输电线路巡检机器人越障方法的研究与实现

输电线路巡检机器人越障方法的研究与实现

任志斌;阮毅

【摘要】机器人在线巡检时需要跨越各种障碍物.针对220 kV架空输电线路的结构特点,采用双臂同侧伸缩式结构,实现了巡检机器人沿线行走及跨越障碍的功能;针对越障的实际问题,分析了越障过程的难点:障碍物的辨识与手臂上线定位、姿态角调节问题.根据传感器的输出,经过特定的算法,即可判断线路相对于机器人的空间位姿及能保证机器人车体保持水平姿态.实验及实际运行结果表明:该机器人可沿线行走并自主跨越障碍,从而验证了系统设计的有效性与合理性.%Robot for inspecting the power transmission lines must crawl along the line and plan its behaviors to negotiate obstacles in various shapes. The robot, deliberately designed as both hanging-arms on the same side, was developed for inspecting the 220 kV transmission lines. The problems of obstacle localization, arm positioning, and attitude adjustment were studied. The position and direction of the robot could be calculated and the horizon of its body be kept by some specific algorithms according to sensors' outputs. The experimental results showed that the robot could travel along the wires, and navigate obstacles autonomously, and proved that the system design was valid.

【期刊名称】《中北大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2011(032)003

【总页数】6页(P280-285)

【关键词】巡检机器人;自主越障;定位;质心调节

【作者】任志斌;阮毅

【作者单位】江西理工大学机电工程学院,江西赣州341000;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072

【正文语种】中文

【中图分类】TP24

0 引言

电力线及杆塔附件长期暴露在野外,电力公司要定期对线路设备巡检,及时发现早期损伤和缺陷并加以评估,然后根据缺陷的轻重缓急,以合理的费用和正确的优先顺序,安排必要的维护和修复,从而确保供电可靠性.目前,对输电导线进行巡检的方法主要有两种：①地面目测法：采用肉眼或望远镜对辖区内的电力线进行观测.由于输电线路分布点多面广、地理条件复杂,巡线工人需要翻山越岭、涉水过河、徒步或驱车巡检.这种方法劳动强度大,工作效率和探测精度低,可靠性差;②航测法：直升飞机巡线,直升飞机沿输电线路飞行,工作人员用肉眼或机载摄像设备观测和记录沿线异常点的情况.这种方法尽管距离接近,提高了探测效率和精度,但电力线从观察者或摄录设备的视野中快速通过,增加了技术难度,运行费用较高[1-3].因此,开发一种可以替代或部分替代巡检工人进行巡检作业的机器人一直是国内外研究领域的热点.

1 巡线机器人构型

越障过程是巡检机器人完成工作的关键.机器人在越障时应保证机器人动作稳定,在翻越线塔时还要保证与其它构件的安全距离.文献 [1]采用了仿人攀援的弧形手臂越障机构,姿态控制较为复杂,文献 [4]中给出的分体蛇形越障机构不适合跨越直径和

间距较大的障碍.目前采用较多的是轮臂复合结构,文献 [5-7]采用了轮臂复合的机构,机器人通过双臂交叉运动实现实验室的越障过程,但在实际线路中由于障碍物的环境与实验室的有差异,如图 1为塔的实际现场线路,可看出架空线偏向塔的一边.因此,在翻越图 1所示圆圈的障碍时,机器人与线塔金属部件的安全间距太小,会与障碍物发生碰撞.

图1 输电线路现场情况Fig.1 Environment of power transmission line

图2 巡线机器人的构型简图Fig.2 Configuration of inspection robot

针对上述情况,需要改进机器人机构,使其能够跨越输电线路上的所有障碍,完成巡检任务.机器人及 3D构型如图 2和图 3所示,机器人结构采用了双臂同侧悬挂的设计方案,控制箱体的形状采用了“L”形状,在越障时可将机器人悬挂在线路外侧,增大了机器人作业空间.另外,控制箱体里携带了控制模块、电池及检测仪器,并且箱体可以沿滑条移动来调节机器人质心.机器人还包含 AB两只手臂,手臂能分别转动和伸缩,手臂上端有滚轮和夹爪.

机器人机构的导轨支架机构主要由滑轨基座、手臂及控制箱滑条、手臂移动驱动电机、控制箱移动驱动电机组成.滑条分别与手臂和控制箱相连,此外,滑条上附有导轨和齿条,其中导轨与滑轨基座的滑块相配,齿条与滑轨基座的齿轮啮合.滑轨基座上固定三对滑块,此外,还包含三对蜗轮蜗杆副,并与基座上的齿轮相连,由电机驱动,可实现两手臂和电器箱沿着导轨相对移动.

图3 升降臂单侧悬挂式机器人 3D构型Fig.33D model of two arms suspended on the same side of the wire

机器人通过手臂末端的轮爪机构悬挂在线路上,具有沿线移动和越障作业功能.机器人在沿线移动时,根据线路的情况,选择滚轮滚动方式或爬行方式,在遇到障碍物时,可通过双臂的交替运动翻越障碍物,继续行进.

2 机器人控制系统