輸電線路機(jī)器人上下線平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)

1、 輸電線路機(jī)器人上下線平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì) 摘要:隨著經(jīng)濟(jì)和科技水平的快速發(fā)展，針對(duì)現(xiàn)有巡檢機(jī)器人自動(dòng)上下線系統(tǒng)作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、無(wú)保護(hù)裝置的特點(diǎn)，提出了一種巡檢機(jī)器人自動(dòng)上下線系統(tǒng)的制動(dòng)裝置，使自動(dòng)上下線系統(tǒng)運(yùn)行更加安全。設(shè)計(jì)了制動(dòng)裝置的三維模型，分析了制動(dòng)裝置的制動(dòng)過(guò)程。建立制動(dòng)裝置的靜力學(xué)模型，求解制動(dòng)裝置的制動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)。使用adams軟件仿真制動(dòng)裝置制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性，求解制動(dòng)裝置的制動(dòng)時(shí)間與制動(dòng)距離，證明了制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該制動(dòng)裝置在機(jī)器人自動(dòng)上下線過(guò)程中具有良好的可靠性與更高的安全性，具有工程應(yīng)用和推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞:制動(dòng)裝置；自動(dòng)上下線；巡檢機(jī)器人；動(dòng)力學(xué)仿真；結(jié)

2、構(gòu)設(shè)計(jì)引言針對(duì)人工輔助機(jī)器人上下線方法存在人身安全、工作效率低的問(wèn)題，本文提出一種基于機(jī)器視覺(jué)的輸電線路機(jī)器人上下線平臺(tái)（以下稱上下線平臺(tái)）的設(shè)計(jì)方案，以代替人工吊裝方式帶電完成輔助輸電線路機(jī)器人（以下稱機(jī)器人）上下線作業(yè)。采用基于ssd的對(duì)接標(biāo)識(shí)線識(shí)別方法識(shí)別出對(duì)接識(shí)線后，利用基于雙目視覺(jué)模型的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)測(cè)量方法計(jì)算出機(jī)器人對(duì)接腳頂點(diǎn)和對(duì)接夾爪頂點(diǎn)的位置關(guān)系，得出機(jī)器人對(duì)接腳和對(duì)接標(biāo)識(shí)線相對(duì)位置關(guān)系，進(jìn)而精確控制機(jī)器人和上下線平臺(tái)的對(duì)接和分離，再結(jié)合機(jī)器人上下線操作規(guī)范，高效地完成機(jī)器人上下線作業(yè)任務(wù)。1自動(dòng)上下線系統(tǒng)簡(jiǎn)介自動(dòng)上下線系統(tǒng)是使巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)由地面至高壓輸電線地線、由高壓輸電線地

3、線至地面的自動(dòng)上下過(guò)程。自動(dòng)上下線系統(tǒng)由卷?yè)P(yáng)提升部分、控制器、吊籃、塔身垂直導(dǎo)軌及塔頂引導(dǎo)導(dǎo)軌幾個(gè)部分組成。卷?yè)P(yáng)提升部分為吊籃上下線過(guò)程提供動(dòng)力，包括電機(jī)、卷?yè)P(yáng)、鋼絲繩等部分，上下線過(guò)程由控制器控制。在此過(guò)程中，機(jī)器人被固定在吊籃內(nèi)，沿塔身垂直導(dǎo)軌運(yùn)行至塔頂，機(jī)器人沿塔頂引導(dǎo)導(dǎo)軌進(jìn)入輸電線地線。在實(shí)際應(yīng)用中，上下線過(guò)程會(huì)出現(xiàn)鋼絲繩斷裂、控制器失靈、電機(jī)損壞等狀況，導(dǎo)致機(jī)器人下墜，限速裝置將下墜速度限制在一個(gè)恒定值。限速裝置限制吊籃下降的速度，一旦吊籃因故障下墜，限速裝置中離心離合器的主、從動(dòng)輪結(jié)合，固定在從動(dòng)輪上的端蓋與導(dǎo)向輪同步轉(zhuǎn)動(dòng)，連接在端蓋上的連桿擺動(dòng)，帶動(dòng)活塞在氣缸內(nèi)上下移動(dòng)，通過(guò)氣缸

