張 峰，郭 銳，吳品弘，蘇滿佳，劉興君

(1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，濟(jì)南 250101；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，濟(jì)南 250101；3.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東 510000)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及人們生活水平的不斷提高，人們對用電量的需求也越來越高，隨之而來的是對高壓線的要求更加苛刻，高壓線的鋪設(shè)逐漸普及，總長度不斷增加，高壓線上檢測和維護(hù)工作日益增加。這些工作繁瑣、工作量大、單一、危險(xiǎn)，使得人們迫切需要機(jī)器人作為人的替代來完成這些工作。而就高壓線機(jī)器人本身來說，需要具有完成沿高壓線移動(dòng)和在高壓線上完成巡檢以及維護(hù)這兩個(gè)功能，與這兩項(xiàng)功能相對應(yīng)的也就是一個(gè)巡檢平臺(tái)和安裝在平臺(tái)上的操作臂。

在過去的一段時(shí)間里，人們對高壓線巡檢以及日常維護(hù)作業(yè)做了廣泛的研究，同時(shí)也設(shè)計(jì)出了一些具有代表意義的機(jī)器人來代替人類完成復(fù)雜危險(xiǎn)的高壓線作業(yè)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同，有些機(jī)器人纏繞在線纜上[1～4]，而有些則通過幾個(gè)臂懸掛在線纜上[5,6]。它們基本上都能夠通過輪子在線纜上完成連續(xù)的直線運(yùn)動(dòng)，當(dāng)然有小部分機(jī)器人能夠檢測出線纜上的障礙物和分離的線纜并通過臂完成跨越。不管機(jī)器人采用何種運(yùn)動(dòng)方式，越障都是其必不可少的一個(gè)功能，不少學(xué)者也對高壓線越障功能做了研究[4,7]。然而，高壓線機(jī)器人最主要的工作還應(yīng)當(dāng)是對操作臂的設(shè)計(jì)和研究。

高壓線機(jī)器人除了實(shí)現(xiàn)巡檢作業(yè)之外，更多的是完成線纜的日常維護(hù)作業(yè)。通常這些維護(hù)作業(yè)包含了除冰作業(yè)[8,9]、清除導(dǎo)線懸掛異物、修補(bǔ)導(dǎo)線、拆卸防震錘、拆卸彈簧銷等。雖然上述五項(xiàng)作業(yè)是高壓線日常維護(hù)時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)的，但目前除了除冰作業(yè)外還沒有利用高壓線機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)任務(wù)的研究。

這幾項(xiàng)任務(wù)的完成需要較為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，則必須通過除了操作臂以外的特殊工具來實(shí)現(xiàn)，因此我們需要一個(gè)簡易的巡線平臺(tái)。為了簡化操作系統(tǒng)、減小操作臂重量以及提高作業(yè)任務(wù)的完成效率，我們則需要一個(gè)較少自由度的操作臂。所以我們設(shè)計(jì)了一款懸掛式的高壓線移動(dòng)平臺(tái)以及一個(gè)五自由度模塊化操作臂[10]并通過主從控制來完成作業(yè)任務(wù)。本文首先對操作臂平臺(tái)進(jìn)行介紹，得到操作臂的可達(dá)工作空間，然后根據(jù)可達(dá)工作空間對上述四項(xiàng)作業(yè)完成策略進(jìn)行分析，最后利用一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證作業(yè)策略的可行性。

1 操作臂以及高壓線維護(hù)作業(yè)

1.1 操作臂平臺(tái)

本文所涉及到的操作臂平臺(tái)是一款基于模塊化設(shè)計(jì)的五自由度操作臂平臺(tái)，整個(gè)平臺(tái)包含三種模塊：I模塊（回轉(zhuǎn)模塊）、T模塊（擺轉(zhuǎn)模塊）以及G模塊（末端執(zhí)行器模塊），根據(jù)直徑尺寸大小的不同，I模塊和T模塊可分為I100、T85、I100、T85幾種不同的類型，而操作臂平臺(tái)則是由以上幾種模塊串聯(lián)構(gòu)成，操作臂構(gòu)型為：

其中B表示基座，G85表示末端執(zhí)行器，⊥和∥分別表示各相鄰模塊旋轉(zhuǎn)軸之間的空間垂直和平行關(guān)系。其機(jī)器人構(gòu)型如圖1所示，I模塊以及T模塊所組成的模塊化機(jī)器人平臺(tái)整體設(shè)計(jì)以及控制方式參見文獻(xiàn)[11]，此處不做過多描述。

