一種可通過耐張線夾的電力線路巡檢機器人

余 斌，周 晨，咼 年，陳 偉，鄭 睿，李 文戴 虎

（1.國網安徽安慶供電公司，安徽 安慶 246000；2.安徽師范大學物理與電子信息學院，安徽 蕪湖 241002；3.安徽省智能機器人信息融合與控制工程實驗室，安徽 蕪湖 241002）

0 引言

我國資源分布不均勻，其中電力方面表現尤為突出，長距離架設高壓線設備進行電力傳輸對于保證各地區用電需求至關重要[1]。但部分地域環境惡劣，輸電線路長期裸露于自然環境中，由于天氣影響、電力損耗等因素會導致高壓線磨損、斷裂。為了加強防護，需定期對線路巡檢，發現問題及時維修[2]。

目前國家電網的巡線方式主要為人工操作，巡檢工程師需攜帶攝像設備登上高壓輸電線路進行帶電作業，在強磁、高壓的條件下，工程師人身安全受到威脅，同時人工巡檢的速度過于緩慢，效率低下[3]。為了提高工作效率及保障工程師的人身安全，需要利用輸電線路安全、穩定的傳輸電力資源，采用高壓線巡線機器人代替人來執行巡檢任務，這不僅能提高巡線效率，且能保證安全穩定性[4]。

高壓線巡線機器人作為一個新的研究方向，近年來受到較多的關注[5]，國內外圍繞該機器人的研究工作取得了一些進展。其技術難點在于機器人的平衡性、續航能力及越障方法。耐張線夾是高壓線巡線機器人需跨越的障礙物之一[6]，它的結構中有鋼錨，利用鋼錨把絕緣子串固定在桿塔之上，導線在絕緣子串的下方通過鋼錨相連接[7，8]。耐張線夾的鋼錨由于耐張線夾處寬度與高壓線不同，而通常機器人的夾爪尺寸依據高壓線的尺寸設計，使得機器人的夾爪與耐張線夾的吻合度不高；耐張線夾與水平面之間存在夾角，機器人在該處運行時存在滑落的風險；由于鋼錨的阻礙，機器人無法從其上方整體通過，因此機器人順利通過耐張線夾存在技術難度[9]。

日本研制的Expliner巡線機器人[10]、加拿大研制的LineScout機器人[11，12]在多股高壓線運行均設計旋轉機構用于越過耐張線夾。由于這些機器人在多股線上運行，跨越耐張線夾的穩定性較好。相比較多股線運行的機器人，單股線運行的高壓巡線機器人具有體積小，結構簡單、靈活等特點，近年來得到了廣泛的研究。如吳功平教授[13]團隊研制的雙臂巡線機器人，該裝置設計結構比較簡單，重量適中。上述研究中，機器人運行時均是單臂懸掛在高壓線上，容易發生傾斜和脫落，且未見通過耐張線夾的報道。文獻[14]設計了前后三臂的機構，機器人可以通過防震錘和耐張線夾，但該文獻只開展了仿真分析。西安交通大學的楊德偉博士[15]發明了一種可以調節重心的三臂巡線機器人，在實驗室的環境下成功通過耐張線夾，但該研究需設計重心調節裝置，使裝置得體積增大，重量增加。通過以上分析可知，夾爪式電力線巡檢機器人的結構原理如圖1所示，底座起到支撐的作用，步進電機和主動輪通過聯軸器相連接，主動輪和從動輪通過齒輪傳動，機械臂和夾爪連接在從動輪上，隨著從動輪的運動而動作。

圖1 電力線巡檢機器人的結構圖

為了使電力巡檢機器人通過耐張線夾，首先設計夾爪，使其夾爪具有可吻合多種線型且接觸面積大、摩擦系數大等特點；并且設計傳動機構，通過齒輪傳動帶動機械臂使機器人向前運行，通過機械臂的旋轉避免機器人與鋼錨發生干涉。

1 夾爪的設計

1.1 夾爪的形狀設計

圖2 適合于多種線型的夾爪示意圖

圖2中夾爪雙側面均有圓孔，二者通過圓孔內部絲釘進行連接，整個夾爪機構設計成多曲線型，自上而下分別適應高壓單股線、并溝線夾、耐張線夾三種直徑線型，保證夾爪在巡線過程中與輸電線路緊密貼合，可大大降低裝置脫落的風險。

1.2 夾爪和高壓線之間摩擦力的研究

耐張線夾處高壓線存在坡度，為了使得機器人不沿著高壓線滑落，夾爪與高壓線之間需存在足夠的靜摩擦力，通常在夾爪的內部填充橡膠之類摩擦系數較大的材料。設機器人的質量為m，高壓線與水平面的夾角為θ，機器人的重力沿著高壓線方向的分力Ghc為：

