摘要：為了適應(yīng)多分裂式超高壓輸電線的作業(yè)要求，針對目前單根線路上作業(yè)機(jī)器人功能單一，越障能力不足，作業(yè)范圍小的問題。本文提出一種輸電線四輪移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人新構(gòu)型，其采用四輪移動(dòng)平臺(tái)和雙機(jī)械臂及其末端的結(jié)構(gòu)形式使得機(jī)器人兼具越障和作業(yè)雙重功能，其中行走臂的設(shè)計(jì)使機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力，機(jī)械臂搭載末端工具可完成線路上不同作業(yè)任務(wù)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上通過INVENTOR軟件開發(fā)了機(jī)器人虛擬樣機(jī)模型，并對機(jī)械臂作業(yè)過程進(jìn)行了建模和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，最后，在MATLAB環(huán)境下采用蒙特卡洛法對機(jī)械臂末端進(jìn)行作業(yè)空間仿真，利用機(jī)器人工具箱對機(jī)械臂在不同工作任務(wù)下運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明，其一，所設(shè)計(jì)四輪移動(dòng)機(jī)器人通過行走臂上旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和橫移關(guān)節(jié)的互相配合對行走輪進(jìn)行位姿變換，以跨越防震錘和均壓環(huán)等線路上障礙物。其二，末端可自重構(gòu)作業(yè)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)對線路上金具夾持和作業(yè)操作，完成防震錘復(fù)位和耐張線夾引流版螺栓緊固作業(yè)任務(wù)。其三，完整的機(jī)器人系統(tǒng)具有較強(qiáng)的越障能力和靈活的機(jī)械臂作業(yè)能力，能夠完成整條線路的巡檢作業(yè)任務(wù)。

關(guān)鍵詞：分裂式超高壓輸電線；四輪移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人；虛擬樣機(jī)；作業(yè)空間仿真；巡檢作業(yè)

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：2095－414X（2024）06－0084－09

0引言

高壓輸電線路的正常運(yùn)行關(guān)乎國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1]。高壓輸電線路常受到大風(fēng)、雨雪等惡劣天氣條件的影響，線路上的零件易發(fā)生松動(dòng)和老化，要經(jīng)常對線路進(jìn)行巡檢以保證電網(wǎng)的正常的運(yùn)行。以往都是通過人工或者直升機(jī)對輸電線路進(jìn)行巡檢，人工巡檢工作效率低，危險(xiǎn)性大，而直升機(jī)巡檢的成本高[2-3]。

本世紀(jì)初國內(nèi)開始對輸電線路巡檢機(jī)器人的研究[4]。如文獻(xiàn)[5]研制出一種三臂式輸電線路巡檢機(jī)器人，通過對稱模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使機(jī)器人具備了越障功能，提高了越障的平穩(wěn)性和可靠性，由于該方案結(jié)構(gòu)的限制，無法跨越線路上的均壓環(huán)等較大地障礙物。文獻(xiàn)[6]基于仿生原理設(shè)計(jì)了一種具有開閉結(jié)構(gòu)和移動(dòng)能力的模塊化巡檢機(jī)器人，模塊化設(shè)計(jì)降低了機(jī)器人安裝組合的復(fù)雜程度，輪指移動(dòng)機(jī)構(gòu)可使機(jī)器人較快的越過線路上障礙物，但該方案缺少對實(shí)際作業(yè)對象的具體分析，無法完成對線路上檢修作業(yè)任務(wù)。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)出一種新型線路巡檢機(jī)器人，主要通過兩組不同的手臂相互配合來跨越線路上的障礙物，并且能夠跨越耐張線型桿塔進(jìn)行作業(yè)，越障能力強(qiáng)，越障時(shí)需越塔臂上的掛鉤掛在線纜上，但在實(shí)際作業(yè)環(huán)境中線纜存在較大的擺幅和震動(dòng)，會(huì)造成掛鉤掛線失敗影響機(jī)器人的平穩(wěn)性。文獻(xiàn)[8]針對高壓輸電線路上多種作業(yè)任務(wù)，提出了一種面向多作業(yè)任務(wù)的模塊可重構(gòu)移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，將機(jī)器人進(jìn)行單元模塊劃分，根據(jù)可重構(gòu)方案使作業(yè)機(jī)器人能夠完成線上多種檢修維護(hù)作業(yè)任務(wù)。文獻(xiàn)[9]提出一種適用于雙分裂輸電線路的四輪移動(dòng)機(jī)器人，根據(jù)作業(yè)環(huán)境及作業(yè)對象，設(shè)計(jì)的雙作業(yè)機(jī)械臂可完成線路上舊間隔棒的拆卸和新間隔棒的安裝，并對機(jī)械臂的作業(yè)過程進(jìn)行了規(guī)劃。目前，超高壓輸電線路多采用分裂導(dǎo)線的架空方式，如220千伏和550千伏的輸電線路多采用二分裂式和四分裂式架空線路。上述研究的巡檢機(jī)器人存在工作范圍小，功能單一的問題，僅能在單根輸電線路上巡檢，對于雙分裂式導(dǎo)線帶電巡檢機(jī)器人的研究較少[10]，而恰恰雙分裂和多分裂導(dǎo)線是電能傳輸?shù)闹髁?，因此，針對分裂?dǎo)線研究開發(fā)相應(yīng)巡檢作業(yè)機(jī)器人其應(yīng)用范圍更廣，實(shí)用性更強(qiáng)。

