跨越式高壓輸電線路巡線機(jī)器人動(dòng)力學(xué)研究

王 婷， 吳功平

（武漢大學(xué) 湖北 武漢 430072）

巡線機(jī)器人主要用于對(duì)輸電線路的故障巡檢， 以架空高壓輸電線路地線為行駛路徑，通過(guò)機(jī)器人所搭載的高清攝像機(jī)及手眼攝像機(jī)等設(shè)備代替人對(duì)線路、 桿塔及金具實(shí)施檢查。 針對(duì)高壓輸電線路的結(jié)構(gòu)特征，本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一種雙臂滾輪跨越式高壓輸電線路巡線機(jī)器人，能夠跨越地線上諸如防震錘、懸垂線夾一類的障礙物，自主完成在線巡檢任務(wù)。

機(jī)器人的在線自主運(yùn)行主要依靠機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)， 通過(guò)實(shí)時(shí)控制給定機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)相應(yīng)的力矩或力，從而驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)按照給定的曲線運(yùn)動(dòng)， 以完成在線巡檢任務(wù)。 為了實(shí)時(shí)控制的需要，利用動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)逆問題的求解具有十分重要的意義。 本文采用D-H 法[1]構(gòu)建跨越式巡線機(jī)器人空間坐標(biāo)，用Lagrange 方法[2-3]建立機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型， 推導(dǎo)了機(jī)器人多剛體動(dòng)力學(xué)方程， 在此基礎(chǔ)上用ADAMS 對(duì)一種較復(fù)雜工況進(jìn)行了機(jī)械臂各關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)給定各關(guān)節(jié)的位移、速度曲線，通過(guò)仿真確定各關(guān)節(jié)的有效驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩，從而為實(shí)時(shí)控制提供理論依據(jù)。

1 巡線機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析

架空輸電線路主要由輸電導(dǎo)線及其金具 （包括防震錘、壓接管、懸垂線夾、耐張線夾等）等組成，根據(jù)220 kV 及以上線路地線及其橫擔(dān)塔頭結(jié)構(gòu)，機(jī)器人的行駛路徑主要由直線有障礙段、直線無(wú)障礙段和變向行走段3 種不同的路徑段組成，如圖1 所示。

圖1 機(jī)器人行駛路徑分類Fig. 1 The classification of robot moving path

根據(jù)線路的結(jié)構(gòu)，以及對(duì)作業(yè)任務(wù)的分解、巡線機(jī)器人設(shè)計(jì)成雙機(jī)械臂反對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通過(guò)雙臂懸掛在地線上，兩個(gè)機(jī)械臂的端部帶有滾輪，可使巡線機(jī)器人整機(jī)沿直線導(dǎo)軌移動(dòng)；如圖2 所示，雙臂各有一個(gè)伸縮關(guān)節(jié)、一個(gè)俯仰關(guān)節(jié)、一個(gè)回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，雙臂共用一個(gè)錯(cuò)臂移動(dòng)關(guān)節(jié)；每個(gè)臂的末端各有一個(gè)行走關(guān)節(jié)（行走輪）、一個(gè)夾緊關(guān)節(jié)（夾爪）、一個(gè)壓緊關(guān)節(jié)（壓緊輪），為了增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)能力，壓緊輪鉸接在壓緊關(guān)節(jié)上，能夠繞著壓緊關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，在壓線過(guò)程中，自動(dòng)調(diào)節(jié)以壓緊導(dǎo)線。

2 巡線機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型

2.1 Lagrange 方法的動(dòng)力學(xué)建模

圖2 巡線機(jī)器人機(jī)構(gòu)示意圖Fig. 2 Structure diagram of line-inspection robot

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模的方法有很多， 常用的方法有牛頓-歐 拉（Newton－Euler）方 法、拉 格 朗 日（Lagrange）方 法、高 斯（Gauss）方法、凱恩（Kane）方法、旋量對(duì)偶數(shù)方法等[1－3]。 其中拉格朗日方法是一種基于能量的動(dòng)力學(xué)方法， 不需要求約束反作用力，可避免方程中出現(xiàn)不必要的內(nèi)力項(xiàng)，推導(dǎo)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。 本文通過(guò)該方法來(lái)推導(dǎo)巡線機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型。

