巡線機(jī)器人越障控制

1、基于專(zhuān)家系統(tǒng)的巡線機(jī)器人越障控制王路丹 1 ， 2 ，王宏光1 ，方麗金1，趙明陽(yáng)1（ 1中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110016； 2中國(guó)科學(xué)院研究生院）摘要在一種新型運(yùn)動(dòng)機(jī)制的基礎(chǔ)上，本文提出了 500 千伏（超高壓）架空電力線巡線機(jī)器人的越障控制策略。該機(jī)器人的控制系統(tǒng)建立在遞階理論專(zhuān)家系統(tǒng)上，主要由知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的自主越障。控制系統(tǒng)中將環(huán)境變量和模糊化的障礙參數(shù)作為專(zhuān)家系統(tǒng)的輸入，進(jìn)而產(chǎn)生越障規(guī)劃。同時(shí)，關(guān)節(jié)變量可以通過(guò)計(jì)算機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得出。通過(guò)越障規(guī)劃和關(guān)節(jié)變量的計(jì)算，控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)并進(jìn)行越障。關(guān)鍵詞： 巡線機(jī)器人；專(zhuān)家系統(tǒng)；越障1. 引

2、言近年來(lái)，高壓輸電線路巡線機(jī)器人的研究引起了大家廣泛的興趣，它可以執(zhí)行部分或全部輸電線路的巡檢工作，代替人們從事危險(xiǎn)和勞累的工作。本文介紹的巡檢機(jī)器人有兩個(gè)相同的機(jī)械手，每個(gè)機(jī)械手由上臂和下臂組成。上臂由滾輪和夾鉗組成。滾輪可單獨(dú)或者一起旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人在線行走。夾鉗通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接上臂，上臂通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)連接下臂，下臂通過(guò)一個(gè)棱柱關(guān)節(jié)連接機(jī)器人本體。兩個(gè)棱柱形關(guān)節(jié)共用一個(gè)直線導(dǎo)軌，因此機(jī)械手可以在機(jī)器人本體上自主翻轉(zhuǎn)。前面的機(jī)械手翻轉(zhuǎn)時(shí)不能超過(guò)后面的機(jī)械手，反之亦然。圖 1巡線機(jī)器人示意圖高壓輸電線路上有很多種類(lèi)的障礙，比如防震錘、單線夾、雙線夾等。由于障礙位置和尺寸的不同，不可能采用

3、相同的越障動(dòng)作。為解決這一問(wèn)題，我們需要事先模擬一個(gè)障礙，然后控制機(jī)器人“前夾鉗上升 ”- “后輪旋轉(zhuǎn) ” 一步步的實(shí)現(xiàn)越障。顯然，采用這種方式，我們必須詳細(xì)的了解機(jī)器人所遇到的障礙并進(jìn)行離線編程。如果障礙類(lèi)型未知，或者障礙物不規(guī)則，機(jī)器人將無(wú)法進(jìn)行越障。因此，我們最終采用機(jī)器人通過(guò)對(duì)障礙的判斷，在線自動(dòng)生成越障動(dòng)作的方式。圖 2架空電力線路障礙該機(jī)器人采用專(zhuān)家控制系統(tǒng)，進(jìn)行機(jī)器人越障動(dòng)作的在線規(guī)劃。專(zhuān)家系統(tǒng)和知識(shí)庫(kù)是用于解決某一特殊領(lǐng)域相關(guān)問(wèn)題的計(jì)算機(jī)程序。專(zhuān)家系統(tǒng)通常由知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)組成。我們采用的知識(shí)庫(kù)中包含機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)則，將障礙參數(shù)以及可能影響越障的因素作為系統(tǒng)輸入，輸出機(jī)器人的越障

4、序列和關(guān)節(jié)參數(shù)。論文的主要內(nèi)容：首先是引言部分，第2 章描述了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，第3 章詳細(xì)闡述了基于專(zhuān)家系統(tǒng)的越障控制策略，3.1節(jié)介紹了機(jī)器人專(zhuān)家系統(tǒng)的輸入和輸出， 3.2節(jié)分析了越障的基本過(guò)程，3.3節(jié)介紹了機(jī)器人專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)， 3.4節(jié)介紹了越障的具體實(shí)現(xiàn)，第4 章包括了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，第5章進(jìn)行了總結(jié)。2. 機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型圖 3巡線機(jī)器人坐標(biāo)系機(jī)器人的控制是在關(guān)節(jié)空間中實(shí)現(xiàn)，而任務(wù)在笛卡爾空間中得到表達(dá)。因?yàn)闄C(jī)器人要求至少有一個(gè)夾鉗掛線，因此可為每個(gè)夾鉗建立基礎(chǔ)坐標(biāo)。如果基本坐標(biāo)系建立在后夾鉗上，前夾鉗的相對(duì)位置和定位方程如下：（ 1）（ 2）（3 ）（ 4）（ 5）（