綜上所述，本文提出一種可在二分裂式/四分裂式線路上作業(yè)的輸電線四輪移動(dòng)機(jī)器人，代替人工完成高壓線路上的巡檢、防震錘的復(fù)位和耐張線夾引流板螺栓緊固作業(yè)[9]。通過機(jī)器人虛擬樣機(jī)開發(fā)及運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，在MATLAB中對末端作業(yè)空間進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和有效性，該機(jī)器人不僅具有良好的越障能力，且一次上線可同時(shí)完成電力巡檢和維修的任務(wù)，提高電力作業(yè)效率。

1輸電線路四輪移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1機(jī)械構(gòu)型與虛擬樣機(jī)模型

如圖1所示，本文的作業(yè)機(jī)器人由三平臺(tái)一系統(tǒng)組成，即移動(dòng)平臺(tái)、作業(yè)平臺(tái)、上下線平臺(tái)和硬件測控系統(tǒng)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是通過各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，包括伸縮關(guān)機(jī)、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、縱移關(guān)節(jié)、橫移關(guān)節(jié)，伸縮關(guān)節(jié)沿關(guān)節(jié)軸伸縮運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)沿鉛垂軸轉(zhuǎn)動(dòng)，橫移關(guān)節(jié)使行走臂沿導(dǎo)線軸線同步相向移動(dòng)。機(jī)器人通過“移動(dòng)平臺(tái)+雙作業(yè)手+末端工具”組合機(jī)構(gòu)完成金具銷更換/補(bǔ)充、防振錘復(fù)位、耐張線夾引流板螺栓緊固作業(yè)。

