第10卷第4期 智能系统学报 Vol.10 No.4 2015年8月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Aug.2015 D0:10.3969/j.issn.1673-4785.201404008 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1538.tp.20150716.0934.001.html 一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计 何磊12，王洪光，刘爱华1，王林12 (1.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳110016：2.中国科学院大学，北京100049) 摘要：为了提高悬垂绝缘子检测机器人的运动稳定性、环境适应性和负载能力，针对绝缘子检测任务需求，基于仿 生原理，提出了一种新型的悬垂绝缘子检测机器人机构。介绍了机器人的机构构型，分析了机器人的工作原理及行 走与检测过程，推导了机器人的运动学方程，给出了机器人的主要尺寸，对相邻绝缘子轴线不重合的情况进行了运 动仿真。仿真结果表明，该机构对小角度弯曲的悬垂绝缘子串具有适应性，具有运动平稳、适应性好、负载能力强等 优点，适用于输电线路悬垂绝缘子检测。 关键词：悬垂绝缘子：检测机器人；机构设计：并联机构：运动学：仿真 中图分类号：TP24文献标志码：A文章编号：1673-4785(2015)04-0541-07 中文引用格式：何磊，王洪光，刘爱华，等.一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计[J].智能系统学报，2015,10(4)：541-547. 英文引用格式：HE Lei,WANG Hongguang,LIU Aihua,etal.WANG Lin..Mechanism design for a novel suspension insulator de-- tection robot[J].CAAI Transactions on Intelligent Systems,2015,10(4):541-547. Mechanism design for a novel suspension insulator detection robot HE Lei'2,WANG Hongguang',LIU Aihua',WANG Lin'.2 (1.Shenyang Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China) Abstract:In order to improve the stability of motion,environmental suitability and load capacity,and to meet the demands of suspension insulator detection task,this paper presents a novel suspension insulator detection robot mechanism based on biomimetic principles.The configuration of the robot's mechanism is introduced and the work- ing principle and the moving and inspection procedures are analyzed.Equations of kinematics are derived and main dimensions of the robot are given.The kinematic simulation is carried out in the case that the axes of adjacent insu- lators are misaligned.Simulation results show that the mechanism can adapt to the small-angle bending of suspen- sion insulator strings,and it has such advantages as excellent motion stability,environment adaptability and high load capacity.The robot can be applied to the suspension insulator detection task in power transmission lines. Keywords:suspension insulator;detection robot;mechanism design;parallel mechanism;kinematics;simulation 悬垂绝缘子检测机器人是一类辅助人工在高 无法获得定量数据等问题[]，具有重要的研究价值 空、高压的复杂电磁环境中对架空输电线路悬垂绝 和应用前景。 缘子串中低值和零值绝缘子2]进行检测的机器 近年来，国内外出现了多种悬垂绝缘子检测机 人，其解决了人工登塔检测效率低、安全性难保证、 器人，按行走机构的原理主要分为蠕动式、履带式和 轮腿式3类。蠕动式行走机构利用仿生学的原理沿 收稿日期：2014-04-06.网络出版日期：2015-07-16 悬垂绝缘子串爬行，如韩国电力研究院研制的悬垂 基金项目：国家自然科学基金资助项目(51405482)，国家电网公司科技 绝缘子清扫机器人[)和美国电力研究院的ke机器 项目(N201204F-DDZX-06). 通信作者：王洪光.E-mail:hgwang@(sia.cn. 人[)，这种机构运动稳定可靠，但是其步态控制复
第 １０ 卷第 ４ 期 智 能 系 统 学 报 Ｖｏｌ．１０ №．４ ２０１５ 年 ８ 月 ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｕｇ． ２０１５ ＤＯＩ：１０．３９６９ ／ ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３⁃４７８５．２０１４０４００８ 网络出版地址：ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ ／ ｋｃｍｓ／ ｄｅｔａｉｌ ／ ２３．１５３８．ｔｐ．２０１５０７１６．０９３４．００１．ｈｔｍｌ 一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计 何磊１，２ ，王洪光１ ，刘爱华１ ，王林１，２ （１．中国科学院 沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 １１００１６；２．中国科学院大学，北京 １０００４９ ） 摘 要：为了提高悬垂绝缘子检测机器人的运动稳定性、环境适应性和负载能力，针对绝缘子检测任务需求，基于仿 生原理，提出了一种新型的悬垂绝缘子检测机器人机构。 介绍了机器人的机构构型，分析了机器人的工作原理及行 走与检测过程，推导了机器人的运动学方程，给出了机器人的主要尺寸，对相邻绝缘子轴线不重合的情况进行了运 动仿真。 仿真结果表明，该机构对小角度弯曲的悬垂绝缘子串具有适应性，具有运动平稳、适应性好、负载能力强等 优点，适用于输电线路悬垂绝缘子检测。 关键词：悬垂绝缘子；检测机器人；机构设计；并联机构；运动学；仿真 中图分类号： ＴＰ２４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３⁃４７８５（２０１５）０４⁃０５４１⁃０７ 中文引用格式：何磊， 王洪光， 刘爱华， 等． 