對(duì)高壓輸電線路進(jìn)行巡檢是電力部門的重要工作，由于采用機(jī)器人巡檢線路具有安全可靠、效率高和成本相對(duì)低廉的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)全球范圍內(nèi)對(duì)輸電線路巡檢機(jī)器人的需求不斷增加，各科研機(jī)構(gòu)對(duì)巡檢機(jī)器人的研究進(jìn)展較大，作為巡檢機(jī)器人的核心部分，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也在不斷完善。

傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人采用跨越方式越障，在越障過(guò)程中不可避免地要出現(xiàn)機(jī)械臂與線路分離和機(jī)械臂重新尋找線路這兩個(gè)過(guò)程，因此極大地限制了巡檢機(jī)器人的安全性和巡檢效率的提高。

例如加拿大魁北克水電研究院的巡檢機(jī)器人“Line Scout”，不僅可以巡檢線路，還可以完成導(dǎo)線修補(bǔ)、螺栓緊固等相對(duì)簡(jiǎn)單的線路維護(hù)作業(yè)。武漢大學(xué)高壓輸電線路巡線機(jī)器人可沿單導(dǎo)線及地線行駛的兩種方式自主巡檢。山東科技大學(xué)的機(jī)器人設(shè)置有3個(gè)機(jī)械臂，采用基于規(guī)則的專家控制系統(tǒng)來(lái)控制機(jī)器人在高壓輸電線上的爬行。

本文設(shè)計(jì)的輸電線路巡檢機(jī)器人是一種微小型、重量輕、運(yùn)行在地線上的巡線機(jī)器人，以短期在線巡檢和長(zhǎng)期駐留桿塔的作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)線路、金具、絕緣子、桿塔和線路走廊的巡檢，可以解決現(xiàn)有巡檢機(jī)器人存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢的實(shí)用化。機(jī)器人的整體機(jī)構(gòu)方案如圖1所示，主要由機(jī)器人本體、越障橋、駐留巢穴和遠(yuǎn)程集控中心4部分組成。

圖1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1 機(jī)器人行走過(guò)程分析

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖2所示是機(jī)器人本體設(shè)計(jì)方案，主要由主動(dòng)輪、手爪、連接臂和巡檢系統(tǒng)組成。其中主動(dòng)輪負(fù)責(zé)完成在地線和越障橋上行走，手爪負(fù)責(zé)夾持地線或越障橋以防止機(jī)器人墜落、增加主動(dòng)輪與地線的摩擦力從而增強(qiáng)機(jī)器人的爬坡能力，巡檢系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對(duì)線路的巡檢。

1.2 機(jī)器人越橋過(guò)程

機(jī)器人通過(guò)本體主動(dòng)輪在地線上行走，通過(guò)架設(shè)越障橋跨越地線上的防震錘或其他障礙物。機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)需實(shí)現(xiàn)復(fù)雜場(chǎng)景下的無(wú)障礙行走，完成以下幾個(gè)過(guò)程，過(guò)程如圖3所示。

圖3（a）控制識(shí)別所鋪設(shè)的越障橋，完成過(guò)橋準(zhǔn)備；圖3（b）控制機(jī)器人手爪打開(kāi)后，壓緊越障橋，根據(jù)橋型結(jié)構(gòu)、所處位置通過(guò)內(nèi)置算法實(shí)時(shí)控制開(kāi)合大小調(diào)節(jié)壓緊力大小，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)上橋；圖3（c）控制機(jī)器人在橋上平穩(wěn)行走，根據(jù)風(fēng)向及風(fēng)力大小實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)壓緊力大小；圖3（d）控制機(jī)器人重回地線上完成越障工作。

圖2 機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)

圖3a 機(jī)器人越橋過(guò)程

圖3b 機(jī)器人越橋過(guò)程

圖3c 機(jī)器人越橋過(guò)程

圖3d 機(jī)器人越橋過(guò)程

該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)單線無(wú)障礙行走，可控制實(shí)現(xiàn)爬坡、下坡，坡度最大可達(dá)35°；可控制實(shí)現(xiàn)機(jī)器人跨越越障橋，采用合理控制算法使機(jī)器人能平穩(wěn)跨越越障橋，過(guò)橋時(shí)不卡頓。

