多分裂輸電線路末端自重構(gòu)移動作業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊洋, 王建, 董新勝, 李孟, 趙冥冠, 葉寶安

(1. 國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院， 烏魯木齊 830000； 2. 武漢康普常青軟件技術(shù)股份有限公司， 武漢 430073)

隨著電力能源需求的不斷增加和超高壓技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的輸電線路日趨復(fù)雜, 特別是異構(gòu)電網(wǎng)環(huán)境下的輸電線路的檢修和維護(hù)作業(yè)更加困難。目前，220 kV以上的高壓輸電線路[1-3]是中國輸電線路的主體和骨干，傳統(tǒng)的輸電線路雙輪移動檢修機(jī)器人[4-6]只能應(yīng)用于單導(dǎo)線及220 kV以下電壓等級的檢修作業(yè)，為實(shí)現(xiàn)超高壓電網(wǎng)維修作業(yè)，開發(fā)多分裂輸電線路檢修機(jī)器人實(shí)現(xiàn)220 kV及以上等級更高電壓輸電線路成為研究熱點(diǎn)。另外從目前的研究來看，輸電線路檢修機(jī)器人多面向單作業(yè)任務(wù)，而輸電線路作業(yè)任務(wù)種類繁多，已有面向多任務(wù)的可重構(gòu)作業(yè)機(jī)器人[7-8]能夠一定程度上解決機(jī)器人“一機(jī)多用”問題提升作業(yè)效率，但是大多無法進(jìn)行自主更換作業(yè)末端，而需要機(jī)器人離線到地面由人工進(jìn)行更換，人工更換的過程甚至難于作業(yè)過程本身，作業(yè)效率大打折扣。此外，還有一些研究快速更換末端的方法[9-12]，并應(yīng)用于輸電線路帶電作業(yè)智能裝備末端快速更換，這些方法的優(yōu)點(diǎn)在于降低需要耗費(fèi)的時(shí)間，能夠極大的提高工作效率，但其缺點(diǎn)就在于整個(gè)機(jī)器人體積過于龐大，不便于攜帶，特別是在野外復(fù)雜環(huán)境下難以實(shí)用化。國外具有代表性的研究機(jī)構(gòu)有 AGI 公司[13]、ATI 公司[14]和 RAD 公司[15]等都需要機(jī)器人離線到地面由人工進(jìn)行更換，但這些自更換裝置的對接方式都采用剛性對接，并且只能固定在一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行末端更換。因此，亟需開發(fā)適用于多分裂輸電線路環(huán)境下的移動作業(yè)機(jī)器人[16-18]及其末端在線自重構(gòu)來改善上述作業(yè)末端體積大、固定點(diǎn)更換等缺點(diǎn)，從而提升作業(yè)效率及其復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下的實(shí)用性問題。

基于上述分析，提出了一種復(fù)雜輸電線路環(huán)境下四輪機(jī)器人基本構(gòu)型，通過搭載機(jī)械臂作業(yè)末端自重構(gòu)裝置實(shí)現(xiàn)了作業(yè)末端線上自重構(gòu)，通過合理的運(yùn)動規(guī)劃，利用機(jī)器人作業(yè)臂的5個(gè)關(guān)節(jié)及其移動平臺對搭載于機(jī)器人本體后端的作業(yè)末端實(shí)現(xiàn)定向的抓取后進(jìn)行作業(yè)，再返回后端更換其末端，其整個(gè)過程即作業(yè)末端的自重構(gòu)。與常規(guī)的離線人工更換作業(yè)末端方式相比，該自重構(gòu)機(jī)構(gòu)采用五自由度的作業(yè)臂能夠靈活抓取作業(yè)末端，并通過移動平臺能使自重構(gòu)機(jī)構(gòu)在機(jī)器人的機(jī)體導(dǎo)軌上移動。同時(shí)該機(jī)器人也采用四輪驅(qū)動模式，適應(yīng)了多分裂輸電線路的基本結(jié)構(gòu)，通用性更強(qiáng)，同時(shí)通過對該機(jī)器人機(jī)構(gòu)末端重構(gòu)過程中的運(yùn)動學(xué)的理論建模和仿真研究分析，驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)構(gòu)末端自重構(gòu)的可行性和有效性。對輸電線路的智能運(yùn)維管理具有重要理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 輸電線路機(jī)器人末端自重構(gòu)作業(yè)任務(wù)分析

