高壓電線巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試制

羅金武,徐 瑞,陳廷兵,張琳豐,陳思宇,趙威蕤

(成都工業(yè)學(xué)院 智能制造學(xué)院,成都 611730)

高壓輸電線路因其常年裸露在空氣中,會導(dǎo)致高壓電線出現(xiàn)雷擊破壞、表皮氧化、雜物纏繞等影響供電的問題[1-3]。為保障高壓輸電線路安全平穩(wěn)地運(yùn)作,必須對高壓電線實(shí)施定期巡檢工作[4]。目前,電線巡檢的主要方式多為人工巡檢,要求施工人員在高空中利用基礎(chǔ)設(shè)備依靠人力來完成對電線的巡檢和維護(hù)。人工巡檢不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力,而且還具有較高的危險(xiǎn)系數(shù),如遇大風(fēng)、地震、暴雪等極端氣候,人工巡檢的難度將會直線上升,這對施工人員的身體機(jī)能和工作素養(yǎng)均提出了極高的要求。因此,設(shè)計(jì)可主導(dǎo)完成高壓電線巡檢的自動化或半自動化智能裝置至關(guān)重要。

隨著移動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展,諸多學(xué)者相繼研發(fā)了不同結(jié)構(gòu)的高壓電線巡檢機(jī)器人,較為典型的有Sawada等[5]設(shè)計(jì)的光纖復(fù)合架空地線巡檢移動機(jī)器人,Peungsungwal等[6]設(shè)計(jì)的自供電巡線機(jī)器人,Pouliot等[7]開發(fā)的懸臂機(jī)器人“LineScout”以及Debenest等[8]研制的雙線行進(jìn)機(jī)器人“Expliner”等。近年來,我國也開展了對高壓電線巡檢機(jī)器人的探索。Wang等[9]率先研制了一款異位雙臂懸掛式的超高壓500 kV巡線機(jī)器人。宋樹偉等[10]采用雙手臂輪臂復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一款巡檢機(jī)器人;王相等[11]基于動物仿生學(xué)原理提出了一種兩吊臂擺動式巡線機(jī)器人。馮晨光[12]提出一種雙臂可對稱式開合的巡檢機(jī)器人。以上研究均為高壓電線巡檢機(jī)器人的開發(fā)和應(yīng)用提供了較高的參考價(jià)值。但目前學(xué)界提出的各類巡檢機(jī)器人大多處于試驗(yàn)階段且有著各自的使用限制。當(dāng)前,面對巡檢機(jī)器人市場的強(qiáng)烈需求,仍需加強(qiáng)對相關(guān)機(jī)器人設(shè)計(jì)與開發(fā)的探索。為此,本文在前人的研究基礎(chǔ)上,采用仿生原理提出了一種蛇形仿生電線巡檢機(jī)器人,通過三維建模與運(yùn)動仿真技術(shù)完成了對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動分析,并為機(jī)器人配備了相應(yīng)的電控系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全自動運(yùn)行和遠(yuǎn)程操控,經(jīng)過樣機(jī)試制和控制調(diào)試使得機(jī)器人具備了分段避障(繞樁)和自主換線功能。

1 巡檢機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案

1.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)功能分析

綜合考慮高壓電線的線路環(huán)境、巡檢成本以及機(jī)器人的電源配置,設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人總體采用掛線式方案,即機(jī)器人本體附著于線纜上開展巡檢工作。

機(jī)器人在巡檢時(shí),將不可避免地與線路支撐鐵塔、壓接管、防震錘等基礎(chǔ)電力設(shè)施發(fā)生交匯。在此運(yùn)行環(huán)境下,為保證“一次上線”便完成巡檢工作的需求,設(shè)計(jì)的機(jī)器人除了必要的視覺巡檢功能外,還應(yīng)具備基礎(chǔ)的行走、避障(繞樁)和自主換線功能。其中行走、避障和自主換線功能需在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1.2 設(shè)計(jì)方案與工作原理

設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人由蛇形模塊化機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)共同組成,如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)組成方案

