摘要:随着经济和科技水平的快速发展，针对现有巡检机器人自动上下线系统作业风险高、无保护装置的特点，提出了一种巡检机器人自动上下线系统的制动装置，使自动上下线系统运行更加安全。设计了制动装置的三维模型，分析了制动装置的制动过程。建立制动装置的静力学模型，求解制动装置的制动稳定状态。使用ADAMS软件仿真制动装置制动过程中的动态特性，求解制动装置的制动时间与制动距离，证明了制动装置设计的合理性。通过现场实验，验证了该制动装置在机器人自动上下线过程中具有良好的可靠性与更高的安全性，具有工程应用和推广价值。
关键词:制动装置；自动上下线；巡检机器人；动力学仿真；结构设计
引言
针对人工辅助机器人上下线方法存在人身安全、工作效率低的问题，本文提出一种基于机器视觉的输电线路机器人上下线平台（以下称上下线平台）的设计方案，以代替人工吊装方式带电完成辅助输电线路机器人（以下称机器人）上下线作业。采用基于SSD的对接标识线识别方法识别出对接识线后，利用基于双目视觉模型的目标点坐标测量方法计算出机器人对接脚顶点和对接夹爪顶点的位置关系，得出机器人对接脚和对接标识线相对位置关系，进而精确控制机器人和上下线平台的对接和分离，再结合机器人上下线操作规范，高效地完成机器人上下线作业任务。
1自动上下线系统简介
自动上下线系统是使巡检机器人实现由地面至高压输电线地线、由高压输电线地线至地面的自动上下过程。自动上下线系统由卷扬提升部分、控制器、吊篮、塔身垂直导轨及塔顶引导导轨几个部分组成。卷扬提升部分为吊篮上下线过程提供动力，包括电机、卷扬、钢丝绳等部分，上下线过程由控制器控制。在此过程中，机器人被固定在吊篮内，沿塔身垂直导轨运行至塔顶，机器人沿塔顶引导导轨进入输电线地线。在实际应用中，上下线过程会出现钢丝绳断裂、控制器失灵、电机损坏等状况，导致机器人下坠，限速装置将下坠速度限制在一个恒定值。限速装置限制吊篮下降的速度，一旦吊篮因故障下坠，限速装置中离心离合器的主、从动轮结合，固定在从动轮上的端盖与导向轮同步转动，连接在端盖上的连杆摆动，带动活塞在气缸内上下移动，通过气缸底部气孔进行呼气、吸气，产生空气阻力，克服吊篮重力做功，将吊篮下坠速度限制在固定值。机器人下坠后与地面刚性冲击，会对机器人及吊篮造成损害，
2制动装置设计及分析
2.1制动装置结构设计
自动上下线系统制动装置的结采用的制动方式为楔块式制动，制动装置主要由施力板、动滑块、定滑块、导向板、通绳孔、导向块、缓冲弹簧等组成。施力板通过螺钉固定在动滑块上，承受来自下坠吊篮的冲击;动滑块能够沿着导向板上下移动，其下表面和导向板之间连接有垂直缓冲弹簧，定滑块与导向块之间装有水平缓冲弹簧，动滑块能够沿着定滑块的斜面移动;通绳孔供卷扬提升部分的钢丝绳穿过。制动装置安装在近地侧的杆塔上，连接焊板与铁塔的支撑角钢通过螺钉连接。制动装置工作原理，吊篮因故障下坠时，限速装置限制下坠速度为恒定值，吊篮的动作角钢与制动装置的施力板接触，吊篮的重力作用在动滑块上，动滑块沿着定滑块的斜面滑动，定滑块沿着水平方向移动，缓冲弹簧使动滑块与定滑块接触面间的正压力不断增大，产生的摩擦力及缓冲弹簧的反作用力制动下坠的吊篮。
2.2制动装置工作过程受力分析
吊篮因故障下坠后，若下降速度超过3m/s，吊篮限速装置运转限制吊篮以3m/s速度下坠;若吊篮与制动装置接触前，限速装置未触发，则吊篮下降的加速度为重力加速度。吊篮与制动装置的施力板接触后，吊篮与动滑块连成一体，向下运行。动滑块沿着定滑块的斜面向下移动，动滑块与定滑块之间的摩擦力和缓冲弹簧产生的向上的反作用力使动滑块与吊篮制动。
2.3机器人结构简介
机器人主要由行走轮、行走轮伸缩臂和对接脚等构成。机器人上线后，通过伸缩行走轮伸缩臂的伸缩能够调整机器人的上下位置，便于行走轮抓线和脱离输电导线，而且当行走轮伸缩臂缩到底时，能够将输电导线卡在机器人行走轮凹槽内，这样能够保证机器人在移动、作业过程中不会脱离导线和产生位移。机器人箱体底端的对接脚便于与上下线平台的对接.
