攀爬電力鐵塔機(jī)器人的爬行方案設(shè)計(jì)

李紅衛(wèi)，趙世平，陸小龍

LI Hong-wei, ZHAO Shi-ping, LU Xiao-long

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

0 引言

目前，采用高壓和超高壓架空電力線路進(jìn)行電力輸送是遠(yuǎn)距離輸送電力的主要方式[1]。電力鐵塔及電力線長(zhǎng)期顯露在野外，分布地點(diǎn)多，絕大部分遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)，所處地形復(fù)雜，自然環(huán)境惡劣，因受到持續(xù)的機(jī)械張力、風(fēng)吹日曬、材料老化等的影響，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)斷股、磨損、腐蝕、螺絲松動(dòng)等問題。因自然原因或人為破壞造成的微小損壞或缺陷，都可能擴(kuò)大，最終導(dǎo)致嚴(yán)重的事故[2]。因此，對(duì)電力輸電設(shè)備的日常巡檢與維護(hù)是有效保障輸電設(shè)備安全、可靠輸送電力的基礎(chǔ)工作。

傳統(tǒng)的巡檢方法普遍采用的是人工巡檢、手工記錄的工作方式，需要工作人員逐塔巡視。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且受惡劣的自然環(huán)境影響，工作條件艱苦、巡檢周期長(zhǎng)、效率低，同時(shí)，人工攀爬鐵塔及上線檢測(cè)對(duì)工作人員存在安全隱患[3]。因此，急需開發(fā)可以替代或部分替代電力工人日常巡檢作業(yè)的新型設(shè)備。

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，電力特種機(jī)器人成為特種機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。但目前對(duì)電力特種機(jī)器人的研發(fā)熱點(diǎn)基本上都是針對(duì)電力線巡檢的巡線機(jī)器人，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)先后成功研發(fā)出一些巡線機(jī)器人，并在進(jìn)一步的投入人力物力進(jìn)行巡線機(jī)器人的研發(fā)工作。然而用于巡檢與維護(hù)電力鐵塔的機(jī)器人還未多見到相關(guān)的研究與報(bào)道。

因此，研究和開發(fā)用于攀爬電力鐵塔的巡檢機(jī)器人是很有必要的。研制攀爬電力鐵塔的機(jī)器人的意義在于能夠代替人工巡檢、提高效率和檢測(cè)精度、降低成本等，長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，當(dāng)攀爬電力鐵塔機(jī)器人技術(shù)達(dá)到一定程度，它還可以負(fù)載巡線機(jī)器人自主上線，甚至集攀爬鐵塔與上線巡線于一身，實(shí)現(xiàn)電力巡檢的全面自動(dòng)化。

1 攀爬電力鐵塔機(jī)器人的研究現(xiàn)狀

1.1 攀爬電力鐵塔機(jī)器人爬行機(jī)構(gòu)分類

到目前為止，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)的可以在電力鐵塔空間桁架上爬行的機(jī)器人主要有以下幾種爬行機(jī)構(gòu)：電磁吸附式攀爬機(jī)構(gòu)、步進(jìn)式攀爬機(jī)構(gòu)、蠕動(dòng)跨越式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。

1.2 電磁吸附式攀爬機(jī)構(gòu)

英國(guó)威爾士班戈大學(xué)（University of Wales，Bangor）設(shè)計(jì)的一種電磁吸附式的攀爬電力鐵塔機(jī)器人方案，如圖1(a)(b)所示[4]。該機(jī)器人由三部分組成：中部、頭部和尾部。其中，中部具有旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以作轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)。頭部與尾部分別用導(dǎo)向桿與中部連接，在齒輪齒條的帶動(dòng)下可以分別相對(duì)于中部作伸縮運(yùn)動(dòng)。三部分都有各自的電磁吸附裝置，同一時(shí)刻有兩部分吸附，另一部分運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)方式如圖1(c)所示。但是由于該機(jī)器人沒有垂直于前進(jìn)方向的自由度，電磁鐵部分又沒有抬升機(jī)構(gòu)，該機(jī)器人只能在平坦的表面上移動(dòng)，不具有越障功能。

