一種巡線機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

楊 愷，高宏力，施景皓，魯彩江

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 引言

高壓輸電線路通常為裸導(dǎo)線，暴露于野外環(huán)境之中，長時(shí)間的風(fēng)雪雷擊、機(jī)械張力、電氣閃絡(luò)，易造成線路損傷，從而影響輸電線路線路運(yùn)行的安全性及穩(wěn)定性[1]。為保證輸電線路的安全運(yùn)行，需要對其運(yùn)行狀況做周期性檢測。目前，對架空輸電線路的巡檢方法主要有[2]：（1）望遠(yuǎn)鏡人工檢測法，但利用望遠(yuǎn)鏡不易檢測出細(xì)微故障，且觀察不全面；（2）直升飛機(jī)航測法，該方法存在費(fèi)用高、難度大、觀測精度低等問題，且存在視覺死角，受氣候影響明顯；（3）檢修工人穿上帶電作業(yè)屏蔽服上線檢修，但檢修時(shí)巡檢人員作業(yè)難度大、危險(xiǎn)性高；（4）無人機(jī)航測法，但由于高壓輸電線周圍的強(qiáng)磁場對無人機(jī)飛行控制系統(tǒng)的干擾，無人機(jī)無法靠近且無法環(huán)繞導(dǎo)線檢測，存在視覺死角。相對于傳統(tǒng)方法，輸電線路巡線機(jī)器人具有安全性好、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此可以利用其取代傳統(tǒng)方式，以提高檢測精度和檢測效率。而當(dāng)前，已有的巡線機(jī)器人尚有重量大，持續(xù)作業(yè)時(shí)間短的不足，且可跨越障礙物種類較少，尤其不能跨越耐張塔間的跳線，均降低了使用巡線機(jī)器人進(jìn)行巡檢的可行性[3]?；诖?，設(shè)計(jì)了一種可以跨越線路上包括跳線在內(nèi)的常見結(jié)構(gòu)化障礙物的輕量化自主越障巡線機(jī)器人，以期達(dá)到增加機(jī)器人巡檢范圍，提升巡檢質(zhì)量的目的。

2 巡線機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 線路運(yùn)行環(huán)境分析

擬設(shè)計(jì)一種適用于110kV 高壓輸電線路的輕量化自主越障巡線機(jī)器人，要求其能夠自主跨越輸電導(dǎo)線上的常見結(jié)構(gòu)化障礙物并代替人工完成線上巡檢工作。

110kV 輸電線路上的主要障礙物有懸垂線夾、絕緣子串、防振錘、直線跳線與直角跳線。由于我國地理?xiàng)l件復(fù)雜，環(huán)境多變，高壓輸電線路的布置經(jīng)常需要跨越江河湖泊與深山密林，因此巡線機(jī)器人的作業(yè)難度進(jìn)一步增大[4]。

2.2 巡線機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)110kV 架空輸電線路的環(huán)境特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種輕量化可自主越障的巡線機(jī)器人，機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型，如圖1 所示。

圖1 巡線機(jī)器人總體三維模型圖Fig.1 Three-Dimensional Model of the Inspection Robot

該巡線機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由機(jī)械臂、手爪以及底部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)組成。兩機(jī)械臂的末端分別通過蝸輪蝸桿電機(jī)與手爪相連，兩機(jī)械臂之間通過底部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連。機(jī)器人整體即為一個(gè)越障機(jī)構(gòu)，當(dāng)機(jī)器人進(jìn)行越障作業(yè)時(shí)，兩機(jī)械臂之間協(xié)同運(yùn)動(dòng)，調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)。