輸電線路帶電作業(yè)環(huán)境主要由桿塔、電線、絕緣子串、線路金具、電線塔基礎(chǔ)，接地裝置等組成，并架設(shè)于地面之上。其中絕緣子串是輸電線路運(yùn)行需要的保護(hù)裝置, 用于懸掛導(dǎo)線并使導(dǎo)線與桿塔和大地絕緣的作用。防震錘安裝于輸電導(dǎo)線之上，主要用于穩(wěn)定輸電線路，特別是大檔距輸電線路在風(fēng)載荷和外力作用下所引起的導(dǎo)線振動與舞動。引流板架設(shè)于導(dǎo)線一側(cè)至另外一側(cè)用于支撐導(dǎo)線，上述金具的正常工作是輸電線路穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，任何一項(xiàng)出現(xiàn)故障，輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行都會受到嚴(yán)重威脅，而輸電檢修機(jī)器人正是在該環(huán)境下實(shí)現(xiàn)線路檢修維護(hù)作業(yè)的智能化裝備。復(fù)雜的輸電線路作業(yè)環(huán)境給機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和作業(yè)提出了更高要求，以面向雙作業(yè)任務(wù)的可重構(gòu)系統(tǒng)為研究對象，機(jī)器人及其搭載的絕緣子作業(yè)末端和引流板作業(yè)末端采用模塊化顯示，其中機(jī)器人由4個(gè)行走輪和4個(gè)固定臂連接在機(jī)器人機(jī)體上，機(jī)器人機(jī)體下方還有一個(gè)控制箱一組絕緣子末端和一組引流板末端，它們放置在機(jī)器人機(jī)體的后端的機(jī)器人末端執(zhí)行器放置板上，機(jī)器人通過4個(gè)行走行駛于超高壓多分裂導(dǎo)線上。當(dāng)面向不同的作業(yè)需求時(shí)，需將一組作業(yè)末端即兩個(gè)成組的末端放置在機(jī)器人機(jī)體的前端的左右各一邊再展開作業(yè)。故需要先由第一組絕緣子末端放置在機(jī)器人機(jī)體前端，作業(yè)完成后再放回機(jī)器人機(jī)體后端，再將第二組引流板末端放置在機(jī)器人機(jī)體的前端，再展開作業(yè)，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)末端自重構(gòu)的主要流程圖如圖1所示。

2 機(jī)器人構(gòu)型與末端自重構(gòu)方法設(shè)計(jì)

2.1 移動機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于絕緣子末端和引流板末端都需要同時(shí)位于在機(jī)器人機(jī)體前端的左右各兩邊展開作業(yè)。因此，需設(shè)計(jì)兩個(gè)作業(yè)臂來抓取兩個(gè)成套的末端，其抓取末端后展開作業(yè)，為了保持整個(gè)機(jī)器人的平穩(wěn)性，作業(yè)臂需放置在機(jī)器人機(jī)體的前端。為避免其機(jī)械手過短而導(dǎo)致抓不到末端，太長而影響整個(gè)機(jī)器人的體積和自重構(gòu)作業(yè)過程中的與機(jī)器人機(jī)體的碰撞。因此，需設(shè)計(jì)其移動平臺，使機(jī)械手能夠相對靈活得在機(jī)器人機(jī)體上移動，而避免上述機(jī)械手太長和太短的問題。雙作業(yè)臂需通過移動平臺在機(jī)器人機(jī)體的左右前后移動，如左機(jī)械臂先向右移到機(jī)器人機(jī)體的中間，再移動到機(jī)體后端，再通過機(jī)械手的運(yùn)動來抓取末端，再移動到機(jī)器人機(jī)體的前端中間，再向左移返回原處。最后，按照抓取末端的路線返回機(jī)器人機(jī)體后端，放置其抓取的末端，再抓取第二套作業(yè)末端，其移動路線與抓取第一套作業(yè)末端相同。因此，基于上述分析可設(shè)計(jì)得到機(jī)器人移動平臺的實(shí)體模型如圖2所示。

圖2 末端自重構(gòu)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Mechanical structure diagram of terminal self-reconfigurable robot

2.2 機(jī)械臂系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計(jì)

