一種輸電線路機器人的設計

□ 袁興宇 □ 唐立軍 □ 李浩濤 □ 常 勇 □ 田 勇

1.云南電網有限責任公司電力科學研究院 昆明 650217 2.中國科學院沈陽自動化研究所機器人學國家重點實驗室 沈陽 110016 3.中國科學院機器人與智能制造創新研究院 沈陽 110169

1 設計背景

特高壓架空輸電線路處于野外環境,因長期風吹雨淋、飛石、冰凍、雷擊等原因,經常會發生斷股、散股等情況,如果未能及時發現問題并進行修復,有可能發生導線短接放電,導致大面積停電,造成巨大損失。因此,需要對輸電線路進行定期巡檢,預防事故發生,確保供電安全。

目前,輸電線路巡檢采用的方法主要有人工巡檢和直升機巡檢[1]。人工巡檢無法準確判斷架空導線斷股、散股的具體情況,巡檢效率低,勞動強度大,危險性高。直升機巡檢費用高,易受天氣情況的限制及航空管制的影響。對此,相關機構提出研制輸電線路巡檢機器人,機器人沿線行走,并依靠搭載的傳感器與作業工具完成輸電線路巡檢工作。

國外輸電線路巡檢機器人的研究起步較早[2],始于20世紀80年代末,以日本、美國、加拿大為代表。近年來,以巡檢機器人為代表的電力機器人進入一個新的研究發展階段[3],加拿大、日本分別推出了各自的新型巡檢機器人系統[4-6]。

目前,國內關于輸電線路巡檢機器人的研究主要集中在高校和研究所,包括武漢大學[7]、山東大學、中科院自動化研究所[8]、沈陽自動化研究所等[9]。筆者設計了一種輸電線路機器人,能夠快速跨越雙掛點懸垂線夾障礙。

2 設計重點

輸電線路巡檢機器人設計時需要解決的一項關鍵技術問題是機器人移動本體。移動本體能夠實現機器人沿輸電線路穩定、可靠行走和越障,這是輸電線路巡檢機器人實現作業功能的前提。其中,越障需要實現輸電線路中典型雙掛點懸垂線夾障礙的跨越?，F有機器人跨越雙掛點懸垂線夾的過程較為復雜,越障時間長[10],且一般采用兩次越障的形式。第一次越障,質心調整至后臂下方,前臂升起,后臂旋轉一定角度使前臂偏離線路;后臂行走輪前進,前臂開始越障;當前臂進入兩線夾范圍后,后臂旋回,前臂再回落上線。第二次越障,質心調整至前臂側,后臂升起;前臂旋轉約180°,后臂越障;后臂旋轉180°,使行走輪轉向線路并回落上線。整個越障過程速度慢,動作復雜,效率低。機器人跨越雙掛點懸垂線夾障礙如圖1所示。

▲圖1 機器人跨越雙掛點懸垂線夾障礙

筆者設計一種輸電線路機器人,可一次性跨越雙掛點懸垂線夾,能夠有效降低越障復雜性,縮短越障時間,提高機器人巡檢作業效率。筆者通過對越障機構進行構型分析,完成設計方案,并對越障進行運動規劃,通過機構力學分析及ADAMS軟件仿真計算對機器人設計的正確性與可行性進行驗證。

3 構型分析

現有輸電線路巡檢機器人移動機構在過桿塔跨越雙掛點懸垂線夾時,存在諸多不足。要實現一次性越障,前臂需一次跨越兩個線夾,這對導軌長度提出要求。某原有輸電線路巡檢機器人機構簡圖如圖2所示,整機如圖3所示,計算所需導軌長度。筆者只考慮構件集中質量,設前臂、后臂的質量為ma,導軌單位長度質量為mu,電控箱質量為mc,電控箱長度為D,懸垂線夾沿線的寬度為E,雙掛點間的距離為L,當僅后臂掛線支撐,前臂離開輸電線路,機器人平衡時,電控箱質心距后臂距離為b。

