一種新型四臂巡檢機器人機構設計與運動分析

肖時雨, 王洪光, 劉國偉

1.中國科學院 沈陽自動化研究所 機器人國家重點實驗室, 遼寧 沈陽　10016; 2.中國科學院大學, 北京　100049；3.深圳供電局有限公司, 廣東 深圳　518048

巡檢機器人是實現輸電線巡檢作業自動化的重要途徑之一,可代替線路工人完成繁重的巡檢任務,具有巡檢費用低、安全可靠、易于操作以及可近距離精細巡檢等優點。對于原始森林、山區等環境惡劣路段,機器人巡檢還能保證巡檢到位率,縮短巡檢周期。機器人機構設計是巡檢機器人研究的一項關鍵技術,其行走越障機構是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。當輸電線路經過高山、河流、峽谷、森林等地段時,輸電線路普遍存在檔距跨度大、線路坡度陡且金具形式多樣的情況,線路巡檢的實際需求要求機器人同時具有較強的越障能力和滾動爬坡能力。

近年來,國內外多家研究機構對輸電線巡檢機器人展開了研究,代表性研究成果是日本HiBOT公司研制的巡檢機器人系統Expliner[1]、加拿大魁北克電力研究院研制的多功能巡檢作業平臺LineScout[2-3]、湖南大學開發的輸電線除冰機器人[4]、武漢大學研制的高壓巡檢機器人[5]以及中國科學院沈陽自動化研究所研制的輸電線巡檢維護機器人[6-8]。文獻[1]提出了一種在雙線結構上行走的機器人Expliner,該機器人通過改變自身的二自由度操作臂的重心位置來調整在輸電線上的姿態,從而完成越障動作,可跨越的障礙物包括防振錘、間隔棒等可通過型障礙,不能跨越懸垂線夾,最大滾動爬坡角度為30°。文獻[3]研發了一種輸電線路綜合作業機器人平臺LineScout,機器人所攜帶的作業工具包括壓接管、電阻檢測器、緊固扳手、壓接鉗和觀測云臺,機器人總長1 370 mm,總重100 kg,可跨越懸垂線夾,最大滾動爬坡角度為30°。文獻[4]設計了3種不同的除冰機器人機構,其中三臂除冰機器人綜合性能最佳,可跨越懸垂線夾,最大滾動爬坡角度不超過30°。文獻[5]針對線路金具結構復雜難以越過的問題,提出了一種線路金具改造方案和一種自主巡檢作業系統,可大幅度降低機器人的越障難度,但是經濟成本巨大。文獻[6]基于輸電線斷股問題,研制了一種斷股補修機器人,通過增加夾持裝置使得機器人可在線路上穩定行走,但是該機器人不具備跨越線夾的能力,最大滾動爬坡角度不超過26°。由此可見,上述巡檢機器人研究沒有考慮到大跨度輸電線路巡檢的實際需求,使得機器人不能同時具有較強的越障能力和滾動爬坡能力。

本文綜合考慮直線塔段大跨度輸電線路巡檢需求,從人爬樹運動研究中得到啟示,完成了一種新型四臂巡檢機器人的機構設計。針對該新型四臂巡檢機器人的特點,采用運動學仿真實驗的方法對機構設計可行性、機器人爬坡和越障性能進行了分析和驗證。

1　任務需求與環境描述

根據超高壓輸電線路的巡檢任務需求,巡檢機器人需要在架空地線上行走,跨越線路障礙,攜帶、操作紅外熱成像儀和可見光攝像機分別對線路結構及其通道進行觀測檢查,如線路的受損情況、發熱情況、壓接管的工作狀況、線路通道情況、線路絕緣情況等,采用微波通訊方式將觀測圖像實時傳輸至地面控制基站。

圖1　大跨度單掛點線路環境

直線塔段大跨度超高壓輸電線路環境如圖1所示,主要由直線塔、架空導線、地線、防振錘、壓接管、懸垂線夾、絕緣子串等組成。機器人沿架空地線巡檢作業時,需要跨越的障礙物為壓接管、防振錘和懸垂線夾。 輸電線檔距跨度大導致懸垂線夾處線路傾斜角度大,最大角度可達40°。由于鐵塔、線路等設施在安裝過程中產生的偏差,懸垂線夾兩側線路還存在一定轉角。為實現直線塔段線路巡檢的目標,機器人必須同時具備攀爬傾斜線路和跨越直線塔處障礙物的能力。

2　機器人機構設計

2.1　設計思路

自然界生物經過千百萬年的進化,其機體結構特征極具合理性,如能在機器人的設計中充分模仿和借鑒并加以適當調整改進,將實現高效靈活的運動。通常人在爬樹時雙手雙腳分別環抱夾緊樹干,配合腰部的伸縮,便可沿彎曲的樹干爬行,如圖2a)所示。