一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计［Ｊ］． 智能系统学报， ２０１５， １０（４）： ５４１⁃５４７． 英文引用格式：ＨＥ Ｌｅｉ， ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ， ＬＩＵ Ａｉｈｕａ， ｅｔ ａｌ． ＷＡＮＧ Ｌｉｎ． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｄｅ⁃ ｔｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ［Ｊ］． ＣＡＡＩ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ， ２０１５， １０（４）： ５４１⁃５４７． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ＨＥ Ｌｅｉ １，２ ， ＷＡＮＧ Ｈｏｎｇｇｕａｎｇ １ ， ＬＩＵ Ａｉｈｕａ １ ， ＷＡＮＧ Ｌｉｎ １，２ （１． Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ， Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｍｏｔｉｏｎ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｓｕｉｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ， ａｎｄ ｔｏ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔａｓｋ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ． Ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ＇ｓ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋ⁃ ｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｖｉｎｇ ａｎｄ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ａｒｅ ｄｅｒｉｖｅｄ ａｎｄ ｍａｉｎ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ａｒｅ ｇｉｖｅｎ． Ｔｈｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｘｅｓ ｏｆ ａｄｊａｃｅｎｔ ｉｎｓｕ⁃ ｌａｔｏｒｓ ａｒｅ ｍｉｓａｌｉｇｎｅｄ． Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｃａｎ ａｄａｐｔ ｔｏ ｔｈｅ ｓｍａｌｌ⁃ａｎｇｌｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎ⁃ ｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓｔｒｉｎｇｓ， ａｎｄ ｉｔ ｈａｓ ｓｕｃｈ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｍｏｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ， ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｄａｐｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｌｏａｄ ｃａｐａｃｉｔｙ． Ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｂｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔａｓｋ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ； ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ； ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ； ｐａｒａｌｌｅｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ； ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ； ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 收稿日期：２０１４⁃０４⁃０６． 网络出版日期：２０１５⁃０７⁃１６． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１４０５４８２），国家电网公司科技 项目（Ｎ２０１２０４Ｆ⁃ＤＤＺＸ⁃０６）． 通信作者：王洪光． Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｇｗａｎｇ＠ ｓｉａ．ｃｎ． 悬垂绝缘子检测机器人是一类辅助人工在高 空、高压的复杂电磁环境中对架空输电线路悬垂绝 缘子串中低值和零值绝缘子［１⁃２］ 进行检测的机器 人，其解决了人工登塔检测效率低、安全性难保证、 无法获得定量数据等问题［３］ ，具有重要的研究价值 和应用前景。 近年来，国内外出现了多种悬垂绝缘子检测机 器人，按行走机构的原理主要分为蠕动式、履带式和 轮腿式 ３ 类。 蠕动式行走机构利用仿生学的原理沿 悬垂绝缘子串爬行，如韩国电力研究院研制的悬垂 绝缘子清扫机器人［４］和美国电力研究院的 Ｉｋｅ 机器 人［５］ ，这种机构运动稳定可靠，但是其步态控制复
.542. 智能系统学报 第10卷 杂；意大利学者Luigi Paris)研发的高压绝缘子维 邻两绝缘子的铁帽可靠接触，测量绝缘子的绝缘电 护清扫机构采用了履带式的行走机构，其行走方式 阻，根据绝缘电阻的大小判断低值绝缘子。图1(a) 主要依靠履带沿绝缘子表面进行滚动式爬行，这种 所示为电力操作人员检测耐张瓷质绝缘子串。 机构承载能力强、有很强的表面适应能力，广泛应用 于各类越障机器人中，但其结构复杂、体积笨重：轮 腿式行走机构是一种利用多组轮腿交替与绝缘子瓷 裙接触以实现沿悬垂绝缘子串运动的机构，韩国电 力研究院研制的绝缘子检测机器人[)和中国东北 大学研制的叶轮滚动式悬垂绝缘子检测机器人) 均是采用轮腿式行走机构，这种机构原理简单、运动 (a)人工检测绝缘子 连续、体积轻便，然而这类机构在对不同绝缘子串的 适应性、运动稳定性及承载能力等方面略显不足。 铁帽 目前，国内外研制的悬垂绝缘子检测机器人处于功 能实现阶段，具备行走和检测的基本功能。然而，实 瓷件 际线路中悬垂绝缘子串相邻绝缘子的轴线并不重 合，绝缘子串本身存在小角度的弯曲，当前研制的悬 垂绝缘子检测机器人设计时假设所有绝缘子的轴线 、钢脚 重合，难以应用于实际线路环境。 (b)绝缘子剖面图 针对上述绝缘子检测机器人行走机构存在的问 题，本文提出了一种串并联复合式绝缘子检测机器 人机构，该机构由蠕动式行走机构与检测机构组成， 采用反平行四边形机构实现夹紧，利用Deta型并 联机构实现三维移动，与现有的绝缘子检测机器人 机构相比，该机构具有运动平稳、适应性好及负载能 (c)V型绝缘子串 力强等特点。 