可變重心線路巡檢機器人擺振分析及抑制

樊 星, 李小彭, 彭健文, 劉炳斐

(東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院,沈陽 110819)

為了確保高效可靠的電力供應(yīng),輸電線路需要定期巡檢,以便及時發(fā)現(xiàn)諸如:腐蝕和機械損壞等線路故障,以避免不必要的經(jīng)濟損失[1]。傳統(tǒng)的人工線路巡檢方法存在安全性、經(jīng)濟性等的不足,而機器人進行線路巡檢成本更低、速度更快、安全性更高[2],成為各地學(xué)者與研究機構(gòu)的研究熱點。目前的研究主要集中在構(gòu)型創(chuàng)新設(shè)計[3],電力檢測識別[4],動力學(xué)及動態(tài)性能分析[5-7],控制系統(tǒng)等方面[8],而在巡檢機器人振動分析與優(yōu)化方面研究較少。

考慮到巡檢機器人野外的工作環(huán)境的特殊性,所以機器人本身對外界自然現(xiàn)象(如:風(fēng)、冰、雨等)較為敏感,特別是在自然風(fēng)影響下,機器人會出現(xiàn)風(fēng)振擺動的情況。這不僅會影響巡檢質(zhì)量,嚴重時甚至?xí)斐蓹C器人脫線。因此開展風(fēng)載荷影響下巡檢機器人的擺振分析及抑制具有十分重要的工程意義。為此,國內(nèi)外研究機構(gòu)已在此領(lǐng)域已開展了一系列的研究,包括:研究配備傳感器對機器人所受風(fēng)速與風(fēng)向進行測量[9];提出建立彈簧阻尼系統(tǒng)的巡檢機器人模型,分析外部擾動對系統(tǒng)的影響[10];以及風(fēng)載影響下機器人抓取穩(wěn)定性的研究[11]。還有一些其他研究團隊在風(fēng)載對張力塔—輸電線系統(tǒng)的影響方面進行了一些研究[12-13]。但是上述研究中僅做了相關(guān)理論分析,缺少針對現(xiàn)有的巡檢機器人開展進一步的抑振優(yōu)化策略研究,而這對機器人能否穩(wěn)定巡檢具有十分重要的工程意義。

在振動系統(tǒng)附加動力吸振器已成為常見的減振方式,其原理為在受激勵的主系統(tǒng)上附加吸振器系統(tǒng)從而有效抑制主系統(tǒng)的振動,是一種有效、可靠和低成本的被動減振策略。有關(guān)動力吸振器的研究最早可追溯到100年前Frahm[14]設(shè)計的無阻尼吸振器,后來Ormondroyd等[15]在其基礎(chǔ)上引入阻尼,擴大了吸振器的可用范圍。經(jīng)過不斷優(yōu)化改進研究,目前動力吸振器已廣泛應(yīng)用于交通運輸、工業(yè)機械、建筑橋梁等工程實踐中,成為振動控制領(lǐng)域重要措施之一[16]。在動力吸振器的諸多研究中,由于平面擺模型常被用于模擬如較高建筑物,機器人手臂,索道纜車擺動等實際工況,因此擺式吸振器的研究在不同領(lǐng)域,如:機械、交通、土木中均發(fā)揮著越來越重要作用[17]。有關(guān)擺式吸振器的研究最早可追溯到1995年Matsuhisa等[18]開展的對索道運輸設(shè)備安裝不同類型動力吸振器的理論分析。后來La[19]進一步開展了一系列擺式吸振器參數(shù)優(yōu)化與結(jié)構(gòu)改進等方面的研究,Viet[20]提出一種利用科里奧利力減弱擺式機構(gòu)振動的動力吸振器,開展了吸振器的最優(yōu)參數(shù)研究及半主動控制;Furtmüller等[21]提出了一種通過流體實現(xiàn)擺式機構(gòu)的低頻振動控制的動力吸振器;Nguyen[22]利用等效黏性阻力最大化法開展了二自由度倒立擺吸振器的參數(shù)優(yōu)化;但是以上研究多偏向于吸振器理論分析,考慮到巡檢機器人工作環(huán)境的特殊性以及很少有學(xué)者結(jié)合具體工程工況開展吸振研究,開展動力吸振器在巡檢機器人工程實踐中的應(yīng)用研究具有重要的意義。

