【正文】 下，行走在 OGWs（架空地線）上，利用搭載的高速球形攝 像機(jī)對高壓輸電線路進(jìn)行檢查，從而起到預(yù)防性的維護(hù)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(jìn)行了相關(guān)實驗。 1) 機(jī)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(jī)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(jī)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(shù)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(dǎo)線直徑 14mm18mm 水平塔的轉(zhuǎn)角范圍 0176。 90176。 地線傾角范圍 8176。 15176。 機(jī)器人重量 =30KG 電壓等級 110KV 220KV 330KV 500KV 表 2錯誤 !未找到引用源。 機(jī)器人規(guī)格 總重量 30kg 機(jī)械手張力 10kg 長 660mm 寬 360mm 高 1000mm 最大形變 5mm 機(jī)械結(jié)構(gòu) 如 圖 2–錯誤 !未找到引用源。 所示，左圖為第一代兩輪雙臂機(jī)器人樣機(jī)機(jī)構(gòu)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(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，下臂由一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)與一個和本體箱相連的平移關(guān)節(jié)組成，上下臂由平移關(guān)節(jié)連接。本體通過兩個平移關(guān)節(jié)與兩臂相連。右圖是第二代機(jī)器人樣機(jī)結(jié)構(gòu)配置圖，第二代與第一代機(jī)器人在關(guān)節(jié)配置方面有一定改動，底部安裝有移動副，用來移動機(jī)器人下部的控制箱調(diào)節(jié)機(jī)器人質(zhì)心。前臂和后臂上安裝有移動副和轉(zhuǎn)動副用來上下移動前后臂， 可以轉(zhuǎn)動前后輪與機(jī)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(jī)構(gòu)與配置簡圖 14 新 一代機(jī)器人對夾持工具進(jìn)行了改進(jìn)，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(guān)節(jié)調(diào)節(jié)機(jī)器人手臂的寬度來實現(xiàn)雙臂變距，從而能夠擴(kuò)大機(jī)器人越障的范圍和提高越障的穩(wěn)定性。新一代巡檢機(jī)器人如圖 3 2，（ 1）和（ 5） ——主動輪，驅(qū)動機(jī)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(zhuǎn)動副，實現(xiàn)手臂回轉(zhuǎn)動作；（ 9） ——移動副，實現(xiàn)雙臂變距；（ 10） ——移動副，實現(xiàn)質(zhì)心調(diào)節(jié)。 控制系統(tǒng) 輸電線巡檢機(jī)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(jī)器人作業(yè)狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷并發(fā)出相應(yīng)的控制指令 .根據(jù)巡檢作業(yè)任務(wù)、現(xiàn)場應(yīng)用的實用性與可靠性指標(biāo)的要求 ,確定采用遙控與局部自主相結(jié)合的控制模式實現(xiàn)巡檢機(jī)器人沿線行走及跨越障礙 . 巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)由機(jī)器人本體控制系統(tǒng)和地面遠(yuǎn)端控制平臺兩部分組成 .機(jī)器人本體控制系統(tǒng)采用基于 PC104 總線的嵌入式計算機(jī)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(zhuǎn)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(jī)器人地面遠(yuǎn)端控制平臺主要功能為 :通過無線通訊實現(xiàn)與機(jī)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(jī) IPC600微波接收機(jī)、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(guān)鍵問題包括 : 1) 遙控與局部自主控制模式的有機(jī)結(jié)合 。 2) 局部自主越障控制的實現(xiàn)。 針對巡檢機(jī)器人的工作特點 ,通過建立巡檢機(jī)器人有限狀態(tài)機(jī)模型 ,實現(xiàn) 了遙控與局部自主控制模式的有機(jī)結(jié)合 ,采用預(yù)編程與傳感器定位結(jié)合的方法完成了巡檢機(jī)器人的自主越障控制 技術(shù)亮點 經(jīng)過分析將中科院沈自所的巡線機(jī)器人的技術(shù)亮點總結(jié)為以下幾點： 1) 結(jié)構(gòu)簡單，重量輕，方便攜帶到現(xiàn)場進(jìn)行巡檢任務(wù)； 2) 在架空地線上行走，障礙物少，能越過部分轉(zhuǎn)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(fù)雜，越障與運行穩(wěn)定性有待考察； 2) 在架空地線上進(jìn)行巡檢任務(wù)，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(nèi)容和實施方案 總體方案 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)方案 根據(jù)需要，設(shè)計 了一款應(yīng)用于 500KV 輸電線路的輪爪式巡線機(jī)器人，該機(jī)構(gòu)具有較強(qiáng)的運動能力和越障能力，交替式行走結(jié)構(gòu)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(jī)器人項目從總體上分為兩大部分，包括機(jī)器人本體、遠(yuǎn)程交互平臺兩部分組成。