面向斷股補修作業任務的電力機器人機構設計

宋屹峰，王洪光，康文杰,凌烈,姜勇

(1. 中國科學院 沈陽自動化研究所,遼寧 沈陽 110016； 2. 國網山西省電力公司 運檢公司,山西 太原 030200)

面向斷股補修作業任務的電力機器人機構設計

宋屹峰1，王洪光1，康文杰2,凌烈1,姜勇1

(1. 中國科學院 沈陽自動化研究所,遼寧 沈陽 110016； 2. 國網山西省電力公司 運檢公司,山西 太原 030200)

輸電線路斷股補修機器人需要在特定野外環境下開展復雜作業任務。面向機器人補修作業任務特征開展機構設計，可以提升機器人作業性能，保證作業質量。本文介紹了基于斷股補修作業任務設計的應用于機器人的各類機構。根據行走、越障與捋線的作業目標，結合外部環境約束，進行機器人移動機構、越障機構與補修機構的設計。以增大附著力、削弱強制滑轉現象為目標設計了優化闊線的驅動輪作為移動機構；以保證越障安全性為目標，設計了被動回轉關節作為越障機構；以消除懸垂線路斷股為目標，設計了螺旋復位式捋線機構作為補修機構。通過理論分析、對比仿真與實驗，分析了所設計機構在行走、越障與補修作業上的可行性、穩定性與合理性。

機器人應用；機構設計；機器人開發；機器人系統；輸電線路；電網；機器人控制

電力產業是國民經濟的支柱產業，直接對社會生產與人民生活產生巨大影響。作為電力能源傳輸的主干通道，超高壓輸電線路需要定期巡視檢修，以保持正常運行。輸電線路架設距離長，經過山川、河流、草原等復雜環境，同時，登塔進行維護檢修作業時，人員直接面對高空，強電磁環境。綜上所述，電力巡檢與維護工作具有作業環境特殊、勞動強度大、危險性高等特點。基于以上特點，機器人被提出用于開展電力巡檢與維護作業，達到降低勞動強度及危險性，提高作業自動化程度。

電力巡檢與維護機器人的研究始于20世紀80年代，日本東京電力公司于1988年研制出世界上第1臺高壓線巡檢機器人樣機[1]，此后，國內外的多家研究機構先后對電力機器人展開了研究[2-7]，國外方面包括加拿大魁北克水利研究院(IREQ)開發的除冰機器人LineROver、多功能巡檢維護機器人LineScout，日本關西電力公司開發的巡檢機器人Expliner等；國內方面，武漢大學、山東科技大學等單位均開發了各自的電力巡檢與維護機器人。

機器人在野外輸電線路上開展作業維護任務，需要機器人集成行走爬坡、越障、維護檢修等多種功能。加之外部存在非結構化環境、變化的氣候狀況、電力設備的保護要求等設計約束條件，對機器人的機構設計提出了較高的要求。

基于機器人的總體任務需求，分析各分系統的功能需求，面向任務需求進行機構設計，可以有效地提升機器人的專項指標，改善機器人總體性能[8]。本文以中國科學院沈陽自動化研究所研制的斷股補修機器人為研究對象，針對架空地線斷股補修任務，重點就機器人的移動機構、越障機構與修復機構的機構設計內容展開研究。

1 斷股補修機器人任務分析

1.1 線路環境

機器人線路環境如圖1所示。

超高壓輸電線路由桿塔、架空地線、輸電導線組成，根據線路實際運行需求，線路上安裝有防振錘等金具。架空地線一般架設于桿塔最上方，為整個輸電線路起到避雷作用。線路實際運行過程中，雷電快速通過架空地線時，會引起局部溫度過高，從而熔斷線股，造成線路斷股。此外，架空地線上安裝有抑制線路隨風振動的防振錘，線路舞動時與防振錘相互摩擦也會導致線路斷股。

1.2 作業任務分析

輸電線路斷股是一種嚴重的線路故障，斷股會降低架空地線與輸電線之間的安全距離，甚至引發閃絡，因此需要及時進行維護。

機器人開展斷股補修任務，首要前提是兼顧電力設備及機器人自身安全。在此基礎上，機器人需要沿線路移動，跨越防振錘，并對斷股進行補修。斷股補修既要有效地降低斷股懸垂長度，增加架空地線與輸電線之間的安全距離，也要對斷股進行牢固固定，防止斷股繼續散落斷開。綜上，機器人需要在移動、越障及補修作業三方面進行針對性的機構設計。