5、 6）式中 1， 2， 7， 8，d3 ，d4 ，d5 ，d6 為關(guān)節(jié)變量。3. 基于專(zhuān)家系統(tǒng)的機(jī)器人控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)3.1 專(zhuān)家系統(tǒng)的輸入和輸出設(shè)計(jì)一個(gè)專(zhuān)家系統(tǒng)時(shí)需要考慮諸多因素。為使機(jī)器人平穩(wěn)地越障，專(zhuān)家系統(tǒng)需要了解障礙的相關(guān)信息，以及機(jī)器人的外部和內(nèi)部參數(shù)。以下是需要輸入專(zhuān)家系統(tǒng)的參數(shù)：障礙的幾何參數(shù)：包括障礙的幾何尺寸、位置和方位等。機(jī)器人的工作狀態(tài)：可能影響機(jī)器人越障的參數(shù)，如機(jī)器人的位置，電源參數(shù)。外界設(shè)備和狀態(tài)：遠(yuǎn)程控制設(shè)備以及可能影響越障的外部狀態(tài)。輸入相關(guān)數(shù)據(jù)后，專(zhuān)家系統(tǒng)可產(chǎn)生如下輸出：是否允許越障： 告知機(jī)器人能否越障。可行的越障動(dòng)作： 告知機(jī)器人越障動(dòng)作。關(guān)節(jié)變量： 越障的

6、關(guān)節(jié)變量。3.2障礙參數(shù)的模糊化專(zhuān)家系統(tǒng)需要輸入障礙的幾何參數(shù)，但是專(zhuān)家系統(tǒng)并不能“理解 ”這些數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)處理。因此，在輸入專(zhuān)家系統(tǒng)之前，我們需要對(duì)這些幾何參數(shù)進(jìn)行模糊化處理?？紤]到機(jī)器人和障礙的相對(duì)位置關(guān)系，障礙參數(shù)的模糊化包括六個(gè)方向：上，下，左，右，前，后。當(dāng)機(jī)器人越障時(shí)，不管障礙的參數(shù)如何，都只有三種狀態(tài)。狀態(tài) 1 ，兩個(gè)機(jī)械手都位于障礙前面；狀態(tài) 2 ，前機(jī)械手在障礙前面，后機(jī)械手在障礙后面；狀態(tài) 3 ，兩個(gè)機(jī)械手都在障礙后面。因此，機(jī)器人越障的過(guò)程就是從狀態(tài) 1 轉(zhuǎn)換到狀態(tài) 2 ，再轉(zhuǎn)換到狀態(tài) 3 。換句話說(shuō)：前夾鉗先進(jìn)行越障，然后掛線，后夾鉗再進(jìn)行越障。不同的障礙參數(shù)將影響夾

7、鉗的移動(dòng)方式。如果障礙位于電線右側(cè)，夾鉗必須旋轉(zhuǎn)180 ，而如果障礙位于電線上面，在向前行走之前，必須先舉起夾鉗。障礙的模糊化包括 6 個(gè)方向。如果在某個(gè)方向上沒(méi)有任何障礙，該方向?qū)⒈粯?biāo)記為0 ，如果存在障礙，但夾鉗在進(jìn)行一些必要的調(diào)整后，能夠?qū)崿F(xiàn)越障的方向標(biāo)記為1 。同時(shí)，如果存在障礙，但是無(wú)法實(shí)現(xiàn)越障的方位將被標(biāo)記為2 。圖 4 顯示了防震錘參數(shù)的模糊化。圖 4 防震錘參數(shù)的模糊化以防震錘為例，如果在上方有一個(gè)障礙，在夾鉗運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)越障，則標(biāo)記為 1 。而如果在下方有一個(gè)障礙，即使后臂縮短到最短，夾鉗也不能跨越時(shí)，標(biāo)記為 2 。其余方位也是采取同樣的方式來(lái)判斷。經(jīng)過(guò)模糊化處理，每個(gè)

8、障礙都可以實(shí)現(xiàn) 6 位數(shù)的編碼。3.3專(zhuān)家系統(tǒng)的知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)推理機(jī)根據(jù)專(zhuān)家系統(tǒng)的輸入，通過(guò)知識(shí)庫(kù)進(jìn)行判斷，從而形成機(jī)器人的越障規(guī)劃。系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)的內(nèi)容主要有兩個(gè)來(lái)源：機(jī)器人的理論設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。專(zhuān)家系統(tǒng)將所有基本動(dòng)作以規(guī)則的形式存入知識(shí)庫(kù)。以下是專(zhuān)家系統(tǒng)規(guī)則庫(kù)的舉例說(shuō)明：越障的規(guī)則：如果 “電力不足 ” ，則 “不允許越障 ”如果 “風(fēng)力太大 ” ，則 “不允許越障 ”如果 “允許越障 ”， 則“檢查障礙編碼 ”；如果 “上方位為 1 ”， 則“前手臂前移 ”如果 “移動(dòng)夾鉗 ”， 則“舉起夾鉗 ”如果 “舉起夾鉗 ”， 則“打開(kāi)夾鉗 ”；通過(guò)知識(shí)庫(kù)中存儲(chǔ)的規(guī)則，以及推理機(jī)的輸入，我們可以得到

