高压线巡检机器人的研究

【摘要】： 高压输电线路的巡检是一项劳动强度大、涉及面广的作业任务。迄今为止,国内外主要依靠巡检人员携带各种检测设备沿线执行检测任务,效率低、成本高、误检漏检率大,因此,高压线巡检的自动化亟待解决。高压线巡检机器人属于具有广泛应用前景的特种机器人,旨在为高压输电线路的检测提供一套机器人作业系统,代替检测人员对线路进行检测和维护,从而减轻巡检作业的劳动强度,降低检测成本,提高检测质量和效率,改善检测作业的安全性,从而提高线路的管理和维护水平。当前国内外对巡检机器人的研究尚未成熟,还有很多关键技术尚待解决,特别是国内的研究起步较晚,目前仍处于试验研究阶段,与实际应用还存在一定距离,且现有研究成果仅能完成单个塔间档距段线路的巡检,作业范围有限。本文的研究目的是研制出适应线路作业环境、可在多个档距段作业的巡检机器人,从而实现整个输电线路上真正意义的自动巡检。 本文讨论了当前国内外巡检机器人的研究现状;深入分析了高压输电线路的环境特点和巡检机器人研发过程中存在的技术难点;设计了一种双臂形式的巡检机器人本体机构,该机器人本体由轮爪机构、手臂机构、导轨支架机构和控制箱组成,具有沿线移动和越障作业等多个功能,在遇到线上附属设备时,可模仿猴子的仿生动作实现跨越;设计了巡检机器人本体控制系统和远程控制系统,基于嵌入式计算机的机器人控制系统安装在巡检机器人本体的控制箱中,控制机器人完成线上作业的任务,远程控制系统安装在以便携式电脑为主体的地面基站上,地面操作人员可利用无线通讯装置监控巡检机器人的运行状态,并能根据实际作业的需要对巡检机器人进行远程操作;采用图像检测法,巡检机器人携带检测设备沿线移动,收集相关检测信息,使检测人员能据此判断线路的情况。 巡检机器人的本体结构是巡检机器人研究的重要内容之一。所设计的巡检机器人以高压线的地线为作业路径,采用多关节双机械臂+缆车的结构,机器人本体通过手臂末端的轮爪机构悬挂在线路上,可根据线路的情况,选择滚轮滚动方式或爬行方式等实现沿线移动,而遇到障碍物时,又可通过双臂的交替运动跨越障碍物,继续行进;本体结构的另一特点是采用了双臂同侧悬挂的设计方案,因此在作业时可将机器人悬挂在线路外侧,减少了塔架等线上附属设备对机器人线上作业的干扰。本文所设计的巡检机器人本体结构简单、易于操作和控制,对线路作业环境具有良好的适应能力。 针对典型的线上作业任务,讨论了作业方式和作业步骤,并结合虚拟样机技术,进行了运动学分析。分析结果表明,针对具体的作业任务,巡检机器人可采用基本动作组合的运动方式完成,结果验证了巡检机器人本体设计的合理性,也为线上作业的规划提供了帮助。在此基础上,还对涉及巡检机器人作业安全性的线上移动、姿态平衡等关键技术进行了讨论。 巡检机器人的动力学建模是分析机器人线上作业动力学特性的理论基础。本文利用Hamilton原理和有限元法建立了线路的动力学方程;利用Newton-Euler法建立了机器人的动力学方程;建立了线路与巡检机器人刚柔耦合的动力学关系。结合具体工况,分析讨论了线路的柔性特性对巡检机器人滚轮滚动式移动、爬行式移动、越障作业、作业臂定位运动的影响以及风载荷对巡检机器人线上作业的影响,并用Matlab软件进行了仿真,给出了计算结果。 控制系统的设计是巡检机器人研究的另一项重要内容。控制系统主要控制巡检机器人执行线上作业的任务,应满足稳定性好、可靠性强、易于操作和维护的要求。控制系统主要采用机器人本体控制系统和远程控制系统两层结构,本体控制系统主要完成机器人作业环境的感知、运动控制、姿态控制、作业规划等任务;远程控制系统主要完成状态监控、检测信息收集等工作。对具体的作业任务,一般利用本体控制系统进行自主作业,也可利用远程控制系统由操作人员进行遥操作。 实验结果表明,该巡检机器人在移动能力、越障能力上都显示出良好的性能,采用的检测方法取得了预期的效果,整个机器人系统的性能达到了电力系统相关部门的设计要求,对线路作业环境表现出良好的适应性,体现出较好的实用性和市场应用前景。