表1 斷股補修作業任務

2 面向斷股補修任務機器人機構設計

2.1 斷股補修機器人

如圖2所示，機器人由移動本體與作業機構組成。其中，移動本體采用輪臂式結構。輪式結構可以保證機器人在線路上快速穩定地行進。在驅動輪下方安裝有夾緊輪，采用夾緊輪可以提高驅動輪的牽引附著力，使機器人具備一定的爬坡能力。在機器人的前后臂均安裝有被動回轉關節，遇到障礙時，通過被動改變構型進行越障。捋線工具安裝在機器人驅動輪旁，用于將斷股復位至線路線槽內，減少斷股長度；壓接工具在復位的斷股處安裝壓接夾，對斷股進行固定，防止斷股再次散開。

圖2 斷股補修機器人Fig.2 Broken strand repair robot

2.2 移動機構設計

2.2.1 移動任務描述

圖3所示為驅動輪與線路接觸的截面圖，輸電線路由多條線股纏繞而成，其截面形狀為近似圓形。驅動輪的闊線需特定設計以使機器人在線路上保持穩定。驅動輪設計時，需要考慮兩點目標：1)驅動輪所能提供的牽引附著力;2)減少驅動輪轉動時的能量損失。

圖3 機器人驅動輪Fig.3 Driving wheel of the robot

此外，為使驅動輪在線路上穩定行走且處于正常摩擦狀態，設計時存在以下約束：1)驅動輪與線路接觸時，接觸闊線的圓心角β>30°；2)驅動輪外輪徑高度H設有上限，H=ηd，其中η∈[3.5,5.5]。

2.2.2 強制滑轉分析

驅動輪與線路的接觸位置是非等半徑的，這會造成驅動輪上各點滑轉率也不相同，也就是驅動輪部分位置的強制滑轉。強制滑轉越嚴重，則帶來的能量損失越大，強制滑轉的程度可以通過驅動輪最大半徑rmax與最小半徑rmin之差與線徑d的比值來表示：

(1)

2.2.3 移動機構設計計算

如圖3所示，驅動輪最大半徑rmax與最小半徑rmin分別可以按照式(2)計算：

(2)

按幾何平均方法計算驅動輪等效半徑:

2.2.4 牽引附著力計算

(3)

對總牽引附著力Fx進行分析可知，輪徑高度H變化范圍不大時，驅動輪的結構參數變化范圍較小，對Fx產生主要影響的因素為驅動輪輪徑D。

通過式(1)、(2)兩式分析闊線起始角α、闊線圓心角β、外輪輪徑高度H等參數對牽引附著力與強制滑轉效應的影響，結合外部環境的設計約束，合理配置以上各驅動輪參數，完成設計。

2.3 越障機構設計

2.3.1 越障任務描述

輸電線路斷股補修機器人的作業范圍為一個檔距內，跨越的障礙主要為防振錘障礙，如圖4所示。

圖4 線路障礙:防振錘Fig.4 Obstacle in the line: counterweight

由于防振錘具有上方開放的特點，可以采用適當增大驅動輪徑，使得驅動輪D與障礙高度h滿足D>2h，進而機器人可以直接跨越障礙，如圖5所示。

圖5 無被動關節越障Fig.5 Obstacle-crossing without passive joints

值得注意的是，采用以上設計方案時，前后夾緊輪的閉合都會影響越障：當前夾緊輪閉合時，很明顯前輪無法舉升越障；而當后夾緊輪閉合時，閉合的夾緊輪會阻礙前輪舉升，也無法完成越障。而夾緊輪始終打開會在機器人越障時帶來一定的安全隱患，當線路存在振動、風擺時，存在機器人越障后驅動輪從線路滑落的危險。經過分析對以上機構進行改進，在機器人手臂中部安裝具有復位彈簧的被動回轉關節，使得機器人可以在越障過程中閉合非遇障輪的夾緊輪，保障越障安全。

