1 引言（Introduction） 近年來，隨著采用機(jī)器人來替代或協(xié)助人完成輸電線巡檢作業(yè)的需求增長，輸電線路巡檢機(jī)器人成為國內(nèi)外機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一 1_2 J．國際上對于輸電線路巡檢機(jī)器人技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代，有代表性的研究成果包括日本東京電力公司及日本三菱電機(jī)株式會(huì)社研制的高壓線巡檢機(jī)器人樣機(jī)．日本東京電力公司于1989年開發(fā)出一臺(tái)樣機(jī)，該機(jī)器人主要用于光纖架空地線外包鋼線及內(nèi)部光纖鋁膜的檢查，具有沿光纖架空地線行走、跨越障礙及巡檢等功能，機(jī)器人控制系統(tǒng)采用基于離線編程的運(yùn)動(dòng)控制和基于傳感器反饋信息的精確定位控制方式 J．國內(nèi)的研究起始于20世紀(jì)．90年代，主要的研究單位包括中科院沈陽自動(dòng)化研究所、武漢大學(xué)、中科院自動(dòng)化研究所和北京航天航空大學(xué)等．武漢大學(xué)巡檢機(jī)器人樣機(jī)采用雙臂式結(jié)構(gòu)，通過遙控的方式實(shí)現(xiàn)了桿塔障礙的跨越 ．中科院自動(dòng)化所提出了三臂巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了其越障功能．中科院沈陽自動(dòng)化所研制了一檔內(nèi)輸電線巡檢機(jī)器人樣機(jī)及具有跨越桿塔障礙功能的越障巡檢機(jī)器人樣機(jī)，并開展了試驗(yàn)研究．中科院沈陽自動(dòng)化所的越障巡檢機(jī)器人樣機(jī)采用雙輪臂復(fù)合式機(jī)構(gòu)，可以根據(jù)障礙物形狀及作業(yè)要求，通過尺蠖式運(yùn)動(dòng)、單臂旋轉(zhuǎn)等多種方式跨越障礙J．綜上所述，具有越障功能的巡檢機(jī)器人尚處于研制階段，還需要進(jìn)一步的完善以達(dá)到實(shí)用化要求．超高壓輸電線路巡檢機(jī)器人研究涉及機(jī)構(gòu)、控制、通訊及能源等多項(xiàng)技術(shù)，其中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對于整機(jī)性能的實(shí)現(xiàn)具有至關(guān)重要的作用． 2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)（Robot mechanismand kinematics） 圖1所示為中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化所研制的具有跨越桿塔障礙功能的越障巡檢機(jī)器人系統(tǒng)照片，該系統(tǒng)由機(jī)器人及地面便攜式控制器組成．機(jī)器人由兩個(gè)相同的輪臂復(fù)合機(jī)構(gòu)和一個(gè)巡檢作業(yè)箱體組成．輪臂復(fù)合機(jī)構(gòu)用來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在架空地線上的行走及跨越桿塔障礙功能，其主要組成部分包括行走輪、夾持手爪和手臂．行走輪和手爪通過一個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個(gè)伸縮關(guān)節(jié)連接在手臂上，而兩個(gè)手臂分別固聯(lián)在滑動(dòng)導(dǎo)軌上．機(jī)器人箱體可以在滑動(dòng)導(dǎo)軌上滑動(dòng)，以便在機(jī)器人單手抓線時(shí)調(diào)整機(jī)器人重心到抓線手臂上，保持機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定．機(jī)器人箱體主要用來攜帶云臺(tái)攝像頭、機(jī)器人主控制器、無線收發(fā)裝置、圖像傳輸系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等電子設(shè)備． 為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主越障，建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)模型并推導(dǎo)了運(yùn)動(dòng)學(xué)方程．巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡圖如圖2所示．機(jī)器人一手抓線，另外一手找線，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下： 式中： d[sub]2[/sub] 、d[sub]3 [/sub]、分別為兩旋轉(zhuǎn)和兩伸縮關(guān)節(jié)變量．對上式求導(dǎo)可求得機(jī)器人雅可比矩陣方程： 式中：分別為找線手爪末端速度和機(jī)器人關(guān)節(jié)速度． 3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Design of the control system） 輸電線巡檢機(jī)器人運(yùn)行環(huán)境為距離地面幾十米的超高壓輸電線避雷線，操作者很難通過肉眼實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人作業(yè)狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷并發(fā)出相應(yīng)的控制指令．