摘要：由于跨越式高压输电线路巡检机器人越障效率较低且存在安全隐患等问题，文中提出了一种新型的穿越越障巡检机器人的机构设计。考虑机器人越障运动特点和机器人运行的地线线路环境，该结构设计采用双臂同侧对称悬挂的轮臂复合式机械结构，主要由行走机构、机械臂、压紧机构、锁臂结构和展臂机构组成。介绍了该机器人的各机构特点，并基于D-H法建立了机器人机构的运动学模型，采用该模型对文中提出的机构设计进行了计算分析，证明了该机构设计的合理性。
关键词:高压输电线路；巡检机器人；机构设计；运动学分析
1.国内外研究概况
1.1国外研究概况
国外在巡检机器人领域的研究起步较早，在1990年，口本东京电力公司Sawada等人开展了巡检机器人的研究工作。机器人在输电线地线上行走，携带3米长可以折叠弧形导轨，可翻越高压输电线塔，重达100Kg。配有400W的燃油发电机和24V/4AH的电池，不带燃油时燃油发电机重约11Kg。该机器人过于笨重，没有配置无线通讯模块，只能通过工C卡人工进行机器人和地面站的数据交换。
1.2国内研究概况
国内关于输电线路巡检机器人研究起步较晚，1999年开始，武汉大学、中国科学院沈阳自动化研究所、山东大学等单位开展了针对110kV,220/330kV和500kV输电线路巡检机器人方面的项目研究。中国科学院沈阳自动化研究所开发了地线上行走的转臂式两臂巡检机器人,2005年沈阳自动化研究所研制的机器人。2006年沈阳自动化研究所机器人爬坡能力达15度，能翻越防振锤和线夹。2007年沈阳自动化研究所机器人经过改进后爬坡能力达30度，长宽高760mm x 360mm x重量42Kg。行走速度达1.25Km/小时。
2.机械人机构设计
2.1行走机构
巡检机器人两机械臂顶端安装有行走机。行走电机驱动行走轮在地线道路上滚动运行，使机器人满足巡检要求。行走机构设计的关键在于行走轮的设计，为了更好地适应地线道路结构，提高巡检运行过程中的效率和安全，将行走轮设计为“V”字仿形结构。行走轮“V”字底端的半径尺寸略大于地线的直径，机器人运行时，行走轮能嵌在地线上安全行驶。“V”字底端与地线接触部分采用聚氨酯橡胶材料嵌入包裹，这样可以增加运行过程中的摩擦力，减少行走时的打滑现象，提高行走轮对线路的包裹性能，另外采用聚氨酯橡胶材料降低对地线线路的磨损。行走轮两端有直径大于轮轴的轮沿，能约束行走轮始终在地线线路上运行，对机器人运行起到保护的作用，从而提高了行驶过程中的安全性。
2.2机械臂与压紧机构
机械臂。其与悬臂架固定连接，压紧电机的输出端与齿轮连接，安装在悬臂架内，机械臂内部装有压紧螺母和压紧丝杆，丝杆一端连接齿轮，压紧电机通过齿轮传动带动压紧丝杆转动，使得压紧螺母沿丝杆方向上下运动，从而带动压紧滑台上下移动，达到压紧和松开的效果。
2.3展臂机构
滑台是机器人在蠕动爬行时，辅助机械臂进行展臂或收展运动的机构平台。滑台内部装有螺母，螺母与机体内部的双向丝杠配合，展臂电机运行时，其输出轴通过齿轮传动带动丝杆旋转，从而实现两个螺母之间的相对移动，并通过滑台带动机械臂完成展臂或收臂运动。其中行走机构驱动机器人悬挂行走，锁臂机构提供行走轮的仿形运动，二者确保机器人能够直接滚动穿过直线段的各种障碍物和变曲率耐张过桥，极大地提高了机器人通过障碍物的效率。每只手臂的行走机构和压紧机构组成了轮式夹持器，通过提供不同的夹持力及其相应的驱动方式，机器人能在大坡度地线上滚动行驶并且能在极大坡度地线上通过展臂机构实现攀爬行驶，由于轮式夹持器结构封闭，杜绝了机器人脱轨的可能性，提高了行驶过程安全性。
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3.巡检机器人的轨迹规划
3.1巡检机器人的航行环境
3.1.1地线
