一種巡線機器人的機械結(jié)構設計及運動學分析

楊 愷，高宏力，施景皓，魯彩江

（西南交通大學機械工程學院，四川 成都 610031）

1 引言

高壓輸電線路通常為裸導線，暴露于野外環(huán)境之中，長時間的風雪雷擊、機械張力、電氣閃絡，易造成線路損傷，從而影響輸電線路線路運行的安全性及穩(wěn)定性[1]。為保證輸電線路的安全運行，需要對其運行狀況做周期性檢測。目前，對架空輸電線路的巡檢方法主要有[2]：（1）望遠鏡人工檢測法，但利用望遠鏡不易檢測出細微故障，且觀察不全面；（2）直升飛機航測法，該方法存在費用高、難度大、觀測精度低等問題，且存在視覺死角，受氣候影響明顯；（3）檢修工人穿上帶電作業(yè)屏蔽服上線檢修，但檢修時巡檢人員作業(yè)難度大、危險性高；（4）無人機航測法，但由于高壓輸電線周圍的強磁場對無人機飛行控制系統(tǒng)的干擾，無人機無法靠近且無法環(huán)繞導線檢測，存在視覺死角。相對于傳統(tǒng)方法，輸電線路巡線機器人具有安全性好、工作效率高等優(yōu)點，因此可以利用其取代傳統(tǒng)方式，以提高檢測精度和檢測效率。而當前，已有的巡線機器人尚有重量大，持續(xù)作業(yè)時間短的不足，且可跨越障礙物種類較少，尤其不能跨越耐張塔間的跳線，均降低了使用巡線機器人進行巡檢的可行性[3]。基于此，設計了一種可以跨越線路上包括跳線在內(nèi)的常見結(jié)構化障礙物的輕量化自主越障巡線機器人，以期達到增加機器人巡檢范圍，提升巡檢質(zhì)量的目的。

2 巡線機器人機械結(jié)構設計

2.1 線路運行環(huán)境分析

擬設計一種適用于110kV 高壓輸電線路的輕量化自主越障巡線機器人，要求其能夠自主跨越輸電導線上的常見結(jié)構化障礙物并代替人工完成線上巡檢工作。

110kV 輸電線路上的主要障礙物有懸垂線夾、絕緣子串、防振錘、直線跳線與直角跳線。由于我國地理條件復雜，環(huán)境多變，高壓輸電線路的布置經(jīng)常需要跨越江河湖泊與深山密林，因此巡線機器人的作業(yè)難度進一步增大[4]。

2.2 巡線機器人結(jié)構分析

根據(jù)110kV 架空輸電線路的環(huán)境特點，設計了一種輕量化可自主越障的巡線機器人，機器人機械結(jié)構三維模型，如圖1 所示。

圖1 巡線機器人總體三維模型圖Fig.1 Three-Dimensional Model of the Inspection Robot

該巡線機器人機械結(jié)構部分主要由機械臂、手爪以及底部旋轉(zhuǎn)機構組成。兩機械臂的末端分別通過蝸輪蝸桿電機與手爪相連，兩機械臂之間通過底部旋轉(zhuǎn)機構相連。機器人整體即為一個越障機構，當機器人進行越障作業(yè)時，兩機械臂之間協(xié)同運動，調(diào)整機器人姿態(tài)。

機器人手爪包括行走機構、防墜機構、電磁能量采集機構，機器人手爪三維模型圖，如圖2 所示。行走機構主要由一個主動輪，兩個從動輪組成，其中主動輪由輪轂電機提供驅(qū)動，前后兩側(cè)從動輪的布置增加了行走機構與輸電導線的接觸面積，使其能更平穩(wěn)地在線上爬行。防墜機構主要由布置在行走機構左右兩側(cè)的張緊輪與夾緊機構組成，其收縮均由絲杠機構控制。張緊輪的作用主要是為行走機構在線上行走時提供正壓力，增大行走輪與導線之間的摩擦，提升爬坡性能，而夾緊機構則在機器人越障時將一只越障臂與導線鎖緊防止其搖晃甚至墜落。電磁能量采集裝置在安裝磁芯后可通過電磁感應原理采集輸電線上的電能，與機器人電池管理模塊相互協(xié)調(diào)作為自取電模塊，增加巡線機器人的線上續(xù)航能力。

圖2 機器人手爪三維模型圖Fig.2 3D Model of the Robotic Claw

3 機器人越障運動學分析

在越障作業(yè)階段，巡線機器人需要調(diào)節(jié)整個機器人的姿態(tài)來實現(xiàn)越障任務，而機器人的位置與姿態(tài)又由5 個旋轉(zhuǎn)關節(jié)決定，因此有必要對機器人的越障運動進行運動學建模，并進行相應的運動學分析。

3.1 機器人越障步態(tài)分析

巡線機器人越障步態(tài)分析是機器人運動學分析的基礎[5]。現(xiàn)有的巡線機器人可以跨越的障礙物種類較少，只能越過線路上的金具類障礙物，包括懸垂線夾、防振錘、耐張線夾等，而不能跨越耐張塔間的跳線，大大限制了機器人的作業(yè)范圍[6]。設計的巡線機器人則具有跨越跳線的能力，而直角跳線為跳線中的跨越難度最大的一種情況，故特以直角跳線為例，對巡線機器人的越障動作進行分析。機器人跨越直角跳線的步驟，如圖3 所示。

