輸電線路懸垂絕緣子清掃機器人行為規(guī)劃

王 林,王洪光,宋屹峰,潘新安,張宏志

(1.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所 機器人學(xué)國家重點實驗室,沈陽110016;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049;3.常熟理工學(xué)院 機械工程學(xué)院,江蘇 常熟215500;4.錦州超高壓局,遼寧 錦州1210001)

0 引 言

采用絕緣子清掃機器人對輸電線路絕緣子帶電清掃能夠有效地降低電力工人的勞動強度,保障電力工人的作業(yè)安全,提高電力系統(tǒng)運修的自動化水平,提升電網(wǎng)的經(jīng)濟利益。輸電線路懸垂絕緣子清掃機器人工作于高空、具有強電磁干擾、半結(jié)構(gòu)化的架空輸電線路懸垂絕緣子串上,依次對每片絕緣子進行清掃作業(yè),且清掃作業(yè)復(fù)雜,因此,機器人必須具有足夠的局部自主能力,能夠進行局部環(huán)境建模、感知環(huán)境信息、進行規(guī)劃決策和執(zhí)行動作。此外,由于工作環(huán)境的不確定性和清掃作業(yè)的復(fù)雜性,機器人必須能夠通過人機交互進行遙操作,以應(yīng)對異常情況。

為了提高絕緣子清掃機器人的局部自主能力,要求機器人能夠規(guī)劃自身的行為。1986年,基于包容結(jié)構(gòu),Brooks[1]研制了Veteran機器人,該結(jié)構(gòu)是最具影響力的基于行為的系統(tǒng)。之后,基于不同的體系結(jié)構(gòu),已研制了多種自主機器人[2-4],同時提出了多種行為協(xié)調(diào)機制[5,6],如基于優(yōu)先級的仲裁、基于狀態(tài)的仲裁[7]、基于表決機制的命令融合等。在電力巡檢機器人領(lǐng)域,目前主要采用基于規(guī)則的專家系統(tǒng)[8-12]和基于離散事件理論[13,14]的行為規(guī)劃方法。文獻[9,10]提出了基于規(guī)則的專家系統(tǒng),并使用C＋＋和CLIPS設(shè)計了推理機,文獻[9]中引入了可信度,用于解決專家系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)問題。任志斌等[11,12]基于分層規(guī)劃的方式,在行為規(guī)劃層采用產(chǎn)生式推理在線生成行為序列,結(jié)合在動作層離線生成的行為解釋知識庫,實現(xiàn)了機器人的自動越障。文獻[13]提出了一種基于有限狀態(tài)機的越障規(guī)劃方法,采用基于模糊推理的產(chǎn)生式系統(tǒng)推理越障模式并產(chǎn)生動作序列。結(jié)合當(dāng)前研究成果來看,電力機器人的規(guī)劃方面目前沒有通用規(guī)劃方法。

絕緣子清掃機器人行為規(guī)劃的目標(biāo)是將絕緣子清掃作業(yè)和機器人的行為進行形式化的描述,以便于完成自動推理,達到機器人自主作業(yè)的目的。本文針對沈陽自動化研究所研制的懸垂絕緣子清掃機器人,在分析機器人清掃作業(yè)流程的基礎(chǔ)上,借鑒層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念,將機器人的行為分為多種基本行為和3種組合行為,并利用有限狀態(tài)機管理組合行為的行為序列。在此基礎(chǔ)上,基于任務(wù)分解的思想,規(guī)劃了機器人的清掃作業(yè)流程,降低了操作人員的工作強度、提高了規(guī)劃效率。針對機器人在運行中可能出現(xiàn)的特殊情況,進行了異常處理機制的設(shè)計。最后,利用仿真和實驗室實驗對提出的行為規(guī)劃方法進行了驗證。

1 機器人系統(tǒng)

1.1 運行環(huán)境

本文所研究的絕緣子清掃機器人適用于500 k V超高壓交流輸電線路懸垂絕緣子串的帶電清掃作業(yè),圖1為懸垂絕緣子串線路環(huán)境和絕緣子的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。線路上絕緣子的瓷質(zhì)雙傘裙盤形絕緣子,型號為XWP2-160。

