王吉岱，甄 静，刘笑辰，王智伟
（山东科技大学 机械电子工程学院，山东 青岛 266590）
摘 要：针对传统高压输电线路巡检机器人作业范围小，受障碍物尺寸限制以及不能跨越引流线等问题，通过观察长臂猿手臂和运动特点，结合仿生学原理，提出了一种基于灵长类动物特征的三臂对称分布式高压输电线路仿生机器人，并建立了机器人的虚拟样机。结合ADAMS软件仿真分析了机器人模拟长臂猿在线路行走及跨越引流线过程，并通过实验反复验证，验证了机器人仿生机构的合理性与稳定性，同时机器人能够稳定可靠的跨越线路障碍，具有越障效率高等优点。
关键词：仿生机器人；仿真；越障；仿生机构
1 引言
随着机器人技术的快速发展，将仿生科学与机器人技术应用到各种架空线路的安全检查与维修工作等领域已成为近年来的研究热点。输电线路巡检机器人的研究主要集中在机器人的本体越障结构及控制策略和方法等方面[1-3]。
越障效率低、不能跨越引流线等问题是目前巡检机器人不能得到实际应用的主要原因之一[4]。将基于灵长类生物体的仿生学技术应用到巡检机器人本体越障结构的研究中是提升其功能的有效方法。文献[5-7]通过观察长臂猿的结构特点，研制了一款双臂悬挂式机器人“BrachiatorⅡ”，该机器人的肘关节由对称布置的直流电机驱动，调整了整体结构的平衡。但机器人手臂交替抓取线路时，引起的导线晃动问题，对机器人的再次准确抓取导线产生了一定的干扰。国内对于仿生机器人的研究与国外具有一定的差距，其中文献[8]主要对灵长类仿生机器人控制策略和方法进行了研究。但是国内还没有能够将长臂猿的手臂特点应用于巡检机器人的设计中的成熟产品。
结合长臂猿的骨骼结构以及运动特点及目前巡检机器人研究现状，利用仿生学的原理，通过观察长臂猿的悬臂攀援运动，设计一种不仅能够跨越间隔棒、防震锤等线路障碍而且能够跨越引流线的悬臂式仿生机器人。
2 长臂猿的结构及运动分析
2.1 长臂猿手臂结构分析
通过观察长臂猿肢体组成可以发现，长臂猿身型比较小，身高不足100cm，但双臂长而有力，展开有150cm。长臂猿双臂均由长短臂组成，其中长短臂的比例为5：3，双臂的肩关节、肘关节和腕关节将长、短臂和手爪连接在一起。肩关节属于球窝关节，做多轴灵活运动，是运动范围最大、最灵活的关节，具有屈伸、内收外展和旋转三个自由度。肘关节属于复合关节，可以完成屈伸运动，活动范围为（40～180）°，属于单自由度关节。与肩关节相比，肘关节结构相对简单，活动范围相对较小，在机械中常将肘关节简化为一个转动副。肩关节与肘关节之间的部分称为短臂，长臂连接腕关节和肘关节。正是这种特殊的长臂结构，使长臂猿能够悬挂于树枝，通过双臂的交互作用，实现不同形式的柔索攀爬运动。
2.2 长臂猿运动特点分析
长臂猿的运动形式主要包括陆地四肢爬行式、树上四肢爬行式、悬摆式以及悬挂式[9]。四肢爬行式依靠大地和树枝作为支撑，无需考虑平衡性和稳定性的问题，长臂猿常年生活在树林中，因此爬行式的运动方式较少见。悬摆式和悬挂式是长臂猿的主要运动形式，悬摆式（也称为“臂行法”）是通过双臂交替抓取树枝完成攀援运动，通过手臂摆动提供的惯性力，在腕关节的作用下完成身体的转向，进行下一目标的抓取，可以完成水平悬摆运动和悬摆跳跃运动，该方式适用于较远树枝的跨越。悬挂式是指通过双臂的协调配合，长短臂分别绕肘关节和肩关节俯仰，进行手臂的伸展；俯仰角度较大，能够进行较大范围内抓取动作，完成双臂的交互式运动，实现攀爬动作，该方式和人类的攀爬运动相似，适于单一树枝的攀爬和相邻树枝的跨越运动，但是长臂猿在单臂抓取树枝的时候，存在重心不稳且所需惯性力较大的问题。长臂猿的悬摆式和悬挂式运动仿生机器人的设计提供了一定的借鉴意义。由于悬摆式运动方式适合于较远范围内的抓取，且稳定性相对较差，因此模拟长臂猿的悬挂式运动方式进行机器人越障步骤的设计。
2.3 仿生模型的动力学建模
在长臂猿的悬挂式运动中，双臂相当于一双长而有力的翅膀，实现摆臂动作，身体的其余部分，包括头部和躯干起平衡和辅助作用。将长臂猿的手臂简化为二连杆机构，建立仿生模型悬摆运动的动力学模型，如图1所示。
图1 仿生悬摆运动动力学模型
Fig.1Dynamical Model of the Brachiation Locomotion
图中：d1、d2—臂 1、臂 2的长度；m1、m2—臂 1、臂 2的质量；s1、s2—臂 1、臂 2的质心距；τ—肩关节动力；J1、J2—臂 1、臂 2绕质心的转动惯量。
利用拉格朗日法建立方程，对其进行动力学分析，得到长臂猿运动的二维动力学模型，如式1所示：
从系统的动力学模型可以看出该系统的独立控制变量小于系统自由度，为欠驱动系统。在欠驱动系统中，受参数摄动、高度非线性等问题的影响，使得控制系统的设计较为困难。