機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)主要由高強(qiáng)度機(jī)架、行走臂、行走輪、高能量密度鋰電池和本體測控平臺(tái)組成，如圖2所示。高強(qiáng)度機(jī)架承受來自作業(yè)臂、行走臂、高能量密度鋰電池和本體測控平臺(tái)重力、慣性力、摩擦力等，受力大且情況復(fù)雜。機(jī)器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)由關(guān)節(jié)模組實(shí)現(xiàn)，其主要由減速器、力矩電機(jī)、角度編碼器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器等組成，有著集成度高、重量輕、體積小、輸出力矩大的優(yōu)點(diǎn)[11]。滑動(dòng)絲桿在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下將動(dòng)力傳給行走臂。兩行走臂置于主體兩側(cè)，四個(gè)行走輪分別與兩行走臂配合，并通過旋轉(zhuǎn)臂聯(lián)接，旋轉(zhuǎn)臂可繞行走臂軸線旋轉(zhuǎn)使行走輪能快速完成上線或下線動(dòng)作。安裝的等電位機(jī)構(gòu)保證了機(jī)器人處于等電位工作狀態(tài)。高能量密度鋰電池和本體測控平臺(tái)分別為機(jī)器人提供電能并對其進(jìn)行控制。行走輪下方的壓緊輪保證了機(jī)器人在線路上平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)?？刂葡潴w采用碳釬維材料，不僅避免強(qiáng)磁場對機(jī)器人控制系統(tǒng)的干擾，也減輕了機(jī)器人整體的重量[12]。移動(dòng)平臺(tái)相對于主體可進(jìn)行橫向移動(dòng)。作業(yè)平臺(tái)搭載了兩個(gè)作業(yè)機(jī)械臂。作業(yè)臂1執(zhí)行器末端的攝像頭可對作業(yè)對象進(jìn)行視覺定位，作業(yè)臂2末端夾爪通過電機(jī)來控制開合。作業(yè)臂2上的齒輪齒條傳動(dòng)方式使作業(yè)臂可實(shí)現(xiàn)沿其軸線方向的移動(dòng)，機(jī)械臂底部的直線電機(jī)可實(shí)現(xiàn)其橫向移動(dòng)。

移動(dòng)平臺(tái)保證了機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力，擴(kuò)大了一次上線后的作業(yè)范圍，提高了作業(yè)效率。線路上的主要障礙物有：防震錘、間隔棒、直線懸垂以及安裝于懸垂上的均壓環(huán)[13]，將上述障礙物作為越障目標(biāo)?？紤]到四分裂線的特點(diǎn)，將機(jī)器人設(shè)計(jì)成兩邊各兩個(gè)行走輪，分別搭在四分裂導(dǎo)線下面的兩根線上[14]。越障時(shí)，機(jī)器人的四個(gè)輪子先后離線，行走臂通過移動(dòng)關(guān)節(jié)依次跨越障礙物?；跈C(jī)器人越障方式和主要障礙物的結(jié)構(gòu)和安裝特點(diǎn)[15]，發(fā)現(xiàn)直線桿塔懸垂上安裝的均壓環(huán)是機(jī)器人越障目標(biāo)中最難的部分，只要機(jī)器人能夠順利越過均壓環(huán)就能通過直線桿塔段中所有障礙物[16]。為避免機(jī)械臂在作業(yè)過程中出現(xiàn)機(jī)器人頭尾平衡性差的問題[17]，故將移動(dòng)平臺(tái)上的機(jī)箱作為重物來平穩(wěn)前后重量，機(jī)箱內(nèi)的角度傳感器可檢測機(jī)器人與水平面的傾角，控制移動(dòng)平臺(tái)的前后移動(dòng)來調(diào)節(jié)機(jī)器人的前后配重比，使機(jī)器人整體具有良好的平穩(wěn)性。

1.2越障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

以機(jī)器人跨越直線桿塔上的均壓環(huán)為例，來描述機(jī)器人的越障流程，如圖3所示。圖3（a）是帶電檢修作業(yè)機(jī)器人靠近直線桿塔時(shí)初始狀態(tài)，此時(shí)機(jī)器人相對于懸垂線夾仍有一段距離。到達(dá)一定距離后作業(yè)臂收回，為過障做準(zhǔn)備，如圖3（b）。

（1）機(jī)器人相對懸垂線夾的定位狀態(tài)。四輪機(jī)器人為四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，使機(jī)器人能在線上進(jìn)行前進(jìn)、后退。確定懸垂線夾位置，保證機(jī)器人相對于懸垂線夾定位，如圖3（c）所示。當(dāng)檢測到機(jī)器人與前方障礙物距離較近時(shí)，機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)，行走輪的夾持器夾緊，準(zhǔn)備過障。

