研究

岳湘，王洪光，姜勇，張玨，張成巍，席寧

(1.中國科學院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016； 2.中國科學院大學，北京 100049; 3. 廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620 )

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一種110 kV輸電線路巡檢機器人機構研究

岳湘1,2，王洪光1，姜勇1，張玨3，張成巍3，席寧1

(1.中國科學院 沈陽自動化研究所，遼寧 沈陽 110016； 2.中國科學院大學，北京 100049; 3. 廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510620 )

摘要：針對110 kV輸電線路環境特點及巡檢任務需求，提出了一種新型巡檢機器人機構，介紹了機器人的機構構型和兩種典型障礙物的越障流程，推導了機器人的運動學方程，給出了機器人機構的主要尺寸，分析了典型越障模式下機器人手臂的工作空間。規劃了機器人跨越引流線的運動序列并進行了越障仿真與模擬環境的試驗，仿真試驗結果表明該機構能夠跨越引流線、耐張線夾等復雜障礙物，驗證了機構設計的合理性，運動規劃的可行性，該機構具有結構緊湊、越障能力強、運動平穩等特點。

關鍵詞：輸電線路；巡檢；機器人；機構設計；運動學；作業空間；越障；仿真

中文引用格式：岳湘，王洪光，姜勇， 等. 一種110 kV輸電線路巡檢機器人機構研究[J]. 智能系統學報， 2016, 11(2): 155-162.

英文引用格式：YUE Xiang, WANG Hongguang, JIANG Yong， et al. Design approach for a 110 kV power transmission line inspection robot mechanism[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2016, 11(2): 155-162.

超高壓輸電線路巡檢是為了掌握線路的運行狀況，及時發現電力設施的缺陷和沿線通道情況，為輸電線路檢修提供資料。較傳統的人工巡檢，輸電線路巡檢機器人具有巡檢費用低、安全可靠、可近距離精細巡檢以及易于操作等優點，逐漸成為線路巡檢的一個新的研究方向。機器人機構設計是機器人研究的一項關鍵技術[1]，機器人機構是機器人巡檢作業工具的載體，為機器人快速可靠地進行巡檢作業提供保障。國內外多家研究機構對輸電線路巡檢機器人開展了研究。1988年日本東京電力公司研制了具有初步越障能力的光纖復合架空地線巡檢機器人[2]，該機器人自身攜帶輔助導軌，越障時機器人需沿輔助導軌越過障礙物。這種機器人行走機構具有結構緊湊，驅動力矩大的特點。但是機器人自身過重，對電池供電有更高要求。日本NTT實驗室的Takeshi Tsujimura等提出了一種在架空線路上行走的機器人跨越障礙物的方法。機器人的機械設計上采用一個slider-crank機構原理。這個樣機的機械系統比較簡單，同時控制系統也比較簡單，但是由于運動模式的限制，這個樣機只能跨越特定類型的障礙物。HiBot公司和日本東京工業大學等開發了一種在具有雙線結構的500 kv及以上輸電導線上巡檢并跨越障礙的遙操作機器人Expliner[1-2]。該機構通過機械臂調整機器人質心位置的方式跨越障礙物，該機器人能夠跨越直線桿塔和間隔棒，越障方式簡單，該機器人的缺點是結構不緊湊、尺寸較大，主要應用于多分裂導線。加拿大魁北克水電研究院開發了一種在帶電導線上巡檢的機器人LineScout，由一個行走機構和一個手臂機構組成，采用蠕動方式交替跨越障礙物，機器人被設計成至少可跨越6種可能的障礙序列，越障過程中始終雙處抓線，越障過程穩定，可跨越防振錘、絕緣子，但不能跨越轉角塔[3- 4]。中科院自動化研究所和山東科技大學共同研制開發了110 kV的輸電線巡檢機器人，該機器人由3個柔性擺動臂機構、自走驅動裝置等組成，綜合了多關節分體式機構和輪臂復合機構的優點。該機器人結合了輪式移動和步進式蠕動爬行2種運動方式，保證了一定的行走速度，且機器人整體剛度大，姿態穩定性好，越障能力強，但是機器人由三臂組成，關節數量多，機器人重量大，控制復雜。中科院沈陽自動化研究所自2002年研究開發了AApe系列架空輸電線路巡檢機器人，該類機器人一般采用輪臂復合式機構，越障能力強，行走速度快，通過質心調節機構能夠提高機器人越障穩定性，該機器人可以在直線桿塔線路段自主行駛和巡檢，通過架設輔助導軌的方式跨越耐張桿塔。這些機器人都具有一定的越障能力，但跨越耐張桿塔的能力還存在較大的不足。

