雙機(jī)械臂反對(duì)稱結(jié)構(gòu)線路巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)研究

董 旭，鄭忠才，高 巖，姜振廷，肖海勇

DONG Xu1,ZHENG Zhong-cai1,GAO Yan2, JIANG Zhen-ting1, XIAO Hai-yong1

（1.山東建筑大學(xué)，濟(jì)南 250101；2.山東電子職業(yè)技術(shù)學(xué)院，濟(jì)南 250014）

0 引言

輸電線路長(zhǎng)期暴露在外部環(huán)境中會(huì)導(dǎo)致線路老化等缺陷，存在安全隱患，電力公司需定期對(duì)輸電線路進(jìn)行檢查[1]。目前對(duì)電線路的檢查主要有地面目測(cè)法與直升飛機(jī)巡航法，前者勞動(dòng)強(qiáng)度大，可靠性差，精度低，后者費(fèi)用高，技術(shù)難度大[2]。線路巡檢機(jī)器人在輸電線路上行走時(shí)可以近距離檢測(cè)線路情況，可靠性好，實(shí)用方便。國(guó)外線路巡檢機(jī)器人的研究開展較早，并取得了一系列的成果，如日本東京電力公司的光纖復(fù)合架空地線巡檢機(jī)器人，加拿大魁北克水電研究所的LineScout移動(dòng)機(jī)器人等；近年來(lái)國(guó)內(nèi)在線路巡檢方面研究方面也有突破性的進(jìn)展，如武漢大學(xué)研制的沿架空地線自主巡線機(jī)器人能夠自主的跨越桿塔，中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研發(fā)的輪臂復(fù)合機(jī)構(gòu)機(jī)器人已進(jìn)入推廣階段[3]。本文所述線路巡檢機(jī)器人采用雙機(jī)械臂反對(duì)稱結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)器人的機(jī)械本體進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)高壓線路的導(dǎo)線特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出適用于高壓線路的可翻轉(zhuǎn)行走及越障機(jī)構(gòu)，提高機(jī)器人在線路行走時(shí)的穩(wěn)定性，簡(jiǎn)化夾持機(jī)構(gòu)，減輕機(jī)器人本體的重量。

1 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)建模

1.1 機(jī)械總體設(shè)計(jì)

雙機(jī)械臂反對(duì)稱結(jié)構(gòu)線路巡檢機(jī)器人由機(jī)械本體，可伸縮機(jī)械臂，夾持行走機(jī)構(gòu)，配重控制箱組成，如圖1所示。共有10個(gè)自由度，包括2個(gè)行走轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，2個(gè)滾輪翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，2個(gè)手臂伸縮關(guān)節(jié)，2個(gè)手臂（箱體）移動(dòng)關(guān)節(jié)，2個(gè)配重移動(dòng)關(guān)節(jié)。機(jī)器人在線路上行走時(shí)要保證穩(wěn)定性，雙機(jī)械臂反對(duì)稱結(jié)構(gòu)可以限制滾輪在輸電線路的單方向的搖擺，增加了機(jī)器人本體的穩(wěn)定性；在翻越障礙物時(shí)，需雙臂及配重相互協(xié)調(diào)，滾輪的位置固定及夾持可通過(guò)滾輪翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)，機(jī)械臂移動(dòng)越過(guò)障礙物，雙臂輪流跨越達(dá)到越障的要求。機(jī)器人的夾持及行走都是由滾輪翻轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及行走機(jī)構(gòu)完成，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)化的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人結(jié)構(gòu)的輕量化。

圖1 雙機(jī)械臂反對(duì)稱結(jié)構(gòu)線路巡檢機(jī)器人機(jī)械總體設(shè)計(jì)

1.2 機(jī)械本體及配重設(shè)計(jì)

機(jī)械本體為機(jī)械臂及控制箱體提供安裝位置，包括機(jī)械臂的移動(dòng)關(guān)節(jié)，由直線導(dǎo)軌，限位端蓋，絲杠組成，機(jī)械本體結(jié)構(gòu)如圖2所示。兩條直線導(dǎo)軌對(duì)稱分布，通過(guò)限位端蓋固定，絲杠在導(dǎo)向槽內(nèi)，絲桿驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在限位端蓋上，通過(guò)齒輪減速輸出帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的移動(dòng)。配重控制箱安裝在機(jī)械本體的下端，控制箱內(nèi)部裝有控制模塊，電源模塊及其他檢測(cè)設(shè)備，控制箱的兩側(cè)開有導(dǎo)向槽，配重塊在槽內(nèi)移動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)在越障過(guò)程中質(zhì)心的調(diào)節(jié)。

圖2 機(jī)械本體設(shè)計(jì)