1.2 機器人系統(tǒng)組成

懸垂絕緣子清掃機器人機構(gòu)共有6個自由度,圖2為機構(gòu)簡圖,其中自由度J1、J2、J5、J6為旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),自由度J3、J4為移動關(guān)節(jié)。懸垂絕緣子清掃機器人機構(gòu)由移動機構(gòu)、清掃機構(gòu)和機架組成。其中移動機構(gòu)具有3個自由度,即J1、J2、J3。清掃機構(gòu)具有3個自由度,即J4、J5、J6。

圖2 懸垂絕緣子清掃機器人機械系統(tǒng)Fig.2 Mechanical system of insulator cleaning robot

在結(jié)構(gòu)上,移動機構(gòu)由具有一組夾緊機構(gòu)的固定平臺、具有一組夾緊機構(gòu)的可移動平臺和移動伸縮機構(gòu)組成,機器人通過兩組夾緊機構(gòu)交替夾緊絕緣子和移動伸縮機構(gòu)的配合運動,完成沿懸垂絕緣子串的移動。清掃機構(gòu)為可移動清掃平臺,主要由移動伸縮機構(gòu)、圓形導(dǎo)軌和清掃刷組成,機器人通過移動伸縮機構(gòu)、圓形導(dǎo)軌和清掃刷的協(xié)調(diào)運動完成對絕緣子表面的清掃。

機器人控制系統(tǒng)由地面基站控制系統(tǒng)和本體控制系統(tǒng)組成,兩者之間通過Zigbee模塊進行數(shù)據(jù)通信,利用微波進行圖像傳輸。機器人以局部自主與遙操作相結(jié)合的方式運行。

1.3 機器人清掃作業(yè)過程

在人工輔助上串并按下啟動按鈕后,絕緣子清掃機器人從絕緣子串靠近鐵塔端向?qū)Ь€端移動,每跨越一個絕緣子,機器人停下對絕緣子片進行清掃,清掃完畢后機器人繼續(xù)運動,直至到達絕緣子串靠近導(dǎo)線端。之后,機器人自動返回至起始位置。圖3為機器人清掃作業(yè)流程示意圖。

圖3 機器人工作流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of workflow of robot

1.4 機器人的關(guān)鍵位姿

為了清晰地描述機器人的作業(yè)流程,采用狀態(tài)向量[15]描述機器人的關(guān)鍵位姿,機器人的作業(yè)可以看作機器人執(zhí)行行為引起的機器人關(guān)鍵位姿的變化過程。表1為機器人狀態(tài)向量的定義。

采用上述表示方法,機器人共有96種可能的狀態(tài)。由于機器人采用蠕動式機理沿懸垂絕緣子串移動,且機器人的清掃作業(yè)具有特定的流程,因此,許多姿態(tài)在機器人工作時是不允許出現(xiàn)的。據(jù)此,對機器人的姿態(tài)進行分析,可以篩選出有效的姿態(tài),如表2所示。

表1 機器人狀態(tài)向量Table 1 State vector of robot

表2 機器人有效狀態(tài)列表Table 2 List of valid state of robot

2 機器人清掃作業(yè)行為規(guī)劃

從機器人的運動機理、線路環(huán)境特點和工作流程來看,機器人需要重復(fù)性地完成沿絕緣子串移動和清掃絕緣子動作。而且,沿絕緣子串移動、清掃絕緣子序列步驟較多且存在嚴(yán)格的執(zhí)行順序。因此,借鑒層次結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路,在深入分析機器人清掃作業(yè)行為的基礎(chǔ)上,將機器人的行為分為基本行為和組合行為,并對基本行為和組合行為進行設(shè)計。

2.1 基本行為

絕緣子清掃機器人的基本行為BB(Basis behavior)定義為直接與驅(qū)動機構(gòu)和傳感器相連,具有特定功能的模塊。在絕緣子清掃機器人的行為規(guī)劃中,基本行為是機器人的基本動作,主要用于機器人重要位姿之間的遷移。機器人的基本行為可以采用端口自動機[16]形式化地表達為:

一個基本行為的表達具有5個參數(shù),其中行為名是必選參數(shù);()為可選參數(shù);IPList和OPList是用〈Port Name〉:〈Port Type〉定義的輸入端口列表和輸出端口列表;Para List是用〈Para Name〉:〈Para Type〉定義的參數(shù)列表;Body為行為描述。

