盧坤媛 ，王吉岱

（1.青島黃海學(xué)院，青島 266590；2.山東科技大學(xué)，青島 266590）

0 引言

隨著國家電網(wǎng)的高速發(fā)展，輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行越來越受到人們的重視。為了代替人工、直升機(jī)巡檢等傳統(tǒng)的巡檢方式，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度和作業(yè)成本，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)展開了對研究輸電巡線機(jī)器人技術(shù)的研究，并取得了一定的成就。目前，塔內(nèi)作業(yè)的巡檢技術(shù)比較成熟，但越塔作業(yè)的巡線機(jī)器人還沒有很成熟的技術(shù)。巡線機(jī)器人沿著電力線路巡檢時(shí)，完成塔內(nèi)和塔間的工作，在塔內(nèi)作業(yè)時(shí)，沿著直線行走，遇到簡單障礙（防震錘、間隔棒、懸垂線夾等）時(shí)，可以比較容易越障。但是遇到耐張線塔，需要跨越引流線時(shí)，越障難度就比較大。巡線機(jī)器人的工作環(huán)境如圖1所示。

圖1 高壓線路巡線機(jī)器人工作線路圖

1 巡線機(jī)器人的系統(tǒng)組成

作為機(jī)電一體化產(chǎn)品，巡線機(jī)器人涉及到機(jī)械機(jī)構(gòu)、傳感器融合技術(shù)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、通訊技術(shù)以及電源技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。巡線機(jī)器人一般由機(jī)械本體、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等組成的。巡線機(jī)器人控制系統(tǒng)包括手動(dòng)控制裝置、遙控器控制裝置以及遠(yuǎn)程監(jiān)控裝置。檢測裝置可以實(shí)時(shí)檢測巡線機(jī)器人的行走狀態(tài)以及線路故障狀態(tài)，并將檢測信號反饋給控制系統(tǒng)，通過閉環(huán)控制，將反饋的信息比較之后，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出新的指令，進(jìn)行位姿調(diào)整。

巡線機(jī)器人的機(jī)械本體技術(shù)是目前制約巡線機(jī)器人發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。在設(shè)計(jì)機(jī)械本體時(shí)，首先要研究清楚高壓輸電線路巡線機(jī)器人的工作要求以及要達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)，其主要內(nèi)容有：在人工輔助下可以實(shí)現(xiàn)上、下線；在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用下，沿線穩(wěn)定行走；遇到障礙，檢測系統(tǒng)發(fā)出信號，反饋系統(tǒng)將信號反饋到巡線機(jī)器人的上位機(jī)，從而控制驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)行走輪平穩(wěn)越障；電力線路是有一定弧度的，因此巡線機(jī)器人要有一定的爬坡能力；越障功能：可以跨越電力線路上的間隔棒、防震錘、懸垂線夾和跳線等障礙；依據(jù)巡線機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)和性能要求，其機(jī)械本體設(shè)計(jì)包括：越障手臂設(shè)計(jì)行走臂設(shè)計(jì)和整體框架設(shè)計(jì)等。

2 可調(diào)質(zhì)心巡線機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡圖

一般的機(jī)械手臂，具有六個(gè)自由度，針對本文的技術(shù)要求，可以適當(dāng)?shù)臏p少自由度的個(gè)數(shù)，執(zhí)行末端既可以達(dá)到指定的位姿，又減少了控制的難度。利用人沿線攀援的仿生學(xué)原理，本文設(shè)計(jì)了三臂巡線機(jī)器人，左右兩側(cè)的手臂均有三個(gè)自由度：豎直面的伸縮移動(dòng)、水平面的轉(zhuǎn)動(dòng)、豎直面的轉(zhuǎn)動(dòng)。這三個(gè)自由度就可以滿足行走輪的位姿即末端執(zhí)行器的需求。對于中間機(jī)械手臂無需實(shí)現(xiàn)水平面的跨越，因此可以減少一個(gè)豎直面的仰俯的自由度。三臂巡線機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡圖，如圖2所示。

