第5卷第6期 智能系统学报 Vol.5 No.6 2010年12月 CAAI Transactions on Intelligent Systems Dec.2010 doi:10.3969/i.issn.1673-4785.2010.06.005 架空线移动机器人行走越障特点 房立金1，王洪光2 (1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110004：2.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁沈阳110016) 摘要：面向电力巡检及维护作业任务需求，以电力输电线路为对象，分析了架空线移动机器人运动环境的特点，对 典型架空线移动机器人行走越障过程的特点以及质心调节的影响情况进行了分析，探讨了机器人质心调节方法.提 出了一种新型双臂四轮机器人结构以及被动适应的手臂方案，并提出了一种主被动结合的运动协调控制方法.提出 的方法在巡检机器人系统中得到了实际应用，实验室模拟线路及实际线路的运行情况表明了机器人系统设计的合 理性以及所提出方法的有效性· 关键词：移动机器人；架空线路；质心调节 中图分类号：TP24文献标志码：A文章编号：16734785(2010)060492-06 Research on the characteristics of the movement and obstacle-clearing processes of a wire-suspended mobile robot FANG Li-jin',WANG Hong-guang (1.School of Mechanical Engineering and Automation,Northeastem University,Shenyang 110004,China;2 Shenyang Institute of Au- tomation,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China) Abstract:In order to meet inspection and maintenance requirements based on power transmission lines,the robots moving environment and the obstacle-clearing processes were analyzed.The robot design characteristics and the centroid-adjustment influence were given.A new robot structure with two arms,four wheels,and a passive adaptive arm design was presented.Moreover,a centroid-adjustment method and a new passive-active hybrid motion control method were also presented.Finally,the method was used in the robot inspection system and verified through ex- periments in artificial environments and actual transmission lines.The results show that the method is feasible and very effective for improving the performance of robot control. Keywords:wire-suspended mobile robot;overhead lines;centroid adjustment 高压和超高压电力输电线路是保障国民经济生行，处于悬挂状态，机器人自身的重量和质心位置等 产和人们日常生活的能源大动脉，要求其能够可靠 因素会对其行走和越障过程产生诸多不利的影响. 稳定地运行.架空线移动机器人沿电力输电线路行 日本20世纪90年代即开展了电力线移动机器 走，可携带相关仪器完成对电力线路的巡检及其他 人的研究，并研制出了相应的机器人样机系统12] 作业任务，是我国电力部门急需的自动化设备之一. 