機(jī)械臂搭載作業(yè)末端工具進(jìn)行作業(yè)，單個(gè)機(jī)械臂共有5個(gè)自由度。對于輸電線路在上端和放置在機(jī)器人機(jī)體后端的作業(yè)末端有高低差，故此設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)1關(guān)節(jié)和伸縮2關(guān)節(jié)來克服其高低差，由于作業(yè)末端不一定剛好和機(jī)器人的機(jī)體在同一豎直平面，旋轉(zhuǎn)3關(guān)節(jié)是實(shí)現(xiàn)水平面的無死角覆蓋。旋轉(zhuǎn)4關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)5關(guān)節(jié)加起來就是一個(gè)球關(guān)節(jié)，是為了實(shí)現(xiàn)對于作業(yè)末端的靈活精確抓取。機(jī)器人左右兩端各放置一個(gè)這樣的機(jī)械臂，來抓取和放置末端。通過各關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)器人線上末端自重構(gòu)作業(yè)任務(wù)。

2.3 機(jī)器人虛擬樣機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過移動機(jī)器人和機(jī)械臂系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)可得到末端自重構(gòu)機(jī)器人的完整虛擬樣機(jī)模型如圖3(a)所示，機(jī)器人機(jī)體的左右各搭載一個(gè)機(jī)械臂。如圖3(b)所示，機(jī)械手的末端法蘭盤上有定位銷的配合孔再與作業(yè)末端上的定位銷配合，使其能夠輕松抓取和精準(zhǔn)定位，抓取末端后，作業(yè)臂返回作業(yè)位置，通過機(jī)械手調(diào)整作業(yè)末端位置，通過壓力傳感器檢測的數(shù)據(jù)判斷其作業(yè)末端是否平穩(wěn)調(diào)整到位，機(jī)器人通過雙臂各關(guān)節(jié)的協(xié)同運(yùn)動完成線上末端自重構(gòu)作業(yè)。

圖3 移動機(jī)器人及其搭載的機(jī)械臂Fig.3 Mobile robot and its equipped mechanical arm

2.4 機(jī)器人末端自重構(gòu)作業(yè)運(yùn)動規(guī)劃

輸電線路檢修機(jī)器人作業(yè)末端自重構(gòu)運(yùn)動規(guī)劃總體上可以分為兩大步：第一步是左右機(jī)械臂對末端1和末端2分別抓取后再展開作業(yè)，其中首先是最初始位置，左右兩個(gè)作業(yè)臂的頭部對著機(jī)器人機(jī)體后端，左機(jī)械臂移動到機(jī)體后端，左機(jī)械臂抓取末端1并返回作業(yè)位置，右作業(yè)臂移動到機(jī)器人機(jī)體后端，右作業(yè)臂抓取末端2并返回作業(yè)位置，一套作業(yè)末端的抓取完成并同時(shí)展開作業(yè)；第二步是作業(yè)完成后再由左機(jī)械臂將末端1放回機(jī)體后端并抓取末端3，左作業(yè)臂和抓取的末端3返回作業(yè)位置，右作業(yè)臂放回末端2并抓取末端4，右作業(yè)臂和抓取的末端4返回作業(yè)位置，通過上述關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)機(jī)器人線上末端自重構(gòu)，其主要作業(yè)運(yùn)動規(guī)劃示意圖如圖4所示。

圖4 末端自重構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動規(guī)劃Fig.4 Motion planning of terminal self-reconfigurable system

3 末端自重構(gòu)過程的運(yùn)動學(xué)建模與分析

3.1 D-H運(yùn)動學(xué)坐標(biāo)系的建立與D-H參數(shù)

末端重構(gòu)機(jī)器人線上完成末端可重構(gòu)作業(yè)要求機(jī)械手實(shí)現(xiàn)末端工具的靈活抓取，除了機(jī)械臂與作業(yè)環(huán)境之間不能干涉外，機(jī)械臂和機(jī)器人機(jī)體之間也是不能碰撞，因此，必須實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端自重構(gòu)過程中的無碰避障運(yùn)動規(guī)劃，而機(jī)器人運(yùn)動學(xué)建模與分析是無碰避障運(yùn)動規(guī)劃的基礎(chǔ)。首先，建立機(jī)器人自重構(gòu)機(jī)械臂的Denavit-Hartenberg(D-H)坐標(biāo)運(yùn)動學(xué)模型如圖5所示，再根據(jù)其運(yùn)動學(xué)模型和作業(yè)任務(wù)需求建立機(jī)器人，D-H參數(shù)如表1所示。

x為橫向坐標(biāo)；z為豎向坐標(biāo)；x0～x5為各關(guān)節(jié)橫向偏置量；z0～z5為各關(guān)節(jié)豎向偏置量；θ1、θ3、θ4、θ5為關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度；d1、d2、d3、d4為各關(guān)節(jié)之間的連桿長度圖5 機(jī)器人機(jī)械臂的D-H運(yùn)動學(xué)坐標(biāo)模型Fig.5 D-H Kinematics coordinate model of robot manipulator

