輸電線路巡線機(jī)器人仿生機(jī)構(gòu)研究綜述

楊昱翔

【摘 要】為實(shí)現(xiàn)大跨度輸電架空線路對巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)、爬坡性能以及續(xù)航能力和越障性能等方面的要求，越來越多的仿生機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。根據(jù)生物不同的爬行方式，模仿其運(yùn)動姿態(tài)特點(diǎn)以及生物學(xué)原理，研制出各種各樣的仿生機(jī)器人。本文詳細(xì)介紹了在巡檢機(jī)器人越障運(yùn)動和機(jī)器人運(yùn)行的地線線路環(huán)境中，巡檢機(jī)器人如何利用仿生機(jī)械構(gòu)型沿架空線路運(yùn)動。

【關(guān)鍵詞】巡檢機(jī)器人;仿生機(jī)構(gòu);運(yùn)動方式;越障

中圖分類號： TP242;TM755 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）14-0034-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.14.015

A Summary of Research on Bionic Mechanism of Transmission Line Patrol Robot

YANG Yu-xiang

（GuiZhou university，school of electrical engineering，Guiyang Guizhou 550025，China）

【Abstract】In order to realize the requirements of large-span transmission overhead lines for patrol robot structure， climbing performance，endurance and obstacle-obstacle performance，more and more bionic robots have emerged.According to different crawling methods of creatures，imitating their sports posture characteristics and biological principles，various bionic robots have been developed.By considering the characteristics of the obstacle-crossing movement of the inspection robot and the ground line environment of the robot operation，this paper introduces the mechanism configuration and movement mode of the robot in detail.

【Key words】Inspection robot;Bionic mechanism;Movement mode;Obstacle

0 引言

我國幅員遼闊，東南地區(qū)是人口密集區(qū)域，高壓輸電網(wǎng)覆蓋面積大、聯(lián)網(wǎng)程度高，相較于西北地區(qū)則地廣人稀，且東西南北相距較遠(yuǎn)，不能及時保障輸電線路供電安全。同時隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的不斷投入以及國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對電的需求和飽和度越來越高，同時對電力系統(tǒng)輸電線路安全可靠性與不間斷供電的要求越來越高。由于電力輸電線路和它的桿塔是完全暴露在自然條件下的，會受到材料以及機(jī)械老化、持續(xù)的張力、電氣閃絡(luò)等因素的影響，而導(dǎo)致磨損、斷股、腐蝕。如果不能及時對輸電線路進(jìn)行檢修與修復(fù)，會導(dǎo)致電網(wǎng)的大面積停電，給社會，城市，個人帶來不可彌補(bǔ)的巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此隨著智能機(jī)器人的發(fā)展，輸電線路特種巡檢機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

高壓線巡檢機(jī)器人的活動領(lǐng)域?yàn)榫€纜，因此早期的設(shè)計(jì)方案多采用纜車式。隨著仿生應(yīng)用原理的實(shí)現(xiàn)，仿生機(jī)器人技術(shù)慢慢發(fā)展起來，人們逐漸借鑒模仿學(xué)習(xí)動物的運(yùn)動方式進(jìn)行設(shè)計(jì)越障機(jī)構(gòu)。自然界中有許多生物可以沿著線行走，人類踩鋼絲繩[1]中提出了仿照人類行走步伐的巡檢機(jī)器人。它由四個曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，組成兩對相同的腿，每個腿都具有伸長的電缸，通過末端的腳懸掛在高壓線上。通過伸縮電缸改變手臂的距離，使其越過障礙物。因此，機(jī)器人會將前后的左右兩條腿同時懸掛在高壓線上，以保證其穩(wěn)定性。同時，該機(jī)器人只有一個行走驅(qū)動電機(jī)。還有一種是模仿猿猴攀爬樹枝[2]，提出了越障臂式的仿生巡檢機(jī)器人，其借鑒了長臂猿的攀爬特性設(shè)計(jì)出越障機(jī)構(gòu)。