本文的目的是針對可變重心線路巡檢機器人在工作中易受風(fēng)擾動影響出現(xiàn)擺振的問題。基于擺式動力吸振器的工作原理及可變重心線路巡檢機器人的結(jié)構(gòu)特點,提出一種在機器人的重心調(diào)整箱體中加裝動力吸振器的抑振策略。首先,對巡檢機器人工作的架空輸電線系統(tǒng)、吸振器結(jié)構(gòu)進行描述,確定具體工況參數(shù)。基于Davenport譜建立了風(fēng)擾動模型,確定了后文分析的具體風(fēng)力數(shù)值。分析了機器人行走對輸電線的影響,建立了機器人擺動的動力學(xué)模型,仿真了不同風(fēng)速影響下機器人的風(fēng)振響應(yīng)。建立巡檢機器人加裝吸振器后的動力學(xué)方程,完成了吸振器的參數(shù)設(shè)計,并對比加裝吸振器與否對巡檢機器人風(fēng)載荷下振動響應(yīng)的情況。最后通過試驗驗證了所提出結(jié)構(gòu)改進抑振策略的有效性及可行性。

1 系統(tǒng)描述

1.1 架空輸電線系統(tǒng)

可變重心線路巡檢機器人在輸電線環(huán)境中受風(fēng)載影響示意圖,如圖1所示。

圖1 輸電線巡檢機器人巡檢工作圖Fig.1 Diagram of a PTLIR in inspection

由圖1可知,研究對象可變重心巡檢機器人整機由兩個關(guān)節(jié)臂與連接部件組成;連接部件則由機架與重心調(diào)整箱體組成。其中,重心調(diào)整箱體主要用于越障時機器人的重心調(diào)整,而在正常巡檢時是固定不動的[23]。此外,由圖1可知輸電線巡檢機器人工作環(huán)境特點為:野外自然環(huán)境作業(yè)、作業(yè)高度距離地面一般為幾十米的高空。

野外環(huán)境中受自然環(huán)境因素(如:風(fēng)、冰雪、氣溫等)會影響機器人的工作性能,其中對機器人影響最大、最具有研究意義的為風(fēng)擾動。當(dāng)巡檢機器人在架空線路上工作時,作用在機器人機體上自然風(fēng)擾動會導(dǎo)致機身的擺動,極大地影響機器人行駛的安全性與巡檢數(shù)據(jù)的可靠性。為方便研究,本文首先依照我國架空輸電線特點,確定在研究中機器人所在高度為35.125 m[24]。并進一步確定研究中具體導(dǎo)線型號為LGJ-630/45,張力為35 316 N,弧垂16.5 m,檔距400 m[25]。

1.2 擺式動力吸振器結(jié)構(gòu)描述

考慮到可變重心線路巡檢機器人自身的結(jié)構(gòu)特點,本文提出在重心調(diào)整箱體加裝動力吸振器的抑振策略,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 重心調(diào)整箱體加裝吸振器的結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure drawing of center of gravity adjustment mechanism with DVA

在工程實踐中動力吸振器中常用的彈性元件有扭轉(zhuǎn)彈簧、壓縮彈簧、卷簧、板簧等;阻尼元件有電磁阻尼、摩擦阻尼、磁性阻尼、液壓阻尼等。所設(shè)計的動力吸振器中彈性元件使用壓縮彈簧,阻尼元件使用滑臺。圖2中原本固定在箱體的電池及電氣組件被作為吸振器的質(zhì)量塊固定在滑臺上,作為吸振器的吸振質(zhì)量。

2 風(fēng)擾動模型

當(dāng)巡檢機器人在輸電線上開展巡檢工作時,風(fēng)的擾動是其主要的外部干擾,具體表現(xiàn)為作用在機器人機體上均勻分布的力。風(fēng)力大小主要由風(fēng)速決定。

根據(jù)Davenport的標(biāo)準理論,自然風(fēng)速為平均風(fēng)速與脈動風(fēng)速的組合,計算公式為

v(z,t)=vm(z)+vg(z,t)

(1)

