試論電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計與作業(yè)性能

段錦晶

（天津航天中為數(shù)據(jù)系統(tǒng)科技有限公司，天津 300301）

隨著計算機(jī)技術(shù)、AI技術(shù)、機(jī)械技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，越來越多對人類有危險的領(lǐng)域或需要高精度操作的領(lǐng)域，都在應(yīng)用各種類型的機(jī)器人替代或輔助人類進(jìn)行工作。其中，專門為執(zhí)行已知功能而設(shè)計的機(jī)器人一直是近幾年的熱門課題。隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為了減少操作人員的工作量，要求電纜隧道巡檢機(jī)器人具有高度的自主性，能夠根據(jù)環(huán)境的不同特征來定位自己，只需高水平用戶命令，就可以從電纜隧道內(nèi)部收集圖像進(jìn)行檢查。

1 電纜隧道巡檢機(jī)器人解析

許多研究論文致力于機(jī)器人的應(yīng)用，例如，機(jī)器人可以代替外科醫(yī)生，或者協(xié)助腹腔鏡手術(shù)。例如，跟蹤外科工具在腹腔內(nèi)的移動，并向操作者傳送圖像等。在眾多類型的機(jī)器人中，巡檢機(jī)器人屬于專門機(jī)器人。在實踐中，巡檢機(jī)器人通過測量特定的參數(shù)來檢查依賴于應(yīng)用程序的基礎(chǔ)設(shè)施。因此，這些巡檢機(jī)器人配備了適當(dāng)?shù)臏y量和導(dǎo)航系統(tǒng)。根據(jù)復(fù)雜控制系統(tǒng)的模塊化描述，采集和通信系統(tǒng)是巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)不可缺少的組成部分。測量的環(huán)境參數(shù)保存在機(jī)器人板上的硬盤上。主機(jī)操作員通過通信系統(tǒng)控制機(jī)器人在電纜隧道內(nèi)的位移。此外，機(jī)器人在檢測過程中的定位或未知環(huán)境中的自定位是一項非常重要的工作。巡檢機(jī)器人與上位機(jī)之間采用2.4ghz頻段的無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換。特定模塊的控制命令和配置參數(shù)由操作機(jī)的控制臺發(fā)送給機(jī)器人。機(jī)載計算機(jī)將來自傳感器的測試數(shù)據(jù)和來自攝像頭的圖像直接發(fā)送到控制臺。

在巡檢機(jī)器人中，電纜隧道巡檢機(jī)器人的主要用途是檢查電纜隧道，監(jiān)測電纜隧道內(nèi)的環(huán)境，包括測量溫度、壓力、濕度、噪音水平等物理參數(shù)，以及從電纜隧道傳送圖像序列。電纜隧道的典型失效是雷電、短路等激發(fā)的電纜隧道火災(zāi)，這會導(dǎo)致上述參數(shù)的突然變化——通過對這些參數(shù)的分析，可以確定失效位置，通過存放在數(shù)據(jù)庫的攝像機(jī)的圖像序列，有助于確定故障發(fā)生的地點。因為電纜隧道巡檢機(jī)器人在電纜隧道內(nèi)工作，可能會出現(xiàn)高振幅的干擾，無線電信號會顯著減弱。因此，電纜隧道機(jī)器人使用minpci intel pro/wireless 2200bgwireless 網(wǎng)卡(無線模塊)，最大輸出功率為1.6w(32dbm)的無線放大器連接到網(wǎng)卡的天線輸出。

電纜隧道機(jī)器人的控制通過可編程邏輯控制器（PLC）完成，機(jī)器人的內(nèi)部控制通過人機(jī)界面（HMI）完成。就編程而言，電纜隧道巡檢機(jī)器人的控制分為兩部分：第一部分，梯形邏輯的開發(fā)是根據(jù)操作順序在Indraworks工程軟件中完成；第二部分，HMI接口的開發(fā)是為了對機(jī)器人進(jìn)行內(nèi)部控制并易于操作，觸摸屏用作HMI，有助于選擇電纜隧道的尺寸，機(jī)器人將依據(jù)隧道尺寸調(diào)整其手臂。

