輸電線路除冰機(jī)器人跨越帶傾角線路障礙物的方法研究

張 屹，丁昌鵬，朱大林，韓 俊，艾福洲

（1. 三峽大學(xué) 機(jī)械與材料學(xué)院，宜昌 443002；2. 宜昌供電公司，宜昌 443000）

0 引言

近年來(lái)，由于輸電線路上的覆冰和積雪帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)損失，國(guó)內(nèi)高校和各科研院所開(kāi)始大規(guī)模對(duì)輸電線路除冰機(jī)器人進(jìn)行研究。山東科技大學(xué)王吉岱團(tuán)隊(duì)主要對(duì)除冰機(jī)器人除冰方式進(jìn)行了研究[1]；湖南大學(xué)孫煒教授團(tuán)隊(duì)將研究重點(diǎn)放在了機(jī)器人傳感器和機(jī)器視覺(jué)以及控制上[2]；武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院吳功平教授團(tuán)隊(duì)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)、自主移動(dòng)導(dǎo)航、電源及其管理系統(tǒng)和機(jī)器人本體的系統(tǒng)集成做了深入探討[3]；華南理工大學(xué)則通過(guò)模型分析和仿真對(duì)巡線機(jī)器人跨越引流跳線的功能進(jìn)行了研究[4]。這些研究都取得了一定的成果，但是關(guān)于機(jī)器人越障功能的研究較少，且僅有的對(duì)機(jī)器人越障功能的研究主要集中在簡(jiǎn)化的直線線路條件下，沒(méi)有考慮實(shí)際線路中存在的傾角問(wèn)題，對(duì)大傾角線路的越障研究和實(shí)驗(yàn)不夠完善，而實(shí)際線路中的傾角問(wèn)題是不可避免的?；诖耍恼轮攸c(diǎn)分析機(jī)器人跨越帶傾角線路障礙物的條件，總結(jié)線路傾角與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，設(shè)計(jì)出了一種能跨越帶傾角線路障礙物的新機(jī)器人結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，豐富機(jī)器人越障領(lǐng)域的研究成果。

1 除冰機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

除冰機(jī)器人是機(jī)電一體化系統(tǒng)，包括機(jī)器人機(jī)構(gòu)、通信、控制、傳感器和電源等，機(jī)械結(jié)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。除冰機(jī)器人在輸電線路上除冰，基本前提是機(jī)器人能在線路上平穩(wěn)行進(jìn)，輸電線路上有防震錘、線夾、絕緣子等障礙物，機(jī)器人除能沿導(dǎo)線行走之外，關(guān)鍵是遇到障礙物能安全平穩(wěn)越過(guò)。本課題組設(shè)計(jì)的機(jī)器人由除冰機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)、手臂機(jī)構(gòu)、錯(cuò)動(dòng)箱及控制箱組成，其中行走機(jī)構(gòu)采用前后兩行走輪的雙行走輪結(jié)構(gòu)；手臂機(jī)構(gòu)包括具有伸縮、旋轉(zhuǎn)功能的前、后手臂和具有夾線夾的中間手臂，前、后臂分別位于導(dǎo)線左、右兩側(cè)，中間臂位于導(dǎo)線正下方。如圖1所示。

圖1 除冰機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

為滿足越障除冰需要，機(jī)器人上裝有10套直流無(wú)刷電機(jī)的伺服系統(tǒng)，在前后兩個(gè)手臂上裝有控制行走輪滾動(dòng)和夾線夾的夾緊松開(kāi)的成對(duì)伺服系統(tǒng)，前臂上裝有控制除冰機(jī)構(gòu)工作的伺服系統(tǒng)，錯(cuò)動(dòng)箱上裝有控制中間手臂水平移動(dòng)和左右錯(cuò)動(dòng)箱錯(cuò)動(dòng)的伺服系統(tǒng)，左、右錯(cuò)動(dòng)箱里面分別安裝有控制前、后手臂的升降及旋轉(zhuǎn)的伺服系統(tǒng)，即一個(gè)伺服系統(tǒng)控制一個(gè)手臂的升降和旋轉(zhuǎn)兩個(gè)動(dòng)作，中間臂上裝有控制夾線夾夾緊松開(kāi)的伺服系統(tǒng)。左右錯(cuò)動(dòng)箱里還各裝有一個(gè)電磁鐵，對(duì)手臂進(jìn)行定位，機(jī)器人本體上還裝有接近開(kāi)關(guān)、行程開(kāi)關(guān)等傳感器。

