一種雙臂四輪輸電線路巡檢機(jī)器人的研制

劉愛華，羅恩博，李浩濤，常 勇

（1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，遼寧 沈陽 110016；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

1 引言

輸電線路是電力系統(tǒng)極為重要的組成部分，為了保證其安全穩(wěn)定的運(yùn)行，需要定期進(jìn)行巡視檢查。目前采用的方法主要有人工巡檢和直升機(jī)巡檢。人工巡檢的效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)性高；直升機(jī)巡檢的費(fèi)用昂貴，巡檢質(zhì)量易受氣候影響。國際上對(duì)輸電線路巡檢機(jī)器人技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，日本、美國、加拿大、巴西、泰國等國都對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行了不同程度的研究。國內(nèi)的研究始于90年代，國內(nèi)主要研究單位有武漢大學(xué)，沈陽自動(dòng)化所，山東大學(xué)等。機(jī)器人巡檢目前還處于研制階段，尚未在輸電線路巡檢實(shí)際作業(yè)中得到實(shí)際應(yīng)用。根據(jù)機(jī)器人機(jī)構(gòu)是否具有跨越桿塔障礙物的功能，可將巡檢機(jī)器人分為一檔內(nèi)巡檢機(jī)器人和具有越障功能的巡檢機(jī)器人。文獻(xiàn)［1］主要對(duì)一檔內(nèi)巡檢機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行了研究，解決了電磁屏蔽、圖像傳輸和數(shù)據(jù)通訊等問題。文獻(xiàn)［4］研制了輪臂復(fù)合型巡檢機(jī)器人，提出質(zhì)量調(diào)節(jié)的控制方法。文獻(xiàn)［7］研制了光纖復(fù)合架空地線（OPGW）巡檢機(jī)器人，采用搭接弧形臂的方式跨越桿塔。文獻(xiàn)［8］開發(fā)研制了具有越障功能的Expliner巡檢機(jī)器人，操作臂與箱體結(jié)合實(shí)現(xiàn)了質(zhì)心的快速調(diào)節(jié)，但是機(jī)器人機(jī)構(gòu)尺寸過于龐大。

在國內(nèi)外各種巡檢機(jī)器人樣機(jī)研究的基礎(chǔ)上，研制了一種新型的雙臂四輪巡檢機(jī)器人樣機(jī)，介紹了這種機(jī)器人樣機(jī)的機(jī)構(gòu)構(gòu)型及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，詳細(xì)分析了機(jī)器人跨越防震錘及單掛點(diǎn)懸垂金具的過程，最后在實(shí)驗(yàn)室建立了輸電線路的模擬環(huán)境，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與越障過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2 巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)

機(jī)器人由前、后手臂及控制箱體三部分組成，前、后手臂分別安裝在箱體上，每個(gè)手臂上有2個(gè)行走輪，每個(gè)行走輪都有電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。如圖2所示，機(jī)器人機(jī)構(gòu)有14個(gè)自由度，包括10個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和2個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)，其中旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J1和J2沿水平方向放置（與線路平行），通過電機(jī)1和電機(jī)2驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輪1和輪2脫線及落線的運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J3和J4沿水平方向放置，通過電機(jī)3和電機(jī)4驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)輪3和輪4的脫線、落線運(yùn)動(dòng)；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J5和J6沿水平方向放置（與線路垂直），通過電機(jī)5和電機(jī)6驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前臂和后臂的俯仰運(yùn)動(dòng)；移動(dòng)關(guān)節(jié)J7和J8沿垂直方向放置，通過電機(jī)7和電機(jī)8驅(qū)動(dòng)夾緊輪實(shí)現(xiàn)前臂和后臂的夾緊功能；旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)J9和J10沿垂直方向放置，通過電機(jī)9和電機(jī)10驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)前臂和后臂的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，協(xié)助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)有角度的交叉架空地線跨越。

圖1 機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 The Mechanism Schematic

圖2 機(jī)構(gòu)簡圖Fig.2 Sketch of the Robot Mechanism

機(jī)器人的兩個(gè)手臂上均包括行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，前后手臂的一端通過回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與箱體相連，另一端鉸接有俯仰機(jī)構(gòu)，俯仰機(jī)構(gòu)的兩端分別有翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。夾緊機(jī)構(gòu)增的設(shè)計(jì)增大了行走輪與線路間的壓力，而且行走輪兼有行走與夾緊的作用，有利于機(jī)器人行走爬坡和越障；翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可將行走輪由水平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到垂直狀態(tài)，可將行走輪依次翻轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)跨越障礙物，無需調(diào)節(jié)機(jī)器人的質(zhì)心和抬高手臂，提高了機(jī)器人的越障效率；機(jī)器人的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以調(diào)整機(jī)器人的行走方向，即使地線不在同一個(gè)鉛錘面內(nèi)，也不受環(huán)境障礙的影響。