機(jī)器人手爪包括行走機(jī)構(gòu)、防墜機(jī)構(gòu)、電磁能量采集機(jī)構(gòu)，機(jī)器人手爪三維模型圖，如圖2 所示。行走機(jī)構(gòu)主要由一個(gè)主動(dòng)輪，兩個(gè)從動(dòng)輪組成，其中主動(dòng)輪由輪轂電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)，前后兩側(cè)從動(dòng)輪的布置增加了行走機(jī)構(gòu)與輸電導(dǎo)線的接觸面積，使其能更平穩(wěn)地在線上爬行。防墜機(jī)構(gòu)主要由布置在行走機(jī)構(gòu)左右兩側(cè)的張緊輪與夾緊機(jī)構(gòu)組成，其收縮均由絲杠機(jī)構(gòu)控制。張緊輪的作用主要是為行走機(jī)構(gòu)在線上行走時(shí)提供正壓力，增大行走輪與導(dǎo)線之間的摩擦，提升爬坡性能，而夾緊機(jī)構(gòu)則在機(jī)器人越障時(shí)將一只越障臂與導(dǎo)線鎖緊防止其搖晃甚至墜落。電磁能量采集裝置在安裝磁芯后可通過電磁感應(yīng)原理采集輸電線上的電能，與機(jī)器人電池管理模塊相互協(xié)調(diào)作為自取電模塊，增加巡線機(jī)器人的線上續(xù)航能力。

圖2 機(jī)器人手爪三維模型圖Fig.2 3D Model of the Robotic Claw

3 機(jī)器人越障運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

在越障作業(yè)階段，巡線機(jī)器人需要調(diào)節(jié)整個(gè)機(jī)器人的姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)越障任務(wù)，而機(jī)器人的位置與姿態(tài)又由5 個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)決定，因此有必要對機(jī)器人的越障運(yùn)動(dòng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，并進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。

3.1 機(jī)器人越障步態(tài)分析

巡線機(jī)器人越障步態(tài)分析是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的基礎(chǔ)[5]?，F(xiàn)有的巡線機(jī)器人可以跨越的障礙物種類較少，只能越過線路上的金具類障礙物，包括懸垂線夾、防振錘、耐張線夾等，而不能跨越耐張塔間的跳線，大大限制了機(jī)器人的作業(yè)范圍[6]。設(shè)計(jì)的巡線機(jī)器人則具有跨越跳線的能力，而直角跳線為跳線中的跨越難度最大的一種情況，故特以直角跳線為例，對巡線機(jī)器人的越障動(dòng)作進(jìn)行分析。機(jī)器人跨越直角跳線的步驟，如圖3 所示。

圖3 機(jī)器人跨越直角跳線步驟圖Fig.3 The Step Diagram of the Robot Crossing the 90° Jumper

Step 1：機(jī)器人在跳線前方停下后，后臂上的夾緊機(jī)構(gòu)將機(jī)器人與導(dǎo)線夾緊固定，防止其在越障過程中晃動(dòng)，同時(shí)前臂行走模塊與導(dǎo)線分離。

Step 2：機(jī)器人底部旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)一定角度，使越障前臂與原導(dǎo)線及跳線均錯(cuò)開一定距離。

Step 3：機(jī)器人后臂行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人緩慢向前行進(jìn)，當(dāng)越障前臂到達(dá)抓線點(diǎn)后停止前進(jìn)。

Step 4：機(jī)器人腕部電機(jī)、底部旋轉(zhuǎn)電機(jī)與肩部電機(jī)相互協(xié)同運(yùn)動(dòng)使行走機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)抓線操作。

Step 5：越障后臂上夾緊機(jī)構(gòu)松開與導(dǎo)線之間的約束，而后越障后臂重復(fù)上述Step 1 至Step 4，使機(jī)器人越障后臂越過直角跳線并重新抓線。

3.2 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

當(dāng)遇到障礙物時(shí)，機(jī)器人越障后臂上的鎖緊機(jī)構(gòu)將其與導(dǎo)線鎖緊，此時(shí)越障后臂不能轉(zhuǎn)動(dòng)。以越障后臂下放的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)為基坐標(biāo)系進(jìn)行D-H 建模[7]。

巡線機(jī)器人在越障時(shí)是一個(gè)四自由度結(jié)構(gòu)，所有關(guān)節(jié)均為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。巡線機(jī)器人越障時(shí)的D-H 模型，如圖4 所示。根據(jù)該模型得到機(jī)器人的D-H 參數(shù)，如表1 所示。