圖1 班戈大學(xué)的攀爬電力鐵塔機(jī)器人

以色列艾瑞爾中心大學(xué)（Ariel University Center）的K&CG實(shí)驗(yàn)室（Kinematics &Computational Geometry multidisciplinary laboratory）研制的電磁吸附式爬鐵塔機(jī)器人如圖2所示[5]，采用連桿結(jié)構(gòu)形式，共有八個(gè)自由度，具有越障功能。

圖2 艾瑞爾中心大學(xué)的爬鐵塔機(jī)器人

1.3 步進(jìn)式攀爬機(jī)構(gòu)

西班牙馬德里的卡洛斯三世大學(xué)研制的ROMA攀爬機(jī)器人[6]就是一款典型的擁有步進(jìn)式攀爬機(jī)構(gòu)的3D復(fù)雜梁架環(huán)境攀爬機(jī)器人如圖3所示。

圖3 ROMA攀爬機(jī)器人

該機(jī)器人是根據(jù)蠕蟲移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理而設(shè)計(jì)的，主要包括三部分如圖3所示：

1）機(jī)器人的主體。包括CPU，伺服多軸控制板，一個(gè)伺服發(fā)動(dòng)機(jī)放大器（驅(qū)動(dòng)器），電池，與地面操作系統(tǒng)通信的無線電波以太網(wǎng)，和輔助性的電子學(xué)，如多路技術(shù)系統(tǒng)；

2）運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由裝在機(jī)器人本體上的兩只爪子組成，實(shí)現(xiàn)其與要攀爬對(duì)象的攀附和分離，它們由交流電機(jī)和諧波驅(qū)動(dòng)減速器驅(qū)動(dòng)，這使得機(jī)器人能夠沿著復(fù)雜結(jié)構(gòu)做3D運(yùn)動(dòng)；

3）傳感器平臺(tái)主要基于攝像機(jī)和激光測(cè)距儀，用來進(jìn)行檢測(cè)操作和機(jī)器人導(dǎo)航。

該機(jī)器人共有八個(gè)自由度，四個(gè)用來控制兩爪子的運(yùn)動(dòng)和方向，兩個(gè)用來張開和閉合爪子，一個(gè)控制爪子的旋轉(zhuǎn)，一個(gè)用來延伸本體，它既可以沿著梁或桁架做1D運(yùn)動(dòng)(圖4.b)，也可以在兩個(gè)呈一定角度的位面間做2D運(yùn)動(dòng) (圖4.c和4.d)，還可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境中從一個(gè)平面到其他平面的3D運(yùn)動(dòng) (圖4.e)。1D環(huán)境中挪動(dòng)時(shí)，機(jī)器人的前爪抬起，本體伸長(zhǎng)后前爪再抓緊，然后后爪抬起，本體收縮后后爪再抓緊；2D運(yùn)動(dòng)是在1D運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上增加本體和爪子的抬升和方向運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的；復(fù)雜的3D運(yùn)動(dòng)時(shí)則是由全部的單獨(dú)運(yùn)動(dòng)配合來實(shí)現(xiàn)，包括爪子的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

該機(jī)器人有非常巧妙的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，允許其在復(fù)雜環(huán)境中做各種運(yùn)動(dòng)和自由行走，并且安全級(jí)別較高。但它的運(yùn)行環(huán)境仍然比較規(guī)則，通常為梁或柱結(jié)構(gòu)的組合，仍很難適應(yīng)電力鐵塔的角鋼結(jié)構(gòu)；并且采用兩爪結(jié)構(gòu)，對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的要求很高，機(jī)器人整體移動(dòng)速度太慢，無法在實(shí)際中的鐵塔檢測(cè)任務(wù)中使用。

1.4 蠕動(dòng)跨越式移動(dòng)機(jī)構(gòu)

國(guó)內(nèi)在這方面的研究還極少,由哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所研制的管外移動(dòng)機(jī)器人[7,8]采用蠕動(dòng)跨越式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)在1D、2D梁架環(huán)境下做各種運(yùn)動(dòng)。