表1 自重構(gòu)機(jī)器人機(jī)械臂D-H參數(shù)Table 1 Self-reconfigurable robot arm D-H parameters

3.2 運(yùn)動學(xué)正解理論推導(dǎo)與計(jì)算

基于運(yùn)動學(xué)坐標(biāo)模型(圖5)和D-H參數(shù)(表1)，可得到機(jī)械手每兩個(gè)相鄰關(guān)節(jié)之間的齊次變換矩陣如式(1)所示。通過齊次變換矩陣的疊乘和機(jī)械臂的移動平臺和其末端法蘭盤的總變換建立等式關(guān)系，可得到機(jī)器人運(yùn)動學(xué)正解為

(1)

(2)

式中：C、S分別為余弦函數(shù)和正弦函數(shù)的縮寫；下標(biāo)數(shù)字為不同關(guān)節(jié)；nx、ny、nz、ox、oy、oz、ax、ay、az為機(jī)械臂末端x、y、z方向上的位置、姿態(tài)及扭矩。

3.3 運(yùn)動學(xué)逆解理論推導(dǎo)與計(jì)算

=A2A3A4A5

(3)

(4)

根據(jù)式(4)等式左右矩陣的對比建立等式，并結(jié)合關(guān)節(jié)運(yùn)動幾何關(guān)系可以得到機(jī)械臂的兩個(gè)關(guān)節(jié)角，可表示為

(5)

=A5

(6)

根據(jù)式(6)再將式(1)的矩陣代入得

(7)

根據(jù)式(7)左右矩陣對比可求出機(jī)械臂的另外兩個(gè)關(guān)節(jié)角如式(8)所示。通過式(5)和式(8)可得到任何機(jī)器人位于任何位姿的所需的關(guān)節(jié)量為

(8)

4 仿真實(shí)驗(yàn)研究

4.1 基于運(yùn)動學(xué)的機(jī)器人機(jī)械臂末端作業(yè)空間仿真

自重構(gòu)作業(yè)機(jī)器人的末端運(yùn)動空間分析是實(shí)現(xiàn)作業(yè)過程無碰撞避障的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵，為避免自重構(gòu)機(jī)器人與其帶電作業(yè)機(jī)器人機(jī)體發(fā)生碰撞，限制旋轉(zhuǎn)1關(guān)節(jié)以豎直平面為基礎(chǔ)左右旋轉(zhuǎn)范圍為0°～60°，伸縮2關(guān)節(jié)的伸縮范圍為0～200 mm，旋轉(zhuǎn)4和旋轉(zhuǎn)5不影響與機(jī)體碰撞，故不加限制。運(yùn)用蒙特卡洛法結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)在MATLAB軟件里面仿真得到的作業(yè)空間效果如圖6所示，蒙特卡羅法求解作業(yè)空間的基本思路為，機(jī)械臂的各個(gè)關(guān)節(jié)的參數(shù)在一定的取值范圍內(nèi)隨機(jī)取值，通過運(yùn)動學(xué)正解計(jì)算其位姿，通過不斷計(jì)算，機(jī)械臂末端所能達(dá)的所有空間點(diǎn)的組合就構(gòu)成機(jī)械臂的作業(yè)空間。

可達(dá)作業(yè)空間范圍的相關(guān)仿真結(jié)果如表2所示。結(jié)合表2和圖6，分析可知以機(jī)器人為中心的水平面

圖6 自重構(gòu)機(jī)器人作業(yè)空間仿真Fig.6 Self-reconfigurable robot work space simulation

表2 自重構(gòu)機(jī)器人末端可達(dá)作業(yè)空間范圍Table 2 Self-reconfigurable robot end reachable working space

上半徑為200～250 mm范圍和豎直平面即z軸的20～420 mm范圍的點(diǎn)云密集，越往外圈的點(diǎn)云越稀疏，能夠滿足機(jī)器人末端重構(gòu)及作業(yè)的運(yùn)動需求。