圖2 質(zhì)心可調(diào)的巡線機(jī)器人的機(jī)構(gòu)簡圖

巡線機(jī)器人沿線向右行走時(shí)，當(dāng)右側(cè)的機(jī)械臂遇到障礙時(shí)，右臂依靠伸長抬起離線，此時(shí)只有兩個(gè)機(jī)械臂掛線，整體的機(jī)械重心就會偏斜，影響越障的平穩(wěn)性，故在三個(gè)機(jī)械手臂的底部基架上安裝質(zhì)心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。越障時(shí)，抬起一個(gè)手臂時(shí)，借助控制箱和機(jī)座的相對移動(dòng)，調(diào)整整個(gè)巡線機(jī)器人的重心在兩個(gè)掛線的機(jī)械臂中間。

在線越障時(shí)，考慮到實(shí)際線路障礙尺寸的大小以及分布的情況，機(jī)械臂伸縮等諸多因素，確定巡線機(jī)器人的左右兩臂之間的距離為280mm，三個(gè)行走輪的直徑為100mm，轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)1、2的轉(zhuǎn)動(dòng)角度為60°，關(guān)節(jié)3的伸縮距離為240mm。依左臂為例，可以實(shí)現(xiàn)沿線跨度為700mm的距離，如圖3所示。

圖3 機(jī)械臂跨越示意圖

3 巡線機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

巡線機(jī)器人沿線巡檢線路時(shí)，它的所有重量都作用在高壓線路上，為了避免因重量問題對線路造成損壞，在設(shè)計(jì)巡線機(jī)器人時(shí)，盡可能設(shè)計(jì)質(zhì)量輕便、易于操作的機(jī)構(gòu)。結(jié)合實(shí)際的工況要求，左右兩臂要反向?qū)ΨQ布置在輸電線路上，機(jī)構(gòu)相同，都有行走機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、組合擺臂機(jī)構(gòu)、剎車機(jī)構(gòu)等。通過絲杠螺母副，來控制控制箱和基座之間的移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)節(jié)整機(jī)的機(jī)構(gòu)重心。

3.1 伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

伸縮機(jī)構(gòu)由導(dǎo)向桿、梯形絲杠、絲母、絲母座、伸縮臂護(hù)板、底板以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。伸縮臂機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)之間通過絲座連接固定，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用螺旋機(jī)構(gòu)平穩(wěn)傳動(dòng)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)螺紋絲杠，帶動(dòng)絲母沿導(dǎo)桿上下移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)行走主機(jī)構(gòu)的升起和降落運(yùn)動(dòng)。

3.2 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)由行走輪和伸縮臂組成，行走輪由電機(jī)通過兩個(gè)錐齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)，它是行走機(jī)構(gòu)的主要零件之一。它需要沿線行走，還需要承受整個(gè)機(jī)器人的重量，所以在設(shè)計(jì)行走輪時(shí)，既要考慮重量問題，還要考慮摩擦力的問題。行走輪自身既要輕便，又要滿足足夠的強(qiáng)度和剛度。作者選用尼龍70作為行走輪的主體，在其外表面采用高強(qiáng)度、高彈性的聚氨酯耐磨材料。聚氨酯材料具有高彈性和高耐磨性，可以防止爬坡時(shí)機(jī)器人打滑，同時(shí)又減輕了對線路的磨損。

3.3 組合擺臂機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

組合擺臂機(jī)構(gòu)由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副組成，每個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副是一個(gè)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其轉(zhuǎn)角在±60°的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸輪蝸桿傳動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)組合擺臂在豎直方向或者在水平方向內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。在控制系統(tǒng)的作用下，組合擺臂和伸縮臂配合實(shí)現(xiàn)在線的行走以及簡單的越障功能。因?yàn)槲佪單仐U機(jī)構(gòu)具有良好的自鎖性能，所以組合擺臂在線運(yùn)行的任何位姿都可以保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。

3.4 質(zhì)心可調(diào)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

質(zhì)心可調(diào)機(jī)構(gòu)是利用絲杠螺母移動(dòng)副，實(shí)現(xiàn)箱體和機(jī)械手臂之間的移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)整個(gè)機(jī)器的機(jī)構(gòu)重心。絲杠采用梯形螺紋絲杠，傳遞動(dòng)力大、自鎖性好。電機(jī)帶動(dòng)梯形螺紋絲杠，絲杠帶螺母沿著機(jī)箱的燕尾槽往復(fù)的水平移動(dòng)。

