【正文】 現(xiàn) 場 測 試 X X輸 電 線 路導(dǎo) 航 系 統(tǒng)線 上 行 走/ 攀 爬 機(jī)構(gòu)智 能 機(jī) 器人 本 體智 能 機(jī) 器人 實(shí) 驗(yàn) 室測 試機(jī) 器 人供 電 系 統(tǒng)外 部 電 源系 統(tǒng)電 源 系 統(tǒng)實(shí) 驗(yàn) 室 測試成 套 設(shè) 備實(shí) 驗(yàn) 室 測試成 套 設(shè) 備現(xiàn) 場 測 試設(shè) 備 驗(yàn) 收鑒 定檢 測過 程生 產(chǎn) 線研 發(fā)智 能 控 制系 統(tǒng)塔 上 智 能充 電 塢垂 直 起 降/ 越 障 機(jī)構(gòu) 3. 實(shí)施方案 線上行走 /攀爬機(jī)構(gòu) 移動機(jī)器人機(jī)構(gòu)是巡線機(jī)器人系統(tǒng)中關(guān)鍵的核心技術(shù)。從機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)角度 , 要求機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)滾動、蠕動、跨越和避讓障礙物 , 以及末端執(zhí)行器具有空間位姿調(diào)整運(yùn)動從運(yùn)動控制角度 , 要求機(jī)構(gòu)的自由度少、機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)逆解可實(shí)現(xiàn)解藕控制 , 且運(yùn)動控制的精度高從巡線機(jī)器人系統(tǒng)角度 , 要求機(jī)構(gòu)具有一定的負(fù)載能力 , 且 與導(dǎo)線構(gòu)成等電位體從應(yīng)用角度 ,要求機(jī)構(gòu)具有小巧緊湊、輕質(zhì)的機(jī)械結(jié)構(gòu) , 且容易上下線作業(yè)和便于攜帶等。 根據(jù)輸電線路的結(jié)構(gòu)特征 , 以及巡線作業(yè)的任務(wù)要求 , 通過多種可行方案的對比分析和對機(jī)構(gòu)的巧妙組合 , 以及樣機(jī)原型的反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn) , 提出了由 2 小臂操作手機(jī)構(gòu)、 1個(gè)公共的變長大臂機(jī)構(gòu)、 2 個(gè)小臂與變長大臂間各分別有 1 個(gè)繞鉛垂軸和水平軸旋轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié)組成的雙臂協(xié)調(diào)移動的機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型。 如圖所示為巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu)的原理簡圖。圖中 , 2 個(gè)小臂操作手機(jī)構(gòu)是由小臂 繞水平軸回轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié) 繞鉛垂軸回轉(zhuǎn)的關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)軸 轉(zhuǎn)臺 7 和以小臂為機(jī)架的末端執(zhí)行器組成末端執(zhí)行器是由主動滾輪 2 和夾緊機(jī)構(gòu)組成 （ 圖 2（ b））； 夾緊機(jī)構(gòu)是由夾桿 1回轉(zhuǎn)副 1有限約束的回轉(zhuǎn)副 13 和夾爪 14 組成 , 且沿導(dǎo)線橫截面對稱布置 ； 繞水平軸回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 4 的軸線與繞鉛垂軸回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 5 的軸線垂直相交 , 移動關(guān)節(jié) 4 的軸線與關(guān)節(jié) 5 的軸線垂直相交 ； 2 個(gè)小臂機(jī)構(gòu)和與其相聯(lián)的移動關(guān)節(jié) 8 沿導(dǎo)線軸向呈反對稱布置。主動滾輪完成沿直線無障礙物段的行駛。關(guān)節(jié) 4 和關(guān)節(jié) 5 分別實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂 （ 小臂機(jī)構(gòu)和大臂機(jī)構(gòu) ）在導(dǎo)線平面內(nèi)的升降和旋轉(zhuǎn)。