試論電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與作業(yè)性能

段錦晶

（天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、AI技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多對(duì)人類(lèi)有危險(xiǎn)的領(lǐng)域或需要高精度操作的領(lǐng)域，都在應(yīng)用各種類(lèi)型的機(jī)器人替代或輔助人類(lèi)進(jìn)行工作。其中，專(zhuān)門(mén)為執(zhí)行已知功能而設(shè)計(jì)的機(jī)器人一直是近幾年的熱門(mén)課題。隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為了減少操作人員的工作量，要求電纜隧道巡檢機(jī)器人具有高度的自主性，能夠根據(jù)環(huán)境的不同特征來(lái)定位自己，只需高水平用戶(hù)命令，就可以從電纜隧道內(nèi)部收集圖像進(jìn)行檢查。

1 電纜隧道巡檢機(jī)器人解析

許多研究論文致力于機(jī)器人的應(yīng)用，例如，機(jī)器人可以代替外科醫(yī)生，或者協(xié)助腹腔鏡手術(shù)。例如，跟蹤外科工具在腹腔內(nèi)的移動(dòng)，并向操作者傳送圖像等。在眾多類(lèi)型的機(jī)器人中，巡檢機(jī)器人屬于專(zhuān)門(mén)機(jī)器人。在實(shí)踐中，巡檢機(jī)器人通過(guò)測(cè)量特定的參數(shù)來(lái)檢查依賴(lài)于應(yīng)用程序的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，這些巡檢機(jī)器人配備了適當(dāng)?shù)臏y(cè)量和導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)復(fù)雜控制系統(tǒng)的模塊化描述，采集和通信系統(tǒng)是巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)不可缺少的組成部分。測(cè)量的環(huán)境參數(shù)保存在機(jī)器人板上的硬盤(pán)上。主機(jī)操作員通過(guò)通信系統(tǒng)控制機(jī)器人在電纜隧道內(nèi)的位移。此外，機(jī)器人在檢測(cè)過(guò)程中的定位或未知環(huán)境中的自定位是一項(xiàng)非常重要的工作。巡檢機(jī)器人與上位機(jī)之間采用2.4ghz頻段的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。特定模塊的控制命令和配置參數(shù)由操作機(jī)的控制臺(tái)發(fā)送給機(jī)器人。機(jī)載計(jì)算機(jī)將來(lái)自傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)和來(lái)自攝像頭的圖像直接發(fā)送到控制臺(tái)。

在巡檢機(jī)器人中，電纜隧道巡檢機(jī)器人的主要用途是檢查電纜隧道，監(jiān)測(cè)電纜隧道內(nèi)的環(huán)境，包括測(cè)量溫度、壓力、濕度、噪音水平等物理參數(shù)，以及從電纜隧道傳送圖像序列。電纜隧道的典型失效是雷電、短路等激發(fā)的電纜隧道火災(zāi)，這會(huì)導(dǎo)致上述參數(shù)的突然變化——通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析，可以確定失效位置，通過(guò)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)的攝像機(jī)的圖像序列，有助于確定故障發(fā)生的地點(diǎn)。因?yàn)殡娎|隧道巡檢機(jī)器人在電纜隧道內(nèi)工作，可能會(huì)出現(xiàn)高振幅的干擾，無(wú)線(xiàn)電信號(hào)會(huì)顯著減弱。因此，電纜隧道機(jī)器人使用minpci intel pro/wireless 2200bgwireless 網(wǎng)卡(無(wú)線(xiàn)模塊)，最大輸出功率為1.6w(32dbm)的無(wú)線(xiàn)放大器連接到網(wǎng)卡的天線(xiàn)輸出。

電纜隧道機(jī)器人的控制通過(guò)可編程邏輯控制器（PLC）完成，機(jī)器人的內(nèi)部控制通過(guò)人機(jī)界面（HMI）完成。就編程而言，電纜隧道巡檢機(jī)器人的控制分為兩部分：第一部分，梯形邏輯的開(kāi)發(fā)是根據(jù)操作順序在Indraworks工程軟件中完成；第二部分，HMI接口的開(kāi)發(fā)是為了對(duì)機(jī)器人進(jìn)行內(nèi)部控制并易于操作，觸摸屏用作HMI，有助于選擇電纜隧道的尺寸，機(jī)器人將依據(jù)隧道尺寸調(diào)整其手臂。