4、底部氣孔進(jìn)行呼氣、吸氣，產(chǎn)生空氣阻力，克服吊籃重力做功，將吊籃下墜速度限制在固定值。機(jī)器人下墜后與地面剛性沖擊，會(huì)對(duì)機(jī)器人及吊籃造成損害，2制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)及分析2.1制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自動(dòng)上下線系統(tǒng)制動(dòng)裝置的結(jié)采用的制動(dòng)方式為楔塊式制動(dòng)，制動(dòng)裝置主要由施力板、動(dòng)滑塊、定滑塊、導(dǎo)向板、通繩孔、導(dǎo)向塊、緩沖彈簧等組成。施力板通過(guò)螺釘固定在動(dòng)滑塊上，承受來(lái)自下墜吊籃的沖擊;動(dòng)滑塊能夠沿著導(dǎo)向板上下移動(dòng)，其下表面和導(dǎo)向板之間連接有垂直緩沖彈簧，定滑塊與導(dǎo)向塊之間裝有水平緩沖彈簧，動(dòng)滑塊能夠沿著定滑塊的斜面移動(dòng);通繩孔供卷?yè)P(yáng)提升部分的鋼絲繩穿過(guò)。制動(dòng)裝置安裝在近地側(cè)的桿塔上，連接焊板與鐵塔的支撐角鋼通過(guò)螺釘

5、連接。制動(dòng)裝置工作原理，吊籃因故障下墜時(shí)，限速裝置限制下墜速度為恒定值，吊籃的動(dòng)作角鋼與制動(dòng)裝置的施力板接觸，吊籃的重力作用在動(dòng)滑塊上，動(dòng)滑塊沿著定滑塊的斜面滑動(dòng)，定滑塊沿著水平方向移動(dòng)，緩沖彈簧使動(dòng)滑塊與定滑塊接觸面間的正壓力不斷增大，產(chǎn)生的摩擦力及緩沖彈簧的反作用力制動(dòng)下墜的吊籃。2.2制動(dòng)裝置工作過(guò)程受力分析吊籃因故障下墜后，若下降速度超過(guò)3m/s，吊籃限速裝置運(yùn)轉(zhuǎn)限制吊籃以3m/s速度下墜;若吊籃與制動(dòng)裝置接觸前，限速裝置未觸發(fā)，則吊籃下降的加速度為重力加速度。吊籃與制動(dòng)裝置的施力板接觸后，吊籃與動(dòng)滑塊連成一體，向下運(yùn)行。動(dòng)滑塊沿著定滑塊的斜面向下移動(dòng)，動(dòng)滑塊與定滑塊之間的摩擦力和緩沖

6、彈簧產(chǎn)生的向上的反作用力使動(dòng)滑塊與吊籃制動(dòng)。2.3機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介機(jī)器人主要由行走輪、行走輪伸縮臂和對(duì)接腳等構(gòu)成。機(jī)器人上線后，通過(guò)伸縮行走輪伸縮臂的伸縮能夠調(diào)整機(jī)器人的上下位置，便于行走輪抓線和脫離輸電導(dǎo)線，而且當(dāng)行走輪伸縮臂縮到底時(shí)，能夠?qū)⑤旊妼?dǎo)線卡在機(jī)器人行走輪凹槽內(nèi)，這樣能夠保證機(jī)器人在移動(dòng)、作業(yè)過(guò)程中不會(huì)脫離導(dǎo)線和產(chǎn)生位移。機(jī)器人箱體底端的對(duì)接腳便于與上下線平臺(tái)的對(duì)接.2.4上下線平臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上下線平臺(tái)控制系統(tǒng)由機(jī)器人本體上的視頻采集模塊、上下線平臺(tái)本體和地面控制端三部分組成，如圖7所示，按照功能主要?jiǎng)澐忠韵聨讉€(gè)部分：（1）視頻信息采集模塊：上下線平臺(tái)控制系統(tǒng)的視頻信息采集模塊主要

