越障功能的除冰機(jī)器人設(shè)計(jì)

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1機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

我們?cè)O(shè)計(jì)的輸電線路除冰機(jī)器人采用除冰桿敲擊式除冰,不傷導(dǎo)線,安全有效,采用三手臂通過旋轉(zhuǎn)伸縮動(dòng)作進(jìn)行越障,操作簡(jiǎn)單可行,結(jié)合輔助設(shè)備上下線裝置進(jìn)行上、下線安裝,操作方便。除冰機(jī)器人主要分為機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩部分。機(jī)械系統(tǒng)包括行走裝置、除冰裝置和越障裝置3部分;控制系統(tǒng)包括主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、無線操作模塊和狀態(tài)信息反饋模塊4部分。機(jī)器人通過前、后臂上的滾輪可沿導(dǎo)線行走;在越障時(shí),中間手臂可夾緊導(dǎo)線保證機(jī)器人的穩(wěn)定性和可靠性;前、后臂之間可相對(duì)移動(dòng)調(diào)整間距;前、后臂各有1個(gè)移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)自由度,結(jié)合中間手臂通過動(dòng)作規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)越障;除冰裝置采用3個(gè)除冰桿從上方交替敲擊的方式,以較小的能量消耗達(dá)到除冰的效果。控制系統(tǒng)的主控模塊負(fù)責(zé)接收無線操作模塊發(fā)出的指令,并將新指令傳送給驅(qū)動(dòng)模塊;驅(qū)動(dòng)模塊接收到指令實(shí)時(shí)控制各電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng);無線操作模塊負(fù)責(zé)將工作人員的控制信息直接發(fā)送給主控模塊;狀態(tài)信息反饋模塊負(fù)責(zé)將機(jī)器人各部件的位置狀態(tài)實(shí)時(shí)反饋給主控模塊,為下一步動(dòng)作提供狀態(tài)信息。在實(shí)際操作中,除冰機(jī)器人通過地面遙控和程序自動(dòng)控制相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)作業(yè)。

2機(jī)械系統(tǒng)

2.1行走裝置行走裝置作為機(jī)器人前進(jìn)的動(dòng)力裝置,需要保證機(jī)器人能夠在導(dǎo)線上平穩(wěn)快速前進(jìn)。由于高壓輸電導(dǎo)線結(jié)構(gòu)特殊,機(jī)器人采用滾動(dòng)原理進(jìn)行移動(dòng)。行走裝置主要包括電機(jī)、支撐軸承、行走輪、絲桿、導(dǎo)向桿、夾緊塊、圓錐滾輪、支撐板等。行走裝置與手臂外筒固定連接,行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)器前進(jìn),夾緊電機(jī)驅(qū)動(dòng)夾緊塊夾緊導(dǎo)線。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。機(jī)器人前臂在進(jìn)行越障時(shí),重心會(huì)出現(xiàn)向前偏移,后臂可能向上抬升脫離導(dǎo)線,使機(jī)器人前臂出現(xiàn)一定程度的向下傾斜,可能無法順利越障。后臂越障時(shí),也會(huì)出現(xiàn)同樣的現(xiàn)象。為了避免上述問題的發(fā)生,在行走裝置上增加夾緊機(jī)構(gòu)輔助越障。該機(jī)構(gòu)的夾緊滾輪設(shè)計(jì)為上小下大的圓錐形,可以保證在夾緊導(dǎo)線時(shí)手臂不會(huì)向上抬升脫離導(dǎo)線。