（2）機(jī)器人行走輪越過障礙物。先越障一側(cè)的靠近障礙物的行走輪夾持器松開，并向下翻轉(zhuǎn)90°，行走輪向上翻轉(zhuǎn)90°，行走輪離線，離開與均壓環(huán)干涉的區(qū)域，如圖4（a）。離線的行走臂沿導(dǎo)線方向前進(jìn)，前部行走輪移動(dòng)至均壓環(huán)的另一側(cè)，如圖4（b）。行走輪旋轉(zhuǎn)落線，夾持器夾緊，完成越障。另一側(cè)靠近障礙物的行走輪越障過程同上述。

（3）帶電檢修機(jī)器人完成越障。類似，另外兩只未過障的行走輪用（2）中的方法通過障礙物。機(jī)器人完成過障，如圖4（c）；作業(yè)臂展開，繼續(xù)巡檢，如圖4（d）。

1.3作業(yè)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

機(jī)器人在線上的作業(yè)任務(wù)包括將偏移的防震錘進(jìn)行復(fù)位和對耐張線引流版的螺栓緊固[18]，故將機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行模塊化分類，根據(jù)不同作業(yè)任務(wù)，選擇相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，重構(gòu)機(jī)器人末端工具。機(jī)器人作業(yè)部分主要?jiǎng)澐譃閮蓚€(gè)模塊：一類是執(zhí)行器模塊，分別為金具銷推入/挑出末端、金具及銷夾持/張開末端、螺栓緊固末端，其中防振錘復(fù)位作業(yè)和耐張線夾螺栓緊固作業(yè)共用螺栓緊固末端。執(zhí)行末端位姿根據(jù)需要進(jìn)行微調(diào)，直接作用于工作目標(biāo)；第二類為雙作業(yè)手模塊，各作業(yè)手均由多個(gè)關(guān)節(jié)串聯(lián)而成，各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，用于執(zhí)行器末端的定位或者配合相應(yīng)的末端作業(yè)。

（1）防震錘復(fù)位作業(yè)如圖5（a）所示。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至工作位置時(shí)，行走臂前部行走輪碰檢到防振錘上掛板，完成對防振錘的初定位；而后行走臂退后幾步，雙作業(yè)手進(jìn)行防振錘拆卸操作。調(diào)節(jié)主作業(yè)臂各關(guān)節(jié)，完成夾持末端與防振錘的相對定位，末端夾爪夾住防震錘上掛板兩側(cè)面，調(diào)節(jié)作業(yè)臂各關(guān)節(jié)，當(dāng)擰防振錘螺栓末端套筒軸線對準(zhǔn)防振錘上的螺母軸線后，控制縱移關(guān)節(jié)，使末端套筒縱向移動(dòng)靠近螺母并與之配合，啟動(dòng)擰防振錘螺栓末端電機(jī)，帶動(dòng)套筒旋轉(zhuǎn)將螺母擰松至螺栓柱底端，末端電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，副作業(yè)手縱移關(guān)節(jié)帶動(dòng)擰防振錘螺栓末端退出工作位，主作業(yè)手帶動(dòng)定位與夾持末端運(yùn)動(dòng)將防振錘推至復(fù)位指定位置。

（2）耐張線夾引流板螺栓緊固作業(yè)圖5（b）所示。機(jī)器人的定位同上述防震錘復(fù)位作業(yè)中機(jī)器人的定位方法。對主作業(yè)手的旋轉(zhuǎn)和縱移關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，使主作業(yè)手?jǐn)y帶的螺栓固定末端套筒將螺栓頭壓住，以限制其轉(zhuǎn)動(dòng)；接著進(jìn)行擰螺母操作，對副作業(yè)手的橫移、旋轉(zhuǎn)、伸縮及縱移關(guān)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，使擰螺栓套筒與螺母同軸心并將螺母完全套住，擰螺母裝置電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行螺母的擰緊；當(dāng)機(jī)器人完成一套螺栓組件的緊固工作后，擰螺母裝置以及螺栓固定裝置分別由主、副作業(yè)手縱移裝置攜帶至外限位，進(jìn)行下一個(gè)螺栓緊固作業(yè)。