2.3.2 具有被動關節的越障機構分析

如圖6所示，具備被動關節的機器人跨越障礙大致可以分為如下幾個步驟：前輪接觸障礙物后，在牽引力的作用下機器人前臂的被動關節開始變形，隨著變形量增加，關節處由彈簧提供的力矩不斷增加，前臂關節停止變形。與此同時后臂轉動關節也發生一定變形，變形方向與前臂相反，機器人重心由于雙臂的變形被抬高一定高度。值得注意的是，此時機器人前輪是繞后臂被動關節旋轉抬起，因此后輪夾緊輪可以保持閉合，后輪下黑色方塊表示閉合的夾緊輪。而后機器人在牽引力作用下克服重力開始抬起前輪，雙臂被動關節在此時開始恢復原狀態，該過程與之前由變形引起的重心上移一同構成了有助于前輪跨越障礙物的有利因素。直至機器人前輪整體均高于障礙物，繼續前進，完成整個前輪的跨越過程。

圖6 具有被動關節越障Fig.6 Obstacle-crossing with passive joints

2.3.3 越障能力分析

對越障狀態下的機器人進行準靜態受力分析，如圖7所示。

(a)無被動回轉關節

(b)有被動回轉關節圖7 越障受力狀態分析Fig.7 Force analysis of obstacle-crossing

根據機器人沿線方向與垂直方向的力平衡方程與前輪軸心的力矩平衡方程。

可以得到受力平衡方程：

(4)

對于不含被動關節的機器人，i=1，對應的A1、B1、C1分別為

對于改進設計含被動關節的機器人，i=2，對應的A2、B2、C2分別為

可以證明h2>h1，即具備被動回轉關節的越障機構可以跨越較高的障礙，具備更好的越障能力。

2.4 補修作業機構設計

2.4.1 捋線機構設計

補修作業機構由捋線工具與斷股壓接機構組成，這里以捋線機構為例介紹補修作業機構的設計。捋線機構的設計目的是消除懸垂的斷股，本方案設計的捋線機構利用正常線股的螺旋線將斷股復位至原線槽內。

2.4.3 懸尾實驗 連續注射CORT 21 d后，小鼠禁食不禁水24 h后，將動物尾巴靠近尾部部分固定在距離地面60 cm處，使其呈倒掛狀態，動物之間留有一定距離，并視線彼此隔離，適應30 s后，記錄動物3 min內四肢不動時間。

針對上述架空地線由多股鋁合金線螺旋式纏繞方式的結構，采用螺旋式前進的工作方式，具備將地線斷股捋回至原線槽的功能，結構如圖8所示。

(a)整體圖

(b)夾持器

(c)捋線環圖8 斷股捋回機構Fig. 8 Broken strands repair mechanism

其具有如下特點：

1)具備被動適應能力，前進及旋轉動力來自其搭載的作業機器人本體；

2)充分利用地線線股間溝槽，捋線球頭沿溝槽滑動，捋線器內環被動前進和旋轉，從而將斷股捋回原來線槽位置，達到斷股捋回目的；

3) 在捋線過程中，兩側捋線環通過掛鉤形成一個整體，捋線球頭位置與導線線槽位置吻合程度高，同時捋線球頭材質采用耐磨性好的尼龍材料，減小對線路的磨損。

2.4.2 捋線機構作業流程

1)準備斷股修復工作前斷股捋回裝置處于初始狀態，捋線環第一組件安裝在夾持器第一組件的第一夾持座內，捋線環第二組件安裝在夾持器第二組件的第一夾持座內。

2)電機轉動，夾持器的第一組件和夾持器第二組件閉合，帶動捋線環第一組件和捋線環第二組件閉合，構成整體的捋線環，然后電機反向轉動，夾持器打開，捋線環與夾持器分離。

5)夾持器打開，機器人前進至捋線環處于夾持器的第二夾座的位置上。

6)夾持器閉合，捋線環第一組件進入并夾緊在夾持器第一組件的第二夾持座內，捋線環第二組件進入并夾緊在夾持器第二組件的第二夾持座內。然后夾持器打開，捋線環第一組件和捋線環第二組件隨著夾持器第一組件和夾持器第二組件分離。完成斷股捋線過程。

2.4.3 捋線作業受力分析

進行斷股捋回作業時受力情況復雜，通過分析可以簡化為螺母在螺旋線上運動時的受力模型。架空地線外圈由n股鋁合金線旋繞而成，可以轉化為如圖9模型。將n條傾角為ψ的直線繞在圓柱上便形成了n條螺旋線，其中P為螺距，d2為中徑，ψ為螺旋升角。