针对长臂猿运动过程中重心不稳、控制系统复杂等问题，提出一种三臂式仿生巡检机器人，该机器人由三臂组成，包括完成越障动作的左右悬挂臂，平衡整体重心的重心平衡臂和支撑手臂的机架，三臂式结构保证了机器人运动过程中至少双臂挂线，同时机器人各关节均配置对应的驱动电机，有效解决了稳定性差、控制复杂等问题。机器人包括行走、行走轮的开合、手臂的升降和俯仰等15个自由度，各关节相互配合完成手臂的脱线以及越障动作。
3 机器人仿生结构设计及分析
3.1 机器人结构设计
基于上述巡线机器人的运动机构的组成与特点，对其进行了详细的结构设计，其结构组成，如图2所示。
仿生机器人整体结构包括左右悬挂臂、重心平衡臂以及机架。其中左右悬挂臂为越障臂，位于机架支撑部分的两侧，左右悬挂臂配合动作模仿长臂猿的攀爬运动，进行平面内的交互式攀援运动。中间臂为重心平衡臂，固定于机架支撑部分的中心，用于平衡手臂脱线时由重心产生的偏转力矩造成身体的晃动等问题。重心平衡臂的竖直升降机构行程为300mm，其中上半部分采用中空式结构，使其能够直接跨越防震锤，减少了越障步骤，提高了越障效率。
图2 仿生机器人结构组成
Fig.2Structure of the Bionic Robot
3.2 左右悬挂臂的结构设计
由于巡检机器人的工作环境较为复杂，同时需要自主和手动完成各种线路障碍物的跨越，因此要求机器人手臂结构紧凑、转动灵活、活动范围大。长臂猿特殊的手臂结构所具有的灵活度高、抓取范围大的优点为悬挂手臂的设计提供了新的思路。
通过模拟长臂猿的手臂结构，对悬挂臂进行了设计，如图3所示。左右悬挂臂主要由驱动行走机构、长短臂、肘关节和肩关节等组成。其中长臂和短臂长度比例和长臂猿手臂比例相同为5：3，长度分别为300mm和180mm。为增加机器人的抓取范围，将长臂设计成伸缩式，行程为200mm，增加机器人越障时手臂的间距，扩大作业范围。长臂和短臂之间通过铰接的形式连接在一起，组成机器人的肘关节，完成竖直平面内（40～150）°范围的俯仰运动。
图3 悬挂臂
Fig.3The Suspension Arm
该三臂式机器人结构较好地仿生了长臂猿双臂的结构特点，解决了传统巡线机器人作业范围小、受尺寸障碍物限制不能跨越引流线等问题。在此基础上，进行物理样机的制作，如图5所示，样机手臂部分采用高强度铝合金，在保证手臂强度的基础上减轻了机器人的整体重量，机架部分作为搭载平台用于放置摄像头、红外成像仪等设备，对线路进行实时检查，以便工作人员及时对线路进行检修。
图4 仿生机器人样机
Fig.4The Bionic Robot Prototype
4 仿生巡检机器人越障过程仿真分析
利用ADAMS对机器人跨越引流线的过程进行仿真分析，验证越障步骤规划的合理性以及越障的可行性。越障过程仿真，如图5所示。
图5 仿生机器人跨越引流线仿真过程图
Fig.5Simulation Process of the Bionic Robot Crossing the Drainage Line
机器人进行引流线的跨越与长臂猿的悬挂式运动相似，即通过手臂的交互式运动实现前进动作。在越障过程中，悬挂臂在重心平衡臂的支撑与平衡下，分别依次抓握线路，实现机器人沿线攀爬运动，具体越障过程如下：机器人初始悬挂状态如图5（a）所示。各关节处于收缩状态。机器人在高压线上前进，当右悬挂臂需要跨越引流线时，停止前进，手臂伸长，脱离导线，手爪打开，完成脱线动作，此时重心平衡臂起到调节机器人重心的作用，防止机器人因重心不稳，而产生晃动，右悬挂臂的长臂在肘关节驱动电机的作用下完成伸展动作，同时在肩关节驱动电机驱动手臂完成水平面内旋转一定角度，到达引流线区域，抓取引流线，如图5（b）～图5（d）所示。当重心平衡臂检测到引流线时，手臂伸长，手爪打开完成脱线动作，此时机器人处于双臂悬挂状态，如图5（e）所示。机器人在左右悬挂臂的驱动下继续前进，当左悬挂臂到达跨越点时，重心平衡臂收缩再次抓取引流线平衡机器人重心，然后左悬挂臂的肩关节驱动电机驱动长臂外伸，调节手臂姿势，增大越障臂间的距离，机器人继续抓握线路前行，如图5（f）所示。右悬挂臂的跨越动作和左悬挂臂相同，右悬挂臂跨越完成后三臂恢复至初始状态，机器人平稳快速的完成了由直线段到引流线的跨越。如图 5（g）～图 5（h）所示。
通过该越障仿真过程可以看出机器人的越障过程分为脱线、抓取、前行、调整四个步骤，与长臂猿的跨越动作相似，能够稳定的按照规划的路径完成整个越障过程。在整个越障过程中重心平衡臂在悬挂臂脱线时起到了较好的平衡作用。
5 实验验证
在对机器人进行仿真分析后，进行物理样机的制作，在实验室环境下搭建模拟实验线路，模拟线路包括基本的线路障碍，如防震锤、间隔棒和引流线，其中防震锤和间隔棒的尺寸和500kV输电线路参数相同。然后对机器人跨越防震锤、爬坡以及跨越引流线等进行了实验验证，机器人跨越防震锤的实验图，如图6所示。
