架空输电线路巡线机器人越障分析及运动学仿真

架空输电线路巡线机器人越障分析及运动学仿真
刘国平;俞振东;缪航;秦科技
【摘要】A new type of three-arm inspection robot was developed based on the problems,such as complex mechanism,difficulty in identifying and crossing obstacles.Additional weight that can be moved was designed,and the stability can be improved by adjusting the counterweight when running.The slider-crank mechanism was adopted to solve the synchronization problem of the swing of the front and back arms.A new identifying and crossing obstacles way was proposed.In this paper,the joint coordinate system and parameters of the inspection robot were established by D-H method,and the process of crossing obstacles was simulated under MATLAB environment.Through the simulation,the joint motion curve and the motion curve of the end of the obstacle arm were obtained,and the rationality of the parameter design was verified.%基于目前巡线机器人普遍存在的机构复杂、识障难、越障难等问题,研制了一种新型的三臂巡线机器人.设计了移动型配重,巡线机器人在运行的过程中通过实时调节配重位置提高了巡线机器人的稳定性.采用曲柄滑块机构,解决了前后臂摆动的同步性问题.提出了一种新的识障、越障方式.通过应用D-H法建立了巡线机器人关节坐标系和杆件参数,并在MATLAB环境下对巡线机器人的越障过程进行了仿真建模.通过仿真得到了机器人各关节和越障臂末端在越障过程中的运动参数曲线,验证了巡线机器人各连杆的参数设计的合理性.
【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》
【年(卷),期】2017(039)001
【总页数】7页(P66-72)
【关键词】巡线机器人;移动型配重;曲柄滑块机构;越障;仿真
【作者】刘国平;俞振东;缪航;秦科技
【作者单位】南昌大学机电工程学院,江西南昌 330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌 330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌 330031;南昌大学机电工程学院,江西南昌 330031
【正文语种】中文
【中图分类】TH122
为了保证高压输电线路安全，需要定期进行线路巡检。

目前，机器人线路巡检正在成为国内外不少研究机构的研究热点。

加拿大研制了巡检机器人“LineScoun”[1]，具备一定的越障能力，可跨越防振锤、绝缘子，但不能跨越耐张杆塔，无法识别障碍。

日本Debenest等人专为高压多分裂导线研制出了机器人“Expliner”[2]，可以跨越直线杆塔和间隔棒,但机器人没法在4分裂引流线上越障行走。

吴功平等[3-5]于2002年以国家863计划课题“220 kV沿相线巡线机器人”针对巡线机器人开始研制，在自动化控制、智能导航、障碍识别、在线取电技术方面有一定的技术积累并处于国内领先水平，不过也是基于线路改装来完成。

中国科学院沈阳自动化研究所[6-7]针对500 kV避雷线进行了巡线机器人的研制并与锦州超高压局合作完成了超高压实际环境下的巡检试验，但因其没有越障能力，不能被广泛使用。

基于目前巡线机器人普遍存在的机构复杂、识障难、越障难等问题，笔者所在的课题组以九江220 kV柘叶I线的环境背景下进行研究，对障碍尺寸以及线路类型分析之后，研制了一种新型三臂巡线机器人。

对巡线机器人的越障过程进行了分析和运动学仿真，得出了各关节的位移、速度、加速度曲线并进行了分析。

最终制作出试验样机并通过实验的方法对机器人设计的合理性进行验证。

巡线机器人在整个巡检过程中，能通过输电线路上的障碍物并且稳定安全运行，输电线路上主要的障碍物有压接管、悬垂线夹、防震锤、耐张线夹、引流线等。

本课题组设计的巡线机器人采用三臂式曲柄滑块机构，该机器人由前臂、中臂、后臂、伸缩机构、配重块以及机架构成。

前臂和后臂分别通过连杆与中臂连接且均比中臂长，中臂通过丝杠具有移动副，前臂和后臂的末端为2个旋转副，通过中臂
的左右移动可带动前臂和后臂的转动，从而改变前轮和后轮相对于中臂的高度,如
图1[8]所示。

可以跨越防震锤、悬垂线夹以及直线式的耐张线夹，结构简单，操
作方便。

行走时三臂同时在线上，越障时三臂依次在线上通过障碍物。

所有的越障过程都可分为3步，这里以巡线机器人过防震锤为例进行说明。

第1步:巡线机器人行驶直到前臂的传感器检测到障碍。

首先，中臂向右运动带动
前后臂同时向右摆动直到前臂的姿态传感器检测到前臂相对水平面成90°，前臂脱离地线。

其次，配重电气箱向后臂移动，使巡线机器人快速稳定。

最后，巡线机器人前臂夹具打开，直线行走越过障碍物，如图2所示。

第2步：巡线机器人行走直到中间臂传感器检测到障碍。

首先，中臂向左运动带
动前后臂同时向左摆动，利用前后臂与地线之间的相互作用力使机器人车身整体向上抬升从而使中间臂脱离地线。

然后，巡线机器人中间臂夹具打开，直线行走越过障碍物，如图3所示。

第3步：巡线机器人行走直到后臂传感器检测到障碍巡线机器人。

开始后臂越障，由于后臂跨障方式与前臂跨障方式相同，这里就不再叙述。

通过对巡线机器人越障过程的分析可知本课题组设计的巡线机器人有以下3方面
的优点：
1) 设计了移动型配重，巡线机器人可以实时调节自身重心，增加了巡线机器人系
统的稳定性。

当出现图2(b)的位置时巡线机器人重心在中间臂位置，此时必然会
出现车身绕中间臂前后晃动的情况，通过调节重心可以快速的使巡线机器人恢复稳定，同时增加了越障臂末端相对地线的距离提高了越障的冗余性。