針對110 kV輸電線路環境特點及巡檢任務需求，借鑒已有機構的優點，提出了一種新型巡檢機器人機構，這種新型機構由行走機構、手臂機構、機架和質心調節機構組成，該機構能夠同時應用于導線和地線不同線路環境，能夠跨越引流線、耐張線夾等復雜障礙物，越障流程簡單易于控制，行走時安全性好等特點。

1任務需求與環境描述

根據110 kV架空輸電線路的巡檢任務需求，巡檢機器人需在110 kV輸電線路架空導線上行走，可跨越線路障礙，攜帶和操作可見光攝像機和紅外熱成像儀，分別對線路結構及其通道進行觀測檢查，如導/地線的受損情況、發熱情況、壓接管的工作狀況、線路絕緣情況、線路通道情況等，采用微波通訊方式將圖像傳輸至地面控制基站，并在地面控制基站上顯示攝像機拍攝的巡檢圖像，110 kV輸電線路環境示意如圖1所示。輸電線路主要由耐張塔，直線塔、架空地線、導線、耐張塔引流線、防振錘及絕緣子等組成。其中導線上的主要障礙物包括防振錘、懸垂線夾、耐張線夾、耐張塔引流線、并溝線夾等。110 kV輸電線的導線線徑較500 kV或更高等級電壓的輸電線路導線更細，線路的承載能力較低，因此需要對機器人質量更嚴格地控制。由于110 kV輸電線路導線之間的距離較小，根據輸電線帶電作業規范，為滿足安全距離的要求，機器人結構尺寸必須更加緊湊，同時由于拉線的存在，拉線與引流線間的距離比較小，進一步限制了機器人的結構尺寸。

圖1　110 kV輸電線路環境示意圖Fig.1　Environment schematic of 110 kV transmission line

機器人沿輸電線導線巡檢作業時，需要跨越直線塔和耐張塔。直線塔處的主要障礙物為懸垂線夾、防振錘。耐張塔處的主要障礙物為耐張線夾、引流線等。耐張塔引流線是耐張絕緣子串的耐張線夾間的電氣連接線，這段導線自由地懸掛在絕緣子下面。耐張塔引流線由于兩端無張緊力所以呈柔索狀的姿態，是一種復雜的空間曲線，它的彎曲方向存在不確定性。為實現全線路行走的目標，機器人必須具備跨越直線塔、耐張塔處障礙物的能力，由上述環境描述可知，如何跨越耐張塔引流線是越障的難點。由于耐張塔引流線跨距大，機器人無法直接跨越，必須完成引流線上的爬行。由于跳線的無張緊力和導線的柔性特點，當機器人行走在耐張塔引流線上時，機器人與跳線會互相影響，引流線的姿態會發生很大的變形，這給機器人行走越障造成了極大的困難，機器人機構必須具備較高的姿態調節能力和較好的穩定性才能跨越這種復雜多變的障礙物，同時越障時應盡量減小對導線的損傷。