表3為絕緣子清掃機器人的基本行為,機器人主要具有9種基本行為。部分基本行為具有參數(shù),如圖4所示的如用于控制固定平臺夾緊機構(gòu)夾緊絕緣子的BB_UG_Clamp行為。機器人利用電流傳感器檢測電機的電流Ir作為輸入端口參數(shù),進行電流伺服,內(nèi)部參數(shù)為伺服電流I,當(dāng)電機電流達到I且保持一段時間時,認(rèn)為夾緊機構(gòu)已夾緊絕緣子。此外,該行為具有超時參數(shù)timeout,如果該行為的執(zhí)行時間超過timeout,表示系統(tǒng)可能出現(xiàn)異常情況(如傳感器故障、機構(gòu)異常),需要人工干預(yù)。

表3 基本行為列表Table 3 List of basis behavior

圖4 基本行為BB_UG_Clamp示意圖Fig.4 Sketch diagram of BB_UG_Clamp

2.2 組合行為

機器人的組合行為[17](Combinational behavior)是由若干個基本行為和一個行為推理器組成的,能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的行為。行為推理器根據(jù)機器人的傳感器信息和機器人的所處的狀態(tài),確定基本行為的激活和執(zhí)行。在絕緣子清掃機器人行為規(guī)劃中,行為推理器用于協(xié)調(diào)各個基本行為的執(zhí)行順序。組合行為可以利用集合進行定義:

式中:BB i(i＝1,2,…,n)表示基本行為;M表示行為推理器。

分析絕緣子清掃機器人的清掃作業(yè)任務(wù)可知,絕緣子清掃機器人具有3種組合行為,即沿絕緣子串向下移動一個絕緣子距離的行為CB1、清掃絕緣子的行為CB2和沿絕緣子串向上移動一個絕緣子距離的行為CB3。

絕緣子清掃機器人的組合行為可以采用有限狀態(tài)機[18]表達,該方法可以方便地調(diào)整序列和形象地描述行為設(shè)計的過程,能夠作為組合行為的推理機制。機器人根據(jù)內(nèi)外部傳感器的信息,結(jié)合當(dāng)前的狀態(tài)進行狀態(tài)的遷移。有限狀態(tài)機M可以形式化地表達為:

式中:Q為非空的有限狀態(tài)集合,q i∈Q為某一狀態(tài),q0∈Q為初始狀態(tài);Σ為有窮的輸入事件集合,σi∈Σ為M的某個輸入事件;δ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù),轉(zhuǎn)移函數(shù)的定義為δ:Q×Σ→Q,如δ(q i,σ)＝q j表示在q i狀態(tài)時發(fā)生σ事件,系統(tǒng)狀態(tài)從q i轉(zhuǎn)移到q j;F為M的終止?fàn)顟B(tài)集合,F?Q。

對于CB1組合行為,由機器人的工作原理可知,Q＝{q1,q2,q3,q4,q5,q6},初始狀態(tài)為q1,F＝{q1}。根據(jù)機器人的運動機理和環(huán)境特點,CB1組合行為由6個基本行為組成,基本行為在特定狀態(tài)下執(zhí)行,觸發(fā)事件后,機器人進行狀態(tài)的遷移。圖5為CB1組合行為的有限狀態(tài)機模型。

圖5 CB1組合行為的FSMFig.5 FSM of combination behavior CB1

表4為CB1的事件列表。當(dāng)機器人處于q1狀態(tài)時,若發(fā)生σ1事件,則機器人向q2狀態(tài)遷移。

表4 CB1組合行為事件列表Table 4 List of events of CB1

由于待清掃絕緣子具有兩個瓷裙,機器人清掃絕緣子時需分別清掃兩個瓷裙。對于組合行為CB2,可以使用圖6所示的有限狀態(tài)機表示,其中,Q＝{q1,q7,q8,q9,q10,q11,q12,q13},初始狀態(tài)為q1,F＝{q1}。

表5為CB2的事件列表。機器人根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)和發(fā)生的事件執(zhí)行基本行為并發(fā)生狀態(tài)的遷移。

