电力隧道自动巡检机器人设计与运动仿真

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.009

电力隧道自动巡检机器人设计与运动仿真

徐诗洋^,^,, 吴炳晖^,, 纪冬梅^,, 戴新宇

上海电力大学能源与机械工程学院，上海 201306

Design and motion simulation of automatic inspection robot for power tunnel

XU Shi-yang^,^,, WU Bing-hui^,, JI Dong-mei^,, DAI Xin-yu

College of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 201306, China

通讯作者: 吴炳晖（1972—），女，黑龙江哈尔滨人，副教授，博士，从事机器人机构学研究，E-mail: wubinghui72@163.com纪冬梅（1976—），女，江苏徐州人，教授，博士，从事高温结构完整性研究，E-mail: jdm@shiep.edu.cn

收稿日期: 2022-05-30 修回日期: 2022-08-08

基金资助:

上海市自然科学基金资助项目. 19ZR1420300

Received: 2022-05-30 Revised: 2022-08-08

作者简介 About authors

徐诗洋（1997—），男，江西上饶人，硕士生，从事机器人结构设计及自动化研究，E-mail:xsy0341@163.com，https://orcid.org/0000-0001-7246-3627 , E-mail：xsy0341@163.com

摘要

针对现有电力隧道巡检机器人自动化程度不足、视野和观测角度有限的问题，设计了一款子母式自动巡检机器人。其中：具有移动功能的巡检机器人母机能够完成主要的日常巡检工作，并具备越障、避障能力；具有攀爬功能的子机能够完成复杂环境、极限角度条件下的勘测任务。子、母机共同协作可完成整个电力隧道的自动化巡检。首先，基于总体功能需求，提出了巡检机器人各模块的具体形式，并完成了其自动巡检的逻辑系统分层设计。然后，基于虚拟样机技术，在ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）软件中建立电力隧道运行环境，并结合运动学仿真分析结果优化巡检机器人母机的结构，以提升机器人在隧道内作业的平稳性并确保其所搭载的传感器均能正常工作。结果表明，母机结构优化后，巡检机器人能够平稳运行，传感器平台的抖动幅度在5 mm内，且搭载的各传感器均能正常工作，验证了该机器人方案设计的合理性。相关理论研究结果可为电力隧道自动巡检机器人物理样机的研制提供可靠的技术支撑。

关键词： 自动巡检机器人 ; 子母式 ; 逻辑系统 ; 运动学仿真

Abstract

Aiming at the problems of insufficient automation and limited vision and observation angle of existing power tunnel inspection robots, a parent-child automatic inspection robot was designed. Among them, the master machine of inspection robot with mobile function could complete the main routine inspection work, and it had the ability to surmount and avoid obstacles; the slave machine with climbing function could complete the survey task under complex environment and extreme angle conditions. The slave machine and master machine could cooperate to complete the automatic inspection of the entire power tunnel. Firstly, based on the overall functional requirements, the specific form of each module of the inspection robot was proposed, and the hierarchical design of its automatic inspection logic system was completed. Then, the power tunnel operation environment was established in the ADAMS (automatic dynamic analysis of mechanical systems) software based on the virtual prototype technology, and the structure of the inspection robot master machine was optimized by combining the results of kinematic simulation analysis, so as to improve the stability of the robot operating in the tunnel and ensure that the sensors carried by the robot could work normally. The results showed that the inspection robot could run smoothly after the optimization of the master machine structure, the jitter amplitude of the sensor platform was within 5 mm, and all the sensors could work normally, which verified the rationality of the robot design. The relevant theoretical research results can provide reliable technical support for the development of the power tunnel automatic inspection robot physical prototype.

