一種輸電線路機(jī)器人的設(shè)計(jì)

□ 袁興宇 □ 唐立軍 □ 李浩濤 □ 常 勇 □ 田 勇

1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 昆明 650217 2.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 沈陽 110016 3.中國科學(xué)院機(jī)器人與智能制造創(chuàng)新研究院 沈陽 110169

1 設(shè)計(jì)背景

特高壓架空輸電線路處于野外環(huán)境,因長期風(fēng)吹雨淋、飛石、冰凍、雷擊等原因,經(jīng)常會(huì)發(fā)生斷股、散股等情況,如果未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修復(fù),有可能發(fā)生導(dǎo)線短接放電,導(dǎo)致大面積停電,造成巨大損失。因此,需要對輸電線路進(jìn)行定期巡檢,預(yù)防事故發(fā)生,確保供電安全。

目前,輸電線路巡檢采用的方法主要有人工巡檢和直升機(jī)巡檢[1]。人工巡檢無法準(zhǔn)確判斷架空導(dǎo)線斷股、散股的具體情況,巡檢效率低,勞動(dòng)強(qiáng)度大,危險(xiǎn)性高。直升機(jī)巡檢費(fèi)用高,易受天氣情況的限制及航空管制的影響。對此,相關(guān)機(jī)構(gòu)提出研制輸電線路巡檢機(jī)器人,機(jī)器人沿線行走,并依靠搭載的傳感器與作業(yè)工具完成輸電線路巡檢工作。

國外輸電線路巡檢機(jī)器人的研究起步較早[2],始于20世紀(jì)80年代末,以日本、美國、加拿大為代表。近年來,以巡檢機(jī)器人為代表的電力機(jī)器人進(jìn)入一個(gè)新的研究發(fā)展階段[3],加拿大、日本分別推出了各自的新型巡檢機(jī)器人系統(tǒng)[4-6]。

目前,國內(nèi)關(guān)于輸電線路巡檢機(jī)器人的研究主要集中在高校和研究所,包括武漢大學(xué)[7]、山東大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所[8]、沈陽自動(dòng)化研究所等[9]。筆者設(shè)計(jì)了一種輸電線路機(jī)器人,能夠快速跨越雙掛點(diǎn)懸垂線夾障礙。

2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

輸電線路巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)需要解決的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問題是機(jī)器人移動(dòng)本體。移動(dòng)本體能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人沿輸電線路穩(wěn)定、可靠行走和越障,這是輸電線路巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)作業(yè)功能的前提。其中,越障需要實(shí)現(xiàn)輸電線路中典型雙掛點(diǎn)懸垂線夾障礙的跨越?，F(xiàn)有機(jī)器人跨越雙掛點(diǎn)懸垂線夾的過程較為復(fù)雜,越障時(shí)間長[10],且一般采用兩次越障的形式。第一次越障,質(zhì)心調(diào)整至后臂下方,前臂升起,后臂旋轉(zhuǎn)一定角度使前臂偏離線路;后臂行走輪前進(jìn),前臂開始越障;當(dāng)前臂進(jìn)入兩線夾范圍后,后臂旋回,前臂再回落上線。第二次越障,質(zhì)心調(diào)整至前臂側(cè),后臂升起;前臂旋轉(zhuǎn)約180°,后臂越障;后臂旋轉(zhuǎn)180°,使行走輪轉(zhuǎn)向線路并回落上線。整個(gè)越障過程速度慢,動(dòng)作復(fù)雜,效率低。機(jī)器人跨越雙掛點(diǎn)懸垂線夾障礙如圖1所示。

▲圖1 機(jī)器人跨越雙掛點(diǎn)懸垂線夾障礙

筆者設(shè)計(jì)一種輸電線路機(jī)器人,可一次性跨越雙掛點(diǎn)懸垂線夾,能夠有效降低越障復(fù)雜性,縮短越障時(shí)間,提高機(jī)器人巡檢作業(yè)效率。筆者通過對越障機(jī)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)型分析,完成設(shè)計(jì)方案,并對越障進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃,通過機(jī)構(gòu)力學(xué)分析及ADAMS軟件仿真計(jì)算對機(jī)器人設(shè)計(jì)的正確性與可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

