丁一辛 秦浩 金甲杰 張永梅 王春輝

摘 要：由于高壓線路地處偏遠地區(qū)，日常巡檢維護并不完善，一旦出現(xiàn)問題，可能會對高壓線路造成巨大的損失。為有效提高高壓線路巡檢時工作效率問題，對懸軌巡檢機器人在高壓輸電線路曲線段的運動機理進行深入研究分析，同時采用歐拉分析法構(gòu)建巡檢機器人運動組件的動力學建模，針對高壓線巡檢機器人的工作狀態(tài)進行了研究。結(jié)果表明，所提出的懸掛軌道式機器人在平直狀態(tài)下的震動最少，在攀爬狀態(tài)下的震動最大，總體上工作平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對高壓輸電的高效巡檢。同時巡檢機器人在高壓線路工作時的越障能力及穩(wěn)定性較好。研究結(jié)果對懸掛軌道巡檢機器人的研制具有指導意義。

關鍵詞：懸掛軌道式；巡檢機器人；移動結(jié)構(gòu) ；動態(tài)特性；隧道環(huán)境

中圖分類號：TM743；TP39

文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）04-0192-05

Dynamic characteristic analysis and working condition experiment of intelligent control suspension connection patrol inspection system

DING Yixin1，QIN Hao1，JIN Jiajie1，ZHANG Yongmei2，WANG Chunhui3

（1.State Grid Anhui Electric Power Co.，LTD.，Hefei 230002，China;

2.Information and Communication Branch of State Grid Anhui Electric Power Co.，LTD.，Hefei 230061，China;

3.NARI Information and Communication Technology Co.，LTD.，Nanjing 210003，China）

Abstract：As the high-voltage line is located in a remoted area，the routine inspection and maintenance are not perfect，once there is a problem，it may cause huge losses to the high-voltage line.In order to effectively improve the work efficiency of the inspection of high voltage transmission lines，the movement mechanism of the suspension rail inspection robot in the curve section of the high voltage transmission line was carried out，and in-depth research and analysis were applied.At the same time，the Euler analysis method was used to build the dynamic model of the inspection robots motion components.The working state of the high voltage line inspection robot was experimentally studied.The test results showed that the proposed suspension track robot had the least vibration in the straight state，the largest vibration in the climbing state，and generally worked smoothly，and could achieve efficient inspection of high voltage transmission.At the same time，the inspection robot had good obstacle surmounting ability and stability when working on high voltage lines.The research results can provide guidance for the development of the suspension track inspection robot，and can further improve the safety of high-voltage lines.

Key words：hanging track type;inspection robot;mobile structure;dynamic characteristics;tunnel environment

近年來，隨著我國用電需求量不斷增大，高壓線路巡檢的工作環(huán)境存在的安全隱患，且部分高壓線路地處偏遠，巡檢工作難度極大，因此進一步推動了人工智能技術(shù)和機械人技術(shù)發(fā)展，目前巡檢機械人在高壓線路的應用越來越廣泛［1］。其中軌道式巡檢機器人是高壓線路應用最為廣泛的一種［2］。因此，對懸掛軌道式智能巡檢機器人進行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外研究人員對高壓線路懸掛軌道式巡檢機器人進行了大量研究，并取得了許多成果：介紹了一種巡線機器人的設計方法，并對各個模塊進行了具體的設計。針對多個輪子的運動特性，對多個輪子的運動特性進行了分析，并對其運動特性進行了研究。在此基礎上，采用試驗方法，研究了該機構(gòu)在不同安裝方式下的運動穩(wěn)定性［3-5］。提出了一種 GIL智能巡檢機器人系統(tǒng)，其集成了視頻監(jiān)控、儀器數(shù)據(jù)讀取、紅外熱圖像溫度測量、局部放電巡檢和定位以及環(huán)境巡檢等功能。經(jīng)檢測，各項技術(shù)參數(shù)達到了蘇通集團 GIL公司的每日檢驗標準［6］。本系統(tǒng)對其他GIL工程也有一定的借鑒意義，具有很好的推廣與應用價值。但是，這些巡邏機器人存在著一定的局限性，其適應能力還需要進一步提升，為懸軌智能巡檢機器人的研制奠定了基礎?；诖?，針對高壓線巡檢機器人，采用歐拉理論，對其各曲線部分的運動特征進行分析，并對其運動部分進行建模。采用試驗方法，對不同工作狀態(tài)下的智能巡檢機器人進行振動特性研究。

