模塊化輪指式高壓線巡檢機器人

葉長龍，閆法兵，姜春英，于蘇洋(沈陽航空航天大學(xué) 機電工程學(xué)院，沈陽 110136)

隨著社會的發(fā)展，電力系統(tǒng)已成為人們生活必不可少的一部分，因此電力線路可以說是人們生活保障的“生命線”。而架設(shè)在戶外的高壓架空線路，卻因長期處在復(fù)雜環(huán)境中，易老化破損，散股，金具松脫等問題，所以需要定期巡檢。由于人工巡檢效率低,危險程度高，直升機巡檢的費用高，所以各研究機構(gòu)專家學(xué)者對高壓線輸電線路的巡檢進行了深入研究。加拿大、美國、日本等國家早期就開展了相關(guān)研究，但此時的機器人巡檢作業(yè)需要人工參與，且僅能完成兩線塔之間的巡檢或除冰工作[1-4]。2008年,伊朗seaman大學(xué)研制了機器人MOBOLAB[5]，它通過3個帶有滾輪的夾爪在導(dǎo)線上移動，越障時通過夾爪的升降、移動以避開障礙物。缺點是整體尺寸較大，適應(yīng)性低。2014年，伊朗的伊斯法罕電氣公司研制出用于高壓線檢測的機器人[6]，該機器人主要通過調(diào)整垂直橡膠輥子和水平橡膠棍子的位置進行越障。由于框架式結(jié)構(gòu)的限制，該機器人僅能越過防震錘等下懸式障礙物。2015年，巴西聯(lián)邦大學(xué)研制出高壓線移動巡檢機器人的樣機[7]，它由4個曲柄滑塊機構(gòu)組成的兩對相同的腿構(gòu)成，該機器人僅用一個驅(qū)動電機使腿式機構(gòu)移動，但是該機器人對線纜適應(yīng)性較差。國內(nèi)的研究起步于武漢大學(xué)、中國科學(xué)院自動化所等機構(gòu)，后期經(jīng)過與電力部門合作，使得巡檢機器人的研究快速發(fā)展。例如，2007年，上海大學(xué)研制出高壓導(dǎo)線巡檢機器人[8-9]，該機器人運用了知識庫和傳感器在線監(jiān)測以實現(xiàn)自主越障。2012年，沈陽自動化研究所提出了一種四輪雙臂移動機器人，闡述了4種越障方式[10-11]。2013年，房立金等[12]提出了一種帶柔鎖的雙臂式巡檢機器人，驗證了柔鎖在越障過程中可以降低手臂關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩。2015年，葉長龍，高露等[13]開發(fā)了具有相對運動的三臂高壓線巡檢機器人。通過驅(qū)動前后手臂與中間手臂的相對垂直運動及相對轉(zhuǎn)動，進行越障作業(yè)。同時，手臂的相對運動，使機器人適應(yīng)了高壓線的曲率變化。2016年，王吉岱等[14]提出了仿靈長動物運動原理與現(xiàn)代設(shè)計方法相結(jié)合的新型巡檢機器人，該機器人可越過非直線段障礙物。2017年，王婷，吳功平等[15]提出了穿越式巡線機器人，并設(shè)計出自動上下線裝置。2017年，胡亞南，馬書根等[16]提出了一種與模塊呈線性復(fù)雜度的高新重構(gòu)規(guī)劃方法，用于移動型模塊化機器人設(shè)計。

綜合以上討論與分析，巡檢機器人多采用臂式越障機構(gòu)，其越障效率低，環(huán)境適應(yīng)能力較差。結(jié)合高壓線環(huán)境，本文采用仿生原理與傳統(tǒng)機構(gòu)相結(jié)合，提出新型越障機構(gòu)，設(shè)計出巡檢機器人。對越障步驟和線纜曲率適應(yīng)性進行了分析，并介紹了控制系統(tǒng)。最后針對線纜曲率適應(yīng)性做了實驗，結(jié)果驗證了越障機構(gòu)與巡檢機器人的可行性。

1 機器人機構(gòu)

1.1 輪指移動模塊

通過觀察浣熊倒掛攀爬樹枝的動作，仿生出四肢攀爬原理，并形成一個模塊。將模塊進行串聯(lián)組合形成一個整體巡檢機器人，從而實現(xiàn)一檔內(nèi)高壓線上的快速移動與越障。攀爬簡圖如圖1所示。

圖1 機構(gòu)運動原理

將攀爬仿生原理與傳統(tǒng)輪式相結(jié)合提出輪指移動機構(gòu)。其中指形結(jié)構(gòu)是從浣熊倒掛樹枝時的攀爬動作獲得的啟發(fā)，提出的抓取式越障的機構(gòu)。為提高機器人整體在線纜上的移動速度，增加驅(qū)動力，在抓取指上設(shè)計了聚氨酯滾輪，形成輪指移動機構(gòu)。如圖2所示。