图1盘形悬式绝缘子串 Fig.1 Cap and pin insulator strings 1环境描述与检测任务 2机构总体方案 盘形悬式绝缘子是架空输电线路中常见的绝缘 器件，按照DL/T626-2005《劣化盘形悬式绝缘子检 基于上述环境描述与任务需求，借鉴人在爬树 测规程》的要求，需定期执行测量分布电压、测量绝 过程中的运动机理，提出机构方案。如图2所示，通 缘电阻和工频耐压实验中的一项检测。 常人在爬树时双手双脚分别环抱夹紧树干，配合腰 在设计悬垂绝缘子检测机器人机构时，通常仅 部的伸缩沿弯曲的树干爬行。本文依据人爬树的运 考虑绝缘子串处于铅垂状态的情况，即所有绝缘子 动机理，在蠕动式和腿足式绝缘子检测机器人研究 片的轴线在同一直线上，如图1(a)所示。实际上由 的基础上，提出了一种新型的串并联复合式悬垂绝 于相邻绝缘子片依靠铁帽和钢脚连接，如图1(b)所 缘子检测机器人机构。 示，仅仅限制其高度方面的参数和位移，并未限制其 相对转动[o,根据GB/T4056-2008《绝缘子串元件 的球窝连接尺寸》山，相邻绝缘子片间临界夹角按 不同联接标记规定为9°~12°，所以在实际线路中由 于自然弯曲、安装误差、风载等原因，绝缘子串轴线 有时呈现为一段小角度范围内弯曲的空间曲线，如 图1(c)所示。目前国内最常用的检测输电线路瓷 质绝缘子的方法为人工登塔带电检测，即电力操作 人员登上铁塔后，利用携带的绝缘杆将绝缘子检测 图2爬树过程示意 装置靠近绝缘子，并使绝缘子检测装置的探针与相 Fig.2 Schematic of a child climbing a tree
杂；意大利学者 Ｌｕｉｇｉ Ｐａｒｉｓ ［６］ 研发的高压绝缘子维 护清扫机构采用了履带式的行走机构，其行走方式 主要依靠履带沿绝缘子表面进行滚动式爬行，这种 机构承载能力强、有很强的表面适应能力，广泛应用 于各类越障机器人中，但其结构复杂、体积笨重；轮 腿式行走机构是一种利用多组轮腿交替与绝缘子瓷 裙接触以实现沿悬垂绝缘子串运动的机构，韩国电 力研究院研制的绝缘子检测机器人［７⁃８］ 和中国东北 大学研制的叶轮滚动式悬垂绝缘子检测机器人［９］ 均是采用轮腿式行走机构，这种机构原理简单、运动 连续、体积轻便，然而这类机构在对不同绝缘子串的 适应性、运动稳定性及承载能力等方面略显不足。 目前，国内外研制的悬垂绝缘子检测机器人处于功 能实现阶段，具备行走和检测的基本功能。 然而，实 际线路中悬垂绝缘子串相邻绝缘子的轴线并不重 合，绝缘子串本身存在小角度的弯曲，当前研制的悬 垂绝缘子检测机器人设计时假设所有绝缘子的轴线 重合，难以应用于实际线路环境。 针对上述绝缘子检测机器人行走机构存在的问 题，本文提出了一种串并联复合式绝缘子检测机器 人机构，该机构由蠕动式行走机构与检测机构组成， 采用反平行四边形机构实现夹紧，利用 Ｄｅｌｔａ 型并 联机构实现三维移动，与现有的绝缘子检测机器人 机构相比，该机构具有运动平稳、适应性好及负载能 力强等特点。 １ 环境描述与检测任务 盘形悬式绝缘子是架空输电线路中常见的绝缘 器件，按照 ＤＬ ／ Ｔ ６２６⁃２００５《劣化盘形悬式绝缘子检 测规程》的要求，需定期执行测量分布电压、测量绝 缘电阻和工频耐压实验中的一项检测。 在设计悬垂绝缘子检测机器人机构时，通常仅 考虑绝缘子串处于铅垂状态的情况，即所有绝缘子 片的轴线在同一直线上，如图 １（ａ）所示。 实际上由 于相邻绝缘子片依靠铁帽和钢脚连接，如图 １（ｂ）所 示，仅仅限制其高度方面的参数和位移，并未限制其 相对转动［１０］ ，根据 ＧＢ ／ Ｔ ４０５６⁃２００８《绝缘子串元件 的球窝连接尺寸》 ［１１］ ，相邻绝缘子片间临界夹角按 不同联接标记规定为 ９° ～１２°，所以在实际线路中由 于自然弯曲、安装误差、风载等原因，绝缘子串轴线 有时呈现为一段小角度范围内弯曲的空间曲线，如 图 １（ｃ）所示。 目前国内最常用的检测输电线路瓷 质绝缘子的方法为人工登塔带电检测，即电力操作 人员登上铁塔后，利用携带的绝缘杆将绝缘子检测 装置靠近绝缘子，并使绝缘子检测装置的探针与相 邻两绝缘子的铁帽可靠接触，测量绝缘子的绝缘电 阻，根据绝缘电阻的大小判断低值绝缘子。 图 １（ａ） 所示为电力操作人员检测耐张瓷质绝缘子串。 （ａ）人工检测绝缘子 （ｂ）绝缘子剖面图 （ｃ）Ｖ 型绝缘子串 图 １ 盘形悬式绝缘子串 Ｆｉｇ．１ Ｃａｐ ａｎｄ ｐｉｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓｔｒｉｎｇｓ ２ 机构总体方案 基于上述环境描述与任务需求，借鉴人在爬树 过程中的运动机理，提出机构方案。 如图 ２ 所示，通 常人在爬树时双手双脚分别环抱夹紧树干，配合腰 部的伸缩沿弯曲的树干爬行。 本文依据人爬树的运 动机理，在蠕动式和腿足式绝缘子检测机器人研究 的基础上，提出了一种新型的串并联复合式悬垂绝 缘子检测机器人机构。 图 ２ 爬树过程示意 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ａ ｃｈｉｌｄ ｃｌｉｍｂｉｎｇ ａ ｔｒｅｅ ·５４２· 智 能 系 统 学 报 第 １０ 卷
第4期 何磊，等：一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计 ·543. 2.1机构的构型 相同，均采用反平行四边形机构。如图4所示，机架 如图3所示，机器人机构由推进机构、夹紧机构 AC与平台固连，长度为d,驱动连杆AB与左夹爪固 和检测机构组成。其中推进机构采用Delta型并联 连，长度为a,连杆BD长度为b,从动杆CD与右夹 机构，包括上平台1、下平台2、上连杆组3、下连杆 爪固连，长度为c,其中AB=CD,AC=BD。当电机 组4：夹紧机构包括上夹爪5、下夹爪6：检测机构包 M,驱动垂直放置的旋转关节J4,可实现夹爪的夹紧 括探针7和旋转关节J6。 和松开。 绝缘 检测 子串 探针 上夹爪 i J(M) 一上平台 J(M J(M) 上连 杆组 J(M) J(M 下连 杆组 下夹爪 -下平台 J(M) 图4反平行四边形机构 Fig.4 Anti-parallelogram mechanism 2.4 检测机构 图3机构的构型 探针、电机和齿轮组构成的检测机构如图5所示。 Fig.3 Configuration of mechanism 上连杆组由3个周向均布的连杆构成，每个连 杆通过水平放置的旋转关节J、J2、J与圆环状上平 台1连接，每个连杆分别通过电机M1、M2和M3驱动 旋转关节实现上连杆绕上平台的旋转。下连杆组由 6个周向均布的连杆组成，每个连杆采用球铰链与 上连杆组3及圆环状下平台2连接。 上夹爪5采用反平行四边形夹紧机构，通过电 机M,驱动垂直放置的旋转关节J4实现对绝缘子铁 帽的夹紧。上夹爪5与下夹爪6结构相同，分别安 图5检测机构示意图 装于机器人的上平台1和下平台2。 Fig.5 Diagrammatic sketch of detection mechanism 检测机构包括探针（与绝缘子检测仪相连接）、 当机器人本体到达指定位置，通过电机M,驱动 电机和齿轮组，其中探针7通过垂直放置的旋转关 旋转关节J6,实现检测探针搭接在相邻两片绝缘子 节J。与上平台1固连，通过电机M,驱动旋转关节实 片的铁帽上，检测仪自动完成对绝缘子片绝缘电阻 现探针对相邻两片绝缘子铁帽的搭接，通过绝缘子 值的检测。 检测仪实现对绝缘子的零值及低值的检测。 2.5机构工作原理 2.2 Delta型并联机构 为便于介绍工作原理，给出该机器人机构的等 Dela型并联机构具有3个平动自由度。3 效机构，如图6所示，包括推进机构、检测机构、上夹 条支链中的上连杆组3为驱动杆，与上连杆3铰接 爪和下夹爪。机构沿绝缘子串的运动采用蠕动式爬 的下连杆组4为从动杆。当其中一个平台固定时， 行，通过上下夹爪的交替夹紧和推进机构的伸缩，实 电机M1、M,和M,驱动上连杆组3，带动下连杆组4 现机器人沿绝缘子串的移动，移动过程中对绝缘子 实现另外一个平台在X向、Y向和Z向的平移。其 进行检测，等效机构对一片绝缘子的爬行及检测过 中Z向移动实现了机器人沿悬垂绝缘子串的爬行， 程如下： 由于悬垂绝缘子串属于柔性连接，平台在X向和Y 1)初始状态：上夹爪和下夹爪同时夹紧铁帽， 向的平移可适应弯曲的绝缘子串。 检测机构保持原位，见图6(a)； 2.3夹紧机构 2)收缩状态：上夹爪夹紧铁帽，下夹爪松开铁 夹紧机构包括上夹爪5和下夹爪6，两者结构 帽，推进机构收缩到图6(b)所示的状态：
