新型多臂式輸電線巡檢機器人機構參數設計

陶廣宏，房立金，徐鑫霖

1 引言

輸電線巡檢機器人研究始于20世紀80年代，1988年日本東京電力公司最早研制出了具有初步越障能力的光纖復合架空地線巡檢機器人[1]。后續很多國內外學者對輸電線巡檢機器人開展了研究并發表了大量研究成果，提出了多種形式的巡檢機器人機構，基本可分為雙臂結構、三臂結構和多臂結構三大類。雙臂結構典型的有日本HiBot公司研制的Expliner[2]，某水電研究院推出的名為LineScout[3]的巡檢機器人樣機，文獻[4]設計的雙臂回轉式機器人，以及文獻[5-6]分別提出的雙臂巡檢機器人等。三臂結構主要包括由山東科技大學[7]，文獻[8-9]研究機構分別設計的巡檢機器人原型機。以上雙臂和三臂式機器人結構簡單，存在單手臂掛線越障過程，雖然已經部分在電力部門得到了實際應用，但大多是在直線線路檔內使用。多單元巡檢機器人結構最早是由文獻[10]于1989年提出的6臂式結構，該機器人由6個具有升降臂和行走輪的單元串聯組成，單元間由轉動關節連接，越障時各個手臂順序越過障礙，但兩手臂掛線狀態下間距固定，越障能力受限。

輸電線路需安裝多種電力金具，各電力金具成為阻礙機器人正常行進的障礙，機器人必須具備跨越典型障礙的能力。雙臂式機器人只需滿足單個障礙位于其越障手臂工作空間內，障礙間距離大于其夾持機構尺寸，即可完成越障任務。多臂式巡檢機器人同時還需要考慮多個障礙間的距離及障礙尺寸是否會導致后側手臂與前側手臂已跨越的障礙發生干涉的情況，即不同的障礙組合對多臂式巡檢機器人機構提出更多的要求。多臂式多單元結構能很好解決機器人轉向越障問題，同時不存在單手臂掛線越障情況，越障過程穩定。由于其結構相對復雜使多單元機構一直未得到充分重視，對于多臂式巡檢機器人進行優化設計研究顯得十分必要。提出一種新型的多臂式多單元串聯的巡檢機器人機構。基于500kV架空地線上典型的障礙環境及機器人越障方式，得出其對巡檢機器人結構尺寸約束條件，綜合考慮其整體尺寸，便攜性能及防舞動性能因素，得出機構參數優化結果。最后進行工作空間分析，驗證其越障可行性并給出針對典型障礙組合的越障流程。

2 輸電線路障礙環境分析

機器人針對500kV架空地線的障礙環境設計。地線型號為JBL4-150鋁包鋼絞線。線路上典型的障礙及其尺寸，如表1所示。

表1 典型障礙（單位/mm）Tab.1 Typical Obstacles

圖1 典型障礙組合Fig.1 Typical Obstacle Combination

輸電線路上的障礙具有多種組合方式，其中接續管對蠕動式越障機器人影響可以忽略。根據輸電線路的具體安裝規程，可將障礙分別歸納為的組合，如圖1（a）、圖1（b）所示。圖中尺寸單位為mm。在實際線路環境中，懸垂金具兩側線路可能存在一定俯仰角度，耐張塔兩側線路可能同時存在俯仰角度和水平轉角。不同自然環境下輸電線路風振強度不一，懸垂金具或耐張塔兩側的防振錘可安裝1個或2個，即圖1中防振錘1、5為可能存在的障礙。

3 機器人機構設計

機器人機構，如圖2所示。以手臂間兩個平行四邊形機構為1個單元機構，則機器人由4個單元機構串聯組成，手臂及前后平行四邊形機構能夠獨立回轉。平行四邊形機構采用柔索對角驅動方式，通過改變對角線長度控制其俯仰運動。

圖2 機器人基本構型Fig.2 Robot Mechanism

圖中：a—平行四邊形機構與相鄰手臂距離；b—平行四邊形機構與無手臂水平回轉中心距離；l2—平行四邊形機構上下桿長度；l1—平行四邊形機構左右桿長度；h—機器人手臂長度，即平行四邊形機構豎直桿件中點至行走輪外徑與手臂交點的距離；lfh—輪爪復合機構尺寸；θf—平行四邊形機構俯仰角度；θw—無手臂水平回轉關節角度；θh—含手臂水平回轉關節角度。

