輸電線除冰機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動特性分析

鄺江華，鄒德華，劉蘭蘭，張 安，江 維

輸電線除冰機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與運動特性分析

鄺江華1,2，鄒德華1,2，劉蘭蘭1,2，張 安3，江 維*3

(1. 帶電巡檢與智能作業(yè)技術(shù)國家電網(wǎng)公司實驗室（國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司），湖南 長沙 410100；2. 智能帶電作業(yè)技術(shù)及裝備（機器人）湖南省重點實驗室（國網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司），湖南 長沙 410100；3. 武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200)

針對四分裂輸電線路除冰作業(yè)任務(wù)，提出了一種能夠適應多分裂輸電線路行走和作業(yè)的四輪移動機器人機構(gòu)構(gòu)型及其末端工具，通過拉格朗日法推導并建立機械臂的動力學模型，基于該動力學模型在ADAMS中對機器人的動力學特性進行仿真研究，結(jié)果表明，本文所提出的機器人機構(gòu)能夠完成四分裂除冰作業(yè)，同時機器人各關(guān)節(jié)的運動滿足作業(yè)過程中驅(qū)動力矩的要求，避免了機器人關(guān)節(jié)力矩驅(qū)動力不足和驅(qū)動力過大等造成的機器人系統(tǒng)作業(yè)故障和作業(yè)失敗的發(fā)生，最后，通過實驗驗證了本文所提出機械構(gòu)型和動力學模型的工程實用性。通過本文的研究，對于輸電線路移動機器人機械結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和電氣控制參數(shù)優(yōu)化具有雙重重要的理論意義和實際應用價值。

多分裂線路；移動機器人；機械構(gòu)型；動力學特性；除冰作業(yè)

電力是國民經(jīng)濟的命脈，高壓線纜是電能傳輸?shù)闹匾ǖ?，其特殊地理環(huán)境和惡劣自然環(huán)境會導致線上絕緣子污閃[1-2]、引流板螺栓松動[3-4]、防振錘移位銹蝕[5]等多種不同故障發(fā)生，其中，這3類典型故障占到故障總數(shù)的80%以上，目前人工帶電作業(yè)不僅勞動強度大、作業(yè)效率低而且存在極大的人身安全風險。因此開發(fā)能代替人工檢修作業(yè)的先進實用自動化裝備，對于提高電網(wǎng)設(shè)備運行能效、提升電網(wǎng)供電可靠性和智能化水平、推廣運維檢修新技術(shù)和新裝備，以及實現(xiàn)環(huán)境友好、資源節(jié)約和能源高效利用的可持續(xù)發(fā)展具有重要理論意義與實際應用價值。國內(nèi)外研究和實踐表明[6-8]，代替人工進行檢修的一種有效方法是采用移動機器人搭載作業(yè)機械手及其末端工具，即帶電檢修機器人[9-11]。同時，沿導/地線行走越障的移動機器人構(gòu)型結(jié)構(gòu)是國內(nèi)外學界和工程技術(shù)界研究開發(fā)的熱點。移動機器人為完成既定典型作業(yè)功能，按機械臂是否具有獨立運動來劃分，有兩手臂[12]、三手臂[13]、四手臂[14]的作業(yè)機構(gòu)，按照不同的線路結(jié)構(gòu)（單分裂/雙分裂）來劃分，有雙輪驅(qū)動[15]和四輪驅(qū)動[16]機器人移動平臺機構(gòu)，目前更多的研究集中在單導線上的移動作業(yè)機器人，然而多分裂導線是電能傳輸?shù)闹髁?，因此，在單導線雙輪移動機器人的基礎(chǔ)上研究開發(fā)能夠適應多分裂導線線上行走的四輪移動機器人對于擴寬移動機器人的檢修范圍具有重要理論意義與實際應用價值。此外，帶電作業(yè)機器人的自主行為控制是其完成作業(yè)任務(wù)的前提以及其作業(yè)智能性的重要體現(xiàn)，特別是雙分裂四輪機器人，其自身結(jié)構(gòu)和作業(yè)環(huán)境更加復雜, 而機器人動力學模型是其控制器、關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu)和電氣控制參數(shù)設(shè)計的基礎(chǔ)，且動力學模型的準確度直接影響到機器人控制性能和機械臂的力學特性，目前常用的動力學建模方法有拉格朗日方程[17]，哈密爾頓原理[18]，牛頓-歐拉方程[19]等，但它們大都是從整體上進行建模，且模型具有計算復雜度高、高階非線性特征[20]，這些給機器人機械臂動作控制器的設(shè)計和關(guān)節(jié)電氣參數(shù)選型帶來一定困難，影響了機器人測控平臺的設(shè)計，嚴重制約了輸電線路移動作業(yè)機器人物理樣機的開發(fā)及其實用化進程。

