可全程越障架空輸電線巡線機器人設計

2016-11-03 03:18:03劉國平孫茂文秦科技俞振東

工程設計學報 2016年5期

劉國平，孫茂文，繆　航，秦科技，俞振東

(南昌大學機電工程學院，江西南昌 330031)

可全程越障架空輸電線巡線機器人設計

劉國平，孫茂文，繆航，秦科技，俞振東

(南昌大學機電工程學院，江西南昌 330031)

針對現有巡線機器人無法完全跨越所有地線障礙物的現狀，提出一種新的巡線機器人越障方案.巡線機器人由單臂機構提供行走驅動力，雙臂機構完成越障任務.該方案具有跨越所有障礙，且越障時動作簡單，所需驅動力少的特點.通過理論分析及軟件仿真的方法對巡線機器人越障關鍵環節進行分析，得到機器人越障過程的運動特性.在此基礎上，制作出試驗樣機，并在模擬線路上進行越障實驗，結果表明：該設計方案能完成預定的越障功能.證明了這種新的越障方案的有效性及可行性.

巡線機器人；全程越障；越障實驗

為了保證輸電線路安全、穩定地運行，需要對輸電線路進行定期的巡檢.而對巡線機器人的研制成為一大熱點，國內外有不少研究機構對此進行了大量研究.

2001年，泰國的Peungsungwal等[1]設計了一臺自給電巡線機器人，該試驗型巡線機器人能在塔間的電力線上爬行，無避障能力.加拿大研制開發了Line Scout電力線帶電維護機器人[2-3]，機器人整體為四臂式結構，能跨越直線線路障礙，重達100 kg.武漢大學吳功平教授研發團隊針對220 kV高壓輸電線[4-5]，研制了一種兩臂巡線機器人，在對線路進行改造的基礎上，其能夠跨越直線線路障礙和轉角塔障礙.中國科學院沈陽自動化研究所開展了“沿500 kV地線巡檢機器人”的研制，采用兩臂越障的方式[6]，在越障過程中需要機構對巡線機器人進行質心調整[7].從現有的研究情況可以看出，由于實際輸電線路環境復雜，跨越障礙是巡線機器人研發的一大難點.很多設計方案不具備越障功能或者需要對線路進行專門改造才能完成越障任務.同時，復雜的機構和過重的質量將給機器人的控制帶來很大的麻煩.

為了解決巡線機器人越障問題，本文提出一種單臂驅動、雙臂越障的設計.這種全新的設計具有更強的越障能力，能夠跨越地線上所有障礙.同時在越障過程中，機器人自由度少[8-9]，無關節耦合動作[10-11]，降低了控制難度.并對新方案進行具體設計，通過理論分析和仿真實驗對越障臂關鍵機構參數進行分析，最終制作出試驗樣機，通過實驗的方法對越障臂設計的合理性進行驗證.

1　越障臂機械結構

現有巡線機器人機構多為兩臂結構[12-14]、三臂結構[15-17].本文提出一種全新的巡線機器人設計方式：在直線行走時以三臂觸線，由驅動輪提供動力；跨越障礙時驅動輪脫離地線，雙臂機構進行越障.

1.1越障臂結構特征

巡線機器人整體結構如圖1(a)所示，整個巡線機器人包括：越障前臂、驅動輪、越障后臂，整體自由度為5.越障前臂由左右兩個部分組成，兩部分機械結構對稱并相同，在實際的功能執行過程中也是同步運行，所以運動過程以單邊進行分析.巡線機器人機構簡圖如圖1(b)所示，文中分別以圓柱體和長方體表示旋轉副和移動副.其中用qFi表示前臂各關節(qF3為無動力旋轉關節)，qBi表示后臂各關節，中間驅動輪的伸關節用qM表示，li表示各關節之間的距離.根據巡線機器人的功能要求，對其各關節運動范圍進行設置,如表1所示.

