定期對高壓架空輸電線路進(jìn)行故障的檢測與修復(fù)，是供電可靠性的基本保證。由于架空線路處于野外環(huán)境之中，長期風(fēng)吹雨淋，且受到持續(xù)的機(jī)械張力。電氣閃烙，材料老化的影響，容易引起磨損，斷股，腐蝕等損傷，若不及時(shí)修復(fù)更換，易引起嚴(yán)重的事故，造成大面積停電及經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。目前，對輸電導(dǎo)線進(jìn)行巡檢的方法主要有兩種：地面目側(cè)法和直升機(jī)航測法。地面目測法的人工檢修方法勞動(dòng)強(qiáng)度大，危險(xiǎn)系數(shù)高，檢測精度低，可靠性差。在—些復(fù)雜高難的環(huán)境下，如偏遠(yuǎn)山區(qū)或跨越江河的檢測上，人工檢測的方法往往無法完成。而直升機(jī)航測法所需費(fèi)用高，精度難以達(dá)到要求，容易受自然天氣的影響等。采用智能化機(jī)器人取代傳統(tǒng)的方式，可提高檢測精度和檢測效率，取代人直接工作在高危險(xiǎn)的場合，同時(shí)大大減少人力資源，是一種安全，可靠，高效的檢測方式。

　　2 巡線機(jī)器人方案

　　巡線機(jī)器人的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也是目前制約巡線機(jī)器人發(fā)展的技術(shù)障礙之一。巡線機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，一般有幾點(diǎn)：(1)能在架空高壓線上以期望的速度平穩(wěn)爬行;(2)具有一定的爬坡能力;(3)跨越高壓線路上的防震錘、線夾、絕緣子、線塔等障礙;(4)在故障情況下有可靠的自保護(hù)安全措施，防止機(jī)器人摔落;(5)提供足夠的空間安裝所攜帶的電源以及探測、記錄和分析處理儀器。

　　目前，巡線機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在線爬行的機(jī)構(gòu)可以分為步進(jìn)式爬行機(jī)構(gòu)和輪式爬行機(jī)構(gòu)兩類。步進(jìn)式爬行機(jī)構(gòu)通過多只手臂的交替移動(dòng)完成爬行，一般用作斜拉橋纜索、管道外壁的檢查維護(hù);輪式爬行機(jī)構(gòu)依靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)的行走輪與電力線之間的摩擦，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。輪式爬行機(jī)構(gòu)行走平穩(wěn)，速度快，有利于移動(dòng)平臺(tái)上線路探測儀器的可靠：l：作。因此，巡線機(jī)器人多采用此類爬行機(jī)構(gòu)。

　　越障機(jī)構(gòu)是巡線機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。由于機(jī)器人懸掛在架空線上，越障時(shí)應(yīng)保證機(jī)器人姿態(tài)平穩(wěn)，并保持與其它導(dǎo)線和線塔金屬部件的安全間距，因此設(shè)計(jì)難度較大。巡線機(jī)器人越障操作類似人的空中攀援行為，因此，仿生設(shè)計(jì)是解決這一難題的有效方法。一種很有前景的方案是采用多只可伸縮機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，機(jī)械臂上部為爬行驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，下部通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相互鏈接。遇到障礙時(shí)，機(jī)械臂之間相互配合，采用仿人攀援策略調(diào)整姿態(tài)，跨越障礙。由于采用多只多自由度機(jī)械臂，機(jī)器人可以完成更為復(fù)雜的空中姿態(tài)調(diào)整，因而可跨越各種類型的線路障礙。

　　本設(shè)計(jì)方案的巡線機(jī)器人具有三只手臂，采用輪式爬行驅(qū)動(dòng)方式，帶夾緊裝置在過障礙物時(shí)可仿人攀援的新型機(jī)器人。

　　3 機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

　　巡線機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)采用SolidWorks 2006軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。該設(shè)計(jì)平臺(tái)功能強(qiáng)大、易學(xué)易用，同時(shí)能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。采用自下向上的方法設(shè)計(jì)，即先設(shè)計(jì)好各個(gè)零部件后，運(yùn)用裝配關(guān)系將各個(gè)零部件進(jìn)行組合。對機(jī)器人進(jìn)行三維造型和裝配，總體機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。手臂關(guān)節(jié)原理，如圖1(b)所示。