3 巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)

3.1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)組成

巡檢機(jī)器人系統(tǒng)由巡檢機(jī)器人和地面控制基站組成，如圖3所示。巡檢機(jī)器人主要包括電源、機(jī)器人本體、控制器、攝像機(jī)、圖像及數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)（機(jī)載部分）。巡檢機(jī)器人能夠在超高壓輸電線路的架空地線沿線行走以及跨越線路上和桿塔間障礙（包括單掛點(diǎn)和雙掛點(diǎn)懸垂金具、壓接管及防振錘等），攜帶攝像機(jī)等設(shè)備檢測(cè)輸電設(shè)施的損傷情況，機(jī)器人與地面監(jiān)控器之間可實(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與地面監(jiān)控端的數(shù)據(jù)及圖像無線通訊傳輸，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)輸電線路的通道、線路破損、金具、絕緣子及桿塔的巡檢。此外，此外，搭載其它專用工具，還可用于線路測(cè)距、除冰、清除異物、涂漆等作業(yè)。

圖3 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)Fig.3 Inspection Robot System

圖4 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)Fig.4 Control System of Inspection Robot System

地面控制器主要包括發(fā)電機(jī)、監(jiān)控系統(tǒng)、圖像及數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)（基站部分）及監(jiān)視器等。地面控制基站和巡檢機(jī)器人之間采用無線通訊方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖像的傳輸。地面控制基站不僅可以接收、顯示及存儲(chǔ)巡檢機(jī)器人發(fā)回的狀態(tài)信息及圖像資料，而且可對(duì)巡檢機(jī)器人進(jìn)行遙操作，實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人行走及越障等運(yùn)動(dòng)控制，并且可控制攝像機(jī)變焦、光圈以及云臺(tái)調(diào)整等。地面控制器能夠在監(jiān)視器上顯示實(shí)時(shí)圖像和單楨圖像。巡檢人員根據(jù)機(jī)器人回傳的圖像和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析判斷及處理。

3.2 巡檢機(jī)器人的控制系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人沿超高壓輸電線路的架空地線行走，需要跨越防桿塔間的障礙物，由于實(shí)際輸電線路中存在障礙物的大小、姿態(tài)等不確定因素，機(jī)器人自身的傳感器信息還不足以完成機(jī)器人的自主越障，因此根據(jù)機(jī)器人的自身特點(diǎn)和實(shí)際線路的情況，開發(fā)了強(qiáng)電磁環(huán)境下遙控與局部自主相結(jié)合的嵌入式控制系統(tǒng)。巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)包括巡檢機(jī)器人本體控制器與地面端控制器兩部分，針對(duì)機(jī)器人本體體積重量可靠性等方面的要求，基于嵌入式總線技術(shù)設(shè)計(jì)了機(jī)器人本體控制系統(tǒng)。地面監(jiān)控平臺(tái)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，基于Windows軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了人機(jī)交互平臺(tái)。

機(jī)器人本體控制系統(tǒng)主要包括基于總線的控制器模塊、圖像及數(shù)據(jù)無線傳輸模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器信息采集模塊、電源模塊等。無線傳輸模塊負(fù)責(zé)接收監(jiān)控平臺(tái)發(fā)出的控制指令，并通過串口將指令發(fā)送給控制器?？刂破鞲鶕?jù)碼值信息對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃，通過PC104總線向各個(gè)執(zhí)行單元發(fā)出指令信息。同時(shí)通過總線采集機(jī)器人的各種傳感器信息，關(guān)節(jié)狀態(tài)信息等，并通過無線傳輸模塊發(fā)送給監(jiān)控平臺(tái)。

地面監(jiān)控平臺(tái)控制系統(tǒng)主要包括人機(jī)交互平臺(tái)、圖像及數(shù)據(jù)無線傳輸模塊、圖像采集與存儲(chǔ)模塊、發(fā)電機(jī)等。監(jiān)控平臺(tái)可以向機(jī)器人發(fā)送各種運(yùn)動(dòng)控制指令，接收機(jī)器人向監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送的機(jī)器人狀態(tài)信息（包括各個(gè)關(guān)節(jié)的角度、機(jī)器人狀態(tài)、電池電量以及各種傳感器的信息等），通過機(jī)器人傳回的圖像信息完成線路巡檢作業(yè)任務(wù)。