1.3 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可伸縮機(jī)械臂為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的連接件，連接行走滾輪與機(jī)械本體，同時(shí)調(diào)節(jié)滾輪的位置，使?jié)L輪與線路接觸，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)如圖3所示。機(jī)械臂的伸縮動(dòng)作靠位于上下臂內(nèi)的絲杠與螺母的螺旋運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，在行走時(shí)，上下臂之間留有一定活動(dòng)量，便于在越障時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。機(jī)械臂的底部與機(jī)械本體的絲杠配合實(shí)現(xiàn)移動(dòng)，頂部設(shè)計(jì)成凹面，便于架空線的放置，在凹面處表面鍍有耐磨材料，目的是增加耐磨度以及凹槽與架空線的摩擦系數(shù)，與滾輪相配合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的夾持、固定與行走；在機(jī)械臂的頂端安裝驅(qū)動(dòng)電機(jī)以實(shí)現(xiàn)滾輪的夾持與翻轉(zhuǎn)。

圖3 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

1.4 夾持行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

翻轉(zhuǎn)式夾持行走機(jī)構(gòu)有行走滾輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、連接桿組成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。滾輪的凹槽面與機(jī)械臂頂端的凹槽面結(jié)構(gòu)相同，鍍有耐磨材料，當(dāng)槽面閉合時(shí)，滾輪與機(jī)械臂頂端完成夾持動(dòng)作，滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在線路上行走，實(shí)現(xiàn)行走的要求。在行走時(shí)，為防止機(jī)器人脫線，使安裝于機(jī)械臂頂端的翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)鎖定，兩臂滾輪分別配有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在行走時(shí)，一端為主動(dòng)驅(qū)動(dòng)，另一端僅為從動(dòng)滾輪，不產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)效果；在越障時(shí)，滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止并鎖定，翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)連接桿帶動(dòng)滾輪的翻轉(zhuǎn)，跨越障礙物。

圖4 夾持行走機(jī)構(gòu)

2 越障原理

機(jī)器人在巡檢過(guò)程中，遇到障礙物要自主進(jìn)行躲避，雙臂通過(guò)協(xié)調(diào)，一只手臂固定于線上，另一只手臂完成脫線越障上線的動(dòng)作，懸掛在架空線上的機(jī)器人由于受到風(fēng)力與自身位姿的作用會(huì)產(chǎn)生重心的偏移，從而影響機(jī)器人的穩(wěn)定性。機(jī)器人在越障的過(guò)程中對(duì)穩(wěn)定性要求很高，因此，通過(guò)對(duì)夾持行走機(jī)構(gòu)及配重機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高整體的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可靠的越障方式。

越障的過(guò)程如圖5所示，當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到間隔棒時(shí)，手臂B關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止驅(qū)動(dòng)，鎖定位置，手臂A的滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止鎖定，翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)連接桿帶動(dòng)滾輪的翻轉(zhuǎn)，完成脫線動(dòng)作，同時(shí)上下臂收縮，機(jī)械本體的絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使手臂A向前移動(dòng)，跨越間隔棒，絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止驅(qū)動(dòng)，上下臂拉伸，當(dāng)手臂A檢測(cè)到導(dǎo)線時(shí)，鎖定位置，翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)連接桿實(shí)現(xiàn)滾輪的夾持，當(dāng)手臂A的越障動(dòng)作完成后，通過(guò)機(jī)械本體的絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整機(jī)器人在輸電線上位置，手臂A關(guān)聯(lián)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，鎖定位置；手臂B按照相同的越障原理進(jìn)行跨越間隔棒，完成跨越后，機(jī)械本體的絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)再次轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整機(jī)器人在輸電線上位置，使其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)，越障過(guò)程完畢，手臂B滾輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行走，手臂A的滾輪從動(dòng)前進(jìn)，絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)與翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)鎖定，機(jī)器人開始在線路上行走。

圖5 越障過(guò)程

3 控制系統(tǒng)

機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，包括信息采集模塊，控制模塊，無(wú)線通訊模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，如圖6所示。信息采集模塊由超聲波傳感器和微型攝像頭模塊組成，超聲波傳感器用于行走時(shí)檢測(cè)障礙物以及在越障時(shí)檢測(cè)輸電線的位置，通過(guò)微型攝像機(jī)反饋線路情況，控制模塊采用TMS320F2812數(shù)字訊號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)的處理，由驅(qū)動(dòng)模塊執(zhí)行末端電機(jī)驅(qū)動(dòng)；地面控制主機(jī)用于技術(shù)人員在地面對(duì)機(jī)器人發(fā)送指令，接收反饋圖像信號(hào)，與機(jī)器人的控制模塊通過(guò)無(wú)線通訊模塊ZigBee設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)雙機(jī)械臂反對(duì)稱結(jié)構(gòu)線路巡檢機(jī)器人各部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出一種新型的夾持行走機(jī)構(gòu)的線路巡檢機(jī)器人，并對(duì)越障過(guò)程進(jìn)行論述，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在線路上的行走及越障的功能，簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，達(dá)到輕量化的目的，對(duì)未來(lái)線路巡檢機(jī)器人的發(fā)展提供可選方案。

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