肖時(shí)雨 ，王洪光

（1.中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引言

高壓輸電線路故障維護(hù)是線路持續(xù)良好運(yùn)行的保障。目前，針對(duì)多數(shù)輸電線路故障主要采用人工維護(hù)方式，通常采用線路滑車或人工走線的方式到達(dá)故障位置進(jìn)行維護(hù)作業(yè)。這種工作方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，人身安全得不到有效保證，而且作業(yè)還受到線路環(huán)境的制約。當(dāng)輸電線路跨越高山、河流、峽谷、森林等地段時(shí)，惡劣的作業(yè)環(huán)境將給維護(hù)工作帶來極大的困難，檢修效率得不到保障。當(dāng)不滿足人員上線作業(yè)條件時(shí)，維護(hù)工作只能停電進(jìn)行，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由于人工維護(hù)作業(yè)方式存在諸多不足，國內(nèi)外的專家學(xué)者提出采用機(jī)器人維護(hù)作業(yè)方式，以替代或輔助人力進(jìn)行線路故障的維護(hù)。

國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)對(duì)輸電線路維護(hù)作業(yè)機(jī)器人開展了研究。文獻(xiàn)[1-3]研制了一種巡檢作業(yè)機(jī)器人LineROVer，該機(jī)器人起初用于清除電力傳輸線路地線上的積冰，后逐漸發(fā)展為用于線路巡檢、維護(hù)等多用途移動(dòng)平臺(tái)LineScout，通過安裝不同的工作頭可完成架空線路視覺、紅外檢查、壓接頭狀態(tài)評(píng)估、導(dǎo)線清污和除冰等不同作業(yè)任務(wù)，但該機(jī)器人沒有取回移位防振錘的能力。文獻(xiàn)[4-6]分別研制了三種沖擊式防振錘復(fù)位器，該類復(fù)位器通過線路工人使用牽引繩進(jìn)行牽引操作，使得移位的防振錘復(fù)位到原來的位置，但該操作方式勞動(dòng)強(qiáng)度大，嚴(yán)重?fù)p傷線路。文獻(xiàn)[7]研制了一種地線防振錘檢修工具，通過移動(dòng)裝置直接拖動(dòng)，將偏離正確位置的防振錘放回原位，可開展帶電作業(yè)，但該檢修工具適應(yīng)性較差，并且對(duì)線路造成一定損傷。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種在線路帶電情況下進(jìn)行遙控作業(yè)的架空輸電線路防振錘機(jī)械式取回裝置，但該取回裝置也存在損傷線路的缺點(diǎn)，還未得到實(shí)際應(yīng)用。

為了解決防振錘復(fù)位作業(yè)造成線路損傷的問題，在分析線路防振錘結(jié)構(gòu)特征的前提下，基于仿人作業(yè)方式，提出了一種新型的適合于帶電線路的防振錘復(fù)位機(jī)器人機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)采用仿人作業(yè)設(shè)計(jì)和輪爪夾持設(shè)計(jì)，其中作業(yè)機(jī)構(gòu)能夠自動(dòng)適應(yīng)和調(diào)整防振錘的不確定位姿；輪爪夾持機(jī)構(gòu)能夠提高機(jī)器人爬坡性能。

2 任務(wù)描述與機(jī)器人構(gòu)型分析

2.1 任務(wù)描述

架空輸電線路的微風(fēng)振動(dòng)超標(biāo)常常引起線路疲勞斷股、金具損壞等危害，對(duì)線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成威脅。為了減少微風(fēng)振動(dòng)，通常采用的預(yù)防手段是安裝防振錘，如圖1（a）所示。然而，在線路實(shí)際運(yùn)行中，由于受到線路振動(dòng)、機(jī)械疲勞、外力干擾、材料老化等原因的影響，防振錘會(huì)產(chǎn)生不同程度的松動(dòng)，在風(fēng)的作用下，其振動(dòng)加劇，甚至產(chǎn)生舞動(dòng)、偏離安裝位置，造成防振錘故障，威脅線路的安全運(yùn)行。

防振錘發(fā)生移位后，防振錘與線路之間容易產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，主要包括沿線移動(dòng)和繞線轉(zhuǎn)動(dòng)。另外，由于線路傾角、風(fēng)載荷等自然因素的相互作用，防振錘在線路上的位姿往往會(huì)在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化，如圖 1（b）所示。

根據(jù)線路工人的出線作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，防振錘位置調(diào)整任務(wù)可分為四個(gè)階段：姿態(tài)調(diào)整；拆卸連接螺栓；搬回至安裝位置；安裝預(yù)緊。