2.2越障裝置據(jù)前述可知,國內(nèi)的除冰機(jī)器人很多都無法越障,大大影響機(jī)器人的實(shí)用性。機(jī)器人能否自主越障已成為除冰機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。本文中我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)器人具有越障裝置,能順利越過絕緣子、線夾、防震錘和直線塔等一般性障礙物。越障裝置包括行走箱、前后旋轉(zhuǎn)伸縮手臂和中間夾緊手臂4個(gè)主要部件,各部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖4~圖6所示。具體越障動(dòng)作規(guī)劃(前臂越絕緣子為例)為:(1)機(jī)器人中間手臂前進(jìn)至極限位置。(2)前后臂同時(shí)收縮,中間臂抬升夾緊導(dǎo)線。(3)前臂升高,行走輪脫離導(dǎo)線。(4)前臂旋轉(zhuǎn)180°,行走輪等偏離導(dǎo)線。(5)行走箱錯(cuò)動(dòng),前臂前進(jìn)至障礙物另一側(cè)。(6)前臂旋轉(zhuǎn)180°,行走輪位于導(dǎo)線上方。(7)前臂收縮,行走輪等回落至導(dǎo)線上。此時(shí)前臂成功越障。后臂越障動(dòng)作規(guī)劃與前臂基本一致。

2.3除冰裝置目前,國內(nèi)可采用的機(jī)械除冰方式有敲擊、沖擊、銑削、切削、鏟刮、振動(dòng)等[1]33-34。本團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了敲擊、銑削和切削3種方式的除冰實(shí)驗(yàn),通過分析比較發(fā)現(xiàn)敲擊除冰相對(duì)更安全有效。該除冰裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,原理是電機(jī)通過凸輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)除冰桿上下運(yùn)動(dòng),通過3個(gè)除冰桿從上方交替敲擊覆冰的方式,以較小的能量消耗實(shí)現(xiàn)較好的除冰效果。設(shè)置的限位導(dǎo)輪,可以避免除冰桿損傷高壓輸電線。除冰裝置通過滑塊導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)與機(jī)器人手臂活動(dòng)連接,設(shè)置的吸振彈簧和滑塊配合,可始終使限位導(dǎo)輪壓緊在高壓輸電線上,并可以吸收除冰桿敲擊除冰時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)能量,減小振動(dòng)對(duì)機(jī)器人其他部件的影響,遇到帶坡度的導(dǎo)線時(shí),還能實(shí)時(shí)調(diào)整除冰裝置相對(duì)手臂的高度,保證除冰效果。相對(duì)目前廣泛使用的直流熱力融冰技術(shù),具有除冰效果明顯、成本低、易操作的優(yōu)點(diǎn)。除冰裝置如圖7所示。

2.4機(jī)器人仿真分析我們通過仿真分析以驗(yàn)證機(jī)器人能越障的可行性。用Pro/E進(jìn)行三維建模,在ADAMS中按照預(yù)定的行走越障動(dòng)作規(guī)劃進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。這里以前臂跨越FR3型防震錘為例，機(jī)器人能否成功跨越防震錘有兩個(gè)指標(biāo),一是越障時(shí)前臂橫向(X軸)是否與防震錘發(fā)生碰撞;二是前臂縱向(Z軸)能否完全跨過防震錘。防震錘中心點(diǎn)坐標(biāo)為(-309,190,-669),由圖8可知越障時(shí)前臂中心距防震錘中心125mm,由于前臂最寬邊130mm,防震錘直徑57mm,故極限位置有31.5mm間隙,指標(biāo)一滿足;由圖9可知前臂跨越距離為440mm,完全可以跨越防震錘,指標(biāo)二滿足。綜上可知,除冰機(jī)器人能跨越障礙物。故機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,越障動(dòng)作規(guī)劃可行。