圖1　巡線機器人Fig.1　Inspection robot

關節名稱運動范圍qF1,qB1-85°～85°qF20～500mmqF3-180°～180°qB25°～85°,-5°～-85°qB30～500mmqM0～65mm

1.2巡線機器人的越障原理

巡線機器人的越障種類主要分為直線塔障礙如防震錘、直線垂懸線夾和轉角塔障礙如耐張線夾、跳線.針對障礙物的特點，巡線機器人具有2種越障模式.

1.2.1直線塔障礙的跨越

當巡線機器人需要跨越防震錘、直線懸垂線夾時，巡線機器人將以圖2方式進行跨越.當巡線機器人直線行走(圖2(a))，遇到障礙物時驅動輪停止，與地線分離，前、后臂夾具鎖緊(圖2(b)).前臂關節qF1釋放，后臂關節qB3伸長，使驅動輪與前臂在同一垂直平面內(圖2(c)).之后后臂夾具脫離地線，后臂關節qB1旋轉跨過障礙，此過程中為了防止夾具對地線造成損傷，地線夾具設計為多爪結構，并在每個鉤爪表面嵌入橡膠材料，該設計在增大摩擦力的同時，保護地線不受損傷(圖2(d)).后臂上線之后(圖2(e))，前、后臂關節qF2，qB3調整長度使驅動輪與后臂在同一垂直平面內(圖2(f))，之后前臂關節qF1開始越障(圖2(g))，最后完成整體越障(圖2(h)).

圖2　直線塔障礙的跨越步驟Fig.2　Steps of surmounting straight tower obstacles

1.2.2轉角塔障礙的跨越

巡線機器人跨越轉角塔障礙的過程如圖3所示.當巡線機器人遇到轉角塔障礙時，停止運動(圖3(a)).前臂夾具脫離地線，后臂關節qB1調整使驅動輪與后臂在同一垂直平面內(圖3(b)).此時通過后臂關節qB2旋轉使前臂達到跳線位置，為防止對地線造成損傷，采用了與上一節相同的方法進行處理(圖3(c))，完成前臂上跳線的任務.之后，調整兩臂姿態使驅動輪與前臂在同一垂直平面(圖3(d)).巡線機器人在跳線上完成一次跨越動作之后(圖3(e)原理與圖2跨越原理相似，不再重復敘述)，后臂關節qB2再次旋轉，使前臂與地線接觸(圖3(f)).待前臂上線之后，后臂繼續跨越脫離跳線(圖3(g)).最后，后臂再次接觸地線，調整前后臂角度與長度使驅動輪再次上線行走，完成轉角塔障礙跨越的任務(圖3(h)).

圖3　轉角塔障礙的跨越步驟Fig.3　Steps of surmounting angle tower obstacles

巡線機器人的2種越障模式有以下特點：1)直線塔障礙的跨越，主要由前后臂完成，由于末端旋轉關節如qF3為無動力關節，跨越障礙的每個動作需要1至2個關節完成；2)在跨越轉角塔障礙時通過后臂旋轉關節qB2的配合使巡線機器人轉向，完成跳線跨越的動作，其他動作與直線塔障礙的跨越相同；3)巡線機器人的越障主要是通過前后兩臂交替跨越來完成，且關節之間沒有運動耦合的要求.

2　越障過程運動學分析

通過分析巡線機器人在越障時的各種模式可以總結出巡線機器人越障臂的2個關鍵功能：1)驅動輪與地線脫離和重新上線；2)前后臂的配合過障.本章將針對以上功能進行運動學分析.

2.1驅動輪的地線脫離與重新上線

驅動輪脫離地線時，需要提升一段距離dδ.此過程通過兩臂共同收縮一段距離lδ來使驅動輪提升.如圖4所示，虛線部分為驅動輪提升后的狀態.此過程提升距離dδ與兩臂之間的運動關系為

(1)

式中：lF2=lF0+lδ;θδ=θF0-θF1；lF1為伸長后前臂長度，lδ為推桿電機的變化量.驅動輪與地線的重新上線與脫離過程相反，分析方法相同，篇幅所限不再贅述.