2四輪移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)建模

2.1雙臂D-H坐標(biāo)系的建立

采用D-H法對機(jī)器人作業(yè)部分的桿件建立坐標(biāo)系如圖6所示[19]。移動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)縱向移動(dòng)關(guān)節(jié)、一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和上下伸縮關(guān)節(jié)，機(jī)械臂1由三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，機(jī)械臂2為三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)和一個(gè)伸縮關(guān)機(jī)。將機(jī)器人的機(jī)架部分作為基坐標(biāo)系C0，與機(jī)架固連導(dǎo)軌上的滑塊作為移動(dòng)關(guān)節(jié)建立坐標(biāo)系C1，在移動(dòng)機(jī)構(gòu)的伸縮關(guān)節(jié)建立坐標(biāo)系C2，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上建立坐標(biāo)系C3，在機(jī)械臂與伸縮關(guān)節(jié)相連接部分建立坐標(biāo)系C4，在機(jī)械臂1旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1上建立坐標(biāo)系C15，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2建立坐標(biāo)系C16，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)3建立坐標(biāo)系C17，在機(jī)械臂2旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)1上建立坐標(biāo)系C25，在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)2上建立坐標(biāo)系C26，在伸縮關(guān)節(jié)上建立坐標(biāo)系C27，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)C28。

根據(jù)圖6各關(guān)節(jié)上所建立的坐標(biāo)系，可知關(guān)節(jié)間的姿態(tài)變化即為相鄰坐標(biāo)系之間的變化，D-H法下的相關(guān)參數(shù)分別為：連桿的扭角α，連桿長度a，相鄰連桿之間的偏距d，關(guān)節(jié)角θ，機(jī)械臂1和機(jī)械臂2的相關(guān)參數(shù)如下表所示。

2.2作業(yè)機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的推導(dǎo)

將i-1連桿兩端的關(guān)節(jié)坐標(biāo)系分別表示為{i-1}和{i}，含有α、a、θ、d四個(gè)參數(shù)的變換矩陣i（i）-1T可將坐標(biāo)系{i-1}和{i}聯(lián)系在一起。經(jīng)過繞xi-1軸旋轉(zhuǎn)αi-1角、沿xi-1軸移動(dòng)ai-1、繞zi軸轉(zhuǎn)θi角、沿zi軸移動(dòng)di，得到相鄰連桿之間的齊次變換矩陣i（i）-1T的一般表達(dá)式：

式中Cθi表示cosθi，Sθi表示sinθi，Cαi-1表示cosαi-1，Sαi-1表示sinαi-1。將表1、表2中機(jī)械臂的D-H參數(shù)分別帶入式（1）中，得到機(jī)械臂相鄰桿件的位姿變換關(guān)系即各連桿的坐標(biāo)變換矩陣，機(jī)械臂1和機(jī)械臂2的坐標(biāo)變換矩陣分別如式（2），（3）所示。

將上述公式中各桿的坐標(biāo)變換矩陣相乘，并將初始狀態(tài)下的值帶入公式，可得到機(jī)械臂1、2末端執(zhí)行器坐標(biāo)系到基坐標(biāo)系的變換矩陣，即得到機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的正解，由式（4）、（5）所示。

其中S（θi±θj）表示sin（θi±θj）、C（θi±θj）表示cos（θi±θj）。由（4）、（5）式可得機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解如式（6）。

機(jī)械臂在初始狀態(tài)下，參數(shù)d1取15，d2取10，d4為取0，使機(jī)械臂處在相對于機(jī)器人整體的合適位置。d7取值為0，使機(jī)械臂上的伸縮關(guān)節(jié)處在收回的位置，減小機(jī)械臂在非工作狀態(tài)下的整體尺寸。θ3、θ7、θ5、θ8初始狀態(tài)下取值均為0，θ6限制在-60°至90°之間，在確保機(jī)械臂末端有足夠的工作空間的同時(shí)，避免了機(jī)械臂與機(jī)體其他部位發(fā)生碰撞，保證了機(jī)械臂在安全的工作空間中。初始狀態(tài)下θ6取值為90°，使得機(jī)械臂整體與基坐標(biāo)系x軸保持平行，降低機(jī)器人前進(jìn)時(shí)，機(jī)械臂可能與線纜發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。將初始值代入得式（7）。

