一種異物清除作業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計

王頌,李銳海,劉旭,景鳳仁,劉愛華

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510663；2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，遼寧 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，遼寧 沈陽 110169)

電網(wǎng)作為支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)，在當(dāng)今社會發(fā)展中發(fā)揮著不可替代的作用。通常導(dǎo)線與導(dǎo)線之間都留有固定的安全間距，以保障架空輸電線路安全運(yùn)行。如果在導(dǎo)線之間存在空氣以外的非絕緣物體，導(dǎo)線之間通過這種物體放電，造成線與線之間短路，變電站開關(guān)跳閘。清除輸電線路上的異物目前主要依靠停電后人工上線摘除，人工作業(yè)程序復(fù)雜，勞動強(qiáng)度大，安全可靠性低。將機(jī)器人應(yīng)用于輸電線路的異物清除作業(yè)，可以降低勞動強(qiáng)度和危險性，提高作業(yè)的自動化程度。

國內(nèi)外對于電力巡檢與作業(yè)機(jī)器人的研究開始于20世紀(jì)80年代，世界上第1臺高壓線路巡檢機(jī)器人在1988年由日本東京電力公司研制[1]，此后日本、加拿大、美國等各國開展了輸電線路巡檢機(jī)器人的研究[2-6]。20世紀(jì)90年代，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所和武漢大學(xué)等多家研究機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行一檔內(nèi)、可跨越直線桿塔和耐張桿塔的輸電線路巡檢機(jī)器人研究[7-18]。

針對輸電線路上的異物清除問題，太原供電公司、國網(wǎng)山東省電力公司電力研究院、莆田電業(yè)局、國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院等開展了輸電線路異物清除作業(yè)方法和裝置的研究[19-23]。本文在國內(nèi)外關(guān)于輸電線路巡檢機(jī)器人和異物清除作業(yè)機(jī)器人研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化設(shè)計一種輸電線路異物清除機(jī)器人系統(tǒng)，介紹這種機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，對機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析和仿真，最后在實(shí)驗(yàn)室建立輸電線路的模擬環(huán)境，對機(jī)器人的運(yùn)動與作業(yè)過程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 異物清除作業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計

1.1 作業(yè)環(huán)境

架空線路主要由導(dǎo)線、架空地線、絕緣子串、桿塔、金具、接地裝置及桿塔基礎(chǔ)等部分組成。導(dǎo)線是架空線路的主要組成部分，其功能主要是傳導(dǎo)電流、輸送電能；架空地線通常安裝于桿塔上端，用于引導(dǎo)雷電，對整個輸電線路起保護(hù)作用。異物清除機(jī)器人主要針對500 kV輸電線路的環(huán)境設(shè)計，該輸電線路的地線型號為LGJ-95/55，防振錘型號為FD-3?？汕宄漠愇餅榭呻婁徢懈詈碗姛崆宄漠愇?，如塑料布、風(fēng)箏線和廣告布等。

1.2 機(jī)器人組成

如圖1所示，機(jī)器人由本體1和作業(yè)工具2兩部分組成，機(jī)器人本體采用輪式移動結(jié)構(gòu)沿輸電線路行走。作業(yè)工具2包括舉升機(jī)構(gòu)3、電鋸清除機(jī)構(gòu)4及電熱清除機(jī)構(gòu)5，舉升機(jī)構(gòu)3的末端安裝電鋸清除工具4和電熱清除工具5。

圖1 機(jī)器人三維結(jié)構(gòu)圖Fig.1 3D structure of the robot

電鋸清除機(jī)構(gòu)4主要包括左夾持臂、右夾持臂、左導(dǎo)向架、右導(dǎo)向架和電鋸切割裝置。左、右夾持臂結(jié)構(gòu)相同，采用電動機(jī)驅(qū)動同步帶傳動方式實(shí)現(xiàn)對異物的夾緊和導(dǎo)出，再利用電鋸切割裝置對異物進(jìn)行切割。

電熱清除機(jī)構(gòu)5利用電熱合金絲材料的電熱圈熔斷異物，當(dāng)電熱合金絲通過電流時，可以很快產(chǎn)生熱量使電熱合金絲升溫，達(dá)到熔解尼龍等塑料材料的溫度，可靠地處理可燃異物。

1.3 異物清除工具設(shè)計

電鋸清除工具4及電熱清除工具5的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 異物清除作業(yè)工具Fig.2 Foreign matter removal tools