根據(jù)巡檢作業(yè)任務(wù)、現(xiàn)場應(yīng)用的實(shí)用性與可靠性指標(biāo)的要求，確定采用遙控與局部自主相結(jié)合的控制模式實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人沿線行走及跨越障礙．如圖3所示，巡檢機(jī)器人控制系統(tǒng)由機(jī)器人本體控制系統(tǒng)和地面遠(yuǎn)端控制平臺(tái)兩部分組成．機(jī)器人本體控制系統(tǒng)采用基于PC104總線的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)．其組成如下：核心模塊MSM586SV、通訊模塊EMM-8-XT、運(yùn)動(dòng)控制模塊PMAC2A-PC104、A／D轉(zhuǎn)換模塊DMM-16-AT、I／O模塊IR104．為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體控制器與遠(yuǎn)端控制平臺(tái)的控制信息交互及檢測圖像的傳輸，分別采用了基于串i=1通訊的無線數(shù)傳電臺(tái)系統(tǒng)和微波圖像傳輸系統(tǒng)．機(jī)器人地面遠(yuǎn)端控制平臺(tái)主要功能為：通過無線通訊實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人本體控制間的控制信息傳輸及檢測圖像的接收與存儲(chǔ)．主要硬件組成為：主控計(jì)算機(jī)IPC6008、微波接收機(jī)、PCI圖像采集卡、無線數(shù)傳系統(tǒng)．為了滿足巡檢作業(yè)的要求，控制系統(tǒng)需解決的關(guān)鍵問題包括：1）遙控與局部自主控制模式的有機(jī)結(jié)合；2）局部自主越障控制的實(shí)現(xiàn)．本文針對巡檢機(jī)器人的工作特點(diǎn)，通過建立巡檢機(jī)器人有限狀態(tài)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了遙控與局部自主控制模式的有機(jī)結(jié)合，采用預(yù)編程與傳感器定位結(jié)合的方法完成了巡檢機(jī)器人的自主越障控制． 4 基于有限狀態(tài)機(jī)模型的軟件設(shè)計(jì)（Softwaredesign based on model of finite statemachine） 輸電線巡檢機(jī)器人的主要作業(yè)任務(wù)包括：1）沿避雷線行走，根據(jù)地面控制臺(tái)的控制信息調(diào)整攝像頭觀測角度及觀測視野，在檢’狽0到線路破損點(diǎn)后停止行走并采集破損信息；2）當(dāng)巡檢機(jī)器人運(yùn)行到桿塔附近時(shí)，可以在操作者和機(jī)器人控制器的協(xié)作控制下越過線上障礙物（防震錘、單掛點(diǎn)金具、雙掛點(diǎn)金具、壓接管等），然后進(jìn)入下一檔輸電線路的檢測．為便于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主控制與遙控的結(jié)合，本文建立了巡檢機(jī)器人有限狀態(tài)機(jī)模型，并根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)模型實(shí)現(xiàn)機(jī)器人控制軟件編程工作． 4．1 巡檢機(jī)器人有限狀態(tài)機(jī)模型 巡檢機(jī)器人在巡檢作業(yè)運(yùn)行過程的每一時(shí)刻都處在某一特定狀態(tài)．因此巡檢機(jī)器人的控制過程可以用有限狀態(tài)機(jī)來描述． 巡檢機(jī)器人的工作過程主要包括6個(gè)狀態(tài)，即K= ｛等待狀態(tài)，行走狀態(tài)，遇障狀態(tài)，越障狀態(tài)，下線狀態(tài)，出錯(cuò)狀態(tài)｝．初始狀態(tài)為完成初始化的機(jī)器人被送上架空地線等待遠(yuǎn)端控制平臺(tái)控制信息；行走狀態(tài)為機(jī)器人行走輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在線上行走，攝像頭云臺(tái)按遠(yuǎn)端控制信息調(diào)整姿態(tài)，檢查待檢線路；檢測狀態(tài)為當(dāng)發(fā)現(xiàn)線路故障可疑點(diǎn)后，巡檢機(jī)器人調(diào)整好有利的位置姿態(tài)，采集疑似故障點(diǎn)圖像信息；遇障狀態(tài)為機(jī)器人環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)判斷出機(jī)器人運(yùn)行到桿塔附近，并識(shí)別出障礙物類型及障礙物位置姿態(tài)信息，等待遠(yuǎn)程控制信息；越障狀態(tài)為機(jī)器人在遠(yuǎn)程控制信息與機(jī)器人控制器的協(xié)調(diào)控制下通過兩輪臂復(fù)合系統(tǒng)的順序動(dòng)作越過桿塔障礙進(jìn)入下一檔距；下線狀態(tài)為機(jī)器人?？吭跅U塔附近，等待工作人員將其從架空地線上取下完成巡檢作業(yè)；出錯(cuò)狀態(tài)為巡檢機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能正常完成巡檢作業(yè)的狀態(tài)．