【正文】 下，行走在 OGWs（架空地線）上，利用搭載的高速球形攝 像機對高壓輸電線路進行檢查，從而起到預防性的維護作用。但是在實際環(huán)境中，高壓電力線路上有很多障礙物或難題，例如，防震錘，壓接管，帶絕緣子的單掛點、雙掛點，傾斜的線路等等。 研發(fā)人員們克服了這些問題，并進行了相關實驗。 1) 機器人能夠以 ，能爬上最大傾角 25176。的線纜，電池續(xù)航能力為 4 小時； 2) 機器人能夠翻越 OGWs 上的防震錘，如 圖 2–錯誤 !未找到引用源。 ； 3) 機器人能夠翻越 OGWs 上的懸垂線夾，此處給出典型的單懸垂線夾，如 圖 2–錯誤 !未找到引用源。 。 12 圖 2–錯誤 !未找到引用源。 翻越防震錘 圖 2–錯誤 !未找到引用源。 翻越單懸垂線夾 13 技術參數(shù) 表 2錯誤 !未找到引用源。 電力線參數(shù) 巡線類型 架空地線 高壓電線 導線直徑 14mm18mm 水平塔的轉角范圍 0176。 90176。 地線傾角范圍 8176。 15176。 機器人重量 =30KG 電壓等級 110KV 220KV 330KV 500KV 表 2錯誤 !未找到引用源。 機器人規(guī)格 總重量 30kg 機械手張力 10kg 長 660mm 寬 360mm 高 1000mm 最大形變 5mm 機械結構 如 圖 2–錯誤 !未找到引用源。 所示，左圖為第一代兩輪雙臂機器人樣機機構簡圖，前后手臂配置相同，都是由上臂和下臂組成，上臂包括壓在架空地線上的一個行走輪與手 爪和一個轉動關節(jié)，下臂由一個轉動關節(jié)與一個和本體箱相連的平移關節(jié)組成，上下臂由平移關節(jié)連接。本體通過兩個平移關節(jié)與兩臂相連。右圖是第二代機器人樣機結構配置圖，第二代與第一代機器人在關節(jié)配置方面有一定改動，底部安裝有移動副，用來移動機器人下部的控制箱調節(jié)機器人質心。前臂和后臂上安裝有移動副和轉動副用來上下移動前后臂， 可以轉動前后輪與機器人本體從而翻越障礙物。 圖 2–錯誤 !未找到引用源。 第一代（左）與第二代（右）機構與配置簡圖 14 新 一代機器人對夾持工具進行了改進，從以前的手爪夾持穩(wěn)定改成了現(xiàn)在的下部雙輪加緊穩(wěn)定。而且還能通過（ 9）號移動關節(jié)調節(jié)機器人手臂的寬度來實現(xiàn)雙臂變距，從而能夠擴大機器人越障的范圍和提高越障的穩(wěn)定性。新一代巡檢機器人如圖 3 2，（ 1）和（ 5） ——主動輪，驅動機器人行走；（ 2）和（ 6） ——移動副，實現(xiàn)夾爪上升下降動作；（ 3）和（ 7） ——移動副，實現(xiàn)手臂上升下降動作；（ 4）和（ 8） ——轉動副，實現(xiàn)手臂回轉動作；（ 9） ——移動副，實現(xiàn)雙臂變距；（ 10） ——移動副，實現(xiàn)質心調節(jié)。 控制系統(tǒng) 輸電線巡檢機器人運行環(huán)境為距 離地面幾十米的超高壓輸電線避雷線 ,操作者很難通過肉眼實現(xiàn)對機器人作業(yè)狀態(tài)的準確判斷并發(fā)出相應的控制指令 .根據(jù)巡檢作業(yè)任務、現(xiàn)場應用的實用性與可靠性指標的要求 ,確定采用遙控與局部自主相結合的控制模式實現(xiàn)巡檢機器人沿線行走及跨越障礙 . 巡檢機器人控制系統(tǒng)由機器人本體控制系統(tǒng)和地面遠端控制平臺兩部分組成 .機器人本體控制系統(tǒng)采用基于 PC104 總線的嵌入式計算機系統(tǒng) .其組成如下 :核心模塊MSM586SV、通訊模塊 EMM282XT、運動控制模塊 PMAC2A2PC10 A/D 轉換模塊DMM2162AT、 I/O 模塊 互及檢測圖像的傳輸 ,分別采用了基于串口通訊的無線數(shù)傳電臺系統(tǒng)和微波圖像傳輸系統(tǒng) .