輸電線防振錘復(fù)位機器人機構(gòu)設(shè)計

肖時雨 ，王洪光

（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，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引言

高壓輸電線路故障維護是線路持續(xù)良好運行的保障。目前，針對多數(shù)輸電線路故障主要采用人工維護方式，通常采用線路滑車或人工走線的方式到達故障位置進行維護作業(yè)。這種工作方式勞動強度大，人身安全得不到有效保證，而且作業(yè)還受到線路環(huán)境的制約。當輸電線路跨越高山、河流、峽谷、森林等地段時，惡劣的作業(yè)環(huán)境將給維護工作帶來極大的困難，檢修效率得不到保障。當不滿足人員上線作業(yè)條件時，維護工作只能停電進行，從而帶來巨大的經(jīng)濟損失。由于人工維護作業(yè)方式存在諸多不足，國內(nèi)外的專家學(xué)者提出采用機器人維護作業(yè)方式，以替代或輔助人力進行線路故障的維護。

國內(nèi)外多家研究機構(gòu)對輸電線路維護作業(yè)機器人開展了研究。文獻[1-3]研制了一種巡檢作業(yè)機器人LineROVer，該機器人起初用于清除電力傳輸線路地線上的積冰，后逐漸發(fā)展為用于線路巡檢、維護等多用途移動平臺LineScout，通過安裝不同的工作頭可完成架空線路視覺、紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評估、導(dǎo)線清污和除冰等不同作業(yè)任務(wù)，但該機器人沒有取回移位防振錘的能力。文獻[4-6]分別研制了三種沖擊式防振錘復(fù)位器，該類復(fù)位器通過線路工人使用牽引繩進行牽引操作，使得移位的防振錘復(fù)位到原來的位置，但該操作方式勞動強度大，嚴重損傷線路。文獻[7]研制了一種地線防振錘檢修工具，通過移動裝置直接拖動，將偏離正確位置的防振錘放回原位，可開展帶電作業(yè)，但該檢修工具適應(yīng)性較差，并且對線路造成一定損傷。文獻[8]設(shè)計了一種在線路帶電情況下進行遙控作業(yè)的架空輸電線路防振錘機械式取回裝置，但該取回裝置也存在損傷線路的缺點，還未得到實際應(yīng)用。

為了解決防振錘復(fù)位作業(yè)造成線路損傷的問題，在分析線路防振錘結(jié)構(gòu)特征的前提下，基于仿人作業(yè)方式，提出了一種新型的適合于帶電線路的防振錘復(fù)位機器人機構(gòu)。該機構(gòu)采用仿人作業(yè)設(shè)計和輪爪夾持設(shè)計，其中作業(yè)機構(gòu)能夠自動適應(yīng)和調(diào)整防振錘的不確定位姿；輪爪夾持機構(gòu)能夠提高機器人爬坡性能。

2 任務(wù)描述與機器人構(gòu)型分析

2.1 任務(wù)描述

架空輸電線路的微風振動超標常常引起線路疲勞斷股、金具損壞等危害，對線路的安全穩(wěn)定運行造成威脅。為了減少微風振動，通常采用的預(yù)防手段是安裝防振錘，如圖1（a）所示。然而，在線路實際運行中，由于受到線路振動、機械疲勞、外力干擾、材料老化等原因的影響，防振錘會產(chǎn)生不同程度的松動，在風的作用下，其振動加劇，甚至產(chǎn)生舞動、偏離安裝位置，造成防振錘故障，威脅線路的安全運行。

防振錘發(fā)生移位后，防振錘與線路之間容易產(chǎn)生相對運動，主要包括沿線移動和繞線轉(zhuǎn)動。另外，由于線路傾角、風載荷等自然因素的相互作用，防振錘在線路上的位姿往往會在一定范圍內(nèi)隨機變化，如圖 1（b）所示。

根據(jù)線路工人的出線作業(yè)經(jīng)驗，防振錘位置調(diào)整任務(wù)可分為四個階段：姿態(tài)調(diào)整；拆卸連接螺栓；搬回至安裝位置；安裝預(yù)緊。