2.4上下线平台控制系统设计
上下线平台控制系统由机器人本体上的视频采集模块、上下线平台本体和地面控制端三部分组成，如图7所示，按照功能主要划分以下几个部分：（1）视频信息采集模块：上下线平台控制系统的视频信息采集模块主要包括模拟摄像头和视频服务器。（2）通信交互层：机器人、上下线平台及地面控制端通过无线以太网进行双向通信交互，包括控制指令交互、机器人运行状态监测和视频图像传输等。（3）驱动执行端：主要包括电机驱动和电机和一系列温控设备。（4）地面控制端：由于机器人和上下线平台内的MCU算力有限，频信息采集模块采集回来的视频信息需要发回到地面端的计算机进行视觉及图像处理。另外，机器人的对接。本文采用PID控制方法控制上下线平台各电机，提高系统的动态响应，以适应风速、天气、及各个机械件摩擦系数等不确定因素的影响下的不同作业环境。
3实验结果
3.1对接标识线识别结果和分析
利用caffe网络框架训练网络模型，将摄像头采集到的图像输入SSD目标检测网络，机器人越接近对接标识线位置时，识别置信度越大。当置信度大于设定值时，停止移动机器人并调整上下线平台位置，机器人与上下线平台开始对接。在残差网络中各超参数的设置是决定检测网络最终分类性能的关键，本文针对残差网络的第一个卷积层卷积核大小展开调试工作，以取得最佳参数值。具体操作为针对每组不同参数将分开进行模型训练，将训练好的模型在测试集4个不同测试尺度上分别测试10次，取最好的测试结果进行性能分析。
3.2现场实验
上下线平台先后在110KV模拟线路和110V实际线路上，按照标准的机器人下线作业规范进行了机器人的上下线实验.实验结果表明上下线平台能够自主完成与机器人对接，高效地配合机器人完成上下线作业，整个作业流程平均耗时16分钟，而人工辅助机器人上下线作业平均耗时45分钟以上，极大提高了机器人上下线作业效率，弥补人工作业时危险性高、效率低和耗时长等缺陷。
结语
提出了一种基于机器视觉的输电线路机器人上下线平台设计方案，包括机械结构设计和视觉检测两部分。利用基于深度学习的SSD目标检测方法识别出对接标识线，再运用视觉测量及控制技术精确控制机器人和上下线平台进行自主对接和分离。结合机器人上下线操作规范，上下线平台能够高效地辅助机器人完成上下线作业任务。最后，研制了输电线路机器人上下线平台样机，并在模拟线路和现场线路进行实验，实验结果验证了上下线平台结构设计的可行性及视觉检测及控制方法的有效性。
参考文献:
［1］张运楚，梁自泽，谭民．架空电力线路巡线机器人的研究综述［J］．机器人，2004，26(5):467－473．
［2］吴功平，肖晓晖，肖华，等．架空高压输电线路巡线机器人样机研制［J］．电力系统自动化，2006，30(13):90－93．
［3］徐显金，吴功平，何缘，等．基于地线改造的巡检机器人机械结构设计［J］．机械设计与制造，2011(11):93－94．
［4］舒印彪，胡毅．特高压交流输电线路的运行维护与带电作业［J］．高电压技术，2007，33(6):1－5．