1 引言（Introduction） 近年來，隨著采用機器人來替代或協助人完成輸電線巡檢作業的需求增長，輸電線路巡檢機器人成為國內外機器人領域的研究熱點之一 1_2 J．國際上對于輸電線路巡檢機器人技術的研究始于20世紀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．國內的研究起始于20世紀．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、中科院自動化研究所和北京航天航空大學等．武漢大學巡檢機器人樣機采用雙臂式結構，通過遙控的方式實現了桿塔障礙的跨越 ．中科院自動化所提出了三臂巡檢機器人結構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合式機構，可以根據障礙物形狀及作業要求，通過尺蠖式運動、單臂旋轉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，還需要進一步的完善以達到實用化要求．超高壓輸電線路巡檢機器人研究涉及機構、控制、通訊及能源等多項技術，其中控制系統的設計對于整機性能的實現具有至關重要的作用． 2 機器人機構及運動學（Robot mechanismand kinematics） 圖1所示為中國科學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照片，該系統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合機構和一個巡檢作業箱體組成．輪臂復合機構用來實現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關節和一個伸縮關節連接在手臂上，而兩個手臂分別固聯在滑動導軌上．機器人箱體可以在滑動導軌上滑動，以便在機器人單手抓線時調整機器人重心到抓線手臂上，保持機器人姿態穩定．機器人箱體主要用來攜帶云臺攝像頭、機器人主控制器、無線收發裝置、圖像傳輸系統、電機驅動器等電子設備． 為了實現機器人自主越障，建立了運動學模型并推導了運動學方程．巡檢機器人機構簡圖如圖2所示．機器人一手抓線，另外一手找線，其運動學方程如下： 式中： d[sub]2[/sub] 、d[sub]3 [/sub]、分別為兩旋轉和兩伸縮關節變量．對上式求導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節速度． 3 控制系統設計（Design of the control system） 輸電線巡檢機器人運行環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對機器人作業狀態的準確判斷并發出相應的控制指令．根據巡檢作業任務、現場應用的實用性與可靠性指標的要求，確定采用遙控與局部自主相結合的控制模式實現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由機器人本體控制系統和地面遠端控制平臺兩部分組成．機器人本體控制系統采用基于PC104總線的嵌入式計算機系統．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轉換模塊DMM-16-AT、I／O模塊IR104．為實現機器人本體控制器與遠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通訊的無線數傳電臺系統和微波圖像傳輸系統．機器人地面遠端控制平臺主要功能為：通過無線通訊實現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、無線數傳系統．為了滿足巡檢作業的要求，控制系統需解決的關鍵問題包括：1）遙控與局部自主控制模式的有機結合；2）局部自主越障控制的實現．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機模型，實現了遙控與局部自主控制模式的有機結合，采用預編程與傳感器定位結合的方法完成了巡檢機器人的自主越障控制． 4 基于有限狀態機模型的軟件設計（Softwaredesign based on model of finite statemachine） 輸電線巡檢機器人的主要作業任務包括：1）沿避雷線行走，根據地面控制臺的控制信息調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），然后進入下一檔輸電線路的檢測．為便于實現機器人自主控制與遙控的結合，本文建立了巡檢機器人有限狀態機模型，并根據有限狀態機模型實現機器人控制軟件編程工作． 4．1 巡檢機器人有限狀態機模型 巡檢機器人在巡檢作業運行過程的每一時刻都處在某一特定狀態．因此巡檢機器人的控制過程可以用有限狀態機來描述． 巡檢機器人的工作過程主要包括6個狀態，即K= ｛等待狀態，行走狀態，遇障狀態，越障狀態，下線狀態，出錯狀態｝．初始狀態為完成初始化的機器人被送上架空地線等待遠端控制平臺控制信息；行走狀態為機器人行走輪驅動機器人在線上行走，攝像頭云臺按遠端控制信息調整姿態，檢查待檢線路；檢測狀態為當發現線路故障可疑點后，巡檢機器人調整好有利的位置姿態，采集疑似故障點圖像信息；遇障狀態為機器人環境識別系統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信息，等待遠程控制信息；越障狀態為機器人在遠程控制信息與機器人控制器的協調控制下通過兩輪臂復合系統的順序動作越過桿塔障礙進入下一檔距；下線狀態為機器人停靠在桿塔附近，等待工作人員將其從架空地線上取下完成巡檢作業；出錯狀態為巡檢機器人系統出現故障不能正常完成巡檢作業的狀態．巡檢機器人的最終狀態有兩種：F=｛下線狀態。