3 構(gòu)型分析

現(xiàn)有輸電線路巡檢機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)在過桿塔跨越雙掛點(diǎn)懸垂線夾時(shí),存在諸多不足。要實(shí)現(xiàn)一次性越障,前臂需一次跨越兩個(gè)線夾,這對導(dǎo)軌長度提出要求。某原有輸電線路巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示,整機(jī)如圖3所示,計(jì)算所需導(dǎo)軌長度。筆者只考慮構(gòu)件集中質(zhì)量,設(shè)前臂、后臂的質(zhì)量為ma,導(dǎo)軌單位長度質(zhì)量為mu,電控箱質(zhì)量為mc,電控箱長度為D,懸垂線夾沿線的寬度為E,雙掛點(diǎn)間的距離為L,當(dāng)僅后臂掛線支撐,前臂離開輸電線路,機(jī)器人平衡時(shí),電控箱質(zhì)心距后臂距離為b。

▲圖2 某原有輸電線路巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖▲圖3 某原有輸電線路巡檢機(jī)器人整機(jī)

考慮一次性越障,前后臂間距c為L+E,導(dǎo)軌總長l為c+b+D/2。當(dāng)機(jī)器人以后臂作為掛線支撐點(diǎn)越障時(shí),由越障靜力平衡條件可得:

mcb=mac+mul(c-l/2)

(1)

取ma為7 kg,mu為5 kg/m,mc為15 kg,L為0.45 m,E為0.25 m,D為0.47 m[11],代入式(1),可得b為0.35 m,進(jìn)一步得到導(dǎo)軌的總長度l為1.285 m。

可見,若采用該原有機(jī)器人一次性跨越雙掛點(diǎn)懸垂線夾,所需的導(dǎo)軌長度為1.285 m,與機(jī)器人兩次跨越所需導(dǎo)軌長度1 m相比,明顯增大,本體質(zhì)量也會(huì)增大[12-13]。因此,需要對機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,以減小導(dǎo)軌的長度,縮小機(jī)器人的整體尺寸,減小質(zhì)量。

4 設(shè)計(jì)方案

為實(shí)現(xiàn)一次性越障,同時(shí)減小導(dǎo)軌長度,筆者設(shè)計(jì)了一種輸電線路機(jī)器人,機(jī)構(gòu)簡圖如圖4所示,模型如圖5所示。機(jī)器人包括前臂、后臂、導(dǎo)軌、電源控制箱等。前臂和后臂的結(jié)構(gòu)相同,包括行走輪、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和平行四邊形機(jī)構(gòu)。行走輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿線行走。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)本體相對前臂或后臂的旋轉(zhuǎn),當(dāng)單臂掛線并旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)時(shí),移動(dòng)本體能夠相對線路旋出,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)另一臂的越障。平行四邊形機(jī)構(gòu)是機(jī)器人移動(dòng)的關(guān)鍵,由連接在機(jī)架和連架桿鉸鏈點(diǎn)間的直線電缸驅(qū)動(dòng)。

▲圖4 輸電線路機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖▲圖5 輸電線路機(jī)器人模型

平行四邊形機(jī)構(gòu)的變形能夠?qū)崿F(xiàn)前臂或后臂的伸長與縮短,當(dāng)掛線單臂的平行四邊形機(jī)構(gòu)由矩形變?yōu)槠叫兴倪呅螘r(shí),機(jī)器人移動(dòng)本體和另一臂被抬起,用于越障。輸電線路機(jī)器人越障示意圖如圖6所示。平行四邊形變形,產(chǎn)生偏置距離S。前臂越障時(shí),電控箱質(zhì)心至后臂距離b′較圖2中b小,因此導(dǎo)軌總長度也相應(yīng)減小。

