对高压输电线路进行巡检是电力部门的重要工作，由于采用机器人巡检线路具有安全可靠、效率高和成本相对低廉的优势，近年来全球范围内对输电线路巡检机器人的需求不断增加，各科研机构对巡检机器人的研究进展较大，作为巡检机器人的核心部分，机器人的机械结构设计也在不断完善。

传统巡检机器人采用跨越方式越障，在越障过程中不可避免地要出现机械臂与线路分离和机械臂重新寻找线路这两个过程，因此极大地限制了巡检机器人的安全性和巡检效率的提高。

例如加拿大魁北克水电研究院的巡检机器人“Line Scout”，不仅可以巡检线路，还可以完成导线修补、螺栓紧固等相对简单的线路维护作业。武汉大学高压输电线路巡线机器人可沿单导线及地线行驶的两种方式自主巡检。山东科技大学的机器人设置有3个机械臂，采用基于规则的专家控制系统来控制机器人在高压输电线上的爬行。

本文设计的输电线路巡检机器人是一种微小型、重量轻、运行在地线上的巡线机器人，以短期在线巡检和长期驻留杆塔的作业模式，实现线路、金具、绝缘子、杆塔和线路走廊的巡检，可以解决现有巡检机器人存在的问题，实现机器人巡检的实用化。机器人的整体机构方案如图1所示，主要由机器人本体、越障桥、驻留巢穴和远程集控中心4部分组成。

图1 巡检机器人系统结构图

1 机器人行走过程分析

1.1 机械结构

图2所示是机器人本体设计方案，主要由主动轮、手爪、连接臂和巡检系统组成。其中主动轮负责完成在地线和越障桥上行走，手爪负责夹持地线或越障桥以防止机器人坠落、增加主动轮与地线的摩擦力从而增强机器人的爬坡能力，巡检系统负责完成对线路的巡检。

1.2 机器人越桥过程

机器人通过本体主动轮在地线上行走，通过架设越障桥跨越地线上的防震锤或其他障碍物。机器人本体的运动机构需实现复杂场景下的无障碍行走，完成以下几个过程，过程如图3所示。

图3（a）控制识别所铺设的越障桥，完成过桥准备；图3（b）控制机器人手爪打开后，压紧越障桥，根据桥型结构、所处位置通过内置算法实时控制开合大小调节压紧力大小，实现精准上桥；图3（c）控制机器人在桥上平稳行走，根据风向及风力大小实时调节压紧力大小；图3（d）控制机器人重回地线上完成越障工作。

图2 机器人本体结构

图3a 机器人越桥过程

图3b 机器人越桥过程

图3c 机器人越桥过程

图3d 机器人越桥过程

该系统能实现单线无障碍行走，可控制实现爬坡、下坡，坡度最大可达35°；可控制实现机器人跨越越障桥，采用合理控制算法使机器人能平稳跨越越障桥，过桥时不卡顿。

1.3 机器人越桥动作条件

机器人本体的运动机构需满足以下要求：

1）满足稳定行走的要求

在机器人本体运行在地线或越障桥上时，既要通过手爪抱紧地线或越障桥产生摩擦力使装置不坠落，也要保证行走机构能够平稳行走。所产生的摩擦力既不能过大导致行走机构在地线上无法行走，也不能过小导致装置重心不稳发生坠落事故，需要实时调整手爪抱线摩擦力。

2）满足稳定跨越小型障碍物（例如预绞丝等）的要求

在机器人本体跨越小型障碍物时，主动轮与手爪之间间隙突然变大，要保证行走机构不会发生打滑和卡死，并且需要保证整个过程中不会出现重心上下偏移导致的坠落事故发生。

3）满足上下桥时稳定行走的要求

双轨越障桥安装在杆塔塔头，可辅助机器人跨越杆塔和防振锤等金具。机器人本体上桥时手爪打开，使机器人松开地线，抱紧双轨越障桥；机器人下桥时动作与上桥相反。上下桥时，主动轮与手爪之间压力急剧变化，控制系统检测到压力变化时，要及时对主动轮电机速度进行限速调节，并控制手爪抱紧力。