2) 由于巡线机器人采用了曲柄滑块机构，通过中间臂的左右移动来带动前后臂的
左右摆动，这样不仅减少了动力源、降低了能耗，而且解决了前后臂控制不同步问题。

3) 由于本文中设计的新型三臂巡线机器人对于不同障碍物都采用同一种方式跨障，所以无需识别障碍类型。

基于这一特性我们提出了：只需机器人识别前方有障碍，而不识别前方是什么障碍的越障方式。

这样就降低了对障碍物的识别要求，并且通过大量的户外实验证明此种方法稳定可靠。

以中间臂为基础坐标系进行D-H建模(见图4)。

以后臂为基础坐标系进行D-H建模(见图5)。

根据D-H坐标系建立连杆i对连杆(i-1)相对位置的齐次变换矩此关系式为：
展开式(1)可得：
由D-H模型可知巡线机器人各连杆之间有齐次变换矩所以巡线机器人的运动学方
程可以描述成：
将表1中连杆参数代入式(2)、式(3)中，得到越障时前臂末端相对于基础坐标系中的位可表示成：
通过Matlab可以计算出：
nx=cos(θ1+θ3) ny=sin(θ1+θ2)
nz=0
ox=-sin(θ1+θ3) oy=cos(θ1+θ3)
oz=0
ax=0 ay=0
az=0
px=350cos(θ1+θ3)-310cos(θ1)+d2sin(θ1)
py=350sin(θ1+θ3)-310sin(θ1)+d2cos(θ1)
pz=0
将表2中连杆参数代入式(2)、式(3)中，得到越障时中间臂末端相对于基础坐标系中的位可表示成如下：
通过Matlab可以计算出：
nx=cos(θ1+θ2) ny=sin(θ1+θ2)
nz=0
ox=0 oy=0
oz=1
ax=sin(θ1+θ2) ay=-cos(θ1+θ2)
az=0
px=350cos(θ1)-310cos(θ1+θ2)+d3sin(θ1+θ2)
py=350sin(θ1)-310sin(θ1+θ2)-d3cos(θ1+θ2)
pz=0
根据图6所示流程图对运动学模型进行验证，通过比较运动学方程计算的结果是否与Robotics Toolbox求得的结果相同。

对各关节变量进行赋值：d1=0.076 8，d2=520，θ3=0.523 3；代入式(4)得出前臂末端相对于基础坐标系中的位姿为：nx=0.997 1，ny=0.076 7，nz=0；ox=-0.076 7，oy=0.099 71，oz=0；αx=0，ay=0，az=0；px=79.778 8，py=-
515.398 2，pz=0。

在Matlab中，利用Robotics Toolbox进行计算，求出位姿矩阵
比较可得利用Robotics Toolbox求得的结果与正运动学方程的解一致，可以证明运动学模型正确。

对各关节变量进行赋值：
θ1=-π/12,θ2=π/12,d3=460;代入式(5)得出前臂末端相对于基础坐标系中的位姿为：nx=1，ny=0，nz=0；ox=0，oy=0，oz=1；ax=0，ay=-1，az=0，
px=28.074 0，py=-550.586 7，pz=0。

在Matlab中，利用Robotics Toolbox 进行计算，求出位姿矩阵
比较可得利用Robotics Toolbox求得的结果与正运动学方程的解一致，可以证明运动学模型正确。

巡线机器人前臂越障时初始位置的关节变量为q0=[0 595 0.488 4]，终止位置的
关节变量为qz=[0.078 6 5 200]此时前臂末端相对地线的高度为最大值，由于地
线不是刚性的在障碍物两端会有一定的弧垂，所以越障时越障臂末端相对地线的高度越大，机器人越障的冗余性越强。

利用Robotics Toolbox中的jtraj()函数构建由初始位置到终止位置的运动轨迹和用plot()函数生成巡线机器人各个关节的位移、速度、加速度如图7～图9所示。

已知巡线机器人中间臂跨障时初始位置的关节变量为q0=[0 0 520]，终止位置的
关节变量为qz=[-pi/6 pi/6 400]此时中臂末端相对地线的高度为最大值。

利用Robotics Toolbox生成的仿真曲线如图10～图12所示。

由运动学仿真结果可知：巡线机器人前臂和中间臂越障过程中各个关节均运行平稳，曲线连续且平滑不存在奇异点，说明关节之间既无刚性冲击又无柔性冲击，满足机器人的控制要求，巡线机器人各连杆的参数设计合理。

巡线机器人在图2(a)状态
时关节参数为[0,520,0]利用运动学方程可以求出前臂末端的ox1=40 mm(末端相
对地线的距离)，巡线机器人在图2(b)状态时的关节参数[0.0768,520,0]利用运动学方程求出前臂末端的ox2=79.779，比较可知前臂末端相对地线的距离增加了Δox=39.779。

证明了通过移动配重提高了巡线机器人越障的冗余性。

本文对设计的新型巡线机器人跨障过程进行了分析，运用D-H坐标系理论研究了巡线机器人前臂和中间臂越障时的运动学问题，首先，建立了巡线机器人的运动学模型，其次利用Matlab和Robotics Toolbox进行实例计算验证了D-H模型的正确性。

最后运用Robotics Toolbox对巡线机器人的越障过程进行运动学仿真，得到了各关节在越障过程中的运动参数曲线。

仿真结果表明：巡线机器人各连杆的参数设计合理，也为进一步研究巡线机器人的动力学问题和轨迹规划奠定了基础。