機(jī)器人本體為多滑輪和多抓手組合式結(jié)構(gòu)，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(yuǎn)程交互平臺為便攜式工業(yè)電腦，可實現(xiàn)對機(jī)器人本體的遠(yuǎn)程控制和顯示機(jī)器人本體上高清攝像機(jī)采集到的數(shù)據(jù)；系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jī)器人平臺的控制系統(tǒng)有如下功能要求： 機(jī)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(jié)構(gòu)讓機(jī)器人本體在電纜上前后平順的滑行。同時通過對電機(jī)速度的調(diào)節(jié)，控制機(jī)器人滑行的速度，滿足不同情況的巡線要求。 機(jī)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(jié)構(gòu)鎖緊 電纜，配合大臂上輪式結(jié)構(gòu)向前越過障礙物，完成越障動作。 機(jī)器人本體 遠(yuǎn)程交互平臺 16 人機(jī)交互功能：人機(jī)交互功能是巡線機(jī)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(jī)器人本體的運行狀態(tài)，視頻圖像數(shù)據(jù)，機(jī)械本體的位置信息等，同時還應(yīng)該包括對以上各信息的設(shè)置和控制等。因此，人機(jī)接口盡可能的人性化。 自診斷功能：巡線機(jī)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(jìn)行檢測和診斷，當(dāng)出現(xiàn)故障時為用戶指出原因所在。 機(jī)器人本體作為巡線機(jī)器人系統(tǒng)中最為核心和關(guān) 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(fù)雜性，整個巡線機(jī)器人系統(tǒng)的控制系統(tǒng)可基于機(jī)器人本體控制器并做相應(yīng)的擴(kuò)展。 各種外圍設(shè)備如云臺攝像機(jī)、紅外熱波探測器、等通過通信接口或者現(xiàn)場總線與機(jī)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(jī)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(jī)器人控制系統(tǒng)框圖 機(jī)器人本體子系統(tǒng)技術(shù)路線 機(jī)械人本體結(jié)構(gòu)方案 如 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 所示，該機(jī)器人主要由兩個輪組機(jī)構(gòu)、兩個爪組機(jī)構(gòu)、三個攝像頭、主控設(shè)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(jī)，用于探測線路內(nèi)部故障 17 移動副轉(zhuǎn) 動 副攝 像 頭電 源控 制 盒輪 組固 線 夾主 控 設(shè) 備 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 機(jī)器人本體手臂構(gòu)型 輪組機(jī)構(gòu) 其中每個輪組機(jī)構(gòu)上共有兩個輪子，如下圖所示。在沒有越障任務(wù)時該機(jī)構(gòu)為 機(jī)器人提供動力，使機(jī)器人前進(jìn)，同時安裝有鎖緊裝置，機(jī)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(zhuǎn) 動 副輪 組 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 輪組機(jī)構(gòu) 18 爪組機(jī)構(gòu) 同輪組機(jī)構(gòu)一樣，爪組機(jī)構(gòu)上面安裝一個移動副和一個轉(zhuǎn)動副，另外有兩個固線夾。爪組機(jī)構(gòu)主要用來越障，也可以在惡劣環(huán)境下用固線夾對機(jī)器人進(jìn)行固定，以保護(hù)機(jī)器人。 移動副轉(zhuǎn) 動 副固 線 夾 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 爪組機(jī)構(gòu) 運動方式 該輪爪式巡線機(jī)器人共有兩種運動方式，一種是輪組驅(qū)動運動，一種是交替運動。輪組驅(qū)動運動指的是機(jī)器人在輪組機(jī)構(gòu)的驅(qū)動下，借助重力作用產(chǎn)生的摩擦力來前進(jìn)或者后退。交替運動是通過輪組機(jī)構(gòu)和爪組機(jī)構(gòu)的交替式運動實現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)或后退。 該輪爪式機(jī)器人借助爪組機(jī)構(gòu)和輪組機(jī)構(gòu)交替式行走的流程如下： 19 (1) 舉起爪組機(jī)構(gòu) (2) 翻轉(zhuǎn)爪組機(jī)構(gòu) (3) 橫向移動爪組機(jī)構(gòu) (4) 落下爪組機(jī)構(gòu) (5) 爪組機(jī)構(gòu)抱緊障礙物 (6) 升起輪組機(jī)構(gòu) (7) 翻轉(zhuǎn)輪組機(jī)構(gòu) (8) 橫向移動輪組機(jī)構(gòu) (9) 輪組機(jī)構(gòu)抱緊障礙物 (10) 落下輪組機(jī)構(gòu) 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 輪爪式機(jī)器人交替式行走 20 機(jī)械人本體電氣方案 減速機(jī)無刷直流電機(jī)減速機(jī)直線電機(jī)云臺攝像機(jī)紅外熱波無損檢測無刷直流電機(jī)驅(qū)動器直線電機(jī)驅(qū)動器云臺控制器機(jī)器人控制器 控制層驅(qū)動層 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 電氣驅(qū)動框圖 為了減輕機(jī)器人本體的質(zhì)量，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計時對于結(jié)構(gòu)尺寸做了大量的優(yōu)化設(shè)計，各連桿機(jī)構(gòu)、傳動齒輪均進(jìn)行了最小化設(shè)計。這樣的設(shè)計使得電氣部件，尤其是電機(jī)的安裝位置十分狹小。為此我們選用質(zhì)量、體積相對較小，且又能提供驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速、慣量要求的空心杯電機(jī)（一種特殊的無刷直流電機(jī)）。其結(jié)構(gòu)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(jī)（無刷直流） 21 圖 3–錯誤 !未找到引用源。 瑞士 Maxon空心杯電機(jī)