圖4　巡線機器人直線行走的姿態變化Fig.4　The posture change during straight line moving of inspection robot

當機器人完成越障，再次行走在地線上的過程中，需要盡快調整兩臂關節qF1，qB1間的轉角θF0，θB0，使機器人前后兩臂上線.圖4實線所示為巡線機器人直線行走時的姿態示意圖.兩臂長度與各角度之間應滿足:

(2)

(3)

為了簡化控制，設定前、后兩臂長度相等，在調整過程中僅對旋轉目標角度θF0，θB0進行控制；θM為機器人中心線與地面的夾角，由姿態傳感器返回；實際設計與實物制作中保證前、后臂初始長度lF，lB大于lM.此角度關系亦是巡線機器人在直線行走中需滿足的條件.

2.2障礙物的跨越

2.2.1直線塔避障

從巡線機器人直線塔越障原理的過程分析可以看出，跨越障礙的關鍵動作是圖2(d)與圖2(f)所示動作.在這2個動作執行的過程中都只有1個臂的1至2個關節依次運動，巡線機器人的其他部分都與地線固聯視為一個整體.前臂越障過程有3個關節運動，以此為例進行分析.

根據1.1節的越障前臂結構特征建立機械臂部分的正運動學矩陣A1[18]：

(4)

式中，sij為sin(qFi+qFj)的簡寫,cij為cos(qFi+qFj)的簡寫.由臂的正運動學方程可以看出，臂末端的方向與關節變量qF1,qF3有關，而末端位置與關節變量qF1,qF2有關且z軸位置坐標固定不變，即前臂的運動范圍為一平面.設機械臂末端的預期位置為

(5)

則根據運動學逆解方法可以得到期望位置與各關節變量之間的關系[18]：

(6)

2.2.2轉角塔避障

在跨越轉角塔障礙的過程中，最為關鍵和復雜的動作是圖3(c)所示的動作，需要前后臂的配合才能完成.所以對參與越障的各關節進行正運動學建模得到正運動學矩陣A2：

(7)

同樣設運動過程的期望位置為

(8)

得到目標位置與各關節之間的關系：

(9)

運動學分析得出巡線機器人在越障過程的各關節與目標位置的運動學關系.通過對運動學表達式的分析能夠對機器人的運動特性進行預判，同時也將為越障過程的仿真及實際操作控制提供理論依據.

3　越障臂運動仿真

3.1越障臂運動范圍仿真

根據臂機構參數對越障臂跨越直線障礙運動范圍進行仿真，結果如圖5和圖6所示.

圖5　前臂運動范圍Fig.5　Motion range of fore arm

圖6　后臂運動范圍Fig.6　Motion range of rear arm

圖5中圓圈為前臂夾具可達到的位置.可以看出臂的運動范圍是一個半徑為849～1 449 mm、圓心角為180°的平面扇形區域，這與上一節運動學的分析一致.在此平面方向防震錘的尺寸為300 mm×40 mm，懸垂線夾為200 mm×82 mm，能夠完全被臂的運動范圍所包絡，滿足越障的要求.

從圖6可以看出，當越障臂進行跳線尋找和跨越時，越障臂能夠觸及的范圍是由后臂為旋轉軸，旋轉角度為180°，掃描平面圓心角為-90°～90°，半徑為849～1 449 mm的平面扇形區域組成的立體空間.在實際線路中跳線與地線的夾角一般在0°～90°之間，弧垂最低點至底線距離一般在50～200 mm之間.可見越障臂的運動空間能夠將跳線的位置區域完整包絡進去，滿足越障基本條件.

3.2障礙跨越運動仿真

以跨越防震錘為例，根據防震錘尺寸，要求手臂末端能夠跨越極限位置，設定各關節初始位置為Do=[-430.8590]T，目標位置為Dt=[471.3520]T，運動時間為10 s，初始速度和結束速度為0.經運動仿真[19-20]得到如圖7所示的運動仿真結果.

從仿真結果可以看出，臂模擬運行的位移曲線平滑，速度曲線連續說明在此工作過程中機械手臂的運行比較平穩，能夠跨越障礙物極限位置到達目標點，整個結構不會產生較大振動.仿真結果為巡線機器人實際控制規劃提供了必要的依據.