　　圖1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

　　滾動(dòng)輪適合于在水平電力線或具有一定坡度的電力線上行走，這樣控制簡單，行走速度較快，但是不具有跨越障礙的功能，三個(gè)手臂的滾動(dòng)輪在滾動(dòng)爬行狀態(tài)下應(yīng)處于同一直線上。帶渦輪蝸桿的夾緊卡手在仿人攀援時(shí)充當(dāng)手的作用，旋轉(zhuǎn)角度一般為90°，每個(gè)手臂均有兩個(gè)卡手，由同一個(gè)電機(jī)控制，位于滾動(dòng)輪的下方，與滾動(dòng)輪配合，實(shí)現(xiàn)加緊電力線的動(dòng)作。各關(guān)節(jié)相互鏈接，配合機(jī)械臂一步步向前攀援，適于爬行坡度較陡的電力線和跨越障礙物。手臂關(guān)節(jié)中所實(shí)用的渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)可以數(shù)十倍地提高電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，同時(shí)還可以提供自鎖功能，在斷電的時(shí)候保證機(jī)器人的姿態(tài)不改變。手臂1和3放置在電力線的一側(cè)，而手臂2則放置在電力線的另一側(cè)，這種結(jié)構(gòu)配置可以力求機(jī)器人本體的重心在電力線的正下方，保證機(jī)器人本體盡量平衡，從而盡量減小機(jī)器人本體的晃動(dòng)，并在機(jī)械結(jié)構(gòu)上保證了機(jī)器人不會(huì)脫落。

　　底板提供了安裝手臂的平面，同時(shí)提供了安裝傳感器的空間，如攝像頭，紅外測溫等，在保證足夠空間的基礎(chǔ)上，底板要盡量小，這樣可以減輕機(jī)器人的重量，給控制帶來方便。底箱能根據(jù)需要擴(kuò)展空間，用于存放機(jī)器人電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電路控制板，記錄分析儀器，遠(yuǎn)程通訊模塊等。底箱和底板之間由導(dǎo)桿連接，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)底箱的移動(dòng)來改變底箱的前后位置，從而達(dá)到調(diào)節(jié)機(jī)器人本體前后重心的目的。這樣可以保證機(jī)器人本體在跨越葬愛物時(shí)能夠順利的離開電力線。

　　4 基于SolidWorks COSMOS Morion動(dòng)力學(xué)插件的跨越障礙運(yùn)動(dòng)仿真

　　SolidWorks無縫集成的COSMOS Motion三維動(dòng)力學(xué)仿真軟件是一款專門用于模擬機(jī)械運(yùn)動(dòng)和校驗(yàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的動(dòng)力學(xué)插件。利用這一工具可以在實(shí)際生產(chǎn)之前確定設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)仿真軟件可以方便地通過動(dòng)畫，圖形，數(shù)據(jù)等多種形式輸出零部件的運(yùn)動(dòng)軌跡。

　　首先，設(shè)置機(jī)器人的各個(gè)零部件為靜止零部件或運(yùn)動(dòng)零部件，同時(shí)。將裝配體中的約束副導(dǎo)入到COSMOS Motion的約束當(dāng)中。我們可以自行修改約束副當(dāng)中的條件。且在COSMOS Motion約束副中添加的條件不會(huì)影響裝配體的配合。接著，在機(jī)器人手臂的各個(gè)關(guān)節(jié)連接處添加旋轉(zhuǎn)副。相當(dāng)于添加了伺服電動(dòng)機(jī)。然后，添加運(yùn)動(dòng)、約束、力、碰撞等，同時(shí)根據(jù)機(jī)器人實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況，定義各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度。通過模擬機(jī)器人在電力線上行走，跨越電力線上可能的障礙來調(diào)整修改設(shè)計(jì)方案及各個(gè)零部件的尺寸大小。這里，以機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仿真來圖解跨越典型障礙的過程。

　　4.1跨越懸垂線夾與防震錘

　　常見的懸垂線夾，如圖2(a)所示，其功能是避免產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，對光纜起到保護(hù)和輔助減振的作用。常見的防震錘如圖2(b)所示，其功能是主要用于去除和分散由于微風(fēng)振動(dòng)對光纜所產(chǎn)生的沖擊能量，能夠防止電線因顫動(dòng)而斷裂。跨越懸垂線夾和防震錘的運(yùn)動(dòng)過程相似，這里以模擬跨越防震錘來說明機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程，如圖3所示。

　　圖2 懸垂線夾與防震錘

　　機(jī)器人本體跨越防震錘時(shí)的運(yùn)動(dòng)過程如下：

　　圖3 跨越防震錘仿真

　　第一步：初態(tài)如圖3.1所示，此時(shí)三個(gè)手臂彼此平行，垂直于底板。當(dāng)遇到障礙物時(shí)，滾動(dòng)輪停止運(yùn)動(dòng)。

　　第二步：機(jī)器人重心提升。如圖3.2所示，手臂1和手臂3的卡手夾緊電力線，關(guān)節(jié)2和關(guān)節(jié)3配合運(yùn)動(dòng)，將機(jī)器人的重心提高。