在過障和路徑轉(zhuǎn)移時(shí) , 通過單臂夾爪夾緊導(dǎo)線 , 另一 臂通過 運(yùn)動規(guī)劃實(shí)現(xiàn)過障的各種分解動作。關(guān)節(jié) 8 實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)臂交互滑移異位。 相對于國內(nèi)外一般采用臂及臂以上機(jī)器人技術(shù)而言 , 該機(jī)器人機(jī)構(gòu)有如下特點(diǎn)機(jī)構(gòu)的自由度少 , 機(jī)構(gòu)長度尺寸小 , 加以采用嵌人式機(jī)械結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度的鋁合金材料 , 機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊 , 重量輕。 導(dǎo)航系統(tǒng) 下圖 1 是 220 kV 單分裂輸電線路的結(jié)構(gòu)示意圖，該圖顯示了巡線機(jī)器人遇到的典型障礙有防震錘、懸垂線夾、耐張線夾等。巡線機(jī)器人采雙輪結(jié)構(gòu)在導(dǎo)線上行進(jìn)，當(dāng)遇到障礙時(shí)，通過輪子下方兩個(gè)夾爪依次夾緊導(dǎo)線，抬升機(jī)器人本體，以錯臂的方式跨越障礙。巡線 機(jī)器人視覺系統(tǒng)安裝在機(jī)器人下方，其中視覺傳感器 (攝像機(jī) ) 安裝在機(jī)器人的本體前端，光軸與機(jī)器人前進(jìn)方向的夾角約為 5176。該系統(tǒng)由攝像機(jī)、采集卡、嵌入式計(jì)算機(jī)等組成。 防震錘、懸垂線夾、耐張線夾等障礙既無豐富的表面紋理 ,也無鮮明的顏色特征，且相互鉸接，因而難以分割成單獨(dú)的區(qū)域。但它們在攝像機(jī)成像平面上投影后會得到一些相對簡單的圖形基元，如直線、圓 (圓弧 ) 、角點(diǎn)等，如果能同時(shí)結(jié)合輸電線路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對 上述圖形基元進(jìn)行結(jié)構(gòu)約束，去除掉環(huán)境中一些干擾的圖形基元，就可判斷出障礙物的存在及其類型。 障礙識別的基本方法 是：①對視覺傳感器 (攝像機(jī) ) 采集到的圖像進(jìn)行預(yù)處理，消除圖像噪聲，并采用經(jīng) Otsu 算法改良后的 Canny 算子提取圖像邊緣。②在邊緣圖像中運(yùn)用霍夫變換等方法分別檢測直線、圓和角點(diǎn)等圖形基元，并利用導(dǎo)線與障礙的位置關(guān)系以及障礙本身的特點(diǎn)來進(jìn)行結(jié)構(gòu)約束，識別出障礙物。 垂直起降 /越障機(jī)構(gòu) 巡線機(jī)器人 在實(shí)際應(yīng)用過程中需要 從地面 可靠地 固定到輸電線路上， 并且能夠在運(yùn)行過程中跨越遇到的防震錘、耐張線夾、懸垂線夾等各種障礙。目前在線路上實(shí)驗(yàn)運(yùn)行的巡檢機(jī)器人需人工安放到巡檢線路上，且跨越障礙能力不強(qiáng)。 在此方 案中，提出一種新型的垂直起降 /越障機(jī)構(gòu)，可達(dá)到機(jī)器人自動上線（從地面自主導(dǎo)航 /人工遙控安放到巡檢線路上）、跨越障礙以及 降落塔上智能充電塢上進(jìn)行充電等功能。 實(shí)現(xiàn)技術(shù)如下： 巡線 機(jī)器人在兩側(cè) 各 裝備 2 個(gè)可收放的旋翼，如下圖所示： 旋 翼 旋 翼導(dǎo) 線制 動 機(jī) 構(gòu)滾 輪滾 輪 張開后即形成一個(gè)四旋翼無人機(jī) ，可完成起降、跨越障礙等功能。 1. 結(jié)構(gòu)型式 四旋翼飛行器采用四個(gè)旋翼作為飛行的直接動力源，旋翼對稱分布在機(jī)體的前后、左右四個(gè)方向，四個(gè)旋翼處于同一高度平面，且四個(gè)旋翼的結(jié)構(gòu)和半徑都相同，旋翼 1 和旋翼 3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，旋翼 2 和旋翼 4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，四個(gè)電機(jī)對稱的安裝在飛行器的支架端，支架中間空間安放飛行控制計(jì)算機(jī)和外部設(shè)備。