2.5機(jī)器人上下線裝置機(jī)器人順利上線安裝是進(jìn)行除冰作業(yè)的前提。機(jī)器人約45kg,檢修人員無法徒手?jǐn)y帶機(jī)器人安全上下線安裝,同時(shí)考慮到機(jī)器人出現(xiàn)故障時(shí)能夠方便及時(shí)下線維修等要求,我們?cè)O(shè)計(jì)了該上下線裝置,以解決除冰機(jī)器人的上下線安裝問題。上下線裝置包括固聯(lián)滑輪、吊籃、提升繩、防晃繩、配重塊等。固聯(lián)滑輪是用“Z”形鋼筋將兩個(gè)滑輪固接,防止相對(duì)移動(dòng)。在吊籃正下方添加配重塊,上下線安裝時(shí)可降低重心,更加平穩(wěn)。該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功效明顯。機(jī)器人上線動(dòng)作規(guī)劃如下:(1)將固聯(lián)滑輪在導(dǎo)線上安裝好,放下提升繩并系在吊籃上,同時(shí)在吊籃上系上防晃繩,將機(jī)器人前后手臂外轉(zhuǎn)180°并放入吊籃。(2)緩慢提升吊籃至行走輪高于導(dǎo)線,機(jī)器人手臂內(nèi)旋180°,使行走輪位于導(dǎo)線正上方。(3)緩慢放松提升繩讓行走輪自動(dòng)掛上導(dǎo)線,放下吊籃,線上人員適當(dāng)調(diào)整,保證機(jī)器人初始狀態(tài),卸下滑輪,完成除冰機(jī)器人的上線工作。機(jī)器人下線原理與上線一樣。采用上下線裝置安裝機(jī)器人,既方便快捷,又安全有效,是一種可行的除冰機(jī)器人上下線安裝方式。野外現(xiàn)場(chǎng)除冰機(jī)器人上下線安裝試驗(yàn)如圖12所示。

3控制系統(tǒng)

高壓輸電線路除冰機(jī)器人主要采用人機(jī)結(jié)合、局部智能的控制方式[10]。機(jī)器人在高壓輸電線路上除冰時(shí)可以在3種狀態(tài)下工作,即全手動(dòng)、單流程自動(dòng)以及多流程自動(dòng)。操作人員根據(jù)實(shí)際需要可通過遙控鍵盤進(jìn)行無間隙切換?？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示,主要包括主控模塊(MCU2)、無線操作模塊(MCU1)、驅(qū)動(dòng)模塊、狀態(tài)信息反饋模塊等。機(jī)器人電源系統(tǒng)采用12V鋰電池供電,具有體積小、容量大、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

3.1主控模塊主控模塊即主控制器模塊,本系統(tǒng)采用AVR系列單片機(jī)Mega128,原理圖如圖14所示,包括程序下載接口、復(fù)位電路、以及時(shí)鐘電路等。機(jī)器人主控模塊主要負(fù)責(zé)接收無線操作模塊發(fā)出的控制指令,根據(jù)除冰機(jī)器人動(dòng)作規(guī)劃,將處理后的新指令傳送給驅(qū)動(dòng)模塊來控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種動(dòng)作。在主控制器得到發(fā)送過來的控制指令時(shí),首先對(duì)該指令進(jìn)行一次有效性判斷,如果得到的指令存在誤碼或亂碼,則舍棄該指令,以防止機(jī)器人發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作。主控制器程序可以實(shí)現(xiàn)單流程自動(dòng)、多流程自動(dòng)以及所有流程全手動(dòng)等工作模態(tài)無隙切換。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖15所示。

3.2無線操作模塊操作人員與機(jī)器人之間的通信全部由無線鍵盤發(fā)出,主要包括機(jī)器人工作方式選擇、電機(jī)正反轉(zhuǎn)狀態(tài)控制、故障急停等。為方便控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和停止3種狀態(tài),本系統(tǒng)選用單刀三擲開關(guān),開關(guān)的每一個(gè)狀態(tài)分別與電機(jī)的狀態(tài)相對(duì)應(yīng)。由于每個(gè)按鍵有3個(gè)擋位,需要單片機(jī)的兩個(gè)I/O端口作為鍵值信息通道,系統(tǒng)共設(shè)計(jì)了16個(gè)按鍵,另外加上無線發(fā)射的引腳,因此至少需要單片機(jī)有34個(gè)獨(dú)立引腳。系統(tǒng)選用AVR系列的單片機(jī)Mega128作為主控芯片,該芯片內(nèi)部含有豐富的硬件資源,能夠十分方便的與無線收發(fā)模塊APC220進(jìn)行通信。APC220模塊是高度集成的半雙工微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,其嵌入了高速單片機(jī)和高性能射頻芯片。采用高效的循環(huán)交織糾檢錯(cuò)編碼,抗干擾和靈敏度都大大提高,最大可以糾正24bits連續(xù)突發(fā)錯(cuò)誤。與單片機(jī)的連接原理圖如圖16所示。為使無線鍵盤發(fā)射的性能更加穩(wěn)定,系統(tǒng)在鍵盤信息之前加上了一個(gè)字節(jié)校驗(yàn)密碼,只有當(dāng)接受端得到了以該密碼開頭的信息才視為有效,否則機(jī)器人不接受該信息。實(shí)驗(yàn)表明,這種方法能讓機(jī)器人安全可靠的工作,有效地降低了控制出錯(cuò)率。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖17所示。