4 障礙物跨越

超高壓輸電線路的架空地線有防震錘、單掛點(diǎn)懸垂金具、雙掛點(diǎn)懸垂金具和壓接管等典型障礙物。其中防震錘安裝在線路塔桿懸點(diǎn)附近，用以吸收或減弱振動(dòng)能量，防止線路的振動(dòng)或舞動(dòng)；單/雙懸垂金具一端與桿塔連接，另一端支撐架空地線；壓接管是將兩根地線連接起來的金屬管，壓接表面不規(guī)則。直線桿塔處的障礙物為防震錘與單懸垂金具組合，或者為防震錘與雙懸垂金具組合，如圖5所示。

圖5 桿塔障礙物情況Fig.5 Tower Obstruction State

根據(jù)巡檢的任務(wù)要求研制出一臺(tái)雙臂四輪巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人可跨越防震錘、單掛點(diǎn)懸垂金具、雙掛點(diǎn)懸垂金具和壓接管等障礙物，機(jī)器人跨越壓接管的過程與跨越防震錘的過程相同，跨越單懸垂金具的過程與跨越雙懸垂金具的過程類似，下面以機(jī)器人跨越防震錘與單懸垂金具的過程為例，詳細(xì)分析機(jī)器人的越障過程。

機(jī)器人的前臂、后臂各有俯仰機(jī)構(gòu)，機(jī)器人可利用俯仰關(guān)節(jié)將手臂上的行走輪抬起，脫離地線。因此機(jī)器人可借助俯仰關(guān)節(jié)依次將4個(gè)行走輪抬起越過防震錘，如圖6所示。具體過程如下：（a）機(jī)器人前臂遇到防震錘，在遇障傳感器的作用下機(jī)器人停止前進(jìn)。（b）前臂夾緊機(jī)構(gòu)打開，利用前臂俯仰機(jī)構(gòu)將輪1抬起脫離地線。（c）機(jī)器人前進(jìn)，輪1越過防震錘。（d）通過攝像頭及圖像處理系統(tǒng)使輪1落線，輪2脫離地線。（e）機(jī)器人前進(jìn)使得輪2越過防震錘，前臂夾緊機(jī)構(gòu)夾緊。

圖6 跨越防震錘過程Fig.6 Process of Across Anti-Vibration Hamper

后臂的越障過程與前臂的越障過程類似。

5 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)及控制方法的正確性，在實(shí)驗(yàn)室搭建了1：1的模擬超高壓輸電線路環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人可跨越防震錘、單/雙掛點(diǎn)懸垂金具和壓接管等桿塔間障礙物。機(jī)器人前臂跨越單懸垂金具的試驗(yàn)過程，如圖7所示。

圖7 越單掛點(diǎn)懸垂金具試驗(yàn)Fig.7 Experiment for Across Double Hanging Point

超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人樣機(jī)具有以下功能：能夠沿架空地線行走，具有跨越直線桿塔處障礙物（防震錘、單/雙掛點(diǎn)懸垂金具等）的能力；其上攜帶攝像機(jī)用于檢測(cè)輸電設(shè)施（輸電線、絕緣子及桿塔）的損傷及線路周圍通道情況，能夠在一個(gè)耐張段內(nèi)跨越多級(jí)直線桿塔進(jìn)行巡檢；巡檢機(jī)器人和地面控制基站之間采用無線通訊方式，地面控制器既可向機(jī)器人發(fā)送控制指令，也可以接收、存儲(chǔ)及顯示機(jī)器人發(fā)回的數(shù)據(jù)及圖像資料，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)具有遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)能力；機(jī)器人傳回的動(dòng)態(tài)圖像存儲(chǔ)采用數(shù)字硬盤錄像機(jī)，可按需要隨時(shí)調(diào)用監(jiān)控的線路及桿塔情況。

6 結(jié)論

這里介紹了一種新型的雙臂四輪巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)，機(jī)器人由前臂、后臂及控制箱體三部分組成，每個(gè)手臂上均包括行走機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)及回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

巡檢機(jī)器人能夠在超高壓輸電線路上沿線行走，并能跨越線路上及桿塔間障礙物，通過機(jī)器人攜帶攝像機(jī)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電設(shè)施的檢測(cè)。機(jī)器人的夾緊機(jī)構(gòu)增大了行走輪與線路間的正壓力，越障過程中采用行走輪依次跨越障礙物的方法，不需要調(diào)節(jié)機(jī)器人質(zhì)心，并且機(jī)器人在行走及越障過程中至少有3個(gè)行走輪在線路上，因此機(jī)器人行走能力強(qiáng)、易于爬大角度線路，越障過程中機(jī)器人的安全保護(hù)性好。