機器人地面遠端控制平臺主要功能為 :通過無線通訊實現(xiàn)與機器人本體控制間的控制信息傳輸及檢測圖像的接收與存儲 .主要硬件組成為 :主控計算機 IPC600微波接收機、PCI 圖像采集卡、無線數(shù)傳系統(tǒng) . 為了滿足巡檢作業(yè)的要求 ,控制系統(tǒng)需解決的關鍵問題包括 : 1) 遙控與局部自主控制模式的有機結合 。 2) 局部自主越障控制的實現(xiàn)。 針對巡檢機器人的工作特點 ,通過建立巡檢機器人有限狀態(tài)機模型 ,實現(xiàn) 了遙控與局部自主控制模式的有機結合 ,采用預編程與傳感器定位結合的方法完成了巡檢機器人的自主越障控制 技術亮點 經(jīng)過分析將中科院沈自所的巡線機器人的技術亮點總結為以下幾點： 1) 結構簡單，重量輕，方便攜帶到現(xiàn)場進行巡檢任務； 2) 在架空地線上行走，障礙物少，能越過部分轉角塔與直線桿塔。 存在的問題 主要存在的問題如下： 1) 越障方案復雜，越障與運行穩(wěn)定性有待考察； 2) 在架空地線上進行巡檢任務，視野有限，難免會有檢查死角，不能發(fā)現(xiàn)電力線路的故障與隱患。 15 3 項目研究內容和實施方案 總體方案 系統(tǒng)總體結構方案 根據(jù)需要，設計 了一款應用于 500KV 輸電線路的輪爪式巡線機器人，該機構具有較強的運動能力和越障能力，交替式行走結構不僅可以翻越垂直放置的絕緣子，也可以在水平布置的絕緣子上面運動。 巡線機器人項目從總體上分為兩大部分，包括機器人本體、遠程交互平臺兩部分組成。機器人本體為多滑輪和多抓手組合式結構，并配以底部配重模塊，主要實現(xiàn)在高壓電纜上行走和跨越各種基本障礙物（如：防震錘等）；遠程交互平臺為便攜式工業(yè)電腦，可實現(xiàn)對機器人本體的遠程控制和顯示機器人本體上高清攝像機采集到的數(shù)據(jù)；系統(tǒng)總體結構示意圖如 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 所示。 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 巡線機器人系統(tǒng)結構框架 系統(tǒng)總體控制方案 根據(jù)研究原理及巡線過程的分析，對巡線機器人平臺的控制系統(tǒng)有如下功能要求： 機器人平滑行走功能：根據(jù)具體高壓電纜環(huán)境，通過兩個大臂上的輪式結構讓機器人本體在電纜上前后平順的滑行。同時通過對電機速度的調節(jié)，控制機器人滑行的速度，滿足不同情況的巡線要求。 機器人越障功能：根據(jù)具體高壓電纜上障礙物不同，通過兩個小臂上的抓手結構鎖緊 電纜，配合大臂上輪式結構向前越過障礙物，完成越障動作。 機器人本體 遠程交互平臺 16 人機交互功能：人機交互功能是巡線機器人系統(tǒng)的一項基本功能。在巡線過程中，有大量的信息需要實時或非實時的顯示出來，同時也有許多控制命令要輸入到控制系統(tǒng)中。包括如機器人本體的運行狀態(tài)，視頻圖像數(shù)據(jù)，機械本體的位置信息等，同時還應該包括對以上各信息的設置和控制等。因此，人機接口盡可能的人性化。 自診斷功能：巡線機器人系統(tǒng)包含的診斷程序在整個運行過程中，對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行檢測和診斷，當出現(xiàn)故障時為用戶指出原因所在。 機器人本體作為巡線機器人系統(tǒng)中最為核心和關 鍵的組成部分，與其控制部分是一個相對獨立完整的子系統(tǒng)?？紤]到其完整性和復雜性，整個巡線機器人系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可基于機器人本體控制器并做相應的擴展。 