式中:z為高度值;vm(z)為高度為z的平均風(fēng)速值;vg(z,t)為脈動風(fēng)速,具有時變性的特點。

2.1 平均風(fēng)速

由于不同地貌對自然風(fēng)速的阻礙不同,所以不同高度下風(fēng)的速度也不同。在正常地形中,風(fēng)速隨著高度增加而增加。

平均風(fēng)速與高度的關(guān)系可以表示為

(2)

式中:zs為參考高度;vs為離地參考高度zs處的平均風(fēng)速;α為地面粗糙度系數(shù)。

對于地面粗糙度系數(shù)α,由式(2)可知,不同地面粗糙度系數(shù)α下,平均風(fēng)速剖面也不一樣[26]。依據(jù)我國規(guī)范將地面粗糙度分可為4類,表1給出了每類情況下對應(yīng)地面粗糙度系數(shù)α數(shù)值。進一步可得平均風(fēng)速剖面曲線如圖3所示。由圖3可知,當(dāng)已知標(biāo)準地面粗糙度具體類別α在標(biāo)準參考高度zs處的平均風(fēng)速vs后,則可由式(2)確定某一高度z處平均風(fēng)速的大小。

表1 地面粗糙度指數(shù)表Tab.1 Ground roughness index table

圖3 平均風(fēng)速剖面Fig.3 Steady-state wind speed

根據(jù)輸電線環(huán)境,可確定本文研究參考地面粗糙度系數(shù)α為0.16。此外,因我國對地面氣象信息一般通過高度為10 m的氣象觀測塔采集,所以其參考高度zs為10 m。依據(jù)所確定的輸電線高度,機器人工作高度z定為35.125 m,參考表2的風(fēng)力等級表計算得到本文所選定的可能的平均風(fēng)速的最小、最大風(fēng)速計算分別如式(3)與式(4)所示。

表2 風(fēng)力等級表Tab.2 Wind scale

(3)

(4)

2.2 脈動風(fēng)速

脈動風(fēng)是一個均值為零的平穩(wěn)高斯隨機過程,通常用隨機振動理論進行分析。

Davenport進行了大量的風(fēng)洞試驗,給出了一個廣泛應(yīng)用的風(fēng)頻譜,它取決于平均風(fēng)速和地形粗糙度。Davenport譜可以表示為

(5)

式中:β=Lvf/vm,Lv為湍流尺度;f為脈動風(fēng)頻率;k為表面阻力系數(shù)(0.005≤k≤0.015)。

通過將單位標(biāo)準差的白噪聲信號輸入Davenport譜的近似濾波器可得脈動風(fēng)速。本文采用的濾波器為三階,具體傳遞函數(shù)如式(6)所示。

(6)

依據(jù)上述步驟繪制用以描述脈動風(fēng)速的時程曲線,結(jié)果如圖4所示。

圖4 風(fēng)速的時程曲線Fig.4 Wind speed time history curve

2.3 風(fēng)力計算

分析巡檢機器人在風(fēng)場中受到風(fēng)擾動作用對機器人穩(wěn)定性的影響時,首先需要獲得風(fēng)力大小。由于風(fēng)速相對較易測得,因此可先確定風(fēng)速大小,然后通過將風(fēng)速轉(zhuǎn)化為風(fēng)壓,最后得到風(fēng)力。

依據(jù)伯努利方程,得到的風(fēng)壓與風(fēng)速的表達式為

(7)

式中,ρa為空氣密度,ρa=γ/g,g,γ分別為重力加速度和容重。按標(biāo)準大氣壓有g(shù)=9.8 m/s2、γ=12.018 N/m3。

進一步得到對應(yīng)風(fēng)力的計算表達式為

(8)

式中:C為阻力系數(shù);A為機器人迎風(fēng)方向的截面面積。

考慮到受風(fēng)載影響時,不同機身結(jié)構(gòu)下阻力系數(shù)C不同。將機器人-輸電線系統(tǒng)分為3個部分具體如圖5所示。

圖5 風(fēng)擾動影響下巡檢機器人的截面圖Fig.5 The cross section of the PTLIR under the influence of wind disturbance

圖5中:Ai為機器人-輸電線系統(tǒng)的不同位置在Y軸方向的橫截面積;Ci為對應(yīng)的阻力系數(shù);參數(shù)具體數(shù)值如表3所示。

