LEGO智能除冰机器人的设计.pdf

- 29 - LEGO 智能除冰机器人的设计 甘辰予 1，陈劲生2 (1.南宁市第二中学，广西 南宁 530022; 2.广西和信通讯技术有限公司，广西 南宁 530022) 【摘 要】介绍采用 LEGO(乐高)组件搭建的除冰机器人其整体结构、动作原理以及发明创新点。并从系统控制方案及硬 件组成、软件结构特点等方面对除冰机器人控制系统的设计进行了讨论。通过实验使用表明其可靠性高，性能良好，作业安全。 【关键词】除冰机器人；输电线路；除冰；越障 【中图分类号】TP242.6 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2009)10-0029-03 （一）引言 输电线路冬季因受冰雪危害引起的供电中断事故通常都 是较严重的，其修复工作难度大，周期长，停电影响面积广， 因此一直是全世界范围内需要解决的难点问题。2008 年初， 我国南方大面积连续特大降雪，冰雪压跨了输电线路塔架， 压断了输电线路，受灾人口高达 1 亿之多，直接经济损失超 过 1100 亿元。 目前输高压导线路除冰措施主要依靠人工用拉 杆、竹棒等沿线敲打，使覆冰脱落。这次南方遭受冰灾地区 的电网除冰主要采用的就是人工除冰的方法，不仅效率低下， 而且对电力工人的生命安全造成了极大的威胁。因此，研究 新型的除冰方法替代人工除冰就变成十分迫切。利用除冰机 器人实现输电线路在线除冰是目前输电线路除冰技术的发展 趋势，具有功耗小、成本低、效率高、保障人身安全、无需 停电和转移负载等优点。研制安全有效的除冰机械以代替人 工进行导线除冰具有较好的应用前景和实用意义。 （二）除冰机器人构型方案的确定 1.系统的工作要求 1.系统的工作要求 （1）除冰机器人设计必须考虑下列因素。1）具有适合 于柔性线路上平直段、爬坡和下坡段的轮式行走或步进式行 走装置以及爬坡、制动能力。2）具有摆动、旋转、俯仰调整 功能的越障装置。3）具有故障状态的安全报警能力。4）由 于除冰机器人悬挂在架空的输电线路上，越障时应保证除冰 机器人姿态平稳，并保持与其它导线和线塔金属部件的安全 间距等。 因此， 各类附属装置的空间尺寸受到一定的限制。 5） 除冰机器人不但能在架空的输电线路上自主移动，还能通过 搅拌机式的装置快速压碎冰块。6）提供足够的空间安装所携 带的电源以及探测、记录和分析处理仪器。 （2）除冰机器人设计的关键。1）如何精确定位卡住输 电线路上的电缆；2）如何驱动；3）如何除去覆冰；4）终点 如何制动。 其中最难的是如何除冰，选定除冰方案是以机器人在电 缆线上行走中，利用除冰装置上的螺纹旋柱向内的压力和旋 柱上粗糙的螺纹压碎线路上的覆冰，其效果最为有效。而针 对终点制动这个难题，利用超声波测距装置进行除冰机器人 制动，使其真正成为具有智能的除冰机器人。 2.系统的组成部分 2.系统的组成部分 除冰机器人是基于传感器技术、控制技术、机器人技术 于一体的集成系统。本除冰机器人采用乐高(LEGO)组件搭建， 机器人总体结构大致可以分为主控模块、执行模块(越障系 统、摄像系统、测距系统、除冰系统)和电源模块(太阳能蓄 电池、太阳能充电器)等叁个模块。 各模块功能如下表： 超声波和触碰传感器 感应层(采集发送环境信息) NXT 主控中心处理器 决策层(路径识别、实时控制) 电源供给和电机驱动 驱动层(决策的执行、系统维持) 在本系统中，除冰机器人底盘采用两轮结构，在前轮的 上方，安装四个螺纹旋柱作为除冰装置。后轮为驱动轮，采 用两轮差动转向的方式实现转向。每一个主动轮采用一个步 进电机独立驱动。机器人系统外观图如图 1。 图 1 系统外观图 （三）系统的硬件设计 整个硬件系统由控制中心、越障系统、摄像系统、测距 系统、除冰系统和电源系统组成。