图6 仿生机器人跨越防震锤实验图
Fig.6Experiment of Bionic Robot Crossing Shock Proof Hammer
通过对机器人的实验验证，将具体的实验数据与设计参数作对比，对比结果，如表1所示。
表1 实验数据对比
Tab.1The Comparison of Test Data
参数名称 设计要求 实验数据 实验结果行走速度 1.2km/h 1.3km/h 满足要求负载能力 15kg 25kg 满足要求越障时间 3min 2.5min 满足要求爬坡角度 60° 65° 满足要求
通过对实验数据对比，可得出以下结论：
（1）机器人能够以一定的速度在线稳定行走；
（2）机器人具有一定的负载能力，能够携带各种检测设备，完成对线路的安全检修工作；
（3）能够完成坡度较大的引流线以及直线段障碍物的跨越。
6 结论
针对现有机器人存在的问题，设计了一款基于仿生学原理的巡检机器人，并通过反复试验得出以下结论：
（1）针对现有巡检机器人存在的问题，结合长臂猿手臂特点，提出了一种基于仿生原理的三臂式巡检机器人，能够实现各种障碍特别是引流线的跨越。
（2）模拟长臂猿的运动方式进行巡检机器人运动方式的设计，在重心平衡臂对重心的平衡和调节下，使跨越过程更稳定、可靠。
（3）该基于仿生原理的巡检机器人的设计为巡线机器人的研究与发展提供了一种新的思路和方法。
参考文献
［1］余晓鑫，田联芳，王孝洪.基于SolidWorks的巡线机器人机械本体设计及越障运动仿真［J］.机械设计与制造，，8（8）：180-182.（Yu Xiao-xin，Tian Lian-fang，Wang Xiao-hong.Mechanical structure and obstacle olimbing simulation of inspection robot based on solidworks［J］.Mechinery Design ＆ Manufacture，，8（8）：180-182.）
［2］郭伟斌，王洪光，凌烈.一种四轮双臂巡检机器人越障特性分析［J］.机械设计与制造，，10（10）：167-169.（Guo Wei-bin，Wang Hong-guang，Ling Lie.Obstacle crossing performance analysis for a four wheels and two arms ispection robot［J］.Mechinery Design ＆ Manufacture，，10（10）：167-169.）
［3］孙志怀.超高压输电线路巡线机器人结构设计及仿真［D］.长春：长春理工大学，：4-6.（Sun Zhi-huai.Mechanism design and simulation of inspection robot for extra-high voltage power transmission lines［D］.Changchun：Changchun University of Science and Technology，：4-6.）
［4］邢向飞.超高压线巡线机器人系统设计及仿真实验研究［D］.长春：长春理工大学，：2-4.（Xing Xiang-Fei.System design and simulation study of inspection robot for extra-high voltage power transmission［D］.Changchun：Changchun University of Science and Technology，：2-4.）
［5］Toshio Fukuda，Yasuhisa Hasegawa.Mechanism and control of mechatronic system with higher degrees of freedom［J］.Annual Reviews in Control，：137-155.
［6］赵旖旎.灵长类仿生机器人悬臂运动仿生与控制策略研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，：8-10.（Zhao Yi-ni.Bio-brachiate and brachiation control of nio-primates robot［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，：8-10.）