巡檢機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置和壓線裝置構(gòu)建的蛇形臂模塊組合而成,如圖2所示。該機(jī)器人利用了多關(guān)節(jié)蛇形臂架構(gòu)和“頭部決策,尾部跟隨”的仿生操控方法,由4個(gè)及以上帶有壓線裝置、行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置(2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度)的機(jī)械蛇形臂模塊組成,該蛇形臂模塊可稱為單元,如圖2(b)所示,轉(zhuǎn)向裝置安裝在2個(gè)行走裝置之間。整個(gè)機(jī)器人如同1只蛇形機(jī)構(gòu),機(jī)器人各單元之間相互連接,每個(gè)單元均有2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度來協(xié)同配合,進(jìn)而完成巡檢機(jī)器人的姿態(tài)變換。

(a)結(jié)構(gòu)示意圖

正常情況下,只需控制行走裝置便能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的直線巡檢功能。在巡檢時(shí)若遇見防震錘、氣壓接管等障礙物,可通過控制各單元之間的轉(zhuǎn)向裝置與壓線裝置使得行走裝置脫離(或回歸)巡檢電線,在各單元脫離或回歸的相互配合下,實(shí)現(xiàn)越障,如圖3所示。同理,若機(jī)器人巡檢時(shí)需要更換到相鄰的電線上,亦可在各單元的相互配合下實(shí)現(xiàn)換線。

(a)越障前

2 主體部件設(shè)計(jì)與選型分析

2.1 行走裝置

如圖4所示,行走裝置主要由電機(jī)、齒輪機(jī)構(gòu)、下滾輪等部件組成。行走裝置空間占用率小,轉(zhuǎn)矩大,能穩(wěn)定地帶動機(jī)器人前進(jìn)。整個(gè)裝置由電機(jī)驅(qū)動,經(jīng)過齒輪機(jī)構(gòu)將驅(qū)動扭矩傳遞至帶有下滾輪的輸出齒輪上,促使下滾輪與電線下表面接觸產(chǎn)生滾動摩擦力,在滾動摩擦力的作用下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。

圖4 行走裝置結(jié)構(gòu)模型

行走裝置的齒輪機(jī)構(gòu)包含減速齒輪機(jī)構(gòu)、驅(qū)動齒輪機(jī)構(gòu)?？紤]到使用要求,用于減速的齒輪機(jī)構(gòu)不適宜過大,故選用減速比和轉(zhuǎn)矩比較大的蝸輪蝸桿電機(jī)(包含電機(jī)、減速齒輪機(jī)構(gòu))。

蝸輪蝸桿電機(jī)的選型原則:在電機(jī)尺寸盡量小的前提下,輸出的驅(qū)動力矩大于理論驅(qū)動力矩,同時(shí)保證轉(zhuǎn)速不能太低。其中,單個(gè)蝸輪蝸桿電機(jī)的理論驅(qū)動力矩:

T1=μMgR。

(1)

式中:M為每個(gè)單元的質(zhì)量,kg;μ為滾輪與電纜鋼包線的接觸摩擦系數(shù);g為重力加速度,m2/s;R為滾輪半徑,m。

驅(qū)動滾輪行走的驅(qū)動齒輪機(jī)構(gòu)是傳動比為1∶1的直齒輪傳動機(jī)構(gòu),可保證傳動的穩(wěn)定性,節(jié)省機(jī)器人空間,使機(jī)構(gòu)更為緊湊,工作可靠,壽命長。下滾輪與輸出齒輪固連在同軸上,既簡化結(jié)構(gòu)布局又能保障輸出驅(qū)動扭矩的有效傳遞。

2.2 壓線裝置

如圖5所示,壓線裝置主要包含上滾輪、升降桿、滑臺、螺紋編碼電機(jī)等部件。螺紋編碼電機(jī)上的螺紋桿、升降桿(帶螺紋孔)與導(dǎo)向棒三者之間構(gòu)成絲桿滑塊機(jī)構(gòu)。螺紋牙型為具有自鎖性的三角形,可確保滾輪與電線之間有充足的壓實(shí)力(正向接觸力)和滾動摩擦力。在編碼電機(jī)的驅(qū)動下,絲桿滑塊機(jī)構(gòu)可引導(dǎo)升降桿相對于滑臺進(jìn)行上下伸縮,進(jìn)而帶動上滾輪遠(yuǎn)離、靠近電線上表面。被巡檢的電線位于上滾輪與下滾輪之間,當(dāng)上滾輪靠近電線上表面時(shí),2個(gè)滾輪的軸距不斷縮小直至上滾輪、下滾輪壓緊電線,實(shí)現(xiàn)壓線功能。

