一種新型輸電線巡檢機器人設(shè)計及仿真

岳經(jīng)緯 陳悅寒 張興國 莫亞梅 貫大興 宋家輝 劉翠萍

摘? 要：針對高壓輸電線路的巡檢作業(yè)，設(shè)計了一種三臂式的可在高壓輸電線上穩(wěn)定運行并有效越障的巡線機器人結(jié)構(gòu)，并完成了巡線機器人的虛擬樣機?；贏DAMS建立巡線機器人的仿真模型，對該機器人越障過程進行運動學(xué)分析，并對壓緊輪與輸電線之間的壓緊力大小進行分析，得到所需的驅(qū)動力矩曲線，為該機器人的性能實現(xiàn)提供有力保證。

關(guān)鍵詞：高壓輸電線? 巡檢機器人? 運動學(xué)分析? 動力學(xué)仿真

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）09（c）-0058-05

Abstract： In view of the inspection work of high-voltage transmission lines， a three arm inspection robot structure is designed， which can run stably on high-voltage transmission lines and effectively cross obstacles， and the virtual prototype of inspection robot is completed. Based on ADAMS， the simulation model of the line patrol robot is established， the kinematics analysis of the robot's obstacle crossing process is carried out， and the pressing force between the pressing wheel and the transmission line is analyzed， the required driving torque curve is obtained， which provides a strong guarantee for the performance realization of the robot.

Key Words： High voltage transmission line; Inspection robot; Kinematic analysis; Dynamic simulation

由于輸電線長期暴露在郊外，經(jīng)常受到持續(xù)的機械張力、惡劣天氣等影響，會產(chǎn)生磨損、腐蝕、斷股等損傷。為了避免嚴重事故的發(fā)生，防止造成大面積的停電及經(jīng)濟損失，電力部門需定期巡視檢查輸電線路，及時發(fā)現(xiàn)和消除一些小故障，確保高壓輸電線路的安全運行。本文針對高壓輸電線巡檢作業(yè)的要求，提出了一種可穩(wěn)定跨越障礙物，進行巡檢作業(yè)的三臂式巡線機器人。建立這款機器人的虛擬樣機和不同坡度的動力學(xué)方程，對巡線機器人越障過程進行仿真分析，驗證該設(shè)計方案的可行性。

1? 巡線機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計

巡線機器人機械結(jié)構(gòu)是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此對巡線機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求為：（a）機器人能在輸電線上穩(wěn)定運行（b）機器人具有一定的爬坡能力（c）機器人可以自主安全地跨越輸電線上的障礙物（d）機器人的自由度盡可能少，操作控制方便（e）在給電源、控制器、探測器等足夠空間和保證機器人整體機械強度的前提下，機器人體積盡可能小，重量盡可能輕。

基于以上要求，本文設(shè)計出的機器人主要由行走機構(gòu)、越障機構(gòu)、壓緊機構(gòu)、中間機構(gòu)、線垂度調(diào)節(jié)機構(gòu)和支撐機構(gòu)等組成，機器人總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

機器人整體對稱分布，總共有3臂，分別為前臂、中臂和后臂。攝像頭安裝在前臂上，主要用來檢測輸電線和觀察輸電線上的障礙物。機器人行走機構(gòu)采用輪式機構(gòu)，電機驅(qū)動行走輪在輸電線上行走，有兩組。越障機構(gòu)采用螺母在雙向絲杠上快速雙向移動原理來實現(xiàn)機械手臂錯開障礙，完成越障動動作。壓緊機構(gòu)主要用在機器人跨越障礙物時，通過壓緊輪與行走輪配合壓緊高壓輸電線，增加行走輪與輸電線之間的摩擦力。實現(xiàn)另一端能驅(qū)動機器人整體向前運動，避免行走輪在線上出現(xiàn)空轉(zhuǎn)、打滑等情況。當輸電線坡度較大時，也需壓緊機構(gòu)壓緊輸電線，增大行走輪與輸電線之間的摩擦力。中間機構(gòu)為輔助機構(gòu)，主要用于機器人越障時，穩(wěn)定機器人重心。線垂度調(diào)節(jié)機構(gòu)是為了解決因線路老化、線垂度太大，機械手臂錯開避障后，無法再次抓取線路的問題，起預(yù)防作用。