9、所需的結(jié)果。在此，推理機(jī)采用的是 “生產(chǎn)系統(tǒng) ”，以下是系統(tǒng)的運(yùn)算過(guò)程：1 ） 把原始狀態(tài)（或數(shù)據(jù)）輸入動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)；2 ）在動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中將目標(biāo)與事實(shí)進(jìn)行測(cè)試（匹配）。如果目的實(shí)現(xiàn)，則推理成功，返回；3 ）將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中的事實(shí)與知識(shí)庫(kù)中的規(guī)則相匹配。匹配成功的規(guī)則將被添加到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而建立規(guī)則的總和。4 ）如果規(guī)則總和為靈，失??；返回；否則轉(zhuǎn)到步驟2 。舉例說(shuō)明：假設(shè)電力足夠，并且其它外部條件滿(mǎn)足越障要求，將防震錘的位置代碼121100 作為輸入，推理機(jī)將產(chǎn)生越障規(guī)劃： “打開(kāi)前夾鉗 ”，“舉起前夾鉗 ”，“后輪前進(jìn) ”，“前夾鉗掛線 ”，“打開(kāi)后夾鉗 ” 從而一步步的完成越障規(guī)劃。3.4越

10、障的實(shí)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)越障，關(guān)節(jié)變量需要作為機(jī)器人控制器的輸入。從機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得出，只有當(dāng)一個(gè)夾鉗抓住電線，另一個(gè)夾鉗具有四個(gè)自由度，并且關(guān)節(jié)自由度為8 時(shí)，機(jī)器人才作為冗余系統(tǒng)。如果所有關(guān)節(jié)不是固定的，將很難得到及逆動(dòng)學(xué)方程，而如果鎖固定的話，在越障過(guò)程中，可得到相應(yīng)的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。例如，如果機(jī)器人想實(shí)現(xiàn) “前夾鉗前移 ”，這表示夾鉗必須在x 方向位置，然后根據(jù)相對(duì)位置方程（ 2），未被鎖定的關(guān)節(jié)變量是d5 ，則逆方程是 :(7式中 1 ，2 ，7，8 ，d5 是確定的，障礙在y 方向的參數(shù)是 I y ，關(guān)節(jié)變量 d4 通過(guò)下式得到：(8控制器通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)變量的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的控制以及越障。

11、4. 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)采用帶有防震錘的模擬電源線，在制造機(jī)器人的工廠進(jìn)行。障礙參數(shù)與國(guó)內(nèi)實(shí)際采用的電力輸送線是一致的。遠(yuǎn)程控制平臺(tái)通過(guò)射頻發(fā)射器和 FC206 接收器與機(jī)器人進(jìn)行通信。實(shí)驗(yàn)步驟如下：1 ）機(jī)器人在線行走，遇到防震錘時(shí)停止。2）遠(yuǎn)程控制平臺(tái)將障礙參數(shù)發(fā)送給機(jī)器人。3）專(zhuān)家系統(tǒng)生成障礙過(guò)程，機(jī)器人進(jìn)行障礙。圖 5防震錘越障過(guò)程防震錘越障過(guò)程為：（ a）機(jī)器人停止；（ b ）前夾鉗升起；（ c ）前夾鉗前移；（ d）前夾鉗掛線；（ e ）后夾鉗舉起并前移。結(jié)合以上越障過(guò)程的的照片，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了機(jī)器人專(zhuān)家系統(tǒng)的功能和越障過(guò)程的正確性。5. 結(jié)束語(yǔ)本文論述了巡線機(jī)器人的越障控制。采用專(zhuān)家系統(tǒng)的方法

12、，巡線機(jī)器人不需要遠(yuǎn)程控制平臺(tái)或者事先模擬障礙即可實(shí)現(xiàn)越障。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的正確性。致謝在此感謝中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的凌列，李勇工程師，感謝 228 工廠的支持，沒(méi)有他們的辛勤工作，機(jī)器人將不能成功的進(jìn)行研制和測(cè)試。參考文獻(xiàn)1.T. Tsujimura, T. Yabuta, T. Morimitsu, Design of a wire-suspended mobile robot capable of avoiding path obstacles, IEE Proc.-Control Theory Appl., Vol. 143, NO. 4, July 1996, pp

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