智能懸掛連接式巡檢系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析及工況仿真實(shí)驗(yàn)

丁一辛 秦浩 金甲杰 張永梅 王春輝

摘 要：由于高壓線路地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，日常巡檢維護(hù)并不完善，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，可能會(huì)對(duì)高壓線路造成巨大的損失。為有效提高高壓線路巡檢時(shí)工作效率問(wèn)題，對(duì)懸軌巡檢機(jī)器人在高壓輸電線路曲線段的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行深入研究分析，同時(shí)采用歐拉分析法構(gòu)建巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)組件的動(dòng)力學(xué)建模，針對(duì)高壓線巡檢機(jī)器人的工作狀態(tài)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，所提出的懸掛軌道式機(jī)器人在平直狀態(tài)下的震動(dòng)最少，在攀爬狀態(tài)下的震動(dòng)最大，總體上工作平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)高壓輸電的高效巡檢。同時(shí)巡檢機(jī)器人在高壓線路工作時(shí)的越障能力及穩(wěn)定性較好。研究結(jié)果對(duì)懸掛軌道巡檢機(jī)器人的研制具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：懸掛軌道式；巡檢機(jī)器人；移動(dòng)結(jié)構(gòu) ；動(dòng)態(tài)特性；隧道環(huán)境

中圖分類(lèi)號(hào)：TM743；TP39

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-5922（2023）04-0192-05

Dynamic characteristic analysis and working condition experiment of intelligent control suspension connection patrol inspection system

DING Yixin1，QIN Hao1，JIN Jiajie1，ZHANG Yongmei2，WANG Chunhui3

（1.State Grid Anhui Electric Power Co.，LTD.，Hefei 230002，China;

2.Information and Communication Branch of State Grid Anhui Electric Power Co.，LTD.，Hefei 230061，China;

3.NARI Information and Communication Technology Co.，LTD.，Nanjing 210003，China）

Abstract：As the high-voltage line is located in a remoted area，the routine inspection and maintenance are not perfect，once there is a problem，it may cause huge losses to the high-voltage line.In order to effectively improve the work efficiency of the inspection of high voltage transmission lines，the movement mechanism of the suspension rail inspection robot in the curve section of the high voltage transmission line was carried out，and in-depth research and analysis were applied.At the same time，the Euler analysis method was used to build the dynamic model of the inspection robots motion components.The working state of the high voltage line inspection robot was experimentally studied.The test results showed that the proposed suspension track robot had the least vibration in the straight state，the largest vibration in the climbing state，and generally worked smoothly，and could achieve efficient inspection of high voltage transmission.At the same time，the inspection robot had good obstacle surmounting ability and stability when working on high voltage lines.The research results can provide guidance for the development of the suspension track inspection robot，and can further improve the safety of high-voltage lines.

Key words：hanging track type;inspection robot;mobile structure;dynamic characteristics;tunnel environment

近年來(lái)，隨著我國(guó)用電需求量不斷增大，高壓線路巡檢的工作環(huán)境存在的安全隱患，且部分高壓線路地處偏遠(yuǎn)，巡檢工作難度極大，因此進(jìn)一步推動(dòng)了人工智能技術(shù)和機(jī)械人技術(shù)發(fā)展，目前巡檢機(jī)械人在高壓線路的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1］。其中軌道式巡檢機(jī)器人是高壓線路應(yīng)用最為廣泛的一種［2］。因此，對(duì)懸掛軌道式智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)高壓線路懸掛軌道式巡檢機(jī)器人進(jìn)行了大量研究，并取得了許多成果：介紹了一種巡線機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。針對(duì)多個(gè)輪子的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)多個(gè)輪子的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了分析，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，采用試驗(yàn)方法，研究了該機(jī)構(gòu)在不同安裝方式下的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性［3-5］。提出了一種 GIL智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，其集成了視頻監(jiān)控、儀器數(shù)據(jù)讀取、紅外熱圖像溫度測(cè)量、局部放電巡檢和定位以及環(huán)境巡檢等功能。經(jīng)檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)達(dá)到了蘇通集團(tuán) GIL公司的每日檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［6］。本系統(tǒng)對(duì)其他GIL工程也有一定的借鑒意義，具有很好的推廣與應(yīng)用價(jià)值。但是，這些巡邏機(jī)器人存在著一定的局限性，其適應(yīng)能力還需要進(jìn)一步提升，為懸軌智能巡檢機(jī)器人的研制奠定了基礎(chǔ)。基于此，針對(duì)高壓線巡檢機(jī)器人，采用歐拉理論，對(duì)其各曲線部分的運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行分析，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)部分進(jìn)行建模。采用試驗(yàn)方法，對(duì)不同工作狀態(tài)下的智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行振動(dòng)特性研究。