2巡檢機器人構型分析

2.1巡檢機器人構型分析

圖2為機器人機構簡圖，該機構由行走機構、手臂機構、機架和質心調節機構組成。

圖2　機器人機構簡圖Fig.2　Structure schematic of robot

兩手臂對稱放置在機架兩側，結構完全一樣。行走機構包括行走輪、兩個夾爪和一個俯仰關節，通過行走輪，機器人能夠沿導線滾動行走，通過兩個夾爪，能夠完成對導線的夾持任務，通過俯仰關節1或2能夠調整行走機構的姿態，從而適應具有一定角度的導線。機器人手臂機構采用操作臂結構，手臂機構上端連接行走機構，下端安裝在機架上。通過伸縮關節3或4能夠使行走機構上下移動，完成機器人行走機構的脫線或落線。回轉關節5或6能夠驅動行走機構繞豎直軸線回轉，輔助機器人行走機構的落線和異面直線的跨越。移動關節7或8驅動移動機構前后移動，驅動行走機構越障。質心調節機構通過移動關節9調節電氣箱的位置，從而實現質心調節，使機器人越障過程中姿態能夠穩定地保持。當機器人遇到障礙物時，抓線手臂上端行走機構中的俯仰關節處于被動狀態，通過質心調節機構使機器人重心保持在掛線手臂的下方，此時夾緊輸電線的行走機構將只受到一個向下的重力，而沒有彎矩，從而降低對輸電線的損傷和減小輸電線變形，能夠降低機器人越障難度和提高越障的穩定性，同時滿足輸電線巡檢機器人作業要求。

本機構通過采用多自由度操作臂結構，提高了機器人越障能力和姿態調整的靈活性，通過質心調節機構提高了機器人的越障穩定性，所以該機器人機構具有結構緊湊、姿態調整能力強、越障能力強、越障穩定性高的特點。

2.2跨越單掛點懸垂線夾

機器人沿110 kV輸電線導線巡檢作業時，跨越的障礙物主要為單掛點懸垂線夾和耐張塔引流線，下面分析兩種典型障礙物的越障機理。

當機器人前輪遇到單懸垂金具時，在接近傳感器的作用下，使機器人停下，見圖3。此時，調節質心到后臂，前輪升起并回轉脫線，后輪驅動機器人前進，使前行走機構越障，當前行走機構跨越懸垂線夾后，前行走機構回轉并下降完成落線，調節機器人質心到前臂，后輪升起并回轉脫線，前輪驅動機器人前進，使后行走機構越障，當后行走機構跨越懸垂線夾后，后輪回轉下降完成落線，調節機器人質心到兩臂中間，完成機器人跨越單掛點懸垂線夾。

圖3　機器人跨越單懸垂金具過程Fig.3　Process of robot crossing the single clamper

2.3跨越引流線過程

引流線本身的特性造成了機器人越障的困難，當機器人需要跨越引流線時，根據機器人在引流不同位置所需的越障方法把引流線劃分為3個區段：耐張線夾段、引流線大角度段、引流線平緩段。機器人的越障規劃在這3個階段分別規劃，從而提高機器人的越障能力和越障效率，使機器人能夠順利通過引流線。圖4所示為引流線的不同區段劃分。

圖4　引流線區段劃分圖Fig.4　The diagram of jumper sections

機器人跨越引流線流程如圖5。當機器人運動到耐張線夾處，機器人采用懸擺模式跨越耐張線夾。后行走機構脫線，并通過手臂各關節聯動驅動后行走機構跨越耐張線夾，然后后行走機構落線并抓緊引流線，前行走機構脫線，并通過手臂各關節驅動前行走機構跨越耐張線夾，前行走機構落線并抓緊引流線，通過前后行走機構交替越障，機器人順利跨越耐張線夾。當機器人行走在引流線的大角度處，機器人通過懸擺模式越障，通過2個手臂的行走機構交替跨越障礙的方式來進行越障。引流線底部較平坦處，后行走機構抓緊輸電線，前行走機構沿線路行走。當兩臂間距達到設定值后，前行走機構抓緊導線，后行走機構沿線路行走，當兩臂間距達到設定值后，交替重復以上動作，實現機器人尺蠖式前行，在此過程中通過質心調節機構的調整可以改變機器人的重心，優化沿線行走的行走機構的附著力，增大機器人驅動牽引力，提高機器人的爬坡能力。

圖5　引流線越障流程Fig.5　Process of navigating jumper

3結構參數設計與工作空間分析

考慮到懸垂絕緣子檢測機器人向上移動的過程中，機構的收縮與伸展運動過程是類似的，這里僅對機構收縮的運動過程進行分析。

3.1推進機構運動學正反解

將機器人前后兩條手臂分別表示為前臂和后臂，每條手臂具有4個自由度，分別為俯仰關節θ1、手臂伸縮關節d3、腕關節回轉θ5以及水平移動關節d7。機器人運動參數及結構參數如圖2所示，圖中h0表示機器人箱體長度，h、d、l分別表示手臂的長度、兩臂間距和導軌長度，R表示行走輪半徑。