表3 模型參數(shù)Tab.3 Modelling parameters

基于以上分析過程,本文風(fēng)力計算模擬過程如圖6所示。風(fēng)擾動影響下的風(fēng)力計算表達式如式(9)所示。

圖6 風(fēng)力計算流程圖Fig.6 Flow chart of wind force calculation under natural wind

(9)

進一步繪制的風(fēng)載荷的時變曲線圖如圖7所示,可用于下文后續(xù)研究中模擬風(fēng)力。

圖7 機器人所受風(fēng)載荷的時變曲線圖Fig.7 Time varying curve of transverse wind load on robot

3 風(fēng)擾動影響下機器人擺振分析

3.1 機器人擺動的動力學(xué)模型

考慮到機器人在行走狀態(tài)下進行巡檢時是作為一個移動的負載作用在輸電線上,從而引起輸電線的振動。因此如圖8所示,將輸電線視為一根拉伸的弦,將在輸電線上執(zhí)行巡檢任務(wù)的機器人視為線上行走的移動負載。

圖8 行走狀態(tài)下巡檢機器人示意圖Fig.8 Schematic diagram of inspection robot in walking state

建立弦的橫向振動方程如式(10)所示

(10)

式中:ρ為弦的單位長度質(zhì)量,ρ=ρ(γ);f為作用在弦上的橫向分布力;T為張力,T=T(γ,t);L為線的跨長;u為弦γ處的橫向位移,u=(γ,t)。

由圖可知,輸電線在兩端的位移為0,從而可得邊界條件及初始條件如式(11)所示

(11)

考慮到巡檢機器人作用在輸電線行走時,輸電線受到機器人作用的力是移動的,可用狄拉克函數(shù)表示。如式(12)所示為機器人重力作用在所在位置γ處輸電線上的力。

f(γ,t)=F(t)δ[x-ε(t)]

(12)

式中,移動的巡檢機器人移動規(guī)律函數(shù)ε(t)的限制條件為0

對式(10)的求解可以用式(13)所示的拉格朗日方程

(13)

輸電線作為弦的動能與勢能如式(14)所示

(14)

(15)

使用零初始條件下的杜哈梅積分求解上述方程,得到方程的解如式(16)所示

以選擇導(dǎo)線的型號為LGJ—630/45的輸電線路導(dǎo)線為對象進行分析計算。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 輸電線撓度及加速度變化Fig.9 Deflection and acceleration changes of transmission lines

由圖9可知,巡檢機器人在無障礙行走狀態(tài)下進行輸電線巡檢任務(wù)時,輸電線受機器人移動的影響,撓度變化呈現(xiàn)正弦運動,并伴有鋸齒狀振蕩。且當(dāng)機器人行走到輸電線中心處時,輸電線的撓度變化最大,大小約為0.5 m。對比輸電線因自身重力作用下產(chǎn)生的弧垂16.5 m,該撓度變化較小,在此期間導(dǎo)線振動波動加速度范圍為-1.5×10-3～1.5×10-3m/s2,該數(shù)值也較小,因此在后文研究中對機器人行走對輸電線影響予以忽略處理。

此外,由于輸電線上有安裝具有傳遞機械載荷、保護輸電線路的線路金具,如:防震錘、間隔棒等。因此為便于研究,下文所開展的對機器人風(fēng)載穩(wěn)定性影響研究中,對因風(fēng)載引起的輸電線舞動予以忽略處理。

巡檢機器人在進行線路巡檢時,通過行走輪與輸電線接觸,掛立在輸電線上行走巡檢。因此,當(dāng)其受風(fēng)載影響時,可假設(shè)模型為如圖10所示的巡檢機器人單擺模型圖。

圖10 風(fēng)擾動下巡檢機器人的擺動模型Fig.10 Swing model of PTLIR under wind disturbance

如圖10所示,當(dāng)橫向風(fēng)載荷fw(t)作用在總質(zhì)量為m的巡檢機器人上,機器人將受力傾斜,受風(fēng)載荷fw(t)與重力作用,建立如圖所示擺長為l1的單擺模型,用ψ(t)表示機器人的擺動角度。

建立動力學(xué)方程如式(17)所示

(17)

式中:M為行走機構(gòu)處的阻力矩;c1為阻尼系數(shù);J為機器人的轉(zhuǎn)動慣量。

為便于分析,假設(shè)巡檢機器人受風(fēng)載影響的擺動角度不大[27],則有sinθ≈θ,則式(17)可簡化為

(18)