用Lagrange 方法建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，首先構(gòu)建拉格朗日函數(shù)，令系統(tǒng)總動(dòng)能為Ek，系統(tǒng)總勢(shì)能為Ep，則拉格朗日函數(shù)為：

由于勢(shì)能Ep不含q˙i，則系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

式中：qi表示關(guān)節(jié)i 處的廣義坐標(biāo)； q˙i表示關(guān)節(jié)i 處的廣義速度；τi表示關(guān)節(jié)i 處的廣義力。

用D－H 坐標(biāo)表示機(jī)器人的動(dòng)能與勢(shì)能，經(jīng)推導(dǎo)簡(jiǎn)化后的拉格朗日方程可寫成如下的形式：

式中：Ii為偽慣量矩陣；n 為機(jī)器人的桿件數(shù)；Trace 為方陣的秩；Dii為關(guān)節(jié)i 的有效慣量；Dij（i≠j）為關(guān)節(jié)j 對(duì)關(guān)節(jié)i 的耦合慣量；Dijj為關(guān)節(jié)j 的速度在關(guān)節(jié)i 處產(chǎn)生的向心力項(xiàng)系數(shù)；Dijk為關(guān)節(jié)j 和關(guān)節(jié)k 在關(guān)節(jié)i 處產(chǎn)生的哥氏力項(xiàng)系數(shù)；Gi為關(guān)節(jié)i 處的重力項(xiàng)系數(shù)。

2.2 巡線機(jī)器人動(dòng)力學(xué)方程的推導(dǎo)

本文所研究的機(jī)器人共有7 個(gè)關(guān)節(jié)， 包括3 個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和4 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。其中關(guān)節(jié)0 是基坐標(biāo)，關(guān)節(jié)2、4、1、5 是轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)3、6 是移動(dòng)關(guān)節(jié)（另一臂上與6 相對(duì)應(yīng)的也是移動(dòng)關(guān)節(jié)）。關(guān)節(jié)1、5 的軸線水平，分別與關(guān)節(jié)3 的軸線垂直，關(guān)節(jié)2、4 的軸線垂直，同樣與關(guān)節(jié)3 的軸線垂直。 機(jī)器人與障礙物精定位后， 機(jī)器人夾爪及一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)分別采取夾緊和壓緊的方式將機(jī)器人與地線固連。 由此機(jī)器人還余下6 個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)， 將這6 個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)用D－H 法建立連桿坐標(biāo)系如圖3 所示。 在該坐標(biāo)系中，將{0}基坐標(biāo)系視作抽象的零剛體，并認(rèn)為該機(jī)器人系統(tǒng)以抽象的O1（{0}基坐標(biāo)系的原點(diǎn)）與零剛體相聯(lián) 系[4－7]。

圖3 機(jī)械臂連桿坐標(biāo)系Fig. 3 Coordinate system of mechanical armlinkage

每一個(gè)連桿及相鄰桿間的關(guān)系用4 個(gè)參數(shù)表示： 相鄰兩連桿距離di，連桿長(zhǎng)度為ai，連桿扭角為αi，兩連桿夾角為θi[3]。相應(yīng)的連桿參數(shù)列于表1 機(jī)械臂連桿參數(shù)中。

表1 機(jī)械臂連桿參數(shù)Tab. 1 Parameter of mechanical armlinkage

連桿變換公式為（其中cθ 代表cosθ，sθ 代表sinθ）：

利用公式（8）及表1 所列的連桿參數(shù)可以算出各個(gè)連桿變換矩陣，將各個(gè)連桿變換矩陣相乘，即得到機(jī)器人的“越障臂變換矩陣，

方程式（9）表示機(jī)器人的末端連桿坐標(biāo)系{6}相對(duì)于基坐標(biāo)系{0}的位姿。 為校核所得結(jié)果準(zhǔn)確性，計(jì)算當(dāng)θ0=0°，θ2=90°，d3=664，θ4=90°，θ5=90°，d6=750 時(shí)，手臂變換矩陣的值，利用MATLAB 計(jì)算結(jié)果為：