4　實驗分析

4.1實驗場地

圖8(a)為巡線機器人試驗樣機，具體參數如下：主要材料為鋁合金，質量為40 kg，最大運行速度為0.55 m/s.同時為了驗證巡線機器人臂越障原理的正確性及越障臂機構設計的合理性，在室外環境下搭建一條模擬線路，如圖8(b)所示，并在模擬線路上進行了相關障礙的跨越實驗.

圖7　越障臂運動仿真Fig.7　Motion simulation of manipulator

圖8　巡線機器人樣機與模擬實驗場地Fig.8　Prototype of inspection robot and simulation site

4.2越障實驗

按照1.2節介紹的巡線機器人跨障原理，在模擬線路上對巡線機器人進行實驗，得出巡線機器人在跨越直線塔和轉角塔障礙時各關節的運動情況，并以運動曲線形式進行分析(見圖9和圖10).

圖9　巡線機器人直線塔越障實驗數據Fig.9　Experimental datas of robot surmounting straight tower obstacles

圖10　巡線機器人轉角塔越障實驗數據Fig.10　Experimental datas of robot surmounting angle tower obstacles

4.2.1直線塔越障實驗

圖9(a)為巡線機器人在直線塔越障過程中關節qF1角度的實時變化值，圖9(b)為關節qF2伸縮量的實時變化值.從實驗現場采集回來的數據可以看出：越障時前臂從機器人右側擺動至左側，前臂擺角從57°變化到139.5°；為了跨越障礙，推桿電機在原有長度上伸長了200 mm；這2個關節運動過程平滑.

4.2.2轉角塔越障實驗

圖10(a)為巡線機器人在轉角塔越障過程中關節qB2角度的實時變化值，圖10(b)為關節qF1擺角變化值，圖10(c)為關節qF2伸縮量的實時變化值.為了前臂能夠抓住跳線，后臂關節qB2首先轉動25°使機器人旋轉至合適的位置；之后前臂擺角從90.2°變化到141°；在確定跳線位置后，前臂推桿電機伸長使夾具抓住跳線.

從實驗數據結果來看，跨越障礙的核心動作由2個或者3個關節依次運動完成，各關節運動平穩，沒有出現劇烈抖動情況，符合預期規劃.實驗證明越障原理正確，新型臂機械設計結構合理，能完成既定任務.

5　總　結

1)根據國內外巡線機器人的研究狀況得出，實現巡線機器人完全越障是當前工作的重點和難點.

2)提出一種“單臂驅動、雙臂越障”的巡線機器人設計方案，并根據此思路設計出一款全新的巡線機器人.

3)對新方案進行具體設計，實現對地線上所有障礙的跨越.同時在越障時具有動作簡單、控制難度小等特點.

4)對巡線機器人的驅動輪上下線和越障關鍵動作都采用了理論分析和仿真實驗進行分析，得出跨越各種障礙的可能性和模擬出越障過程中各關節的運動特性.

5)實驗結果表明：巡線機器人的越障臂能夠靈活控制，完成越障任務.研究結果為巡線機器人在更為復雜的實際線路運行時提供良好的參考.

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Design of an inspection robot with surmounting all obstacles ability for overhead transmission lines

LIU Guo-ping， SUN Mao-wen， MIAO Hang， QIN Ke-ji， YU Zhen-dong

(School of Mechanical and Electrical Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031， China)

Aiming to the status quo that the inspection robot couldn’t surmount all kinds of obstacles in overhead ground wires， a kind of brand-new method for the inspection robot obstacle negotiation was put forward. The inspection robot was driven by single arm and the mission of obstacle negotiation was accomplished by other two mechanical arms. This brand-new method could surmount all kinds of fittings with simple mechanical movements and less driving force. The key link of obstacle negotiation was calculated by theoretical analysis and simulation experiments which showed the motion characteristics of the robot during surmounting obstacles. On this base， an experimental prototype was came out to experiment on the high-voltage transmission lines in laboratory. The results show that the inspection robot can perform preplanned functions. The effectiveness and feasibility of the brand-new method are verified by surmounting obstacles test.

inspection robot； surmount all kinds of obstacles； surmounting obstacles test