1 引言（Introduction） 近年來，隨著采用機器人來替代或協(xié)助人完成輸電線巡檢作業(yè)的需求增長，輸電線路巡檢機器人成為國內(nèi)外機器人領(lǐng)域的研究熱點之一 1_2 J．國際上對于輸電線路巡檢機器人技術(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株式會社研制的高壓線巡檢機器人樣機．日本東京電力公司于1989年開發(fā)出一臺樣機，該機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，機器人控制系統(tǒng)采用基于離線編程的運動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化研究所、武漢大學(xué)、中科院自動化研究所和北京航天航空大學(xué)等．武漢大學(xué)巡檢機器人樣機采用雙臂式結(jié)構(gòu)，通過遙控的方式實現(xiàn)了桿塔障礙的跨越 ．中科院自動化所提出了三臂巡檢機器人結(jié)構(gòu)并通過試驗驗證了其越障功能．中科院沈陽自動化所研制了一檔內(nèi)輸電線巡檢機器人樣機及具有跨越桿塔障礙功能的越障巡檢機器人樣機，并開展了試驗研究．中科院沈陽自動化所的越障巡檢機器人樣機采用雙輪臂復(fù)合式機構(gòu)，可以根據(jù)障礙物形狀及作業(yè)要求，通過尺蠖式運動、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器人尚處于研制階段，還需要進(jìn)一步的完善以達(dá)到實用化要求．超高壓輸電線路巡檢機器人研究涉及機構(gòu)、控制、通訊及能源等多項技術(shù)，其中控制系統(tǒng)的設(shè)計對于整機性能的實現(xiàn)具有至關(guān)重要的作用． 2 機器人機構(gòu)及運動學(xué)（Robot mechanismand kinematics） 圖1所示為中國科學(xué)院沈陽自動化所研制的具有跨越桿塔障礙功能的越障巡檢機器人系統(tǒng)照片，該系統(tǒng)由機器人及地面便攜式控制器組成．機器人由兩個相同的輪臂復(fù)合機構(gòu)和一個巡檢作業(yè)箱體組成．輪臂復(fù)合機構(gòu)用來實現(xiàn)機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旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個伸縮關(guān)節(jié)連接在手臂上，而兩個手臂分別固聯(lián)在滑動導(dǎo)軌上．機器人箱體可以在滑動導(dǎo)軌上滑動，以便在機器人單手抓線時調(diào)整機器人重心到抓線手臂上，保持機器人姿態(tài)穩(wěn)定．機器人箱體主要用來攜帶云臺攝像頭、機器人主控制器、無線收發(fā)裝置、圖像傳輸系統(tǒng)、電機驅(qū)動器等電子設(shè)備． 為了實現(xiàn)機器人自主越障，建立了運動學(xué)模型并推導(dǎo)了運動學(xué)方程．巡檢機器人機構(gòu)簡圖如圖2所示．機器人一手抓線，另外一手找線，其運動學(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)可求得機器人雅可比矩陣方程： 式中：分別為找線手爪末端速度和機器人關(guān)節(jié)速度． 3 控制系統(tǒng)設(shè)計（Design of the control system） 輸電線巡檢機器人運行環(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現(xiàn)對機器人作業(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)合的控制模式實現(xiàn)巡檢機器人沿線行走及跨越障礙．如圖3所示，巡檢機器人控制系統(tǒng)由機器人本體控制系統(tǒng)和地面遠(yuǎn)端控制平臺兩部分組成．機器人本體控制系統(tǒng)采用基于PC104總線的嵌入式計算機系統(tǒng)．其組成如下：核心模塊MSM586SV、通訊模塊EMM-8-XT、運動控制模塊PMAC2A-PC104、A／D轉(zhuǎn)換模塊DMM-16-AT、I／O模塊IR104．為實現(xiàn)機器人本體控制器與遠(yuǎn)端控制平臺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)傳電臺系統(tǒng)和微波圖像傳輸系統(tǒng)．機器人地面遠(yuǎn)端控制平臺主要功能為：通過無線通訊實現(xiàn)與機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．主要硬件組成為：主控計算機IPC6008、微波接收機、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結(jié)合；2）局部自主越障控制的實現(xiàn)．本文針對巡檢機器人的工作特點，通過建立巡檢機器人有限狀態(tài)機模型，實現(xiàn)了遙控與局部自主控制模式的有機結(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器人的自主越障控制． 4 基于有限狀態(tài)機模型的軟件設(shè)計（Softwaredesign based on model of finite statemachine） 輸電線巡檢機器人的主要作業(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到線路破損點后停止行走并采集破損信息；2）當(dāng)巡檢機器人運行到桿塔附近時，可以在操作者和機器人控制器的協(xié)作控制下越過線上障礙物（防震錘、單掛點金具、雙掛點金具、壓接管等），然后進(jìn)入下一檔輸電線路的檢測．為便于實現(xiàn)機器人自主控制與遙控的結(jié)合，本文建立了巡檢機器人有限狀態(tài)機模型，并根據(jù)有限狀態(tài)機模型實現(xiàn)機器人控制軟件編程工作． 4．1 巡檢機器人有限狀態(tài)機模型 巡檢機器人在巡檢作業(yè)運行過程的每一時刻都處在某一特定狀態(tài)．因此巡檢機器人的控制過程可以用有限狀態(tài)機來描述． 巡檢機器人的工作過程主要包括6個狀態(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)，出錯狀態(tài)｝．初始狀態(tài)為完成初始化的機器人被送上架空地線等待遠(yuǎn)端控制平臺控制信息；行走狀態(tài)為機器人行走輪驅(qū)動機器人在線上行走，攝像頭云臺按遠(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)線路故障可疑點后，巡檢機器人調(diào)整好有利的位置姿態(tài)，采集疑似故障點圖像信息；遇障狀態(tài)為機器人環(huán)境識別系統(tǒng)判斷出機器人運行到桿塔附近，并識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)為機器人在遠(yuǎn)程控制信息與機器人控制器的協(xié)調(diào)控制下通過兩輪臂復(fù)合系統(tǒng)的順序動作越過桿塔障礙進(jìn)入下一檔距；下線狀態(tài)為機器人?？