一種電力巡檢機器人自主越障系統設計

池毓菲 張美鋒 黃子博 王懷祥

（1.福建華電可門發電有限公司 2.華電電力科學研究院有限公司）

0 引言

隨著科技的發展和生產的發展，人們對智能機器人的研究也日益深入。電力系統的發展使得機器人應用成為迫切需求，電力系統的發展離不開輸電線路的支持，架空輸電線路長期處于裸露狀態，受外界環境的影響，不僅要承擔較大的負載，而且要經受外部的侵害，從而導致線路長期處于各種異常狀態［1］。為此，需要對高壓輸電線路進行監測，以確保電力系統安全穩定運行。采用巡檢機器人，不但可以高效地完成此種作業，還可以通過對作業過程中的行為進行規劃，并根據實際情況自動產生相應作業指示，從而實現對作業自動控制。針對目前的各種多變環境，傳統的機器人無法適應各種越障要求，本文提出一種電力巡檢機器人自主越障系統。

1 電力巡檢機器人自主越障系統結構設計

1.1 自主越障控制器結構

機器人的避障控制系統主要是利用LabVIEW技術，將獲得的多個數據進行整合，并進行數據集成。然后利用LabVIEW對數據進行綜合處理，最后將數據傳送給微控制器模塊。采用CAN總線進行數據傳輸，經過微分驅動方式，控制電機向不同方向前進，進而實現對巡檢機器人姿態角的控制，達到躲避的目的［2］。自主越障控制器主要功能是自由地向前、后、左、右四個方向運動，并且在運動過程中，根據計算的距離、位置對所經過的障礙物進行躲避。利用光電編碼器對機器人的運動軌跡進行跟蹤，達到對機器人運動位置定位的目的［3］。

1.1.1 上、下位機結構設計

自主越障的電力巡檢機器人上、下位機是控制器的核心結構，其中上位機使用的是一種RS232串行通訊線纜，該線纜直接與下位機相連，負責數據交換。在上位機中安裝一個激光測距儀，該儀器負責自主越障數據采集、控制、數據分析結果顯示，通過顯示內容控制移動機器人。計算機的主要作用是對計算機的數據進行分析和判斷，并對下位機發出控制命令［4］。

1.1.2 機身爬行臂結構設計

目前架空高壓輸電線路巡檢機器人主體結構主要包括爬動臂和承載探測設備的主體，爬行臂的結構也是由不同的機械結構決定的。因此，使用一種三臂機器人，該機器人體型大、作業空間大，可以克服很多困難。另外，三臂伸縮性更好，能攜帶更多的電力，因此能提高機器人巡檢效率。三臂巡檢機器人通過障礙時，其平衡塊向后運動，由轉動機械帶動的電纜脫離，中、后肢沿著一條直線行進，使前臂通過障礙，實現前臂越障。如圖1所示的對稱三臂的一只手臂的示意圖，其手臂是一個帶有偏心基座的雙連桿平面機械手。通過假設機器人導線在避障過程中剛性連接，可以通過對流生成單臂的運動學參數。因此，機器人手臂的運動學和動力學建模可以簡化為僅避障階段。當前臂克服障礙時，把平衡塊調節到巡檢機器人箱體的中部［5］。中臂下降以躲避障礙，然后繼續前進直至中臂越過障礙。后臂重復前臂越障機理，完成整體越障。

圖1 一種基于單臂的三臂機器人建模示意圖

1.1.3 恒力矩夾持機構

機器人在巡檢過程中難免會遇到爬坡問題，因此，爬坡能力成為衡量機器人穩定巡檢的一項重要指標。對于提高巡檢機器人爬坡能力主要有兩種措施，一種是增加機器人行走輪和線路之間的摩擦力，另一種是增加機器人自身重力。通常情況下，巡檢機器人都是采用增加自身重力的方式，在每一個移動輪的下面設有兩個夾持輪，每一個夾持輪通過旋轉軸與機械手連接，從而可以上下移動，完成夾持和松脫的操作。充分考慮輪子過分夾緊會導致行走輪輪槽與地面之間摩擦增大的問題。因此，使用一種雙夾緊的輪子結構，使巡檢機器人在爬坡時能夠適應線路角度的變化。

為了保證機器人在爬坡過程中的穩定性，必須將夾持輪移至副軸的位置，從而實現動力的平衡。通過機器人本身的傾斜度傳感器來提高機器人的兩臂高度差，從而可以計算出機器人的直線角，確保機器人在穿越障礙物時始終處于平穩狀態。