圖1 操作臂構(gòu)型示意圖

操作臂末端的G模塊是根據(jù)作業(yè)任務(wù)設(shè)計(jì)的，它的結(jié)構(gòu)決定了四項(xiàng)任務(wù)的完成方式，本文所設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器集四項(xiàng)作業(yè)于一身，具有一定的專用性，沿著G模塊軸向上安裝有一臺(tái)攝像頭以便于觀測G模塊末端運(yùn)動(dòng)情況，G模塊的具體結(jié)構(gòu)和功用將在第二節(jié)中詳細(xì)闡述，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 末端執(zhí)行器（G模塊）

該操作臂利用主從控制進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，主機(jī)器人與操作臂同構(gòu)，也是采用模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì)[12]，構(gòu)成主機(jī)器人的模塊與操作臂模塊一一對應(yīng)，其構(gòu)型與操作臂的相同。顯然，利用主從控制有利于實(shí)現(xiàn)遙操作，而且操作簡單形象，能夠方便的實(shí)現(xiàn)作業(yè)，其具體的控制方式參見文獻(xiàn)[13]。

1.2 高壓線的四項(xiàng)維護(hù)作業(yè)

操作臂是在高壓線環(huán)境下工作的，高壓線日常維護(hù)作業(yè)環(huán)境如圖3所示。高壓線操作環(huán)境由四根高壓線，間隔棒，防震錘，機(jī)器人平臺(tái)，操作臂等組成，其日常維護(hù)作業(yè)主要是防止意外情況對高壓線運(yùn)行狀況的影響，而造成其影響的主要原因則是其長期受到風(fēng)、雨、雪等引起的動(dòng)載荷[14]，間隔棒和防震錘等則是減小這種危害的主要工具：間隔棒的主要用途是限制子導(dǎo)線之間的相對運(yùn)動(dòng)及在正常運(yùn)行情況下保持分裂導(dǎo)線的幾何形狀，它共有四個(gè)端口，每個(gè)端口分別連接四分裂導(dǎo)線的一根導(dǎo)線；由于微風(fēng)振動(dòng)是導(dǎo)致輸電線疲勞、最終形成斷股的主要原因，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全，利用防震錘錘頭的惰性作用可以消耗風(fēng)傳給導(dǎo)線的振動(dòng)能量，所以防震錘是固定在導(dǎo)線上用于消除線路自振以及消除風(fēng)等引起的諧振[15]。機(jī)器人平臺(tái)則安裝在任意兩根水平的導(dǎo)線上，可沿導(dǎo)線水平方向移動(dòng)，操作臂固定在機(jī)器人平臺(tái)上。

圖3 高壓線操作環(huán)境幾何模型

作業(yè)內(nèi)容主要包括清除導(dǎo)線懸掛異物、修補(bǔ)導(dǎo)線、拆卸防震錘、拆卸彈簧銷，其中清除導(dǎo)線懸掛異物就是清除可能懸掛在導(dǎo)線上的風(fēng)箏線以及塑料袋等；利用預(yù)絞絲在高壓線斷股導(dǎo)線處進(jìn)行修補(bǔ)；擰下防震錘上的螺母實(shí)現(xiàn)防震錘的拆卸；拆除間隔棒上的彈簧銷來拆卸間隔棒。其中預(yù)絞絲和防震錘如圖4所示。

圖4 預(yù)絞絲（左）和防震錘（右）

2 作業(yè)策略

2.1 工作空間的生成

分析操作臂完成四項(xiàng)作業(yè)的策略，首先需要分析的是其完成的可能性，也就是操作臂末端能否達(dá)到目標(biāo)位置，這是最基本的可能性分析。換句話說也就是操作臂可達(dá)工作空間大小的確定，操作臂的可達(dá)工作空間就是操作臂至少能以一個(gè)方位到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)的集合，即要求作業(yè)任務(wù)的工作點(diǎn)在操作臂的可達(dá)工作空間內(nèi)。由于組成操作臂的幾種模塊具有一定的關(guān)節(jié)限位，于是操作臂的可達(dá)工作空間并不是一個(gè)完整的球體，具體的可達(dá)工作空間的求法有很多，為了得到比較精確的結(jié)果，我們利用解析法來求解，于是我們可以得到操作臂的可達(dá)工作空間[16]，其剖視圖如圖5所示。