輪指移動模塊具有行走及越障功能，需要兩個驅(qū)動機構(gòu)：一是越障開合驅(qū)動機構(gòu)，另一個是輪式行走驅(qū)動機構(gòu)。越障開合機構(gòu)是由對稱四桿機構(gòu)演變得到，包括輪指、連桿1、連桿2、絲杠副和越障開合驅(qū)動電機。越障開合驅(qū)動機構(gòu)通過絲杠副帶動連桿使輪指繞定軸旋轉(zhuǎn)，執(zhí)行打開和關(guān)閉，該機構(gòu)在開合過程中可自動調(diào)整機構(gòu)抓取的高度，以實現(xiàn)上下位置的調(diào)整和適應(yīng)線纜曲率的變化。行走驅(qū)動系統(tǒng)是由行走驅(qū)動電機、帶傳動和齒輪傳動組合而成。行走驅(qū)動機構(gòu)通過帶傳動和齒輪傳動驅(qū)動機器人在線纜上的前后移動。由于輪指移動模塊中的輪指移動機構(gòu)和開合驅(qū)動機構(gòu)外形像手指，且手指末端可以轉(zhuǎn)動，因此稱為輪指機構(gòu)，如圖3所示。輪指機構(gòu)包含一個曲柄滑塊機構(gòu)和滾動手指。

圖2 輪指移動模塊三維模型及機構(gòu)簡圖

圖3 輪指機構(gòu)

1.2 模塊化組合機構(gòu)

輪指移動的模塊化設(shè)計使安裝組合更簡單，通過3個模塊的組合，可組成一個具有越障能力的巡檢機器人。模塊化組合的巡檢機器人機構(gòu)簡圖，如圖4所示。3個模塊組合后，將輪指的滾輪驅(qū)動通過串聯(lián)方式聯(lián)結(jié)后，采用一個驅(qū)動電機驅(qū)動，使行走速度一致。模塊化組合的巡檢機器人整體機構(gòu)如圖5所示。

圖4 巡檢機器人機構(gòu)簡圖

圖5 巡檢機器人整體結(jié)構(gòu)

該巡檢機器人在一檔內(nèi)的高壓線路上可以快速越過常見的障礙物，如懸垂絕緣子串、懸垂線夾、防震錘等。圖6所示為巡檢機器人巡檢作業(yè)路徑示意圖。該巡檢機器人作為初代研究成果，目前解決在一檔內(nèi)的越障問題，圖7為機器人功能樣機，其具體參數(shù)見表1所示。

圖6 巡檢作業(yè)路徑示意圖

圖7 巡檢機器人樣機

表1 機器人樣機的結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)

2 線纜曲率適應(yīng)性分析

2.1 巡檢機器人的越障過程

巡檢機器人通過3個指形機構(gòu)的依次順序打開與閉合，可以順利完成越障動作。以跨越絕緣子串為例，越障過程如圖8所示。以下是巡檢機器人越障過程分析：

(1)第一模塊打開，第二、三模塊調(diào)整位姿，機器人前進，其狀態(tài)如圖8a所示;

(2)第一模塊閉合，第二模塊打開，第一、三模塊調(diào)整位姿，機器人前進，其狀態(tài)如圖8b所示;

(3)第一、二模塊閉合，第三模塊閉合，第一、二模塊調(diào)整位姿，機器人前進，狀態(tài)如圖8c所示;

(4)第一、二、三模塊閉合，機器人順利完成越障。如圖8d所示。

圖8 巡檢機器人越障步驟

巡檢機器人不僅能實現(xiàn)線纜的攀爬和跨越障礙物，而且能適應(yīng)高壓線兩個平面上的線纜形狀的變化；一個是垂直面內(nèi)，線纜自重造成線纜的曲率變化；另一個是水平面內(nèi)，由于金具位置造成線纜轉(zhuǎn)向曲率變化，如圖9所示。

圖9 高壓線兩種曲率形態(tài)

2.2 線纜曲率適應(yīng)性分析

輪指移動模塊的工作空間如圖10a所示的藍(lán)線圍成的區(qū)域，機器人的整體抓線空間為圖10b顯示的范圍。因此，在水平面和垂直面內(nèi)，線纜可以在上半?yún)^(qū)域內(nèi)任意位置。相應(yīng)的輪指機構(gòu)夾持線纜，同時適應(yīng)了線纜。

圖10 越障機構(gòu)的工作空間及機器人工作空間

巡檢機器人遇到障礙物后，調(diào)整各模塊越障機構(gòu)的開合角度，以適應(yīng)線纜曲率變化。輪指移動模塊的兩輪指交錯相鄰布置，且相距距離較近，可近似認(rèn)為兩指桿交叉。取第二模塊兩指桿根部連線的中點為原點O，以O(shè)點直線第一模塊為X軸正方向，以O(shè)點垂直向上為Z軸正方向，建立笛卡爾坐標(biāo)系，如圖11所示。輪指與線纜的交叉點分別為A、B、C。