2 電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的電纜隧道巡檢機(jī)器人需要進(jìn)行自動(dòng)隧道檢查。機(jī)器人車(chē)輛包括機(jī)器人生產(chǎn)的起重臂舉升機(jī)、高精度機(jī)器人臂、先進(jìn)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)、3D激光掃描儀和超聲波傳感器。隧道的自動(dòng)檢查需要機(jī)器人車(chē)輛和計(jì)算機(jī)視覺(jué)子系統(tǒng)的高級(jí)功能。機(jī)器人在地下空間和長(zhǎng)直線(xiàn)路徑上的定位是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，而安裝在機(jī)器人尖端的毫米精確定位也是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。此外，支持檢查過(guò)程的2D和3D視覺(jué)任務(wù)應(yīng)在惡劣和多變的照明條件，低紋理襯砌表面以及對(duì)高精度的要求下進(jìn)行處理。因此，在開(kāi)發(fā)電纜隧道巡檢機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)時(shí)，必須滿(mǎn)足以下技術(shù)要求：（1）高精度和高速度，具體來(lái)說(shuō)，必須能夠檢測(cè)三平方毫米的缺陷，且操作速度必須足夠高，以減少檢查時(shí)間；（2）為了使系統(tǒng)能夠在各種小批量上使用，必須在短時(shí)間內(nèi)輸入、編輯和回放零件的形狀數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)；（3）指定缺陷的位置缺陷檢測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)該指定機(jī)器人的位置。基于以上要求，本文所設(shè)計(jì)的電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)表

為了使電纜隧道巡檢機(jī)器人在特定尺寸的電纜隧道內(nèi)移動(dòng)，關(guān)鍵問(wèn)題是確定巡檢機(jī)器人的行走系統(tǒng)。巡檢機(jī)器人的行走系統(tǒng)主要有履帶式和架空軌道式兩種，雖然履帶可以輕易通過(guò)斜坡，但電纜隧道非常光滑，并且很難在隧道內(nèi)使用需要牽引的車(chē)輛。此外，由于隧道沒(méi)有照明，檢查天花板和墻壁可能會(huì)有困難，可能需要輔助照明設(shè)備。因此，選擇了架空軌道式行走系統(tǒng)。與目前的電動(dòng)單軌系統(tǒng)不同，該行走系統(tǒng)具有兩個(gè)模塊：主動(dòng)模塊和被動(dòng)模塊，每個(gè)模塊具有三個(gè)運(yùn)動(dòng)配置，既是獨(dú)立決策的自主元件，也是靈活和可擴(kuò)展的通信接口。此外，整個(gè)電纜隧道巡檢機(jī)器人每個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，可以獨(dú)立拆裝。

3 電纜隧道巡檢機(jī)器人作業(yè)性能分析

由于電纜隧道巡檢機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用的復(fù)雜性，必須確保對(duì)機(jī)器人的硬件配置、軟件集成以及與環(huán)境的交互進(jìn)行全面的測(cè)試，以確保機(jī)器人的部署順利進(jìn)行。這通常需要較長(zhǎng)的準(zhǔn)備時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，在電纜隧道巡檢機(jī)器人作業(yè)性能分析中，基于ROS的框架，對(duì)所設(shè)計(jì)的電纜隧道巡檢機(jī)器人進(jìn)行仿真和基準(zhǔn)測(cè)試。

通過(guò)使用電纜隧道巡檢機(jī)器人模擬器Stage，在一個(gè)相當(dāng)現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，在不同的場(chǎng)景中和以不同的團(tuán)隊(duì)規(guī)模進(jìn)行詳盡的測(cè)試，并通過(guò)模仿模擬的設(shè)置更快地進(jìn)行作業(yè)性能實(shí)驗(yàn)。仿真模擬的系統(tǒng)參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置的，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)任務(wù)分配算法。在這項(xiàng)工作中，以分布式策略來(lái)解決現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的巡邏問(wèn)題，每個(gè)自治代理在本地決定其行為，并使用分布式通信來(lái)適應(yīng)系統(tǒng)的需求。盡管機(jī)器人的速度恒定且穩(wěn)定，但仍會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。這些振動(dòng)可能會(huì)影響機(jī)器人檢查器的性能，甚至導(dǎo)致故障。

本次設(shè)計(jì)的電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，采用了兩種方法來(lái)提高對(duì)固有頻率估計(jì)誤差的魯棒性：一種是增加消除的頻率分量的數(shù)量；另一種是使頻率分量的頻率導(dǎo)數(shù)在估計(jì)的固有頻率處為零。上述方法均可以抑制非線(xiàn)性阻尼系統(tǒng)中的殘余振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的電纜隧道巡檢機(jī)器人可以訪(fǎng)問(wèn)環(huán)境的每個(gè)重要方面。此外，該方法能夠擴(kuò)展到任意數(shù)量的機(jī)器人，并且可以克服通信故障和機(jī)器人故障。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電纜隧道的數(shù)量呈現(xiàn)井噴式增長(zhǎng)。在此背景下，傳統(tǒng)的人工巡檢已經(jīng)不能滿(mǎn)足高速增長(zhǎng)的電纜隧道的實(shí)際需求，以機(jī)器人代替人工成為必然趨勢(shì)。電纜隧道巡檢機(jī)器人由多個(gè)系統(tǒng)組成，如控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等。其中，機(jī)械系統(tǒng)是電纜隧道巡檢機(jī)器人本體所在，是機(jī)器人能夠行走、巡檢的物質(zhì)基礎(chǔ)。本文所設(shè)計(jì)的電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，符合最初的設(shè)計(jì)目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)電纜隧道巡檢所需，且經(jīng)過(guò)仿真模擬，證明所設(shè)計(jì)的電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)是可行的。