設夾爪與高壓線之間的最大摩擦系數為μmax，那么最大靜摩擦力為：

式中Gvc是機器人的重力垂直于高壓線方向的分力，其大小為：

對于橡膠類材料，式（2）中的μmax與壓強成反比[16]，所以當Gvc一定時，夾爪與高壓線之間的接觸面積越大，μmax也就越大。因此對耐張線夾處夾爪與高壓線之間的接觸方式進行分析，如圖3所示。由圖3（a）可知，此時夾爪與高壓線之間是面接觸，接觸充分；由圖3（b）可知，此時夾爪與高壓線之間的接觸方式是線接觸，接觸不充分。

圖3 耐張線夾處夾爪與高壓線之間的接觸方式示意圖

耐張線夾處的坡度的斜率大并且變化，機器人夾爪與高壓線之間的接觸方式主要是線接觸。因此需增大夾爪與高壓線之間的接觸面積使得二者之間的靜摩擦力增大，為此在夾爪的內部填充柔性物質，利用柔性物質的形變來增大接觸面積，其原理如圖4所示。

圖4 在夾爪內部填充柔性物質以增大接觸面積的示意圖

由圖4可以看出，在夾爪內部填充柔性材料，在重力作用下與高壓線接觸的部位發生形變，使得二者的接觸面積增大，只要能夠滿足：

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就可以使得機器人保持相對靜止，不沿著高壓線滑落。

2 傳動機構的設計

在完成夾爪設計的基礎上，對機器人的傳動機構進行設計，如圖5所示。

圖5 機器人的傳動機構示意圖

圖5中，輪1和輪2由減速電機所驅動，是主運動輪。通過精密齒輪的傳動，輪1的動力被傳遞至輪3和輪4，輪2的動力被傳遞到輪5和輪6。輪3與輪5，輪4與輪6通過轉軸相連接。輪3、4、5、6分別帶動機械臂7、8、9、10運動，機械臂7與機械臂10的運動規律相同，機械臂8和機械臂9的運動規律相同，機械臂7、10與機械臂8、9的運動規律相反。在減速電機的帶動下，根據三連桿原理使得兩側各有一個夾爪懸掛在高壓線上，另外兩個夾爪向前運行，形成位置的互補，保持機器人姿態的平衡。

由于鋼錨的阻礙，需要設計旋轉機構改變夾爪的位置，才能使機器人通過。圖5中四個步進電機11、12、13、14可以分別控制夾爪15、16、17、18。當夾爪在輪子的帶動下，離開高壓線的一定距離不與高壓線發生干涉時，步進電機使得夾爪由與高壓線垂直狀態變換為平行于高壓線狀態，至此完成了機器人傳動機構的設計。

3 實驗與分析

根據以上設計方案研制出高壓線巡線機器人。機器人的側板和底座等固件采用鋁合金材料加工，用以減輕機器人的重量；由于機器人的機械臂與夾爪等部件需要承重，采用剛性材料加工；機器人的輪子由尼龍材質加工；機器人的主電機選用大扭矩減速電機，機器人的旋轉機構選用單軸GM2020BY步進電機；機器人的控制器由STM32微處理器為核心組成。以此機器人為對象開展通過耐張線夾的實驗，相關的實驗參數如下。

3.1 實驗參數

3.1.1 實驗環境

在室內搭建高壓線輸電線模擬線路，模擬線路的長度為4.13 m，高度為0.78 m，形狀類似“W”形，右半部分坡度較小，左半部分坡度較大，中間部分為耐張線夾，耐張線夾中間的鋼錨使得機器人不能從高壓線上方連續通過。耐張線夾與水平面之間角度是變化的，最大值約為40°。

3.1.2 夾爪參數

實驗中夾爪內徑被設計為25.9 mm，與單股高壓線所匹配；中徑被設計為28 mm，與并溝線夾所匹配；外徑被設計為35 mm，與耐張線夾所匹配。在夾爪內部首先填充聚乙烯醇高分子材料，使得機器人在有坡度的高壓線運行時，夾爪內部發生如圖4所示的形變；接著在聚乙烯醇外部增加一層橡膠磨砂材質，進一步增大摩擦系數，增大夾爪與高壓線之間的摩擦力。

3.1.3 機械臂運動參數

運動規律不同的輪子之間的相位相差180°，機器人運動速度的平均值為0.5 m/s。機器人運行至高壓線上方大于0.06 m時不會與高壓線發生干涉，此時夾爪可在旋轉機構的作用下打開。