硬件构成如图 2 所示。 NXT控 制 中 心NXT控 制 中 心 行 走 过 障 装 置 行 走 过 障 装 置 除 冰 装 置 除 冰 装 置 摄 像 装 置 摄 像 装 置 测 距 装 置测 距 装 置 充 电 装 置充 电 装 置 传 回 数 据传 回 数 据 发 出 指 令发 出 指 令 提 供 电 能提 供 电 能 发出指令 传回数据 发出指令 传回数据 机 器 人 构 成 ：机 器 人 构 成 ： 图 2 系统的硬件构成图 1.控制中心设计1.控制中心设计 控制中心是机器人的运算核心和控制核心，乐高公司到 现在为止总共推出过两款机器人：第一代 RCX 和第二代 NXT。 NXT 与 RCX 相比最大的特点就是控制中心的中央处理器从 8 位升级到 32 位，处理能力得到了大幅度的提高。这给了 NXT 2009 年第 10 期 大 众 科 技 No.10， 2009 （总第 122 期） DA ZHONG KE JI (Cumulatively No.122) 【收稿日期】2009-07-15 【作者简介】甘辰予，男，南宁市第二中学高中部教师，研究方向为 LEGO 机器人功能设计和实验、应用；陈劲生，男， 广西和信通讯技术有限公司经济师，研究方向通信线路维护及通信技术管理。 - 30 - 带来了很多以前 RCX 无法实现的功能，例如语音识别（现在 还只能识别语音的强度） ，图象处理等。在通信方面，配备了 USB 可以直接与 PC 相连，与 RCX 相比，无需红外发射器，传 送的速度也将大幅提高。另外，还配备了蓝牙功能，可与手 机，PDA 等实现联动。在传感器方面，NXT 加强了此前配备的 光电传感器和触动传感器的性能。另外，还配备了超声波、 声音、方位、加速度、红外连接、回转和颜色等传感器，红 外线感应器。改良的光电传感器可以感知到不同的色彩与亮 度，同时新式的声音传感器使机器人对各种声音模式以及音 调作出及时的反应。 机器人应用其触动传感器可以真正地 “感 觉”到触摸的发生，同时超声波“眼”还能丈量长度和移动 距离。 本机器人控制中心由两个 NXT 组成，一个控制机器人的 行走及除冰，另一个控制机器人越障。 2.除冰装置设计 2.除冰装置设计 本机器人采用旋转螺纹刀具组合碾压钢轮移动式除冰装 置。除冰器由两个电机和一个除冰装置部分组成，一个电机 控制除冰器的上下摆动，另一个控制除冰器工作。由于覆冰 本身比较坚硬，一次性破碎比较困难。因此本机器人采取的 方案:当机器人挂上电缆时，除冰器抬升电机将除冰器抬升， 首先利用旋转刀具在覆冰上铣出一道凹槽，然后再利用后面 的碾压钢轮产生的碾压力进行碾压破冰，从而达到除冰目的; 除冰装置包括旋转刀具电机、旋转刀具、碾压轮电机、碾压 轮、左右开合装置、支撑杆件等，具体除冰装置布置图如图 3 所示。 图 3 除冰装置布置图 3.越障装置设计 3.越障装置设计 除冰机器人越障时技术难度最大的是跨越输电线路电缆 上的附属元件，包括绝缘子、线夹、防震锤和间隔棒等障碍 物。机器人需要满足以下几个功能:越障有效、越障过程应平 稳、越障完成后能适时随动。这也就要求机器人在线上应能 够保持姿态平稳，不与线路附件干涉。 机器人要顺利越过障碍物，每个行走轮必须顺序完成如 下 3 个动作：首先行走轮脱离输电线路电缆且偏离障碍物一 定角度（跨越防振锤和线夹时，只需脱离电缆即可） ，然后机 器人前进使行走轮越过障碍物，最后该行走轮又重新返回到 电缆上成为行走驱动轮，这就完成了机器人行走轮的一个越 障循环。 对于线夹、防震锤等垂直尺寸较小的障碍物，机器人只 需将 3 个吊臂沿垂直方向依次抬升某一安全高度，然后依次 回落到初始位置，即可完成越障。 