２．１ 机构的构型 如图 ３ 所示，机器人机构由推进机构、夹紧机构 和检测机构组成。 其中推进机构采用 Ｄｅｌｔａ 型并联 机构，包括上平台 １、下平台 ２、上连杆组 ３、下连杆 组 ４；夹紧机构包括上夹爪 ５、下夹爪 ６；检测机构包 括探针 ７ 和旋转关节 Ｊ６ 。 图 ３ 机构的构型 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 上连杆组由 ３ 个周向均布的连杆构成，每个连 杆通过水平放置的旋转关节 Ｊ１ 、Ｊ２ 、Ｊ３与圆环状上平 台 １ 连接，每个连杆分别通过电机 Ｍ１ 、Ｍ２和 Ｍ３驱动 旋转关节实现上连杆绕上平台的旋转。 下连杆组由 ６ 个周向均布的连杆组成，每个连杆采用球铰链与 上连杆组 ３ 及圆环状下平台 ２ 连接。 上夹爪 ５ 采用反平行四边形夹紧机构，通过电 机 Ｍ４驱动垂直放置的旋转关节 Ｊ４实现对绝缘子铁 帽的夹紧。 上夹爪 ５ 与下夹爪 ６ 结构相同，分别安 装于机器人的上平台 １ 和下平台 ２。 检测机构包括探针（与绝缘子检测仪相连接）、 电机和齿轮组，其中探针 ７ 通过垂直放置的旋转关 节 Ｊ６与上平台 １ 固连，通过电机 Ｍ６驱动旋转关节实 现探针对相邻两片绝缘子铁帽的搭接，通过绝缘子 检测仪实现对绝缘子的零值及低值的检测。 ２．２ Ｄｅｌｔａ 型并联机构 Ｄｅｌｔａ 型并联机构具有 ３ 个平动自由度［１２］ 。 ３ 条支链中的上连杆组 ３ 为驱动杆，与上连杆 ３ 铰接 的下连杆组 ４ 为从动杆。 当其中一个平台固定时， 电机 Ｍ１ 、Ｍ２和 Ｍ３驱动上连杆组 ３，带动下连杆组 ４ 实现另外一个平台在 Ｘ 向、Ｙ 向和 Ｚ 向的平移。 其 中 Ｚ 向移动实现了机器人沿悬垂绝缘子串的爬行， 由于悬垂绝缘子串属于柔性连接，平台在 Ｘ 向和 Ｙ 向的平移可适应弯曲的绝缘子串。 ２．３ 夹紧机构 夹紧机构包括上夹爪 ５ 和下夹爪 ６，两者结构 相同，均采用反平行四边形机构。 如图 ４ 所示，机架 ＡＣ 与平台固连，长度为 ｄ，驱动连杆 ＡＢ 与左夹爪固 连，长度为 ａ，连杆 ＢＤ 长度为 ｂ，从动杆 ＣＤ 与右夹 爪固连，长度为 ｃ，其中 ＡＢ ＝ ＣＤ，ＡＣ ＝ ＢＤ。 当电机 Ｍ４ 驱动垂直放置的旋转关节 Ｊ４ ，可实现夹爪的夹紧 和松开。 图 ４ 反平行四边形机构 Ｆｉｇ．４ Ａｎｔｉ⁃ｐａｒａｌｌｅｌｏｇｒａｍ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ２．４ 检测机构 探针、电机和齿轮组构成的检测机构如图 ５ 所示。 图 ５ 检测机构示意图 Ｆｉｇ．５ Ｄｉａｇｒａｍｍａｔｉｃ ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 当机器人本体到达指定位置，通过电机 Ｍ６驱动 旋转关节 Ｊ６ ，实现检测探针搭接在相邻两片绝缘子 片的铁帽上，检测仪自动完成对绝缘子片绝缘电阻 值的检测。 ２．５ 机构工作原理 为便于介绍工作原理，给出该机器人机构的等 效机构，如图 ６ 所示，包括推进机构、检测机构、上夹 爪和下夹爪。 机构沿绝缘子串的运动采用蠕动式爬 行，通过上下夹爪的交替夹紧和推进机构的伸缩，实 现机器人沿绝缘子串的移动，移动过程中对绝缘子 进行检测，等效机构对一片绝缘子的爬行及检测过 程如下： １）初始状态：上夹爪和下夹爪同时夹紧铁帽， 检测机构保持原位，见图 ６（ａ）； ２）收缩状态：上夹爪夹紧铁帽，下夹爪松开铁 帽，推进机构收缩到图 ６（ｂ）所示的状态； 第 ４ 期 何磊，等：一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计 ·５４３·
.544. 智能系统学报 第10卷 3)伸展状态：下夹爪夹紧铁帽，上夹爪松开铁 轴均垂直于上、下平台，Y、Y轴分别垂直于B,B, 帽，推进机构展开到图6(c)所示的状态； 和P,P2,三根上连杆为BE:,长度为L。,下连杆为 4)检测状态：绝缘子检测仪触发，检测机构对 E:P:,长度为L。,0为上连杆对上平台的张角。 绝缘子阻值检测，检测结束后检测机构回到初始位 该机构的运动学反解即给定下平台中心点在静 置，完成一片绝缘子的检测，见图6(d)。 坐标系中的坐标[0']。(x,y,z)即向量O0',求解 绝缘子串 上连杆与上平台之间的张角0，的过程。根据支链 上夹爪 的几何关系，得到 测 OB:+BE+EP:+P0'+O'0=0(1) 式中i=1,2,3。根据机构参数： 推 : PE=L (2) 机 ☒ 式中：OB、BE、E,P、PO'、O'O均可用 下夹爪 [0'门。(x,y,z)、0,、02、0以及机构的结构参数表 (a)初始状态 (b)收缩状态 示，对于每组支链，联合式(1)、(2)进行求解，运动 学反解可通过解3组支链的方程求出。 该机构的运动学正解是给定3个驱动关节J1、 J2J3的转角01、02、0，求解向量00'的过程，本文 构造如图8所示的特征四面体0E,'E2'E,),利用 几何学及矢量代数的方法求解其运动学正解，其中 F是其底面E,'E2'E,'的垂足，D为E,'E,'的中点， 根据几何关系知道： (c)伸展状态 (d)检测状态 O0'=OF+F01 (3) 图6运动过程示意 首先按文献)的方法首先求出OF: Fig.6 Movement diagram of peristaltic mechanism E3'E'×E'E2'×E3'E, E,'E,'×E,'E'×E,'E,7× 0F= 3 运动分析与机构尺寸设计 Z√TE,'F-E3'DT+ 0E,'+0E 2 考虑到悬垂绝缘子检测机器人向上移动的过程 中，机构的收缩与伸展运动过程是类似的，这里仅对 式中：|E,'D|为E,E,'/2,E3F为底面 机构收缩的运动过程进行分析。 E,'E,'E,'的外接圆的半径，可通过外接圆半径公式 3.1推进机构运动学正反解 得到。 考虑上平台固定、下平台运动的情况，建立图7 求解FO',其结果如下所示： 所示的坐标系。 E'E'×E2'E,' F0=EE×E,E7√oE,T-EFT 根据已知参数和上述几何关系得到OF、FO', 将其代入式(3)求得O0'的解析解，即该推进机构 B 运动学正解。 图7并联机构简化模型 Fig.7 Simplified model of parallel mechanism 上、下平台半径分别为R、r,其内接正三角形 BB2B3、P,P2P3,静、动坐标系O-XYZ与O'-X'YZ 图8特征四面体 的原点0、O'位于上、下平台的几何中心，其Z、Z Fig.8 Characteristic tetrahedron