對其進行Laplace變換,得到如式(19)所示的機器人受風(fēng)載影響擺動的系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

(19)

3.2 仿真分析

由式(12)仿真式(3)與式(4)已確定的風(fēng)速范圍內(nèi)巡檢機器人風(fēng)載擺動響應(yīng),所得機器人擺角與擺動速度的結(jié)果分別如圖11與圖12所示。此外,不同風(fēng)速下風(fēng)激振動擺動角、擺動速度與擺動加速度的極值如表4所示。

表4 不同風(fēng)速下風(fēng)振擺動角的極值Tab.4 Extreme value of oscillation angle under different wind speeds

圖11 不同風(fēng)速下機器人的風(fēng)振擺角Fig.11 Wind induced vibration angles of a PTLIR for different wind velocities

圖12 不同風(fēng)速下機器人的風(fēng)振擺動速度Fig.12 Wind induced vibration speeds of a PTLIR for different wind velocities

根據(jù)結(jié)果,歸納可得以下結(jié)論:

① 更大風(fēng)速下機器人的擺角更大,擺動速度波動程度變大,擺動加速度波動變大;

② 風(fēng)速在大約小于10 m/s下機器人受風(fēng)載荷影響表現(xiàn)為左右擺動,在風(fēng)速高于10 m/s后機器人擺角偏向單側(cè)且擺動角度過大;

③ 考慮到在風(fēng)激振動下過大的擺角會造成機器人機體的不穩(wěn)定,影響機器人巡檢質(zhì)量,因此需要對巡檢機器人進行擺振抑制減小其受自然風(fēng)的影響,從而保證機器人巡檢的安全性。

4 基于擺式動力吸振器的擺振抑制策略

4.1 加裝動力吸振器后的動力學(xué)模型

風(fēng)擾動下加裝吸振器的巡檢機器人擺動模型如圖13所示。其中加裝動力吸振器改進后重心調(diào)整箱體的結(jié)構(gòu)具體如1.2節(jié)所描述,圖中原本固定在箱體的電池及電氣組件被作為吸振器的質(zhì)量塊固定在滑臺上。

圖13 風(fēng)擾動下加裝吸振器的巡檢機器人擺動模型Fig.13 Swing model of PTLIR with DVA under wind disturbance

此外,圖13中懸掛在輸電線上的機器人被簡化為質(zhì)量為m1的單擺,假設(shè)其受風(fēng)力影響偏離中心ψ。未裝吸振器前機器人重心距離輸電線中心的距離為l1,作為動力吸振器質(zhì)量塊的電器組件重心距離輸電線中心距離為l2,電氣組件質(zhì)量為m2,彈簧的彈性系數(shù)為k,阻尼系數(shù)為c,在受風(fēng)力fw(t)影響后吸振器質(zhì)量(電池及電氣組件)m2偏離原來位置距離為u(t)。

建立如圖13所示的原點O位于輸電線中心的坐標(biāo)系,得到機器人主系統(tǒng)的重心坐標(biāo)(x1,y1)與吸振器質(zhì)量塊的重心坐標(biāo)(x2,y2)數(shù)值表達式如式(20)所示

(20)

對式(20)求導(dǎo)可得主系統(tǒng)與吸振器質(zhì)量塊的速度值,如式(21)所示

(21)

進一步計算加裝動力吸振器后系統(tǒng)的動能,勢能與保守力函數(shù)分別如式(22)～式(24)所示

(22)

(23)

(24)

利用拉格朗日法建立動力學(xué)方程,拉格朗日方程的表達式如式(25)所示。

(25)

將式(22)～式(24)代入式(25)的拉格朗日方程得到

(26)

(27)

為方便獲得頻率方程,將其改寫為如式(28)所示的矩陣形式

(28)

為獲得系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程,進一步簡化為式(29)所示的形式

4.2 動力吸振器的參數(shù)設(shè)計

依據(jù)建立加裝動力吸振器后的動力學(xué)模型,假設(shè)機器人系統(tǒng)受到風(fēng)力為簡諧力fweiωt[28-29],并設(shè)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可表示為

ψ=Θeiωt,u=Ueiωt

(30)