2.2作業(yè)機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的推導(dǎo)

已知機(jī)械臂末端的目標(biāo)位置通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得到各關(guān)節(jié)的角度值。在機(jī)械臂處于期望位姿的狀態(tài)下，限制各關(guān)節(jié)角度、位移的大小，反解出各旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)對應(yīng)的θ值和平移關(guān)節(jié)的d值[20]。相鄰桿件齊次變換矩陣1（0）T-1、2（1）T-1、3（2）T-1的逆矩陣，如（8）式。

分別對式（5）等式兩端同時(shí)左乘1（0）T-1、左乘2（1）T-1?1（0）T-1和左乘3（2）T-1?2（1）T-1?1（0）T-1得到式（9）。

對式（9）的等式兩邊分別計(jì)算可得式（10）。

其中C（θi+θj）表示cos（θi+θj）、S（θi+θj）表示sin（θi+θj）。由（10）式可得（11）式。

求得θ3、θ5的數(shù)值，將數(shù)值帶入其他式求得θ6、θ7，以及移動(dòng)關(guān)節(jié)的位移值d1、d2、d4。由此在已知

機(jī)械臂期望位姿下通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)推導(dǎo)出各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)的數(shù)值。

3機(jī)器人系統(tǒng)作業(yè)部分運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)

3.1作業(yè)機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

以防震錘復(fù)位作業(yè)為例進(jìn)行作業(yè)機(jī)械臂軌跡規(guī)劃仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。在MATLAB中設(shè)置機(jī)械臂桿長、關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍等相關(guān)參數(shù)，研究不同作業(yè)環(huán)境下機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[17]。機(jī)器人在移動(dòng)過程中前端機(jī)械臂各關(guān)節(jié)都為初始值，機(jī)械臂為初始姿態(tài)如圖7（a）所示。機(jī)器人到達(dá)作業(yè)位置，機(jī)械臂由初始狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽鳂I(yè)狀態(tài)，移動(dòng)關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的配合下，機(jī)械臂末端執(zhí)行器靠近防震錘螺栓對其進(jìn)行緊固如圖7（b）所示。同時(shí)另一只機(jī)械臂末端執(zhí)行器對螺母進(jìn)行夾緊如圖7（c）所示。

以上仿真表示機(jī)械臂由初始位置到目標(biāo)位置，得到對應(yīng)狀態(tài)下末端坐標(biāo)參數(shù)，并對機(jī)械臂末端進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到各關(guān)節(jié)在約束范圍內(nèi)的角度值。本文采用五次多項(xiàng)式的方法來規(guī)劃機(jī)械臂末端軌跡。在MATLAB環(huán)境下得到機(jī)械臂末端在作業(yè)過程中的位置、速度和加速度如圖8，圖8（b）中末端速度0到10秒逐漸增大，在10秒左右達(dá)到最大速度，且速度曲線平滑、連續(xù)，沒有速度突變，表明機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過程中平穩(wěn)性較好。機(jī)械臂作業(yè)空間中的主要障礙物為線纜和機(jī)器人機(jī)架，將機(jī)械臂在空間中的軌跡如圖8（d）與實(shí)際作業(yè)環(huán)境下障礙物的位置比對，得到空間中的障礙物與上述規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)發(fā)生干涉。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該機(jī)械臂模型的合理性，所設(shè)計(jì)的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)滿足輸電線路上的實(shí)際作業(yè)需要，且機(jī)械臂運(yùn)行平穩(wěn)，不會(huì)與空間障礙物發(fā)生碰撞。