2 電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計

本文提出的電纜隧道巡檢機(jī)器人需要進(jìn)行自動隧道檢查。機(jī)器人車輛包括機(jī)器人生產(chǎn)的起重臂舉升機(jī)、高精度機(jī)器人臂、先進(jìn)的計算機(jī)視覺系統(tǒng)、3D激光掃描儀和超聲波傳感器。隧道的自動檢查需要機(jī)器人車輛和計算機(jī)視覺子系統(tǒng)的高級功能。機(jī)器人在地下空間和長直線路徑上的定位是一項艱巨的任務(wù)，而安裝在機(jī)器人尖端的毫米精確定位也是一項艱巨的任務(wù)。此外，支持檢查過程的2D和3D視覺任務(wù)應(yīng)在惡劣和多變的照明條件，低紋理襯砌表面以及對高精度的要求下進(jìn)行處理。因此，在開發(fā)電纜隧道巡檢機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)時，必須滿足以下技術(shù)要求：（1）高精度和高速度，具體來說，必須能夠檢測三平方毫米的缺陷，且操作速度必須足夠高，以減少檢查時間；（2）為了使系統(tǒng)能夠在各種小批量上使用，必須在短時間內(nèi)輸入、編輯和回放零件的形狀數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)；（3）指定缺陷的位置缺陷檢測數(shù)據(jù)應(yīng)該指定機(jī)器人的位置?；谝陨弦螅疚乃O(shè)計的電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)部分設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)參數(shù)表

為了使電纜隧道巡檢機(jī)器人在特定尺寸的電纜隧道內(nèi)移動，關(guān)鍵問題是確定巡檢機(jī)器人的行走系統(tǒng)。巡檢機(jī)器人的行走系統(tǒng)主要有履帶式和架空軌道式兩種，雖然履帶可以輕易通過斜坡，但電纜隧道非常光滑，并且很難在隧道內(nèi)使用需要牽引的車輛。此外，由于隧道沒有照明，檢查天花板和墻壁可能會有困難，可能需要輔助照明設(shè)備。因此，選擇了架空軌道式行走系統(tǒng)。與目前的電動單軌系統(tǒng)不同，該行走系統(tǒng)具有兩個模塊：主動模塊和被動模塊，每個模塊具有三個運動配置，既是獨立決策的自主元件，也是靈活和可擴(kuò)展的通信接口。此外，整個電纜隧道巡檢機(jī)器人每個模塊之間相互獨立，可以獨立拆裝。

3 電纜隧道巡檢機(jī)器人作業(yè)性能分析

由于電纜隧道巡檢機(jī)器人實際應(yīng)用的復(fù)雜性，必須確保對機(jī)器人的硬件配置、軟件集成以及與環(huán)境的交互進(jìn)行全面的測試，以確保機(jī)器人的部署順利進(jìn)行。這通常需要較長的準(zhǔn)備時間進(jìn)行實驗。因此，在電纜隧道巡檢機(jī)器人作業(yè)性能分析中，基于ROS的框架，對所設(shè)計的電纜隧道巡檢機(jī)器人進(jìn)行仿真和基準(zhǔn)測試。

通過使用電纜隧道巡檢機(jī)器人模擬器Stage，在一個相當(dāng)現(xiàn)實的環(huán)境中，在不同的場景中和以不同的團(tuán)隊規(guī)模進(jìn)行詳盡的測試，并通過模仿模擬的設(shè)置更快地進(jìn)行作業(yè)性能實驗。仿真模擬的系統(tǒng)參數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置的，重點是實現(xiàn)任務(wù)分配算法。在這項工作中，以分布式策略來解決現(xiàn)實環(huán)境中的巡邏問題，每個自治代理在本地決定其行為，并使用分布式通信來適應(yīng)系統(tǒng)的需求。盡管機(jī)器人的速度恒定且穩(wěn)定，但仍會出現(xiàn)波動。這些振動可能會影響機(jī)器人檢查器的性能，甚至導(dǎo)致故障。

本次設(shè)計的電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，采用了兩種方法來提高對固有頻率估計誤差的魯棒性：一種是增加消除的頻率分量的數(shù)量；另一種是使頻率分量的頻率導(dǎo)數(shù)在估計的固有頻率處為零。上述方法均可以抑制非線性阻尼系統(tǒng)中的殘余振動。實驗結(jié)果表明，所設(shè)計的電纜隧道巡檢機(jī)器人可以訪問環(huán)境的每個重要方面。此外，該方法能夠擴(kuò)展到任意數(shù)量的機(jī)器人，并且可以克服通信故障和機(jī)器人故障。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電纜隧道的數(shù)量呈現(xiàn)井噴式增長。在此背景下，傳統(tǒng)的人工巡檢已經(jīng)不能滿足高速增長的電纜隧道的實際需求，以機(jī)器人代替人工成為必然趨勢。電纜隧道巡檢機(jī)器人由多個系統(tǒng)組成，如控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)等。其中，機(jī)械系統(tǒng)是電纜隧道巡檢機(jī)器人本體所在，是機(jī)器人能夠行走、巡檢的物質(zhì)基礎(chǔ)。本文所設(shè)計的電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，符合最初的設(shè)計目標(biāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)電纜隧道巡檢所需，且經(jīng)過仿真模擬，證明所設(shè)計的電纜隧道巡檢機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)是可行的。