▲圖6 輸電線路機(jī)器人越障示意圖

平行四邊形機(jī)構(gòu)構(gòu)型如圖7所示。為減小機(jī)器人移動(dòng)本體質(zhì)量,對前臂、后臂的平行四邊形機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),目標(biāo)為前臂、后臂質(zhì)量最小,即l1+l2最小,l1、l2分別為平行四邊形機(jī)構(gòu)中機(jī)架和連架桿的長度。設(shè)置輸電線路空間環(huán)境約束及前臂、后臂尺寸優(yōu)化的邊界條件。lm為平行四邊形機(jī)構(gòu)對角線的長度,以電缸長度為最小值0.16 m。θ為平行四邊形機(jī)構(gòu)連架桿與機(jī)架的夾角,小于90°。l1大于0.2 m。x1為平行四邊形機(jī)構(gòu)水平方向位移,即由矩形變?yōu)槠叫兴倪呅魏蟮钠镁嚯xS。y1為平行四邊形機(jī)構(gòu)豎直方向位移,需大于行走輪高度(0.13 m)。

▲圖7 平行四邊形機(jī)構(gòu)構(gòu)型

l1、l2需要滿足:

(2)

優(yōu)化后,l1為0.205 m,l2為0.305 m,θ為0.57 rad,y1為0.146 m,x1為0.263 m,lm為0.176 m。

力矩平衡方程為:

mc(b′+S)+makS

=ma(c-kS)+mul′(c-S-l′/2)

(3)

其中:l′為優(yōu)化后導(dǎo)軌長度;k為平行四邊形機(jī)構(gòu)變形后單臂質(zhì)心偏離吊點(diǎn)距離占S的比例。

考慮平行四邊形機(jī)構(gòu)在單臂中的位置,設(shè)k為0.8,S與x1相等,為0.263 m。

由式(3)得到優(yōu)化后導(dǎo)軌長度為1.112 m,相比原有構(gòu)型,導(dǎo)軌長度減小了近13%,符合設(shè)計(jì)要求。

5 越障規(guī)劃

輸電線路機(jī)器人越障規(guī)劃過程如圖8所示。機(jī)器人前臂到達(dá)懸垂線夾后,調(diào)整質(zhì)心。這一過程中,電控箱沿著導(dǎo)軌移動(dòng),直至機(jī)器人質(zhì)心移至后臂行走輪下方,后臂直線電缸縮短,平行四邊形機(jī)構(gòu)收縮,使前臂行走輪抬起,脫離輸電線路。后臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn),使機(jī)器人本體和前臂旋出輸電線路避障。后臂行走輪在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn),使機(jī)器人沿輸電線路前進(jìn),直至后臂行走輪遇到懸垂線夾,停止運(yùn)動(dòng)。后臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)復(fù)位,機(jī)器人本體前進(jìn)方向恢復(fù)為與輸電線路方向一致,前臂平行四邊形機(jī)構(gòu)直線電缸縮短,使行走輪回落到線路上,完成前臂越障。之后調(diào)整機(jī)器人質(zhì)心至前臂下方,后臂平行四邊形機(jī)構(gòu)直線電缸伸長,平行四邊形機(jī)構(gòu)恢復(fù)為矩形,使后臂行走輪升起。前臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn),使機(jī)器人本體及后臂偏離輸電線路。前臂行走輪行走,使整個(gè)機(jī)器人越過兩個(gè)線夾。前臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)反向復(fù)位,后臂行走輪旋入輸電線路上方。前臂平行四邊形機(jī)構(gòu)復(fù)位,使后臂行走輪落線,調(diào)整機(jī)器人質(zhì)心,完成整個(gè)越障過程。