圖5 高壓線操作環(huán)境幾何模型

從圖5中可以看出，操作臂可達(dá)工作空間的上部是一個(gè)半徑為883.5mm的球冠，其底部由于T模塊關(guān)節(jié)位置限制的原因產(chǎn)生了幾段圓弧且整個(gè)工作空間底部產(chǎn)生了些許空洞，由于在此類作業(yè)中操作臂末端不會(huì)到達(dá)空洞處，所以不會(huì)對作業(yè)造成影響。另一方面，由于操作臂固定在機(jī)器人平臺(tái)上，而平臺(tái)能夠沿著導(dǎo)線方向移動(dòng)，所以簡單來說，本文所用的操作臂的工作范圍已經(jīng)完全覆蓋了四根導(dǎo)線所存在的空間，通過一定的策略能夠完成作業(yè)，也就是說，四項(xiàng)高壓線作業(yè)可行。雖然操作臂的工作空間能夠到達(dá)目標(biāo)位置，但是末端姿態(tài)不一定能夠符合要求，具體情況則需要在策略分析中考慮。

2.2 掛物的清除

清除導(dǎo)線懸掛異物的作業(yè)目標(biāo)是清除導(dǎo)線上可能存在的風(fēng)箏線，塑料袋等雜物，由于操作臂的工作空間很容易就能夠達(dá)到作業(yè)點(diǎn)且該作業(yè)對操作臂末端姿態(tài)的要求不高，所以只要選取了較好的切割方式該作業(yè)就比較容易完成。

由于需要除去的是類似于風(fēng)箏線，塑料袋等柔性物體，所以在切割過程中必需把異物拉直，否則它很容易纏繞在電機(jī)軸上導(dǎo)致切割失敗。又由于末端夾持器尺寸大小的限制，我們不得不考慮一種類似于剪刀的切割方式，如圖6所示，圓形鋸片通過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在圓形鋸片平齊的地方有一個(gè)開有1.5mm厚的刀槽，當(dāng)夾持器靠近異物時(shí)，夾子緩慢閉合并沿著導(dǎo)線方向移動(dòng)，就像剪刀剪東西一樣，由于異物在圓形銑刀和刀槽之間受到拉緊力，異物很容易就被切割下來?？梢哉f，由于異物是柔性物體，所以對末端執(zhí)行器的姿態(tài)要求不是很高，它只需在操作臂平面上運(yùn)動(dòng)即可。

圖6 切割導(dǎo)線異物示意圖（俯視）

2.3 電線的修補(bǔ)

高壓輸電線一般采用鋼芯鋁絞線，輸電線路在巨大的交變張力作用下導(dǎo)致輸電線產(chǎn)生裂紋、斷股等缺陷，一旦離其他相線、地線或鐵塔等的距離小于安全絕緣距離，會(huì)導(dǎo)致閃絡(luò)等電力事故的發(fā)生。通常的修補(bǔ)方法是纏繞一根新的預(yù)絞絲到斷裂的地方。顯然，完成這項(xiàng)作業(yè)需要攻克兩個(gè)難題，即如何固定預(yù)絞絲初始端以及如何較好的完成預(yù)絞絲纏繞動(dòng)作。對于前者，由于操作臂是單手爪的，所以不能依靠手爪一直抓緊，于是我們在預(yù)絞絲的一端焊上了一個(gè)U型環(huán)（如圖7所示），在操作過程中只需要將U型環(huán)扣死就可以固定住預(yù)絞絲的一端了；對于后者，由于纏繞動(dòng)作要求操作臂在垂直于導(dǎo)線的方向上運(yùn)動(dòng)，且在這個(gè)方向上運(yùn)動(dòng)的障礙物太多（比如其余三根導(dǎo)線以及導(dǎo)線上的高壓設(shè)備），且不同導(dǎo)線位置上的障礙物不同，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃相對比較復(fù)雜，因此在我們使用主從控制，它能夠很好的實(shí)時(shí)監(jiān)控從機(jī)器人（操作臂）的運(yùn)動(dòng)軌跡，并及時(shí)的做出調(diào)整，能夠很好的解決此類問題。

