【正文】 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(dòng)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)。 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(duì)比分析和對(duì)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(zhǎng)大臂機(jī)構(gòu)、 2 個(gè)小臂與變長(zhǎng)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(dòng)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)模型。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(tái) 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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)關(guān)節(jié) 8 沿導(dǎo)線軸向呈反對(duì)稱布置。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)。關(guān)節(jié) 8 實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)臂交互滑移異位。 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。 防震錘、懸垂線夾、耐張線夾等障礙既無(wú)豐富的表面紋理 ,也無(wú)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。 障礙識(shí)別的基本方法 是：①對(duì)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。 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。 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(dòng)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。 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(dòng)力源，旋翼對(duì)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(duì)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。 2. 工作原理 四旋翼通過調(diào)節(jié)四個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)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。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。 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(dòng)力扭矩效應(yīng)均被抵消。 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(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。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(dòng)稱為向前運(yùn)動(dòng)，箭頭在旋翼的運(yùn)動(dòng)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。在圖中，因有兩對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反，可以平衡其對(duì)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(dòng)。保證四個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速同步增加或減小是垂直運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。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。 （ 3）滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：與圖 b 的原理相同，在圖 c 中，改變電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速，保持電機(jī) 1 和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速不變，則可使機(jī)身繞 x 軸旋轉(zhuǎn)（正向和反向），實(shí)現(xiàn)飛行器的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)過程中由于空氣阻力作用會(huì)形成與轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的反扭矩，為了克服反扭矩影響，可使四個(gè)旋翼中的兩個(gè)正轉(zhuǎn)，兩個(gè)反轉(zhuǎn)，且對(duì)角線上的來(lái)年各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同。在圖 d 中，當(dāng)電機(jī) 1 和電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)速上升，電機(jī) 2 和電機(jī) 4 的轉(zhuǎn)速下降時(shí)，旋翼 1 和旋翼 3 對(duì)機(jī)身的反扭矩大于旋翼 2 和旋翼 4 對(duì)機(jī)身的反扭矩，機(jī)身便在富余反扭矩的作用下繞 z 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)飛行器的偏航運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)向與電機(jī) 電機(jī) 3 的轉(zhuǎn)向相反。在圖 e 中，增加電機(jī) 3 轉(zhuǎn)速，使拉力增大，相應(yīng)減小電機(jī) 1 轉(zhuǎn)速，使拉力減小，同時(shí)保持其 它兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速不變，反扭矩仍然要保持平衡。向后飛行與向前飛行正好相反。 （ 6）傾向運(yùn)動(dòng)：在圖 f 中，由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，所以傾向飛行的工作原理與前后運(yùn)動(dòng)完全一樣。對(duì)于這種特殊的工作環(huán)境，要求巡線機(jī)器人必須具備自動(dòng)控制和主從遙控操作控制兩種工作方 式，并具有在惡劣環(huán)境中可靠工作的能力。 規(guī)劃層由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、控制輸入裝置（檢修、調(diào)試用控制面板）、圖像采集卡、I/O 板卡及無(wú)線收發(fā)裝置等組成。由于線路情況復(fù)雜，因此規(guī)劃層的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃主要是局部越障規(guī)劃，它可以通過接收來(lái)自控制面板的控制命令（檢修和調(diào)試時(shí)），或地面基站工作人員通過 無(wú)線通信發(fā)過來(lái)的遙控命令（遙控操作），或利用傳感器提供的機(jī)器人周圍的局部環(huán)境信息，自動(dòng)生成下一步的控制策略（自動(dòng)控制方式），確保機(jī)器人可靠、快速的越過障礙。 規(guī)劃級(jí)通過 RS232 與直接控制級(jí)進(jìn)行通信，指示控制級(jí)完成指令規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡。 執(zhí)行層是直接面向被控對(duì)象的，用來(lái)完成對(duì)各自由度的運(yùn)動(dòng)控制。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、直流電機(jī)，位置傳感器和 嵌入式 系統(tǒng)組成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)；另外它還與視覺傳感器和電磁傳感器等構(gòu)成機(jī)器人姿態(tài)伺服環(huán)。由 I/O 板卡，限位開關(guān)等組成，執(zhí)行對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的限位和電源系統(tǒng)的操作。 另外，執(zhí)行層的任務(wù)還包括收集各關(guān)節(jié)位置傳感器的信息并進(jìn)行預(yù)處理，然后傳送給規(guī)劃級(jí)，以便規(guī)劃級(jí)進(jìn)行下一輪的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，完成對(duì)控制器、功率放大器的故障診斷，并把診斷結(jié)果送到規(guī)劃級(jí)。在常規(guī)地面運(yùn)作時(shí) ， 一般采用小型蓄電池定時(shí)更換方式。 智能巡線機(jī)器人可以 通過感應(yīng)取電 和塔上智能充電塢充電 的方式為機(jī)器人提供電源 ，實(shí)現(xiàn)方案如下： 1. 感應(yīng)取電 按照電磁場(chǎng)理論 ,環(huán)繞工作狀態(tài)的高壓輸電線路存在著交變磁場(chǎng) ,根據(jù)電磁感應(yīng)定律，磁場(chǎng)中的回路將產(chǎn)生感應(yīng)電流。 高壓輸電線路中的電流受負(fù)載的影響而不斷變化 ， 峰值電流是谷值電流的數(shù)百倍。對(duì)應(yīng)于鐵芯 ， 則要求其應(yīng)具有較高的初始磁導(dǎo)率及較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度。 為了避免磁場(chǎng)損耗 ， 鐵芯應(yīng)是一個(gè)整體 ， 以保證磁路中無(wú)氣隙。 鐵芯必須設(shè)計(jì)成可以分合的兩部分 ， 在正常工作時(shí)兩部分合為一體 ， 跨越障礙時(shí)需通過機(jī)械手將其分開。 系統(tǒng)采用兼容性設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需要選擇安裝感應(yīng)取電模塊或塔上智能充電塢充電模塊。風(fēng)光互補(bǔ)供電系統(tǒng) 從外界收集能源，并以電能的型式儲(chǔ)存在蓄電池組中，以備機(jī)器人使用；機(jī)器人需要充電時(shí)，通 過與導(dǎo)航模塊的通訊，降落在機(jī)器人承載平臺(tái)上；機(jī)器人承載平臺(tái)內(nèi)含充電電路，完成對(duì)機(jī)器人的充電。結(jié)合超低功耗設(shè)計(jì)，確保在無(wú)陽(yáng)光情