7、包括模擬攝像頭和視頻服務(wù)器。（2）通信交互層：機(jī)器人、上下線平臺(tái)及地面控制端通過(guò)無(wú)線以太網(wǎng)進(jìn)行雙向通信交互，包括控制指令交互、機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和視頻圖像傳輸?shù)?。?）驅(qū)動(dòng)執(zhí)行端：主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)和一系列溫控設(shè)備。（4）地面控制端：由于機(jī)器人和上下線平臺(tái)內(nèi)的mcu算力有限，頻信息采集模塊采集回來(lái)的視頻信息需要發(fā)回到地面端的計(jì)算機(jī)進(jìn)行視覺(jué)及圖像處理。另外，機(jī)器人的對(duì)接。本文采用pid控制方法控制上下線平臺(tái)各電機(jī)，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以適應(yīng)風(fēng)速、天氣、及各個(gè)機(jī)械件摩擦系數(shù)等不確定因素的影響下的不同作業(yè)環(huán)境。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1對(duì)接標(biāo)識(shí)線識(shí)別結(jié)果和分析利用caffe網(wǎng)絡(luò)框架訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型，將攝像頭采

8、集到的圖像輸入ssd目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，機(jī)器人越接近對(duì)接標(biāo)識(shí)線位置時(shí)，識(shí)別置信度越大。當(dāng)置信度大于設(shè)定值時(shí)，停止移動(dòng)機(jī)器人并調(diào)整上下線平臺(tái)位置，機(jī)器人與上下線平臺(tái)開始對(duì)接。在殘差網(wǎng)絡(luò)中各超參數(shù)的設(shè)置是決定檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)最終分類性能的關(guān)鍵，本文針對(duì)殘差網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)卷積層卷積核大小展開調(diào)試工作，以取得最佳參數(shù)值。具體操作為針對(duì)每組不同參數(shù)將分開進(jìn)行模型訓(xùn)練，將訓(xùn)練好的模型在測(cè)試集4個(gè)不同測(cè)試尺度上分別測(cè)試10次，取最好的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行性能分析。3.2現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)上下線平臺(tái)先后在110kv模擬線路和110v實(shí)際線路上，按照標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人下線作業(yè)規(guī)范進(jìn)行了機(jī)器人的上下線實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明上下線平臺(tái)能夠自主完成與機(jī)器人對(duì)接

9、，高效地配合機(jī)器人完成上下線作業(yè)，整個(gè)作業(yè)流程平均耗時(shí)16分鐘，而人工輔助機(jī)器人上下線作業(yè)平均耗時(shí)45分鐘以上，極大提高了機(jī)器人上下線作業(yè)效率，彌補(bǔ)人工作業(yè)時(shí)危險(xiǎn)性高、效率低和耗時(shí)長(zhǎng)等缺陷。結(jié)語(yǔ)提出了一種基于機(jī)器視覺(jué)的輸電線路機(jī)器人上下線平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和視覺(jué)檢測(cè)兩部分。利用基于深度學(xué)習(xí)的ssd目標(biāo)檢測(cè)方法識(shí)別出對(duì)接標(biāo)識(shí)線，再運(yùn)用視覺(jué)測(cè)量及控制技術(shù)精確控制機(jī)器人和上下線平臺(tái)進(jìn)行自主對(duì)接和分離。結(jié)合機(jī)器人上下線操作規(guī)范，上下線平臺(tái)能夠高效地輔助機(jī)器人完成上下線作業(yè)任務(wù)。最后，研制了輸電線路機(jī)器人上下線平臺(tái)樣機(jī)，并在模擬線路和現(xiàn)場(chǎng)線路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了上下線平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性及視覺(jué)檢測(cè)及控制方法的有效性。參考文獻(xiàn):1張運(yùn)楚，梁自澤，譚民架空電力線路巡線機(jī)器人的研究綜述j機(jī)器人，2004，26(5):4674732吳功平，肖曉暉，肖華，等