3.2機(jī)械臂作業(yè)空間仿真

本文在MATLAB環(huán)境下，采用蒙特卡羅法對機(jī)械臂末端的作業(yè)空間進(jìn)行仿真分析。在螺栓緊固的作業(yè)中，根據(jù)機(jī)器人的實(shí)際工作環(huán)境，限制各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度或移動(dòng)距離，取5000個(gè)隨機(jī)值，求解機(jī)械臂末端可達(dá)到的空間范圍并形成點(diǎn)云圖，分別為xoy、xoz、yoz的平面內(nèi)如圖9所示。從圖上分析，作業(yè)空間邊緣處點(diǎn)較為密集，作業(yè)空間內(nèi)部點(diǎn)較為稀疏。在機(jī)械臂橫移關(guān)節(jié)和縱移關(guān)節(jié)的配合下，機(jī)械臂末端可到達(dá)的作業(yè)范圍較大，能夠滿足機(jī)械臂在實(shí)際工作環(huán)境下的要求。

4結(jié)論

（1）該四輪移動(dòng)機(jī)器人較單臂作業(yè)機(jī)器人適用范圍更廣，兼有跨越線上障礙物和線路巡檢的功能，能夠順利完成線路上耐張線夾引流板螺栓的緊固和防震錘的復(fù)位作業(yè)。

（2）建立了作業(yè)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，并對其進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，得出機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)不同的位姿變換和完成線上作業(yè)任務(wù)，驗(yàn)證了該機(jī)械臂滿足預(yù)期的作業(yè)要求。

（3）通過MATLAB軟件對機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)軌跡和末端執(zhí)行器空間作業(yè)范圍進(jìn)行了分析，結(jié)果表明該作業(yè)機(jī)械臂末端的作業(yè)范圍廣，無作業(yè)盲區(qū)，能夠完成相關(guān)的作業(yè)任務(wù)。

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Design and Operation Space of Mechanical System of Four-wheel Mobile Operation Robot of Transmission Line

YU Junkang1，JIANG Wei1，ZOU Dehua2，3，LI hongjun1，CHEN Wei1

（1.School of Mechanical Engineering and Automation，Wuhan Textile University，Wuhan Hubei 430073，China;2.Live Inspection and IntelligentOperation Technology State Grid Corporation Laboratory，Changsha Hunan 410100，China;3.Hunan Province Key Laboratory of Intelligent LiveWorking Technology and Equipment（ROBOT），Changsha Hunan 410100，China）

Abstract：In order to meet the operational requirements of multi-split ultra-high voltage transmission lines and address the issues of limited functionality，insufficient obstacle-crossing capability，and a small operating range of current single-line operation robots，this paper propos-es a new configuration for a four-wheeled mobile operation robot for power transmission lines.The robot adopts a structure with a four-wheeled mobile platform and dual robotic arms，allowing it to possess dual functions of obstacle crossing and operation.The design of the walking arm provides the robot with strong obstacle-crossing capabilities，while the robotic arms equipped with end tools can accomplish various tasks on the transmission lines.Based on the structural design，a virtual prototype model of the robot was developed using INVEN-TOR software.The robotic arm's operational process was modeled and analyzed kinematically.Finally，using the Monte Carlo method in the MATLAB environment，a simulation of the operational space of the robotic arm's end effector was conducted.The motion trajectories of the robotic arm under different tasks were simulated and analyzed using the robotics toolbox.The results indicate that，firstly，the designed four-wheeled mobile robot achieves pose transformation of its walking wheels by the coordinated movement of the rotating joints and lateral movement joints on the walking arm，allowing it to traverse obstacles on the line such as seismic hammers and pressure rings.Secondly，the end-effector，a self-reconfigurable operational mechanical arm，is capable of grasping and performing operations on hardware along the line，completing tasks such as resetting seismic hammers and tightening bolts on the tension-resistant line clamps and drainage board.Thirdly，the complete robot system exhibits strong obstacle-surmounting capabilities and flexible mechanical arm operational capabilities，enabling it to accomplish inspection tasks along the entire line.

Keywords：multi-split ultra-high voltage transmission lines;four-wheeled mobile operation robot;virtual prototype;simulation of the opera-tional space;inspection operation

（責(zé)任編輯：李強(qiáng)）