３）伸展状态：下夹爪夹紧铁帽，上夹爪松开铁 帽，推进机构展开到图 ６（ｃ）所示的状态； ４）检测状态：绝缘子检测仪触发，检测机构对 绝缘子阻值检测，检测结束后检测机构回到初始位 置，完成一片绝缘子的检测，见图 ６（ｄ）。 图 ６ 运动过程示意 Ｆｉｇ．６ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｐｅｒｉｓｔａｌｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ３ 运动分析与机构尺寸设计 考虑到悬垂绝缘子检测机器人向上移动的过程 中，机构的收缩与伸展运动过程是类似的，这里仅对 机构收缩的运动过程进行分析。 ３．１ 推进机构运动学正反解 考虑上平台固定、下平台运动的情况，建立图 ７ 所示的坐标系。 图 ７ 并联机构简化模型 Ｆｉｇ．７ Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 上、下平台半径分别为 Ｒ 、 ｒ ，其内接正三角形 Ｂ１Ｂ２Ｂ３ 、 Ｐ１Ｐ２Ｐ３ ，静、动坐标系 Ｏ⁃ＸＹＺ 与 Ｏ′⁃Ｘ′Ｙ′Ｚ′ 的原点 Ｏ 、 Ｏ′ 位于上、下平台的几何中心，其 Ｚ 、 Ｚ′ 轴均垂直于上、下平台， Ｙ 、 Ｙ′ 轴分别垂直于 Ｂ１Ｂ２ 和 Ｐ１Ｐ２ ，三根上连杆为 ＢｉＥｉ ，长度为 Ｌｂ ，下连杆为 ＥｉＰｉ ，长度为 Ｌａ ， θｉ 为上连杆对上平台的张角。 该机构的运动学反解即给定下平台中心点在静 坐标系中的坐标 [Ｏ′] Ｏ (ｘ，ｙ，ｚ) 即向量 ＯＯ′，求解 上连杆与上平台之间的张角 θｉ 的过程。 根据支链 的几何关系，得到 ＯＢｉ ＋ ＢｉＥｉ ＋ ＥｉＰｉ ＋ ＰｉＯ′ ＋ Ｏ′Ｏ ＝ ０ （１） 式中 ｉ ＝ １，２，３。 根据机构参数： ＰｉＥｉ ＝ Ｌａ （２） 式 中： ＯＢｉ、 ＢｉＥｉ、 ＥｉＰｉ、 ＰｉＯ′、 Ｏ′ Ｏ 均 可 用 [Ｏ′] Ｏ (ｘ，ｙ，ｚ) 、 θ１ 、 θ２ 、 θ３ 以及机构的结构参数表 示，对于每组支链，联合式（１）、（２）进行求解，运动 学反解可通过解 ３ 组支链的方程求出。 该机构的运动学正解是给定 ３ 个驱动关节 Ｊ１ 、 Ｊ２ 、Ｊ３ 的转角 θ１ 、 θ２ 、 θ３ ，求解向量 ＯＯ′的过程，本文 构造如图 ８ 所示的特征四面体 ＯＥ１ ′Ｅ２ ′Ｅ３ ′ ［１３］ ，利用 几何学及矢量代数的方法求解其运动学正解，其中 Ｆ 是其底面 Ｅ１ ′Ｅ２ ′Ｅ３ ′ 的垂足，Ｄ 为 Ｅ１ ′Ｅ３ ′ 的中点， 根据几何关系知道： ＯＯ′ ＝ ＯＦ ＋ ＦＯ′ （３） 首先按文献［１３］的方法首先求出 ＯＦ： ＯＦ ＝ Ｅ３ ′Ｅ１ ′ × Ｅ１ ′Ｅ２ ′ × Ｅ３ ′Ｅ１ ′ Ｅ３ ′Ｅ１ ′ × Ｅ１ ′Ｅ２ ′ × Ｅ３ ′Ｅ１ ′ × Ｚ Ｅ３ ′Ｆ － Ｅ３ ′Ｄ ＋ ＯＥ１ ′ ＋ ＯＥ３ ′ ２ 式 中： Ｅ３ ′Ｄ 为 Ｅ１ ′Ｅ３ ′ ／ ２， Ｅ３ ′Ｆ 为 底 面 Ｅ１ ′Ｅ２ ′Ｅ３ ′ 的外接圆的半径，可通过外接圆半径公式 得到。 求解 ＦＯ′，其结果如下所示： ＦＯ′ ＝ Ｅ３ ′Ｅ１ ′ × Ｅ２ ′Ｅ１ ′ Ｅ３ ′Ｅ１ ′ × Ｅ２ ′Ｅ１ ′ Ｏ′Ｅ３ ′ ２ － Ｅ′Ｆ３ ２ 根据已知参数和上述几何关系得到 ＯＦ、ＦＯ′， 将其代入式（３）求得 ＯＯ′的解析解，即该推进机构 运动学正解。 图 ８ 特征四面体 Ｆｉｇ．８ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｔｅｔｒａｈｅｄｒｏｎ ·５４４· 智 能 系 统 学 报 第 １０ 卷
第4期 何磊，等：一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计 .545. 3.2机构尺寸设计 机器人机构对绝缘子的检测功能在检测状态时 图9所示是一种常见的盘形瓷质双伞裙悬垂绝 由检测机构完成，机器人机构沿绝缘子串的爬行功 缘子XWP2-160,其主要结构尺寸公称盘径D为 能主要包括初始状态的收缩过程和从收缩状态到伸 280mm、公称结构高度H为155mm。 展状态的伸展过程，这2个过程是对称的，仿真针对 机构的收缩过程进行。一般情况下，悬垂绝缘子串 在重力作用下处于铅垂状态，任意2个相邻绝缘子 片的轴线重合，绝缘子串轴线成一条直线，如图11 中绝缘子片1与绝缘子片2所示的情况，此时上平 台固定在点G,附近，机构收缩过程中下平台从点 G,直线移动到G,只有Z方向上的运动，而X、Y方 向上的位移均为0。 G 图9绝缘子参数 绝缘子片1 Fig.9 Parameters of insulator G 结合该机构的原理与实际绝缘子的参数，初步 选定本文中设计的机构各部分参数如表1所示。 绝缘子片2 表1机构主要参数 G Table 1 Parameters of mechanism 绝缘子片3 机构参数数值/mm 机构参数数值/mm 0 G R 180 30 180 b 150 绝缘子片4 L 180 c 30 G L. 180 d 150 图11绝缘子串轴线 Fig.11 Axis of insulator string 4 运动仿真验证 然而，如前文所述，考虑到两片绝缘子之间属于 根据上面的分析和设计尺寸，在Solidworks中 柔性连接，由于自然弯曲、安装误差、风载扰动等原 建立了机构的三维模型，如图10所示。 因，实际线路中的相邻绝缘子片轴线会出现不重合 的情况，如图11中绝缘子片2与绝缘子片3之间 绝缘子片3与绝缘子片4之间的情况所示。此时绝 缘子串的轴线可近似表示成一条空间折线，收缩时 上平台固定在点G,或G,附近，下平台从G直线移 动到G4或从G4直线移动到G3,这种情况下，需要 X、Y、Z这3个方向的自由度。 给定机器人机构的收缩过程耗时5s,根据机构 (a)初始状态 (b)收缩状态 的爬行原理，收缩一次的行程为一个绝缘子的公称 结构高度H,这里为155mm,采用梯形规律规划其 速度如图12所示。 38.75 )/A (c)伸展状态 (d)检测状态 的 图10机构运动过程 图12梯形速度规划 Fig.10 Movement process of mechanism Fig.12 Trapezoidal velocity planning
３．２ 机构尺寸设计 图 ９ 所示是一种常见的盘形瓷质双伞裙悬垂绝 缘子 ＸＷＰ２⁃１６０，其主要结构尺寸公称盘径 Ｄ 为 ２８０ ｍｍ、公称结构高度 Ｈ 为 １５５ ｍｍ。 图 ９ 绝缘子参数 Ｆｉｇ．９ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ 结合该机构的原理与实际绝缘子的参数，初步 选定本文中设计的机构各部分参数如表 １ 所示。 表 １ 机构主要参数 Ｔａｂｌｅ １ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 机构参数 数值／ ｍｍ 机构参数 数值／ ｍｍ Ｒ １８０ ａ ３０ ｒ １８０ ｂ １５０ Ｌｂ １８０ ｃ ３０ Ｌａ １８０ ｄ １５０ ４ 运动仿真验证 根据上面的分析和设计尺寸，在 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ 中 建立了机构的三维模型，如图 １０ 所示。 （ａ）初始状态 （ｂ）收缩状态 （ｃ）伸展状态 （ｄ）检测状态 图 １０ 机构运动过程 Ｆｉｇ．１０ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 机器人机构对绝缘子的检测功能在检测状态时 由检测机构完成，机器人机构沿绝缘子串的爬行功 能主要包括初始状态的收缩过程和从收缩状态到伸 展状态的伸展过程，这 ２ 个过程是对称的，仿真针对 机构的收缩过程进行。 一般情况下，悬垂绝缘子串 在重力作用下处于铅垂状态，任意 ２ 个相邻绝缘子 片的轴线重合，绝缘子串轴线成一条直线，如图 １１ 中绝缘子片 １ 与绝缘子片 ２ 所示的情况，此时上平 台固定在点 Ｇ１ 附近，机构收缩过程中下平台从点 Ｇ３ 直线移动到 Ｇ２ ，只有 Ｚ 方向上的运动，而 Ｘ、Ｙ 方 向上的位移均为 ０。 图 １１ 绝缘子串轴线 Ｆｉｇ．１１ Ａｘｉｓ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓｔｒｉｎｇ 然而，如前文所述，考虑到两片绝缘子之间属于 柔性连接，由于自然弯曲、安装误差、风载扰动等原 因，实际线路中的相邻绝缘子片轴线会出现不重合 的情况，如图 １１ 中绝缘子片 ２ 与绝缘子片 ３ 之间、 绝缘子片 ３ 与绝缘子片 ４ 之间的情况所示。 此时绝 缘子串的轴线可近似表示成一条空间折线，收缩时 上平台固定在点 Ｇ２ 或 Ｇ３ 附近，下平台从 Ｇ５ 直线移 动到 Ｇ４ 或从 Ｇ４ 直线移动到 Ｇ３ ，这种情况下，需要 Ｘ、Ｙ、Ｚ 这 ３ 个方向的自由度。 给定机器人机构的收缩过程耗时 ５ｓ，根据机构 的爬行原理，收缩一次的行程为一个绝缘子的公称 结构高度 Ｈ，这里为 １５５ ｍｍ，采用梯形规律规划其 速度如图 １２ 所示。 图 １２ 梯形速度规划 Ｆｉｇ．１２ Ｔｒａｐｅｚｏｉｄａｌ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｐｌａｎｎｉｎｇ 第 ４ 期 何磊，等：一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计 ·５４５·