2 除冰機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本課題組設(shè)計(jì)的除冰機(jī)器人主要采用人機(jī)結(jié)合、局部智能的控制方式，主要包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、機(jī)器人本體控制系統(tǒng)和執(zhí)行層，整個(gè)控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 除冰機(jī)器人電控系統(tǒng)

無(wú)線收發(fā)模塊采用APC220模塊，APC220模塊是高度集成的半雙工微功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，其嵌入高速單片機(jī)和高性能射頻芯片，采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾正24 bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤。系統(tǒng)選用AVR系列的Mega128作為主控芯片，該芯片內(nèi)部含有豐富的硬件資源，能夠十分方便地與無(wú)線收發(fā)模塊APC220進(jìn)行通信。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用Freescale公司的MC3386，該驅(qū)動(dòng)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)。

在遠(yuǎn)程控制方式下，其接收遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)下發(fā)的控制命令，將其解釋為各個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)序列，并依次發(fā)送給執(zhí)行層進(jìn)行執(zhí)行; 在自主越障時(shí)，其根據(jù)知識(shí)庫(kù)和傳感器檢測(cè)信息，自主進(jìn)行機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃，生成電機(jī)動(dòng)作。

3 越障方法研究

3.1 越障原理

除冰機(jī)器人在輸電線路上除冰，基本前提是機(jī)器人能在線路上平穩(wěn)行進(jìn)，輸電線路上有防震錘、線夾、絕緣子等障礙物，機(jī)器人除能沿導(dǎo)線行走之外，關(guān)鍵是遇到障礙物能平穩(wěn)可靠地越過(guò)。圖3為機(jī)器人前臂翻越帶傾角線路上絕緣子示意圖。

圖3 除冰機(jī)器人前臂跨越絕緣子示意圖

當(dāng)機(jī)器人前臂遇到障礙物時(shí)，通過(guò)遇障傳感器發(fā)出停止信號(hào)使機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人開(kāi)始自動(dòng)越障。前臂和后臂同時(shí)收縮，中間臂夾線夾上中裝有前、后兩個(gè)分別控制前臂和后臂的傳感器，前傳感器接近導(dǎo)線時(shí)，前臂停止收縮，后傳感器接近導(dǎo)線時(shí)，后臂停止收縮，中間手臂夾線夾夾緊導(dǎo)線，后臂上的夾線夾夾緊導(dǎo)線；通過(guò)前臂升降旋轉(zhuǎn)電機(jī)使前臂上升到最高，前臂電磁鐵插銷(xiāo)收進(jìn)，前臂升降旋轉(zhuǎn)電機(jī)降速并使前臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，前臂電磁鐵插銷(xiāo)彈出，前臂位置固定；前臂向前移動(dòng)，越過(guò)障礙物后，前臂電磁鐵插銷(xiāo)收進(jìn)，前臂升降旋轉(zhuǎn)電機(jī)降速并使前臂順時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°，前臂電磁鐵插銷(xiāo)彈出，前臂位置固定；此時(shí)由于機(jī)器人自身重力作用，中間臂夾緊夾上的前傳感器脫離導(dǎo)線，前臂下降到導(dǎo)線，直到中間臂夾線夾上的前傳感器接近導(dǎo)線停止下降；中間臂夾線夾和后臂夾線夾松開(kāi)導(dǎo)線，前臂和后臂同時(shí)伸長(zhǎng)到最高點(diǎn)；機(jī)器人向前行走，直到后臂遇到障礙物，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。后臂采用與前臂相同的越障原理越過(guò)障礙物。