1.3 機(jī)器人越橋動(dòng)作條件

機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)需滿足以下要求：

1）滿足穩(wěn)定行走的要求

在機(jī)器人本體運(yùn)行在地線或越障橋上時(shí)，既要通過(guò)手爪抱緊地線或越障橋產(chǎn)生摩擦力使裝置不墜落，也要保證行走機(jī)構(gòu)能夠平穩(wěn)行走。所產(chǎn)生的摩擦力既不能過(guò)大導(dǎo)致行走機(jī)構(gòu)在地線上無(wú)法行走，也不能過(guò)小導(dǎo)致裝置重心不穩(wěn)發(fā)生墜落事故，需要實(shí)時(shí)調(diào)整手爪抱線摩擦力。

2）滿足穩(wěn)定跨越小型障礙物（例如預(yù)絞絲等）的要求

在機(jī)器人本體跨越小型障礙物時(shí)，主動(dòng)輪與手爪之間間隙突然變大，要保證行走機(jī)構(gòu)不會(huì)發(fā)生打滑和卡死，并且需要保證整個(gè)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)重心上下偏移導(dǎo)致的墜落事故發(fā)生。

3）滿足上下橋時(shí)穩(wěn)定行走的要求

雙軌越障橋安裝在桿塔塔頭，可輔助機(jī)器人跨越桿塔和防振錘等金具。機(jī)器人本體上橋時(shí)手爪打開(kāi)，使機(jī)器人松開(kāi)地線，抱緊雙軌越障橋；機(jī)器人下橋時(shí)動(dòng)作與上橋相反。上下橋時(shí)，主動(dòng)輪與手爪之間壓力急劇變化，控制系統(tǒng)檢測(cè)到壓力變化時(shí)，要及時(shí)對(duì)主動(dòng)輪電機(jī)速度進(jìn)行限速調(diào)節(jié)，并控制手爪抱緊力。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 壓力調(diào)節(jié)算法設(shè)計(jì)要求

壓力調(diào)節(jié)包括主動(dòng)輪降速和調(diào)節(jié)手爪壓力?？刂葡到y(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)主動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)速度，主要是限制主動(dòng)輪速度，從而保證壓力調(diào)節(jié)的可靠性。如果壓力值超出設(shè)定最大區(qū)域，會(huì)立即停止主動(dòng)輪電機(jī)運(yùn)動(dòng)，等待調(diào)整完畢后再繼續(xù)水平運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人的行走動(dòng)力由主動(dòng)輪提供，手爪向上產(chǎn)生摩擦力，壓力傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手爪和主動(dòng)輪對(duì)地線或越障橋的抱緊力。通過(guò)智能控制運(yùn)算單元，調(diào)整出當(dāng)前機(jī)器人行走適用摩檫力，從而達(dá)到巡檢機(jī)器人平穩(wěn)行走目的。

其中地線上行走，包括帶有坡度的地線，靠摩擦力行進(jìn)，摩擦力調(diào)節(jié)手爪抱緊力調(diào)節(jié)。遇到障礙物，例如預(yù)絞絲等，手爪壓力變大。如果壓力太大，摩擦力會(huì)過(guò)大，增加負(fù)載，需減小手爪抱緊力，從而調(diào)整壓力和摩擦力。當(dāng)機(jī)器人離開(kāi)障礙物時(shí)，手爪壓力變小，摩擦力變小，容易發(fā)生打滑和顛簸，需增大手爪抱緊力，調(diào)整壓力和摩擦力。