Keywords： automatic inspection robot ; parent-child ; logic system ; kinematic simulation

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本文引用格式

徐诗洋, 吴炳晖, 纪冬梅, 戴新宇. 电力隧道自动巡检机器人设计与运动仿真. 工程设计学报[J], 2023, 30(1): 32-38 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.009

XU Shi-yang, WU Bing-hui, JI Dong-mei, DAI Xin-yu. Design and motion simulation of automatic inspection robot for power tunnel. Chinese Journal of Engineering Design[J], 2023, 30(1): 32-38 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.009

随着城市的发展，电力安全问题成为人们关注的重点，而电力隧道设备故障会带来一系列的安全问题^[1-2]。电力隧道是埋置于地下的工程建筑物，其恶劣的工作环境易造成电力设备故障，如地下湿度高、环境封闭易导致有害气体聚集以及气温低易造成隧道冻害等。因此，必须做好隧道内部环境的检测。但是，地下环境存在可见度低、噪音干扰大、电磁辐射强和数据传输不稳定等问题，使得人工监测面临巨大挑战，故急需一种自动化程度高且能够代替人工监测的巡检机器人。

国外早已开展关于电力隧道巡检机器人的研究。2005年，华盛顿大学的研究团队设计了一种电缆巡检机器人。该款机器人在结构上分为2个模块，其前部作为行走机构，后部搭载传感器以采集数据^[3]。但这种结构设计导致该款机器人的使用环境存在很大的局限性。加拿大的研究团队设计了一种灵活轻便且具有一定搜救能力的巡检机器人，但其不具备足够的越障能力^[4]。国内针对电力隧道巡检机器人的研究起步较晚，且大多为悬挂轨道式巡检机器人。沈阳研究所最先开始展开相关研究，研制出了一种能够不间断巡检的悬挂机器人^[5]；朗驰欣创公司开发了一套智能巡检系统，其具备实时监控与红外热成像智能诊断功能^[6]；黄嘉盛等^[7]设计了一种轮式巡检机器人，其能够完成信息收集工作，但越障能力不足，导致使用受到限制。

通过对电力隧道自动巡检机器人发展的综合研究，笔者设计了一款子母式自动巡检机器人，其母机采用履带式设计，具有刚度大、负荷自重比高、载荷分布均匀和运动平稳等特点；搭载的爬墙机器人子机适用于观测角度被阻碍、对工作空间要求相对较小的场景，旨在有效解决巡检机器人在复杂环境下作业的适应性问题。

1 巡检机器人整机设计

电力隧道是一种特殊的巡检环境，电力设备分布在两侧的隧道壁上，仅中间通道可供机器人巡检。传统巡检机器人受限于视野和观测角度的不足，不能充分发挥巡检功能，甚至无法及时发现设备异常。为此，设计了一款子母式自动巡检机器人，其母机不但具有较强的越障、避障能力，还具备较强的巡检功能；爬墙机器人子机搭载在巡检机器人母机上，以配合巡检机器人母机完成巡检工作。

1.1　功能与结构设计

子母式自动巡检机器人主要由行走机构、爬墙机器人子机、传感器平台、载物机构和调平机构等5个部分组成。在SolidWorks软件中建立其三维模型，各主要模块的布局如图1所示。

图1

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图1 子母式自动巡检机器人整机三维模型

Fig.1 Three-dimensional model of parent-child automatic inspection robot

1.1.1　行走机构

巡检机器人母机采用四履带式行走机构。四履带式行走机构兼具轮式行走机构速度快、效率高和运动噪声低以及履带式行走机构越障能力、地形适应能力强和可原地转弯等优点，其三维模型如图2所示。

图2

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图2 四履带式行走机构

Fig.2 Four-track walking mechanism

1.1.2　爬墙机器人子机

因受到电力隧道内部环境与光线的限制，巡检机器人母机无法完成整个巡检任务，需要启用具备攀爬功能的子机。所采用的子机是一款仿生六足爬墙机器人，其三维模型如图3所示。该机器人的主体结构为正六边形，通过腿部转动即可完成大角度方向变换。机器人共有6条腿，单腿结构如图4所示，其中足底与吸盘之间采用万向转动球铰连接，且每条腿均具有5个自由度，能够灵活地适应隧道管径的变化，完成极限角度下的勘测任务。