圖5 壓線裝置結(jié)構(gòu)模型

編碼電機(jī)的選型原則:在電機(jī)尺寸盡量小的前提下,輸出的驅(qū)動力矩大于理論驅(qū)動力矩,同時(shí)保證轉(zhuǎn)速不能太低,并具有自鎖性。其中,單個(gè)編碼電機(jī)的理論驅(qū)動力矩:

(2)

式中:m為電機(jī)需要推送的升降桿、上滾輪的總質(zhì)量,kg;p為編碼電機(jī)的螺桿導(dǎo)程,m;η為滑動螺桿效率(約32%);fv為當(dāng)量摩擦系數(shù),其計(jì)算公式為:

(3)

式中:f為螺桿與升降桿螺紋孔之間的摩擦系數(shù);β為螺紋牙型的牙側(cè)角,rad。

為保障螺紋具有自鎖性,螺桿與升降桿螺紋孔的螺紋升角Ψ必須滿足如下條件(自鎖條件):

(4)

式中,φv為當(dāng)量摩擦角,rad。

2.3 轉(zhuǎn)向裝置

如圖6所示,轉(zhuǎn)向裝置主要包含舵機(jī)、連接件和板等部件。機(jī)器人由多個(gè)單元串聯(lián)組成,需要舵機(jī)之間相互配合完成動作。

工程上常用的舵機(jī)有數(shù)字舵機(jī)與總線舵機(jī),各自的特性如表1所示。為保證控制系統(tǒng)核心(主控芯片)與舵機(jī)之間接線方便且信號傳遞穩(wěn)定,采用了總線舵機(jī)。每個(gè)轉(zhuǎn)向裝置包含2個(gè)相互垂直放置的總線舵機(jī),用于構(gòu)成蛇形臂單元的2個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度,以實(shí)現(xiàn)不同角度的轉(zhuǎn)向。

表1 2類舵機(jī)的特性比較

巡檢機(jī)器人各單元的轉(zhuǎn)向均由總線舵機(jī)來實(shí)現(xiàn),在所有總線舵機(jī)的相互配合下完成機(jī)器人的姿勢變換。

2.4 巡檢功能部件

巡檢機(jī)器人頭部和尾部均可模塊化地連接具有相關(guān)功能的巡檢裝置,如機(jī)械爪、剪刀、除冰器、繞線器等,用以實(shí)現(xiàn)清障、除冰、線纜外皮修復(fù)等功能。例如,若在機(jī)器人頭部連接1個(gè)帶攝像頭的機(jī)械爪(見圖7(a)),尾部連接1個(gè)帶攝像頭的陶瓷剪刀(見圖7(b)),當(dāng)線路上出現(xiàn)障礙物(飄帶、風(fēng)箏、樹枝等異物)時(shí),在人工的遠(yuǎn)程控制下,巡檢機(jī)器人的頭部機(jī)械爪或尾部陶瓷剪刀可做出響應(yīng),完成對障礙物的處理,實(shí)現(xiàn)清障功能。

(a)帶攝像頭的機(jī)械爪 (b)帶攝像頭的剪刀圖7 具有清障功能的巡檢部件

3 運(yùn)動仿真與避障分析

3.1 運(yùn)動仿真

為了更好表達(dá)機(jī)器人的運(yùn)動方式并檢查機(jī)器人運(yùn)動過程中的合理性,使用SolidWorks軟件對巡檢機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動仿真分析。如圖8所示,利用3條空間曲線分別約束壓線裝置、行走裝置、和連接件上某特定點(diǎn)的運(yùn)動路徑,并為升降桿添加距離配合約束,使各部件按照預(yù)定軌跡運(yùn)行。另外,采用添加關(guān)鍵幀的方法對以上約束實(shí)施控制,確保約束在正確的時(shí)刻被施加或釋放,如圖9所示。