巡檢機(jī)器人的最終狀態(tài)有兩種：F=｛下線狀態(tài)。出錯(cuò)狀態(tài)｝ 4．2 有限狀態(tài)機(jī)模型的輸入與狀態(tài)轉(zhuǎn)換 巡檢機(jī)器人的作業(yè)過程可以由以上狀態(tài)機(jī)模型定義的狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換來描述，可以激發(fā)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的為有限狀態(tài)機(jī)的輸入．下面描述輸入與狀態(tài)轉(zhuǎn)換之間的關(guān)系．在初始狀態(tài)下，機(jī)器人接收到遠(yuǎn)程控制信息后可以進(jìn)入到行走狀態(tài)；機(jī)器人處于行走狀態(tài)時(shí)，對于不同的輸入有不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)換：檢測到疑似障礙點(diǎn)時(shí)轉(zhuǎn)換到檢測狀態(tài)。環(huán)境識(shí)別系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)轉(zhuǎn)換到遇障狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)錯(cuò)誤時(shí)轉(zhuǎn)換到出錯(cuò)狀態(tài)；機(jī)器人進(jìn)入檢測狀態(tài)后，操作者可采集疑似故障點(diǎn)信息，在操作者完成疑似故障點(diǎn)信息采集后，機(jī)器人轉(zhuǎn)換回行走狀態(tài)；機(jī)器人處于遇障狀態(tài)時(shí)，操作者的越障指令可以使機(jī)器人轉(zhuǎn)換到越障狀態(tài)，亦可轉(zhuǎn)換到下線狀態(tài)；在下線狀態(tài)，機(jī)器人等待操作人員將其取下，不再做其它狀態(tài)轉(zhuǎn)換；在出錯(cuò)狀態(tài)，機(jī)器人自動(dòng)轉(zhuǎn)換為行走狀態(tài)．圖4描述了巡檢機(jī)器人有限狀態(tài)機(jī)模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系．圖5為機(jī)器人控制軟件流程圖．機(jī)器人控制程序在完成初始化后進(jìn)入初始狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制指令和環(huán)境信息作為外界輸入與有限狀態(tài)機(jī)模型匹配，并完成狀態(tài)轉(zhuǎn)換+控制程序根據(jù)遠(yuǎn)程控制信息對機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)控制．建立輸電線巡檢機(jī)器人自動(dòng)運(yùn)行有限狀態(tài)機(jī)模型使機(jī)器人的控制流程變得明晰，有利于實(shí)現(xiàn)軟件編程和人機(jī)交互． 5 自主越障控制（Autonomous obstacle．na．vigation contro1） 在巡檢作業(yè)過程中，機(jī)器人在沿架空地線行走的同時(shí)將拍攝到的輸電線路和輔助設(shè)備的圖片發(fā)送回遠(yuǎn)端控制平臺(tái)．機(jī)器人在完成一檔內(nèi)（兩個(gè)桿塔之間稱為一檔）的巡檢任務(wù)后，將跨越桿塔、防震錘等障礙物（見圖6），進(jìn)入下一檔輸電線路．由于巡檢機(jī)器人在高空中工作，操作者很難對其進(jìn)行有效的遠(yuǎn)程控制因此自主跨越桿塔障礙是巡檢機(jī)器人的控制難點(diǎn)．本文針對巡檢機(jī)器人的工作特點(diǎn)，采用預(yù)編程與傳感器定位相結(jié)合的方法完成巡檢機(jī)器人的自主越障控制． 如圖7所示，根據(jù)本文介紹的巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，任何越障過程可以分為兩步：1）一只機(jī)械手固定在障礙物前的輸電線上，另外一只機(jī)械手通過機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)繞到障礙物后；2）通過抓線控制使機(jī)械手準(zhǔn)確抓到障礙物后的輸電線．重復(fù)步驟1）、2）即可跨越障礙．為在抓線控制時(shí)準(zhǔn)確確定輸電線的位置，每個(gè)機(jī)械手上都安裝了兩個(gè)激光傳感器 通過機(jī)器人抓線手臂旋轉(zhuǎn)可以使找線手臂的一個(gè)激光器發(fā)出的激光束打到輸電線，這時(shí)激光傳感器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)開關(guān)量信號(hào)．機(jī)器人控制器在檢測到該信號(hào)后記錄下機(jī)器人當(dāng)前的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，抓線手臂停止旋轉(zhuǎn)，改為找線手臂旋轉(zhuǎn)，直到另外一個(gè)激光傳感器檢測到輸電線．記錄下此時(shí)機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)，由記錄下的機(jī)器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)值可求出兩個(gè)激光器檢測到輸電線時(shí)的坐標(biāo)S [sub]1[/sub]、S [sub]2[/sub]．