本文所研究的绝缘子清扫机器人适用于500 kV超高压交流输电线路悬垂绝缘子串的带电清扫作业, 图1为悬垂绝缘子串线路环境和绝缘子的主要结构参数。线路上绝缘子的瓷质双伞裙盘形绝缘子, 型号为XWP2-160。

图1

Fig.1

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	图1 机器人工作环境Fig.1 Working environment of insulator cleaning robot

悬垂绝缘子清扫机器人机构共有6个自由度, 图2为机构简图, 其中自由度J₁、J₂、J₅、J₆为旋转关节, 自由度J₃、J₄为移动关节。悬垂绝缘子清扫机器人机构由移动机构、清扫机构和机架组成。其中移动机构具有3个自由度, 即J₁、J₂、J₃。清扫机构具有3个自由度, 即J₄、J₅、J₆。

图2

Fig.2

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	图2 悬垂绝缘子清扫机器人机械系统Fig.2 Mechanical system of insulator cleaning robot

在结构上, 移动机构由具有一组夹紧机构的固定平台、具有一组夹紧机构的可移动平台和移动伸缩机构组成, 机器人通过两组夹紧机构交替夹紧绝缘子和移动伸缩机构的配合运动, 完成沿悬垂绝缘子串的移动。清扫机构为可移动清扫平台, 主要由移动伸缩机构、圆形导轨和清扫刷组成, 机器人通过移动伸缩机构、圆形导轨和清扫刷的协调运动完成对绝缘子表面的清扫。

机器人控制系统由地面基站控制系统和本体控制系统组成, 两者之间通过Zigbee模块进行数据通信, 利用微波进行图像传输。机器人以局部自主与遥操作相结合的方式运行。

在人工辅助上串并按下启动按钮后, 绝缘子清扫机器人从绝缘子串靠近铁塔端向导线端移动, 每跨越一个绝缘子, 机器人停下对绝缘子片进行清扫, 清扫完毕后机器人继续运动, 直至到达绝缘子串靠近导线端。之后, 机器人自动返回至起始位置。图3为机器人清扫作业流程示意图。

图3

Fig.3

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	图3 机器人工作流程示意图Fig.3 Schematic diagram of workflow of robot

为了清晰地描述机器人的作业流程, 采用状态向量^[15]描述机器人的关键位姿, 机器人的作业可以看作机器人执行行为引起的机器人关键位姿的变化过程。表1为机器人状态向量的定义。

采用上述表示方法, 机器人共有96种可能的状态。由于机器人采用蠕动式机理沿悬垂绝缘子串移动, 且机器人的清扫作业具有特定的流程, 因此, 许多姿态在机器人工作时是不允许出现的。据此, 对机器人的姿态进行分析, 可以筛选出有效的姿态, 如表2所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 机器人状态向量 Table 1 State vector of robot 位数 状态含义 参数 7 扩展位 无 6 固定平台夹紧机构状态 0:初始位置 1:夹紧绝缘子 5 移动平台夹紧机构状态 0:初始位置 1:夹紧绝缘子 4 移动平台移动伸缩机构状态 0:初始位置 1:某特定位置 3 清扫平台移动伸缩机构状态 0:初始位置 1:某特定位置 2~1 清扫平台圆形导轨状态 00:初始位置 01:右极限位置 10:左极限位置 11:无意义 0 清扫平台清扫刷状态 0:不转动 1:转动

表1 机器人状态向量 Table 1 State vector of robot

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 机器人有效状态列表 Table 2 List of valid state of robot 状态向量 数值 状态 状态向量 数值 状态 v1 0x60 q1 v8 0x63 q8 v2 0x20 q2 v9 0x65 q9 v3 0x30 q3 v10 0x6D q10 v4 0x70 q4 v11 0x6B q11 v5 0x50 q5 v12 0x69 q12 v6 0x40 q6 v13 0x68 q13 v7 0x61 q7

表2 机器人有效状态列表 Table 2 List of valid state of robot

绝缘子清扫机器人的基本行为BB(Basis behavior)定义为直接与驱动机构和传感器相连, 具有特定功能的模块。在绝缘子清扫机器人的行为规划中, 基本行为是机器人的基本动作, 主要用于机器人重要位姿之间的迁移。机器人的基本行为可以采用端口自动机^[16]形式化地表达为:

Basis Behavior:= [behavior name:< Name> , input port list: < IPList>, output port list: < OPList>, parameter list: < ParaList>, behavior body:] (1)

一个基本行为的表达具有5个参数, 其中行为名是必选参数; ()为可选参数; IPList和OPList是用< PortName> :< PortType> 定义的输入端口列表和输出端口列表; ParaList是用< ParaName> :< ParaType> 定义的参数列表; Body为行为描述。

表3为绝缘子清扫机器人的基本行为, 机器人主要具有9种基本行为。部分基本行为具有参数, 如图4所示的如用于控制固定平台夹紧机构夹紧绝缘子的BB_UG_Clamp行为。机器人利用电流传感器检测电机的电流I_r作为输入端口参数, 进行电流伺服, 内部参数为伺服电流I, 当电机电流达到I且保持一段时间时, 认为夹紧机构已夹紧绝缘子。此外, 该行为具有超时参数timeout, 如果该行为的执行时间超过timeout, 表示系统可能出现异常情况(如传感器故障、机构异常), 需要人工干预。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 基本行为列表 Table 3 List of basis behavior 行为名称 行为含义 参数 BB_UG_Clamp 固定平台夹紧机构夹紧绝缘子 电流I BB_UG_Zero 固定平台夹紧机构松开绝缘子 无 BB_LG_Clamp 移动平台夹紧机构夹紧绝缘子 电流I BB_LG_Zero 移动平台夹紧机构松开绝缘子 无 BB_LP_GoTo 移动平台移动到特定位置 位置p BB_MP_GoTo 清扫平台移动到特定位置 位置p BB_MPR_GoTo 清扫工具移动到特定位置 位置p BB_MPC_Act 清扫电机转动 速度w BB_AvoidObs 避障行为 无

表3 基本行为列表 Table 3 List of basis behavior

图4

Fig.4

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	图4 基本行为BB_UG_Clamp示意图Fig.4 Sketch diagram of BB_UG_Clamp

机器人的组合行为^[17](Combinational behavior)是由若干个基本行为和一个行为推理器组成的, 能够实现特定功能的行为。行为推理器根据机器人的传感器信息和机器人的所处的状态, 确定基本行为的激活和执行。在绝缘子清扫机器人行为规划中, 行为推理器用于协调各个基本行为的执行顺序。组合行为可以利用集合进行定义:

CB(BB₁, BB₂, …, BB_n, M)(2)

式中:BB_i(i=1, 2, …, n)表示基本行为; M表示行为推理器。

分析绝缘子清扫机器人的清扫作业任务可知, 绝缘子清扫机器人具有3种组合行为, 即沿绝缘子串向下移动一个绝缘子距离的行为CB₁、清扫绝缘子的行为CB₂和沿绝缘子串向上移动一个绝缘子距离的行为CB₃。

绝缘子清扫机器人的组合行为可以采用有限状态机^[18]表达, 该方法可以方便地调整序列和形象地描述行为设计的过程, 能够作为组合行为的推理机制。机器人根据内外部传感器的信息, 结合当前的状态进行状态的迁移。有限状态机M可以形式化地表达为:

M={Q, Σ , δ , q₀, F}(3)

式中:Q为非空的有限状态集合, q_i∈ Q为某一状态, q₀∈ Q为初始状态; Σ 为有穷的输入事件集合, σ _i∈ Σ 为M的某个输入事件; δ 为状态转移函数, 转移函数的定义为δ :Q´ Σ → Q, 如δ (q_i, σ )=q_j表示在q_i状态时发生σ 事件, 系统状态从q_i转移到q_j; F为M的终止状态集合, F⊆Q。

对于CB₁组合行为, 由机器人的工作原理可知, Q={q₁, q₂, q₃, q₄, q₅, q₆}, 初始状态为q₁, F={q₁}。根据机器人的运动机理和环境特点, CB₁组合行为由6个基本行为组成, 基本行为在特定状态下执行, 触发事件后, 机器人进行状态的迁移。图5为CB₁组合行为的有限状态机模型。