3.2 線路傾角與機(jī)器人主要機(jī)構(gòu)尺寸關(guān)系

架空線路是由多跨導(dǎo)線與多座桿塔、基礎(chǔ)以及附屬連接件組成的連續(xù)、耦合的空間體系結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的輸電線路中，線路走廊穿越的地理環(huán)境更加復(fù)雜，如經(jīng)過(guò)大面積的水庫(kù)、湖泊和崇山峻嶺，輸電桿塔間存在著較大間距，基礎(chǔ)所處地勢(shì)高低不一，而且輸電線采用的是柔性相對(duì)較大的金屬材料鋁，兩相鄰桿塔間輸電線呈現(xiàn)的是弧線形，而不是繃緊的直線形?？拷€夾兩側(cè)的短距離的輸電線與水平面之間存在著一定的角度，這個(gè)角度即為實(shí)際輸電線路中存在的傾角，此角度會(huì)因基礎(chǔ)地勢(shì)、桿塔間距、輸電線型號(hào)及其它相關(guān)因素的不同而有差異，傾角會(huì)給機(jī)器人越障帶來(lái)困難。在工程實(shí)際中，一般懸垂角為5°～12°；當(dāng)線路通過(guò)山區(qū)高差較大時(shí)，懸垂角可達(dá)20°～ 25°，超過(guò)25°的懸垂角極少見(jiàn)[5]。

線路傾角及障礙物位置約束機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)尺寸，本課題組以導(dǎo)線傾角及障礙物位置為約束條件設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)器人機(jī)構(gòu)尺寸。將線夾兩側(cè)短距離內(nèi)的導(dǎo)線剛性處理，在分析機(jī)器人越障時(shí)不考慮導(dǎo)線變形影響。除冰機(jī)器人本體材料為鋁合金LY12，在運(yùn)行中機(jī)器人與線路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成為一個(gè)剛性系統(tǒng)，在前臂越障過(guò)程中，由于中間臂夾線夾和后臂夾線夾均已經(jīng)夾緊導(dǎo)線，兩點(diǎn)固定使機(jī)器人縱向軸線與同側(cè)導(dǎo)線平行。此處考慮線路傾角，分析計(jì)算機(jī)器人跨越絕緣子、線夾障礙物時(shí)線路傾角與機(jī)構(gòu)尺寸的關(guān)系。

機(jī)器人跨越防震錘需滿足的條件：

機(jī)器人跨越絕緣子需滿足的條件：

式中：x為除冰機(jī)構(gòu)前端超出前臂側(cè)端距離；x1為錯(cuò)動(dòng)箱相對(duì)錯(cuò)動(dòng)最大距離；x2為越障時(shí)機(jī)器人兩端（除冰機(jī)構(gòu)前端，后行走輪后端）距障礙物的安全距離，取x2=30mm；x3為前臂側(cè)端距前臂行走輪后端距離，x3=120mm；x4為手臂上下箱錯(cuò)動(dòng)最大距離；x5為越防震錘時(shí)中間臂夾線夾中心距防震錘的安全距離，x5=30mm；L為機(jī)器人前后臂側(cè)端相隔距離；L1為懸垂線夾長(zhǎng)；L2為絕緣子盤(pán)徑；L3為防震錘中心寬度；H1為導(dǎo)線中心到絕緣子底部的距離；H2為防震錘下部中心到導(dǎo)線中心距離；H3為前后臂伸至最長(zhǎng)時(shí)，中間臂夾緊夾中心到導(dǎo)線中心的距離，H3=130mm；H4為中間臂夾線夾高度；d為前臂越過(guò)絕緣子時(shí)，前行走輪與絕緣子之間的安全距離，d=30mm；D為防震錘最大直徑；D2為行走輪直徑；S為防震錘中心到懸垂線夾中心距離；

