一種電力巡檢機器人自主越障系統(tǒng)設(shè)計

池毓菲 張美鋒 黃子博 王懷祥

（1.福建華電可門發(fā)電有限公司 2.華電電力科學(xué)研究院有限公司）

0 引言

隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)的發(fā)展，人們對智能機器人的研究也日益深入。電力系統(tǒng)的發(fā)展使得機器人應(yīng)用成為迫切需求，電力系統(tǒng)的發(fā)展離不開輸電線路的支持，架空輸電線路長期處于裸露狀態(tài)，受外界環(huán)境的影響，不僅要承擔(dān)較大的負載，而且要經(jīng)受外部的侵害，從而導(dǎo)致線路長期處于各種異常狀態(tài)［1］。為此，需要對高壓輸電線路進行監(jiān)測，以確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。采用巡檢機器人，不但可以高效地完成此種作業(yè)，還可以通過對作業(yè)過程中的行為進行規(guī)劃，并根據(jù)實際情況自動產(chǎn)生相應(yīng)作業(yè)指示，從而實現(xiàn)對作業(yè)自動控制。針對目前的各種多變環(huán)境，傳統(tǒng)的機器人無法適應(yīng)各種越障要求，本文提出一種電力巡檢機器人自主越障系統(tǒng)。

1 電力巡檢機器人自主越障系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 自主越障控制器結(jié)構(gòu)

機器人的避障控制系統(tǒng)主要是利用LabVIEW技術(shù)，將獲得的多個數(shù)據(jù)進行整合，并進行數(shù)據(jù)集成。然后利用LabVIEW對數(shù)據(jù)進行綜合處理，最后將數(shù)據(jù)傳送給微控制器模塊。采用CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸，經(jīng)過微分驅(qū)動方式，控制電機向不同方向前進，進而實現(xiàn)對巡檢機器人姿態(tài)角的控制，達到躲避的目的［2］。自主越障控制器主要功能是自由地向前、后、左、右四個方向運動，并且在運動過程中，根據(jù)計算的距離、位置對所經(jīng)過的障礙物進行躲避。利用光電編碼器對機器人的運動軌跡進行跟蹤，達到對機器人運動位置定位的目的［3］。

1.1.1 上、下位機結(jié)構(gòu)設(shè)計

自主越障的電力巡檢機器人上、下位機是控制器的核心結(jié)構(gòu)，其中上位機使用的是一種RS232串行通訊線纜，該線纜直接與下位機相連，負責(zé)數(shù)據(jù)交換。在上位機中安裝一個激光測距儀，該儀器負責(zé)自主越障數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，通過顯示內(nèi)容控制移動機器人。計算機的主要作用是對計算機的數(shù)據(jù)進行分析和判斷，并對下位機發(fā)出控制命令［4］。

1.1.2 機身爬行臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前架空高壓輸電線路巡檢機器人主體結(jié)構(gòu)主要包括爬動臂和承載探測設(shè)備的主體，爬行臂的結(jié)構(gòu)也是由不同的機械結(jié)構(gòu)決定的。因此，使用一種三臂機器人，該機器人體型大、作業(yè)空間大，可以克服很多困難。另外，三臂伸縮性更好，能攜帶更多的電力，因此能提高機器人巡檢效率。三臂巡檢機器人通過障礙時，其平衡塊向后運動，由轉(zhuǎn)動機械帶動的電纜脫離，中、后肢沿著一條直線行進，使前臂通過障礙，實現(xiàn)前臂越障。如圖1所示的對稱三臂的一只手臂的示意圖，其手臂是一個帶有偏心基座的雙連桿平面機械手。通過假設(shè)機器人導(dǎo)線在避障過程中剛性連接，可以通過對流生成單臂的運動學(xué)參數(shù)。因此，機器人手臂的運動學(xué)和動力學(xué)建模可以簡化為僅避障階段。當(dāng)前臂克服障礙時，把平衡塊調(diào)節(jié)到巡檢機器人箱體的中部［5］。中臂下降以躲避障礙，然后繼續(xù)前進直至中臂越過障礙。后臂重復(fù)前臂越障機理，完成整體越障。