電鋸清除工具4利用同步帶輪的相向和反向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)對異物的夾緊和導(dǎo)出功能。電鋸清除工具4包括左夾持臂4-1、右夾持臂4-2、左導(dǎo)向架4-3、右導(dǎo)向架4-4、驅(qū)動電動機(jī)4-5和電鋸切割裝置4-6組成。左導(dǎo)向架4-3和右導(dǎo)向架4-4分別安裝在左夾持臂4-1和右夾持臂4-2末端，左右導(dǎo)向架可實(shí)現(xiàn)對異物的導(dǎo)向作用；左夾持臂4-1和右夾持臂4-2采用同步帶輪傳動方式，利用電動機(jī)4-5直接驅(qū)動左夾持臂4-1的同步帶輪進(jìn)而實(shí)現(xiàn)同步帶的轉(zhuǎn)動，再通過齒輪嚙合的傳動實(shí)現(xiàn)右夾持臂4-2的同步帶輪相向轉(zhuǎn)動；利用電動機(jī)驅(qū)動電鋸切割裝置4-6中的電鋸轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)對異物的剪切。

電熱清除工具5主要包括電熱合金絲5-1、導(dǎo)向塊5-2和隔熱件5-3，其中鐵鉻鋁電熱合金絲5-1安裝在4個導(dǎo)向塊5-2上，隔熱件5-3采用微晶玻璃陶瓷的材料加工。通過控制鐵鉻鋁電熱合金絲供電的通斷，利用電流通過時產(chǎn)生的熱量熔斷可燃異物，實(shí)現(xiàn)切除異物的功能。

2 機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模

D-H法是一種針對開式鏈機(jī)構(gòu)建立連桿坐標(biāo)系的建模方法，利用D-H法對輸電線路異物清除機(jī)器人運(yùn)動學(xué)進(jìn)行分析，坐標(biāo)系如圖3所示。機(jī)器人的工作狀態(tài)可分為移動、電鋸清除和電熱清除3種狀態(tài)。移動作業(yè)階段只需控制行走輪的啟停和速度，即可控制機(jī)器人的運(yùn)動。異物清除作業(yè)階段需要控制電鋸清除和電熱清除作業(yè)工具的切換和啟停。

坐標(biāo)系6與所要清除的異物固連，原點(diǎn)設(shè)在導(dǎo)線圓截面的中心；坐標(biāo)系1與輪子固連，原點(diǎn)在輪子的中心，Z軸為行走輪的旋轉(zhuǎn)方向；坐標(biāo)系2與機(jī)器人機(jī)架固連，原點(diǎn)設(shè)在機(jī)器人連接舉升機(jī)構(gòu)的正下方；坐標(biāo)系3與舉升機(jī)構(gòu)齒輪固連，原點(diǎn)在齒輪的中心，Z軸方向?yàn)辇X輪的旋轉(zhuǎn)軸方向；坐標(biāo)系4與鋸片切割工具固連，原點(diǎn)在切割鋸片的中心，Z軸為垂直方向；坐標(biāo)系5與電熱切割工具固連，原點(diǎn)在支撐環(huán)的中心，Z軸為工具升起的方向。機(jī)器人參數(shù)見表1，其中，i為連桿序號，ai-1為連桿長度，αi-1為連桿扭角，di為兩連桿距離，θi為兩連桿夾角。

圖3 機(jī)器人建模D-H法坐標(biāo)系Fig.3 D-H coordinate system for robot modeling

表1 機(jī)器人參數(shù)Tab.1 Robot parameters

機(jī)器人行走作業(yè)過程中，利用行走輪實(shí)現(xiàn)對異物的趨近，利用舉升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)作業(yè)工具的高度調(diào)節(jié)。

作業(yè)工具對于參考坐標(biāo)系的位置和姿態(tài)可以用矩陣T表示，即

(1)

式中：n、o、a為作業(yè)工具的姿態(tài)矢量，o為正交矢量，n為方向矢量，a為接近矢量；p為行走機(jī)構(gòu)的位置矢量。雖然實(shí)現(xiàn)三維空間的任意位姿需要機(jī)器人具有6自由度，但異物清除機(jī)器人作業(yè)工具作業(yè)時總是與輸電線在1個平面內(nèi)，作業(yè)工具只需單一方向靠近異物即可滿足作業(yè)要求，在這種情況下2自由度機(jī)器人就可以滿足要求，利用行走輪實(shí)現(xiàn)前進(jìn)方向的自由度，舉升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上下自由度。

根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的D-H描述方法，每個位姿

(2)

于是行走機(jī)構(gòu)目標(biāo)端的位姿可以表示為

(3)

對于輸電線導(dǎo)線，為使行走機(jī)構(gòu)能夠夾住目標(biāo)線路，必須滿足以下2個條件：①作業(yè)工具能移動到達(dá)目標(biāo)位置；②作業(yè)工具的高度應(yīng)能夠完全清除異物。設(shè)抓取目標(biāo)線路的方向矢量為(nx，ny，nz)，位置矢量為p=(px，py，pz)T。令n=(nx，ny，nz)T，得

(4)

(5)

當(dāng)解出關(guān)節(jié)變量值都在其閾值區(qū)間內(nèi)時，作業(yè)工具便可以準(zhǔn)確定位異物，從而實(shí)現(xiàn)異物清除。