圖7 焊有U型環(huán)的預(yù)絞絲

2.4 防震錘的調(diào)整

從圖4中可以看出，防震錘是通過一個(gè)螺栓固定在導(dǎo)線上，所以拆卸防震錘的作業(yè)其實(shí)就是擰下用于固定的螺母，由于螺栓的一頭是正方形且與防震錘的被固定面配合，相當(dāng)于一個(gè)扳手限制住了螺栓的運(yùn)動(dòng)，所以只需要在一頭扭下螺母即可。和前一個(gè)作業(yè)一樣，此項(xiàng)作業(yè)同樣需要解決兩個(gè)問題，即操作臂所能提供力矩的大小和五自由度操作臂末端執(zhí)行器位姿問題。經(jīng)過測量，擰下螺母所需提供的瞬時(shí)最大扭矩為40N·m，如果單單利用操作臂末端的I關(guān)節(jié)進(jìn)行作業(yè)，雖然作業(yè)過程比較簡單且容易操作，但是I關(guān)節(jié)無法提供足夠大的力；另外，由于五自由度操作臂只能在操作臂平面上運(yùn)動(dòng)，且不像清除導(dǎo)線懸掛物作業(yè)一樣，這項(xiàng)作業(yè)的對象是剛體，擰螺母的動(dòng)作只能夠在螺母平面上，所以說操作臂的工作平面與我們預(yù)期的作業(yè)平面之間存在一個(gè)夾角，顯然，單單靠操作臂是無法完成此項(xiàng)作業(yè)。為了解決這兩個(gè)問題，我們設(shè)計(jì)了一款扳手（如圖8所示），扳手一端開有六角槽，而在另一端的把手頂部有一個(gè)半球，扳手兩端中心長250mm，扳手上的半球可以與夾子上的圓柱槽配合形成一個(gè)類似于球鉸的機(jī)構(gòu)，也就是說扳手能夠利用“球鉸”關(guān)節(jié)在夾持器上端運(yùn)動(dòng)，且能夠彌補(bǔ)作業(yè)平面與預(yù)期平面之間的夾角，使得操作臂能夠在預(yù)期的平面上運(yùn)動(dòng)。于是，特制扳手不僅解決了操作臂提供力不足的問題，還解決了五自由度機(jī)器人末端執(zhí)行器姿態(tài)問題。

圖8 特制扳手三維圖

2.5 開口銷的拔除

彈簧銷的作用是將間隔棒固定安裝在導(dǎo)線上的，可以說拆卸彈簧銷的目的就是為了拆卸間隔棒，由于彈簧銷位于操作臂的工作空間內(nèi)且拆卸過程運(yùn)動(dòng)方式簡單，所以我們只需在末端執(zhí)行器的頂部和端部開若干個(gè)圓柱銷孔，當(dāng)彈簧銷圓環(huán)端頭的法向與夾子開合方向垂直時(shí)，利用夾子頂端的作業(yè)銷插入圓柱銷圓環(huán)端，將之挑出即可（如圖9所示）。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建

實(shí)驗(yàn)的目的在于利用設(shè)計(jì)好的末端執(zhí)行器檢驗(yàn)?zāi)芊窀鶕?jù)上述內(nèi)容所描述解決策略完成四項(xiàng)高壓線作業(yè)，實(shí)驗(yàn)過程中通過主從控制來操控操作臂。在實(shí)驗(yàn)中利用與現(xiàn)實(shí)高壓線同樣粗細(xì)的不銹鋼管代替導(dǎo)線，并將其固定在桁架上，由于導(dǎo)線兩側(cè)對稱，我們只考慮其中一邊，操作臂安放在與機(jī)器人平臺(tái)等高的桌面上。

圖9 拆卸彈簧銷示意圖

3.2 高壓線作業(yè)實(shí)驗(yàn)

3.2.1 清除導(dǎo)線懸掛異物作業(yè)實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)利用布來代替懸掛在導(dǎo)線上的異物，該作業(yè)完成需要經(jīng)歷以下三個(gè)步驟：1）將末端執(zhí)行器移至異物附近，并將其調(diào)整至預(yù)期姿態(tài)；2）給驅(qū)動(dòng)電機(jī)通電，使圓形銑刀高速旋轉(zhuǎn)，并將末端執(zhí)行器緩慢移近異物；3）末端執(zhí)行器保持姿態(tài)沿直線方向移動(dòng)切割異物。在整個(gè)切割過程中，夾持器張開一定距離，以圓形銑刀進(jìn)入刀槽1/4為準(zhǔn)。作業(yè)具體的操作過程如圖10所示。

圖10 清除導(dǎo)線懸掛異物實(shí)驗(yàn)操作過程

這項(xiàng)作業(yè)的完成是利用了異物在刀槽中受到圓形銑刀的拉扯以及切割來實(shí)現(xiàn)的，在整個(gè)過程中，只需保證末端執(zhí)行器姿態(tài)保持水平即可，對精度速度等沒有太大的要求，可以說是比較容易完成的一個(gè)項(xiàng)目。