圖3 機器人跨越直角跳線步驟圖Fig.3 The Step Diagram of the Robot Crossing the 90° Jumper

Step 1：機器人在跳線前方停下后，后臂上的夾緊機構將機器人與導線夾緊固定，防止其在越障過程中晃動，同時前臂行走模塊與導線分離。

Step 2：機器人底部旋轉(zhuǎn)機構旋轉(zhuǎn)一定角度，使越障前臂與原導線及跳線均錯開一定距離。

Step 3：機器人后臂行走機構驅(qū)動機器人緩慢向前行進，當越障前臂到達抓線點后停止前進。

Step 4：機器人腕部電機、底部旋轉(zhuǎn)電機與肩部電機相互協(xié)同運動使行走機構準確地實現(xiàn)抓線操作。

Step 5：越障后臂上夾緊機構松開與導線之間的約束，而后越障后臂重復上述Step 1 至Step 4，使機器人越障后臂越過直角跳線并重新抓線。

3.2 機器人運動學模型的建立

當遇到障礙物時，機器人越障后臂上的鎖緊機構將其與導線鎖緊，此時越障后臂不能轉(zhuǎn)動。以越障后臂下放的轉(zhuǎn)動關節(jié)為基坐標系進行D-H 建模[7]。

巡線機器人在越障時是一個四自由度結(jié)構，所有關節(jié)均為轉(zhuǎn)動關節(jié)。巡線機器人越障時的D-H 模型，如圖4 所示。根據(jù)該模型得到機器人的D-H 參數(shù)，如表1 所示。

圖4 機器人越障D-H 模型Fig.4 D-H Model of Robot

表1 D-H 連桿坐標系的參數(shù)表Tab.1 Parameter Table of D-H ConnectingRod Coordinate System

3.3 運動學分析

方程（5）構成該巡線機器人的運動學方程。

3.4 運動學模型的驗證

為了驗證上述正運動學分析的正確性，在Matlab Robotics工具箱中對巡線機器人進行運動學建模[8]，并引入實例分別代入3.3 節(jié)中得到的運動學方程與Robotics 工具箱中進行計算，通過比較兩種方法求得的結(jié)果是否一致判斷運動學模型是否正確。

對各關節(jié)變量進行賦值：θ1=π/9，θ2=π/2，θ3=π/3，θ4=0；代入式（4）后運用Matlab 計算得到機器人越障時前臂相對于基坐標系的位姿參數(shù)為：r11＝-0.2962，r12＝-0.1710，r13＝-0.9397，px＝-79.9164；r21＝0.8138，r22＝0.4698，r23＝-0.3420，py＝416.0480；r31＝0.5000，r32＝-0.8660，r33＝0，pz＝308.7000。

根據(jù)D-H 參數(shù)在Matlab Robotics 工具箱中對巡線機器人進行運動學建模，機器人Robotics 工具箱運動學模型，如圖5 所示。使用SerialLink.fkine（）函數(shù)進行正運動學分析，求出在給定上述變量值的情況下，機器人越障時前臂相對于基坐標系的位姿矩陣為[9]：

圖5 機器人Robotics 工具箱運動學模型Fig.5 The Robotics Toolbox Kinematics Model of Robot

將運動學方程的解與Robotics 工具箱中求得的結(jié)果進行對比可知，兩種方法求得的結(jié)果一致，使用D-H 方法與Robotics 工具箱建立的運動學模型均是正確的。

3.5 運動學仿真

為了驗證巡線機器人在越障過程中有無剛性、柔性沖擊以及碰撞發(fā)生，需在Robotics 工具箱中對機器人進行運動學仿真。由巡線機器人越障步態(tài)可知，機器人的初始關節(jié)變量為θ0=［0 0 π/2 0］，終止位置的關節(jié)變量為θ1=［π/9 π/3 π/3 0］。基于上節(jié)中建立的運動學模型，使用Robotic 工具箱中的jtraj（）函數(shù)構建由初始位置到終止位置的運動軌跡并使用plot（）函數(shù)生成巡線機器人各個關節(jié)的位移、速度、加速度曲線，機器人各越障關節(jié)運動參數(shù)曲線，如圖6 所示。

圖6 各越障關節(jié)運動參數(shù)曲線Fig.6 Motion Parameter Curve of Each Obstacle Crossing Joint

根據(jù)上述機器人越障關節(jié)運動參數(shù)曲線可知，機器人各關節(jié)運行均平穩(wěn)順利，不存在奇異點，說明巡線機器人在越障過程中無碰撞發(fā)生，無剛性、柔性沖擊，證明機器人各連桿參數(shù)及越障步態(tài)設計合理。

4 結(jié)論

為了通過使用機器人巡檢的方法來降低110kV 輸電線路巡檢的難度及成本，設計了一種雙臂結(jié)構的輕量化自主越障巡線機器人，提出了一種能夠越過輸電線上常規(guī)結(jié)構化障礙物以及跳線的越障方法，并針對其越障過程進行運動學分析及運動仿真。分別使用標準D-H 方法與MatlabRobotics 工具箱運動學建模的方法對機器人進行運動學分析，并引入實例驗證文章運動學分析的正確性。最后，為了得到機器人在越障過程中各關節(jié)的運動參數(shù)，使用Matlab Robotics 工具箱進行運動仿真。仿真結(jié)果表明巡線機器人在越障過程中無碰撞發(fā)生且各關節(jié)之間不中存在剛性沖擊與柔性沖擊，證實了機器人運動結(jié)構以及越障步態(tài)的合理性。