圖9 線路簡化模型Fig.9 Simplified modeling of OGW

捋線環在機器人本體推力作用下的運動可以轉化為作用在中徑的軸向力推動捋線球頭釘沿螺旋線運動，將地線外層螺旋線沿中徑d2展開得一斜面。

圖10所示為捋線作業中工具及斷股的受力分析。

圖10 捋線作業受力分析Fig.10 Force analysis of broken strand repair

圖10(a)中Fa為捋線球頭受到來自機器人的軸向推力，Ft為捋線球頭受到的切向力(轉動運動的慣性力)，Fn為法向反力，Ff為摩擦力，ρ為摩擦角，法向反力Fn與摩擦力Ff的總反力為Fr。

圖10(b)中Fn1為斷股在捋回時受到捋線球頭的法向作用力，Fb為斷股相鄰正常線股的支撐力，kl2為散股長度l的斷股復位反向力(包括重力和其他干擾因素，k為修正參數)。

捋線環前進但沒進行斷股捋回時，單個捋線球頭受力為

Fa+Ft+Fr=0

(5)

Ff=Fntanρ

根據圖10(a)中受力關系可得

根據地線旋旋升角ψ及捋線球頭所用材料(尼龍)相對鋁合金(地線材料)的摩擦角ρ可知；

針對整個捋線環時(n為地線股數)：

nFa+nFt+nFr=0

nFt>0

分析可知此時捋環能夠在機器人推動下螺旋式前進。

捋線工具內存在一股斷股進行捋線作業時，存在以下力平衡方程：

(6)

式中：

機器人的軸向推力nFa由驅動輪提供，等于機器人驅動牽引附著力Fx，在斷股捋回作業時，驅動輪相比無斷股單獨推動捋線環時需要額外提供Fr1-Fr的力。

3 仿真與實驗

3.1 驅動輪優化仿真

分別按照式(1)與(2)計算闊線圓心角β、闊線起始角α、等效輪徑D對驅動輪牽引附著力與強制滑轉的影響，仿真結果如圖11所示，可以發現增加闊線起始角α，闊線圓心角β均可以減弱強制滑轉的效應。在輪徑一定時，減小闊線起始角α和闊線圓心角β均可以提高等效輪徑，有利于增加附著力。綜合以上分析,設計18 mm線徑的驅動輪時，取α=10°，β=30°，H=85mm。

圖11 驅動輪參數對性能影響Fig.11 Influence of driving wheel parameters to performance

3.2 機器人越障仿真

采用多體動力學軟件對機器人越障過程進行仿真計算，圖12為具有被動關節的越障機構在20°線路角度時越障狀態下的關節角度變化；圖13表示具備與不具備被動關節的機器人在越障時的重心變化。

通過對比可以發現，被動回轉關節可以有效減少越障時的沖擊，機器人重心在越障時上升較為平穩。具備被動回轉關節的機器人可以在越障時閉合非遇障輪的夾緊輪，保障了機器人越障時的安全。

圖12 越障時被動關節角曲線Fig.12 Curve of passive joint position during obstacle-crossing

圖13 重心位置曲線Fig.13 Centroid position curve

3.3 機器人斷股補修作業實驗

如圖14所示，機器人首先在實驗室線路環境中開展實驗，進行了沿線行走、跨越障礙、斷股補修作業等任務。在此基礎上，機器人在實際帶電線路上完成了斷股補修作業。實驗中，機器人能夠穩定的沿線路行走移動，在夾緊輪閉合狀態安全跨越防振錘，斷股捋線機構可以將斷股重置回線槽內，有效的降低了懸垂線股的長度，壓接工具可以對復位斷股進行牢固固定。實驗結果表明機器人具有良好的作業性能，體現了機構設計的合理性與有效性。

(a)實驗室環境

(b)實際線路環境圖14 機器人斷股補修作業實驗Fig.14 Robot broken strand repair experiment

4 結束語

本文根據斷股補修機器人在實際作業時所面臨的行走、越障與補修的作業任務，提取出相應的作業目標，結合外部環境約束，完成了優化闊線的驅動輪、具有被動回轉關節的越障機構及剖分式捋線機構設計。設計的驅動輪牽引力大、克服了強制滑轉效應；越障機構通過實現夾緊輪閉合越障時保障機器人安全；捋線機構可以快速穩定地完成懸垂斷股復位。通過仿真和實驗研究驗證了機構設計的可行性與合理性。

[1]SAWADA J, KUSUMOTO K, MAIKAWA Y, et al. A mobile robot for inspection of power transmission lines[J]. IEEE transactions on power delivery, 1991, 6(1): 309-315.