1 仿生機(jī)器人概述

仿生學(xué)，顧名思義就是模仿生物的適應(yīng)大自然生存特殊本領(lǐng)的一門學(xué)科。通過探索生物結(jié)構(gòu)和功能原理來研制新型機(jī)械和技術(shù)，或解決攻克機(jī)械方面的難題。仿生學(xué)主要是觀察、研究和模擬自然界生物各種各樣的適應(yīng)大自然生存的獨(dú)一無二本領(lǐng)，包括生物自身的生物結(jié)構(gòu)、生存原理、運(yùn)動行為及器官功能等。自然界萬物歷經(jīng)了上億年的優(yōu)勝劣汰，經(jīng)過不斷進(jìn)化與篩選，每種生物無論是天上飛的還是陸地海洋，都誕生了其獨(dú)特的適應(yīng)大自然的能力與適應(yīng)環(huán)境的獨(dú)一無二的結(jié)構(gòu)。這些基礎(chǔ)研究為科學(xué)技術(shù)原理提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)架構(gòu)的技術(shù)支持。

根據(jù)仿生學(xué)原理，分別參照動物的爬行動作進(jìn)行原始模型的設(shè)想。在大自然中，經(jīng)過千百年的進(jìn)化，不同的動物根據(jù)其生活環(huán)境的不同，行為動作都有各自的特點(diǎn)，這種與生而來得適應(yīng)本能使動物完美的適應(yīng)大自然殘酷的生存，并為工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了良好的參照依據(jù)。

科學(xué)家們將對自然界中生物結(jié)構(gòu)和功能的研究應(yīng)用于機(jī)器人，從而制造出具有生物結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特性的特種機(jī)器人，如仿生機(jī)器人。仿生機(jī)器人是仿生學(xué)和機(jī)器人需求的高度深層次融合，制造了一批模擬生物形態(tài)的機(jī)器人，使人們將從大自然生物中獲取的靈感并應(yīng)用于實(shí)際的社會生產(chǎn)實(shí)踐與實(shí)際生活中。

2 仿靈長類仿生巡檢機(jī)器人

1988年，日本東京電力公司Sawada教授研制了架空地線巡線機(jī)器人[3]。該巡線機(jī)器人自身攜帶一軌道，其仿猿攀援動作的行動機(jī)理，每當(dāng)巡線機(jī)器人遇到桿塔時，會展開其弧形機(jī)械臂，形成一種跨越塔桿的特殊軌道。在由其一對夾持輪和一對行走輪組成運(yùn)動主體機(jī)械機(jī)構(gòu)，跨越耐張懸垂、防震錘等障礙物。該機(jī)器人是早期巡線機(jī)器人的雛形。等巡線機(jī)器人主箱通過，夾持輪夾緊地線后，將弧形的導(dǎo)軌機(jī)械臂收起，完成一次越障動作。但是該機(jī)器人主要問題是空間體積較大且越障復(fù)雜。

1989年，美國公司TRC研發(fā)了一臺仿猿攀援動作的架空線路輸電線路巡線機(jī)器人，其具有兩個柔性機(jī)械臂機(jī)構(gòu)的懸掛式巡檢機(jī)器人，它是現(xiàn)代巡檢機(jī)器人的機(jī)構(gòu)雛形[4]。當(dāng)巡線機(jī)器人的探測到線路故障后，配合視覺設(shè)備檢測絕緣子、電暈損耗以及壓接頭等線路金具的進(jìn)行檢測。最后，巡檢機(jī)器人還攜帶維修裝置，自助進(jìn)行預(yù)處理，再將實(shí)時維修數(shù)據(jù)傳送給地面工作人員。

2017年，應(yīng)用仿生學(xué)技術(shù)原理，山東某大學(xué)提出了一種基于靈長類動物特征的三臂對稱分布式高壓輸電線路仿生巡檢機(jī)器人[6]，如圖1。該仿生巡檢機(jī)器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)包括三部分，重心平衡臂、左右懸掛臂以及機(jī)架。其中左右懸掛臂作為越障臂，與左右懸掛臂配合越障動作，通過模仿長臂猿的攀爬運(yùn)動，進(jìn)行平面內(nèi)的交互式攀援運(yùn)動。中間臂可以解決運(yùn)動過程中平衡手臂脫線時由重心產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力而矩造成身體的晃動等問題，其模仿長臂猿本身身體作為重心平衡臂，固定于機(jī)架支撐的中心部分。