4 機器人機構參數優化

根據機器人實際工作任務環境及機械結構設計需求，用α表示線路俯仰角度，給出優化設計變量及非優化已知參數，如表2所示。

表2 優化設計參數Tab.2 Optimization Parameters

4.1 機構參數約束

4.1.1 線路俯仰角度及跨越防振錘約束

圖3 無障礙行進及跨越防振錘參數約束Fig.3 Parameter Constraint when Moving on the Line with no Obstacles and Crossing Damper

機器人無障礙檔段行進時，應能夠適應線路最大俯仰角度，即當線路俯仰角度最大時仍能保證機器人各手臂均掛線且手臂處于豎直狀態，如圖3（a）所示。由幾何關系可得約束條件1，如式（1）所示。

當機器人遇到防振錘時，手臂由其上側依次跨越。如圖3（b）所示。要求抬升手臂后行走輪與輸電線路的距離AB大于防振錘在輸電線路上側的高度AfBf。同時手臂抬升過程中應保證平行四邊形機構與防振錘無干涉。即抬升單元機構的最高點與輸電線路的距離MN大于防振錘的最低點與輸電線路所成距離MfNf。可得約束條件2，如式（2）所示。

式中：ly—防止干涉的安全余量，取ly=50mm；根據500kV超高壓輸電線路地線電力金具尺寸[11]，一般AfBf≤50mm，MfNf≤100mm。

4.1.2 跨越障礙組合約束

當遇到第一種典型組合障礙時，要求機器人既能夠抬升手臂跨越防振錘，又能夠伸出1個單元機構使手臂由輸電線路下側跨越柱面障礙。如圖4（a）所示，手臂4下線時，需要手臂3蠕動前進，應保證手臂3向前蠕動時無障礙。可得約束條件3，如式（3）所示。

式中：Lsen—手臂伸出后兩手臂間距離；Lsuo（α=0）—水平線路上單元機構收縮后手臂間距離；dij—障礙序列中第i個障礙與第j=i+1個障礙包絡面間的距離。

圖4 跨越組合障礙Fig.4 Crossing Typical Obstacle Combination

跨越障礙組合2時可以分為兩種情況：

（1）當第二種典型障礙組合柱面障礙距離較小時，如圖4（b1）所示。機器人應滿足兩個單元機構伸出時最前側手臂5能夠運動到兩柱面障礙另一側。即單個單元機構能夠抓持到dab的中點位置。同時當圖中手臂3下線時手臂2應有足夠的蠕動空間。應滿足約束條件4，如式（4）所示。

由于障礙組合中懸垂金具的兩個柱面障礙間距較小，轉角塔障礙的兩個柱面障礙間距較大，因此約束條件4按以下規則取值計算：當 dab＜min Lsuo（α=0）+lfh時，Ф2取雙懸垂金具的障礙圓柱面最大包絡直徑。當 min Lsuo（α=0）+lfh＜dab＜2min Lsuo（α=0）+lfh時，Ф2取耐張線夾的障礙圓柱面最大包絡直徑。

（2）當 dab尺寸較大時，如圖 4（b2）所示。即 dab＞2min Lsuo（α=0）+lfh時，需滿足式（5）即可。

式5約束條件包含于式4，因此跨越第二種障礙組合時只需滿足式（4）即可。同時由幾何關系及非優化機構參數可得：

4.2 優化求解計算

4.2.1 優化目標

目標1：巡檢機器人為工作在野外環境中超高壓架空地線上的懸掛機構，為減小野外強風環境下的舞動幅度，應使豎直方向尺寸h+l1/2取極小值。同時輸電線路在設計時地線與相線需保持一定距離，應使機器人豎直方向尺寸h+l1/2取極小值防止產生放電現象。目標函數為：min f（x）=h+l1/2

目標2：機器人在上線工作前應便于工作人員運輸攜帶，水平方向尺寸a+b+l2應取極小值。目標函數為：min f（x）=a+b+l2

目標3：機器人為多手臂多單元設計，需要多電機驅動，應盡量減小機器人整體尺寸以減小機器人整體質量，整體尺寸a+b+l1+l2+h取極小值。目標函數為：min f（x）=a+b+l1+l2+h

