對高壓輸電線路進行巡檢是電力部門的重要工作，由于采用機器人巡檢線路具有安全可靠、效率高和成本相對低廉的優勢，近年來全球范圍內對輸電線路巡檢機器人的需求不斷增加，各科研機構對巡檢機器人的研究進展較大，作為巡檢機器人的核心部分，機器人的機械結構設計也在不斷完善。

傳統巡檢機器人采用跨越方式越障，在越障過程中不可避免地要出現機械臂與線路分離和機械臂重新尋找線路這兩個過程，因此極大地限制了巡檢機器人的安全性和巡檢效率的提高。

例如加拿大魁北克水電研究院的巡檢機器人“Line Scout”，不僅可以巡檢線路，還可以完成導線修補、螺栓緊固等相對簡單的線路維護作業。武漢大學高壓輸電線路巡線機器人可沿單導線及地線行駛的兩種方式自主巡檢。山東科技大學的機器人設置有3個機械臂，采用基于規則的專家控制系統來控制機器人在高壓輸電線上的爬行。

本文設計的輸電線路巡檢機器人是一種微小型、重量輕、運行在地線上的巡線機器人，以短期在線巡檢和長期駐留桿塔的作業模式，實現線路、金具、絕緣子、桿塔和線路走廊的巡檢，可以解決現有巡檢機器人存在的問題，實現機器人巡檢的實用化。機器人的整體機構方案如圖1所示，主要由機器人本體、越障橋、駐留巢穴和遠程集控中心4部分組成。

圖1 巡檢機器人系統結構圖

1 機器人行走過程分析

1.1 機械結構

圖2所示是機器人本體設計方案，主要由主動輪、手爪、連接臂和巡檢系統組成。其中主動輪負責完成在地線和越障橋上行走，手爪負責夾持地線或越障橋以防止機器人墜落、增加主動輪與地線的摩擦力從而增強機器人的爬坡能力，巡檢系統負責完成對線路的巡檢。

1.2 機器人越橋過程

機器人通過本體主動輪在地線上行走，通過架設越障橋跨越地線上的防震錘或其他障礙物。機器人本體的運動機構需實現復雜場景下的無障礙行走，完成以下幾個過程，過程如圖3所示。

圖3（a）控制識別所鋪設的越障橋，完成過橋準備；圖3（b）控制機器人手爪打開后，壓緊越障橋，根據橋型結構、所處位置通過內置算法實時控制開合大小調節壓緊力大小，實現精準上橋；圖3（c）控制機器人在橋上平穩行走，根據風向及風力大小實時調節壓緊力大小；圖3（d）控制機器人重回地線上完成越障工作。

圖2 機器人本體結構

圖3a 機器人越橋過程

圖3b 機器人越橋過程

圖3c 機器人越橋過程

圖3d 機器人越橋過程

該系統能實現單線無障礙行走，可控制實現爬坡、下坡，坡度最大可達35°；可控制實現機器人跨越越障橋，采用合理控制算法使機器人能平穩跨越越障橋，過橋時不卡頓。

1.3 機器人越橋動作條件

機器人本體的運動機構需滿足以下要求：

1）滿足穩定行走的要求

在機器人本體運行在地線或越障橋上時，既要通過手爪抱緊地線或越障橋產生摩擦力使裝置不墜落，也要保證行走機構能夠平穩行走。所產生的摩擦力既不能過大導致行走機構在地線上無法行走，也不能過小導致裝置重心不穩發生墜落事故，需要實時調整手爪抱線摩擦力。

2）滿足穩定跨越小型障礙物（例如預絞絲等）的要求

在機器人本體跨越小型障礙物時，主動輪與手爪之間間隙突然變大，要保證行走機構不會發生打滑和卡死，并且需要保證整個過程中不會出現重心上下偏移導致的墜落事故發生。

3）滿足上下橋時穩定行走的要求

雙軌越障橋安裝在桿塔塔頭，可輔助機器人跨越桿塔和防振錘等金具。機器人本體上橋時手爪打開，使機器人松開地線，抱緊雙軌越障橋；機器人下橋時動作與上橋相反。上下橋時，主動輪與手爪之間壓力急劇變化，控制系統檢測到壓力變化時，要及時對主動輪電機速度進行限速調節，并控制手爪抱緊力。