圖1 輸電線路防振錘Fig.1 Vibration-Dampers on the Line

2.2 機器人構(gòu)型分析

根據(jù)線路環(huán)境特點和作業(yè)任務(wù)需求，設(shè)計了一種防振錘復(fù)位機器人機構(gòu)。機器人機構(gòu)簡圖，如圖2 所示。該機器人包括仿人復(fù)位作業(yè)機構(gòu)和輪臂夾爪復(fù)合機構(gòu)。作業(yè)機構(gòu)模擬工人在線路上實施維護任務(wù)的過程，由于實際維護任務(wù)并不需要工人手臂全部自由度，所以我們簡化了仿人作業(yè)機構(gòu)，減少了機構(gòu)自由度，降低了多自由度的耦合性和控制復(fù)雜度。復(fù)合機構(gòu)有利于實現(xiàn)在線路上快速運動，其中，輪爪夾持機構(gòu)能夠顯著提高機器人的爬坡性能。

圖2 防振錘復(fù)位機器人機構(gòu)簡圖Fig.2 Mechanism Sketch of the Robot for Retrieving Vibration-Dampers

機器人由三個模塊組成：手臂，復(fù)位機構(gòu)和控制箱。每個手臂都包含一個被動關(guān)節(jié)和一個輪臂夾爪復(fù)合機構(gòu)，其中，被動關(guān)節(jié)通過產(chǎn)生形變儲存能量，從而提高機器人的越障能力；復(fù)合機構(gòu)通過輪爪夾持改變行走輪牽引附著力，從而改善機器人的爬坡能力。機器人前后手臂各關(guān)節(jié)相互配合可以分別實現(xiàn)機器人沿線行走，跨越線路障礙物和爬坡運動。根據(jù)仿人作業(yè)機理，三自由度復(fù)位機構(gòu)可以分為兩個部分：位姿調(diào)整機構(gòu)和拆裝機構(gòu)。位姿調(diào)整機構(gòu)包括豎直移動關(guān)節(jié)和輔助單元，其作用在于將存在位姿偏角的防振錘調(diào)整到期望位姿，簡化機構(gòu)復(fù)雜度和復(fù)位作業(yè)難度；拆裝機構(gòu)包括水平移動關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)和聯(lián)動裝置，其作用在于松開（或預(yù)緊）防振錘連接螺栓，在搬運防振錘過程中確保連接夾與線路之間存在一定的縫隙，避免損傷線路。

3 機構(gòu)分析與運動學(xué)建模

3.1 復(fù)位作業(yè)機構(gòu)

對于存在位姿偏角的防振錘，其連接螺栓軸線與豎直平面不垂直，這將導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)套筒對準問題成為三維空間問題，增加機構(gòu)復(fù)雜度。如果能夠消除位姿偏角，使連接螺栓軸線垂直于豎直平面，那么旋轉(zhuǎn)套筒對準問題將變成二維平面問題，顯著簡化復(fù)位機構(gòu)組成。根據(jù)任務(wù)需求，機器人首先需要將防振錘的位姿進行調(diào)整，其具體實施過程，如圖3 所示。隨著復(fù)位機構(gòu)的上升運動，輔助單元通過施加作用力F，使得防振錘繞輸電線轉(zhuǎn)動，逐漸達到期望位姿，此時位姿偏角α 和β 均為零。

圖3 防振錘位姿調(diào)整過程Fig.3 Gesture Adjustment of the Vibration-Damper

根據(jù)防振錘結(jié)構(gòu)特征，當位姿偏角為零時連接螺栓與輔助單元位置相對固定，如圖4（a）所示。為了減少機構(gòu)自由度，螺栓軸線與水平移動關(guān)節(jié)所在平面的間距應(yīng)設(shè)為固定值l6。