1 智能系統(tǒng)的建模及分析

1.1 系統(tǒng)激勵分析

柔性輪軌傳輸方法用于機器人檢查高壓線路破損及清理線路雜物的過程。通常情況下，激勵不同產(chǎn)生的震動不同，文中僅考慮傳動誤差和嚙合剛度激勵引起的振動。

傳遞誤差可由理論值和實測值等表示。為了簡化計算，采用齒輪齒條傳動替代齒輪齒軌傳動，如式（1）［9］。

e（t）=e0+ersin（ωt+φ）（1）

式中：e0、er分別為齒輪嚙合過程的平均誤差和幅值誤差。根據(jù)GB/T10095.1 ～ 2—2008，得到e0=0，er=11μm，文中傳動設計相對簡單，電機驅(qū)動軸將扭矩傳遞給齒輪［10］。傳動誤差近似為齒輪的極限偏差。ω=v/r，其中，齒輪半徑r=46.5 mm、v=1m/s，代入ω=21.51rad/s；機械角φ=0。

嚙合剛度是齒輪嚙合時抵抗變形的能力，即引起單位位移所需的力，如式（2）所示［11］。

k=∑ni=1Fj/δpi+δgi（2）

式中：k、n分別為齒輪軌的嚙合剛度和對數(shù)（通常n取1或2）［12］；Fj為輪軌傳動過程中的嚙合力；δpi、δgi分別為驅(qū)動齒輪和固定齒條的變形量。

根據(jù)法國學者Velex提出的嚙合剛度計算方法。極短長度處的嚙合剛度值相等，根據(jù)ISO 6336公式，計算齒輪齒條平均嚙合剛度k0，如式（3）所示［13］。

k0=cosβ0.8q（3）

式中：β為螺旋角（文中為正齒輪），其中cosβ值為1；q為柔度系數(shù)。經(jīng)計算解得14.40 ，N/（mm·m）。

1.2 建立動力學數(shù)據(jù)模型

對行走部件在高壓線路的振動特性進行了分析和計算，做了如下說明簡化計算。

（1）旋轉(zhuǎn)輪被認為是質(zhì)量、彈簧和阻尼系統(tǒng)［14］。（2）轉(zhuǎn)輪輪外表面的材料按橡膠計算。（3）忽略重力勢能。通過對高壓線路斜坡的行走部分進行動態(tài)分析來計算巡檢機器人在高壓線路爬坡時的振動［15-18］?；谝陨霞僭O，建立巡檢行走部的動力學模型，在對行走部的巡檢過程中，通過轉(zhuǎn)輪在上、側(cè)、下3個方向包圍在軌道上，限制了行走部分的偏差。減少了行走部分的振動，運行平穩(wěn)。

2 工況震動實驗

2.1 直行軌道直行時震動實驗

巡檢軌跡為一條直線長度約800 mm的高壓線路，直線高壓線路巡檢最大速度可達1 m/s。MyRIO中的三向振蕩傳感器在移動單元啟動巡檢時，將三向振蕩信號采集到三向振蕩信號，并與主機進行通訊。Cumrapz功能，可用來手工輸入 Excel表格，用于對離散的數(shù)據(jù)進行階梯積分，得到機器人在高壓線路的線性振動圖［19］，具體如圖1所示。

振動加速度、振動速度和振動位移是高壓線路巡檢機器人振動的重要參數(shù)，其中振動位移可以表征巡檢機器人在高壓線路的穩(wěn)定性，且機器人穩(wěn)定性越高，高壓線路巡檢工作越順利，可以有效提高高壓線路巡檢效率［20］。