对于绝缘子、隔离棒等垂直尺寸较大的障碍物，为了避 免过高的抬臂，我们采用摆臂的方式越障。 该机器人采用叁手臂轮式行走结构，使结构上更为简便， 控制上更容易实现，机器人在电缆上行走过障具体过程分解: （1）无障碍物时，两轮滑行带动机器人前行。 （2）触感碰到障碍物后，首先除冰装置向下调整，机器 人整体停机，触发过障程序，启动越障电机，轮子停止转动， 抓手抓紧电缆将机器人提升，前轮往外旋转离开电缆，此时 线上支点为后轮和抓手;抓手将机器人放下，后轮回线后运 转，使机器人向前运动，前轮通过障碍物。 （3）抓手将机器人提升，前轮转回线内，抓手重新打开 并完全离开电力电缆，这时线上支点为前后轮，前轮和后轮 一起运转，使抓手通过障碍物。 （4）抓手再次将机器人提升，后轮转离电缆，此时线上 支点为前轮和抓手，前轮转动使后轮通过障碍物。 （5） 越过障碍物后， 越障电机反转， 越障手臂即可复位。 机器人具体越障动作如图 4 所示。 图 4 机器人摆臂越障示意图 4.测距装置设计 4.测距装置设计 输电线路的高压线与线下物体有一个安全距离， 1KV 以下 安全距离为 4 米;1-10KV 以下安全距离为 6 米;35-110KV 以下 距离为 8 米;154-220KV 以下距离为 15 米。 若高压线的安全距 离内有物体，可能会引起高压线的电弧放电，造成危险。机 器人凭借一个超声波传感器监测高压线安全距离以内的情 况，当检测到物体出线在此范围内就会发出警报，同时摄像 装置将会拍摄下物体的具体情况并将图像传回，由操作员采 取相应措施。同样，机器人在进行除冰工作时也需要超声波 传感器。系统传感器获得的信息经过主控单元对信息进行处 理后，使除冰机器人实现对大型障碍物的避障及线路覆冰进 行清扫的功能。 5.摄像装置设计 5.摄像装置设计 由一个无线摄像头及无线影像接收装置，安装在机器人 的左前方。无线摄像头可传回线路情况的视频图像并可录制 下来，以供检查输电线路电缆是否损坏，是否是有异物在输 电线路电缆上.及观察到高压电缆线下的状态是否正常。 6.电源部分设计6.电源部分设计 以环保能源太阳能蓄电池为主机供电电源，太阳能充电 装置连接在机器人的充电接口上，起着蓄电和充电的作用， 边充边供，为机器人提供不间断工作电力。 （四）系统的软件设计 1.程序设计1.程序设计 软件程序设计使用 MINISTORMS NXT 软件编写。两台 NXT 各有不同的程序，为保证两台 NXT 的程序是同时触发的，在 搭建上设计了用一个超声波和两个并联触感来触发程序。主 程序中多处使用子程序，使得程序更为简洁、规范。其功能 是： （1）NEX-1 号程序负责控制:前后轮在电力电缆上的行 动、超声波的测距、机器人的发声、除冰器的升降、除冰器 的转动。 （2）NEX-2 号程序负责控制：抓手的运动，并且控制前 后轮的摆动，使前后轮过障。 2.系统设计2.系统设计 （1）传感器实时采集功能 NET 主控单元可以随时采集到外界环境信息， 并将其传回 外部 PC 机，以备操作员做出准确的判断。 （2）数据实时处理功能 NET 主控单元经过运算和处理， 将采集到的各路传感器信 息进行合理、有效的融合，从而指挥电机做出正确的动作。 （3）数据存储功能 由系统采集到的数据可以存储到外部 PC 机上，从而实现 - 31 - 了数据的海量存储。 （4）数据实时显示功能 每个 NXT 均有一个 LCD 显示器，能够在液晶屏(LCD)上实 时显示系统采集到的各种信息，显示当前系统工作的属性记 录，如马达转动角度、目前电源使用情况以及传感器实时数 据等。 系统主程序流程图如图 5 所示。 图 5 系统主程序流程图 （五）发明及创新点 1.机械结构1.