一种柔性脊柱式攀爬越障绝缘子清洗机器人及其控制方法

本发明涉及电力设施维护机器人，具体为一种柔性脊柱式攀爬越障绝缘子清洗机器人及其控制方法。

背景技术：

1、绝缘子是电力输配电系统中支撑导线和隔绝电气的核心组件，其绝缘性能的稳定性直接决定电网运行的安全性。由于绝缘子长期暴露在户外自然环境中，表面易积聚工业污秽、灰尘、盐雾等污染物，在潮湿条件下会形成导电通道，引发污闪事故，导致大面积停电，造成严重的经济损失。因此，定期对绝缘子进行清扫维护，保障其绝缘性能至关重要。

2、目前，绝缘子的清扫方式主要分为人工清扫和机器人清扫两类。人工清扫需作业人员通过登高作业车或攀爬铁塔完成，不仅劳动强度大、作业效率低下，且高空作业风险极高，在恶劣天气或复杂地形条件下，作业安全性与可行性进一步降低。自动化清扫机器人作为替代人工的核心技术手段，逐渐成为行业研究热点。

3、脊柱式攀爬越障清洁是替代人工高空作业，实现复杂结构绝缘子全程自动化清洁的技术路径，在大幅降低高空作业风险的同时，提升清洁效率与作业安全性，为电力输配电系统绝缘子维护提供可靠解决方案。经检索发现，实用新型专利“绝缘子清洁装置”，专利公开号为cn222985008u，包含推车、多级电动推杆、夹持组件与清洁组件，可代替人力作业并降低清洁成本；实用新型专利“变电站户外用绝缘子清扫机器人”，专利公开号为cn219648151u，包括移动车体、升降机构与机械臂式清扫组件，适配低电位环境下刀闸绝缘子清扫；实用新型专利“穿过式电气化铁道绝缘子机器人自动清洁装置”，专利公开号为cn214600592u，通过横腕臂、斜腕臂及控制机构，实现铁路轨道两侧绝缘子穿过式清洁；发明专利“带电工作的绝缘子清洁装置”，专利公开号为cn117066198a，采用绝缘轨道、滑座与高压喷水结构，保障带电作业时电网稳定性。现有绝缘子清洁设备虽已实现部分自动化功能，但针对复杂结构绝缘子的清洁需求仍存在明显局限，具体问题如下：越障能力不足，多数设备采用刚性结构设计，运动自由度有限，难以灵活绕过大直径均压环、法兰等突起障碍，作业范围受限；作业稳定性欠佳，部分具备越障功能的设备存在结构复杂、控制策略繁琐的缺陷，越障过程中易发生倾覆或与障碍物碰撞，存在安全隐患；清洁适配性与无损性失衡，刚性毛刷清洁易损伤绝缘子釉面，单一喷射清洗难以去除顽固污秽，且对不同型号、倾斜角度的绝缘子适配性不足，易形成清洁盲区；智能化程度不足，依赖预编程轨迹或人工辅助定位，无法根据现场绝缘子实际形貌与障碍特征动态调整作业策略，难以实现全程无死角自动化清洁。

技术实现思路

1、为解决上述清洗机器人越障困难，且清洗绝缘子的方式存在局限性的问题，本发明提供了一种柔性脊柱式攀爬越障绝缘子清洗机器人及其控制方法。

2、本发明技术方案如下：

3、一种柔性脊柱式攀爬越障绝缘子清洗机器人，包括机器人本体、三维环境感知系统、中央规划与驱动单元；

4、所述机器人本体包括沿轴向依次分布的前端支撑与夹持单元、柔性脊柱连接机构、后端支撑与夹持单元；

5、所述柔性脊柱连接机构包括多个能够相对转动的关节模组；

6、所述三维环境感知系统主要包括前向激光雷达、惯性测量单元以及多个关节编码器；

7、所述中央规划与驱动单元包括与机器人本体和三维环境感知系统通讯连接的高性能计算模块。

8、通过采用柔性脊柱连接机构进行越障，其动作状态会更多，并且基于此，通过采集所需信号，能够做出更加多样化的动作并完成作业。

9、一种柔性脊柱式攀爬越障绝缘子清洗机器人的控制方法，包括以下步骤：

10、s1、环境感知与建模，建立面向柔性脊柱连接机构的多体动力学模型各关节模组运动学正解，通过激光雷达对前方绝缘子进行扫描并获取离散坐标系的点云数据集，计算每个点的法向量和曲率并通过ransac算法对点云数据集进行处理，提取并构建障碍物特征描述向量，结合障碍物特征描述向量和绝缘子尺寸预设安全距离阈值，当未检测到障碍物或最小距离大于安全距离阈值，执行步骤s2，否则执行步骤s3；

11、s2、常规模型爬行控制，基于预设的步长执行周期性爬行步态，通过前端支撑与夹持单元和后端支撑与夹持单元的交替锚定，配合柔性脊柱连接机构的变化进行攀升；

12、s3、越障模式爬行控制，机器人采用越障模式，基于提取的障碍物特征描述向量，并引入越障安全裕度，规划使前端支撑与夹持单元能够安全绕过障碍物的末端运动轨迹，且中央规划与驱动单元根据规划轨迹，通过逆运动学求解脊柱目标构型，使柔性脊柱连接机构执行大角度复合变形，带动前端支撑与夹持单元在空间上完全抬起越过障碍物或者侧向绕过障碍物最高点，其中判断是否侧向绕过的方式为，是否在下述步骤s3.2.1中根据障碍物偏心角叠加必要的侧向偏转，之后驱动柔性脊柱连接机构执行波浪式传递运动，将后端单元拉过障碍物，过程中前端支撑与夹持单元及后端支撑与夹持单元交替作为受力锚点，并在完成越障后控制柔性脊柱连接机构复位；