图3

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图3 六足爬墙机器人

Fig.3 Six-legged wall-climbing robot

图4

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图4 六足爬墙机器人单腿结构

Fig.4 Single-leg structure of six-legged wall-climbing robot

为保证爬墙机器人在作业过程中的安全，对其足底吸盘进行设计。6个吸盘的尺寸相同，其直径的计算式如下：

D \geq \sqrt[]{\frac{4 W θ}{π z p}}

(1)

式中： $D$ 为吸盘直径； $W$ 为吸吊重力；θ为安全系数，爬墙工作时 $4 \leq θ \leq 8$ ；z为吸盘个数； $p$ 为真空度。

为保证爬墙机器人的吸附能力且不至于影响其正常行走，真空度 $p$ 必须满足 $63 % \leq p \leq 95 %$ ^[8]。

为验证爬墙机器人在作业过程中可正常行走，对其进行受力分析（因爬墙机器人为并联机构，故仅分析其中一条腿），如图5所示。图中：F为爬墙机器人的驱动力，其可向上或向下攀爬，取竖直向上攀爬情况分析，即F的方向为竖直向上； $F_{μ}$ 为吸盘产生的摩擦力；F_压为爬墙机器人足底对墙面的压力；G为爬墙机器人所受重力；N为墙面对爬墙机器人的支持力；L₁、L₂分别为摩擦力和驱动力的力矩。

图5

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图5 爬墙机器人受力分析

Fig.5 Force analysis of wall-climbing robot

基于图5，对爬墙机器人质心O取矩，可得力平衡方程及力矩平衡方程：

F = F_{μ} + G

(2)

F L_{2} = F_{μ} L_{1}

(3)

将各参数的具体数值代入后计算可得，吸盘的直径大于2.8 cm时可保证爬墙机器人在作业过程中不会跌落，且不影响其步态规划。

1.1.3　传感器平台

传感器平台上载有超声波传感器、声音传感器、气体传感器、温度传感器、无线数据传输模块和自动补光相机，其结构如图6所示。在传感器平台的前、后、左、右四个方向上共设置8个超声波传感器，可有效地提高巡检机器人的避障、越障能力。同时，多种传感器协同工作，并将被测设备的声音、图像和温度等信息通过无线数据传输模块传送至数据中心。

图6

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图6 传感器平台结构示意

Fig.6 Structure diagram of sensor platform

1.1.4　载物机构

为节约空间，将具备攀爬功能的爬墙机器人子机置于可升降的载物机构内。该载物机构的升降装置采用剪叉式升降机构，其展开性能优异且运动平稳。当巡检机器人母机因视野受限而不能完成检测时，电机驱动丝杆转动，使剪叉式升降机构展开，升降平台降至地面释放子机，子机开始攀爬作业。载物机构结构设计及爬墙机器人子机如图7所示。

图7

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图7 载物机构结构示意

Fig.7 Structure diagram of loading mechanism

1.1.5　调平机构

在自动巡检过程中，巡检机器人会出现倾斜的情况，导致传感器平台随之倾斜。但巡检机器人需依赖传感器平台上的摄像头来观测周边环境和识别障碍物，因此需要设计一个调平机构来保证摄像头始终处于正常工作角度。所设计的调平机构由固定底座、动平台和3根伸缩杆组成，其结构如图8所示。其中：伸缩杆两端均为铰链连接，能够实现绕竖直方向的转动，同时通过电机驱动伸缩杆完成竖直方向上的移动，以保持动平台与地面平行。

图8

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图8 调平机构结构示意

Fig.8 Structure diagram of leveling mechanism

1.2　逻辑系统设计

巡检机器人搭载的超声波传感器能够帮助其实现避障、越障功能，其控制中心可对由无线数据传输模块传送的被测设备的声音、图像以及温度等数据进行整合分析，以判断被测设备的外观是否异常、是否存在热缺陷以及各仪表读数是否正常，从而判断是否下达相关操作命令，以完成自动化巡检。巡检机器人的逻辑系统分为4个层次：监测层、路径规划层、数据传输层和终端执行层。