圖2　爬樹過程示意圖

當遭遇突出樹杈障礙時,根據樹杈長短情況,通過調整雙手和雙腿姿態,人體可使四肢依次分別從樹杈上方或者側邊越過障礙,其典型越障姿態如圖2b)、圖2c)所示。

從人爬樹運動過程,可以發現,人爬樹成功實現攀爬和越障的特征:①在攀爬過程中,必然有一對肢體夾持樹干,為攀爬運動提供支撐基礎;②在越障過程中,單個肢體可以靈活調整姿態,跨越樹干或者遠離樹干;③在彎曲的樹干上運動時,腰部必然有一定的彎曲度。因此,從人爬樹運動研究中得到啟示,設計一種四臂式巡檢機器人機構,來實現巡檢機器人在大跨度輸電線路上的作業任務。

2.2　整體機構設計

新型四臂巡檢機器人結構簡圖如圖3a)所示,每條驅動手臂設計了1個回轉關節,每條伸縮手臂設計了1個移動關節和1個回轉關節,4條手臂反對稱布置在前后箱體上,在2個箱體之間引入了1個被動鉸接盤。機器人在爬坡過程中,移動關節通過夾緊輪與線路接觸,用于改變機器人受力狀態,提高機器人的爬坡性能。機器人在越障過程中,移動關節用于調節機器人在線上的姿態,確定行走輪的位置;回轉關節用于調節行走輪的姿態,繞開障礙物;被動鉸接盤用于改變前后箱體的相對位姿,以適應懸垂線夾兩側線路存在轉角的情況。

注：　　　1.行走輪;2.回轉關節;3.夾緊輪;4.被動關節;5.被動行走輪;　　　6.回轉關節;7.移動關節;8.被動回轉關節;9.箱體

圖3機器人機構及實體模型

根據以上確定的機器人結構,建立巡檢機器人的實體模型如圖3b)所示。

2.3　結構參數設計

將機器人的4個手臂分別表示為F,B,D和T,每條伸縮手臂(F,B)具有3個自由度,分別為夾緊輪被動關節回轉、關節回轉θ4(θ9)和關節移動d3(d8);每條驅動手臂(D,T)具有1個自由度,為關節回轉θ2(θ12);2個箱體之間的鉸接盤具有1個自由度,為被動關節回轉θ7。機器人運動參數及結構參數如圖4所示,圖中l1,l2分別為手臂B與手臂T、手臂F之間的間距,h1,h2,h3,h4,h5分別為手臂各段長度,R,r分別表示驅動手臂和伸縮手臂行走輪半徑,行走輪形心與驅動手臂的距離為b1,行走輪形心與伸縮手臂的距離為b3。

圖4　機人機構參數

考慮圖1所示超高壓線路上障礙物的尺寸以及機器人的越障方式,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　機器人主要結構和物理參數

3　機器人運動分析

由上述環境描述可知,攀爬大角度傾斜線路和跨越單掛點懸垂線夾是機器人必須克服的難點,下面對機器人攀爬傾斜線路和跨越懸垂線夾的運動過程進行分析。

3.1　運動學分析

在機器人爬坡和越障過程中,機器人總有1條驅動手臂懸掛在線路上,因此,以手臂T行走輪軸心為基礎坐標系原點,建立機器人各關節坐標系如圖5所示,各關節坐標系之間的相對變換矩陣可以表示為

圖5　機器人的連桿坐標系

(1)

于是機器人各個末端的位姿可以表示為

(2)

3.2　攀爬傾斜線路

通過2個行走輪附著在線路上,機器人可沿輸電線路快速行走。由于1個驅動行走輪所能提供的牽引力有限,機器人一般都是通過雙輪驅動的方式作業。 輸電線路可近似看作懸鏈線,其曲率半徑遠遠大于機器人兩臂間距,因此可以認為兩臂之間的架空地線為直線。為了盡可能降低爬坡能量損耗,針對不同的線路傾斜角度,在雙輪驅動條件下,機器人主要有3種運動模式,分別為雙臂懸空模式(見圖6a))、單臂夾緊模式(見圖6b))和雙臂夾緊模式(見圖6c))。經過對比發現,雙臂懸空模式和單臂夾緊模式均可以從雙臂夾緊運動模式簡化得到,因此,下面僅對機器人雙臂夾緊運動模式進行受力分析。

圖6　機器人爬坡運動模式

圖7　機器人攀爬傾斜線路的受力分析圖

將伸縮手臂D,T分別簡化為質點,建立機器人爬坡受力模型如圖7所示,圖中Mdf,Mdr分別表示前后行走輪的驅動力矩,Mf,Mr分別表示前后行走輪的滾動摩阻力偶,Ff,Fr,Nf,Nr分別表示前后行走輪所受的摩擦力與正壓力,ff,fr分別表示前后夾緊輪所受的牽引力,m為機器人總質量,lc為機器人質心與線路的垂直距離。