進一步得到頻率方程如式(31)所示

det[Z(ω)]=

(k-ω2m2+iωc)-(m2gl2ω2+m2g)2

(31)

因而有

(32)

通過引入式(33)所示的符號,可將式(32)化為無量綱形式。

(33)

式中:μ為質(zhì)量比;Ω與ζs分別為機器人系統(tǒng)的固有頻率與阻尼比;ωa為吸振器固有頻率;ζ為吸振器的阻尼比;r為吸振器的位置參數(shù);h為激勵頻率比,即激勵頻率與主系統(tǒng)的固有頻率比;f為固有頻率比;Θst為激勵的無因次振幅。

如式(34)所示,得到了包含上述無量綱參數(shù)的形式。由式(34)可知機器人主系統(tǒng)的振幅是μ,ζ,h,f的函數(shù)。

(34)

式中各參數(shù)具體值如式(35)所示

A1=f2-h2,B1=2h,

C1=(1-h2)(f2-h2)-u(rf2-1)(rh2-1),

D1=2h(1+μr-(1+μr2)h2)

(35)

使用固定點理論[30],可以得到以下最優(yōu)參數(shù)

(36)

式中:fopt為最優(yōu)固有頻率比;ζopt為最優(yōu)阻尼比,通過對p,q定點阻尼比取均值得到。p,q下的激勵頻率比可通過式(37)計算得到。其余各參數(shù)具體值如式(38)所示。

(38)

依據(jù)本文研究對象雙臂輸電線巡檢機器人的實際參數(shù),確定質(zhì)量比μ=0.129;主系統(tǒng)阻尼比ζs=2.5。

進一步應(yīng)用式(36)計算研究中確定的動力吸振器無量綱參數(shù)fopt=0.913,ζopt=0.686,仿真可得最優(yōu)參數(shù)下,不同阻尼比參數(shù)下以及未加吸振器情況下的幅值曲線,如圖14所示。由圖14可知,吸振器的有效減振頻帶[31]為0.117 2。此外,由于最優(yōu)固有頻率比的近似計算值小于理論值,導(dǎo)致幅頻曲線存在不等高,但仍在可接受范圍內(nèi),基本實現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)。

圖14 不同情況下的幅頻響應(yīng)曲線Fig.14 The amplitude-frequency curve under different conditions

4.3 仿真分析

依據(jù)Davenport譜,施加隨機風(fēng)力樣本。分別仿真自然風(fēng)在平均風(fēng)速為5 m/s,10 m/s和15 m/s下,機器人優(yōu)化結(jié)構(gòu)前及加裝吸振器結(jié)構(gòu)優(yōu)化策略下機器人風(fēng)激振動過程。結(jié)果如圖15與圖16所示。

圖15 吸振優(yōu)化前后的機器人的風(fēng)振擺角對比Fig.15 Comparison of wind induced vibration angles of robot with and without DVA

圖16 吸振優(yōu)化前后的機器人的風(fēng)振擺動速度對比Fig.16 Comparison of wind induced vibration speeds of robot with and without DVA

不同風(fēng)速下優(yōu)化前后機器人擺角的最大、最小值對比,如表5所示。同時,為了更直觀分析抑振策略的作用效果,對比抑振前后不同風(fēng)速下機器人擺角均方根值如表6所示。

表5 不同風(fēng)速下機器人擺動角極值對比Tab.5 Comparison of extreme value of robot swing angle under different wind speeds

表6 不同風(fēng)速下機器人擺動角均方根值對比Tab.6 Comparison of mean square root values of robot swing angle under different wind speeds

由圖可知,在不同風(fēng)速下加裝吸振器后機器人在風(fēng)載下機器人的風(fēng)振擺動在擺動角ψ、擺動速度v方面均有一定程度的減弱;由表可知,不同風(fēng)速下加裝動力吸振器可分別使主系統(tǒng)的響應(yīng)衰減34.13%,19.94%與13.65%。即抑振后的巡檢機器人在受風(fēng)擾動影響時,可以表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性;此外在風(fēng)速為5 m/s時系統(tǒng)表現(xiàn)出了更好的減振效果。