但由于技术和市场等多方面的原因，该类机器人未 近年来该类移动机器人引起了国内外研发单位和相 能得到广泛应用.我国自2002年起在国家“863”计 关用户的广泛关注。 划的支持下，由中国科学院沈阳自动化研究所、武汉 电力输电线路是一类典型的架空线路，电力输 大学以及中国科学院自动化研究所等单位针对 电线路环境的特殊性使得机器人需要具备沿大角度 500kV220kV以及110kV电压等级线路分别开 线路上下坡行走、跨越由杆塔连接金具构成的多种 展了电力输电线路移动机器人的研究与开发工作， 不同障碍物的能力.由于机器人是在架空环境中运 有力促进了该类机器人的研究进展351.最近几年， 国内外对电力架空线移动机器人的研究和开发较为 收稿日期：2010-04-11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(60875082)：中央高校基本科 活跃，大多数项目都得到了电力部门的参与和合作。 研业务费专项资金资助项目(N090403003). 但是，由于电力输电线路的复杂性以及野外环境的 通信作者：房立金，E-mail:lifang@mail.neu.edu.cm 苛刻性，从工程应用角度来衡量，该类机器人的研发
第6期 房立金，等：架空线移动机器人行走越障特点 ·493 工作还面临着很多难点问题需要加以解决， 耐张塔时，需要通过一段跳线将杆塔两端的导线连 针对目前出现的几种典型的架空线移动机器人 接起来，其连接形式较为复杂.直线塔则主要提供铅 结构形式，对其行走和越障动作过程进行分析，重点 锤方向的张力，通过垂直悬挂的绝缘子串来支撑导 讨论机器人重心变化对行走越障过程的作用机制和 线，线路与杆塔的连接也较为简单.输电线路的导线 影响特点，为该类机器人行走越障机构优化设计及 和地线均须借助多种连接金具与杆塔相连接.这些 机器人控制系统设计提供参考 连接金具中，与机器人关系密切，形成障碍影响机器 由于重力的作用，架空线的形状是一条近似于 人行走运动的线路金具主要包括以下几种：即线夹、 抛物线的悬链线.架空线两端挂点的位置不同，悬链 间隔棒、压接管、绝缘子等 线的具体形状也不同.在不同路段，输电线路悬链线 对架空输电线路移动机器人而言，机器人的行 形成的坡度会随着地形及档距等参数的变化而改 走移动路径可作如下描述：1)机器人行走的路径为 变.因此，在机器人的行走路径上，不同的路径位置 不同直径的圆形导线，路径为悬链线形式，一般情况 其爬坡角度也不相同.特别地，对于导线而言，在耐 下最大坡度为50°；2)以耐张杆塔为界，可将2个耐 张杆塔上还存在一段用于连接杆塔两侧导线的跳 张杆塔之间的线路定义为耐张段路径；3)对于耐张 线.该跳线的长度较短，其形状为空间不规则曲线， 段路径中的导线来说，其路径上的障碍包括线夹、压 对机器人而言是一段更为特殊和复杂的行走路径. 接管、间隔棒；路径周围的障碍主要有杆塔和绝缘子 在设计中，为适应上述电力输电线路环境需求， 串.除此之外，随机出现的异物和破损也将形成新的 机器人应具有较多的运动自由度数量，但这会引起 机器人障碍；4)与导线不同，耐张段路径中的地线 一系列实际困难：自由度的增加会使机器人的结构 均为单导线，没有间隔棒一类障碍.路径上的其他障 变得更加复杂，也会增加机器人自身的重量和功耗， 碍与导线相似，但尺寸上有很大差别. 而重量和功耗的增加则会显著影响机器人的有效工 对于机器人而言，贯通耐张杆塔的路径非常复杂 作时间.因此该类机器人的设计在工程上面临着多 导线路径上的跳线具有较小的曲率半径，形成很陡甚 种限制条件，应该说目前出现的典型机器人系统还 至垂直的行走路径.在张杆塔上，地线路径则形成了 难以满足工程实际需求，还不是工程上理想的设计 中断形式.因此，不论是导线路径还是地线路径，机器 解决方案 人通过耐张杆塔的路径均十分特殊，难以跨越， 1典型的架空线移动环境及典型的架 此外，对于电力架空输电线路机器人而言，除了 需要跨越上述各种障碍物以外，机器人还需满足其 空线移动机器人 他环境方面的要求.首先是来自电力输电线路本身 电力架空输电线路按输送的电流划分，有交流 的高压电场和强电磁干扰环境，其次野外自然运行 输电线路和直流输电线路2种形式.