机械结构 1）采用带凹型槽的轮式行走装置，增加了除冰机器人与 线路的接触面积，增大了除冰机器人行走时的摩擦力，提高 了除冰机器人运行的稳定性。 2）挂钩采用单侧开放式设计，简化结构，减少了驱动电 机数目，减少了越障时的动作环节，提高了除冰机器人的运 行效率。 2.电控系统 2.电控系统 本机器人携带了超声波测距装置，其特点是：超声波传 感器安装在机器人底部，可检测高压电力电缆与地面其它物 体的安全距离。如遇到安全隐患，则自动发出报警信号，操 作员可从传回的视频中捕捉到该信号，从而采取相应措施。 3.电源系统3.电源系统 本机器人采用环保能源。电源系统由太阳能电池板和太 阳能蓄电池组成。整个装置连接到机器人的充电接口上，起 着蓄电和充电的作用，为机器人的工作提供电力保障。 4.设计创意4.设计创意本机器人2008年夺得第六届世界奥林匹克机 器人竞赛（WRO）中国区选拔赛高中组创意赛冠军。 （六）结束语 本文创新点在于设计了专门应用于电力行业中的除冰机 器人，还可以在未覆冰季节通过更换其上的除冰模块，将除 冰机器人转变为巡线机器人，达到一机两用的目的，从而提 高机器人的使用效率。为解决电力行业除冰难度大、劳动强 度高和人身安全等问题提供了重要的理论基础与技术支持。 该除冰机器人具有省工、省力、体积小、动力大、除冰干净 快捷、造价低和环保等优点，将给我国的电力行业带来较大 的社会效益和经济效益。 【参考文献】 1 林边菊,周龙,宾哲源,甘辰予,等.电线环保卫士研究报告Z. 南宁市第二中学信息技术教研组资料,2008 年 8 月. 2 西觅亚科技有限公司. NXT编程指南V2.0版M.2007年4 月. 3 高虹亮,孟遂民,罗成,马小强,等.架空输电线路除冰机器人 的结构设计J.电力建设 2009(3):93-96. 4 张屹,邵威,高虹亮,罗成,等.高压输电线路除冰机器人的机 构设计J.三峡大学学报(自然科学版), 2008(12):69-72. 5 罗隆福,赵志宇.高压架空输电线路除冰方法综述J.大众用 电,2009(2):23-24. （上接第 48 页） （2）将虚拟结构的运动转化成每个机器人的期望运动； （3）得出机器人的轨迹跟踪控制方法。该方法中，队形 控制是通过共享虚拟结构的状态等知识实现的。它的优点是 可以容易地指定机器人群体的行为(虚拟结构的行为)，并可 以进行队形反馈，取得较高精度的轨迹跟踪效果。缺点是当 前采用集中式实现，要求队形按一个虚拟结构运动，缺乏灵 活性和适应性。目前的文献中，只将该方法用于二维无障碍 的平面环境中，如太空中卫星的编队控制，相关文献就通过 虚拟结构法实现了低轨道卫星的编队控制。 （六）存在的问题和展望 1.队形控制本身的算法的实现要求具有以下性质：通用 性、鲁棒性、稳定性以及扩展性。目前的方法还不能满足这 两个要求，需要进一步研究。 2.队形控制是机器人系统中的一个子任务系统，它只是 系统完成任务的一个手段。目前的研究通常是将队形控制作 为一个系统来设计，而不是作为整个系统的一个模块或子任 务，不便于与已有的体系相结合。将队形控制作为一个模块 与现有的体系结构或控制系统中其他子任务系统有机结合起 来，是值得研究的问题。 3.移动机器人队形控制一般需求偏重于野外环境，这种 环境往往呈现动态和不确定的性质，因此要求队形控制要有 处理动态和不确定性的能力。如何提高队形控制处理野外不 确定性的环境因素有待进一步研究。 4.自适应队形控制和层次性队形控制的研究较少。如何 根据任务、机器人约束及环境等因素自动进行队形控制，这 一方面的研究还需加强。层次性是解决大规模队形控制的一 种有效组织方式，对此方面的研究也不多，需要进一步研究 （七）结论 综上所述，虽然多移动机器人编队控制已经取得了一些 进展和一定的研究成果，但仍存在很多问题，需要进行更深 入的研究