▲圖8 輸電線路機(jī)器人越障規(guī)劃過程

6 力學(xué)分析

輸電線路機(jī)器人后臂受力分析如圖9所示。機(jī)器人越障時(shí),機(jī)器人整體質(zhì)心已調(diào)整至后臂下方平衡位置,后臂平行四邊形機(jī)構(gòu)在直線電缸收縮時(shí)變形,機(jī)器人本體相對升高,前臂行走輪也隨動(dòng)升起。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),直線電缸在平行四邊形機(jī)構(gòu)機(jī)架上鉸接點(diǎn)O3的位置對直線電缸驅(qū)動(dòng)力的大小起決定作用,因此以直線電缸驅(qū)動(dòng)力為優(yōu)化目標(biāo),設(shè)計(jì)直線電缸鉸接點(diǎn)O3在機(jī)架上的位置。

▲圖9 輸電線路機(jī)器人后臂受力分析

平行四邊形機(jī)構(gòu)受力分析如圖10所示。

建立連架桿及直線電缸的平衡力矩方程:

(4)

建立機(jī)架的靜力平衡方程:

▲圖10 平行四邊形機(jī)構(gòu)受力分析

(5)

式中:F1X、F1Y分別為連架桿1在點(diǎn)O1處受到的外力F1的水平分量和豎直分量;F2X、F2Y分別為連架桿2在點(diǎn)O2處受到的外力F2的水平分量和豎直分量;F3X、F3Y分別為直線電缸在點(diǎn)O3處受到的外力F3的水平分量和豎直分量;G1、G2、G3依次為連架桿1、連架桿2和直線電缸所受的重力;F0為機(jī)器人本體對平行四邊形機(jī)構(gòu)機(jī)架的拉力;M為機(jī)器人本體對平行四邊形機(jī)構(gòu)機(jī)架的轉(zhuǎn)矩;β為直線電缸與水平連桿的夾角;點(diǎn)O為機(jī)架中點(diǎn);Lf為直線電缸鉸接點(diǎn)O3至點(diǎn)O的距離。

P1、P2為平行四邊形機(jī)構(gòu)連桿兩端的鉸接點(diǎn),當(dāng)平行四邊形機(jī)構(gòu)變形時(shí),角γ由零逐漸增大。

越障過程中,M為117.4 N·m,G1為5 N,G2為5 N,G3為10 N,F0為300 N,β∈[0,π-θ],θ為0.57 rad,l1為0.205 m。

優(yōu)化后,F1為717.7 N,F2為720.4 N,F3為306.5 N,β為1.570 8 rad,Lf為零。

通過靜力學(xué)模型確定平行四邊形機(jī)構(gòu)變形時(shí),角γ對F3的影響,變化曲線如圖11所示。

▲圖11 γ與F3變化曲線

由圖11可知,隨著角γ不斷變大,F3逐漸增大。在越障結(jié)束時(shí),F3達(dá)到最大值。這也驗(yàn)證了將F3作為優(yōu)化目標(biāo)的合理性,可以減小平行四邊形機(jī)構(gòu)變形時(shí)直線電缸的驅(qū)動(dòng)力。

7 仿真試驗(yàn)

建立輸電線路機(jī)器人三維模型,導(dǎo)入ADAMS軟件進(jìn)行仿真試驗(yàn),ADAMS仿真模型如圖12所示。

▲圖12 輸電線路機(jī)器人ADAMS仿真模型

通過運(yùn)動(dòng)仿真得到F1、F2、F3的變化曲線,如圖13所示。由圖13可知,在越障過程中,F2先減小后增大,F1小幅度增大,F3不斷增大。

▲圖13 F1、F2、F3變化曲線

8 結(jié)束語

筆者針對超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人跨越雙掛點(diǎn)懸垂線夾的需求,設(shè)計(jì)了一種輸電線路機(jī)器人。

這一輸電線路機(jī)器人的前臂、后臂采用平行四邊形機(jī)構(gòu),通過兩端分別鉸接在機(jī)架和連架桿間的直線電缸伸縮改變平行四邊形機(jī)構(gòu)的形狀,實(shí)現(xiàn)行走輪高低位置的變化,進(jìn)而完成越障。筆者以導(dǎo)軌長度為優(yōu)化目標(biāo),完成平行四邊形機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì),并對越障過程中的平行四邊形機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析。

應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,驗(yàn)證了這一輸電線路機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的正確性與可行性。