輸電線的位置姿態(tài)可以由S [sub]1[/sub]、S [sub]2[/sub]：兩點(diǎn)確定，輸電線的找線控制轉(zhuǎn)換為控制兩個(gè)激光傳感器的光束都打到過S 、 的直線上．該控制過程可分解為兩個(gè)同時(shí)進(jìn)行的控制步驟： 1）調(diào)整機(jī)械手的位置使其在輸電線正上方； 2）調(diào)整機(jī)械手的姿態(tài)與過S [sub]1[/sub]、S [sub]2[/sub]的直線相同． 根據(jù)以上兩步驟可設(shè)計(jì)如下控制算法： 理論上，以上控制算法可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人手爪的準(zhǔn)確抓線，但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)間隙及加工誤差等原因，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型有一定的誤差．為確保抓線的準(zhǔn)確性，在完成上述控制算法后，通過激光傳感器對控制結(jié)果進(jìn)行檢測，即旋轉(zhuǎn)找線手臂分別記錄下兩個(gè)激光傳感器檢測到輸電線時(shí)的關(guān)節(jié)坐標(biāo)，若兩關(guān)節(jié)坐標(biāo)差小于容許值，則認(rèn)為已經(jīng)準(zhǔn)確找線，否則應(yīng)用以上控制算法重新開始找線，直到誤差足夠?。诩す鈧鞲衅鞯淖灾髟秸峡刂瓶捎梢韵虏襟E完成： 1）抓線手臂旋轉(zhuǎn)，直到一個(gè)激光傳感器檢測到輸電線，停止旋轉(zhuǎn)并記錄下關(guān)節(jié)坐標(biāo)； 2）找線手臂旋轉(zhuǎn)，直到另一個(gè)激光傳感器檢測到輸電線，停止旋轉(zhuǎn)并記錄下關(guān)節(jié)坐標(biāo)； 3）根據(jù)以上兩個(gè)關(guān)節(jié)值控制機(jī)器人完成找線； 4）重復(fù)執(zhí)行步驟2），若兩次關(guān)節(jié)坐標(biāo)之差小于。 容許誤差，則找線結(jié)束，找線手臂抓線；若兩次關(guān)節(jié)坐標(biāo)差大于容許值，則重復(fù)執(zhí)行步驟3）． 6 實(shí)驗(yàn)（Experiments） 為驗(yàn)證該巡檢機(jī)器人機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)的有效性，在實(shí)驗(yàn)室建立了模擬超高壓輸電線路，障礙物包括防震錘、懸垂金具等．針對線路上的障礙物環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究+機(jī)器人本體控制器采用c語言編程，地面控制端采用VC++語言編程．實(shí)驗(yàn)過程中，首先將機(jī)器人安裝在模擬線路上，機(jī)器人程序進(jìn)入到初始狀態(tài)+當(dāng)接收到遠(yuǎn)程控制端行走指令后進(jìn)入到行走狀態(tài)．機(jī)器人遇障傳感器檢測到障礙物后，機(jī)器人進(jìn)入到越障狀態(tài)．機(jī)器人可根據(jù)預(yù)編程越障步驟及激光傳感器信息完成自主越障，或根據(jù)操作者指令進(jìn)入到手動(dòng)越障狀態(tài)．圖9（a）為機(jī)器人在行走狀態(tài)，（b）、（c）為機(jī)器人跨越防震錘，（d）～（f）為機(jī)器人跨越懸垂金具．實(shí)驗(yàn)表明該機(jī)器人可自主跨越桿塔障礙，實(shí)現(xiàn)多檔內(nèi)巡檢作業(yè)． 7 結(jié)論及未來工作（Conclusion and futurework） 本文介紹了一種能自主跨越桿塔障礙的輸電線巡檢機(jī)器人，提出了該機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法．通過建立巡檢機(jī)器人的有限狀態(tài)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)了遙控與局部自主控制模式的有機(jī)結(jié)合，采用預(yù)編程與傳感器定位結(jié)合的方法，完成了巡檢機(jī)器人的自主越障控制．在實(shí)驗(yàn)室模擬超高壓輸電線線路環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)沿線行走及自主跨越障礙，從而驗(yàn)證了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性與合理性．未來的工作將集中在提高機(jī)器人在超高壓輸電線現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境下的可靠性、解決電磁兼容以及進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)等實(shí)用性問題．研究，分析比較了Strider機(jī)構(gòu)與Flipper機(jī)構(gòu)的特性．仿真結(jié)果表明，Strider機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中所需吸附力矩較小且占據(jù)的空間較少．