圖1 一種基于單臂的三臂機器人建模示意圖

1.1.3 恒力矩夾持機構(gòu)

機器人在巡檢過程中難免會遇到爬坡問題，因此，爬坡能力成為衡量機器人穩(wěn)定巡檢的一項重要指標。對于提高巡檢機器人爬坡能力主要有兩種措施，一種是增加機器人行走輪和線路之間的摩擦力，另一種是增加機器人自身重力。通常情況下，巡檢機器人都是采用增加自身重力的方式，在每一個移動輪的下面設(shè)有兩個夾持輪，每一個夾持輪通過旋轉(zhuǎn)軸與機械手連接，從而可以上下移動，完成夾持和松脫的操作。充分考慮輪子過分夾緊會導(dǎo)致行走輪輪槽與地面之間摩擦增大的問題。因此，使用一種雙夾緊的輪子結(jié)構(gòu)，使巡檢機器人在爬坡時能夠適應(yīng)線路角度的變化。

為了保證機器人在爬坡過程中的穩(wěn)定性，必須將夾持輪移至副軸的位置，從而實現(xiàn)動力的平衡。通過機器人本身的傾斜度傳感器來提高機器人的兩臂高度差，從而可以計算出機器人的直線角，確保機器人在穿越障礙物時始終處于平穩(wěn)狀態(tài)。

1.2 自主越障感應(yīng)傳感器

自主越障感應(yīng)傳感器主要包括兩種，PAR傳感器和TSR傳感器，對于這兩種傳感器的功能如下所示。

（1）PAR傳感器

PAR傳感器易于使用，可以在全天候使用，并且可以與數(shù)字伏特計的數(shù)據(jù)采集裝置直接相連，其主要功能是測量400～700nm的自然光的光合作用。

（2）TSR傳感器

TSR傳感器的運動基準裝置能夠滿足不同靜態(tài)和動態(tài)條件需要，其主要目標是高精度、高可靠性地檢測障礙物。V形導(dǎo)向滾子是一種帶有一體化測量放大器的球軸承的張力傳感器，它能夠輸出多種類型的信號，包括模擬、數(shù)字（可選）、電流（可選）、模擬DMS（可選），是一種具有機械防護的張力傳感器，便于操作者對所述定制的材質(zhì)進行校正，并可用于不同的輥子。

2 電力巡檢機器人自主越障功能設(shè)計

隨著我國電力系統(tǒng)日益依賴電力網(wǎng)絡(luò)，電力系統(tǒng)的運行可靠性問題日益突出。通過采用機器人對高壓輸電線路進行巡檢，可以降低巡檢人員的勞動強度（見圖2）。同時還能對某些人工巡視的盲點進行有效地探測，從而保證電纜的安全、可靠，保證輸電線路正常運行。

圖2 智能巡檢機器人

2.1 電力巡檢機器人自主越障行為控制

由于機器人在障礙時受到多個可控多個節(jié)點的干擾，使得其動作過程變得更加復(fù)雜，從而使其難以進行操作。由于機器人自身依賴的關(guān)節(jié)運動軌跡在線規(guī)劃是一個非常復(fù)雜的任務(wù)，為了使其具有更好自動越障能力，需要事先制定好離線操作規(guī)劃，然后根據(jù)操作順序進行自動越障。然而，由于障礙物種類繁多，且其真實的姿態(tài)難以預(yù)料，因而難以準確地進行越障運動。因此，采用線上與線下的方法，結(jié)合現(xiàn)有脫機計劃，針對實際狀況，對障礙越障行為進行合理在線規(guī)劃，以達到一種流暢越障行為。采用生成式系統(tǒng)的層次規(guī)劃方法，以達到機器人越障行為規(guī)劃目的。計劃的實施可分為行為層面和動作層面兩個層次。其中行為層面并不直接對關(guān)節(jié)進行控制，而需要完成諸如前肢脫線、越障等行為命令；動作層面不同于行為層面，主要是執(zhí)行機構(gòu)的活動關(guān)節(jié)驅(qū)動，并對電機運行方向、速度、停止等進行控制。通過在行為層面上進行規(guī)劃，利用行動序列知識庫對所規(guī)劃的宏指令進行解釋，產(chǎn)生一系列的關(guān)節(jié)動作，完成對機器人運動控制。這種方法可以有效地解決很多不確定的離線規(guī)劃問題，同時也可以避免在線上進行復(fù)雜的規(guī)劃操作，從而使機器人能夠更好地完成對障礙的控制。