2 控制系統設計

2.1 壓力調節算法設計要求

壓力調節包括主動輪降速和調節手爪壓力。控制系統自動調節主動輪運動速度，主要是限制主動輪速度，從而保證壓力調節的可靠性。如果壓力值超出設定最大區域，會立即停止主動輪電機運動，等待調整完畢后再繼續水平運動。

機器人的行走動力由主動輪提供，手爪向上產生摩擦力，壓力傳感器負責實時監測手爪和主動輪對地線或越障橋的抱緊力。通過智能控制運算單元，調整出當前機器人行走適用摩檫力，從而達到巡檢機器人平穩行走目的。

其中地線上行走，包括帶有坡度的地線，靠摩擦力行進，摩擦力調節手爪抱緊力調節。遇到障礙物，例如預絞絲等，手爪壓力變大。如果壓力太大，摩擦力會過大，增加負載，需減小手爪抱緊力，從而調整壓力和摩擦力。當機器人離開障礙物時，手爪壓力變小，摩擦力變小，容易發生打滑和顛簸，需增大手爪抱緊力，調整壓力和摩擦力。

2.2 控制系統參數設計

機器人控制系統以125Hz的頻率進行快速狀態掃描，每次狀態掃描都要根據主動輪和手爪之間的狀態關系進行壓力調整。設計要求機器人滿足最大運動速度為2m/s，兩次狀態掃描時間間隔內，機器人最大水平位移為16mm。越障橋設計能夠保證在5次狀態掃描更新過程中，控制系統能快速反應并調節壓力，保持壓力在允許范圍內，使機器人正常行走。

3 自適應運動控制算法

如圖4所示，壓力分為高壓停止區、高壓調整區、正常區域、低壓調整區、低壓停止區。當傳感器采集到的壓力處于不同區域時，主動輪速度與手爪抱緊力需按調節策略進行調節。其中，Pxs為高壓停止區閾值，Px為高壓調整區閾值。Pn為低壓調整區閾值，Pns為低壓停止區閾值。設P0為壓力傳感器采集的機器人與地線（或越障橋）之間的實時壓力值。

圖4 彈簧壓力分區圖

利用非線性數據擬合原理，設計實時壓力值P0、主動輪實時速度Vct與輸出的計算壓力值P1之間的關系模型如下

公式（1）

式中，系數向量k1和k2的取值與壓力傳感器、電機特性、傳動裝置有關。通過采集多組機器人在不同運動速度條件下，停止時壓力變化數據，擬合得到k1和k2數值。

可以簡單分析出如果機器人靜止，即Vct=0時，P1=P0。主動輪和手爪的調節策略見表1。壓力調節策略的目的是使P0維持在正常區域。

表1 壓力值調節策略

4 仿真測試

如圖5所示，機器人在室外實驗地線上進行了行走測試。機器人行走平穩并跨越越障橋，運行良好。

圖5a 機器人室外環境測試

圖5b 機器人室外環境測試

圖5c 機器人室外環境測試

根據試驗地線型號和機器人主動輪尺寸，設定高壓調整區閾值為90，高壓停止區閾值為110；低壓調整區閾值為30，低壓停止區閾值為10。機器人以50m/min的預設速度行走，在上橋過程中，傳感器采集壓力值P0、采集的實時行走速度Vct和計算壓力值P1變化曲線如圖6所示。

圖6 機器人上橋過程參數變化曲線

機器人以50m/min的預設速度行走，在下橋過程中，傳感器采集壓力值P0、采集的實時行走速度Vct和計算壓力值P1變化曲線如圖7所示。

圖7 機器人下橋過程參數變化曲線

結論

通過機器人壓緊力實時調節方式，配合安裝在地線上各種障礙物跨越橋裝置，實現了巡檢機器人沿地線行走巡檢功能。通過自適應的運動控制算法，實現了壓力自動調節，保證機器人運動過程中與地線或越障橋之間的壓力保持在正常區域，保證機器人穩定行走，不會發生打滑現象，提高了巡檢機器人運動可靠性。