各種外圍設備如云臺攝像機、紅外熱波探測器、等通過通信接口或者現(xiàn)場總線與機器人控制器相連，實現(xiàn)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的通信。巡線機器人控制系統(tǒng)框圖如下所示： 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 巡線機器人控制系統(tǒng)框圖 機器人本體子系統(tǒng)技術路線 機械人本體結構方案 如 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 所示，該機器人主要由兩個輪組機構、兩個爪組機構、三個攝像頭、主控設備組成。攝像頭有兩種，一種是普通的攝像頭，用于人工監(jiān)控線路或自動記錄線路情況，另外一個是紅外攝像頭，也稱紅外熱波無損檢測機，用于探測線路內部故障 17 移動副轉 動 副攝 像 頭電 源控 制 盒輪 組固 線 夾主 控 設 備 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 機器人本體手臂構型 輪組機構 其中每個輪組機構上共有兩個輪子，如下圖所示。在沒有越障任務時該機構為 機器人提供動力，使機器人前進，同時安裝有鎖緊裝置，機器人在越障或者遇到惡劣天氣時，把輪組安全可靠的固定在電線上面。 移動副轉 動 副輪 組 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 輪組機構 18 爪組機構 同輪組機構一樣，爪組機構上面安裝一個移動副和一個轉動副，另外有兩個固線夾。爪組機構主要用來越障，也可以在惡劣環(huán)境下用固線夾對機器人進行固定，以保護機器人。 移動副轉 動 副固 線 夾 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 爪組機構 運動方式 該輪爪式巡線機器人共有兩種運動方式，一種是輪組驅動運動，一種是交替運動。輪組驅動運動指的是機器人在輪組機構的驅動下，借助重力作用產(chǎn)生的摩擦力來前進或者后退。交替運動是通過輪組機構和爪組機構的交替式運動實現(xiàn)機器人的前進或后退。 該輪爪式機器人借助爪組機構和輪組機構交替式行走的流程如下： 19 (1) 舉起爪組機構 (2) 翻轉爪組機構 (3) 橫向移動爪組機構 (4) 落下爪組機構 (5) 爪組機構抱緊障礙物 (6) 升起輪組機構 (7) 翻轉輪組機構 (8) 橫向移動輪組機構 (9) 輪組機構抱緊障礙物 (10) 落下輪組機構 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 輪爪式機器人交替式行走 20 機械人本體電氣方案 減速機無刷直流電機減速機直線電機云臺攝像機紅外熱波無損檢測無刷直流電機驅動器直線電機驅動器云臺控制器機器人控制器 控制層驅動層 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 電氣驅動框圖 為了減輕機器人本體的質量，在機械結構設計時對于結構尺寸做了大量的優(yōu)化設計，各連桿機構、傳動齒輪均進行了最小化設計。這樣的設計使得電氣部件，尤其是電機的安裝位置十分狹小。為此我們選用質量、體積相對較小，且又能提供驅動系統(tǒng)設計的轉矩和轉速、慣量要求的空心杯電機（一種特殊的無刷直流電機）。其結構和實物圖如 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 ， 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 所示。 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 空心杯電機（無刷直流） 21 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 瑞士 Maxon空心杯電機