出錯狀態｝ 4．2 有限狀態機模型的輸入與狀態轉換 巡檢機器人的作業過程可以由以上狀態機模型定義的狀態之間的相互轉換來描述，可以激發狀態轉換的為有限狀態機的輸入．下面描述輸入與狀態轉換之間的關系．在初始狀態下，機器人接收到遠程控制信息后可以進入到行走狀態；機器人處于行走狀態時，對于不同的輸入有不同的狀態轉換：檢測到疑似障礙點時轉換到檢測狀態。環境識別系統發現障礙物時轉換到遇障狀態，發現系統錯誤時轉換到出錯狀態；機器人進入檢測狀態后，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，機器人轉換回行走狀態；機器人處于遇障狀態時，操作者的越障指令可以使機器人轉換到越障狀態，亦可轉換到下線狀態；在下線狀態，機器人等待操作人員將其取下，不再做其它狀態轉換；在出錯狀態，機器人自動轉換為行走狀態．圖4描述了巡檢機器人有限狀態機模型的狀態轉換關系．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入初始狀態，遠程控制指令和環境信息作為外界輸入與有限狀態機模型匹配，并完成狀態轉換+控制程序根據遠程控制信息對機器人進行作業控制．建立輸電線巡檢機器人自動運行有限狀態機模型使機器人的控制流程變得明晰，有利于實現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備的圖片發送回遠端控制平臺．機器人在完成一檔內（兩個桿塔之間稱為一檔）的巡檢任務后，將跨越桿塔、防震錘等障礙物（見圖6），進入下一檔輸電線路．由于巡檢機器人在高空中工作，操作者很難對其進行有效的遠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，采用預編程與傳感器定位相結合的方法完成巡檢機器人的自主越障控制． 如圖7所示，根據本文介紹的巡檢機器人機構特點，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節運動繞到障礙物后；2）通過抓線控制使機械手準確抓到障礙物后的輸電線．重復步驟1）、2）即可跨越障礙．為在抓線控制時準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可以使找線手臂的一個激光器發出的激光束打到輸電線，這時激光傳感器會產生一個開關量信號．機器人控制器在檢測到該信號后記錄下機器人當前的關節坐標，抓線手臂停止旋轉，改為找線手臂旋轉，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節坐標，由記錄下的機器人關節坐標值可求出兩個激光器檢測到輸電線時的坐標S [sub]1[/sub]、S [sub]2[/sub]．輸電線的位置姿態可以由S [sub]1[/sub]、S [sub]2[/sub]：兩點確定，輸電線的找線控制轉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行的控制步驟： 1）調整機械手的位置使其在輸電線正上方； 2）調整機械手的姿態與過S [sub]1[/sub]、S [sub]2[/sub]的直線相同． 根據以上兩步驟可設計如下控制算法： 理論上，以上控制算法可實現機器人手爪的準確抓線，但由于機械結構間隙及加工誤差等原因，機器人的運動學模型有一定的誤差．為確保抓線的準確性，在完成上述控制算法后，通過激光傳感器對控制結果進行檢測，即旋轉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節坐標，若兩關節坐標差小于容許值，則認為已經準確找線，否則應用以上控制算法重新開始找線，直到誤差足夠小．基于激光傳感器的自主越障控制可由以下步驟完成： 1）抓線手臂旋轉，直到一個激光傳感器檢測到輸電線，停止旋轉并記錄下關節坐標； 2）找線手臂旋轉，直到另一個激光傳感器檢測到輸電線，停止旋轉并記錄下關節坐標； 3）根據以上兩個關節值控制機器人完成找線； 4）重復執行步驟2），若兩次關節坐標之差小于。 容許誤差，則找線結束，找線手臂抓線；若兩次關節坐標差大于容許值，則重復執行步驟3）． 6 實驗（Experiments） 為驗證該巡檢機器人機構及控制系統的有效性，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境進行了實驗研究+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，機器人程序進入到初始狀態+當接收到遠程控制端行走指令后進入到行走狀態．機器人遇障傳感器檢測到障礙物后，機器人進入到越障狀態．機器人可根據預編程越障步驟及激光傳感器信息完成自主越障，或根據操作者指令進入到手動越障狀態．圖9（a）為機器人在行走狀態，（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，實現多檔內巡檢作業． 7 結論及未來工作（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的設計與實現方法．通過建立巡檢機器人的有限狀態機模型，實現了遙控與局部自主控制模式的有機結合，采用預編程與傳感器定位結合的方法，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境下進行了實驗研究，實驗結果表明，該機器人可實現沿線行走及自主跨越障礙，從而驗證了控制系統設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場復雜環境下的可靠性、解決電磁兼容以及進行現場實驗等實用性問題．研究，分析比較了Strider機構與Flipper機構的特性．仿真結果表明，Strider機構在運動過程中所需吸附力矩較小且占據的空間較少．