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摘 要： 摘要：針對傳統(tǒng)輸電線路除冰方法效率低和安全性差的問題，提出了一種氣動式輸電線路除冰機器人。該機器人采用三臂對稱結(jié)構(gòu)，能夠在輸電線路上高效除冰并越障行走。在此基礎上，采用齊次坐標變換法進行機器人的運動學分析，包括機器人運動學正、逆方向的求解，建立了機
摘要：針對傳統(tǒng)輸電線路除冰方法效率低和安全性差的問題，提出了一種氣動式輸電線路除冰機器人。該機器人采用三臂對稱結(jié)構(gòu)，能夠在輸電線路上高效除冰并越障行走。在此基礎上，采用齊次坐標變換法進行機器人的運動學分析，包括機器人運動學正、逆方向的求解，建立了機器人在越障過程中手臂位姿與各關節(jié)變量之間的關系，并在 ADAMS環(huán)境下對機器人跨越懸垂線夾過程進行運動學仿真。仿真結(jié)果和線路運行試驗驗證了機器人越障的可行性。
關鍵詞：氣動;除冰機器人;運動學分析;越障
0 引言
采用高壓和超高壓架空輸電線路是長距離輸配電的主要方式。近年來，輸電線路冰災事故在我國頻發(fā)，嚴重危及電網(wǎng)安全可靠運行，因此，對輸電線路進行日常的巡檢以及惡劣氣候條件下的除雪除冰是十分必要的。作為電力特種機器人研究領域的最新研究課題之一，輸電線路除冰機器人在國內(nèi)外的研究尚停留在起步階段，各項技術(shù)研究還未建立統(tǒng)一的標準。加拿大魁北克水電研究院研制成功的 HQ LineRover遙控除冰小車，是國外最早問世的除冰機器人。目前國內(nèi)對于除冰機器人的研究還沒有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)，已經(jīng)開展相關研究工作的學術(shù)機構(gòu)主要有武漢大學、湖南大學、山東科技大學等。
在借鑒國 內(nèi) 外 除 冰 機 器 人 研 究 成 果 的 基 礎上，本文提出了一種氣動式輸電線路除冰機器人。該機器人將先進的機器人技術(shù)與基于銑削原理的機械除冰方法有機融合起來，結(jié)合以工業(yè)母版為控制核心的智能控制系統(tǒng)，能夠自主地跨越高壓線上 各 種 障 礙，實 現(xiàn) 高 壓 輸 電 線 路 的 高 效 除 冰。同時，該機器人也可以攜帶相關檢測工具，完成高壓輸電線路的巡檢工作。
1 除冰機器人機械結(jié)構(gòu)
1.1 整體設計方案
根據(jù)輸電線路的結(jié)構(gòu)、作業(yè)任務的分 解 以 及前后兩個方向行走的要求，除冰機器人采用三臂對稱 結(jié) 構(gòu)，前后臂結(jié)構(gòu)相同，分 別 由 行 走 驅(qū) 動 機構(gòu)、銑削除冰機構(gòu)、柔性伸縮氣動機械臂和剎車制動機構(gòu)組成。中間手臂不設除冰機構(gòu)，其他結(jié)構(gòu)與前后手臂相同[1-2]。三臂 對 稱 安 裝 在 機 體 平 臺上，平臺下面懸掛以控制箱為配重單元的重心調(diào)節(jié)裝置，該機器人的機械機構(gòu)如圖1所示[3]。
與雙臂式結(jié)構(gòu)相比，三臂式除冰機器 人 在 越障過程中，通過調(diào)整前臂和重心調(diào)節(jié)機構(gòu)實現(xiàn)越障過程中重心的平穩(wěn)變化，不需要進行復雜的空中姿態(tài)的調(diào)整，降低了控制的難度，提高了越障的可靠性。但是，三臂式結(jié)構(gòu)增大了機器人整體的質(zhì)量，因此，本文選用壓縮空氣作為動力源，以氣動驅(qū)動的方式使各手臂完成伸縮、行走、越障等動作，簡化了傳動機構(gòu)的設計，大大地減小了機器人整體的質(zhì)量。機器人整機的質(zhì)量不大于50kg，并具有以下特點：①可實現(xiàn)緩沖，對沖擊負載和過負載有較強的適應能力;②動作迅速、可靠，成本較低;③工作環(huán)境適應性好，可工作在惡劣環(huán)境中。
1.2 除冰機構(gòu)設計
覆冰是由包裹在線路上的冰層以及下面的冰凌組成的，本文針對覆冰實際存在情況，采用機械除冰法，設計了一種基于金屬高速銑削原理的除冰機構(gòu)，由切削刀具組成的組合切割刀可實現(xiàn)高效切除高壓輸電線路冰層的作業(yè)要求，機器人除冰作業(yè)示意圖見圖2。