1.2 自主越障感應傳感器

自主越障感應傳感器主要包括兩種，PAR傳感器和TSR傳感器，對于這兩種傳感器的功能如下所示。

（1）PAR傳感器

PAR傳感器易于使用，可以在全天候使用，并且可以與數字伏特計的數據采集裝置直接相連，其主要功能是測量400～700nm的自然光的光合作用。

（2）TSR傳感器

TSR傳感器的運動基準裝置能夠滿足不同靜態和動態條件需要，其主要目標是高精度、高可靠性地檢測障礙物。V形導向滾子是一種帶有一體化測量放大器的球軸承的張力傳感器，它能夠輸出多種類型的信號，包括模擬、數字（可選）、電流（可選）、模擬DMS（可選），是一種具有機械防護的張力傳感器，便于操作者對所述定制的材質進行校正，并可用于不同的輥子。

2 電力巡檢機器人自主越障功能設計

隨著我國電力系統日益依賴電力網絡，電力系統的運行可靠性問題日益突出。通過采用機器人對高壓輸電線路進行巡檢，可以降低巡檢人員的勞動強度（見圖2）。同時還能對某些人工巡視的盲點進行有效地探測，從而保證電纜的安全、可靠，保證輸電線路正常運行。

圖2 智能巡檢機器人

2.1 電力巡檢機器人自主越障行為控制

由于機器人在障礙時受到多個可控多個節點的干擾，使得其動作過程變得更加復雜，從而使其難以進行操作。由于機器人自身依賴的關節運動軌跡在線規劃是一個非常復雜的任務，為了使其具有更好自動越障能力，需要事先制定好離線操作規劃，然后根據操作順序進行自動越障。然而，由于障礙物種類繁多，且其真實的姿態難以預料，因而難以準確地進行越障運動。因此，采用線上與線下的方法，結合現有脫機計劃，針對實際狀況，對障礙越障行為進行合理在線規劃，以達到一種流暢越障行為。采用生成式系統的層次規劃方法，以達到機器人越障行為規劃目的。計劃的實施可分為行為層面和動作層面兩個層次。其中行為層面并不直接對關節進行控制，而需要完成諸如前肢脫線、越障等行為命令；動作層面不同于行為層面，主要是執行機構的活動關節驅動，并對電機運行方向、速度、停止等進行控制。通過在行為層面上進行規劃，利用行動序列知識庫對所規劃的宏指令進行解釋，產生一系列的關節動作，完成對機器人運動控制。這種方法可以有效地解決很多不確定的離線規劃問題，同時也可以避免在線上進行復雜的規劃操作，從而使機器人能夠更好地完成對障礙的控制。

2.2 電力巡檢機器人自主越障姿態角調整

在越障機器人的越障規劃中，姿態調整是一個非常關鍵的環節，它可以保證系統的安全、穩定，保證機器人在越障過程中的重心分布均勻，也可以保持手臂的力量均衡，以確保越障時的穩定。要越過障礙物，機器人必須一個機械臂掛在空中，另一個機械臂從電線上穿過障礙物，并使臂架能夠移動到障礙物的另一側，從而越障（見圖3），然后才能重新回到線上。該系統在線工作時，采用了重心調整機構，使機器人的運動保持穩定。為了實現機器人的脫機，必須保證輥子和架空接地線之間不能有強烈的交互作用。

圖3 機器人越障過程

對于機械臂上線定位控制步驟為：在進行臂部上線運動定位時，由于現場線路的風向以及自身姿勢的調整，導致出現搖擺后，必須不斷地進行調整，從而延長了定位操作的時間。通過計算滾筒、扶手、架空線的相互關系，調節機械臂的姿勢，使其能夠迅速地實現在線操作，從而提高工作效率。將一個機械吊在空中，另一個機械臂完成自動越障，然后再重新回到地面，得到另一個機械臂、夾爪和滾輪的角度偏差，由此完成上線操作。

3 案例分析

通過對高壓輸電線路的測試，發現導線金具可以有效地保護高壓線路，并在導線上設置相應的導線金具。機器人在進行線路檢測時，難免會碰到一些障礙，如金屬刀具。在巡線機器人越障作業中，如何合理地完成巡線作業是其關鍵環節。目前，利用機身重力使行走輪與繩索間產生相對摩擦，使其能夠沿著一條直線行進。當遇到障礙時，這些機器人很可能會導致機身失去平衡，在一些大角度的線路上會發生打滑現象。為了確保機器人在越障時的穩定，并在行走輪下面加入夾具，從而提高了作業的安全性和可靠性。在輸電線路上常用的幾種導線金具，從外形上看，可以看出有相同的地方，即都是長條形，且平行于軸線和線纜，其中尺寸最大的為防震錘。