按输送的电压 环境对机器人的要求也极为苛刻.机器人应能够适 等级划分，架空输电线路包括1000kV及以上等级 应高低温、潮湿、雷电、雨雪、冰冻等恶劣自然环境条 的特高压输电线路、500kV超高压输电线路、 件的要求。 330kV、220kV、110kV高压输电线路以及其他低 从机器人运行环境特点及机器人技术发展特点 电压等级的多种输电和配电线路.以500kV超高压 综合分析，根据工程应用的实际需求，将机器人运行 输电线路为例，其架空输电线包括3组导线和2根 条件作一些限制是必要的.特别是，如将机器人的运 地线.地线具有防雷的功能，也被称为避雷线，杆塔 行路径限制在耐张段内，则排除了跨越耐张杆塔的 的左右两侧各有一根，地线的直径较小，一般在10~ 复杂情况，可降低机器人行走及跨越障碍物的难度 20mm之间.500kV超高压输电线路的导线多为分 实际上，对于目前国内外出现的典型机器人系统，从 裂导线，典型的是四分裂导线，即每相导线上分别有 其行走越障能力方面来看，也大多不具备跨越耐张 4根并联的导线组成，4根导线之间由间隔棒相互支 塔行走的能力 撑，四分裂导线线径较粗，一般为20~30mm.输电 图1~3为目前出现的几种典型的电力输电线 线路的导线和地线均由相应的杆塔来实现其架空支 路移动机器人.图1为中科院沈阳自动化研究所研 撑.为了适应不同线路和地形环境对支撑高度和支 制的巡检机器人样机[6.该机器人通过箱体及手臂 撑强度等方面的要求，杆塔又分为直线杆塔和耐张 上相应关节的运动实现机器人重心的调节和适应： 杆塔等多种形式.耐张塔通过水平排列的绝缘子串 图2所示为日本学者提出的一种电力巡检机器人. 支撑导线，可承受较大的水平方向张力.导线在通过 该机器人主要由2只手臂和一个质心调节机构组
·494 智能系统学报 第5卷 成)，通过质心调节机构可改变机器人的重心位 的行走能力，不可能实现抬手跨越或躲避障碍物的 置，并在结构设计中采用了一些被动运动关节.图3 动作，限制了机器人跨越障碍行走的能力.因此，采 为加拿大学者提出的电力巡检机器人系统.机器人 用单点悬挂形式的机器人只适合在单档距小范围内 通过水平布置的导轨机构实现前后2组手臂的越障 使用 运动8]. 采用双点悬挂的机器人（以下简称为双臂机器 人)跨越障碍时，以一只手臂将机器人支撑在线路 上，另一只手臂松开，运动到某一目标位置后重新抓 线，2只手臂交替运动，完成机器人跨越障碍物的运 动过程.可以看出，双臂机器人在跨越障碍过程中会 出现单挂点悬挂支撑状态， 2机器人单臂悬挂状态时的行走特点 及机器人手部机构设计 以机器人单点悬挂状态为例，分析机器人重心 的作用特点.对于可双点悬挂的机器人，当机器人处 图1中科院沈阳自动化研究所巡检机器人样机 于双点悬挂状态时，只要合理布置2挂点之间的距 Fig.1 Power line inspection robot,Shenyang Institute of 离使之与机器人的爬坡角度相适应，机器人的重心 Automation,Academy of Sciences,China 处于2挂点之间，机器人将处于稳定状态.但机器人 在跨越障碍的过程中还是无法避开单点悬挂的情 况，因此首先以单点悬挂状态对机器人重心的影响 进行分析. 图4(a)为机器人单点悬挂状态示意图.架空线 路与水平面的夹角（坡度）为0，机器人重心与线路 图2日本HB0T公司研制的电力巡检机器人样机 的垂直距离为h,机器人重量为G,机器人挂点的宽 Fig.2 Expliner-robot for inspection of transmission lines, 度为d(挂点处的结构一般设计成夹爪，或行走轮， HiBot Corp.,Tokyo Institute of Technology,Kan- 亦或夹爪与行走轮的组合结构).图4所示为夹爪/ sai Electric Power Corp.(KEPCO),and J-Power 行走轮组合形式 Systems Corp.(JPS),Japan d 图3加拿大魁北克电力研究院研制的巡检机器人样机 (a)单臂支撑状态(b)双臂支撑状态 Fig.3 Power line inspection and maintenance robot,Hydro- 图4机器人单点及双点悬挂状态简图 Quebec Research Institute (IREQ),Canada Fig.4 Robot suspended by single and two arms 为了与架空输电线路相适应，机器人在沿线行 如挂点处只有轮子，机器人将在自身重力的作 走和跨越杆塔障碍的过程中一般应处于倒置悬挂状 用下调整到图4(a)虚线所示姿态.