四旋翼飛行器的結(jié)構(gòu)形式如圖所示。 2. 工作原理 四旋翼通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來改變旋翼轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)升力的變化，從而控制飛行器的姿態(tài)和位置。由于飛行器是通過改變旋翼轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)升力變化，這樣會導(dǎo)致其動力部穩(wěn)定，所以需要一種能夠長期保穩(wěn)定的控制方法。四旋翼飛行器是一種六自由度的垂直升降機(jī)，因此非常適合靜態(tài)和準(zhǔn)靜態(tài)條件下飛行。但是四旋翼飛行器只有四個(gè)輸入力，同時(shí)卻有六個(gè)狀態(tài)輸出，所以它又是一 種欠驅(qū)動系統(tǒng)。 四旋翼飛行器結(jié)構(gòu)形式如圖所示，電機(jī) 1 和電機(jī) 3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，因此當(dāng)飛行器平衡飛行時(shí)，陀螺效應(yīng)和空氣動力扭矩效應(yīng)均被抵消。與傳統(tǒng)的直升機(jī)相比，四旋翼飛行器有下列優(yōu)勢：各個(gè)旋翼對機(jī)身所施加的反扭矩與旋翼的旋轉(zhuǎn)方向相反，因此當(dāng)電機(jī) 1 和電機(jī) 3 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以平衡旋翼對機(jī)身的反扭矩。 四旋翼飛行器在空間共有 6 個(gè)自由度（分別沿 3 個(gè)坐標(biāo)軸作平移和旋轉(zhuǎn)動作），這 6 個(gè)自由度的控制都可以通過調(diào)節(jié)不同電機(jī)的轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)?；具\(yùn)動狀態(tài)分別是： （ 1）垂直運(yùn)動；（ 2）俯仰運(yùn)動；（ 3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動；（ 4）偏航運(yùn)動；（ 5）前后運(yùn)動；（ 6）側(cè)向運(yùn)動。在圖 中，電機(jī) 1 和電機(jī) 3 作逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，規(guī)定沿 x 軸正方向運(yùn)動稱為向前運(yùn)動，箭頭在旋翼的運(yùn)動平面上方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，在下方表示此電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。 （ 1）垂直運(yùn)動：垂直運(yùn)動相對來說比較容易。在圖中，因有兩對電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對機(jī)身的反扭矩，當(dāng)同時(shí)增加四個(gè)電機(jī)的輸出功率，旋翼轉(zhuǎn)速增加使得總的拉力增大，當(dāng)總拉力足以克服整機(jī)的重量時(shí)，四旋翼飛行器便離地垂直上升；反之，同時(shí)減小四個(gè)電機(jī)的 輸出功率，四旋翼飛行器則垂直下降，直至平衡落地，實(shí)現(xiàn)了沿 z 軸的垂直運(yùn)動。 當(dāng)外界擾動量為零時(shí)，在旋翼產(chǎn)生的升力等于飛行器的自重時(shí)，飛行器便保持懸停狀態(tài)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動的關(guān)鍵。 （ 2）俯仰運(yùn)動：在圖（ b）中，電機(jī) 1 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速下降，電機(jī) 電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速保持不變。為了不因?yàn)樾磙D(zhuǎn)速的改變引起四旋翼飛行器整體扭矩及總拉力 改變，旋翼 1 與旋翼 3 轉(zhuǎn)速該變量的大小應(yīng)相等。由于旋翼 1 的升力上升，旋翼 3 的升力下降，產(chǎn)生的不平衡力