2.2 電力巡檢機器人自主越障姿態(tài)角調(diào)整

在越障機器人的越障規(guī)劃中，姿態(tài)調(diào)整是一個非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它可以保證系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定，保證機器人在越障過程中的重心分布均勻，也可以保持手臂的力量均衡，以確保越障時的穩(wěn)定。要越過障礙物，機器人必須一個機械臂掛在空中，另一個機械臂從電線上穿過障礙物，并使臂架能夠移動到障礙物的另一側(cè)，從而越障（見圖3），然后才能重新回到線上。該系統(tǒng)在線工作時，采用了重心調(diào)整機構(gòu)，使機器人的運動保持穩(wěn)定。為了實現(xiàn)機器人的脫機，必須保證輥子和架空接地線之間不能有強烈的交互作用。

圖3 機器人越障過程

對于機械臂上線定位控制步驟為：在進行臂部上線運動定位時，由于現(xiàn)場線路的風(fēng)向以及自身姿勢的調(diào)整，導(dǎo)致出現(xiàn)搖擺后，必須不斷地進行調(diào)整，從而延長了定位操作的時間。通過計算滾筒、扶手、架空線的相互關(guān)系，調(diào)節(jié)機械臂的姿勢，使其能夠迅速地實現(xiàn)在線操作，從而提高工作效率。將一個機械吊在空中，另一個機械臂完成自動越障，然后再重新回到地面，得到另一個機械臂、夾爪和滾輪的角度偏差，由此完成上線操作。

3 案例分析

通過對高壓輸電線路的測試，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線金具可以有效地保護高壓線路，并在導(dǎo)線上設(shè)置相應(yīng)的導(dǎo)線金具。機器人在進行線路檢測時，難免會碰到一些障礙，如金屬刀具。在巡線機器人越障作業(yè)中，如何合理地完成巡線作業(yè)是其關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，利用機身重力使行走輪與繩索間產(chǎn)生相對摩擦，使其能夠沿著一條直線行進。當(dāng)遇到障礙時，這些機器人很可能會導(dǎo)致機身失去平衡，在一些大角度的線路上會發(fā)生打滑現(xiàn)象。為了確保機器人在越障時的穩(wěn)定，并在行走輪下面加入夾具，從而提高了作業(yè)的安全性和可靠性。在輸電線路上常用的幾種導(dǎo)線金具，從外形上看，可以看出有相同的地方，即都是長條形，且平行于軸線和線纜，其中尺寸最大的為防震錘。

本文通過對機器人在架空接地線上的撞擊擊打作為實例，對其越障進行分析：

階段一：由左至右的巡檢機器人，靠近右沖撞錘的軌道臂叫做前臂，而左邊的軌道臂叫做后臂。這時，機器人在直線上行進，兩個夾緊裝置處于松弛狀態(tài)。當(dāng)機械人靠近撞擊錘子時，機械臂上的測距感應(yīng)器會發(fā)出訊號，使機械手停止運動，進行下一步的越障。

階段二：機器人在接收到右臂前的感應(yīng)器信號時，就會停止動作，由夾持機構(gòu)的滾珠絲杠帶動夾持纜索上升，再由前臂氣鉗帶動一周完成動作，并分別圍繞主動輪和主動輪行走，機器人圍繞纜索行走。

階段三：后臂夾緊裝置夾住鋼索，使其保持身體的穩(wěn)定。通過俯仰機構(gòu)的運動，使機器人的前臂豎直運動，而行走輪則下降，直至繞過障礙為止，這個距離被一個用于控制前臂的下降傳感器監(jiān)測和反饋。