图5

Fig.5

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	图5 CB1组合行为的FSMFig.5 FSM of combination behavior CB1

表4为CB₁的事件列表。当机器人处于q₁状态时, 若发生σ ₁事件, 则机器人向q₂状态迁移。

表4

Table 4

表4(Table 4)

表4 CB1组合行为事件列表 Table 4 List of events of CB1 事件 描 述 σ 1 固定平台夹紧机构的零位开关被按下。 σ 2 移动平台移动伸缩机构的编码器达到设定值p2。 σ 3 固定平台夹紧机构的电机电流达到设定值I1并持续设定时间t1。 σ 4 移动平台夹紧机构的零位开关被按下。 σ 5 移动平台移动伸缩机构的零位开关被按下, 或编码器数值为0。 σ 6 移动平台夹紧机构的电机电流达到设定值I2并持续设定时间t2。

表4 CB1组合行为事件列表 Table 4 List of events of CB1

由于待清扫绝缘子具有两个瓷裙, 机器人清扫绝缘子时需分别清扫两个瓷裙。对于组合行为CB₂, 可以使用图6所示的有限状态机表示, 其中, Q={q₁, q₇, q₈, q₉, q₁₀, q₁₁, q₁₂, q₁₃}, 初始状态为q₁, F={q₁}。

表5为CB₂的事件列表。机器人根据当前的状态和发生的事件执行基本行为并发生状态的迁移。

图6

Fig.6

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	图6 CB2组合行为的FSMFig.6 FSM of combination behavior CB2

表5

Table 5

表5(Table 5)

表5 CB2组合行为事件列表 Table 5 List of events of CB2 事件 描述 σ 31 经过时间t6。 σ 32 右极限位置限位开关被按下。 σ 33 左极限位置限位开关被按下。 σ 34 清扫平台移动伸缩机构的编码器达到设定值p4。 σ 35 清扫平台圆形导轨驱动电机的编码器数值为0。 σ 36 清扫平台移动伸缩机构的编码器数值为0。

表5 CB2组合行为事件列表 Table 5 List of events of CB2

组合行为CB₃与CB₁类似, 可以用图7所示的有限状态机进行表示。有限状态机中的事件列表与表4相同。

图7

Fig.7

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	图7 CB3组合行为的FSMFig.7 FSM of combination behavior CB3

由前文所述的绝缘子清扫机器人的工作流程可知, 清扫作业可以被分为若干个具有特定顺序的子任务, 由机器人执行。采用图8所示的基于任务完成的方法对清扫作业任务进行分解, 清扫任务可以分解为若干顺序执行的子任务task₁、…、task_k、…、task_n来实现。

鉴于机器人的运行机理和清扫作业特点, 这些子任务分为3种, 即向下跨越一片绝缘子、清扫一片绝缘子和向上跨越一片绝缘子。这3种类型的子任务可以用组合行为来实现。当电力工人输入并确认绝缘子串的片数后, 任务规划器自动对清扫任务进行分解, 生成子任务序列。序列管理器对子任务进行解释, 并利用组合行为完成任务。

图8

Fig.8

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	图8 清扫任务分解示意图Fig.8 Sketch diagram of decomposition of cleaning task

由于绝缘子清扫机器人的工作环境复杂, 运动步骤较多且存在严格的步序, 此外, 机器人难免会碰到一些特殊情况, 如传输中断、传感器故障等, 因此, 需要引入异常处理机制, 以保证人员安全、线路安全、设备安全和清扫任务的正常进行。

尽管本文设计的绝缘子清扫机器人具有自主运行的能力, 为了保证机器人运行的可靠性, 在进行清扫作业时, 仍采用半自主的方式进行。机器人可自动运行, 在遇到特殊情况(如基本行为执行失败)时, 提醒操作人员进行人工干预。