［7］赵旖旎.灵长类仿生机器人运动控制研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，：6-8.（Zhao Yi-ni.The motion control research of primates bionic-robot［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，：6-8.）
［8］张晓华，赵旖旎，程红太.灵长类仿生机器人悬臂运动仿生控制综述［J］.控制工程，，18（2）：162-165.（Zhang Xiao-hua，Zhao Yi-ni，Cheng Hong-tai.Brachiation control of primates-like robot a survey［J］.Control Engineering of China，，18（2）：162-165.）
［9］杨东.灵长类动物的运动方式浅谈［J］.林业调查规划，，33（1）：41-43.（Yang Dong.Preliminary discussion on locomotion styles of the prmiates［J］.Forest Inventory and Planning，，33（1）：41-43.）
Study on the Bionic Structure of Inspection Robot for Power Transmission Lines
WANG Ji-dai，ZHEN Jing，LIU Xiao-chen，WANG Zhi-wei
（School of Mechanical and Electronic Engineering，Shandong University of Science and Technology，Shandong Qingdao 266590，China）
Abstract：By observing the characteristics of gibbons，combined with the principle of bionics，a new type robot with the three arm symmetrical distributed based on the primate characteristics for the inspection of high voltage transmission line is proposed in this paper.The new structure of the inspection robot can be moving and crossing various obstacles，especially crossing drainage line，along the high voltage transmission line inspection robot because of the advantages of more widely operation range compared with traditional structures.And the virtual prototype of the robot is built.Based on this，the operation process of crossing obstacles on the power line imitating the gibbon action is analyzed with ADAMS software，through the repeated scene simulation experiments，the rationality and stability of bionic mechanism are verified.The robot can cross line obstacle is stably and reliably，and has the strong climbing ability.
Key Words：Biomimetic Robot；Simulation；Obstacle-Navigation；Bionic Mechanism
中图分类号：TH16；TH122
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（）10-0244-04
来稿日期：-04-08
基金项目：耦合变形对环形缝隙节流闭式油静压导轨运动误差影响的研究（51505260）
作者简介：王吉岱，（1961-），男，山东泰安人，硕士研究生，硕士生导师，教授，主要研究方向：机器人技术的开发与应用；
甄 静，（1989-），女，山东济宁人，硕士研究生，主要研究方向：机器人与数控技术