▲圖2 某原有輸電線路巡檢機器人機構簡圖▲圖3 某原有輸電線路巡檢機器人整機

考慮一次性越障,前后臂間距c為L+E,導軌總長l為c+b+D/2。當機器人以后臂作為掛線支撐點越障時,由越障靜力平衡條件可得:

mcb=mac+mul(c-l/2)

(1)

取ma為7 kg,mu為5 kg/m,mc為15 kg,L為0.45 m,E為0.25 m,D為0.47 m[11],代入式(1),可得b為0.35 m,進一步得到導軌的總長度l為1.285 m。

可見,若采用該原有機器人一次性跨越雙掛點懸垂線夾,所需的導軌長度為1.285 m,與機器人兩次跨越所需導軌長度1 m相比,明顯增大,本體質量也會增大[12-13]。因此,需要對機構進行優化,以減小導軌的長度,縮小機器人的整體尺寸,減小質量。

4 設計方案

為實現一次性越障,同時減小導軌長度,筆者設計了一種輸電線路機器人,機構簡圖如圖4所示,模型如圖5所示。機器人包括前臂、后臂、導軌、電源控制箱等。前臂和后臂的結構相同,包括行走輪、旋轉關節和平行四邊形機構。行走輪由電機驅動,實現機器人沿線行走。旋轉關節能夠實現移動本體相對前臂或后臂的旋轉,當單臂掛線并旋轉關節時,移動本體能夠相對線路旋出,進而實現另一臂的越障。平行四邊形機構是機器人移動的關鍵,由連接在機架和連架桿鉸鏈點間的直線電缸驅動。

▲圖4 輸電線路機器人機構簡圖▲圖5 輸電線路機器人模型

平行四邊形機構的變形能夠實現前臂或后臂的伸長與縮短,當掛線單臂的平行四邊形機構由矩形變為平行四邊形時,機器人移動本體和另一臂被抬起,用于越障。輸電線路機器人越障示意圖如圖6所示。平行四邊形變形,產生偏置距離S。前臂越障時,電控箱質心至后臂距離b′較圖2中b小,因此導軌總長度也相應減小。

▲圖6 輸電線路機器人越障示意圖

平行四邊形機構構型如圖7所示。為減小機器人移動本體質量,對前臂、后臂的平行四邊形機構進行優化設計,目標為前臂、后臂質量最小,即l1+l2最小,l1、l2分別為平行四邊形機構中機架和連架桿的長度。設置輸電線路空間環境約束及前臂、后臂尺寸優化的邊界條件。lm為平行四邊形機構對角線的長度,以電缸長度為最小值0.16 m。θ為平行四邊形機構連架桿與機架的夾角,小于90°。l1大于0.2 m。x1為平行四邊形機構水平方向位移,即由矩形變為平行四邊形后的偏置距離S。y1為平行四邊形機構豎直方向位移,需大于行走輪高度(0.13 m)。

▲圖7 平行四邊形機構構型

l1、l2需要滿足:

(2)

優化后,l1為0.205 m,l2為0.305 m,θ為0.57 rad,y1為0.146 m,x1為0.263 m,lm為0.176 m。

力矩平衡方程為:

mc(b′+S)+makS

=ma(c-kS)+mul′(c-S-l′/2)

(3)