4.2.2 優化求解

根據約束條件式（1）～式（4），代入非優化變量參數及表1中所示障礙尺寸，可得到優化約束條件數學表達式如下：

利用matlab中的多目標優化工具，采用fgoalattain函數，根據設計條件設定初始最優目標。

得出計算結果，如表3所示。

表3 優化結果Tab.3 Optimization Results

5 機器人機構參數分析驗證

5.1 越障手臂工作空間分析

根據優化結果及非優化參數變量，利用蒙特卡洛方法，可得出機器人越障手臂末端的工作空間。防振錘障礙尺寸小，機器人尺寸明顯能夠滿足防振錘越障要求。跨越單懸垂金具、雙懸垂金具的越障執行機構工作空間，如圖5（a）、圖5（b）所示。跨越各障礙物包絡面（最大尺寸）的目標夾持點均位于機器人越障執行機構的工作空間范圍內。遇到轉角塔障礙且桿塔橫擔尺寸較小時，要求單元機構伸出手臂能夠抓持到桿塔橫擔中點處，輸電線路與桿塔橫擔可能存在一定水平轉角，如圖5（c）所示，在dab=2（a+b+l2）的極限條件下，目標夾持點仍位于機器人越障手臂工作空間內。由圖 5（a）、圖 5（b）、圖 5（c）可以看出機器人越障機構能夠找到與障礙物不干涉的路徑（這里為障礙物下側）跨越障礙，具備跨越以上各障礙及與相似的位于該障礙包絡面內其他障礙的能力。

圖5 機器人工作空間Fig.5 Robot Workspace

5.2 典型障礙組合越障分析

以帶有俯仰和水平轉角的耐張塔障礙組合為例，越障流程，如圖6所示。無障礙行進時手臂2、3、4掛線，遇到防振錘時，手臂2、3在線，手臂4伸出跨越防振錘，手臂1、5脫線調整機器人側向平衡，如圖6（a）所示。手臂4抓緊線路，手臂2、3依次蠕動至圖 6（b）位置。手臂 4、3、2 依次向前蠕動至圖 6（c）所示位置。手臂2、3、4抓緊線路，前側手臂5抓緊桿塔橫擔中點處，如圖6（d）所示。手臂4運動至障礙下側，如圖6（e）所示。手臂3、2依次蠕動至圖6（f）所示位置。手臂2、3抓緊線路，手臂5運動至障礙另一側并夾緊輸電線路，手臂4運動至原手臂5位置，如圖6（g）所示。手臂3、2依次脫線，重復手臂4的運動過程，手臂4下線重復手臂5運動過程，手臂5伴隨向前蠕動，機器人可運動至圖6（h）所示位置。手臂5、4、3依次向前蠕動，手臂1、2下線完成越障任務，如圖 6（i）所示。

以上越障過程中側向重力平衡手臂分別為：圖6（a）～圖6（g）中手臂 1，圖 6（h）～圖 6（i）中手臂 5。側向重力平衡手臂在機器人能夠滿足側向平衡條件時也可以落在輸電線路上。

圖6 機器人跨越典型障礙組合流程Fig.6 Process of Crossing Typical Obstacle Combination

由以上分析及越障流程可知機器人具備跨越500kV架空地線上典型障礙組合的能力。機器人在越障過程中至少有兩手臂掛線，不存在單臂掛線及單臂行進過程，同時至少有1個手臂及單元機構可以作為機器人自平衡機構，滿足機器人手臂脫線側向偏出越障過程中的重力平衡需求，改善巡檢機器人越障過程的穩定性能。機器人能夠跨越帶有水平轉角的障礙。

6 結論

（1）提出一種新型五臂式輸電線巡檢機器人機構，在四邊形機構中采用了柔索驅動方式。機器人具有多種掛線及越障模式，越障過程中可保證至少有兩個手臂掛線，且能保證機器人側向的重力平衡，可滿足帶有水平轉角的越障需求。（2）與雙臂機器人不同，三臂及多臂機器人在跨越組合障礙過程中存在一定的難度和復雜性。針對500kV架空地線障礙類型及障礙的組合情況，總結歸納出兩種典型的障礙組合類型，并采用多目標優化算法得出了機器人機構參數的優化設計結果。