1.2.1　监测层

监测层的功能主要是完成巡检过程中的数据采集，同时供工作人员直接观测巡检状态。监测层包含数据库系统、无线数据传输模块、声音图像处理系统、路径规划系统和状态报警模块等，其逻辑结构如图9所示。

图9

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图9 监测层逻辑结构

Fig.9 Logical structure of monitoring layer

1.2.2　路径规划层

路径规划层主要包含主线规划和支线规划两部分。其中：主线规划是指按照巡检任务分配作业地点，以找到一条最优巡检路线^[9]；支线规划是指在主线规划的基础上，通过所收集的信息规划机器人的具体动作，包括直线行驶、曲线行驶、转弯和停车等^[10]。路径规划层的逻辑结构如图10所示。

图10

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图10 路径规划层逻辑结构

Fig.10 Logical structure of path planning layer

1.2.3　数据传输层

数据传输层是监测层和终端执行层之间的通信连接通道。电力隧道内无线数据的传输需要克服较多困难，如隧道内部环境、噪音和电磁波动等干扰造成无线信号误码，隧道结构对无线信号的遮挡和反射降低了无线带宽的传输速度等。因此，数据传输层应选择高带宽无线传输，并以环网交换机作为无线媒介，采用QPSK（quadrature phase shift keying，四相移相键控）+ SCFDE（single carrier frequency domain equalization，单载波频域均衡）调制方式，以解决远距离多径反射和杂波问题，同时采用无中心自组织网AD-HOC的组网方式实现隧道内部网络的全覆盖^[11]。

1.2.4　终端执行层

终端执行层由自动化维护模块、检测中心和监控后台组成，负责对传感器数据进行统计分析，获取各项数据的变化趋势，以实现故障分类、诊断及预测。

2 巡检机器人运动学仿真分析

受电力隧道地形环境的影响，巡检机器人在自动巡检过程中需要翻越障碍物，导致传感器平台会出现一定程度的颠簸。为验证巡检机器人结构设计的合理性，在ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）软件中构建电力隧道运行环境，以模拟巡检机器人越障过程中传感器平台的速度和位移变化。

2.1　运动学分析

利用ADAMS软件对巡检机器人进行运动学分析时，各部件之间通过约束及运动副连接。设约束个数为n，则巡检机器人的运动学约束方程为^[12]：

ϕ_{K} (q) = {[ϕ_{K 1} (q) ϕ_{K 2} (q) \dots ϕ_{K n} (q)]}^{T} = 0

(4)

式中： $ϕ_{K}$ 为约束矩阵； $q$ 为运动副约束。

对巡检机器人仿真时，为使其具有确定的运动，需添加驱动约束 r ：

ϕ_{D} (q, r) = 0

(5)

联立式(4)和式(5)可得，该巡检机器人系统所受的全部约束为：

ϕ (q, r) = [\begin{matrix} ϕ_{K} (q, r) \\ ϕ_{D} (q, r) \end{matrix}] = 0

(6)

式(6)为巡检机器人的位置方程，对式(6)求导即可得其速度约束方程：

ϕ (q, \dot{q}, t) = ϕ_{q} (q, t) \dot{q} + ϕ_{t} (q, t) = 0

（7）

鉴于 $v = - ϕ_{t} (q, t)$ ，则巡检机器人的速度方程为:

ϕ (q, \dot{q}, t) = ϕ_{q} (q, t) \dot{q} - v = 0

（8）

2.2　ADAMS仿真实验

当巡检机器人母机在电力隧道内作业时，其行走机构需要跨越的障碍物坡度不超过30°，坡高不大于0.5 m；越沟宽度不大于1.0 m^[13]。在ADAMS软件中建立电力隧道仿真模型，如图11所示。对巡检机器人的爬坡与越沟性能进行仿真分析，其质心在竖直方向上的位移和速度变化曲线如图12所示。从图12中可以观察到：该巡检机器人可以顺利地通过所构建的地形，满足电力隧道内爬坡与越沟性能的设计要求；在巡检机器人爬坡、越沟的过程中，其质心速度会出现较大波动，这与实际情况相符；且质心位移变化与速度变化的趋势相对应。由此说明，所设计的巡检机器人具有一定的爬坡和越沟能力，满足电力隧道巡检的要求。