其中:l′為優化后導軌長度;k為平行四邊形機構變形后單臂質心偏離吊點距離占S的比例。

考慮平行四邊形機構在單臂中的位置,設k為0.8,S與x1相等,為0.263 m。

由式(3)得到優化后導軌長度為1.112 m,相比原有構型,導軌長度減小了近13%,符合設計要求。

5 越障規劃

輸電線路機器人越障規劃過程如圖8所示。機器人前臂到達懸垂線夾后,調整質心。這一過程中,電控箱沿著導軌移動,直至機器人質心移至后臂行走輪下方,后臂直線電缸縮短,平行四邊形機構收縮,使前臂行走輪抬起,脫離輸電線路。后臂旋轉關節旋轉,使機器人本體和前臂旋出輸電線路避障。后臂行走輪在電機驅動下旋轉,使機器人沿輸電線路前進,直至后臂行走輪遇到懸垂線夾,停止運動。后臂旋轉關節復位,機器人本體前進方向恢復為與輸電線路方向一致,前臂平行四邊形機構直線電缸縮短,使行走輪回落到線路上,完成前臂越障。之后調整機器人質心至前臂下方,后臂平行四邊形機構直線電缸伸長,平行四邊形機構恢復為矩形,使后臂行走輪升起。前臂旋轉關節旋轉,使機器人本體及后臂偏離輸電線路。前臂行走輪行走,使整個機器人越過兩個線夾。前臂旋轉關節反向復位,后臂行走輪旋入輸電線路上方。前臂平行四邊形機構復位,使后臂行走輪落線,調整機器人質心,完成整個越障過程。

▲圖8 輸電線路機器人越障規劃過程

6 力學分析

輸電線路機器人后臂受力分析如圖9所示。機器人越障時,機器人整體質心已調整至后臂下方平衡位置,后臂平行四邊形機構在直線電缸收縮時變形,機器人本體相對升高,前臂行走輪也隨動升起。經分析發現,直線電缸在平行四邊形機構機架上鉸接點O3的位置對直線電缸驅動力的大小起決定作用,因此以直線電缸驅動力為優化目標,設計直線電缸鉸接點O3在機架上的位置。

▲圖9 輸電線路機器人后臂受力分析

平行四邊形機構受力分析如圖10所示。

建立連架桿及直線電缸的平衡力矩方程:

(4)

建立機架的靜力平衡方程:

▲圖10 平行四邊形機構受力分析

(5)

式中:F1X、F1Y分別為連架桿1在點O1處受到的外力F1的水平分量和豎直分量;F2X、F2Y分別為連架桿2在點O2處受到的外力F2的水平分量和豎直分量;F3X、F3Y分別為直線電缸在點O3處受到的外力F3的水平分量和豎直分量;G1、G2、G3依次為連架桿1、連架桿2和直線電缸所受的重力;F0為機器人本體對平行四邊形機構機架的拉力;M為機器人本體對平行四邊形機構機架的轉矩;β為直線電缸與水平連桿的夾角;點O為機架中點;Lf為直線電缸鉸接點O3至點O的距離。

P1、P2為平行四邊形機構連桿兩端的鉸接點,當平行四邊形機構變形時,角γ由零逐漸增大。

越障過程中,M為117.4 N·m,G1為5 N,G2為5 N,G3為10 N,F0為300 N,β∈[0,π-θ],θ為0.57 rad,l1為0.205 m。

優化后,F1為717.7 N,F2為720.4 N,F3為306.5 N,β為1.570 8 rad,Lf為零。

通過靜力學模型確定平行四邊形機構變形時,角γ對F3的影響,變化曲線如圖11所示。

▲圖11 γ與F3變化曲線

由圖11可知,隨著角γ不斷變大,F3逐漸增大。在越障結束時,F3達到最大值。這也驗證了將F3作為優化目標的合理性,可以減小平行四邊形機構變形時直線電缸的驅動力。

7 仿真試驗

建立輸電線路機器人三維模型,導入ADAMS軟件進行仿真試驗,ADAMS仿真模型如圖12所示。

▲圖12 輸電線路機器人ADAMS仿真模型

通過運動仿真得到F1、F2、F3的變化曲線,如圖13所示。由圖13可知,在越障過程中,F2先減小后增大,F1小幅度增大,F3不斷增大。

▲圖13 F1、F2、F3變化曲線

8 結束語

筆者針對超高壓輸電線路巡檢機器人跨越雙掛點懸垂線夾的需求,設計了一種輸電線路機器人。

這一輸電線路機器人的前臂、后臂采用平行四邊形機構,通過兩端分別鉸接在機架和連架桿間的直線電缸伸縮改變平行四邊形機構的形狀,實現行走輪高低位置的變化,進而完成越障。筆者以導軌長度為優化目標,完成平行四邊形機構的尺寸設計,并對越障過程中的平行四邊形機構進行受力分析。

應用ADAMS軟件進行運動仿真,驗證了這一輸電線路機器人設計方案的正確性與可行性。