圖11 巡檢機器人坐標(biāo)系

各模塊的輪指機構(gòu)開合角度分析：

機器人在越障過程中，需要對各模塊的輪指機構(gòu)開合角度進行調(diào)整。由于機器人尺寸相對線纜長度尺寸較小，假設(shè)機器人第一模塊和第三模塊之前的線纜為直線，因此A、B、C三點的斜率應(yīng)與線纜相同。整理后得

2h2=h1+h3

(1)

其中

(2)

式中，h為各輪指機構(gòu)夾持線纜時，線纜距離原點O的距離。

將式(2)代入到式(1)即可導(dǎo)出3個輪指移動模塊開合角度關(guān)系

2L2b-4pd+L2tanα3-2qd=L2a-2md

(3)

式(3)中，

α1，α2，α3為輪指移動模塊輪指開合角度；L2為指桿長度；R為滾輪半徑；r為線纜的半徑。

垂直面內(nèi)曲率適應(yīng)性分析：

巡檢機器人在垂直面內(nèi)進行線纜上越障作業(yè)時，適應(yīng)的最大曲率是兩端的模塊的工作空間處于極限位置時,第一模塊指桿頂端夾持住線纜，第三模塊指桿末端夾持住線纜。設(shè)機器人在垂直面內(nèi)適應(yīng)的最大角度為k1，即

(4)

式(4)中，L3為兩輪指移動模塊之間距離。

水平面內(nèi)曲率適應(yīng)性分析：

巡檢機器人在水平面內(nèi)進行線纜上越障作業(yè)時，適應(yīng)的最大曲率是輪指開合最大限度時輪子內(nèi)側(cè)恰好與線纜相切。尺寸關(guān)系如圖12所示。

圖12 水平面內(nèi)機器人尺寸關(guān)系

設(shè)機器人在水平面內(nèi)適應(yīng)的最大角度為k2，即

(5)

由于機器人結(jié)構(gòu)限制，在大尺度轉(zhuǎn)向和爬坡越障時具有一定困難，但可滿足一類小尺度轉(zhuǎn)向和小角度爬坡越障線路。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)巡檢機器人的功能，機器人的控制系統(tǒng)包括：控制器、驅(qū)動系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。控制器選用Arduino mega2560，其特點是具有大量接口，適用于大量I/0接口的設(shè)計。感知系統(tǒng)包括3個光電開關(guān)、一個陀螺儀和一個攝像頭，每個輪指移動模塊各安裝一個光電開關(guān)，陀螺儀布置在中間輪指移動模塊上。另外4個20W的直流電機組成驅(qū)動系統(tǒng)，系統(tǒng)采用9V鋰電池供電。其控制系統(tǒng)如圖13所示，巡檢機器人作業(yè)過程如圖14所示。根據(jù)所設(shè)計的控制系統(tǒng)，開發(fā)了基于MATLAB平臺的操作系統(tǒng)，其運行界面如圖15所示。

圖13 控制系統(tǒng)圖

4 實驗

為驗證所設(shè)計機構(gòu)的合理性，應(yīng)用輕型鋁合金材料制作了小結(jié)構(gòu)的功能樣機。并搭建了模擬的高壓線環(huán)境，建立了障礙物環(huán)境，如圖16和圖17所示。該環(huán)境中有防震錘、絕緣子串、水平面內(nèi)的曲線形狀和垂直面內(nèi)的曲線形狀。通過實驗，得出該功能樣機能夠越過防震錘、絕緣子串障礙物，能夠適應(yīng)兩個平面內(nèi)的線纜曲率變化。

5 結(jié)論

本文通過仿生原理，提出了輪指式移動模塊結(jié)構(gòu)。并可通過模塊的串聯(lián)，組合成一種新型高壓線巡檢機器人。機器人能較好的適應(yīng)線纜環(huán)境，可在水平面內(nèi)和垂直面內(nèi)適應(yīng)線纜曲率的變化。對該模塊化高壓線巡檢機器人的適應(yīng)能力做了詳細(xì)分析。同時開發(fā)了功能樣機，并模擬實際應(yīng)用環(huán)境做了機器人的初步實驗。實驗表明該機器人能夠跨越防震錘、絕緣子串等障礙物。并能夠適應(yīng)兩個平面內(nèi)高壓線纜曲率的變化，具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力和線上驅(qū)動能力，應(yīng)用前景較好。

圖14 巡檢機器人作業(yè)過程

圖15 巡檢機器人作業(yè)過程

圖16 垂直面內(nèi)跨越障礙并適應(yīng)曲率變化的過程

圖17 水直面內(nèi)跨越障礙并適應(yīng)曲率變化的過程

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