基于上述分析，本文在分析異構(gòu)型多分裂輸電線路作業(yè)環(huán)境的基礎(chǔ)上，提出了面向輸電線路除冰作業(yè)任務(wù)的沿四分裂輸電導線行走移動機器人機構(gòu)及其末端工具的基本構(gòu)型，通過拉格朗日法建立了四輪移動機器人動力學模型，通過動力學特性的分析和仿真研究得到了機器人的最優(yōu)關(guān)節(jié)電氣參數(shù)，有效避免了參數(shù)不合適導致的機器人作業(yè)可靠性降低及作業(yè)失敗的發(fā)生。通過本文機器人機械構(gòu)型設(shè)計和動力學特性仿真與分析為多分裂輸電線路四輪驅(qū)動機器人物理樣機開發(fā)及其智能控制器的設(shè)計奠定了堅實的理論基礎(chǔ)。

1 機器人機械構(gòu)型設(shè)計

1.1 作業(yè)任務(wù)分析

輸電線路覆冰不僅會增加輸電線的重量，還會影響輸電線路電能的傳輸質(zhì)量，因此，去除輸電線路導線上的覆冰以及輸電線路常見金具如絕緣子、引流板、防震錘、間隔棒上的覆冰是保證輸電線路安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。由于絕大多數(shù)金具懸掛于輸電導線之上，因此可以采用移動機器人行走于輸電導線，并通過搭載雙作業(yè)臂的模式來進行除冰作業(yè)，其中除冰作業(yè)末端搭載于機器人機械臂之上，采用雙臂除冰模式可以大大增加除冰末端的可達作業(yè)空間從而保證除冰效果。根據(jù)輸電線路金具的分布及形態(tài)，設(shè)計移動機器人采用機械臂1和機械臂2搭載末端的形式，為提升雙作業(yè)臂在線上運動的靈活性，分別設(shè)計了3自由度的雙機械臂運動系統(tǒng)，即每個機械臂都有旋轉(zhuǎn)，縱移，橫移三個關(guān)節(jié)從而盡可能的增大末端作業(yè)空間。因此，通過上述分析可知，兩機械臂均需要實現(xiàn)縱移、旋轉(zhuǎn)和伸縮運動，均具有三個自由度，因此，可得到機器人機械臂的自由度個數(shù)及各關(guān)節(jié)其功能如表1。

表1 機械臂自由度個數(shù)及關(guān)節(jié)運動功能分析

1.2 移動機器人的構(gòu)型設(shè)計

輸電線路除冰檢修機器人通過移動作業(yè)機器人搭載作業(yè)末端，可適應在四分裂輸電導線上的行走作業(yè)，兩組機械臂搭載于縱移滑臺上，可對輸電線進行除冰檢修，兩組機械臂均具有三自由度，可進行縱移、旋轉(zhuǎn)、伸縮運動，可將作業(yè)末端運送至工作位，移動作業(yè)機器人構(gòu)型圖如圖1所示。

