一种新型输电线巡检机器人设计及仿真

岳经纬 陈悦寒 张兴国 莫亚梅 贯大兴 宋家辉 刘翠萍

摘  要：针对高压输电线路的巡检作业，设计了一种三臂式的可在高压输电线上稳定运行并有效越障的巡线机器人结构，并完成了巡线机器人的虚拟样机。基于ADAMS建立巡线机器人的仿真模型，对该机器人越障过程进行运动学分析，并对压紧轮与输电线之间的压紧力大小进行分析，得到所需的驱动力矩曲线，为该机器人的性能实现提供有力保证。

关键词：高压输电线  巡检机器人  运动学分析  动力学仿真

中图分类号：TP242                             文献标识码：A                  文章编号：1674-098X（2020）09（c）-0058-05

Abstract： In view of the inspection work of high-voltage transmission lines， a three arm inspection robot structure is designed， which can run stably on high-voltage transmission lines and effectively cross obstacles， and the virtual prototype of inspection robot is completed. Based on ADAMS， the simulation model of the line patrol robot is established， the kinematics analysis of the robot's obstacle crossing process is carried out， and the pressing force between the pressing wheel and the transmission line is analyzed， the required driving torque curve is obtained， which provides a strong guarantee for the performance realization of the robot.

Key Words： High voltage transmission line; Inspection robot; Kinematic analysis; Dynamic simulation

由于輸电线长期暴露在郊外，经常受到持续的机械张力、恶劣天气等影响，会产生磨损、腐蚀、断股等损伤。为了避免严重事故的发生，防止造成大面积的停电及经济损失，电力部门需定期巡视检查输电线路，及时发现和消除一些小故障，确保高压输电线路的安全运行。本文针对高压输电线巡检作业的要求，提出了一种可稳定跨越障碍物，进行巡检作业的三臂式巡线机器人。建立这款机器人的虚拟样机和不同坡度的动力学方程，对巡线机器人越障过程进行仿真分析，验证该设计方案的可行性。

1  巡线机器人的结构设计

巡线机器人机械结构是整个系统的基础。因此对巡线机器人机械结构设计的要求为：（a）机器人能在输电线上稳定运行（b）机器人具有一定的爬坡能力（c）机器人可以自主安全地跨越输电线上的障碍物（d）机器人的自由度尽可能少，操作控制方便（e）在给电源、控制器、探测器等足够空间和保证机器人整体机械强度的前提下，机器人体积尽可能小，重量尽可能轻。

基于以上要求，本文设计出的机器人主要由行走机构、越障机构、压紧机构、中间机构、线垂度调节机构和支撑机构等组成，机器人总体结构如图1所示。

机器人整体对称分布，总共有3臂，分别为前臂、中臂和后臂。摄像头安装在前臂上，主要用来检测输电线和观察输电线上的障碍物。机器人行走机构采用轮式机构，电机驱动行走轮在输电线上行走，有两组。越障机构采用螺母在双向丝杠上快速双向移动原理来实现机械手臂错开障碍，完成越障动动作。压紧机构主要用在机器人跨越障碍物时，通过压紧轮与行走轮配合压紧高压输电线，增加行走轮与输电线之间的摩擦力。实现另一端能驱动机器人整体向前运动，避免行走轮在线上出现空转、打滑等情况。当输电线坡度较大时，也需压紧机构压紧输电线，增大行走轮与输电线之间的摩擦力。中间机构为辅助机构，主要用于机器人越障时，稳定机器人重心。线垂度调节机构是为了解决因线路老化、线垂度太大，机械手臂错开避障后，无法再次抓取线路的问题，起预防作用。

2  基于ADAMS的巡线机器人仿真

针对巡线机器人平直路段越障的典型任务——跨越悬垂线夹。运用ADAMS仿真软件对机器人跨越悬垂线夹进行运动学建模及仿真。首先在SolideWorks中对机构、输电线及金具进行数字化建模，保存为.X_T格式。然后导入ADAMS中，在ADAMS中固定输电线和悬垂线夹，对机器人各个关节添加运动副，添加轮子与线之间的接触力，并添加相应的驱动。驱动函数采用STEP函数进行拟合，调试模型，如图2所示。

前行走轮的驱动函数为STEP（time，0，0，2，25d）+STEP（time，10，0，12，-25d）+STEP（time，28，0，30，25d），由此可以得到前行走论的角速度变化曲线如图3所示。

2.1 机器人越障过程运动学分析

对巡线机器人的越障过程进行运动分析，主要是对越障过程中机器人的稳定性进行研究。因此，需查看滚轮质心的位置变化来评估巡线机器人越障过程中是否平稳。前、后行走轮都由两个半轮组成，分别为前主动轮、前从动轮和后主动轮、后从动轮。下面主要分析前行走轮，图4为前行走轮质心X、Y、Z位移分量与时间曲线。实线代表X轴方向位移分量，粗点画线代表Y轴方向位移分量，细点画线代表Z轴方向位移分量。可以看出前行走轮质心在X轴方向上逐渐右移，运行平稳。

2.2 机器人越障过程动力学分析

2.2.1 压紧轮与输电线之间压紧力大小分析

越障过程中，需压紧轮和行走轮配合压紧输电线，其中压紧力不宜过大，也不能太小。下面通过仿真分析巡线机器人在平直路段前臂张开越障时，压紧力的大小对巡线机器人越障运行的影响。同时也能得出平直路段前臂张开越障时，压紧力应设定为多少。

（1）当压紧力F=0时，前主动轮沿输电线方向位移曲线如图5所示。

（2）当压紧力为50N左右时，前主动轮沿输电线方向位移曲线如图6所示。

（3）当压紧力为150N左右时，前主动轮沿输电线方向位移曲线，后主动轮驱动力矩曲线，如图7。

（4）当压紧力为300N左右时，前主动轮沿输电线方向位移曲线，后主动轮驱动力矩曲线，如图8。

从图看出巡线机器人在平直路段前臂張开越障时，压紧轮与输电线之间的压紧力为150N最为适宜，在减少电机驱动力矩的前提下，保证巡线机器人稳定前行。

2.2.2 行走轮驱动力分析

前、后轮在电机的驱动下，带动机器人整体前行。图9为行走轮中主动轮驱动力矩。0～10s时间内，巡线机器人正常运行，从图9中可以看出，前、后主动轮的驱动力矩均值约为300N.mm。12～28s时间内，前行走轮错开避障，前主动轮的驱动力矩为0。在前臂张开越障的瞬间，后行走轮受到的正压力瞬间变大，前行走轮驱动力矩消失但与输电线之间的摩擦力还存在，导致后主动轮的驱动力矩突变至峰值约为1400N.mm。随着机器人运行逐渐趋于平稳，后主动轮的驱动力矩也趋于平稳约为630N.mm。在前臂闭合的瞬间，前行走轮无驱动力矩但与输电线之间产生接触力，导致后主动轮驱动力矩又突变至峰值约为1600N.mm。68～84s时间内，后行走轮错开避障与前行走轮错开避障情况类似。

3  结语

本文设计的机器人采用三臂机构，三个机械臂采用两侧对称分布结构，可以满足平稳上线的要求。前、后臂上安装电机驱动机器人前进与越障，中间臂为辅助臂，起稳定重心的作用。利用机械系统动力学仿真软件ADAMS对巡线机器人进行了越障仿真，模拟机器人实际运动状态，验证了机器人机构设计的合理性。

参考文献

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