2 控制系统设计

2.1 压力调节算法设计要求

压力调节包括主动轮降速和调节手爪压力。控制系统自动调节主动轮运动速度，主要是限制主动轮速度，从而保证压力调节的可靠性。如果压力值超出设定最大区域，会立即停止主动轮电机运动，等待调整完毕后再继续水平运动。

机器人的行走动力由主动轮提供，手爪向上产生摩擦力，压力传感器负责实时监测手爪和主动轮对地线或越障桥的抱紧力。通过智能控制运算单元，调整出当前机器人行走适用摩檫力，从而达到巡检机器人平稳行走目的。

其中地线上行走，包括带有坡度的地线，靠摩擦力行进，摩擦力调节手爪抱紧力调节。遇到障碍物，例如预绞丝等，手爪压力变大。如果压力太大，摩擦力会过大，增加负载，需减小手爪抱紧力，从而调整压力和摩擦力。当机器人离开障碍物时，手爪压力变小，摩擦力变小，容易发生打滑和颠簸，需增大手爪抱紧力，调整压力和摩擦力。

2.2 控制系统参数设计

机器人控制系统以125Hz的频率进行快速状态扫描，每次状态扫描都要根据主动轮和手爪之间的状态关系进行压力调整。设计要求机器人满足最大运动速度为2m/s，两次状态扫描时间间隔内，机器人最大水平位移为16mm。越障桥设计能够保证在5次状态扫描更新过程中，控制系统能快速反应并调节压力，保持压力在允许范围内，使机器人正常行走。

3 自适应运动控制算法

如图4所示，压力分为高压停止区、高压调整区、正常区域、低压调整区、低压停止区。当传感器采集到的压力处于不同区域时，主动轮速度与手爪抱紧力需按调节策略进行调节。其中，Pxs为高压停止区阈值，Px为高压调整区阈值。Pn为低压调整区阈值，Pns为低压停止区阈值。设P0为压力传感器采集的机器人与地线（或越障桥）之间的实时压力值。

图4 弹簧压力分区图

利用非线性数据拟合原理，设计实时压力值P0、主动轮实时速度Vct与输出的计算压力值P1之间的关系模型如下

公式（1）

式中，系数向量k1和k2的取值与压力传感器、电机特性、传动装置有关。通过采集多组机器人在不同运动速度条件下，停止时压力变化数据，拟合得到k1和k2数值。

可以简单分析出如果机器人静止，即Vct=0时，P1=P0。主动轮和手爪的调节策略见表1。压力调节策略的目的是使P0维持在正常区域。

表1 压力值调节策略

4 仿真测试

如图5所示，机器人在室外实验地线上进行了行走测试。机器人行走平稳并跨越越障桥，运行良好。

图5a 机器人室外环境测试

图5b 机器人室外环境测试

图5c 机器人室外环境测试

根据试验地线型号和机器人主动轮尺寸，设定高压调整区阈值为90，高压停止区阈值为110；低压调整区阈值为30，低压停止区阈值为10。机器人以50m/min的预设速度行走，在上桥过程中，传感器采集压力值P0、采集的实时行走速度Vct和计算压力值P1变化曲线如图6所示。

图6 机器人上桥过程参数变化曲线

机器人以50m/min的预设速度行走，在下桥过程中，传感器采集压力值P0、采集的实时行走速度Vct和计算压力值P1变化曲线如图7所示。

图7 机器人下桥过程参数变化曲线

结论

通过机器人压紧力实时调节方式，配合安装在地线上各种障碍物跨越桥装置，实现了巡检机器人沿地线行走巡检功能。通过自适应的运动控制算法，实现了压力自动调节，保证机器人运动过程中与地线或越障桥之间的压力保持在正常区域，保证机器人稳定行走，不会发生打滑现象，提高了巡检机器人运动可靠性。