输电路地线一般由一根钢芯铝绞线或镀锌钢绞线构成。地线在三维空间中有四种基本状态，第一水平状态，即地线与重力加速度方向垂直，成90度。第二爬坡状态，即机器人前行方向沿地线与重力加速度方向成夹角大于90度。第三下坡状态，即机器人前行方向沿地线与重力加速度方向成夹角小于90度。第四转角状态，即机器人前行方向与地线方向成夹角，
3.1.2地线上过桥的设计
中部楼梯式的过桥设计采用悬挂式设计方法，在塔头的中下部，过桥与角钢之间有一定间隔空间，让巡检机器人的轮子和爪子能抓住过桥，由于角钢的影响到传感器识别到地线，机器人的越障有一定难度。前端楼梯式的过桥设计采用悬挂式设计方法，在塔头的前端，巡检机器人从塔头的一侧往下翻越到过桥上，从过桥的一端移动到另一端，再翻越上塔头另一侧的地线上。巡检机器人的手臂要经过多次离线，再抓线，翻越过程类似于下楼梯爬楼梯。
3.2巡检机器人行驶的轨迹规划
3.2.1档距内行驶的轨迹规划
巡检机器人沿档距内地线上滚动前行，跟随着地线的下倾而下坡，地线的上倾而上坡。巡检机器人的行驶轨迹为沿地线路径。
3.2.2上下塔的轨迹规划
巡检机器人的人工上下塔方法，可以分为滑轮、起吊机等方法，表示起吊机利用其长臂将巡检机器人挂在地线上，下塔的难点是吊车的挂钩能找到机器人本体上的挂点。上塔的难点在于让机器人的轮子的凹槽正好落在地线上。在起吊臂末端安装摄像头，供驾驶员找到目标。地线上有上千伏的感应电压，操作时考虑等电位操作。大风天气不适合机器人上塔。滑轮利用长线将巡检机器人挂在地线上，工作人员先爬上铁塔，安装好滑轮，起吊时注意机器人与相线的安全距离。机器人依靠人工将轮子对准地线后，把轮子的凹槽放在地线上。由于330kV及以上的线路，为了减少电能损耗，地线宜采用分段绝缘单点接地的方式，并不是每个地线的铁塔处都接地。
4.机器人机构运动学分析
4.1机器人杆件坐标系建立
巡检机器人机构视为由关节连接的串接杆件，将其作为一个开式运动链来研究，运动链的首端与一只机械臂连接，相对于机器人参考坐标系固定，另一只机械臂属于自由端，其作为运动链的末端与首端通过多个关节、连杆连接，并由关节和连杆驱动，到达所需要的位姿。文中提出的机器人机构从运动学角度看具有4个自由度，即行走机构处的行走关节、两个机械臂上绕各自对称轴转动的锁臂关节以及两机械臂相对大臂移动的公共展臂关节。机器人行走关节处的坐标系为非连杆坐标系，在实际运行中，行走关节不影响机器人的姿态，因此建模过程中不予考虑行走关节的连杆参数等特性。
4.2机器人运动学逆解
对机器人运动过程进行控制时，需要知道使机器人末端处于一个期待位置时所有的关节变量值，运动学逆解就是在给定机器人末端连杆位姿的情况下，求解关节变量的过程，因此，机器人运动学逆解的求取对机器人运动控制算法设计具有重要意义。由于解反三角函数方程会产生多组解，因此运动学逆解具有多解性的特点，而在现实情况下，有些解并不能够实现，只有一组或几组解与机器人的实际情况相符，为此必须做出判断，选择其中最满意的一组解，以满足机器人的工作要求。
结束语
对高压输电线路进行巡检是电力部门的重要工作，由于采用机器人巡检线路具有安全可靠、效率高和成本相对低廉的优势，近年来全球范围内对输电线路巡检机器人的需求不断增加，各科研机构对巡检机器人的研究进展较大，作为巡检机器人的核心部分，机器人的机械结构设计也在不断完善。
参考文献
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论文作者:李涛
论文发表刊物:《电力设备》2017年第26期
论文发表时间:2017/12/23
标签：机器人论文; 地线论文; 机构论文; 线上论文; 运动学论文; 过桥论文; 线路论文; 《电力设备》2017年第26期论文;