圖6 CB2組合行為的FSMFig.6 FSM of combination behavior CB2

表5 CB2組合行為事件列表Table 5 List of events of CB2

組合行為CB3與CB1類似,可以用圖7所示的有限狀態(tài)機進行表示。有限狀態(tài)機中的事件列表與表4相同。

圖7 CB3組合行為的FSMFig.7 FSM of combination behavior CB3

2.3 清掃任務(wù)描述與分解

由前文所述的絕緣子清掃機器人的工作流程可知,清掃作業(yè)可以被分為若干個具有特定順序的子任務(wù),由機器人執(zhí)行。采用圖8所示的基于任務(wù)完成的方法對清掃作業(yè)任務(wù)進行分解,清掃任務(wù)可以分解為若干順序執(zhí)行的子任務(wù)task1、…、task k、…、task n來實現(xiàn)。

鑒于機器人的運行機理和清掃作業(yè)特點,這些子任務(wù)分為3種,即向下跨越一片絕緣子、清掃一片絕緣子和向上跨越一片絕緣子。這3種類型的子任務(wù)可以用組合行為來實現(xiàn)。當(dāng)電力工人輸入并確認(rèn)絕緣子串的片數(shù)后,任務(wù)規(guī)劃器自動對清掃任務(wù)進行分解,生成子任務(wù)序列。序列管理器對子任務(wù)進行解釋,并利用組合行為完成任務(wù)。

圖8 清掃任務(wù)分解示意圖Fig.8 Sketch diagram of decomposition of cleaning task

2.4 異常處理機制

由于絕緣子清掃機器人的工作環(huán)境復(fù)雜,運動步驟較多且存在嚴(yán)格的步序,此外,機器人難免會碰到一些特殊情況,如傳輸中斷、傳感器故障等,因此,需要引入異常處理機制,以保證人員安全、線路安全、設(shè)備安全和清掃任務(wù)的正常進行。

盡管本文設(shè)計的絕緣子清掃機器人具有自主運行的能力,為了保證機器人運行的可靠性,在進行清掃作業(yè)時,仍采用半自主的方式進行。機器人可自動運行,在遇到特殊情況(如基本行為執(zhí)行失敗)時,提醒操作人員進行人工干預(yù)。

絕緣子清掃機器人主要考慮了以下幾種異常情況:①機器人本體與地面基站通訊中斷。為了保證機器人運行的安全可靠性,采用地面基站發(fā)送運動指令、指令校核、機器人狀態(tài)的對比校核等措施,保證機器人在通信異常情況下停止運動。若通信異常,機器人停止運動并等待一段時間,若通信仍不恢復(fù),則返回至起始位置。②機器人基本行為執(zhí)行失敗。由于機器人機構(gòu)的故障、傳感器故障或其他原因,機器人的基本行為執(zhí)行可能出現(xiàn)失敗的情況。因此,在基本行為的設(shè)計時,引入了超時參數(shù),確保機器人能夠感知執(zhí)行失敗的情況。當(dāng)該異常發(fā)生后,地面基站提醒操作人員進行人工干預(yù)。人工干預(yù)完畢,機器人恢復(fù)正常狀態(tài)時,機器人可繼續(xù)工作。③電量低。為了防止機器人因電量低導(dǎo)致無法運行的情況發(fā)生,機器人控制系統(tǒng)具有電壓采集和監(jiān)控功能,在電量不足時報警。④避障。機器人在進行清掃作業(yè)時,有可能與絕緣子串發(fā)生干涉,此外,錯誤的運動指令可能導(dǎo)致機器人零件之間的干涉。因此,機器人在執(zhí)行基本行為時,通過環(huán)境建模和運動學(xué)校驗,保證運動指令的正確性?；拘袨榈某瑫r功能能夠保證基本行為執(zhí)行的可靠性。

此外,機器人遇到無法處理的情況時,將機器人的控制權(quán)交給操作人員,進行人工干預(yù)和處理。

3 仿真與實驗

3.1 行為規(guī)劃仿真

根據(jù)實際線路環(huán)境,利用Matlab的Simulink和Stateflow工具箱,建立了機器人行為規(guī)劃模型,進行了機器人行為規(guī)劃的仿真驗證。仿真實驗主要步驟如下:

圖9 機器人行為規(guī)劃仿真模型Fig.9 Simulation model of robot behavior planning

(1)利用Stateflow工具箱建立了機器人行為規(guī)劃的有限狀態(tài)機模型,主要包括3個關(guān)鍵狀態(tài),其中每個關(guān)鍵狀態(tài)具有多個子狀態(tài)。

(2)基于事件驅(qū)動進行清掃作業(yè)行為規(guī)劃的狀態(tài)遷移仿真。由外部事件和內(nèi)部事件驅(qū)動,結(jié)合機器人關(guān)節(jié)的運動特性和環(huán)境特點,自動得到傳感器的觸發(fā)序列,進行狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。

圖9(a)為機器人清掃行為規(guī)劃的有限狀態(tài)機模型,圖9(b)為組合行為CB1的模型。

圖10為運行該模型得到的機器人關(guān)節(jié)運動曲線,其中I為機器人向下移動一個絕緣子的距離時的關(guān)節(jié)速度曲線、角速度曲線,II為機器人清掃絕緣子時的關(guān)節(jié)速度曲線、角速度曲線。仿真實驗驗證了機器人行為規(guī)劃方法的正確性,采用有限狀態(tài)機方法便于對清掃過程進行表達和編程。

圖10 機器人關(guān)節(jié)運動曲線Fig.10 Motion curves of robot joints

3.2 實驗室實驗

在實驗室環(huán)境下進行實驗,驗證絕緣子清掃機器人行為規(guī)劃的有效性。圖11為絕緣子清掃機器人系統(tǒng)原理樣機,機器人系統(tǒng)由機器人本體和地面基站組成。

圖11 絕緣子清掃機器人系統(tǒng)原理樣機Fig.11 Prototype of insulator cleaning robot system

在實驗室線路上,進行了機器人沿絕緣子串的行走實驗。機器人在人工輔助上串后,按照行為規(guī)劃的序列,每經(jīng)過6個基本行為,可沿絕緣子串向下移動一個絕緣子的距離,如圖12所示。依照圖12子圖的順序:①機器人處于初始狀態(tài)q1;②機器人執(zhí)行固定平臺夾緊機構(gòu)松開絕緣子的行為,零位開關(guān)被按下時,遷移至q2狀態(tài);③機器人執(zhí)行移動平臺移動至特定位置的行為,編碼器計數(shù)達到特定值時,遷移至q3狀態(tài);④機器人執(zhí)行固定平臺夾緊機構(gòu)夾緊絕緣子的行為,電機的電流達到設(shè)定值并持續(xù)設(shè)定時間時,遷移至q4狀態(tài);⑤機器人執(zhí)行移動平臺夾緊機構(gòu)松開絕緣子的行為,零位開關(guān)被按下時,遷移至q5狀態(tài);⑥機器人執(zhí)行移動平臺移動至初始位置的行為,編碼器計數(shù)為零時,遷移至q6狀態(tài);⑦機器人執(zhí)行固定平臺夾緊機構(gòu)夾緊絕緣子的行為,電機的電流達到設(shè)定值并持續(xù)設(shè)定時間時,遷移至q1狀態(tài)。至此,機器人相對于絕緣子串向下移動了一個絕緣子結(jié)構(gòu)高度的距離。實驗結(jié)果表明,行為規(guī)劃方法正確有效,能夠應(yīng)用于機器人的清掃作業(yè)任務(wù)。

圖12 機器人沿絕緣子串向下行走實驗Fig.12 Downward movement experiment

4 結(jié)束語

針對懸垂絕緣子清掃機器人清掃作業(yè)半自主控制問題,本文提出了一種基于層次結(jié)構(gòu)的行為規(guī)劃方法,并利用有限狀態(tài)機管理行為序列,提高了絕緣子清掃機器人的局部自主能力。將清掃作業(yè)任務(wù)分解為子任務(wù)序列,并利用組合行為完成子任務(wù),提高了操作的便捷性和靈活性,易于編程。仿真實驗驗證了行為規(guī)劃方法的正確性和有效性,實驗室實驗表明本文提出的行為規(guī)劃方法能夠應(yīng)用于機器人的清掃作業(yè)。

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