图11

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图11 电力隧道仿真模型

Fig.11 Simulation model of power tunnel

图12

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图12 巡检机器人质心的竖直位移和速度变化曲线

Fig.12 Vertical displacement and velocity curves of inspection robot centroid

为验证所设计巡检机器人的抗颠簸能力，在ADAMS软件的虚拟地形上设立1个上下坡度均为30°的缓坡，以及1个上下坡度均为30°的陡坡，如图13所示。在履带轮上添加旋转驱动，使得巡检机器人在平地上匀速行驶；取橡胶履带和混凝土之间的摩擦系数 $μ =$ 0.3。通过仿真测得传感器平台在竖直方向上的位移和速度曲线，如图14所示。

图13

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图13 巡检机器人越障仿真模型

Fig.13 Obstacle-crossing simulation model of inspection robot

图14

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图14 传感器平台的竖直位移和速度曲线

Fig.14 Vertical displacement and velocity curves of sensor platform

从图14(a)中可以看出：当巡检机器人跨越第1个缓坡时，其传感器平台在竖直方向上的位移曲线波动较大，即位移变化显著，说明传感器平台受到的冲击较为剧烈；当跨越第2个陡坡时，位移曲线出现多个峰谷，说明此时传感器平台的抖动剧烈。从图14(b)中可以看出：传感器平台在竖直方向上的速度变化频率高且幅度大，说明该巡检机器人的缓振效果一般，对传感器工作的影响较大。

为了提高巡检机器人的缓振能力，在行走机构的4个履带轮和传感器平台之间添加弹簧缓振装置。取常用弹簧缓振器的弹簧节距 $τ = 200 m m$ ，避振行程s满足 $0 \leq s \leq 7.5 m m$ 。再次仿真后测量传感器平台在竖直方向上的位移和速度曲线，结果如图15所示。从图15中可以看出：添加弹簧减振器后，传感器平台竖直位移曲线的拐点增多，且波动减小，说明位移变化较为平稳缓和；当巡检机器人经过第2个陡坡时，位移曲线的峰谷数量减少，说明传感器平台的振动幅度有所降低。相较于优化前，此时传感器平台在竖直方向上的速度变化频率减小了30%以上，有效降低了传感器平台的抖动程度。

图15

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图15 添加弹簧减振器后传感器平台的竖直位移和速度曲线

Fig.15 Vertical displacement and velocity curves of sensor platform after adding spring damper

综上所述，所设计的巡检机器人在越障过程中能够保持平稳运行，可保证正常巡检工作；添加弹簧缓振器后，传感器平台在竖直方向上有轻微抖动，抖动幅度在5 mm内，各传感器均能正常工作^[14-15]，可保证巡检机器人能够清晰地采集数据并通过无线数据传输模块及时反馈到数据中心，进一步验证了机器人方案设计的合理性。

3 结束语

根据电力隧道的巡检环境，设计了一款子母式自动巡检机器人，添加的爬墙机器人子机可以解决传统巡检机器人视野和观测角度不足的问题，并设计了多层次的自动化逻辑系统。同时，利用ADAMS软件对所设计的巡检机器人进行了运动学仿真分析，并结合仿真结果对其行走机构进行了优化。仿真结果表明：添加弹簧缓振器后，在不同越障情况下，所设计的巡检机器人均能平稳运行，传感器平台的抖动频率相较于优化前降低了30%，抖动幅度在5 mm之内，传感器平台及其搭载的各种传感器均能正常工作，验证了机器人方案设计的合理性。相关理论研究结果可以为电力隧道自动巡检机器人物理样机的研制提供可靠支撑。

参考文献

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被引期刊影响因子

[8]

周城，段相坤.

某建筑机器人真空泵的选型计算

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