.546 智能系统学报 第10卷 仿真分析图11中较复杂的情况，考虑到机构与 为了验证其正确性，根据机构的运动学正解分 绝缘子的实际尺寸，上平台固定在G,下方，收缩过 析，在MATLAB中编程并从图13(c)的结果中选取 程是下平台中心点O'按照图12所规划的速度v从 5组驱动关节J1、J2、J3的角度值代人进行解算，结 点G4直线运动到点G3的过程，以上平台中心点O 果如表2所示。 为原点，点G3的坐标为(0,0，-125)，点G4的坐标 表2运动学正解结果 为(25.3,9.2，-277.6)，可以计算出绝缘子片3的轴 Table 2 Results of forward kinematics 线相对绝缘子片2的轴线有10°的偏转。根据前述 序号 0,/(°）0，/（°）03/（°）x/mmy/mm 2/mm 运动学反解的分析，在MATLAB中编程进行解算得 44.7 35.4 37.0 25.3 9.2 -277.6 到如图13所示的结果。从结果可知，该机构的收缩 55.7 48.4 49.7 16.4 6.0 -224.2 过程利用推进部分3个驱动关节J、J2、J3联动 62.1 56.7 57.6 10.1 3.7 -186.1 实现。 4 67.3 64.7 65.2 3.8 1.4 -147.9 50r 5 69.7 69.7 69.7 0 0 -125 -50 从结果可知，表中序号为1的点与G4重合而序 -100 -150 号为5的点与G重合，经比较可知，二者间的数值 -200 完全一致。表中序号为2、3、4的点也可通过计算验 -250 证其均在以点G,和G为端点的线段上。仿真结果 -300 2 表明该机构可以实现沿规划的空间直线收缩，机构 (a)上平台位移曲线 伸展过程与此类似，配合夹爪的松开和夹紧，能够在 40r 一定范围内适应小角度弯曲的悬垂绝缘子串。 30H 由以上仿真分析可知，机器人可以沿悬垂绝缘 子串行走，并通过携带的检测装置对绝缘子进行零 (s.ww)/a 20 值和低值的检测。由于机器人机构采用并联机构原 10 理设计，其负载能力较强，另外上平台和下平台具有 沿X向、Y向和Z向运动的能力，机器人对悬垂绝缘 2 3 子串的适应能力强，运动平稳可靠。 tis (b)上平台速度曲线 5 结束语 70 面向输电线路悬垂绝缘子串检测任务的实际需 60 求，本文提出了一种串并联复合式绝缘子检测机器 人机构。分析与仿真结果表明，采用反平行四边形 50 -0 机构可实现有效的夹持，采用Delta型并联机构作 为推进机构，不仅保证了移动过程中平稳可靠及负 50 载能力强，而且能够在一定范围内适应小角度弯曲 t/s 的悬垂绝缘子串。与现有的绝缘子检测机器人机构 (c)驱动关节角度曲线 相比，本文提出的机构具有运动平稳、负载能力强及 40 ·03 适应性好等优，点，因而更具有实用价值。未来的工 30 …03 作主要包括控制系统设计、样机研制及实验研究。 20 参考文献： 10 [1]国家电网公司.110(66)kV~500kV架空输电线路管理 规范[M].北京：中国电力出版社，2006：1-171 [2]武汉高压研究所.DL/T626-2005,劣化盘形悬式绝缘子 s 检测规程[S].北京：中国电力出版社，2005. (d)驱动关节角速度曲线 [3]朱虎，李卫国，林冶.绝缘子检测方法的现状与发展 图13收缩运动曲线 [J].电瓷避雷器，2006(6)：13-17. Fig.13 Curve of contraction movement ZHU Hu,LI Weiguo,LIN Ye.Present and future develop-
仿真分析图 １１ 中较复杂的情况，考虑到机构与 绝缘子的实际尺寸，上平台固定在 Ｇ２ 下方，收缩过 程是下平台中心点 Ｏ′ 按照图 １２ 所规划的速度 ｖ 从 点 Ｇ４ 直线运动到点 Ｇ３ 的过程，以上平台中心点 Ｏ 为原点，点 Ｇ３ 的坐标为（０，０，－１２５），点 Ｇ４ 的坐标 为（２５．３，９．２，－２７７．６），可以计算出绝缘子片 ３ 的轴 线相对绝缘子片 ２ 的轴线有 １０°的偏转。 根据前述 运动学反解的分析，在 ＭＡＴＬＡＢ 中编程进行解算得 到如图 １３ 所示的结果。 从结果可知，该机构的收缩 过程利用推进部分 ３ 个驱动关节 Ｊ１ 、 Ｊ２ 、 Ｊ３ 联动 实现。 （ａ）上平台位移曲线 （ｂ）上平台速度曲线 （ｃ）驱动关节角度曲线 （ｄ）驱动关节角速度曲线 图 １３ 收缩运动曲线 Ｆｉｇ．１３ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ 为了验证其正确性，根据机构的运动学正解分 析，在 ＭＡＴＬＡＢ 中编程并从图 １３（ｃ）的结果中选取 ５ 组驱动关节 Ｊ１ 、Ｊ２ 、Ｊ３ 的角度值代入进行解算，结 果如表 ２ 所示。 表 ２ 运动学正解结果 Ｔａｂｌｅ ２ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｏｒｗａｒｄ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ 序号 θ１ ／ （°） θ２ ／ （°） θ３ ／ （°） ｘ ／ ｍｍ ｙ ／ ｍｍ ｚ／ ｍｍ １ ４４．７ ３５．４ ３７．０ ２５．３ ９．２ －２７７．６ ２ ５５．７ ４８．４ ４９．７ １６．４ ６．０ －２２４．２ ３ ６２．１ ５６．７ ５７．６ １０．１ ３．７ －１８６．１ ４ ６７．３ ６４．７ ６５．２ ３．８ １．４ －１４７．９ ５ ６９．７ ６９．７ ６９．７ ０ ０ －１２５ 从结果可知，表中序号为 １ 的点与 Ｇ４ 重合而序 号为 ５ 的点与 Ｇ３ 重合，经比较可知，二者间的数值 完全一致。 表中序号为 ２、３、４ 的点也可通过计算验 证其均在以点 Ｇ３ 和 Ｇ４ 为端点的线段上。 仿真结果 表明该机构可以实现沿规划的空间直线收缩，机构 伸展过程与此类似，配合夹爪的松开和夹紧，能够在 一定范围内适应小角度弯曲的悬垂绝缘子串。 由以上仿真分析可知，机器人可以沿悬垂绝缘 子串行走，并通过携带的检测装置对绝缘子进行零 值和低值的检测。 由于机器人机构采用并联机构原 理设计，其负载能力较强，另外上平台和下平台具有 沿 Ｘ 向、Ｙ 向和 Ｚ 向运动的能力，机器人对悬垂绝缘 子串的适应能力强，运动平稳可靠。 ５ 结束语 面向输电线路悬垂绝缘子串检测任务的实际需 求，本文提出了一种串并联复合式绝缘子检测机器 人机构。 分析与仿真结果表明，采用反平行四边形 机构可实现有效的夹持，采用 Ｄｅｌｔａ 型并联机构作 为推进机构，不仅保证了移动过程中平稳可靠及负 载能力强，而且能够在一定范围内适应小角度弯曲 的悬垂绝缘子串。 与现有的绝缘子检测机器人机构 相比，本文提出的机构具有运动平稳、负载能力强及 适应性好等优点，因而更具有实用价值。 未来的工 作主要包括控制系统设计、样机研制及实验研究。 参考文献： ［１］国家电网公司． １１０（６６） ｋＶ ～ ５００ｋＶ 架空输电线路管理 规范［Ｍ］． 北京： 中国电力出版社， ２００６： １⁃１７１． ［２］武汉高压研究所．ＤＬ／ Ｔ ６２６⁃２００５， 劣化盘形悬式绝缘子 检测规程［Ｓ］． 北京： 中国电力出版社， ２００５． ［３］朱虎， 李卫国， 林冶． 绝缘子检测方法的现状与发展 ［Ｊ］． 电瓷避雷器， ２００６（６）： １３⁃１７． ＺＨＵ Ｈｕ， ＬＩ Ｗｅｉｇｕｏ， ＬＩＮ Ｙｅ． Ｐｒｅｓｅｎｔ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐ⁃ ·５４６· 智 能 系 统 学 报 第 １０ 卷