3.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用Freescale公司的MC3386,該驅(qū)動(dòng)可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī),最大驅(qū)動(dòng)峰值電流可達(dá)6A,為得到更好的驅(qū)動(dòng)性能,本系統(tǒng)將每個(gè)芯片上的兩個(gè)通道并聯(lián)在一起去驅(qū)動(dòng)一個(gè)電機(jī)。使用該芯片可以方便地進(jìn)行正、反轉(zhuǎn)和剎車等控制,同時(shí)也可以使用脈沖寬度調(diào)制(PWM)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速,機(jī)器人前后臂的升降旋轉(zhuǎn)就運(yùn)用了PWM進(jìn)行調(diào)速。每個(gè)芯片使用單片機(jī)的兩個(gè)I/O端口進(jìn)行操作,實(shí)驗(yàn)表明使用MC33886作為除冰機(jī)器人的動(dòng)力電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能夠完成機(jī)器人的各種動(dòng)作,性能良好。

3.4狀態(tài)信息反饋模塊當(dāng)機(jī)器人在高空的高壓輸電線路上作業(yè)時(shí),人眼無法看清楚,而機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作必須在掌控中,因此機(jī)器人的每個(gè)動(dòng)作是否完成必須有明確的反饋信息。本系統(tǒng)采用金屬接近開關(guān)作為機(jī)器人行程信息反饋的傳感器,當(dāng)有金屬靠近接近開關(guān)約2~3mm時(shí),在外圍電路作用下(圖19),接近開關(guān)便向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)高電平信號(hào),當(dāng)在其接觸頭2~3mm范圍內(nèi)沒有金屬時(shí),接近開關(guān)向單片機(jī)發(fā)出一個(gè)低電平信號(hào)。TLP521是一個(gè)光耦合器件,使用該芯片的作用有兩個(gè):一是將12V的高電平轉(zhuǎn)換為單片機(jī)能夠讀取的3~5V;二是起到光電隔離的作用,防止電機(jī)工作時(shí)對(duì)單片機(jī)的正常工作產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)效果表明,使用接近開關(guān)作為機(jī)器人狀態(tài)反饋傳感器能夠準(zhǔn)確的監(jiān)控機(jī)器人的動(dòng)作流程,為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)除冰和越障提供了準(zhǔn)確的反饋信息。

4結(jié)論

該高壓輸電線路除冰機(jī)器人屬于工作于輸電線路的特種機(jī)器人,本身集合了機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制和無線通訊等方面的技術(shù)。野外真實(shí)線路性能測(cè)試表明,除冰機(jī)器人滿足前述的性能指標(biāo),對(duì)解決輸電線路除冰問題十分有效。對(duì)于不同電壓級(jí)別的輸電線路,其結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別是導(dǎo)線、絕緣子和防震錘規(guī)格不同。機(jī)器人可通過更換行走輪、適當(dāng)調(diào)整控制程序參數(shù),便能在不同規(guī)格高壓輸電線路上進(jìn)行作業(yè),擴(kuò)大了使用范圍。除冰機(jī)器人野外真實(shí)線路實(shí)驗(yàn)取得成功,證實(shí)了除冰機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,控制系統(tǒng)穩(wěn)定有效。圖20所示為機(jī)器人在野外真實(shí)線路上進(jìn)行跨越絕緣子的實(shí)驗(yàn)。

作者：張屹韓俊劉艷丁昌鵬朱大林單位：三峽大學(xué)機(jī)械與材料學(xué)院三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院