圖1 輸電線路防振錘Fig.1 Vibration-Dampers on the Line

2.2 機(jī)器人構(gòu)型分析

根據(jù)線路環(huán)境特點(diǎn)和作業(yè)任務(wù)需求，設(shè)計(jì)了一種防振錘復(fù)位機(jī)器人機(jī)構(gòu)。機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖2 所示。該機(jī)器人包括仿人復(fù)位作業(yè)機(jī)構(gòu)和輪臂夾爪復(fù)合機(jī)構(gòu)。作業(yè)機(jī)構(gòu)模擬工人在線路上實(shí)施維護(hù)任務(wù)的過程，由于實(shí)際維護(hù)任務(wù)并不需要工人手臂全部自由度，所以我們簡(jiǎn)化了仿人作業(yè)機(jī)構(gòu)，減少了機(jī)構(gòu)自由度，降低了多自由度的耦合性和控制復(fù)雜度。復(fù)合機(jī)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)在線路上快速運(yùn)動(dòng)，其中，輪爪夾持機(jī)構(gòu)能夠顯著提高機(jī)器人的爬坡性能。

圖2 防振錘復(fù)位機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Mechanism Sketch of the Robot for Retrieving Vibration-Dampers

機(jī)器人由三個(gè)模塊組成：手臂，復(fù)位機(jī)構(gòu)和控制箱。每個(gè)手臂都包含一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)輪臂夾爪復(fù)合機(jī)構(gòu)，其中，被動(dòng)關(guān)節(jié)通過產(chǎn)生形變儲(chǔ)存能量，從而提高機(jī)器人的越障能力；復(fù)合機(jī)構(gòu)通過輪爪夾持改變行走輪牽引附著力，從而改善機(jī)器人的爬坡能力。機(jī)器人前后手臂各關(guān)節(jié)相互配合可以分別實(shí)現(xiàn)機(jī)器人沿線行走，跨越線路障礙物和爬坡運(yùn)動(dòng)。根據(jù)仿人作業(yè)機(jī)理，三自由度復(fù)位機(jī)構(gòu)可以分為兩個(gè)部分：位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)和拆裝機(jī)構(gòu)。位姿調(diào)整機(jī)構(gòu)包括豎直移動(dòng)關(guān)節(jié)和輔助單元，其作用在于將存在位姿偏角的防振錘調(diào)整到期望位姿，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)復(fù)雜度和復(fù)位作業(yè)難度；拆裝機(jī)構(gòu)包括水平移動(dòng)關(guān)節(jié)、轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和聯(lián)動(dòng)裝置，其作用在于松開（或預(yù)緊）防振錘連接螺栓，在搬運(yùn)防振錘過程中確保連接夾與線路之間存在一定的縫隙，避免損傷線路。

3 機(jī)構(gòu)分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

3.1 復(fù)位作業(yè)機(jī)構(gòu)

對(duì)于存在位姿偏角的防振錘，其連接螺栓軸線與豎直平面不垂直，這將導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)套筒對(duì)準(zhǔn)問題成為三維空間問題，增加機(jī)構(gòu)復(fù)雜度。如果能夠消除位姿偏角，使連接螺栓軸線垂直于豎直平面，那么旋轉(zhuǎn)套筒對(duì)準(zhǔn)問題將變成二維平面問題，顯著簡(jiǎn)化復(fù)位機(jī)構(gòu)組成。根據(jù)任務(wù)需求，機(jī)器人首先需要將防振錘的位姿進(jìn)行調(diào)整，其具體實(shí)施過程，如圖3 所示。隨著復(fù)位機(jī)構(gòu)的上升運(yùn)動(dòng)，輔助單元通過施加作用力F，使得防振錘繞輸電線轉(zhuǎn)動(dòng)，逐漸達(dá)到期望位姿，此時(shí)位姿偏角α 和β 均為零。

圖3 防振錘位姿調(diào)整過程Fig.3 Gesture Adjustment of the Vibration-Damper

根據(jù)防振錘結(jié)構(gòu)特征，當(dāng)位姿偏角為零時(shí)連接螺栓與輔助單元位置相對(duì)固定，如圖4（a）所示。為了減少機(jī)構(gòu)自由度，螺栓軸線與水平移動(dòng)關(guān)節(jié)所在平面的間距應(yīng)設(shè)為固定值l6。