第4期 何磊，等：一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计 ·547. ment of detection methods for composite insulatorJ.Insu- [12]梁香宁，牛志刚.三自由度Delta并联机器人运动学分 lators and Surge Arresters,2006(6):13-17. 析及工作空间求解[J].太原理工大学学报，2008,39 [4]PARK J Y,CHO B H,BYUN S H.Development of auto- (1):93-96. matic cleaning robot for live-line insulators[C]//IEEE 11th LIANG Xiangning,NIU Zhigang.Kinematic analysis and Intemational Conference on Transmission and Distribution workspace of 3-Dof delta parallel robot [J].Journal of Construction,Operation and Live-Line Maintenance.Albu- Taiyuan University of Technology,2008,39(1):93-96. querque,USA,2006:1-7. [13]赵杰，朱延河，蔡鹤皋.Dela型并联机器人运动学正 [5]PHILLIPS A.Using robotics for insulators[J].Electricity 解几何解法[J].哈尔滨工业大学学报，2003,35(1)： Today,2014,25(3):76. 25-27. [6]PARIS L.Equipment to carry out maintenanace operations, ZHAO Jie,ZHU Yanhe,CAl Hegao.Geometric solution particularly washing,on insulator chains of high voltage e- for direct kinematics of delta parallel robot[J].Journal of lectric lines[P].United States:5119851.1992-06-09. Harbin Institute of Technology,2003,35(1):25-27. [7]PARK J Y,LEE J K,CHO B H,et al.Development of in- 作者简介： spection robot system for live-line suspension insulator 何磊，男，1988年生，硕士研究 strings in 345kV power transmission lines[C]//13th Euro- 生，主要研究方向为机器人机构设计。 pean Conference on Power Electronics and Applications. Barcelona,Spain,2009:1-8. [8]PARK J Y,LEE J K,CHO B H,et al.Development of ad- vanced insulator inspection robot for 345kV suspension insu- lator strings C]//Proceedings of the International Multi- Conference of Engineers and Computer Scientists.Hong 王洪光，男，1965年生，研究员， Kong,China,2010:1088-1109. 博土生导师，主要研究方向为机器人 [9]赵治国.悬垂绝缘子检测机器人机构设计与分析[D]· 机构学、特种机器人和机电一体化技 沈阳：东北大学，2012：1-67. 术。发表学术论文50余篇，获得发明 ZHAO Zhiguo.Mechanism design and analysis of suspension 和实用新型专利20余项。 insulator inspection robot[D].Shenyang:Northeastern Uni- versity,2012:1-67. [10]邹祥艳.输电线路悬垂绝缘子串风致失效机理及防治 刘爱华，女，1977年生，副研究 [D].南昌：南昌航空大学，2013：1-71. 员，主要研究方向为机电一体化。 ZOU Xiangyan.Mechanism and prevention of wind-induced failure of transmission line suspension insulator string[D]. Nanchang:Nanchang Hangkong University,2013:1-71. [11]西安电磁研究所.GB/T4056-2008,绝缘子串元件的球 窝连接尺寸[S].北京：中国标准出版社，2008. [责任编辑：刘畅] 《烟花算法引论》新书出版 新型群体智能算法一烟花算法的第1部专著《烟花算法引论》已于2015 年4月由科学出版社正式出版。该书由北京大学谭营教授所著。本书系统地描 L不XE团 述了作者所提出的烟花算法的产生、算法实现、理论分析、算法改进及其应用，为 读者勾勒出了烟花算法的全景图像。内容包括烟花算法及其性能分析、收敛性 烟花算法引论 和时间复杂度分析、多种改进算法、混合方法、多目标烟花算法、离散烟花算法、 烟花算法的并行化实现以及几种应用实例。书中重点介绍了烟花算法及其参数 设定，各种改进方法、并行化实现、与典型群体智能算法的性能对比分析等。同 时，书中还包括了烟花算法的最新资料、一些重要算法的流程图、及其源代码的 链接，供感兴趣读者参阅和使用。本书适合作为从事智能科学与计算机科学的 高年级本科生和研究生的教材，也可作为烟花算法入门参考书。 (谭营著，《烟花算法引论》，科学出版社，北京，2015年4月。SBN:978- 7-03-044085-3,303页，TP-6972.01,40万字，售价：120元)