圖4 機(jī)器人越障D-H 模型Fig.4 D-H Model of Robot

表1 D-H 連桿坐標(biāo)系的參數(shù)表Tab.1 Parameter Table of D-H ConnectingRod Coordinate System

3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

方程（5）構(gòu)成該巡線機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。

3.4 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的正確性，在Matlab Robotics工具箱中對巡線機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模[8]，并引入實(shí)例分別代入3.3 節(jié)中得到的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程與Robotics 工具箱中進(jìn)行計(jì)算，通過比較兩種方法求得的結(jié)果是否一致判斷運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是否正確。

對各關(guān)節(jié)變量進(jìn)行賦值：θ1=π/9，θ2=π/2，θ3=π/3，θ4=0；代入式（4）后運(yùn)用Matlab 計(jì)算得到機(jī)器人越障時(shí)前臂相對于基坐標(biāo)系的位姿參數(shù)為：r11＝-0.2962，r12＝-0.1710，r13＝-0.9397，px＝-79.9164；r21＝0.8138，r22＝0.4698，r23＝-0.3420，py＝416.0480；r31＝0.5000，r32＝-0.8660，r33＝0，pz＝308.7000。

根據(jù)D-H 參數(shù)在Matlab Robotics 工具箱中對巡線機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，機(jī)器人Robotics 工具箱運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，如圖5 所示。使用SerialLink.fkine（）函數(shù)進(jìn)行正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，求出在給定上述變量值的情況下，機(jī)器人越障時(shí)前臂相對于基坐標(biāo)系的位姿矩陣為[9]：

圖5 機(jī)器人Robotics 工具箱運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.5 The Robotics Toolbox Kinematics Model of Robot

將運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的解與Robotics 工具箱中求得的結(jié)果進(jìn)行對比可知，兩種方法求得的結(jié)果一致，使用D-H 方法與Robotics 工具箱建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型均是正確的。

3.5 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為了驗(yàn)證巡線機(jī)器人在越障過程中有無剛性、柔性沖擊以及碰撞發(fā)生，需在Robotics 工具箱中對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。由巡線機(jī)器人越障步態(tài)可知，機(jī)器人的初始關(guān)節(jié)變量為θ0=［0 0 π/2 0］，終止位置的關(guān)節(jié)變量為θ1=［π/9 π/3 π/3 0］?；谏瞎?jié)中建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，使用Robotic 工具箱中的jtraj（）函數(shù)構(gòu)建由初始位置到終止位置的運(yùn)動(dòng)軌跡并使用plot（）函數(shù)生成巡線機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度曲線，機(jī)器人各越障關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線，如圖6 所示。

圖6 各越障關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線Fig.6 Motion Parameter Curve of Each Obstacle Crossing Joint

根據(jù)上述機(jī)器人越障關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線可知，機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)行均平穩(wěn)順利，不存在奇異點(diǎn)，說明巡線機(jī)器人在越障過程中無碰撞發(fā)生，無剛性、柔性沖擊，證明機(jī)器人各連桿參數(shù)及越障步態(tài)設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)論

為了通過使用機(jī)器人巡檢的方法來降低110kV 輸電線路巡檢的難度及成本，設(shè)計(jì)了一種雙臂結(jié)構(gòu)的輕量化自主越障巡線機(jī)器人，提出了一種能夠越過輸電線上常規(guī)結(jié)構(gòu)化障礙物以及跳線的越障方法，并針對其越障過程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及運(yùn)動(dòng)仿真。分別使用標(biāo)準(zhǔn)D-H 方法與MatlabRobotics 工具箱運(yùn)動(dòng)學(xué)建模的方法對機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，并引入實(shí)例驗(yàn)證文章運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的正確性。最后，為了得到機(jī)器人在越障過程中各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，使用Matlab Robotics 工具箱進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。仿真結(jié)果表明巡線機(jī)器人在越障過程中無碰撞發(fā)生且各關(guān)節(jié)之間不中存在剛性沖擊與柔性沖擊，證實(shí)了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及越障步態(tài)的合理性。