绝缘子清扫机器人主要考虑了以下几种异常情况:①机器人本体与地面基站通讯中断。为了保证机器人运行的安全可靠性, 采用地面基站发送运动指令、指令校核、机器人状态的对比校核等措施, 保证机器人在通信异常情况下停止运动。若通信异常, 机器人停止运动并等待一段时间, 若通信仍不恢复, 则返回至起始位置。②机器人基本行为执行失败。由于机器人机构的故障、传感器故障或其他原因, 机器人的基本行为执行可能出现失败的情况。因此, 在基本行为的设计时, 引入了超时参数, 确保机器人能够感知执行失败的情况。当该异常发生后, 地面基站提醒操作人员进行人工干预。人工干预完毕, 机器人恢复正常状态时, 机器人可继续工作。③电量低。为了防止机器人因电量低导致无法运行的情况发生, 机器人控制系统具有电压采集和监控功能, 在电量不足时报警。④避障。机器人在进行清扫作业时, 有可能与绝缘子串发生干涉, 此外, 错误的运动指令可能导致机器人零件之间的干涉。因此, 机器人在执行基本行为时, 通过环境建模和运动学校验, 保证运动指令的正确性。基本行为的超时功能能够保证基本行为执行的可靠性。

此外, 机器人遇到无法处理的情况时, 将机器人的控制权交给操作人员, 进行人工干预和处理。

根据实际线路环境, 利用Matlab的Simulink和Stateflow工具箱, 建立了机器人行为规划模型, 进行了机器人行为规划的仿真验证。仿真实验主要步骤如下:

(1)利用Stateflow工具箱建立了机器人行为规划的有限状态机模型, 主要包括3个关键状态, 其中每个关键状态具有多个子状态。

图9

Fig.9

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	图9 机器人行为规划仿真模型Fig.9 Simulation model of robot behavior planning

(2)基于事件驱动进行清扫作业行为规划的状态迁移仿真。由外部事件和内部事件驱动, 结合机器人关节的运动特性和环境特点, 自动得到传感器的触发序列, 进行状态的转移。

图9(a)为机器人清扫行为规划的有限状态机模型, 图9(b)为组合行为CB₁的模型。

图10为运行该模型得到的机器人关节运动曲线, 其中I为机器人向下移动一个绝缘子的距离时的关节速度曲线、角速度曲线, II为机器人清扫绝缘子时的关节速度曲线、角速度曲线。仿真实验验证了机器人行为规划方法的正确性, 采用有限状态机方法便于对清扫过程进行表达和编程。

图10

Fig.10

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	图10 机器人关节运动曲线Fig.10 Motion curves of robot joints

在实验室环境下进行实验, 验证绝缘子清扫机器人行为规划的有效性。图11为绝缘子清扫机器人系统原理样机, 机器人系统由机器人本体和地面基站组成。

图11

Fig.11

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	图11 绝缘子清扫机器人系统原理样机Fig.11 Prototype of insulator cleaning robot system

在实验室线路上, 进行了机器人沿绝缘子串的行走实验。机器人在人工辅助上串后, 按照行为规划的序列, 每经过6个基本行为, 可沿绝缘子串向下移动一个绝缘子的距离, 如图12所示。依照图12子图的顺序:①机器人处于初始状态q₁; ②机器人执行固定平台夹紧机构松开绝缘子的行为, 零位开关被按下时, 迁移至q₂状态; ③机器人执行移动平台移动至特定位置的行为, 编码器计数达到特定值时, 迁移至q₃状态; ④机器人执行固定平台夹紧机构夹紧绝缘子的行为, 电机的电流达到设定值并持续设定时间时, 迁移至q₄状态; ⑤机器人执行移动平台夹紧机构松开绝缘子的行为, 零位开关被按下时, 迁移至q₅状态; ⑥机器人执行移动平台移动至初始位置的行为, 编码器计数为零时, 迁移至q₆状态; ⑦机器人执行固定平台夹紧机构夹紧绝缘子的行为, 电机的电流达到设定值并持续设定时间时, 迁移至q₁状态。至此, 机器人相对于绝缘子串向下移动了一个绝缘子结构高度的距离。实验结果表明, 行为规划方法正确有效, 能够应用于机器人的清扫作业任务。

图12

Fig.12

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	图12 机器人沿绝缘子串向下行走实验Fig.12 Downward movement experiment