本文通過對機器人在架空接地線上的撞擊擊打作為實例，對其越障進行分析：

階段一：由左至右的巡檢機器人，靠近右沖撞錘的軌道臂叫做前臂，而左邊的軌道臂叫做后臂。這時，機器人在直線上行進，兩個夾緊裝置處于松弛狀態。當機械人靠近撞擊錘子時，機械臂上的測距感應器會發出訊號，使機械手停止運動，進行下一步的越障。

階段二：機器人在接收到右臂前的感應器信號時，就會停止動作，由夾持機構的滾珠絲杠帶動夾持纜索上升，再由前臂氣鉗帶動一周完成動作，并分別圍繞主動輪和主動輪行走，機器人圍繞纜索行走。

階段三：后臂夾緊裝置夾住鋼索，使其保持身體的穩定。通過俯仰機構的運動，使機器人的前臂豎直運動，而行走輪則下降，直至繞過障礙為止，這個距離被一個用于控制前臂的下降傳感器監測和反饋。

階段四：當前臂脫離了纜線時，機身通過行走輪和后臂夾持裝置，使身體保持平穩。之后，后臂行走電機會將行走輪向前推，直至前輪越過防震錘，機器人在后臂上的感應器探測到防震錘時就會停止運動。

階段五：機器人的前臂越過障礙物，再由電動推桿推動其向前運動。前臂重新上線，直至感應器確認纜線并越過纜線。

階段六：當機械臂通過障礙時，前臂行走輪會進行閉合動作，再次夾持由空氣鉗驅動的鋼索，前臂夾持機構將滾珠螺桿帶動的鋼索夾住，以實現前臂越障。

巡線機器人完成了一套前端爬行臂的越障動作，然后機器人后端爬行臂又重復了與前端爬行臂越障相同的動作，由此完成機器人整體的越障。

根據上述內容，將傳統系統與自主越障系統的避障效果進行對比分析，結果如下表所示。

表 兩種系統避障效果對比分析

由表可知，當障礙物靜止時，使用傳統系統最高避障效果為50%，使用自主越障系統最高避障效果為98%；當障礙物動態時，使用傳統系統最高避障效果為46%，使用自主越障系統最高避障效果為95%。

為了驗證機器人的穩定性，采用可調節角度的仿真回路，并利用角度補償恒力矩保持器的夾持力，對不同方向的機器人進行越障試驗。

（1）穩定風作用

由于風在方向的隨機性，在穩定風荷載作用下，由于其本身的自重和摩擦作用，其沿風向和豎直方向均比機械臂小，而在沿軸向風向最大時，則會出現一個撓度。當巡檢機器人在檢測線纜時，若機身搖擺或傾斜角太大，會使相機無法聚焦，造成巡檢圖像模糊不清，從而影響檢測效果。通過在機架的底板上加裝角度傳感器，設定適當最大傾角，在預設值以上時，機架上的風向會產生很大傾角，在風壓強情況下，機架傾角可以被實時地調節，夾持機構由馬達帶動夾持纜索，增大沿軸摩擦力，減小風對機器人工作性能影響。

（2）脈動風作用

脈動風的風速是隨著時間推移而變化的，為了分析脈動風對機器人穩定性影響，必須對其進行動態分析。由于脈動風的存在，使機器人產生了風振效應，從而使機器人能夠在風的作用下繼續工作。另外，當機器人的搖擺幅度超出設定值時，通過夾緊機構夾持纜繩，使其不能繼續運動，從而保證了機器人線上作業安全性。

4 結束語

巡線機器人的越障作業是一種非常復雜的作業，在作業中會發生很多無法預料的狀況。因此，基于邊緣特征的提取，可以實現電力巡檢機器人的自動越障，從而達到自動越障的智能行為。該系統不但適合于巡邏機器人的自動越障，同時對于一些控制量大、控制邏輯復雜的控制系統也有一定的參考價值。機器人自動避障是一種非常重要的、有效的智能控制方式，該系統可以根據模擬試驗的結果，對各種技術參數、設計思想、規則進行優化，具有很強的靈活性。