当挂点处设计有 态，即机器人的重心应始终位于线路的下方，以提高 夹子时，将由夹子提供平衡力，与重力矩平衡，保持 机器人的稳定性。 机器人姿态不变，参见图4(a)实线所示姿态.假定 机器人在线路上悬挂的方式可以有单点悬挂、 夹子两端作用到线路的一对平衡力为N,则有 双点悬挂以及多点悬挂等多种形式.采用单点悬挂 Nd=Ghsin0.以0=30°为例，当d=150mm、h= 方式时，只有在挂点处安装上行走轮，才可以让机器 500mm、G=40kg时，须提供的平衡力为N= 人运动起来.机器人仅仅具有前进或后退2个方向 653.7N.假定夹子与线路导线之间的摩擦系数为
第6期 房立金，等：架空线移动机器人行走越障特点 ·495 “=0.2,则夹子作用到线路导线上的夹持力为 调节.此外，在夹爪与行走轮支座之间再设置一个弹 3268.3N.显然，夹子作用到线路的压力过大，可能 性复位机构，使夹爪的自由姿态保持在对称中心位 对线路造成损伤.因此，在机器人设计中应尽可能使 置这里，夹爪姿态的调节是通过横梁与线路的内部 机器人的姿态处于铅锤悬挂状态，以降低机器人对 相互作用被动完成.该方案既可满足手部结构适应 线路造成损坏的几率，即要求机器人的质心能够根 机器人位姿变化的设计要求，同时取消了夹爪的驱 据机器人所处位置和线路坡度而随时调整改变.即 动电机及其相关传动机构，简化了系统结构设计 对于图4的单挂点情况，应使机器人绕行走轮的中 3 机器人双臂悬挂状态时的行走越障 心点A转动至虚线所示状态 如上所述，为减小机器人运动过程中自重引起的 运动特点 夹特力增加，要求机器人的重心要不断进行调整.在 图5所示为一种双臂悬挂形式的机器人示意 实际线路运行过程中机器人的重心位置是随线路坡 图.在机器人系统中设计了一个用于调整质心的重 度而实时变化的，如采用主动调整重心位置的方法， 块，通过改变重块的位置即可改变机器人的质心，使 则要求实时测量采集机器人的实际位姿，实时计算重 重心位于后臂支撑平衡位置（即图5(b)对应的位 心位置，并进行实时调整.重心位置的实时动态调整 置)或前臂支撑平衡位置（图5(c)对应的位置）.对 将带来额外的数据采集、运算以及控制任务的增加， 机器人进行重心调整操作后，再操作机器人的非支 增大了机器人控制系统处理实时任务的负担.在实际 撑手臂，此时不会改变机器人的质心，可方便地实现 应用系统设计中，如采用主动和被动调节相结合的方 机器人跨越障碍物的动作.图1所示机器人即是依 法，即利用机器人自身的重力实现机器人重心位置的 照该思路进行的设计. 被动调节和自动适应，则有可能简化重心调整控制过 机器人正常行走时，为保证机器人行走过程中 程，降低系统的实时控制任务处理难度， 其重心始终位于双轮支撑范围内（参见图5(a)所示 为防止机器人发生打滑现象，要求夹爪能够提 状态)，需通过相应的传感器实时检测线路的倾斜 供足够的夹持力.夹爪的设计应与上述线路角度变 角度，并进行必要的调整. 化相适应，即应保持夹爪相对于架空线的姿态不变， 避免因夹爪夹持力不足引起机器人位姿发生变化. 如果夹爪与手臂设计成固联的形式，则夹爪与架空 线的相对位置将随机器人的位姿变化而改变，破坏 其夹持姿态，最终难以保持对架空线的有效夹持， 由于机器人爬坡行走过程中机器人的位姿会随 时发生变化，机器人手爪部分的姿态也要与机器人 (a)质心居中(b)质心位于后臂(c)质心位于前臂 行走的线路角度相适应.手爪的设计既要兼顾考虑 图5双臂机器人质心状态简图 行走和夹持2方面的功能性能指标要求，也要满足 Fig.5 Centroid state of two-arm robot 越障过程对结构尺寸的限制要求.这些要求和约束 很大程度上增加了机器人手部结构设计的复杂性和 依照该思路进行质心调整时存在如下不足，即 设计难度.因此机器人手爪部分的行走轮/夹爪/手 调整质心的同时还要求调整2个手臂的长度，尽可 臂复合结构设计是机器人结构设计中的重点和难点 能保证重块的运动方向为水平方向，因此调整过程 内容之一.