3 運(yùn)動仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 作業(yè)仿真分析

機(jī)器人清除異物時需要依據(jù)異物類型進(jìn)行作業(yè)工具切換，異物清除機(jī)器人機(jī)構(gòu)通過1個自由度即可快速實(shí)現(xiàn)2種作業(yè)工具的快速切換。為驗(yàn)證機(jī)器人機(jī)構(gòu)作業(yè)工具切換的可行性，進(jìn)行了相關(guān)仿真分析，仿真模型如圖4所示。

圖4 機(jī)器人仿真模型Fig.4 Robot simulation model

根據(jù)異物和環(huán)境特點(diǎn)規(guī)劃作業(yè)末端的運(yùn)動軌跡，首先機(jī)器人通過舉升機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)作業(yè)工具的切換和高度調(diào)節(jié)，利用行走輪驅(qū)動機(jī)器人前進(jìn)作業(yè)。采用Step函數(shù)規(guī)劃各關(guān)節(jié)速度，Step函數(shù)為

fStep(t,t0,h0,t1,h1)=

(6)

式中：t為自變量，可以是時間或時間的任一函數(shù)；t0為自變量的Step函數(shù)開始值；t1為自變量的Step函數(shù)結(jié)束值；h0為Step函數(shù)的初始值；h1為Step函數(shù)的最終值。

工具切換運(yùn)動曲線如圖5所示。圖5(a)為作業(yè)工具驅(qū)動器、電鋸清除工具、電熱清除工具末端在3個方向上的位移s1、s2、s3曲線，圖5(b)為作業(yè)工具驅(qū)動器、電鋸清除工具、電熱清除工具末端速度v在3個坐標(biāo)分量v1、v2、v3曲線?？梢钥闯觯撟鳂I(yè)機(jī)構(gòu)的工具切換和高度調(diào)節(jié)通過圖3各關(guān)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)。

圖5 工具切換運(yùn)動曲線Fig.5 Movement curves of tool switching

由以上仿真分析可以看到，機(jī)器人通過單一自由度即可快速平穩(wěn)地完成作業(yè)工具切換和高度調(diào)節(jié)，在有效降低機(jī)器人復(fù)雜程度的同時降低了機(jī)器人的自重，提高了機(jī)器人的負(fù)載能力，驗(yàn)證了機(jī)器人舉升機(jī)構(gòu)設(shè)計的可行性，異物清除機(jī)器人能夠高效完成異物清除作業(yè)。

3.2 爬坡仿真分析

輸電線路難清除異物一般存在于野外或大檔距域，巡線作業(yè)工人不便處理，所以要求異物清除機(jī)器人必須具備爬行大角度輸電線路的能力。為了驗(yàn)證本文所設(shè)計機(jī)器人的爬坡能力，進(jìn)行相關(guān)仿真分析。

利用規(guī)劃出的關(guān)節(jié)曲線驅(qū)動異物清除機(jī)器人在ADAMS虛擬樣機(jī)中完成沿線路行走，仿真時間26 s，仿真步數(shù)3 000。仿真過程為線路隨著時間旋轉(zhuǎn)，每秒旋轉(zhuǎn)1°，機(jī)器人通過2個行走輪勻速在傾斜的線路上行走，機(jī)器人移動時間對應(yīng)線路傾斜角度，如果機(jī)器人行走輪未發(fā)生打滑即機(jī)器人行走距離和時間成正比。本文設(shè)計的機(jī)器人虛擬樣機(jī)總質(zhì)量為30 kg，行走輪結(jié)構(gòu)采用梯形結(jié)構(gòu)，接觸角β=20°，接觸力碰撞參數(shù)見表2。

表2 接觸力碰撞參數(shù)Tab.2 Contact force impact parameters

仿真結(jié)果如圖6所示，其中仿真時間對應(yīng)線路的傾斜角度，由圖6可知在時間為24.5 s(線路傾斜角度為24.5°)時，行走距離與時間不成正比，說明行走輪發(fā)送打滑，即機(jī)器人最大爬行角度為24.5°，機(jī)器人的爬行能力能夠有效滿足異物清除的需求。

圖6 爬坡能力仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of climbing ability

4 實(shí)驗(yàn)

在仿真分析的基礎(chǔ)上，對機(jī)器人模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，研制了輸電線路異物清除機(jī)器人樣機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行清除風(fēng)箏線和纏繞塑料的相關(guān)實(shí)驗(yàn)(圖7、圖8)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人系統(tǒng)具備了輸電線路上清除可燃性或者可切割性異物的功能。

圖7 電熱清除實(shí)驗(yàn)Fig.7 Electrothermal clearing experiment

圖8 電鋸清除實(shí)驗(yàn)Fig.8 Electric saw clearing experiment

5 結(jié)束語

針對輸電線路上可燃性或可切割性異物的清除問題，對一種輸電線路異物清除機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，利用機(jī)器人自身的行走自由度和1個作業(yè)自由度(共2個自由度)即可完成行走、作業(yè)、工具切換等功能。機(jī)器人具備2種作業(yè)模式，利用電鋸和電熱的方式能夠有效去除可切割性異物或可燃性異物。