2? 基于ADAMS的巡線機器人仿真

針對巡線機器人平直路段越障的典型任務(wù)——跨越懸垂線夾。運用ADAMS仿真軟件對機器人跨越懸垂線夾進行運動學(xué)建模及仿真。首先在SolideWorks中對機構(gòu)、輸電線及金具進行數(shù)字化建模，保存為.X_T格式。然后導(dǎo)入ADAMS中，在ADAMS中固定輸電線和懸垂線夾，對機器人各個關(guān)節(jié)添加運動副，添加輪子與線之間的接觸力，并添加相應(yīng)的驅(qū)動。驅(qū)動函數(shù)采用STEP函數(shù)進行擬合，調(diào)試模型，如圖2所示。

前行走輪的驅(qū)動函數(shù)為STEP（time，0，0，2，25d）+STEP（time，10，0，12，-25d）+STEP（time，28，0，30，25d），由此可以得到前行走論的角速度變化曲線如圖3所示。

2.1 機器人越障過程運動學(xué)分析

對巡線機器人的越障過程進行運動分析，主要是對越障過程中機器人的穩(wěn)定性進行研究。因此，需查看滾輪質(zhì)心的位置變化來評估巡線機器人越障過程中是否平穩(wěn)。前、后行走輪都由兩個半輪組成，分別為前主動輪、前從動輪和后主動輪、后從動輪。下面主要分析前行走輪，圖4為前行走輪質(zhì)心X、Y、Z位移分量與時間曲線。實線代表X軸方向位移分量，粗點畫線代表Y軸方向位移分量，細點畫線代表Z軸方向位移分量?？梢钥闯銮靶凶咻嗁|(zhì)心在X軸方向上逐漸右移，運行平穩(wěn)。

2.2 機器人越障過程動力學(xué)分析

2.2.1 壓緊輪與輸電線之間壓緊力大小分析

越障過程中，需壓緊輪和行走輪配合壓緊輸電線，其中壓緊力不宜過大，也不能太小。下面通過仿真分析巡線機器人在平直路段前臂張開越障時，壓緊力的大小對巡線機器人越障運行的影響。同時也能得出平直路段前臂張開越障時，壓緊力應(yīng)設(shè)定為多少。

（1）當壓緊力F=0時，前主動輪沿輸電線方向位移曲線如圖5所示。

（2）當壓緊力為50N左右時，前主動輪沿輸電線方向位移曲線如圖6所示。

（3）當壓緊力為150N左右時，前主動輪沿輸電線方向位移曲線，后主動輪驅(qū)動力矩曲線，如圖7。

（4）當壓緊力為300N左右時，前主動輪沿輸電線方向位移曲線，后主動輪驅(qū)動力矩曲線，如圖8。

從圖看出巡線機器人在平直路段前臂張開越障時，壓緊輪與輸電線之間的壓緊力為150N最為適宜，在減少電機驅(qū)動力矩的前提下，保證巡線機器人穩(wěn)定前行。

2.2.2 行走輪驅(qū)動力分析

前、后輪在電機的驅(qū)動下，帶動機器人整體前行。圖9為行走輪中主動輪驅(qū)動力矩。0～10s時間內(nèi)，巡線機器人正常運行，從圖9中可以看出，前、后主動輪的驅(qū)動力矩均值約為300N.mm。12～28s時間內(nèi)，前行走輪錯開避障，前主動輪的驅(qū)動力矩為0。在前臂張開越障的瞬間，后行走輪受到的正壓力瞬間變大，前行走輪驅(qū)動力矩消失但與輸電線之間的摩擦力還存在，導(dǎo)致后主動輪的驅(qū)動力矩突變至峰值約為1400N.mm。隨著機器人運行逐漸趨于平穩(wěn)，后主動輪的驅(qū)動力矩也趨于平穩(wěn)約為630N.mm。在前臂閉合的瞬間，前行走輪無驅(qū)動力矩但與輸電線之間產(chǎn)生接觸力，導(dǎo)致后主動輪驅(qū)動力矩又突變至峰值約為1600N.mm。68～84s時間內(nèi)，后行走輪錯開避障與前行走輪錯開避障情況類似。

3? 結(jié)語

本文設(shè)計的機器人采用三臂機構(gòu)，三個機械臂采用兩側(cè)對稱分布結(jié)構(gòu)，可以滿足平穩(wěn)上線的要求。前、后臂上安裝電機驅(qū)動機器人前進與越障，中間臂為輔助臂，起穩(wěn)定重心的作用。利用機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件ADAMS對巡線機器人進行了越障仿真，模擬機器人實際運動狀態(tài)，驗證了機器人機構(gòu)設(shè)計的合理性。

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