1 智能系統(tǒng)的建模及分析

1.1 系統(tǒng)激勵(lì)分析

柔性輪軌傳輸方法用于機(jī)器人檢查高壓線路破損及清理線路雜物的過(guò)程。通常情況下，激勵(lì)不同產(chǎn)生的震動(dòng)不同，文中僅考慮傳動(dòng)誤差和嚙合剛度激勵(lì)引起的振動(dòng)。

傳遞誤差可由理論值和實(shí)測(cè)值等表示。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，采用齒輪齒條傳動(dòng)替代齒輪齒軌傳動(dòng)，如式（1）［9］。

e（t）=e0+ersin（ωt+φ）（1）

式中：e0、er分別為齒輪嚙合過(guò)程的平均誤差和幅值誤差。根據(jù)GB/T10095.1 ～ 2—2008，得到e0=0，er=11μm，文中傳動(dòng)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸將扭矩傳遞給齒輪［10］。傳動(dòng)誤差近似為齒輪的極限偏差。ω=v/r，其中，齒輪半徑r=46.5 mm、v=1m/s，代入ω=21.51rad/s；機(jī)械角φ=0。

嚙合剛度是齒輪嚙合時(shí)抵抗變形的能力，即引起單位位移所需的力，如式（2）所示［11］。

k=∑ni=1Fj/δpi+δgi（2）

式中：k、n分別為齒輪軌的嚙合剛度和對(duì)數(shù)（通常n取1或2）［12］；Fj為輪軌傳動(dòng)過(guò)程中的嚙合力；δpi、δgi分別為驅(qū)動(dòng)齒輪和固定齒條的變形量。

根據(jù)法國(guó)學(xué)者Velex提出的嚙合剛度計(jì)算方法。極短長(zhǎng)度處的嚙合剛度值相等，根據(jù)ISO 6336公式，計(jì)算齒輪齒條平均嚙合剛度k0，如式（3）所示［13］。

k0=cosβ0.8q（3）

式中：β為螺旋角（文中為正齒輪），其中cosβ值為1；q為柔度系數(shù)。經(jīng)計(jì)算解得14.40 ，N/（mm·m）。

1.2 建立動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)模型

對(duì)行走部件在高壓線路的振動(dòng)特性進(jìn)行了分析和計(jì)算，做了如下說(shuō)明簡(jiǎn)化計(jì)算。

（1）旋轉(zhuǎn)輪被認(rèn)為是質(zhì)量、彈簧和阻尼系統(tǒng)［14］。（2）轉(zhuǎn)輪輪外表面的材料按橡膠計(jì)算。（3）忽略重力勢(shì)能。通過(guò)對(duì)高壓線路斜坡的行走部分進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析來(lái)計(jì)算巡檢機(jī)器人在高壓線路爬坡時(shí)的振動(dòng)［15-18］?；谝陨霞僭O(shè)，建立巡檢行走部的動(dòng)力學(xué)模型，在對(duì)行走部的巡檢過(guò)程中，通過(guò)轉(zhuǎn)輪在上、側(cè)、下3個(gè)方向包圍在軌道上，限制了行走部分的偏差。減少了行走部分的振動(dòng)，運(yùn)行平穩(wěn)。

2 工況震動(dòng)實(shí)驗(yàn)

2.1 直行軌道直行時(shí)震動(dòng)實(shí)驗(yàn)

巡檢軌跡為一條直線長(zhǎng)度約800 mm的高壓線路，直線高壓線路巡檢最大速度可達(dá)1 m/s。MyRIO中的三向振蕩傳感器在移動(dòng)單元啟動(dòng)巡檢時(shí)，將三向振蕩信號(hào)采集到三向振蕩信號(hào)，并與主機(jī)進(jìn)行通訊。Cumrapz功能，可用來(lái)手工輸入 Excel表格，用于對(duì)離散的數(shù)據(jù)進(jìn)行階梯積分，得到機(jī)器人在高壓線路的線性振動(dòng)圖［19］，具體如圖1所示。

振動(dòng)加速度、振動(dòng)速度和振動(dòng)位移是高壓線路巡檢機(jī)器人振動(dòng)的重要參數(shù)，其中振動(dòng)位移可以表征巡檢機(jī)器人在高壓線路的穩(wěn)定性，且機(jī)器人穩(wěn)定性越高，高壓線路巡檢工作越順利，可以有效提高高壓線路巡檢效率［20］。

