張發(fā)光，李 亭，范 聰，李國(guó)華

（1.北京理工大學(xué)前沿技術(shù)研究院，山東 濟(jì)南 250300；2.山東國(guó)舜建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250300）

引言

在電力系統(tǒng)中，配電系統(tǒng)是生產(chǎn)、輸送、分配三大系統(tǒng)的核心之一，配電系統(tǒng)對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全可靠起著至關(guān)重要的作用[1]。而傳統(tǒng)的巡檢方式是巡檢人員定期采集大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)，由于巡檢人員素質(zhì)、技術(shù)水平不同，會(huì)產(chǎn)生大量問(wèn)題[2]。目前，電力機(jī)房、服務(wù)器機(jī)房智能巡檢機(jī)器人已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用到日常運(yùn)維工作中，根據(jù)程序要求執(zhí)行日常運(yùn)維巡檢任務(wù)，確保設(shè)備的安全運(yùn)行，從而有效縮減值班人員[3]。

國(guó)內(nèi)一些企業(yè)如國(guó)網(wǎng)智能等，都推出了適配與電力機(jī)房、服務(wù)器數(shù)據(jù)機(jī)房的軌道式巡檢機(jī)器人、室內(nèi)輪式地面巡檢機(jī)器人。其中軌道式巡檢機(jī)器人按預(yù)定軌道運(yùn)行，機(jī)器人設(shè)計(jì)有多級(jí)伸縮桿，伸縮桿端部安裝有檢測(cè)裝置[4]，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜的巡檢作業(yè)。但機(jī)房?jī)?nèi)部上空布置有走線槽，造成巡檢軌道多起起伏，使得巡檢范圍存在一定局限性[5]。室內(nèi)輪式地面升降機(jī)器人，一般是地面移動(dòng)平臺(tái)搭載伸縮桿的組合方式，但伸縮桿本體高度較高，不能巡檢高度較低的區(qū)域，同樣存在局限性；沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)的高壓室巡檢機(jī)器人，移動(dòng)平臺(tái)上搭載六自由度機(jī)械臂，巡檢范圍大，但控制很復(fù)雜，且成本很高，不利于大規(guī)模推廣。

本文研制了一種適用于電力機(jī)房或服務(wù)器數(shù)據(jù)機(jī)房的室內(nèi)輪式升降巡檢機(jī)器人，該機(jī)器人采用扭簧式雙叉臂減震底盤(pán)，滑輪式升降組件，搭載360°回轉(zhuǎn)云臺(tái)等末端執(zhí)行器裝置[6]，可以實(shí)現(xiàn)較大高度范圍內(nèi)的巡檢作業(yè)，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)單、能耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模推廣利用[7]。

1 室內(nèi)輪式升降巡檢機(jī)器人總體構(gòu)型

室內(nèi)輪式升降巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要有扭簧式雙叉臂減震移動(dòng)平臺(tái)、升降組件、控制單元、末端執(zhí)行器四部分組成。采用雙叉臂的移動(dòng)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢機(jī)器人的減震，且通過(guò)扭簧式的雙叉臂結(jié)構(gòu)，能夠簡(jiǎn)化常規(guī)的驅(qū)動(dòng)輪減震結(jié)構(gòu)，減小移動(dòng)平臺(tái)的生產(chǎn)制作成本。通過(guò)扭簧式雙叉臂減震結(jié)構(gòu)，可以增加底盤(pán)移動(dòng)的機(jī)動(dòng)性，在進(jìn)行巡檢的過(guò)程中，對(duì)于場(chǎng)地常見(jiàn)的線纜、線槽等障礙物可以實(shí)現(xiàn)跨越，且在一些電力機(jī)房地面的平整度較差時(shí)，具有較強(qiáng)的機(jī)動(dòng)性實(shí)現(xiàn)爬坡的穩(wěn)定，保證巡檢作業(yè)的正常進(jìn)行。升降組件實(shí)現(xiàn)對(duì)末端執(zhí)行器的上下升降，采用同步帶輪的形式，保證升降過(guò)程中末端執(zhí)行器的穩(wěn)定性，保證其巡檢作業(yè)的準(zhǔn)確性。末端執(zhí)行器將巡檢需要的多種傳感器進(jìn)行組合整體化安裝，實(shí)現(xiàn)巡檢檢測(cè)傳感器的模塊化安裝。控制單元對(duì)巡檢機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)及數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)所需的作業(yè)內(nèi)容。