為導(dǎo)線中心軸線方向與水平方向的夾角。

實(shí)際輸電線路的傾角必然存在，在相對(duì)平緩的線路時(shí)，手臂伸長(zhǎng)量x4小，此時(shí)行走箱錯(cuò)動(dòng)距離主要取決于障礙物的結(jié)構(gòu)尺寸；隨著傾角增大，x4增量明顯；以障礙物兩邊對(duì)稱傾角分析，線路傾角理論上須小于25°，則機(jī)器人越障能力完全滿足實(shí)際線路工況。

4 除冰機(jī)器人越障仿真與實(shí)驗(yàn)

本課題組在制造物理樣機(jī)前，運(yùn)用現(xiàn)代的虛擬設(shè)計(jì)方法以驗(yàn)證越障方案的可行性并評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)尺寸。以上節(jié)的分析計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，以機(jī)器人跨越110KV帶傾角為20°輸電線路為例，此時(shí)機(jī)器人前后臂間距L=750mm，錯(cuò)動(dòng)箱相對(duì)錯(cuò)動(dòng)最大距離x1=740mm，手臂上下箱錯(cuò)動(dòng)最大距離x4=320mm。按越障原理規(guī)劃的機(jī)器人越障動(dòng)作，忽略本體的局部結(jié)構(gòu)，在Pro/E環(huán)境下建立機(jī)器人的三維模型以及帶傾角線路環(huán)境，進(jìn)行仿真分析。其過(guò)程如圖4所示。

圖4 機(jī)器人跨越帶傾角線路障礙物仿真

圖4列出了機(jī)器人前臂跨越單邊20°傾角線路中絕緣子和線夾的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。后臂越障具體步驟與前臂一致。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化的機(jī)器人結(jié)構(gòu)和越障方案切實(shí)可行，機(jī)器人手臂攜帶除冰裝置能順利的完成帶傾角線路的越障功能。

在實(shí)驗(yàn)室搭建帶傾角的輸電線路模擬環(huán)境進(jìn)行樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，如圖5所示。通過(guò)模擬線路的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人能很好的滿足設(shè)計(jì)功能要求，能跨越帶傾角線路絕緣子串和線夾，越障動(dòng)作順利可靠。

圖5 除冰機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)室越障實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析輸電線路實(shí)際工況，得出了機(jī)器人機(jī)構(gòu)尺寸與實(shí)際線路傾角的關(guān)系，使得機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析更精確；設(shè)計(jì)出能跨越實(shí)際傾角線路障礙物、具有高機(jī)動(dòng)性能的除冰機(jī)器人，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)便；通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人結(jié)構(gòu)正確性，能跨越帶傾角線路障礙物，機(jī)器人適應(yīng)性好，實(shí)用性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了除冰機(jī)器人從實(shí)驗(yàn)分析到實(shí)際應(yīng)用的轉(zhuǎn)變。

[1] 王吉岱,王珊,雷云云,等.一種新型輸電線路除冰機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2011,5(5):62-64.

[2] 王聰,孫煒.高壓輸電線路除冰機(jī)器人抓線運(yùn)動(dòng)控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2011,47(9):8-15.

[3] 徐顯金,李維峰,吳功平,等.沿架空地線行駛的自主巡檢機(jī)器人及應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2010,12(6).752-761.

[4] 余曉鑫,田聯(lián)房,王孝洪,等.基于SolidWorks的巡線機(jī)器人機(jī)械本體設(shè)計(jì)及越障運(yùn)動(dòng)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010,8(8):180-182.

[5] 懂吉諤.電力金具手冊(cè).2版[M].北京:中國(guó)電力出版社,2001.

[6] 張屹,邵威,朱大林,等.架空輸電線路除冰機(jī)器人的樣機(jī)研制及動(dòng)力學(xué)仿真[J].水電能源科學(xué),2011,29(3):16 2-165.