圖1 移動機器人構(gòu)型圖

圖2 除冰檢修機械臂1

2 機器人系統(tǒng)的動力學模型

2.1 機械臂的拉格朗日動力學方程

系統(tǒng)的總勢能為（3）式：

移動作業(yè)機器人機械臂1拉格朗日函數(shù)為（4）式：

對該函數(shù)求偏導并轉(zhuǎn)換可得拉格朗日動力學方程為（5）式：

寫成封閉形式為（6）式：

2.2 關(guān)節(jié)空間動力學方程

將式（6）寫成矩陣形式為式（7）：

（7）式中為方陣，具有正定性和對稱性，其表示機械臂1慣性矩陣，表示機械臂1運動時所受到的離心力和哥氏力向量，表示機械臂1重力矢量，T為機械臂在關(guān)節(jié)空間中的動力學方程閉環(huán)結(jié)構(gòu)式，其表達了關(guān)節(jié)力-力矩與關(guān)節(jié)變量、速度與加速度之間的映射關(guān)系。

3 機器人機械臂運動特性仿真研究

3.1 仿真模型的建立

3.2 機械臂動力學特性仿真

后處理模塊ADAMS/PostProcessor是ADAMS針對View、Vibration、Control、Car、Engine等模塊添加的后處理功能插件，可利用此模塊對機器人機械臂進行動力學仿真，并根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣參數(shù)設(shè)計，后處理模塊具備非常強大的繪制曲線和動畫仿真功能，可以清楚直觀地表達各個關(guān)節(jié)的動力學特性，能夠確切的反映機械臂的動力學特性。將縱移關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與伸縮關(guān)節(jié)逐個進行動力學仿真，設(shè)置仿真時間為10s，步數(shù)為100，機械臂的材料為鋁合金，關(guān)節(jié)約束根據(jù)本文運動學相關(guān)參數(shù)設(shè)定，載荷根據(jù)本文動力學相關(guān)參數(shù)設(shè)定，仿真結(jié)束后調(diào)用后處理模塊ADAMS/PostProcessor，生成機器人機械臂縱移關(guān)節(jié)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)與伸縮關(guān)節(jié)力（角度）-力矩曲線如圖4、5、6所示。

表2 零部件常規(guī)特性與慣性特性

為了便于清楚直觀地表現(xiàn)機器人整體的運動狀態(tài)以及各物理量之間的耦合關(guān)系，將力（角度）-時間函數(shù)圖像與力矩-時間函數(shù)圖像整合在一個圖中，圖4～圖6中紅色實線對應左邊坐標軸，藍色虛線對應右邊坐標軸。根據(jù)得到的動力學特性仿真結(jié)果可知，縱移關(guān)節(jié)主要受到電機驅(qū)動力和關(guān)節(jié)滑動摩擦力的作用，將機械臂帶到輸電導線另外一側(cè)，為避免關(guān)節(jié)劇烈碰撞，驅(qū)動力恒定提供1s后緩慢減小，縱移滑臺在慣性作用下繼續(xù)縱向移動并減速，8-10s繼續(xù)提供驅(qū)動力對機械臂進行微調(diào)，使機械臂到達工作位置。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)受到電機轉(zhuǎn)矩和關(guān)節(jié)滑動摩擦力的作用轉(zhuǎn)動100deg，將機械臂翻轉(zhuǎn)至機體上方，角度均勻變化，3.2s機械臂翻轉(zhuǎn)至水平位置，此時力矩達到最大值。伸縮關(guān)節(jié)受到電機驅(qū)動力和關(guān)節(jié)摩擦力的作用，隨著伸縮關(guān)節(jié)向上伸長，重心上移，所需要的驅(qū)動力逐漸增大，重力在豎直方向上的分力呈正弦曲線變化，相應的力矩也呈近似正弦曲線變化。完整的機械臂動力學仿真過程表明，機器人在作業(yè)運動過程中運動軌跡曲線平滑，無停滯、卡頓、突變現(xiàn)象，驗證了機器人機械臂在檢修過程中所需要的驅(qū)動力和力矩設(shè)置合理、有效避免了驅(qū)動力矩過大或者過小造成的機器人機械臂作業(yè)事故和作業(yè)失敗的發(fā)生。綜上所述，機械臂動力學仿真實驗結(jié)果驗證了本文所建立的機械臂動力學模型正確，同時機械臂能滿足帶電檢修作業(yè)過程中的動力學要求，并表現(xiàn)出良好的動力學性能。