與圖3 所示的情況完全相符。

由式（7）可得各連桿的偽慣量矩陣，將式（10）和偽慣量矩陣代入式（4）、（5）、（6），得Dii，Dijj，Dij，Dijk，將Dii，Dijj，Dij，Dijk代入式（3），即可得到巡線機(jī)器人的完整動(dòng)力學(xué)方程。

3 機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真及動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算

3.1 機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真

機(jī)械人的爬行工況有多種，其中有無(wú)障直線線段的滾動(dòng)/壓緊輪加壓滾動(dòng)爬坡、無(wú)障礙大坡度直線段的攀爬、錯(cuò)臂跨越雙懸垂線夾、越過(guò)耐張桿塔等多種工況，本文選取工況錯(cuò)臂跨越雙懸垂線夾，其運(yùn)動(dòng)規(guī)劃圖4 所示。 當(dāng)機(jī)器人檢測(cè)到前進(jìn)方向上有懸垂線夾時(shí)， 會(huì)在距離懸垂線夾一定距離的地方停止，并且偶臂夾緊，奇臂伸長(zhǎng)并轉(zhuǎn)開使行走輪脫離導(dǎo)線如圖（a）所示；移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)使兩臂交錯(cuò)，通過(guò)俯仰機(jī)構(gòu)擺開奇臂如圖（b）所示；奇臂縮短到一定距離找線落線如圖（c）所示；偶臂俯仰機(jī)構(gòu)擺開并伸長(zhǎng)，機(jī)器人向前移動(dòng)，使奇臂有擺回空間后，奇臂擺回夾緊如圖（d）所示；偶臂伸長(zhǎng)后擺回，回轉(zhuǎn)錯(cuò)臂，回轉(zhuǎn)找線落線，完成跨越雙懸垂線夾，如圖（e）、（f）所示。

圖4 機(jī)器人跨越雙懸垂線夾圖Fig. 4 Diagram of crossing double hanging clip

其中，奇臂為圖3 中{0}基坐標(biāo)系所在臂，偶臂為{6}坐標(biāo)系所在臂。 由于兩個(gè)臂為反對(duì)稱布局，故只需研究一個(gè)臂的力或力矩隨時(shí)間的變化情況。 通過(guò)ADAMS 仿真平臺(tái)對(duì)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，在仿真以前，已經(jīng)根據(jù)操作臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程確定機(jī)器人越障各個(gè)關(guān)節(jié)所需的位移或速度，通過(guò)對(duì)機(jī)械臂各關(guān)節(jié)加載位移、速度曲線，如圖5 所示，機(jī)械臂各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律均通過(guò)STEP 函數(shù)獲得， 在仿真過(guò)程中沒有考慮摩擦力。

圖5 各關(guān)節(jié)位移、角速度曲線圖Fig. 5 Displacement or angular velocity curve diagram of each joint

3.2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算

對(duì)跨越雙懸垂線夾工況下，跨越式巡線機(jī)器人機(jī)械臂進(jìn)行動(dòng)力學(xué)逆問題仿真計(jì)算，得到機(jī)器人機(jī)械臂各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力或驅(qū)動(dòng)力矩，如圖6 所示。

由圖6 可以看出各關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力及力矩變化趨勢(shì)，以及所需的最大驅(qū)動(dòng)力或力矩，可以以此為依據(jù)確定所需電機(jī)型號(hào)以及控制方案的選擇。

4 結(jié) 論

圖6 關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力/力矩圖Fig. 6 Joint driving force or torque diagram

用D-H 法構(gòu)建跨越式巡線機(jī)器人空間坐標(biāo)構(gòu)，并以此坐標(biāo)為基礎(chǔ)，采用Lagrange 方法建立了機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，得到了機(jī)器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角和連桿結(jié)構(gòu)參數(shù)表示的動(dòng)力學(xué)方程，并對(duì)機(jī)器人跨越雙懸垂線夾此爬行工況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)數(shù)值仿真及動(dòng)態(tài)響應(yīng)計(jì)算。 計(jì)算結(jié)果表明該跨越式巡線機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型是有效的。 同時(shí)給機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)與參考，可用于該跨越式巡線機(jī)器人的控制。

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