3.5 制動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在線檢測時(shí)，遇到故障，巡線機(jī)器人需要制動(dòng)剎車，本文設(shè)計(jì)的制動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)由剎車片、減速器、杠桿等組成，減速器采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，自鎖性和精密性較好。利用該制動(dòng)剎車機(jī)構(gòu)，巡線機(jī)器人可以在線上平穩(wěn)停車。

4 巡線機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選取

依據(jù)驅(qū)動(dòng)源的不同，巡線機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包含液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及混合驅(qū)動(dòng)等。

1）液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以高壓油為工作介質(zhì)，結(jié)構(gòu)緊湊，動(dòng)作靈敏且傳動(dòng)平穩(wěn)，這是液壓驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。其缺點(diǎn)是：密封要求的條件高，液壓的元件成本高，而且需要配備專門的儲油缸、液壓閥，體積比較大。在巡線機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中不適合采用這種驅(qū)動(dòng)方式。

2）氣動(dòng)以壓縮空氣作為動(dòng)力，氣動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)簡單，安裝維護(hù)簡單，易于操作。但是因?yàn)槭菈嚎s空氣，其可靠性不高，工作運(yùn)行的穩(wěn)定性稍差，不能進(jìn)行高精度的控制。所以這種驅(qū)動(dòng)方式也不適合。

3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)沒有污染，易于控制，運(yùn)動(dòng)精度較高，因此在機(jī)械驅(qū)動(dòng)中被廣泛應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，而伺服電機(jī)又分為直流和交流。步進(jìn)電機(jī)價(jià)錢便宜，控制系統(tǒng)簡單，但是它是開環(huán)控制，精度比較低。交流伺服電機(jī)在成本和維護(hù)上比直流電機(jī)有優(yōu)勢，但是對于高輸電線路上的巡線機(jī)器人如何取電成了難題。在啟動(dòng)性能上，調(diào)速范圍上，直流伺服電機(jī)比其他幾種電機(jī)都有明顯的優(yōu)點(diǎn)但是價(jià)錢較高。因此，本文在選擇電機(jī)時(shí)，選用直流電機(jī)附加編碼器的方式，既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用，能夠較好的驅(qū)動(dòng)巡線機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)在線作業(yè)。

5 巡線機(jī)器人的三維實(shí)體建模及優(yōu)化

巡線機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模塊方便對巡線機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。在三維建模的過程中，涉及到了實(shí)體建模、特征建模和裝配建模三個(gè)模塊，借助于這三大模塊的強(qiáng)大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能，為后期的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析和動(dòng)力分析奠定了基礎(chǔ)。對巡線機(jī)器人的組成進(jìn)行分解，左右兩臂機(jī)構(gòu)對稱，裝配時(shí)一定要注意對稱性，依據(jù)各個(gè)零部件的位置和建模關(guān)系，對各個(gè)零部件進(jìn)行機(jī)構(gòu)分析。

在UG中虛擬裝配分為自底向上的方式和自頂向下的方式，以及混合組裝。對于本文設(shè)計(jì)的三個(gè)機(jī)械手臂采用了自底向上的裝配方式，而裝配行走機(jī)構(gòu)和伸縮機(jī)構(gòu)則用了自頂向下的裝配方式。在建模和裝配的過程中，出現(xiàn)了干涉情況，重新繪制二維圖紙，建立三維模型，直到?jīng)]有干涉發(fā)生為止，最終得到巡線機(jī)器人的總裝配體圖，如圖4所示。

圖4 巡線機(jī)器人的三維優(yōu)化模型

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種質(zhì)心可調(diào)節(jié)的巡線機(jī)器人機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)。該巡線機(jī)械人包括機(jī)械組成部分和動(dòng)力控制部分，機(jī)械組成部分又分為行走機(jī)構(gòu)和質(zhì)心調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。按照要到達(dá)的技術(shù)要求，利用CAD設(shè)計(jì)二維圖紙，然后在UG軟件中建立零部件的三維模型，在裝配過程中對發(fā)生干涉的零部件重新設(shè)計(jì)，反復(fù)優(yōu)化，最終建立了巡線機(jī)器人的整體裝配模型。