5 樣機試驗

為驗證所設(shè)計結(jié)構(gòu)的有效性,在室內(nèi)開展了巡檢機器人風(fēng)擾動試驗。首先對雙臂式輸電線巡檢器人模型進行簡化,制作如圖17所示的巡檢機器人樣機以及重心調(diào)整箱體中加裝動力吸振器的樣機。通過搭建室內(nèi)輸電環(huán)境,并使用大功率的工業(yè)風(fēng)扇模擬自然風(fēng),從而驗證所提出的抑振策略對機器人穩(wěn)定性的影響。

圖17 巡檢機器人樣機及動力吸振器結(jié)構(gòu)圖Fig.17 Structure drawing of PTLIR and DVA prototype

室內(nèi)巡檢機器人風(fēng)擾動試驗布置如圖18(a)所示。其中,工業(yè)電風(fēng)扇作為風(fēng)力源,風(fēng)速大小通過切換風(fēng)扇不同檔位實現(xiàn)。風(fēng)速具體數(shù)值通過數(shù)字風(fēng)速計(GM89010)測試得到。由于機器人軀干是最容易受到外界干擾的位置,同時也是一般巡檢機器人攝像裝置安裝的位置,因此,將加速度傳感器(DH3311E)安裝在機器人軀干,用于測量機器人機身的振動情況。其余用于機器人線路系統(tǒng)實時分析的具體參數(shù)為:①所布置輸電線長度為2 m;②機器人被布置在距離地面1.5 m的高度;③由風(fēng)速計測得試驗所用工業(yè)風(fēng)扇最大風(fēng)速為5.5 m/s,最小風(fēng)速為4.5 m/s;④機器人行走機構(gòu)采用12 V電源,控制機器人行走速度為20 mm/s;⑤每次試驗的時間為1 min如圖18(b)所示,通過在滑臺上安裝限位裝置來模擬抑振前后的機身結(jié)構(gòu),用于對比吸振優(yōu)化前后對機器人機身的振動情況的影響。

圖18 樣機試驗Fig.18 Prototype test drawing

依據(jù)加速度傳感器的測試數(shù)據(jù),經(jīng)過處理獲得圖19與圖20所示的工業(yè)風(fēng)扇在最大,最小風(fēng)速分別為4.5 m/s與5.5 m/s的2個不同檔位下,機器人軀干的振動加速度曲線。

圖19 風(fēng)速為4.5 m/s下機器人軀干的加速度曲線Fig.19 Acceleration curve of robot body at wind speed of 4.5 m/s

圖20 風(fēng)速為5.5 m/s下機器人軀干的加速度曲線Fig.20 Acceleration curve of robot body at wind speed of 5.5 m/s

由圖19、圖20可知在4.5 m/s與5.5 m/s風(fēng)速下,采取加裝動力吸振器抑振策略的機器人,其軀干的振動情況明顯減弱。即在風(fēng)力等級為三級的試驗環(huán)境中,加裝吸振器后的巡檢機器人的工作穩(wěn)定性表現(xiàn)更好。

6 結(jié) 論

(1) 針對可變重心輸電線巡檢機器人在工作時受風(fēng)擾動影響擺振現(xiàn)象導(dǎo)致穩(wěn)定性變差的問題,本文提出一種基于擺式動力吸振器擺振抑制策略,并完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計及樣機制作。采用拉格朗日方程建立了擺式動力吸振器的動力學(xué)模型,完成了吸振器的參數(shù)設(shè)計,通過仿真與試驗驗證了所提出的改進策略的有效性。

(2) 機器人行走對輸電線的撓度影響變化呈現(xiàn)正弦運動,并伴有鋸齒狀振蕩,在風(fēng)速小于10 m/s時,機器人受風(fēng)載荷影響表現(xiàn)為左右擺動;在風(fēng)速大于10 m/s后機器人擺動角度過大,會造成機器人機體的不穩(wěn)定,影響機器人巡檢質(zhì)量。

(3) 仿真環(huán)境中,風(fēng)速為5 m/s,10 m/s與15 m/s時,加裝動力吸振器可分別使主系統(tǒng)的響應(yīng)衰減34.13%,19.94%與13.65%;室內(nèi)試驗環(huán)境中,在工業(yè)風(fēng)扇風(fēng)力等級為三級時,加裝動力吸振后的巡檢機器人擺振波動程度更小。即采用加裝動力吸振器的抑振策略后,巡檢機器人在風(fēng)振響應(yīng)程度方面可表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性。