在旋轉(zhuǎn)套筒拆裝連接螺栓過程中，為了防止螺栓沿軸線方向的移動(dòng)，設(shè)計(jì)了擋板裝置。通過水平推桿驅(qū)動(dòng)，該擋板與水平移動(dòng)關(guān)節(jié)形成聯(lián)動(dòng)裝置。當(dāng)水平移動(dòng)關(guān)節(jié)達(dá)到極限位置時(shí)，如圖4（b）所示。擋板達(dá)到最大傾角。推桿長(zhǎng)度為：

圖4 結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Structure Parameters

3.2 輪爪夾持機(jī)構(gòu)

機(jī)器人爬坡能力不足的原因主要是行走輪牽引附著力不足，導(dǎo)致行走輪打滑。為了改善行走輪受力狀況，提高牽引附著力，設(shè)計(jì)了輪爪夾持機(jī)構(gòu)。輪爪夾持機(jī)構(gòu)對(duì)稱分布于行走輪兩側(cè)，經(jīng)鋼絲繩牽引驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)打開和閉合動(dòng)作，如圖5 所示。當(dāng)機(jī)器人需要越障時(shí)，輪爪保持打開狀態(tài)；當(dāng)機(jī)器人行走在傾角較大的線路上時(shí)，輪爪保持閉合，并提供一定的夾持力F1和F2，使得行走輪與線路之間的接觸壓力增大，牽引附著力增大，從而提高機(jī)器人爬坡能力。另外，夾爪末端與線路接觸部分為被動(dòng)滾輪，這種方式還可以保證不損傷線路。

圖5 輪爪夾持機(jī)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Wheel-Gripper Mechanism

3.3 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

當(dāng)行走在線路上時(shí)，由于存在被動(dòng)關(guān)節(jié)，機(jī)器人兩行走輪之間的距離保持在一定范圍內(nèi)變化，機(jī)器人構(gòu)型，如圖6（a）所示；在復(fù)位作業(yè)過程中輪爪機(jī)構(gòu)夾緊導(dǎo)線，行走輪與線路保持相對(duì)靜止，兩行走輪間距為最大值，如圖6（b）所示。建立機(jī)器人坐標(biāo)系，如圖7 所示。

圖6 幾何約束Fig.6 Geometrical Constraints

圖7 機(jī)器人坐標(biāo)系Fig.7 D-H Coordinates of the Robot

根據(jù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的D-H 描述方法，相鄰坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

于是作業(yè)機(jī)構(gòu)末端的位姿可以表示為：

機(jī)器人連桿參數(shù)，如表1 所示。

表1 連桿參數(shù)表Tab.1 Link Variable Parameters

根據(jù)機(jī)器人連桿參數(shù)，運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的變換矩陣可以表示為：

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證機(jī)器人的復(fù)位作業(yè)和爬坡運(yùn)動(dòng)性能，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建防振錘發(fā)生移位故障的模擬線路，如圖8 所示。通過樣機(jī)實(shí)施模擬線路防振錘故障維護(hù)來驗(yàn)證機(jī)器人復(fù)位作業(yè)性能；通過改變線路的角度以及調(diào)整夾緊輪對(duì)線路夾緊力的方法驗(yàn)證機(jī)器人在線路不同角度時(shí)的行走情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不損傷線路的情況下，輪爪夾持機(jī)構(gòu)能夠在一定程度上增加行走輪對(duì)線路的正壓力，進(jìn)而增大牽引附著力，使得機(jī)器人的最大爬坡角度達(dá)到35°；機(jī)器人復(fù)位機(jī)構(gòu)能夠模仿線路工人，依次調(diào)整防振錘的位姿偏角，對(duì)準(zhǔn)連接螺栓并將其卸下，搬運(yùn)防振錘至正確位置并安裝，從而實(shí)現(xiàn)防振錘復(fù)位作業(yè)任務(wù)。機(jī)器人系統(tǒng)電磁兼容和等電位設(shè)計(jì)可以滿足帶電線路作業(yè)要求。

圖8 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)Fig.8 Robot Experiments

5 結(jié)論

（1）提出了一種新型防振錘復(fù)位機(jī)器人機(jī)構(gòu)，在不損傷線路的前提下，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)帶電線路防振錘復(fù)位作業(yè)，解決了以往復(fù)位作業(yè)造成線路損傷的問題。（2）設(shè)計(jì)了一種輪爪夾持機(jī)構(gòu)，通過在夾爪末端安裝被動(dòng)滾輪，使得機(jī)器人可以在不損傷線路的前提下增大牽引附著力，從而提高爬坡能力，機(jī)器人最大爬坡角度為35°。（3）樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和有效性。