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由組合切削刀具組成的高速銑削除冰裝置工作時，不僅要實現(xiàn)對冰層的高效切削，而且必須保證不能割傷高壓輸電線路。因此，組合切削刀由6片切削刀片、4個墊片和2塊防切削板組成[2]。當線路冰層被切除后，兩邊對稱的保護板會卡在高壓電線上，實現(xiàn)切削刀具與輸電線路的隔離，從而保證輸電線路的安全。經(jīng)過試驗，這種復合除冰方式可以高效、相對徹底地清除覆冰，并保證線路的完好。為了簡化結(jié)構(gòu)，使整體更加緊湊，設計中將銑削除冰機構(gòu)和行走結(jié)構(gòu)設計為一個模塊，除冰機構(gòu)和行走驅(qū)動裝置如圖3所示。
2 除冰機器人運動學分析[4]
2.1 機器人正運動學解
除冰機器人的機械臂具有5個自由 度，包 括肩關節(jié)、肘關節(jié)的旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)角度用θ1 和θ3 表示)和水平伸縮臂、垂直伸縮臂、腕關節(jié)的伸縮(伸縮距離用d2、d4 和d5 表示)。結(jié)合該機器人的具體結(jié)構(gòu)，本文采用D-H法進行機器人運動學的分析。首先，建立圖4所示坐標系，O0X0Y0Z0 是固定在基座(控 制 箱)上 的 坐 標 系，O1X1Y1Z1 是 肩 關 節(jié)坐 標 系，O2X2Y2Z2 是水平伸縮臂坐標系，O3X3Y3Z3 是肘關節(jié)坐標系，O4X4Y4Z4 是垂直伸縮臂坐標系，O5X5Y5Z5 是腕關節(jié)坐標系。
其次，根據(jù)圖4建立的坐標系，列出了上述坐標系對應的D-H 參數(shù)，即連桿長度ai、連桿扭轉(zhuǎn)角αi、連桿偏移量di 和關節(jié)角度θi，見表1。求解機械臂各個關節(jié)變量的位移或者角度值。
3 除冰機器人越障規(guī)劃及仿真
除冰機器人的越障是通過模仿人體遇到線路障礙時，從線路下方越障的動作序列實現(xiàn)的。本文采用 ADAMS軟 件 對 機 器 人 三 維 模 型 進 行 建模、仿真和分析，機器人跨越懸垂線夾的動作規(guī)劃如圖6所示。
機器人行走過程中，前臂上的攝像機 和 超 聲波傳感器用于判斷障礙物的類型和距離。當機器人遇到懸垂線夾或絕緣子串時，機器人停止前進(圖6a)，首先，前臂垂直伸縮臂上升，手掌開合機構(gòu)打開，使行走驅(qū)動和除冰機構(gòu)脫線，同時重心平衡機構(gòu)后移至后臂和中間臂下方(圖6b)，然后機器人在中 間 臂 和 后 臂 行 走 電 機 的 驅(qū) 動 下 繼 續(xù) 行走，直到中間 臂 遇 到 障 礙(圖6c)，此 時 前 臂 垂 直伸縮 臂 下 降，手掌開合機構(gòu)閉合，實 現(xiàn) 前 臂 抱 線(圖6d)，調(diào)節(jié)重心平衡機構(gòu)至初始狀態(tài)。中 間臂、后臂的越障方式與前臂基本相同，即：中間臂上升、脫線，機器人前行至后臂遇到障礙，中間臂下降抱線;后臂上升、脫線，機器人前行至后臂越過障礙，后臂下降抱線。最后，機器人整體完成越障(圖6e)。
仿真結(jié)果表明，機器人可以通過各關節(jié)的協(xié)調(diào)完成越障，從而驗證了機器人越障的可行性和步態(tài)規(guī)劃的合理性。
4 線路試驗驗證
為 驗 證 除 冰 機 器 人 越 障 的 可 行 性，采 用110kV 標準鋼芯鋁絞線，在實驗室環(huán)境下搭建模擬線路。該模擬線路包含實際輸電線路的障礙類型，如懸垂線夾、防震錘等，機器人實際越障試驗如圖7所示。
試驗結(jié)果表明，該機器人樣機可自主跨越懸垂線夾等障礙物，動作迅速、可靠，驗證了樣機設計的正確性。
5 結(jié)語
本文提出 了 一 種 氣 動 式 輸 電 線 路 除 冰 機 器人，采用D-H 法對機器人進行運動學分析，并在ADAMS環(huán) 境 下 對 機 器 人 越 障 過 程 進 行 模 擬 仿真，仿真結(jié)果和線路運行試驗驗證了樣機設計的可行性，為機器人的工程應用提供了一定的依據(jù)。隨著機器人各種性能的不斷完善和人們對輸電線路可靠性的要求越來越高，其發(fā)展前景將是非常廣闊的。——論文作者：王吉岱1 連金玲1，2