ｍｅｎｔ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ［Ｊ］． Ｉｎｓｕ⁃ ｌａｔｏｒｓ ａｎｄ Ｓｕｒｇｅ Ａｒｒｅｓｔｅｒｓ， ２００６（６）： １３⁃１７． ［４］ＰＡＲＫ Ｊ Ｙ， ＣＨＯ Ｂ Ｈ， ＢＹＵＮ Ｓ Ｈ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｕｔｏ⁃ ｍａｔｉｃ ｃｌｅａｎｉｎｇ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ｌｉｖｅ⁃ｌｉｎｅ ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ［Ｃ］ ／ ／ ＩＥＥＥ １１ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ， Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｌｉｖｅ⁃Ｌｉｎｅ Ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ． Ａｌｂｕ⁃ ｑｕｅｒｑｕｅ， ＵＳＡ， ２００６： １⁃７． ［５］ ＰＨＩＬＬＩＰＳ Ａ． Ｕｓｉｎｇ ｒｏｂｏｔｉｃｓ ｆｏｒ ｉｎｓｕｌａｔｏｒｓ［ Ｊ］． Ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ Ｔｏｄａｙ， ２０１４， ２５（３）： ７６． ［６］ＰＡＲＩＳ Ｌ． Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｍａｉｎｔｅｎａｎａｃｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ， ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ ｗａｓｈｉｎｇ， ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｃｈａｉｎｓ ｏｆ ｈｉｇｈ ｖｏｌｔａｇｅ ｅ⁃ ｌｅｃｔｒｉｃ ｌｉｎｅｓ［Ｐ］． Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ： ５１１９８５１． １９９２⁃０６⁃０９． ［７］ＰＡＲＫ Ｊ Ｙ， ＬＥＥ Ｊ Ｋ， ＣＨＯ Ｂ Ｈ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎ⁃ ｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｌｉｖｅ⁃ｌｉｎｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓｔｒｉｎｇｓ ｉｎ ３４５ｋＶ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅｓ［Ｃ］ ／ ／ １３ｔｈ Ｅｕｒｏ⁃ ｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｂａｒｃｅｌｏｎａ， Ｓｐａｉｎ， ２００９： １⁃８． ［８］ＰＡＲＫ Ｊ Ｙ， ＬＥＥ Ｊ Ｋ， ＣＨＯ Ｂ Ｈ， ｅｔ ａｌ． Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｄ⁃ ｖａｎｃｅｄ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ ｆｏｒ ３４５ｋＶ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕ⁃ ｌａｔｏｒ ｓｔｒｉｎｇｓ ［ Ｃ］ ／ ／ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍｕｌｔｉ⁃ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｓｔｓ． Ｈｏｎｇ Ｋｏｎｇ， Ｃｈｉｎａ， ２０１０： １０８８⁃１１０９． ［９］赵治国． 悬垂绝缘子检测机器人机构设计与分析［Ｄ］． 沈阳： 东北大学， ２０１２： １⁃６７． ＺＨＡＯ Ｚｈｉｇｕｏ． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ ｒｏｂｏｔ［Ｄ］． Ｓｈｅｎｙａｎｇ： Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉ⁃ ｖｅｒｓｉｔｙ， ２０１２： １⁃６７． ［１０］邹祥艳． 输电线路悬垂绝缘子串风致失效机理及防治 ［Ｄ］． 南昌： 南昌航空大学， ２０１３： １⁃７１． ＺＯＵ Ｘｉａｎｇｙａｎ． Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ ｏｆ ｗｉｎｄ⁃ｉｎｄｕｃｅｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｓｔｒｉｎｇ［Ｄ］． Ｎａｎｃｈａｎｇ： Ｎａｎｃｈａｎｇ Ｈａｎｇｋｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， ２０１３： １⁃７１． ［１１］西安电磁研究所． ＧＢ／ Ｔ ４０５６⁃２００８， 绝缘子串元件的球 窝连接尺寸［Ｓ］． 北京： 中国标准出版社， ２００８． ［１２］梁香宁， 牛志刚． 三自由度 Ｄｅｌｔａ 并联机器人运动学分 析及工作空间求解［ Ｊ］． 太原理工大学学报， ２００８， ３９ （１）： ９３⁃９６． ＬＩＡＮＧ Ｘｉａｎｇｎｉｎｇ， ＮＩＵ Ｚｈｉｇａｎｇ． Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｗｏｒｋｓｐａｃｅ ｏｆ ３⁃Ｄｏｆ ｄｅｌｔａ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｏｂｏｔ ［ Ｊ ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔａｉｙｕａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００８， ３９（１）： ９３⁃９６． ［１３］赵杰， 朱延河， 蔡鹤皋． Ｄｅｌｔａ 型并联机器人运动学正 解几何解法［Ｊ］． 哈尔滨工业大学学报， ２００３， ３５（１）： ２５⁃２７． ＺＨＡＯ Ｊｉｅ， ＺＨＵ Ｙａｎｈｅ， ＣＡＩ Ｈｅｇａｏ． Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｋｉｎｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｄｅｌｔａ ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｏｂｏｔ［ Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００３， ３５（１）： ２５⁃２７． 作者简介： 何磊， 男， １９８８ 年生， 硕士研究 生， 主要研究方向为机器人机构设计。 王洪光， 男， １９６５ 年生， 研究员， 博士生导师， 主要研究方向为机器人 机构学、特种机器人和机电一体化技 术。 发表学术论文 ５０ 余篇， 获得发明 和实用新型专利 ２０ 余项。 刘爱华， 女， １９７７ 年生， 副研究 员，主要研究方向为机电一体化。 ［责任编辑：刘畅］ 《烟花算法引论》新书出版 新型群体智能算法———烟花算法的第 １ 部专著《烟花算法引论》已于 ２０１５ 年 ４ 月由科学出版社正式出版。 该书由北京大学谭营教授所著。 本书系统地描 述了作者所提出的烟花算法的产生、算法实现、理论分析、算法改进及其应用，为 读者勾勒出了烟花算法的全景图像。 内容包括烟花算法及其性能分析、收敛性 和时间复杂度分析、多种改进算法、混合方法、多目标烟花算法、离散烟花算法、 烟花算法的并行化实现以及几种应用实例。 书中重点介绍了烟花算法及其参数 设定，各种改进方法、并行化实现、与典型群体智能算法的性能对比分析等。 同 时，书中还包括了烟花算法的最新资料、一些重要算法的流程图、及其源代码的 链接，供感兴趣读者参阅和使用。 本书适合作为从事智能科学与计算机科学的 高年级本科生和研究生的教材，也可作为烟花算法入门参考书。 （谭营著， 《烟花算法引论》， 科学出版社，北京，２０１５ 年 ４ 月。 ＩＳＢＮ：９７８⁃ ７⁃０３⁃０４４０８５⁃３，３０３ 页，ＴＰ⁃６９７２．０１，４０ 万字，售价：１２０ 元） 第 ４ 期 何磊，等：一种新型悬垂绝缘子检测机器人机构设计 ·５４７·