由于機器人沿線巡檢時,其運動速度較慢,可將運動速度引起的阻尼力略去不計,則機器人勻速爬坡運動力學模型為

(3)

式中，δ為前后行走輪的滾動摩阻因數,μ1,μ2分別為行走輪和夾緊輪的滾動摩擦因數。

以后行走輪與線路接觸點為中心,建立力矩平衡方程,則有

(2l1+l2)(Nf-Fcf)=0

(4)

當機器人處于雙臂懸空運動模式時,壓緊輪與線路不發生接觸,則Fcf=0,Fcr=0,ff=0,fr=0,代入(3)式、(4)式可得

(5)

式中，M為行走輪電機的理論驅動力矩之和。

當機器人處于單臂夾緊運動模式時,手臂F壓緊輪與線路不發生接觸,則Fcf=0,Fcr=0。此時,為保證機器人順利爬坡,同時使得前后行走輪的電機驅動力矩逐漸趨于一致,手臂B壓緊力需要滿足的約束條件為

(6)

將(6)式代入(3)式、(4)式可得

(7)

式中，θmt為機器人在單臂夾緊運動模式下的最大爬坡角度。

當機器人處于雙臂夾緊運動模式時,為保證機器人順利爬坡,同時使得前后行走輪的電機驅動力矩基本保持一致,手臂B、手臂F壓緊力需要滿足的約束條件為

(8)

將(8)式代入(3)式、(4)式、(7)式,手臂B、手臂F施加的壓緊力分別為

(9)

機器人的最大爬坡角度可表示為

(10)

式中:

從(10)式可知,當機器人結構參數確定后,機器人的最大爬坡角度可根據夾緊輪夾緊力來確定。

3.3　跨越懸垂線夾

作為受限通過型障礙,單掛點懸垂線夾的結構特征造成了機器人越障的困難。當機器人運動到懸垂線夾處時,機器人采用繞開的方式使得各手臂依次跨越障礙,其具體運動流程如圖8所示。

圖8　機器人跨越懸垂線夾流程圖

從越障運動流程可知,機器人跨越懸垂線夾的關鍵在于手臂D、手臂F能夠順利掛線,因此,機器人手臂末端的運動軌跡需要進行規劃。在越障過程中,機器人采用單臂夾緊單輪或雙輪驅動的方式進行行走爬坡,手臂壓緊力需要滿足的條件是保證行走輪與線路之間具有足夠的附著力,使得機器人行走不打滑。

4　仿真實驗

為研究機器人的爬坡與越障運動性能并驗證機構設計的可行性,對機器人進行爬坡與越障運動仿真實驗。

4.1　爬坡仿真分析

根據機器人爬坡運動模式,將虛擬樣機導入ADAMS中進行沿線爬坡仿真,機器人虛擬樣機質量為38 kg,行走輪結構采用梯形結構。通過改變模擬線路的角度以及調整夾緊輪對線路夾緊力的方法來驗證機器人在線路不同角度時的行走爬坡情況。

圖9　爬坡角度與驅動力矩變化曲線

從仿真結果可以看出,當機器人處于雙臂懸空運動模式時,行走輪電機驅動力矩隨著線路傾角的增大逐漸增大,由于前后行走輪負載不同,前后行走輪電機驅動力矩存在很不均勻的情況。當行走輪與線路之間的牽引附著力達到最大值時,前后行走輪開始打滑,機器人最大爬坡角度為14.5°。當機器人處于單臂夾緊運動模式時,機器人最大爬坡角度可提升至17.6°,前后行走輪電機驅動力矩逐漸趨于一致。當機器人處于雙臂夾緊運動模式時,前后行走輪電機驅動力矩基本保持一致,當機器人最大爬坡角度提升至40°時,手臂B、手臂F壓緊力分別414.8 N,317.3 N,單個壓緊輪施加的壓緊力分別為207.4 N,158.7 N。

4.2　越障仿真分析

考慮到懸垂線夾處越障空間狹小和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,結合機器人越障運動流程,本文采用Step函數規劃各關節速度,Step函數為

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

(11)

仿真由機器人沿線行走爬坡并檢測到懸垂線夾時開始,由手臂F成功掛線后結束,在運動過程中機器人各關節運動速度和手臂D,F,B末端位移如圖10所示。

圖10　越障運動曲線

由以上仿真分析可知,機器人可以跨越直線塔單掛點懸垂線夾處的障礙物,并順利沿線行走完成巡檢作業任務。

5　結　論

從仿生機器人機構設計原理出發,綜合考慮了機器人巡檢任務需求和大跨度輸電線環境特征,提出了一種新型四臂巡檢機器人。與現有巡檢機器人相比,該機器人結構新穎,同時具備較強的爬坡能力和越障能力。通過對其爬坡運動、越障運動進行分析和仿真實驗研究,驗證了新型四臂巡檢機器人結構設計的可行性,為樣機的研制奠定了基礎。