從圖1 （a）的a3可以看出，沿著x軸的振蕩分布被看作是具有0.4 mm幅度的一個正弦形的功能。從圖1（b）的 b3可以看出，沿著 y軸線的振動分布被看作具有0.3 mm的幅度的一個正弦函數(shù)。2個方位的震動很小，幾乎可以忽視。實驗證明，當巡檢機構(gòu)以1 m/s的速率在高壓線上作線性行走時，其震動偏移很少，工作平穩(wěn)，不會對探測設備的探測效果產(chǎn)生任何的影響。

2.2 爬坡時震動實驗

巡檢機器人在高壓線路巡檢時，震動會影響巡檢機器人的工穩(wěn)定性。巡檢機器人在高壓線路爬坡時的震動分析同直線相同。對實驗數(shù)據(jù)進行濾波后，進行振動分析。巡檢機器人以1 m/s的速度爬30°坡時，行走部的振動圖如圖2所示。

從圖2（a）的a3可以看出，在機器人沿高壓線路上坡時，沿著x軸的振動曲線被認為是具有0.9 mm的幅值的 sin函數(shù)；從圖2（b）的b3可以看出，沿著y軸方的振動曲線被認為是具有0.8 mm的幅值的 sin函數(shù)；

該方法利用巡檢機器人在上升過程中的加速度來判斷巡檢中的 z軸位置。在攀爬時，步行段受力的方向發(fā)生了變化，從而引起了與 y軸相同的加速度的變化。因而，沿線性高壓線的傳送部分的運動方向是 y軸。在以1 m/s的速率向上攀爬時，步行段的振動位移量很小，移動平穩(wěn)。

2.3 下坡時震動實驗

巡檢機器人在高壓線路的下坡振動分析與前面相同，數(shù)據(jù)濾波后進行振動分析。當巡檢機器人從30°高壓線路上以1 m/s的速度下降時，震動圖如圖3所示。

從圖3（a）的a3可以看出，沿著x軸的振蕩曲線被看作具有0.8 mm的幅值的 Synthetic函數(shù)，并且沿著 y軸的振蕩曲線被看作具有1 mm的幅值的 Synthetic函數(shù)；在運行過程中，巡檢機器人沿著高壓電線下行時，其移動部分的振動位移值比上行部分的振動位移值要小。這是由于在選用電動機時，由上向下的電動機比由下向上的電動機更能給出更大的驅(qū)動力，從而使由上向上引起的振動位移比由下向上引起的振動更大。在y方向上，最大值為1 mm，說明在1 m/s的速度下行時，其位移很小，很穩(wěn)定。

2.4 過彎時震動實驗

過彎震動實驗也是先對實驗中獲得的數(shù)據(jù)進行濾波，然后進行振動分析。當巡檢機器人以1 m/s的速度過高壓線路轉(zhuǎn)彎時，震動圖如圖4所示。

從圖4（a）的a3可以看出，沿著x軸的振蕩被認為是一個具有0.5 mm幅度的正弦波。從圖4（b）的b3可以看出，沿著 y軸線的振動被看作具有

0.5 mm的幅度的一個正弦曲線。在轉(zhuǎn)向過程中，步行部分的振幅大于直線部分，而在轉(zhuǎn)向過程中，步行部分的振幅大于上、下2個方向。這是由于地心引力的影響只發(fā)生在上、下的角度，只有在左、右轉(zhuǎn)動時才會發(fā)生變化。增加摩擦，即巡檢機器人在高壓線路轉(zhuǎn)彎時產(chǎn)生的激勵小于上、下斜坡行駛，大于直線行駛。 x軸方向和y軸方向上的最大振動位移為0.5 mm，這表明當行走部以1 m/s的速度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時，振動位移小且運行穩(wěn)定。