圖9 采用關(guān)鍵幀控制運(yùn)動配合的約束

以越障為例,巡檢機(jī)器人的運(yùn)動仿真效果如圖10所示。

3.2 避障分析

基于運(yùn)動仿真結(jié)果,對巡檢機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)尺寸的調(diào)整,再通過監(jiān)測升降桿的位移和總線舵機(jī)的角度變化情況后,可獲取巡檢機(jī)器人執(zhí)行避障動作時(shí)的控制參數(shù),如圖11所示。同理,結(jié)合運(yùn)動仿真,還可為機(jī)器人執(zhí)行其他操作時(shí)提供直接的控制參數(shù)。

圖11 避障操作流程

4 樣機(jī)試制

4.1 主要控制硬件

機(jī)器人的巡檢過程由地面操作人員以無線指令的形式控制完成:在發(fā)射端(地面端)的操作人員操控上位機(jī)發(fā)出控制指令,接收端(機(jī)器人端)接收發(fā)射端發(fā)出的數(shù)據(jù)并加以處理,最后再通過處理后的數(shù)據(jù)控制各電機(jī)的運(yùn)行。為此,選用ATmega2560-16AU作為巡檢機(jī)器人的主控芯片,以A4950雙路電機(jī)驅(qū)動模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動,并搭載了ATK-LORA-01無線通信模塊。

為使巡檢機(jī)器人接收端的布線簡潔,自主設(shè)計(jì)了印制電路板(Printed Circuit Board,PCB),用于連接主控芯片、電機(jī)驅(qū)動模塊和無線通信模塊,如圖12所示。

圖12 接收端的PCB布局

4.2 樣機(jī)測試

遵照設(shè)計(jì)方案,對巡檢機(jī)器人樣機(jī)進(jìn)行試制和測試。為降低試制成本和裝配精度,采用光固化3D打印技術(shù)對非標(biāo)準(zhǔn)零部件進(jìn)行制作,其中承載較大處(如升降桿)選用了玻纖增強(qiáng)尼龍1010這類高強(qiáng)度材料。制作的原理樣機(jī)如圖13所示。

圖13 實(shí)物樣機(jī)

在室內(nèi)環(huán)境下,對機(jī)器人功能進(jìn)行測試。原理樣機(jī)上電后,使用上位機(jī)對機(jī)器人的功能進(jìn)行測試,其操作界面如圖14所示。其中,STOP按鈕用于發(fā)出停止命令,避障按鈕用于發(fā)出跨越電線支撐架命令,換線按鈕用于發(fā)出雙電線換軌命令,復(fù)位按鈕用于發(fā)出主控芯片復(fù)位命令。

圖14 上位機(jī)操作界面

圖15展示了巡檢機(jī)器人進(jìn)行單電線巡檢、跨越電線支撐架、雙電線換軌的部分測試情況。測試結(jié)果顯示,機(jī)器人單線巡檢、避障、跨線等功能與預(yù)期基本一致,表明該機(jī)器人結(jié)構(gòu)及程序設(shè)計(jì)合理,主體結(jié)構(gòu)的功能符合設(shè)計(jì)要求。

(a)單電線巡檢 (b)跨越電線支撐架 (c)雙電線換軌 圖15 巡檢機(jī)器人樣機(jī)測試情況

5 結(jié)語

本文采用仿生原理提出了一種蛇形仿生電線巡檢機(jī)器人并完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試制,得出如下結(jié)論:

1)巡檢機(jī)器人主要由行走裝置、轉(zhuǎn)向裝置,壓線裝置構(gòu)建的蛇形臂模塊組合而成,可配置有巡檢功能的相關(guān)部件。

2)巡檢機(jī)器人的電機(jī)選型須滿足一定原則。機(jī)器人在各總線舵機(jī)的相互配合下可完成姿勢變換。

3)將三維模型與運(yùn)動仿真技術(shù)運(yùn)用在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和避障分析中,為機(jī)器人執(zhí)行避障等操作時(shí)提供了直接的控制參數(shù)。

4)結(jié)合控制硬件的選型和設(shè)計(jì),試制了1臺巡檢機(jī)器人原理樣機(jī),配合上位機(jī)指令實(shí)現(xiàn)了對機(jī)器人的遠(yuǎn)程操控,功能測試結(jié)果基本符合要求。