　　第三步：將手臂2重新掛回電力線上，如圖3.3所示。前面三個(gè)步驟為重心提升，是機(jī)器人遇到障礙物都必須完成的運(yùn)動(dòng)過程。

　　第四步：手臂1提升脫離電力線，其關(guān)節(jié)1向外旋轉(zhuǎn)60°。如圖3.4所示。接著手臂2，3滾輪運(yùn)動(dòng)，直到手臂2滾動(dòng)到障礙物前面，滾輪停止。此時(shí)，將手臂l的關(guān)節(jié)1向內(nèi)旋轉(zhuǎn)60°，將其滾輪重新掛回電力線上，如圖3.5所示。

　　第五步：手臂2，手臂3分別重復(fù)第四步動(dòng)作。

　　跨越防震錘的過程中，時(shí)刻都保證有兩個(gè)手臂懸掛在電線上，控制的規(guī)則是第—個(gè)手臂依次脫離電線，跨越障礙，重新回到電線上，然后第二，第三個(gè)手臂依次離開電線，以相似的運(yùn)動(dòng)過程跨越障礙物。

　　4.2跨越引流跳線

　　引流跳線的功能是在帶電檢修線路中，連接用電設(shè)備兩端的線路，更換用電設(shè)備，使電網(wǎng)保持暢通。它由單芯絕緣電纜與夾具及壓接套管組成，根據(jù)電流大小選擇不同線徑的電纜。如圖4所示，為引流跳線。

　　圖4 引流跳線

　　引流跳線常常和絕緣子并接在一起，機(jī)器人直接跨越絕緣子難度較大，這里所采用的方案是通過攀援引流跳線來間接跨越絕緣子。對機(jī)器人從水平電力線過渡到引流跳線的運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行仿真，如圖5所示，在水平電力線時(shí)采用滾動(dòng)輪的方式驅(qū)動(dòng)，而在引流跳線時(shí)采用夾緊卡手，仿人攀援的策略來跨越障礙。

　　這里假設(shè)已經(jīng)完成機(jī)器人重心的過程，越障運(yùn)動(dòng)過程如下：

　　第一步：手臂1提升，其關(guān)節(jié)1向外旋轉(zhuǎn)60°;接著，手臂2，3的滾動(dòng)輪運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人直到手臂2到達(dá)跳線時(shí)停止;然后手臂1的關(guān)節(jié)2，關(guān)節(jié)3配合運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)4進(jìn)行旋轉(zhuǎn)微調(diào)使得滾動(dòng)輪能準(zhǔn)確掛在引流跳線上，并將其卡手夾緊跳線，完成了手臂1的跨越。如圖5.1至圖5.5所示。

　　第二步：手臂2提升，關(guān)節(jié)l向外旋轉(zhuǎn)90°;接著，手臂1的關(guān)節(jié)2，關(guān)節(jié)3運(yùn)動(dòng)，同時(shí)手臂3的滾輪與手臂3的關(guān)節(jié)1配合著運(yùn)動(dòng)，直到手臂3滾輪到達(dá)跳線時(shí)停止，調(diào)整手臂3的關(guān)節(jié)2。關(guān)節(jié)3使得底板與跳線的切線接近于平行的狀態(tài)，如圖5.6，圖5.7所示。然后，手臂2關(guān)節(jié)l向內(nèi)旋轉(zhuǎn)90°，將手臂掛回跳線上，并把卡手夾緊跳線。完成了手臂2的跨越。如圖5.8所示。

　　第三步：機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整。手臂1和手臂2分別向前跨越，為手臂3的跨越騰出更多的運(yùn)動(dòng)空間。如圖5.9，圖5.10所示。

　　第四步：手臂3跨越跳線，重復(fù)第一步的過程。

　　這樣就完成了從水平電力線過渡到引流跳線的運(yùn)動(dòng)過程，而從引流跳線過渡到水平電力線為相反的過程。機(jī)器人攀援的任何時(shí)刻都總有兩個(gè)卡手夾緊電力線，提供足夠的摩擦力保證機(jī)器人的安全，另一個(gè)手臂脫離電線在前行，運(yùn)動(dòng)過程為手臂1→手臂2→手臂3→手臂1，如此循環(huán)，直到重新回到平坦電力線上。

　　圖5 跨越引流跳線仿真

　　5 結(jié)束語

　　介紹的這款具有滾輪驅(qū)動(dòng)及夾緊裝置，可仿人攀援的多關(guān)節(jié)新型機(jī)器人完全符合巡線機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)要求，通過跨越常見障礙物的運(yùn)動(dòng)模擬仿真，大幅度地降低物理樣機(jī)的制造成本并縮短開發(fā)時(shí)間，確保了設(shè)計(jì)的可行性。