3 仿真實驗結(jié)果分析

為了研究仿真巡檢機器人的運動性能和障礙克服能力，在給定約束和外力條件下，通過建立該巡檢機器人系統(tǒng)的運動學和動力學模型，進行了虛擬模型仿真分析。巡檢機器人在高壓線路實際工作時會涉及碰撞、變形和摩擦。因此采用機械系統(tǒng)自動動態(tài)分析（ADAMS）模擬了機器人在高壓線路上的爬升狀態(tài)和障礙克服過程，記錄并分析了機器人的速度、位移。設定高壓線路障礙物高度為20 mm。

3.1 巡檢機器人越障速度與位移變化

在高壓線路檢修時，經(jīng)常會遇到各種障礙，因此研究機器人在跨越障礙時的速度與位移，可進一步研究巡檢機器人在工作時的穩(wěn)定性。巡檢機器人在克服障礙過程中的速度和位移曲線如圖5所示。

從圖5可以看出，在1.8～4.6 s時，巡檢機器人前輪克服障礙；在6.3～8.9 s時，巡檢機器人后輪克服了障礙。當巡檢機器人前輪在1.8 s遇到障礙物時，其小V形輪卡住，機器人速度從72.5 mm/s迅速下降;然后前輪旋轉(zhuǎn)以克服障礙物，機器人速度約為50 mm/s。最后，機器人速度在完全克服障礙物后恢復到初始值。在6.3 s時，后輪開始克服障礙，機器人速度比以前更穩(wěn)定。在整個障礙克服過程中，機器人的前向位移略有波動。

3.2 巡檢機器人扭矩變化

圖6為在進行高壓電線的巡視過程中，巡檢機器人前后車輪扭矩的改變情況。

從圖6可以看出，在巡檢機器人從高壓電線上離開時，前部和后部的驅(qū)動扭矩都是最大的，而后輪的最大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩是2.53 N·m，前輪的最大的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩是3.2 N·m；從曲線上可以看出，前、后2個車輪的傳動扭矩均隨時間的增加而增加的，并且從曲線上可以看出，后2個車輪的傳動扭矩增長率都要高于前2個車輪的傳動扭矩；在260 s的模擬時，前、后2個車輪的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩都有最大值，即分別為4.36、4.05 N·m。同時，前、后2個車輪的驅(qū)動力都很低，這也證明了該巡檢機器人在高壓線路巡檢時具有較好的穩(wěn)定性。從以上的模擬結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)在無障礙物的條件下，能夠平穩(wěn)地運行，不會出現(xiàn)跳躍和大幅度的振蕩現(xiàn)象。

3.3 巡檢機器人越障質(zhì)心變化

在針對高壓線路上防震錘的越障模擬中，巡檢機器人整體質(zhì)心的變化情況如圖7所示。

從圖7可以看出，巡檢機器人的質(zhì)心在x軸上是不會變化的，這意味著巡檢機器人在電纜的軸向上是均勻的，所以不會出現(xiàn)在高壓電線的軸線上向左和向右擺動的情況。而在 y軸方向上，巡檢機器人在y軸方向上表現(xiàn)出有規(guī)律的改變，在2～10 s、13～21 s期間，機器人的整個質(zhì)心垂直向下的改變，這是因為在這個時段中，機器人的攀爬臂向下運動離開了高壓電線；在z軸方向（機器人的向前方向），隨著時間的增長，質(zhì)心會出現(xiàn)一種穩(wěn)定的臺階式的增長，而這種增長質(zhì)心的改變則表明巡檢機器人越障能力較好，因此在越障時，其穩(wěn)定性也會比較好。

4 結(jié)語

針對巡檢機器人在不同彎度的高壓電線上的運動機理進行了分析，采用試驗方法，對懸軌智能巡線機器人在各種工作狀態(tài)下的振動狀況進行了分析。試驗證明，在對高壓輸電線路進行巡檢時，所設計的機器人具有很低的震動，工作平穩(wěn)的特點，對電網(wǎng)巡檢設備的巡檢工作沒有產(chǎn)生任何影響。考慮到現(xiàn)有的試驗條件及數(shù)據(jù)量，懸軌智能巡邏機器人的相關研究尚屬初級階段。下一步的工作將集中于對巡邏機器人的不斷改進與完善。

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