階段四：當(dāng)前臂脫離了纜線時，機身通過行走輪和后臂夾持裝置，使身體保持平穩(wěn)。之后，后臂行走電機會將行走輪向前推，直至前輪越過防震錘，機器人在后臂上的感應(yīng)器探測到防震錘時就會停止運動。

階段五：機器人的前臂越過障礙物，再由電動推桿推動其向前運動。前臂重新上線，直至感應(yīng)器確認纜線并越過纜線。

階段六：當(dāng)機械臂通過障礙時，前臂行走輪會進行閉合動作，再次夾持由空氣鉗驅(qū)動的鋼索，前臂夾持機構(gòu)將滾珠螺桿帶動的鋼索夾住，以實現(xiàn)前臂越障。

巡線機器人完成了一套前端爬行臂的越障動作，然后機器人后端爬行臂又重復(fù)了與前端爬行臂越障相同的動作，由此完成機器人整體的越障。

根據(jù)上述內(nèi)容，將傳統(tǒng)系統(tǒng)與自主越障系統(tǒng)的避障效果進行對比分析，結(jié)果如下表所示。

表 兩種系統(tǒng)避障效果對比分析

由表可知，當(dāng)障礙物靜止時，使用傳統(tǒng)系統(tǒng)最高避障效果為50%，使用自主越障系統(tǒng)最高避障效果為98%；當(dāng)障礙物動態(tài)時，使用傳統(tǒng)系統(tǒng)最高避障效果為46%，使用自主越障系統(tǒng)最高避障效果為95%。

為了驗證機器人的穩(wěn)定性，采用可調(diào)節(jié)角度的仿真回路，并利用角度補償恒力矩保持器的夾持力，對不同方向的機器人進行越障試驗。

（1）穩(wěn)定風(fēng)作用

由于風(fēng)在方向的隨機性，在穩(wěn)定風(fēng)荷載作用下，由于其本身的自重和摩擦作用，其沿風(fēng)向和豎直方向均比機械臂小，而在沿軸向風(fēng)向最大時，則會出現(xiàn)一個撓度。當(dāng)巡檢機器人在檢測線纜時，若機身搖擺或傾斜角太大，會使相機無法聚焦，造成巡檢圖像模糊不清，從而影響檢測效果。通過在機架的底板上加裝角度傳感器，設(shè)定適當(dāng)最大傾角，在預(yù)設(shè)值以上時，機架上的風(fēng)向會產(chǎn)生很大傾角，在風(fēng)壓強情況下，機架傾角可以被實時地調(diào)節(jié)，夾持機構(gòu)由馬達帶動夾持纜索，增大沿軸摩擦力，減小風(fēng)對機器人工作性能影響。

（2）脈動風(fēng)作用

脈動風(fēng)的風(fēng)速是隨著時間推移而變化的，為了分析脈動風(fēng)對機器人穩(wěn)定性影響，必須對其進行動態(tài)分析。由于脈動風(fēng)的存在，使機器人產(chǎn)生了風(fēng)振效應(yīng)，從而使機器人能夠在風(fēng)的作用下繼續(xù)工作。另外，當(dāng)機器人的搖擺幅度超出設(shè)定值時，通過夾緊機構(gòu)夾持纜繩，使其不能繼續(xù)運動，從而保證了機器人線上作業(yè)安全性。

4 結(jié)束語

巡線機器人的越障作業(yè)是一種非常復(fù)雜的作業(yè)，在作業(yè)中會發(fā)生很多無法預(yù)料的狀況。因此，基于邊緣特征的提取，可以實現(xiàn)電力巡檢機器人的自動越障，從而達到自動越障的智能行為。該系統(tǒng)不但適合于巡邏機器人的自動越障，同時對于一些控制量大、控制邏輯復(fù)雜的控制系統(tǒng)也有一定的參考價值。機器人自動避障是一種非常重要的、有效的智能控制方式，該系統(tǒng)可以根據(jù)模擬試驗的結(jié)果，對各種技術(shù)參數(shù)、設(shè)計思想、規(guī)則進行優(yōu)化，具有很強的靈活性。