[2]WANG Hongguang, ZHANG Fei, JIANG Yong, et al. Development of an inspection robot for 500 kV EHV power transmission lines[C]//Proceedings of 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Taipei: IEEE, 2010: 5107-5112.

[3]DEBENEST P, GUARNIERI M, TAKITA K, et al. Expliner-robot for inspection of transmission lines, robotics and automation[C]//Proceedings of 2008 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Pasadena, CA: IEEE, 2008: 3978-3984.

[4]MONTAMBAULT S, POULIOT N. The HQ LineROVer: contributing to innovation in transmission line maintenance[C]//Proceedings of 2003 IEEE 10th International Conference on Transmission and Distribution Construction, Operation and Live-Line Maintenance. Orlando, FL, USA: IEEE, 2003, 33-40.

[5]CAMPOS M F M, PEREIRA G A S, VALE S R C, et al. A mobile manipulator for installation and removal of aircraft warning spheres on aerial power transmission lines[C]//Proceedings of 2002 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Washington, DC, USA: IEEE, 2002: 3559-3564.

[6]POULIOT N, MONTAMBAULT S. LineScout Technology: from inspection to robotic maintenance on live transmission power lines[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Robotics and Automation. Kobe: IEEE, 2009: 1034-1040.

[7]宋屹峰, 王洪光, 李貞輝, 等. 基于視覺方法的輸電線斷股檢測與機器人行為規劃[J]. 機器人, 2015(2): 204-211, 223. SONG Yifeng, WANG Hongguang, LI Zhenhui, et al. Vision based transmission line broken strand detection and robot behaviour planning[J]. Robot, 2015(2): 204-211, 223.

[8]WANG Hongguang, SONG Yifeng, LING Lie. Task-oriented mechanical design of the AApe power line robots[C]// Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Applied Robotics for the Power Industry. Piscataway, NJ, USA: IEEE, 2014: 1-6.

宋屹峰，男，1984年生，副研究員，主要研究方向為機器人機構學、電力機器人、機器人性能分析與優化。發表學術論文20余篇。

王洪光，男，1965年生，研究員，博士生導師，主要研究方向為機器人機構學、特種機器人和機電一體化技術。發表學術論文70余篇，獲得發明和實用新型專利30余項。

Optimizing electric power robot design for broken-strand repair tasks

SONG Yifeng1, WANG Hongguang1, KANG Wenjie2, LING Lie1， JIANG Yong1

(1. Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016， China； 2. State Grid Shanxi Electric Power Company Maintenance Company， Taiyuan 030200， China)

Power transmission line maintenance robots that focus on repairing broken strands are required to complete complex maintenance tasks in the field. Designing the appropriate mechanisms based on the features of the given maintenance tasks can enhance operational performance and ensure operational quality. In this paper, we present various mechanisms that align broken-strand repair tasks with power transmission line maintenance robots. More specifically, our design focuses on the objectives of walking, negotiating obstacles, and sorting wires, all in conjunction with handling outer environment constraints and the mechanisms of movement, crossing obstacles, and performing repairs. We designed an optimized driving wheel to serve as the mechanism of movement to increase the adhesive force and lessen the inherent track slippage. We also designed passive rotary joints as the mechanism for crossing obstacles to ensure safety. Finally, we designed a spiral resetting-type sorting tool to serve as the broken-strand repair mechanism in eliminating reclinate broken strands. Given these designs, through theoretical analysis, comparative simulations, and experiments, we analyzed the feasibility, stability, and reasonability of our robot design for walking, crossing obstacles, and repairing broken strands.

robot applications；mechanism design；robot development；robot system；power line；maintenance；grid；robot control

2016-05-04.

日期：2017-02-17.

國家電網山西省公司科技項目

宋屹峰. E-mail：songyifeng@sia.cn.

OI:10.11992/tis.201605004

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.tp.20170217.0954.008.html

TP24

A

1673-4785(2017)02-0150-08

宋屹峰，王洪光，王慧剛,等. 面向斷股補修作業任務的電力機器人機構設計[J]. 智能系統學報， 2017, 12(2): 150-157.

英文引用格式：SONG Yifeng, WANG Hongguang, WANG Huigang, et al. Optimizing electric power robot design for broken-strand repair tasks[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2017, 12(2): 150-157.