移動(dòng)平臺(tái)搭載有激光雷達(dá)、溫濕度監(jiān)測(cè)等傳感器、整機(jī)控制系統(tǒng)單元等部件，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)平臺(tái)的自主導(dǎo)航；環(huán)境內(nèi)溫度、氣體等感知檢測(cè)等。升降組件布置于移動(dòng)平臺(tái)上，托舉末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)垂直方向內(nèi)運(yùn)動(dòng)。末端執(zhí)行器主要有云臺(tái)、局部放電檢測(cè)儀等裝置，可對(duì)機(jī)柜上的指針、指示燈及是否帶電等進(jìn)行巡檢及監(jiān)測(cè)。

2 扭簧式雙叉臂減震移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

扭簧式雙叉臂移動(dòng)減震移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)原理如下頁(yè)圖2 所示，底盤(pán)上設(shè)計(jì)有短連桿鉸接座及長(zhǎng)連桿鉸接座，分別通過(guò)短連桿與長(zhǎng)連桿與驅(qū)動(dòng)輪連接；其中在長(zhǎng)連桿鉸接座上安裝有扭簧，扭簧固定臂與底盤(pán)固定連接，施力臂則按壓在長(zhǎng)連桿上。扭簧具有一定的初始扭力，當(dāng)越障或爬坡時(shí)導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時(shí)，可以保證驅(qū)動(dòng)輪與地面始終處于緊密接觸狀態(tài)。

3 升降組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降組件結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過(guò)程中升降組件要滿足末端執(zhí)行器較大高度范圍內(nèi)的巡檢要求，且本體高度不能太高。根據(jù)需求，設(shè)計(jì)了基于同步帶驅(qū)動(dòng)的兩級(jí)倍速升降機(jī)構(gòu)，其中云臺(tái)等檢測(cè)裝置布置于云臺(tái)安裝座中。

該結(jié)構(gòu)的工作原理為從動(dòng)立柱與固定立柱之間通過(guò)直線導(dǎo)軌滑塊進(jìn)行連接，且從動(dòng)立柱可以沿著固定立柱上下運(yùn)動(dòng)；從動(dòng)立柱上端設(shè)計(jì)有同步帶輪，提升同步帶一端安裝與固定立柱上，一端與云臺(tái)安裝座連接，云臺(tái)安裝座與從動(dòng)立柱之間同樣通過(guò)直線導(dǎo)軌滑塊連接。當(dāng)從動(dòng)立柱上升時(shí)，提升同步帶也會(huì)拉動(dòng)云臺(tái)安裝座上升，從而實(shí)現(xiàn)云臺(tái)等檢測(cè)裝置上下高度范圍內(nèi)的巡檢工作。

4 室內(nèi)輪式升降巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人對(duì)傳感器信號(hào)采集、移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制、升降組件運(yùn)動(dòng)控制，設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人整體的控制架構(gòu)如圖3 所示。系統(tǒng)選用仙知SRC 系列控制器作為機(jī)器人主控制器，自研核心主板進(jìn)行各個(gè)模塊的交互與控制，從而實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的自主導(dǎo)航與任務(wù)巡檢工作。

5 室內(nèi)輪式升降巡檢機(jī)器人工程樣機(jī)驗(yàn)證

依據(jù)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)進(jìn)行室內(nèi)輪式升降巡檢機(jī)器人工程樣機(jī)的生產(chǎn)制作，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行裝配調(diào)試，并依據(jù)巡檢過(guò)程中的工況進(jìn)行相關(guān)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，機(jī)器人升降機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)較大高度范圍內(nèi)的巡檢工作，同時(shí)機(jī)器人自主導(dǎo)航、數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)回傳等系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，較好地實(shí)現(xiàn)了巡檢功能。

6 結(jié)論

針對(duì)電力機(jī)房、服務(wù)器數(shù)據(jù)機(jī)房較大高度范圍內(nèi)巡檢的的特殊要求，設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)輪式升降巡檢機(jī)器人。分析了機(jī)器人的工作需求，設(shè)計(jì)了基于扭簧減震的移動(dòng)平臺(tái)以及基于動(dòng)—定滑輪組結(jié)構(gòu)形式的升降組件，該機(jī)構(gòu)減少了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量，大大簡(jiǎn)化了機(jī)器人的控制。最后研制了室內(nèi)輪式升降巡檢機(jī)器人樣機(jī)，研制了升降機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的合理性、穩(wěn)定性。該機(jī)器人控制簡(jiǎn)單，成本低廉，在電力機(jī)房、服務(wù)器數(shù)據(jù)機(jī)房的巡檢工作中具有較高的應(yīng)用價(jià)值。