在旋轉(zhuǎn)套筒拆裝連接螺栓過程中，為了防止螺栓沿軸線方向的移動，設(shè)計了擋板裝置。通過水平推桿驅(qū)動，該擋板與水平移動關(guān)節(jié)形成聯(lián)動裝置。當水平移動關(guān)節(jié)達到極限位置時，如圖4（b）所示。擋板達到最大傾角。推桿長度為：

圖4 結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Structure Parameters

3.2 輪爪夾持機構(gòu)

機器人爬坡能力不足的原因主要是行走輪牽引附著力不足，導(dǎo)致行走輪打滑。為了改善行走輪受力狀況，提高牽引附著力，設(shè)計了輪爪夾持機構(gòu)。輪爪夾持機構(gòu)對稱分布于行走輪兩側(cè)，經(jīng)鋼絲繩牽引驅(qū)動可實現(xiàn)打開和閉合動作，如圖5 所示。當機器人需要越障時，輪爪保持打開狀態(tài)；當機器人行走在傾角較大的線路上時，輪爪保持閉合，并提供一定的夾持力F1和F2，使得行走輪與線路之間的接觸壓力增大，牽引附著力增大，從而提高機器人爬坡能力。另外，夾爪末端與線路接觸部分為被動滾輪，這種方式還可以保證不損傷線路。

圖5 輪爪夾持機構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Wheel-Gripper Mechanism

3.3 運動學(xué)建模

當行走在線路上時，由于存在被動關(guān)節(jié)，機器人兩行走輪之間的距離保持在一定范圍內(nèi)變化，機器人構(gòu)型，如圖6（a）所示；在復(fù)位作業(yè)過程中輪爪機構(gòu)夾緊導(dǎo)線，行走輪與線路保持相對靜止，兩行走輪間距為最大值，如圖6（b）所示。建立機器人坐標系，如圖7 所示。

圖6 幾何約束Fig.6 Geometrical Constraints

圖7 機器人坐標系Fig.7 D-H Coordinates of the Robot

根據(jù)機器人運動學(xué)的D-H 描述方法，相鄰坐標系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

于是作業(yè)機構(gòu)末端的位姿可以表示為：

機器人連桿參數(shù)，如表1 所示。

表1 連桿參數(shù)表Tab.1 Link Variable Parameters

根據(jù)機器人連桿參數(shù)，運動學(xué)方程的變換矩陣可以表示為：

4 實驗測試

為了驗證機器人的復(fù)位作業(yè)和爬坡運動性能，在實驗室內(nèi)搭建防振錘發(fā)生移位故障的模擬線路，如圖8 所示。通過樣機實施模擬線路防振錘故障維護來驗證機器人復(fù)位作業(yè)性能；通過改變線路的角度以及調(diào)整夾緊輪對線路夾緊力的方法驗證機器人在線路不同角度時的行走情況。實驗結(jié)果表明，在不損傷線路的情況下，輪爪夾持機構(gòu)能夠在一定程度上增加行走輪對線路的正壓力，進而增大牽引附著力，使得機器人的最大爬坡角度達到35°；機器人復(fù)位機構(gòu)能夠模仿線路工人，依次調(diào)整防振錘的位姿偏角，對準連接螺栓并將其卸下，搬運防振錘至正確位置并安裝，從而實現(xiàn)防振錘復(fù)位作業(yè)任務(wù)。機器人系統(tǒng)電磁兼容和等電位設(shè)計可以滿足帶電線路作業(yè)要求。

圖8 樣機實驗Fig.8 Robot Experiments

5 結(jié)論

（1）提出了一種新型防振錘復(fù)位機器人機構(gòu)，在不損傷線路的前提下，機器人能夠?qū)崿F(xiàn)帶電線路防振錘復(fù)位作業(yè)，解決了以往復(fù)位作業(yè)造成線路損傷的問題。（2）設(shè)計了一種輪爪夾持機構(gòu)，通過在夾爪末端安裝被動滾輪，使得機器人可以在不損傷線路的前提下增大牽引附著力，從而提高爬坡能力，機器人最大爬坡角度為35°。（3）樣機實驗驗證了機器人機構(gòu)設(shè)計的可行性和有效性。