一种新型三臂式巡线机器人设计

一种新型三臂式巡线机器人设计 王方顺;俞振东;唐乾 【摘 要】为了保证输电线路的安全稳定运行,需要定期对其进行巡检,针对具有防震锤、悬垂线夹、耐张线夹、带有转弯跳线杆塔的复杂的高压输电线路目前没有应用于实际线路的巡检机器人的问题,设计了一种新型的、具有多种方式越障的三臂机器人.该机器人由旋转副、移动副、行走刹车于一体的前臂与2个具有刹车功能和旋转副的异位随动后臂构成,通过前后臂的配合实现越障巡检的能力.然后针对具有防震锤、悬垂线夹等障碍的输电线路,详细设计了机器人的越障方法,最后建立了巡检机器人的仿真运动模型,通过仿真分析,验证其避障过程,结果表明该机器人机构设计合理、避障样式多样化及越障过程简洁化,因此该机器人具有很好的环境适应性,在保证速度的同时能够安全稳定运行.

【期刊名称】《新技术新工艺》 【年(卷),期】2019(000)008 【总页数】4页(P68-71) 【关键词】巡线机器人;输电线路;避障;防震锤;悬垂线夹;运动仿真 【作 者】王方顺;俞振东;唐乾 【作者单位】中国电子科技集团公司第二十八研究所,江苏 南京 210007;中国电子科技集团公司第二十八研究所,江苏 南京 210007;中国电子科技集团公司第二十八研究所,江苏 南京 210007

【正文语种】中 文 【中图分类】TP242 高压输电线路是电力系统的重要设施，然而，长期裸露的金属导线在外界环境下，避免不了持续的机械张力、电气闪络、材料老化的影响而产生断股、磨损、腐蚀等损伤，如不及时发现和消除，就会造成损伤扩大，造成巨大损失。为了保证输电线路安全、稳定地运行，需要对输电线路进行定期巡检[1-2]。为了提高巡检效率，近年来利用机器人来代替人工和直升机(见图1和图2)进行巡检[3-4]。美国、日本、泰国等国家在20世纪80年代就已经开展了高压输电线路巡检机器人的研制[5-6]。其中，加拿大的LineROVer实现了一档内电力线工作，后来研制的LineScout电力线带电维护机器人可以实现跨越常见金具、紧固螺钉等工作[7]；日本的Expliner的巡线机器人可以实现4分裂导线行走[8]。国内的研究是从21世纪开始的，虽然起步很晚，但是也有了很大的成就，比如沈阳自动化研究所的沿500 kV地线巡检机器人[9]，武汉大学吴功平教授带领的团队针对220 kV单分裂导线进行了研究，取得了很大的进展[10]。但是，所有的研究中都存在着不能过转角塔的问题，这样遇到转角塔就不能持续巡检下去。本研究基于此，设计了一种具有三臂结构的新型高压巡检机器人，并通过建立巡检机器人仿真模型进行了验证。 图1 传统人工巡检 图2 直升机巡检 1 巡检机器人总体设计 在众多工业领域中，机械结构是所有的基础，一个优质的机械结构不仅可以简化控制，还可以使机器稳定高效运行。为了保证机器人实现在高压输电线路上的灵活越障，对机器人的重心问题需要着重考虑，尤其是在行走和越障过程中。为了解决这些问题，应设计出合理的机械结构，针对巡检方面的要求，现提出对巡检机器人机械方面的设计要求。 1)能在输电线上以一定的速度平稳运行，无冲击。 2)具有一定的爬坡能力，在上下坡路段保证不打滑。 3)能较灵活和稳定地跨越输电线上的各种障碍物和完成转弯任务，包括防震锤、悬垂线夹、跳线线夹、绝缘子和杆塔等。 4)结构小巧紧凑，且应保证预留足够的检测仪器安装空间和越障时机构与其它物体的安全间距。 5)具有刹车制动功能，当发生故障或遇到恶劣天气时，机器人能可靠自锁，以免从输电线上摔落。 6)机构的自由度尽量精简，过多的自由度会导致控制困难，而且电动机数量的减少，可有效降低成本和重量。 基于以上要求，本方案中巡检机器人的快速移动采用轮式机构进行运动设计；设计辅助机械臂结构，保证越障成功，以往的设计中，有两臂式和三臂式2种，双臂越障简单，但是需要保证质心调节，三臂的越障和机构都会显得复杂一些，基于此，本方案设计了介于两者之间的机构，分为前臂和后臂，后臂采用两轮机构。 本方案提出的新型三臂巡检机器人简图如图3所示，机器人模型图如图4所示。包括前臂、后臂和机箱。机器人行走机构采用轮式机构，通过前后臂的旋转越障。前臂和后臂可以相对机箱滑动来调节机器人的平衡和找线。后臂的轮子为从动轮，有刹车机构进行辅助，当前臂处于脱线状态时，后臂的2个轮子固定在线上。前臂的轮子也具有压紧线缆的功能，当前臂固定在线上时，后臂旋转伸缩越障。