13、s4、自适应清洗参数优化，建立清洗效果预测模型，并采用粒子群优化算法在参数空间中搜索最优清洗参数组合。

14、基于上述步骤，能够通过控制柔性脊柱连接机构进行状态变化，以不同的状态穿过障碍物并完成清洗作业，且过程中，通过对状态进行切换，并结合障碍物类型，能够完成不同的越障动作。

15、作为一种优选方案，所述步骤s1中构建多体动力学模型的方式为：

16、基于d-h参数法，通过齐次变换矩阵链乘法则，建立以后端支撑与夹持单元为基准的从基坐标系到以前端支撑与夹持单元为基准的末端坐标系的运动学正解方程，如下所示：

17、；

18、式中，为第i个关节相对于第i-1个关节的齐次变换矩阵；

19、为末端执行器的姿态旋转矩阵；

20、为末端执行器的位置向量。

21、为了切换作业方式，所述步骤s1判断是否大于安全距离阈值的方式为：

22、根据障碍物线性度、平面度和散射度的不同大小关系，将障碍物区分为杆状物、面状物和球状/块状物，结合障碍物类别，根据障碍物的最大包络直径、障碍物的轴向高度、障碍物几何中心在机器人基坐标系下的三维坐标及障碍物几何中心相对于机器人中心轴线的偏心方位角提取并构建障碍物特征描述向量，并通过障碍物特征描述向量估算机器人与障碍物最小距离，结合障碍物特征描述向量和绝缘子尺寸设定安全距离阈值，当未检测到障碍物或最小距离大于安全距离阈值，判断执行步骤s2，否则执行步骤s3。

23、为了确保避免碰撞，所述步骤s3基于安全裕度的判断方式为：

24、基于提取的障碍物特征描述向量，并引入越障安全裕度，规划使前端支撑与夹持单元能够安全绕过障碍物的末端运动轨迹，该轨迹需满足无碰撞约束条件，如下所示：

25、；；

26、为障碍物的最大包络直径；

27、为时刻t时前端感知与夹持单元的空间位置向量；

28、为越障动作的起始时刻；

29、为越障动作的结束时刻；

30、障碍物几何中心在机器人基坐标系下的三维坐标。

31、为了获得更好的清洗效果，步骤s4中建立清洗效果预测模型的具体步骤为：

32、根据喷头压力、接触压力和机器人移动速度定义清洗参数向量，之后定义清洗效率表示为关于工艺参数和污秽状况的函数，如下所示：

33、；

34、为绝缘子表面的污秽浓度等级；

35、为权重，为两种压力的幂指数，由实验确定的模型参数；

36、为在下的喷头压力，为在下的接触压力。

37、作为一种优选方案，步骤s4搜选最优清洗组合的具体步骤为：

38、采用粒子群优化算法在参数空间中搜索最优清洗参数组合，目标函数如下所示：

39、；

40、为权重系数；

41、为预设的目标清洁度；

42、为喷头压力；

43、为接触压力；

44、为机器人移动速度。

45、针对越障模式的具体实施方式中，所述步骤s3前端越障的具体方式为：

46、后端支撑与夹持单元夹紧绝缘子作为支撑锚定，中央规划与驱动单元根据规划轨迹，通过逆运动学求解脊柱目标构型，使柔性脊柱连接机构执行大角度复合变形，带动前端支撑与夹持单元在空间上完全抬起并绕过障碍物最高点，完成越过障碍物后，控制柔性脊柱连接机构下探，使前端支撑与夹持单元对准障碍上方绝缘子段的安全抓取点夹紧。

47、针对越障模式的具体实施方式中，所述步骤s3后端越障的具体方式为：

48、保持前端支撑与夹持单元夹紧,驱动柔性脊柱连接机构执行波浪式传递运动，将后端单元拉过障碍物，定义第i个关节的控制函数为行波方程形式，如下所示：

49、；

50、为关节摆动振幅；

51、为行波角频率；

52、为相邻关节间的相位滞后量，用于形成沿脊柱传播的波形；

53、为第i个关节的行波方程相位角；

54、通过精准控制各关节间的相位差，使脊柱的拱起波形从前端依次向后端传递直至越过障碍物特征描述向量的包络范围后执行后端支撑与夹持单元夹紧锁定，i的取值范围为大于0的自然数。

55、作为优选，还包括：

56、步骤s5、机器人循环执行环境感知、步态决策执行s2或s3、动作执行与清洗作业的全流程闭环控制，在作业过程中，系统实时更新障碍物参数和最优清洗参数，根据当前环境自适应地在爬行模式与越障模式之间进行切换，直至完成对整串绝缘子的覆盖清洗。

57、本发明的有益效果在于：本发明为一种柔性脊柱式攀爬越障绝缘子清洗机器人及其控制方法，具备以下优点：

58、1.越障能力强：柔性脊柱结构运动冗余度高，可灵活绕过复杂障碍物，突破传统刚性机器人局限。

59、2.适应性广：三维环境实时感知，自主识别绝缘子与障碍特征，动态调整作业策略，适配多种复杂场景。

60、3.运动稳定：双夹爪交替锚定，始终至少一个夹爪夹持绝缘子，搭配姿态反馈与精准控制，避免倾覆碰撞。

61、4.智能高效：集成感知、规划与控制技术，自主完成爬行、越障与清洗，减少人工干预，提升作业效率与安全性。

62、5.清洁优质无损：“流体冲洗+物理擦拭”协同作业，高效去除顽固污秽，且无刚性损伤。