3.3 機械臂關(guān)節(jié)電氣參數(shù)優(yōu)化

由上述仿真實驗結(jié)果可得，各關(guān)節(jié)所需要的驅(qū)動力和力矩分別為18.98N、4490Nmm、26.76N，根據(jù)電機功率和轉(zhuǎn)矩計算關(guān)系P=F*v/1000，T=9550P/n。其中P為功率（kW），F(xiàn)為所需驅(qū)動力（N），v為機械臂線速度（m/s），n為電機額定轉(zhuǎn)速（r/min），T為轉(zhuǎn)矩（Nm），電機輸出轉(zhuǎn)矩須大于機器人工作時所需要的轉(zhuǎn)矩，減速箱減速比計算公式為：i=n1/n2，n1是減速箱輸入端的轉(zhuǎn)速，n2是減速箱輸出端的轉(zhuǎn)速。調(diào)用后處理模塊ADAMS/PostProcessor獲得縱移關(guān)節(jié)與伸縮關(guān)節(jié)最大線速度為0.045m/s、0.064m/s，代入換算得到轉(zhuǎn)矩分別為45.36 Nmm、67.58 Nmm。因此，在選擇機械臂關(guān)節(jié)電氣驅(qū)動器型號時可以選用Freud交流齒輪減速電機，同時，對照電機參數(shù)手冊可以確定機械臂各關(guān)節(jié)電機減速箱具體型號如表3所示。

表3 機械臂各關(guān)節(jié)電氣參數(shù)優(yōu)化

4 結(jié)論

（1）和行走于單導線上的雙輪移動作業(yè)機器人相比，本文所設(shè)計的四輪移動機器人能行走于四分裂輸電線路上，能夠適應四分裂輸電導線作業(yè)環(huán)境，其檢修范圍更為廣闊，實用性更強。

（2）通過四輪移動機器人的動力學建模及其動力學特性分析，獲取了機器人的最優(yōu)關(guān)節(jié)運動電氣控制參數(shù)，有效避免了關(guān)節(jié)電機力矩選取不適當造成的機器人作業(yè)事故與作業(yè)失敗的發(fā)生。

（3）ADAMS中的仿真實驗和分析驗證了本文所設(shè)計的機器人構(gòu)型能夠完成四分裂導線檢修作業(yè)，同時，仿真實驗也驗證了本文提出的機械構(gòu)型和動力學模型的工程實用性。

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Mechanical Structure Design and Motion Characteristics Analysis of Transmission Line Deicing Robot

KUANG Jiang-hua1,2, ZOU De-hua1,2, LIU Lan-lan1,2, ZHANG An3, JIANG Wei3*

（1. Live Inspection and Intelligent Operation Technology State Grid Corporation Laboratory (State Grid Hunan Transmission Maintenance Company), Changsha Hunan 410100, China; 2. Hunan Province Key Laboratory of Intelligent Live Working Technology and Equipment (ROBOT) (State Grid Hunan Transmission Maintenance Company), Changsha Hunan 410100, China; 3. School of Mechanical Engineering and Automation, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430200, China）

This article proposes a four-wheel mobile robot mechanism configuration and its end tool that can adapt to the walking and operation of multi-split transmission lines for the deicing task of the four-split transmission line. A dynamic model of the robotic arm is established. Based on this dynamic model, the dynamic characteristics of the robot are simulated in ADAMS. The results show that the robot mechanism proposed in this paper can complete the four-split deicing, and the robot joints motion of the robot meets the requirements of the driving torque during the operation process, and avoids the robot system operation failure and operation failure caused by insufficient driving force of the robot joint torque and excessive driving force. Finally, the mechanical configuration proposed in this paper is verified by the experiment. And the engineering practicality of the kinetic model. Through the research of this article, it has dual important theoretical significance and practical application value for the optimization of mechanical structure parameters and electrical control parameters of mobile robots on transmission lines.

multi-split line; mobile robot; mechanical configuration; motion characteristics; deicing operation

江維（1983-），男，講師，博士研究生，研究方向：機器人技術(shù)與系統(tǒng).

國網(wǎng)湖南省電力有限公司科技項目（5216AJ20000T）

TP24

A

2095－414X(2021)05－0033－07