图3 巡检机器人机构简图 图4 巡检机器人模型图 后轮1和后轮2是异位平行关系，通过电动机M2带动关节3的小转盘就可以实现上线和脱线。前轮和压紧轮构成具有夹具的行走机构，可以实现上坡、下坡以及越障的固定功能，通过电动机M3带动关节4的大转盘可以实现上线和脱线。关节1和关节2是由电动机M1通过同步带带动的2个1∶1同时移动的移动副，可实现前后臂的相对移动。由电动机M7带动的同步带可以实现带有行走机构的前臂上下移动，与后臂产生上下位移。由电动机M6带动的丝杠传动，实现前臂与线缆的夹紧。 2 机器人越障过程 在巡线过程中，机器人遇到的主要障碍有2种：防震锤和悬垂线夹。为顺利通过障碍，在机器人上设计旋转、伸缩和升降等运动机构，通过前后臂的位姿变化实现越障，设计步骤如下。 2.1 机器人越障防震锤 机器人防震锤越障的基本分解动作如图5所示。其设计步骤如下。 第1步：初始状态a，前后臂均在线上。 第2步：伸缩+旋转，当检测到前方防震锤时，驱动M4和M5使后臂固定在线上，然后使行走轮脱离线缆，旋转后臂上的转盘，同时驱动M1，使前后臂相对伸缩到达状态b的位置。 第3步：旋转+前臂上线，驱动后臂的旋转关节，同时打开驱动轮和压紧轮，当检测到线缆处于两轮之间时，停止转动，驱动M6，完成前臂上线任务。 第4步：旋转+伸缩，前臂越过防震锤上线后，驱动后臂旋转至状态d，同时使前后臂相对伸缩，直到后臂越过障碍。 第5步：旋转+后臂上线，继续旋转后臂，当检测到线缆处于后轮下方时停止，此时驱动前臂的升降完成后臂上线任务，整个越障完成。 图5 防震锤越障的基本分解动作 2.2 机器人越转角悬垂线夹 机器人越转角悬垂线夹基本分解动作如图6所示。其设计步骤如下。 第1步：初始状态a，前后臂同时在线上。 第2步：旋转+伸缩完成前臂上线，前臂脱线后，同时旋转前臂和后臂的转盘，驱动M1改变前后臂间距到前臂靠近跳线位置完成找线任务，然后驱动前臂升降，旋转转盘使驱动轮处于线缆之上，压紧线缆完成前臂上线。 第3步：旋转+前行，驱动前后臂转盘，同时驱动行走轮行走至状态c。完成跳线行走任务。 第4步：升降+旋转，完成后臂找线，驱动前臂升降机构，同时旋转前臂转盘。使线缆处于后臂两轮之间，然后旋转前后臂转盘，完成后臂找线。 第5步：旋转+升降，当后臂找到线后，驱动前臂升降，完成后臂上线至状态e。 第6步：旋转+升降，接着固定后臂于线上，使前臂脱离跳线，旋转后臂转盘，至防震锤前侧(状态f)。 第7步：旋转+前臂上线(状态g)，状态与过防震锤状态c一样，不再叙述，完成转角塔过跳线任务。 图6 越转角悬垂线夹基本分解动作 3 基于ADAMS的巡检机器人运动学仿真 为验证上述悬垂线夹越障任务设计，应用ADAMS软件对模型进行了运动学仿真。导入简化机器人模型、输电线路以及金具，将输电线路和悬垂线夹固定，对移动机器人施加各种运动副。然后用STEP函数进行拟合，对模型进行调试。图7为移动机器人在ADAMS下跨越悬垂线夹的过程。 具体分为如下两步： 第1步：前臂越障。 整个前臂越障用时10 s(见图7)，后臂转盘速度的step函数为step(time,1,0,1.3,-0.1) +step(time,1.3,-0.1,3.7,-0.1)+step(time,3.7,-0.1,4,0)+step(time,4,0,6,0)+step(time,6,0,6.3,0.1)+step(time,6.3,0.1,8.7,0.1)+step(time,8.7,0.1,9,0)，可以得到其输入函数图如图8所示。 图7 ADAMS简图前臂越障分解动作 图8 后臂转盘速度的step函数输入图 图9为前轮质心X、Y、Z方向的位移随时间的变化曲线，其中，粗实线表示X轴方向的位移，即机器人前行的方向，细实线表示Y轴方向的位移分量，即前轮的垂直方向。在下线和上线的过程中，前轮需要上升和下降实现与线缆的脱离和连接。虚线表示Z轴方向的位移分量，当越过悬垂线夹时，因从线缆的侧边越过，所以在Z方向产生一个相对初始位置的偏移和复位。从整个仿真曲线图可以看出，机器人前臂越障过程平稳，机器人的越障设计合理。 图9 前轮质心X、Y、Z方向的位移随时间的变化曲线 第2步：前臂行走+后臂越障。 后臂的越障动作是通过后臂的旋转脱离线后(见图10)，由前臂带动行走越过悬垂线夹，较为简单。在上下线时，前臂需要完成整体的升降动作与后臂进行配合作业。 图10 ADAMS简图后臂的越障动作 4 结语 本文将三臂的稳定性以及两臂的轻便性相结合，提出了一种新型的巡检机器人结构设计，通过来回切换自由度及相对位移变化，实现了在尽可能少的自由度下完成所有越障。机器小巧轻便，对线路的损伤较小。同时，本文设计的机器人可以实现转角塔的跨越，并通过仿真验证了方案的可靠性。 参考文献

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