考慮圖1所示110 kV輸電線路上障礙物的尺寸以及機器人跨越障礙物的方式，初步確定機器人具體結構參數及運動參數如表1所示。

表1　機構參數

4.2運動學分析

當機器人越障過程中，機器人的一個行走機構抓緊輸電線以支撐整個系統，另一個行走機構運動到目標位置和姿態完成抓線，夾緊輸電線后前一個行走機構脫線，2個行走機構交替抓線完成越障。

圖6　機構坐標系Fig.6　D-H coordinates

當機器人單臂掛線時，機器人掛線手臂上的移動機構抓緊輸電線，該移動機構上的俯仰關節處于被動狀態，通過質心調節機構使機器人重心保持在掛線手臂的下方，所以該俯仰關節的自由度處于約束狀態。兩個手臂的伸縮關節軸線平行，連個伸縮關節的自由度為1，兩個手臂的移動關節的軸線也處于平行狀態，所以兩個移動關節的自由度為1。綜前所述，本巡檢機器人機構的自由度為5。

行走機構對于參考坐標系的位置和姿態可以用一個矩陣來表示，即

(1)

式中：n、o、a為行走機構的姿態矢量，p為行走機構的位置矢量。雖然實現三維空間的任意位姿需要機器人具有6自由度，由于輸電線巡檢機器人行走機構落線時總是與輸電線在一個平面內，在這種情況下5自由度機器人就可以滿足要求，從而完成越障。

機器人初始姿態和坐標系的建立如圖7。根據機器人運動學的D-H描述方法[12]，每一個位姿：

式中：cθi=cosθi,sθi=sinθi,cαi=cosαi,sαi=sinαi。

于是行走機構目標端的位姿可以表示為

表2　連桿參數表

d1=pz-600

當解出關節變量值分別都在各關節的極限轉角范圍內時，機器人便可以實現輸電線的抓取，從而實現越障。

4.3機器人工作空間分析

利用蒙特卡洛方法，可得到機器人操作臂跨越障礙物時的工作空間。當機器人沿線路行走時，耐張線夾為尺寸最大的障礙物，機器人行走機構需要到達引流線下方并抓緊引流線，在此過程中需要保證行走機構與耐張塔處的各種電力金具不發生干涉。圖7為機器人的作業空間。

圖7　機器人作業空間Fig.7　Workspace of robot

由圖7可以看出，線路障礙物的尺寸都在作業空間內，所以當機器人跨越障礙物時，均可以在機器人工作空間內找到一條路徑使脫線行走機構由障礙區域一側運動到障礙區域的另一側，表明該機器人具備跨越復雜障礙物的能力。

4運動仿真驗證

4.1越障仿真分析

機器人跨越引流線是兩手臂交替前行的方式跨越障礙物，所以機器人仿真過程只進行單臂跨越障礙物的仿真分析。

如前文所述，考慮到耐張線夾處越障空間狹小和機器人越障安全穩定的要求，機器人應盡量避免過多關節的聯動。根據障礙物和環境的特點，規劃機器人末端的運動軌跡為圖8所示。

圖8　機器人末端運動軌跡Fig.8　Trajectory of the strain clamp navigation

首先機器人通過后臂的伸縮關節d3使機器人末端由G0到達G1位置，通過后臂的關節θ5使機器人末端由G1到達G2位置，通過前臂的伸縮關節d4使機器人末端由G2到達G3位置，通過關節d7和d8使機器人末端由G3到達G4位置，依次使機器人的末端到達G8，從而使機器人跨越耐張線夾。采用step函數規劃各關節速度，step函數為

Step(x,x0,h0,x1,h1)=

仿真由機器人檢測到耐張線夾時開始，如圖9所示，該位置為機器人的初始位置，前輪中心為坐標零點，通過后手爪脫線，兩臂交替使后輪跨越耐張線夾，此時機器人末端目標點坐標為G8(0.35，-0.33，-0.28)。