從圖1 （a）的a3可以看出，沿著x軸的振蕩分布被看作是具有0.4 mm幅度的一個(gè)正弦形的功能。從圖1（b）的 b3可以看出，沿著 y軸線的振動(dòng)分布被看作具有0.3 mm的幅度的一個(gè)正弦函數(shù)。2個(gè)方位的震動(dòng)很小，幾乎可以忽視。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)巡檢機(jī)構(gòu)以1 m/s的速率在高壓線上作線性行走時(shí)，其震動(dòng)偏移很少，工作平穩(wěn)，不會(huì)對(duì)探測(cè)設(shè)備的探測(cè)效果產(chǎn)生任何的影響。

2.2 爬坡時(shí)震動(dòng)實(shí)驗(yàn)

巡檢機(jī)器人在高壓線路巡檢時(shí)，震動(dòng)會(huì)影響巡檢機(jī)器人的工穩(wěn)定性。巡檢機(jī)器人在高壓線路爬坡時(shí)的震動(dòng)分析同直線相同。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后，進(jìn)行振動(dòng)分析。巡檢機(jī)器人以1 m/s的速度爬30°坡時(shí)，行走部的振動(dòng)圖如圖2所示。

從圖2（a）的a3可以看出，在機(jī)器人沿高壓線路上坡時(shí)，沿著x軸的振動(dòng)曲線被認(rèn)為是具有0.9 mm的幅值的 sin函數(shù)；從圖2（b）的b3可以看出，沿著y軸方的振動(dòng)曲線被認(rèn)為是具有0.8 mm的幅值的 sin函數(shù)；

該方法利用巡檢機(jī)器人在上升過(guò)程中的加速度來(lái)判斷巡檢中的 z軸位置。在攀爬時(shí)，步行段受力的方向發(fā)生了變化，從而引起了與 y軸相同的加速度的變化。因而，沿線性高壓線的傳送部分的運(yùn)動(dòng)方向是 y軸。在以1 m/s的速率向上攀爬時(shí)，步行段的振動(dòng)位移量很小，移動(dòng)平穩(wěn)。

2.3 下坡時(shí)震動(dòng)實(shí)驗(yàn)

巡檢機(jī)器人在高壓線路的下坡振動(dòng)分析與前面相同，數(shù)據(jù)濾波后進(jìn)行振動(dòng)分析。當(dāng)巡檢機(jī)器人從30°高壓線路上以1 m/s的速度下降時(shí)，震動(dòng)圖如圖3所示。

從圖3（a）的a3可以看出，沿著x軸的振蕩曲線被看作具有0.8 mm的幅值的 Synthetic函數(shù)，并且沿著 y軸的振蕩曲線被看作具有1 mm的幅值的 Synthetic函數(shù)；在運(yùn)行過(guò)程中，巡檢機(jī)器人沿著高壓電線下行時(shí)，其移動(dòng)部分的振動(dòng)位移值比上行部分的振動(dòng)位移值要小。這是由于在選用電動(dòng)機(jī)時(shí)，由上向下的電動(dòng)機(jī)比由下向上的電動(dòng)機(jī)更能給出更大的驅(qū)動(dòng)力，從而使由上向上引起的振動(dòng)位移比由下向上引起的振動(dòng)更大。在y方向上，最大值為1 mm，說(shuō)明在1 m/s的速度下行時(shí)，其位移很小，很穩(wěn)定。

2.4 過(guò)彎時(shí)震動(dòng)實(shí)驗(yàn)

過(guò)彎震動(dòng)實(shí)驗(yàn)也是先對(duì)實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，然后進(jìn)行振動(dòng)分析。當(dāng)巡檢機(jī)器人以1 m/s的速度過(guò)高壓線路轉(zhuǎn)彎時(shí)，震動(dòng)圖如圖4所示。

從圖4（a）的a3可以看出，沿著x軸的振蕩被認(rèn)為是一個(gè)具有0.5 mm幅度的正弦波。從圖4（b）的b3可以看出，沿著 y軸線的振動(dòng)被看作具有

0.5 mm的幅度的一個(gè)正弦曲線。在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，步行部分的振幅大于直線部分，而在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，步行部分的振幅大于上、下2個(gè)方向。這是由于地心引力的影響只發(fā)生在上、下的角度，只有在左、右轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)才會(huì)發(fā)生變化。增加摩擦，即巡檢機(jī)器人在高壓線路轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的激勵(lì)小于上、下斜坡行駛，大于直線行駛。 x軸方向和y軸方向上的最大振動(dòng)位移為0.5 mm，這表明當(dāng)行走部以1 m/s的速度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí)，振動(dòng)位移小且運(yùn)行穩(wěn)定。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為了研究仿真巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能和障礙克服能力，在給定約束和外力條件下，通過(guò)建立該巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行了虛擬模型仿真分析。巡檢機(jī)器人在高壓線路實(shí)際工作時(shí)會(huì)涉及碰撞、變形和摩擦。因此采用機(jī)械系統(tǒng)自動(dòng)動(dòng)態(tài)分析（ADAMS）模擬了機(jī)器人在高壓線路上的爬升狀態(tài)和障礙克服過(guò)程，記錄并分析了機(jī)器人的速度、位移。設(shè)定高壓線路障礙物高度為20 mm。