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)；出錯狀態(tài)為巡檢機器人系統(tǒng)出現(xiàn)故障不能正常完成巡檢作業(yè)的狀態(tài)．巡檢機器人的最終狀態(tài)有兩種：F=｛下線狀態(tài)。出錯狀態(tài)｝ 4．2 有限狀態(tài)機模型的輸入與狀態(tài)轉(zhuǎn)換 巡檢機器人的作業(yè)過程可以由以上狀態(tài)機模型定義的狀態(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)；機器人處于行走狀態(tài)時，對于不同的輸入有不同的狀態(tài)轉(zhuǎn)換：檢測到疑似障礙點時轉(zhuǎn)換到檢測狀態(tài)。環(huán)境識別系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)障礙物時轉(zhuǎn)換到遇障狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)錯誤時轉(zhuǎn)換到出錯狀態(tài)；機器人進(jìn)入檢測狀態(tài)后，操作者可采集疑似故障點信息，在操作者完成疑似故障點信息采集后，機器人轉(zhuǎn)換回行走狀態(tài)；機器人處于遇障狀態(tài)時，操作者的越障指令可以使機器人轉(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；在出錯狀態(tài)，機器人自動轉(zhuǎn)換為行走狀態(tài)．圖4描述了巡檢機器人有限狀態(tài)機模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系．圖5為機器人控制軟件流程圖．機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)程控制信息對機器人進(jìn)行作業(yè)控制．建立輸電線巡檢機器人自動運行有限狀態(tài)機模型使機器人的控制流程變得明晰，有利于實現(xiàn)軟件編程和人機交互． 5 自主越障控制（Autonomous obstacle．na．vigation contro1） 在巡檢作業(yè)過程中，機器人在沿架空地線行走的同時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．機器人在完成一檔內(nèi)（兩個桿塔之間稱為一檔）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器人的控制難點．本文針對巡檢機器人的工作特點，采用預(yù)編程與傳感器定位相結(jié)合的方法完成巡檢機器人的自主越障控制． 如圖7所示，根據(jù)本文介紹的巡檢機器人機構(gòu)特點，任何越障過程可以分為兩步：1）一只機械手固定在障礙物前的輸電線上，另外一只機械手通過機器人關(guān)節(jié)運動繞到障礙物后；2）通過抓線控制使機械手準(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．為在抓線控制時準(zhǔn)確確定輸電線的位置，每個機械手上都安裝了兩個激光傳感器 通過機器人抓線手臂旋轉(zhuǎn)可以使找線手臂的一個激光器發(fā)出的激光束打到輸電線，這時激光傳感器會產(chǎn)生一個開關(guān)量信號．機器人控制器在檢測到該信號后記錄下機器人當(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)，直到另外一個激光傳感器檢測到輸電線．記錄下此時機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)，由記錄下的機器人關(guān)節(jié)坐標(biāo)值可求出兩個激光器檢測到輸電線時的坐標(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]：兩點確定，輸電線的找線控制轉(zhuǎn)換為控制兩個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同時進(jìn)行的控制步驟： 1）調(diào)整機械手的位置使其在輸電線正上方； 2）調(diào)整機械手的姿態(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)計如下控制算法： 理論上，以上控制算法可實現(xiàn)機器人手爪的準(zhǔn)確抓線，但由于機械結(jié)構(gòu)間隙及加工誤差等原因，機器人的運動學(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激光傳感器檢測到輸電線時的關(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)以上兩個關(guān)節(jié)值控制機器人完成找線； 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 實驗（Experiments） 為驗證該巡檢機器人機構(gòu)及控制系統(tǒng)的有效性，在實驗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)行了實驗研究+機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．實驗過程中，首先將機器人安裝在模擬線路上，機器人程序進(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)．機器人遇障傳感器檢測到障礙物后，機器人進(jìn)入到越障狀態(tài)．機器人可根據(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)入到手動越障狀態(tài)．圖9（a）為機器人在行走狀態(tài)，（b）、（c）為機器人跨越防震錘，（d）～（f）為機器人跨越懸垂金具．實驗表明該機器人可自主跨越桿塔障礙，實現(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器人，提出了該機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)方法．通過建立巡檢機器人的有限狀態(tài)機模型，實現(xiàn)了遙控與局部自主控制模式的有機結(jié)合，采用預(yù)編程與傳感器定位結(jié)合的方法，完成了巡檢機器人的自主越障控制．在實驗室模擬超高壓輸電線線路環(huán)境下進(jìn)行了實驗研究，實驗結(jié)果表明，該機器人可實現(xiàn)沿線行走及自主跨越障礙，從而驗證了控制系統(tǒng)設(shè)計的有效性與合理性．未來的工作將集中在提高機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)場實驗等實用性問題．研究，分析比較了Strider機構(gòu)與Flipper機構(gòu)的特性．仿真結(jié)果表明，Strider機構(gòu)在運動過程中所需吸附力矩較小且占據(jù)的空間較少．