圖9(a)是各關節速度曲線，圖9(b)是機器人末端在X、Y、Z3個方向上的位移sx、sy、sz曲線，圖9(c)為末端速度v在X、Y、Z分量vx、vy、vz曲線，可知，該機構的越障過程是通過6個關節的聯動實現。

由以上仿真分析可以看到，機器人可以跨越耐張線夾，并順利沿引流線行走完成輸電線巡檢工作。

圖9　越障運動曲線Fig.9　Curve of navigation movement

4.2試驗驗證

在實驗室搭建了110 kV引流線線路模型，模擬現場的線路環境，進行機器人引流線的通過實驗。環境模型的主要參數：導線型號為LCJ-185/30正常型鋼芯鋁絞線，跨距為4 000 mm，最大弧垂為1 450 mm，導線的最大傾斜角度為80°，耐張線夾型號為NLD-4型，并溝線夾型號為JB-4。

本次試驗的主要目的：

1)驗證機器人機構設計的合理性；

2)運動規劃的可行性；

3)引流線的通過能力。

試驗的主要步驟為：

1)將機器人以兩臂間距420 mm、質心在兩臂中間的狀態放置在實驗線路的一端。驅動機器人以10 mm/s 的速度趨近防振錘，機器人減速接近防振錘，并跨越防振錘，如圖10(a)所示。

2)后臂脫線并交錯跨越耐張線夾，落在引流線上并用后臂手爪抓緊引流線，如圖10(b)～(c)。

3)另一手臂脫線并交錯跨越耐張線夾，交錯后抓緊引流線，如圖10(d)所示，跨越耐張線夾完成。

圖10　機器人跨越引流線試驗圖Fig.10　Jumper navigation process

4)機器人所處引流線傾角小于-20°，采取交錯方式在引流線上行走，如圖10(e)～(f)。

5)機器人所處引流線傾角小于20°，采取滾動方式在引流線上行走，如圖10(g)～(h)。

6)機器人以上述類似方式跨越前方剩余的耐張線夾。

試驗結構表明機器人能夠完成從相線到引流線再到相線的跨越，驗證了機器人機構設計的可行性，表明機器人具備跨越耐張桿塔的能力。

5結束語

針對110 kV輸電線路環境特點和機器人巡檢任務需求，提出了一種新型巡檢機器人機構。分析和仿真試驗結果表明，采用輪臂復合式機構并通過增加一個腕關節，提高了機器人跨越障礙物的能力和越障靈活性，同時采用質心調節機構提高了機器人的運動平穩性。與現有的巡檢機器人機構相比，本文提出的機構具結構緊湊，越障能力強，運動平穩等優點，因而更具有實用價值。

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岳湘, 男, 1986年生, 博士, 主要研究方向為機器人機構設計。

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、特種機器人和機電一體化技術等. 發表學術論文170余篇, 獲得發明和實用新型專利40余項。

姜勇，男，1975 年生，副研究員，主要研究方向為機器人智能控制、嵌入式系統、特種機器人系統及應用。發表學術論文 20 余篇，參與編寫專著 2 部。

Design approach for a 110 kV power transmission line inspection robot mechanism

YUE Xiang1,2, WANG Hongguang1, JIANG Yong1, ZHANG Yu3, ZHANG Chengwei3, XI Ning1

(1. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Guangzhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510620, China)

Abstract：A novel mechanism for 110 kV power transmission line inspection robot is presented according to the requirements of inspection tasks and characteristics of obstacles on power lines. Its configuration is introduced, and the navigation process of typical obstacles is planned. Then, the kinematics equations and the workspace are established. Furthermore, the simulation of the navigation of the strain clamp and test of navigation the jumper in the laboratory have been carried out. The simulation results demonstrate that the mechanism has such characteristics as compact construction, good motion stability and excellent obstacle negotiation capability.

Keywords：transmission line; inspection； robot; mechanism design; kinematics; workspace； navigation； simulation

作者簡介：

中圖分類號：TP24

文獻標志碼：A

文章編號：1673-4785(2016)02-0155-08

通信作者：岳湘. E-mail:yuexiang@sia.cn

基金項目：國家自然科學基金項目(61179049).

收稿日期：2015-12-02. 網絡出版日期：2016-04-08.

DOI:10.11992/tis.201511032

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20160408.1048.002.html