4.2 基于運(yùn)動學(xué)的關(guān)節(jié)運(yùn)動軌跡規(guī)劃仿真

以自重構(gòu)機(jī)器人單作業(yè)臂運(yùn)動為例進(jìn)行仿真研究，設(shè)定機(jī)器人的初始位姿如圖7(a)所示。然后移動平臺開始移動帶著機(jī)器人靠近機(jī)體后端的末端執(zhí)行器放置板，再調(diào)整機(jī)械臂的角度使其機(jī)械手抓取末端如圖7(b)所示，最后，自重構(gòu)機(jī)器人和抓取的末端返回作業(yè)位置，調(diào)整自重構(gòu)機(jī)器人的角度，

圖7 自重構(gòu)機(jī)器人運(yùn)動軌跡仿真Fig.7 Self-reconfigurable robot motion trajectory simulation

第一個(gè)末端執(zhí)行器開始作業(yè)，作業(yè)完成后再由機(jī)械臂將其第一個(gè)末端放回機(jī)體后端并取第二個(gè)末端。最后由自重構(gòu)機(jī)器人帶著第二個(gè)末端返回作業(yè)位置，第二個(gè)末端執(zhí)行器開始作業(yè)。上述過程為機(jī)械臂一末端執(zhí)行器的在線自重構(gòu)過程，機(jī)械臂二的作業(yè)末端自重構(gòu)過程與此完全相同。

基于上述末端重構(gòu)運(yùn)動過程，利用三次多項(xiàng)式插值，對路徑中任意兩個(gè)點(diǎn)的軌跡進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)定末端起點(diǎn)qA=[1 0 0 200;0 1 0 200;0 0 1 150;0 0 0 1], 終止點(diǎn)qB=[1 0 0 200;0 0 1 -300;0 0 1 200;0 0 0 1],運(yùn)動時(shí)間t=30 s,每隔0.1 s記錄位移和時(shí)間的關(guān)系，圖8(a)為末端從qA運(yùn)動到qB的軌跡曲線圖，根據(jù)其三維坐標(biāo)的范圍可知滿足表2作業(yè)空間范圍要求，因此，其軌跡運(yùn)動在仿真空間點(diǎn)云圖覆蓋的范圍內(nèi)。圖8(b)清晰地反映了每個(gè)關(guān)節(jié)的位移隨時(shí)間變化的情況，且各關(guān)節(jié)運(yùn)動曲線平滑、連續(xù)、沒有突變，無拐點(diǎn)，因此，機(jī)器人作業(yè)過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、沖擊較小、不會產(chǎn)生過大的振動，軌跡規(guī)劃合理，可以滿足自重構(gòu)和作業(yè)過程的運(yùn)動要求，進(jìn)一步驗(yàn)證了自重構(gòu)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和有效性。

圖8 自重構(gòu)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動仿真Fig.8 Self-reconfigurable robot joint motion simulation

5 結(jié)論

(1)針對輸電檢修機(jī)器人末端手動重構(gòu)方式的復(fù)雜性，提出了一種能夠適應(yīng)二分裂和四分裂輸電導(dǎo)線線上行走的移動機(jī)器人構(gòu)型及其機(jī)械臂作業(yè)末端的線上自重構(gòu)方法，和常規(guī)重構(gòu)方式相比不僅提升了機(jī)器人整體作業(yè)效率，而且增強(qiáng)了機(jī)器人的作業(yè)智能性。

(2)通過D-H參數(shù)及坐標(biāo)系的建立得到機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)的理論模型為機(jī)器人末端自重構(gòu)作業(yè)運(yùn)動規(guī)劃，機(jī)器人末端作業(yè)空間分析，機(jī)器人機(jī)械臂末端的自主定位控制奠定了理論基礎(chǔ)。

(3)在MATLAB環(huán)境下利用機(jī)器人工具箱RobotToolbox建立了機(jī)器人機(jī)械臂及其末端的仿真運(yùn)動模型，分別進(jìn)行了機(jī)械臂末端的作業(yè)空間仿真和機(jī)械臂的作業(yè)運(yùn)動規(guī)劃，仿真結(jié)果表明，末端能夠無盲區(qū)的到達(dá)作業(yè)空間，同時(shí)自重構(gòu)作業(yè)過程中關(guān)節(jié)運(yùn)動連續(xù)、流暢、平穩(wěn)。