3.2.2 修補(bǔ)導(dǎo)線作業(yè)實(shí)驗(yàn)與分析

修補(bǔ)導(dǎo)線作業(yè)主要是通過一個(gè)焊有U形環(huán)的預(yù)絞絲完成的，其需要經(jīng)歷以下三個(gè)步驟：1）用夾持器夾住U形環(huán)，使U形環(huán)的開口方向與末端執(zhí)行器開合方向垂直；2）U形環(huán)開口向上套進(jìn)導(dǎo)線，夾緊夾持器，使預(yù)絞絲一端固定在導(dǎo)線上；3）用夾持器夾住預(yù)絞絲另一頭，在垂直于導(dǎo)線平面上做類似圓弧運(yùn)動(dòng)，使預(yù)絞絲逐步纏繞在導(dǎo)線上。在第1步中，U形環(huán)在夾持器上不掉下即可，盡量減小U形環(huán)的形變。作業(yè)具體的操作步驟如圖11所示。

圖11 修補(bǔ)導(dǎo)線實(shí)驗(yàn)操作過程

這項(xiàng)作業(yè)的難點(diǎn)在與在預(yù)絞絲一端固定后如何纏繞將其纏繞在導(dǎo)線上。

3.2.3 拆卸防震錘作業(yè)實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)上一節(jié)所提到的，拆卸防震錘時(shí)需要用到特制扳手，利用特制扳手我們只需要在預(yù)期工作平面（即螺母所在平面）上運(yùn)動(dòng)若干個(gè)圓周即可，作業(yè)需要經(jīng)歷以下三個(gè)步驟：1）夾持器夾住扳手，將其六角孔對準(zhǔn)螺母并套上；2）夾緊夾持器，使其圓柱孔與扳手末端半球形成球鉸機(jī)構(gòu)；3）控制操作臂運(yùn)動(dòng)，使扳手在預(yù)期工作平面上做圓周運(yùn)動(dòng)，逐步將螺母擰下。作業(yè)具體操作步驟如圖12所示。

這項(xiàng)作業(yè)的難點(diǎn)主要在將扳手套在螺母上，由于利用的是主從控制，且主機(jī)器人這邊的位置變化會(huì)按照一定比例在從機(jī)器人即操作臂上重現(xiàn)，所以在精確定位上會(huì)比較耗時(shí)，使得整個(gè)工作效率降低，這是該系統(tǒng)存在的一個(gè)誤差問題，在每個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中都有相應(yīng)的體現(xiàn)[17]。

3.2.4 拆卸彈簧銷作業(yè)實(shí)驗(yàn)與分析

拆卸彈簧銷這項(xiàng)作業(yè)可以說是幾項(xiàng)作業(yè)中運(yùn)動(dòng)方式、完成策略最簡單的，只需將置于夾持器末端的圓柱銷伸入彈簧銷孔內(nèi)挑出即可。作業(yè)具體操作步驟如圖13所示。

圖12 拆卸防震錘實(shí)驗(yàn)操作過程[13]

圖13 拆卸彈簧銷實(shí)驗(yàn)操作過程[13]

和上一項(xiàng)作業(yè)一樣，這項(xiàng)作業(yè)的難度在于對彈簧銷孔的精確定位，這是我們這個(gè)系統(tǒng)存在的普遍問題。

4 結(jié)束語

本文提到的高壓線四項(xiàng)作業(yè)（清除導(dǎo)線懸掛異物、修補(bǔ)導(dǎo)線、拆卸防震錘以及拆卸彈簧銷）是高壓線日常維護(hù)中經(jīng)常出現(xiàn)的，對高壓線的日常維護(hù)工作十分重要。本文提出的一款基于操作臂的多功能夾持器，夾持器實(shí)現(xiàn)了功能的集成，能夠很好的完成這四項(xiàng)作業(yè)，而不是單一的完成其中某項(xiàng)。操作臂通過主從控制，實(shí)現(xiàn)遙操作，并且具有一定的實(shí)時(shí)性，進(jìn)行作業(yè)時(shí)比較直觀。

本文首先對作業(yè)完成的可能性進(jìn)行了分析，然后重點(diǎn)提出了實(shí)現(xiàn)四項(xiàng)作業(yè)的解決策略，構(gòu)建了完成作業(yè)的理論體系，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，操作臂能夠較好的完成作業(yè)，達(dá)到作業(yè)所需的要求。但在實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)了主從控制精度與速度不能同時(shí)保證的矛盾，以及五自由度操作臂末端執(zhí)行器位姿很難達(dá)到理想狀態(tài)實(shí)現(xiàn)理想軌跡的問題。下一步工作將以此為基礎(chǔ)，優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)解決末端執(zhí)行器位姿問題。

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