2018年，從人爬樹運(yùn)動研究中得到啟示，完成了一種新型四臂巡檢機(jī)器人[5]的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖2。每條驅(qū)動手臂設(shè)計(jì)了1個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，每條伸縮手臂設(shè)計(jì)了1個移動關(guān)節(jié)和1個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，4條手臂反對稱布置在前后箱體上，在2個箱體之間引入了1個被動鉸接盤。機(jī)器人在爬坡過程中，移動關(guān)節(jié)通過夾緊輪與線路接觸，用于改變機(jī)器人受力狀態(tài)，提高機(jī)器人的爬坡性能。

3 仿動物仿生巡檢機(jī)器人

1989年，日本NTT公司模仿蛇類的運(yùn)動方式，研制了一種仿蛇形巡檢機(jī)器人[7]。該機(jī)器人由多個獨(dú)立的單元組成，采用頭部決策尾部的仿生控制方式，如圖3所示。該機(jī)器人學(xué)習(xí)蛇類的生活習(xí)性，通過自身攜帶的超聲波傳感器來感知輸電線路上的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)在線路上的行動與障礙物的檢測。但是，該機(jī)器人不能攜帶太多的設(shè)備，不能完成復(fù)雜的輸電線路故障檢測任務(wù)。

2013年，東北大學(xué)提出了一種仿蛇形爬行平行四邊形結(jié)構(gòu)的巡檢機(jī)器人[8]，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)形式使用平行四邊形結(jié)構(gòu)代替了仿猿形伸縮臂的機(jī)構(gòu)，具備了較長的機(jī)器人橫向長度，保證了巡檢機(jī)器人能有比較大的工作空間，便于輸電線路上導(dǎo)線以及金具的正常工作。

4 仿生巡檢機(jī)器人的發(fā)展趨勢

輸電線路巡檢機(jī)器人作為一種新型的特種機(jī)器人，大大的解放了電力員工的工作強(qiáng)度與時間，成為了該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著機(jī)械技術(shù)與仿生學(xué)不斷地發(fā)展，有三個值得發(fā)展和關(guān)注的趨勢：

（1）多傳感器融合

輸電線巡檢機(jī)器人隨著自主巡檢機(jī)器人技術(shù)的逐漸完善以及多任務(wù)多組合以及復(fù)雜的輸電線路現(xiàn)狀，一個巡檢機(jī)器人必定會集成多種傳感器，多種信息需要融合，通過傳感器進(jìn)行巡檢機(jī)器人行走越障的導(dǎo)航與定位以及對故障的及時維護(hù)和精確診斷，真正實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人代替電力人員對輸電線路的巡檢與維護(hù)工作。

（2）組合多作業(yè)模式

巡檢機(jī)器人完成一個多任務(wù)的巡檢必定體積大而且配重多，在電網(wǎng)中實(shí)際使用中是不可能的實(shí)現(xiàn)的。又由于巡線任務(wù)的復(fù)雜性，可以將目前的幾種作業(yè)方式分別完成再進(jìn)行合理的系統(tǒng)組合，構(gòu)建一種巡檢平臺，實(shí)現(xiàn)平臺的信息共享與全方位檢測信息融合。

（3）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

隨著智能電網(wǎng)系統(tǒng)與電力系統(tǒng)基礎(chǔ)建設(shè)快速發(fā)展，保障電網(wǎng)的持續(xù)供電與安全是其中重要的一環(huán)，巡檢機(jī)器人作為電力檢修的重要部分。巡檢機(jī)器人應(yīng)與智能電網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成信息交流平臺，實(shí)時傳輸故障數(shù)據(jù)信息，快速完成輸電線的及時準(zhǔn)確的維護(hù)工作。

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