其结构设计难度主要体现在以下方面：一 也较为复杂 是要求夹爪能够适应机器人姿态的变化；二是要求 为弥补上述不足，简化机器人质心的调整过程， 夹爪具有既能夹又能走的能力.当然，机器人手部夹 提出一种基于双臂4轮结构的机器人，其机构原理 爪的夹紧动作和夹爪的姿态调整也需要相应的电机 如图6(a)所示.图中，机器人重量为G,质心位于其 驱动，使得其结构设计变得愈加复杂 对称中心.关节A1和A2使前后臂分别绕铅锤轴旋 这里提出一种被动适应夹爪的结构方案.将夹 转，实现水平转向运动.关节B,和B2使前后臂分别 爪位于行走轮前端和后端的2个部分设计成一体化 绕水平轴旋转，实现俯仰运动.手部机构C1、C2、C3、 对称结构.在前后夹爪对应于架空线上方的位置分 C4提供机器人行走轮的旋转运动以及行走轮的脱 别设置一个横梁.机器人位姿发生变化时，横梁与架 线运动.图6(b)为调整机器人手臂俯仰关节B2时 空线接触，带动夹爪转动，实现与架空线角度的自动 的运动状态简图
·496 智能系统学报 第5卷 实现对机器人各个关节的位置控制.算法计算要求 已知关节的实际位姿信息，但对于架空输电线路而 言，线路及其金具也可能根据实际安装情况而发生 变动，因此难以获得机器人相对于线路的准确位姿 针对图6所示机器人特点提出一种基于主被动 协调机制的运动控制方法.即利用主被动关节的运 动特性，将参与运动的关节分为主动驱动关节和被 动运动关节2部分.控制过程中仅对选定的主动驱 动关节施加闭环位置控制，其他关节处于开环状态 (a)机构简图 以图6(b)所示的俯仰运动为例，为抬起关节C4对 应的行走轮，控制关节B,处于被动运动状态、B2处 于主动运动状态、C,对应的行走轮处于被动运动状 态.驱动关节B,转动，关节B和行走轮C3协调运 动，实现行走轮C4的拾起运动. 基于主被动结合的控制方法可降低多关节位置 控制算法的实时同步控制要求以及对机器人位姿的 实时测量要求，可简化算法的程序设计难度.该控制 方法在图7所示的机器人系统中得到了实际应用验 证，在实验室搭建的模拟实验线路上以及在实际带 电运行线路的实验情况表明：该文所述的主被动混 合控制方法可满足该类机器人的操作和控制要求， 具有较好的实用性 11 111 (b)俯仰运动示意 图6双臂4轮机器人结构原理 Fig.6 Structure and principle of the robot with two arms 图7双臂四轮结构巡检机器人样机 and four wheels Fig 7 Inspection robot with two arms and four wheels 5结束语 在机器人正常行走运动过程中，4个行走轮共 同支撑机器人的重量，并可以采用4轮驱动方式运 本文围绕电力架空线路移动机器人的运行环 动.当机器人跨越障碍物时，4个行走轮分别脱线， 境、质心调整以及运动控制等方面的基本问题进行 依次分别跨越障碍.这种双臂4轮机器人结构具有 了研究，总结归纳了架空线路移动机器人的行走越 水平转向和俯仰运动能力，既可适应线路爬坡角度 障运动环境特点，对典型行走越障机构及其控制方 变化，也可在一定范围内适应线路水平转角变化，可 法进行了介绍.重点分析了单臂、双臂及双臂4轮等 提高机器人对不同线路的适应能力.该机器人可满 结构形式和运行状态情况下机器人质心调整控制的 足在耐张段路径上的行走运动要求 特点并且提出了一种新型双臂4轮机器人结构形式 以及基于主被动结合的机器人位姿调整控制方法. 4双臂4轮行走越障原理及其运动控 架空移动机器人在电力输电线路巡检及维护领 制方法 域具有广泛的应用需求，具有良好的发展前景.但电 力输电线路的野外恶劣复杂环境对机器人各方面要 通常情况下，典型的机器人关节控制多采用位 求均较高，机器人研究开发难度较大.就现阶段技术 置闭环控制算法.以机器人基坐标系为参考坐标系