3.1 巡檢機(jī)器人越障速度與位移變化

在高壓線路檢修時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到各種障礙，因此研究機(jī)器人在跨越障礙時(shí)的速度與位移，可進(jìn)一步研究巡檢機(jī)器人在工作時(shí)的穩(wěn)定性。巡檢機(jī)器人在克服障礙過(guò)程中的速度和位移曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，在1.8～4.6 s時(shí)，巡檢機(jī)器人前輪克服障礙；在6.3～8.9 s時(shí)，巡檢機(jī)器人后輪克服了障礙。當(dāng)巡檢機(jī)器人前輪在1.8 s遇到障礙物時(shí)，其小V形輪卡住，機(jī)器人速度從72.5 mm/s迅速下降;然后前輪旋轉(zhuǎn)以克服障礙物，機(jī)器人速度約為50 mm/s。最后，機(jī)器人速度在完全克服障礙物后恢復(fù)到初始值。在6.3 s時(shí)，后輪開(kāi)始克服障礙，機(jī)器人速度比以前更穩(wěn)定。在整個(gè)障礙克服過(guò)程中，機(jī)器人的前向位移略有波動(dòng)。

3.2 巡檢機(jī)器人扭矩變化

圖6為在進(jìn)行高壓電線的巡視過(guò)程中，巡檢機(jī)器人前后車(chē)輪扭矩的改變情況。

從圖6可以看出，在巡檢機(jī)器人從高壓電線上離開(kāi)時(shí)，前部和后部的驅(qū)動(dòng)扭矩都是最大的，而后輪的最大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是2.53 N·m，前輪的最大的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩是3.2 N·m；從曲線上可以看出，前、后2個(gè)車(chē)輪的傳動(dòng)扭矩均隨時(shí)間的增加而增加的，并且從曲線上可以看出，后2個(gè)車(chē)輪的傳動(dòng)扭矩增長(zhǎng)率都要高于前2個(gè)車(chē)輪的傳動(dòng)扭矩；在260 s的模擬時(shí)，前、后2個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩都有最大值，即分別為4.36、4.05 N·m。同時(shí)，前、后2個(gè)車(chē)輪的驅(qū)動(dòng)力都很低，這也證明了該巡檢機(jī)器人在高壓線路巡檢時(shí)具有較好的穩(wěn)定性。從以上的模擬結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)在無(wú)障礙物的條件下，能夠平穩(wěn)地運(yùn)行，不會(huì)出現(xiàn)跳躍和大幅度的振蕩現(xiàn)象。

3.3 巡檢機(jī)器人越障質(zhì)心變化

在針對(duì)高壓線路上防震錘的越障模擬中，巡檢機(jī)器人整體質(zhì)心的變化情況如圖7所示。

從圖7可以看出，巡檢機(jī)器人的質(zhì)心在x軸上是不會(huì)變化的，這意味著巡檢機(jī)器人在電纜的軸向上是均勻的，所以不會(huì)出現(xiàn)在高壓電線的軸線上向左和向右擺動(dòng)的情況。而在 y軸方向上，巡檢機(jī)器人在y軸方向上表現(xiàn)出有規(guī)律的改變，在2～10 s、13～21 s期間，機(jī)器人的整個(gè)質(zhì)心垂直向下的改變，這是因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)段中，機(jī)器人的攀爬臂向下運(yùn)動(dòng)離開(kāi)了高壓電線；在z軸方向（機(jī)器人的向前方向），隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，質(zhì)心會(huì)出現(xiàn)一種穩(wěn)定的臺(tái)階式的增長(zhǎng)，而這種增長(zhǎng)質(zhì)心的改變則表明巡檢機(jī)器人越障能力較好，因此在越障時(shí)，其穩(wěn)定性也會(huì)比較好。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)巡檢機(jī)器人在不同彎度的高壓電線上的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了分析，采用試驗(yàn)方法，對(duì)懸軌智能巡線機(jī)器人在各種工作狀態(tài)下的振動(dòng)狀況進(jìn)行了分析。試驗(yàn)證明，在對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行巡檢時(shí)，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有很低的震動(dòng)，工作平穩(wěn)的特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)巡檢設(shè)備的巡檢工作沒(méi)有產(chǎn)生任何影響?？紤]到現(xiàn)有的試驗(yàn)條件及數(shù)據(jù)量，懸軌智能巡邏機(jī)器人的相關(guān)研究尚屬初級(jí)階段。下一步的工作將集中于對(duì)巡邏機(jī)器人的不斷改進(jìn)與完善。

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