2.2 控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)以125Hz的頻率進(jìn)行快速狀態(tài)掃描，每次狀態(tài)掃描都要根據(jù)主動(dòng)輪和手爪之間的狀態(tài)關(guān)系進(jìn)行壓力調(diào)整。設(shè)計(jì)要求機(jī)器人滿足最大運(yùn)動(dòng)速度為2m/s，兩次狀態(tài)掃描時(shí)間間隔內(nèi)，機(jī)器人最大水平位移為16mm。越障橋設(shè)計(jì)能夠保證在5次狀態(tài)掃描更新過(guò)程中，控制系統(tǒng)能快速反應(yīng)并調(diào)節(jié)壓力，保持壓力在允許范圍內(nèi)，使機(jī)器人正常行走。

3 自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制算法

如圖4所示，壓力分為高壓停止區(qū)、高壓調(diào)整區(qū)、正常區(qū)域、低壓調(diào)整區(qū)、低壓停止區(qū)。當(dāng)傳感器采集到的壓力處于不同區(qū)域時(shí)，主動(dòng)輪速度與手爪抱緊力需按調(diào)節(jié)策略進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，Pxs為高壓停止區(qū)閾值，Px為高壓調(diào)整區(qū)閾值。Pn為低壓調(diào)整區(qū)閾值，Pns為低壓停止區(qū)閾值。設(shè)P0為壓力傳感器采集的機(jī)器人與地線（或越障橋）之間的實(shí)時(shí)壓力值。

圖4 彈簧壓力分區(qū)圖

利用非線性數(shù)據(jù)擬合原理，設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)壓力值P0、主動(dòng)輪實(shí)時(shí)速度Vct與輸出的計(jì)算壓力值P1之間的關(guān)系模型如下

公式（1）

式中，系數(shù)向量k1和k2的取值與壓力傳感器、電機(jī)特性、傳動(dòng)裝置有關(guān)。通過(guò)采集多組機(jī)器人在不同運(yùn)動(dòng)速度條件下，停止時(shí)壓力變化數(shù)據(jù)，擬合得到k1和k2數(shù)值。

可以簡(jiǎn)單分析出如果機(jī)器人靜止，即Vct=0時(shí)，P1=P0。主動(dòng)輪和手爪的調(diào)節(jié)策略見(jiàn)表1。壓力調(diào)節(jié)策略的目的是使P0維持在正常區(qū)域。

表1 壓力值調(diào)節(jié)策略

4 仿真測(cè)試

如圖5所示，機(jī)器人在室外實(shí)驗(yàn)地線上進(jìn)行了行走測(cè)試。機(jī)器人行走平穩(wěn)并跨越越障橋，運(yùn)行良好。

圖5a 機(jī)器人室外環(huán)境測(cè)試

圖5b 機(jī)器人室外環(huán)境測(cè)試

圖5c 機(jī)器人室外環(huán)境測(cè)試

根據(jù)試驗(yàn)地線型號(hào)和機(jī)器人主動(dòng)輪尺寸，設(shè)定高壓調(diào)整區(qū)閾值為90，高壓停止區(qū)閾值為110；低壓調(diào)整區(qū)閾值為30，低壓停止區(qū)閾值為10。機(jī)器人以50m/min的預(yù)設(shè)速度行走，在上橋過(guò)程中，傳感器采集壓力值P0、采集的實(shí)時(shí)行走速度Vct和計(jì)算壓力值P1變化曲線如圖6所示。

圖6 機(jī)器人上橋過(guò)程參數(shù)變化曲線

機(jī)器人以50m/min的預(yù)設(shè)速度行走，在下橋過(guò)程中，傳感器采集壓力值P0、采集的實(shí)時(shí)行走速度Vct和計(jì)算壓力值P1變化曲線如圖7所示。

圖7 機(jī)器人下橋過(guò)程參數(shù)變化曲線

結(jié)論

通過(guò)機(jī)器人壓緊力實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)方式，配合安裝在地線上各種障礙物跨越橋裝置，實(shí)現(xiàn)了巡檢機(jī)器人沿地線行走巡檢功能。通過(guò)自適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)了壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與地線或越障橋之間的壓力保持在正常區(qū)域，保證機(jī)器人穩(wěn)定行走，不會(huì)發(fā)生打滑現(xiàn)象，提高了巡檢機(jī)器人運(yùn)動(dòng)可靠性。