第6期 房立金，等：架空线移动机器人行走越障特点 497. 水平而言，机器人本身作为基础移动平台，其机构设 [6]朱兴龙，王洪光，房立金，赵明扬，周骥平.输电线巡检机 计及自主运动控制依然是该类机器人的重点研究内 器人行走动力特性与位姿分析[J].机械工程学报， 容.本文围绕机器人质心调节问题对机器人机构及 2006,42(12):143-150. 其控制两方面进行探讨，取得了一些进展.但从提高 ZHU Xinglong,WANG Hongguang,FANG Lijin,ZHAO 机器人实用性能方面衡量，未来需要研究解决的技 Mingyang,ZHOU Jiping.Experiments and mechanism of obstacle negotiation of an inspection robot for transmission 术难点还有很多，相关研究工作也有待进一步深入 lines[J].Journal of Mechanical Engineering,2006,42 参考文献： (12):143-150. [7]DEBENEST P,GUARNIERI M,TAKITA K,FUKUSHIMA [1]AOSHIMA S,TSUJIMURA T,YABUTA T.A wire mobile E F,HIROSE S,TAMURA K,KIMURA A,KUBOKAWA robot with multi-unit structure[C]//IEEE/RSJ International H,IWAMA N,SHIGA F.Expliner-robot for inspection of Workshop on Intelligent Robots and Systems.Tsukuba,Ja- transmission lines[C]//2008 IEEE International Conference pan,1989:414421. on Robotics and Automation.Pasadena,USA,2008:235 2]SAWADA J,KUSUMOTO K,MAIKAWA Y,MUNAKATA 340. T,ISHIKAWA Y.A mobile robot for inspection of power [8]POULIOT N,MONTAMBAULT S.Geometric design of the transmission lines[J].IEEE Transactions on Power Deliver linescout,a teleoperated robot for power line inspection and y,1991,6:309315. maintenance[C]//2008 IEEE International Conference on [3]TANG Li,FANG Lijin,WANG Hongguang.Development Robotics and Automation.Pasadena,USA,2008:132- of an inspection robot control system for 500kV extra-high 137. voltage power transmission lines [C]//The 43rd Annual 作者简介： Conference of the Society of Instrument and Control Engi- 房立金，男，1965年生，教授，博士 neers.Sapporo,Japan,2004:1819-1824. 生导师.主要研究方向为仿生机械及其 [4]李恩，梁自泽，谭民.基于规则库的巡线机器人自主越障 控制系统，发表学术论文50余篇！ 动作规划[J].机器人，2005,27(5)：400405. LI En,LIANG Zize,TAN Min.Rule based motion planning method for inspection robot to cross obstacles autonomous [J].Robot,2005,27(5):400405. [5]吴功平，肖晓晖，郭应龙，胡基才.架空高压输电线自动 王洪光，男，1965年生，研究员，博 爬行机器人的研制[J].中国机械工程，2006,17(3)： 士生导师，主要研究方向为机器人机构 237-240. 学，发表论文多篇 WU Gongping,XIAO Xiaohui,GUO Yinglong,HU Jicai. Development of a crawling robot for overhead high-voltage transmission line [J].China Mechanical Engineering, 2006,17(3):237-240