3.1.4 姿態測量系統參數

為了定量分析機器人越過耐張線夾的平衡性，采用MTi-30系列的慣性傳感器，其運行中偏置穩定性為18°/h；運行時偏航角誤差典型值為1°，俯仰角和傾斜角誤差典型值為0.5°。將其安裝在機器人的上，其位置如圖6所示。MTi-30導航坐標系設置為X軸與高壓線方向一致，X軸的正方向為機器人運行方向；Z軸垂直于地心，其正方向指向上方；Y軸根據右手定則確定即可。

3.2 機器人通過耐張線夾的實驗結果

根據上述參數開展實驗，從機器人準備通過耐張線夾開始，至完全通過耐張線夾后運動狀態如圖6所示。

圖6 機器人通過耐張線夾的實驗結果圖

圖6（a）中機器人準備開始通過耐張線夾，機器人整體均在鋼錨右側，2、3號夾爪懸掛高壓線上，此時機器人處于傾斜狀態。由于機器人的夾爪與耐張線夾吻合度較高，另一方面內部裝有聚乙烯醇和橡膠磨砂材質，夾爪與高壓線之間有足夠的靜摩擦力，使得機器人在與水平成30°傾斜角的高壓線上保持穩定，不會沿著高壓線下滑。圖5（b）中機器人的1號夾爪在旋轉機構的作用下由與高壓線垂直狀態轉變成平行于高壓線狀態，在運動機構的作用下從側面通過鋼錨，此時仍是2、3號夾爪懸掛于高壓線上，使機器人可以保持穩定。圖5（c）中機器人的1號夾爪恢復到與高壓線垂直狀態，3號夾爪在由與高壓線垂直狀態轉變成平行于高壓線狀態，在運動機構的作用下從側面通過鋼錨，此時2、3號夾爪懸掛高壓線上，使機器人可以保持穩定。圖6（d）中機器人的3號夾爪恢復到與高壓線垂直狀態，4號夾爪在由與高壓線垂直狀態轉變成平行于高壓線狀態，在運動機構的作用下從側面通過鋼錨，此時2、3號夾爪懸掛高壓線上，使機器人保持穩定。圖6（e）中機器人的4號夾爪恢復到與高壓線垂直狀態，2號夾爪在由與高壓線垂直狀態轉變成平行于高壓線狀態，在運動機構的作用下從側面通過鋼錨。此時由于結點左側坡度原因，1號夾爪處于懸空狀態，僅4號夾爪懸掛于高壓線上，機器人仍可保持穩定。圖6（f）中機器人完全通過鋼錨，機器人整體均在結點左側，2、3號夾爪懸掛高壓線上，此時機器人處于傾斜狀態，此時機器人保持穩定。

3.3 機器人通過耐張線夾時的平衡性測試

根據以上分析可知，機器人成功通過耐張線夾，為了進一步測試越過耐張線夾時的平衡性，通過MTi-30慣性傳感器測量沿著X軸旋轉的橫滾角。為此開展多次實驗，從中隨機選取兩次實驗，得到機器人的橫滾角的曲線，如圖7所示。

圖7 通過耐張線夾過程中機器人橫滾角的曲線

由圖7可知，機器人通過耐張線夾時間約為12 s。在圖7（a）中，機器人橫滾角正方向的最大值為9.23°。橫滾角負方向的最大值為12.29°。由于橫滾角為0°時，機器人不向任何方向傾斜，平衡性最好，因此取0°作為機器人橫滾角理想期望值，那么圖7（a）中橫滾角的標準差約為6°；在圖7（b）中，機器人橫滾角正方向的最大值為18.92°，橫滾角負方向的最大值為16.68°，圖7（b）中標準差約為8°。對十次實驗的結果進行分析可得，機器人橫滾角的標準偏差的平均值約為7.5°。

在實驗環境下，根據測試所知，當橫滾角在20°之內時，機器人就可以穩定運行，因此，本設計的高壓線巡線機器人在通過耐張線夾時具有較好的平衡性。

4 結束語

針對耐張線夾的尺寸與高壓線不同使機器人的夾爪難以匹配，存在坡度使機器人有下滑風險，鋼錨使機器人不能整體通過，設計一種可通過耐張線夾的電力巡檢機器人。實驗證表明，機器人的夾爪能夠與耐張線夾吻合，可以在傾斜處運行而不下滑；在旋轉機構的作用下，機器人能夠逐步通過鋼錨；在通過耐張線夾過程中，機器人沿著高壓線方向橫滾角的標準偏差約為7.5°。因此利用該方法，機器人能順利通過耐張線夾并且平衡性較好，有助于該機器人長期穩定運行，節省人力物力并提高巡線效率。