該機(jī)器人具有很好的越障功能，可越過凸臺(tái)等障礙，也可用于2D環(huán)境如L型或T型管道的檢測(cè)。如圖5.a所示，機(jī)器人機(jī)構(gòu)由手爪(1、2)、轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)(3、4)和移動(dòng)關(guān)節(jié)(5)所組成。機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)都由一個(gè)電機(jī)通過減速裝置驅(qū)動(dòng)，手爪采用對(duì)稱形結(jié)構(gòu)。

直線行走時(shí)(設(shè)向左走)，如圖5.b所示，一個(gè)手爪(2)抓緊，手爪(1)松開后驅(qū)動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)(5)；之后手爪(1)抓緊管道，手爪(2)松開后驅(qū)動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)(5), 就前進(jìn)一步；重夏上述過程即可實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)。遇到凸臺(tái)時(shí)，如(圖5.c)所示，手爪(1)握住管道，松開手爪(2)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(3)旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(4)旋轉(zhuǎn)180o，使手爪(2)握住管道；再令手爪(2)抓緊手爪(1)松開，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(4)旋轉(zhuǎn)并驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(3)旋轉(zhuǎn)180o，使手爪(1)抓住管道即實(shí)現(xiàn)越過凸臺(tái)。遇到型L、T型管道時(shí)，如(圖(5).d)所示，手爪(1)握住管道，松開手爪(2)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(3)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(4)旋轉(zhuǎn)所需角度，讓手爪(2)抓緊豎直管道；再松開手爪(1)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(4)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)(3)旋轉(zhuǎn)所需角度，使手爪(1)抓住管道即完成翻越。

該種機(jī)器人具備越障能力，但對(duì)鐵塔鋼架的適應(yīng)能力、承載能力較差，同時(shí)只能在1D和2D環(huán)境中應(yīng)用，在鐵塔的復(fù)雜3D環(huán)境中難以應(yīng)用。

2 攀爬電力鐵塔機(jī)器人爬行方案設(shè)計(jì)[9]

在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外攀爬電力鐵塔機(jī)器人爬行機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過借鑒他們比較成熟的機(jī)構(gòu)，我們已經(jīng)成功設(shè)計(jì)、裝配出了3代不同攀爬原理的攀爬電力鐵塔機(jī)器人物理樣機(jī)，并在試驗(yàn)鐵塔上取得了成功，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。結(jié)合這三代物理樣機(jī)在試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題，在進(jìn)一步分析國(guó)內(nèi)外攀爬電力鐵塔機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合實(shí)際的基礎(chǔ)上，提出了以下兩種設(shè)計(jì)方案。

2.1 攀援式攀爬機(jī)構(gòu)

攀援式攀爬機(jī)器人像肢節(jié)動(dòng)物一樣，有可以靈活運(yùn)用的手，能用四只爪子抓牢鋼架，像黑猩猩那樣去攀爬鐵塔。

圖6 攀援式攀爬機(jī)構(gòu)

該類人機(jī)器人沒有任何用于把其本體固定于鐵塔上的特殊結(jié)構(gòu)，而是像人一樣用爪子把其自身固定在鐵塔上。該機(jī)器人有16個(gè)自由度，四只手臂，手臂末端各安裝一V型爪子，當(dāng)其中的三個(gè)爪子抓緊鐵塔鋼架的時(shí)候，另外一只手臂做伸縮運(yùn)動(dòng)探找新的著腳點(diǎn)，四只手臂依序交替運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人本體的運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人攀爬電力鐵塔的步態(tài)如下(如圖6所示)：

1）上部的兩只爪子抓住上面對(duì)稱的兩個(gè)鋼架，同理下部也是如此。機(jī)器人可以牢固的將自己固定在鐵塔上。

2）釋放上部的其中一只爪子去抓取另一只鋼架。

3）釋放上部的另外一只爪子抓取對(duì)稱的鋼架。

4）下部的兩只爪子同樣以上部?jī)芍蛔ψ拥倪\(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

5）四只手臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)本體的移動(dòng)。

2.2 仿人手臂攀爬機(jī)構(gòu)

結(jié)合樹獺、黑猩猩和尺蠖攀爬的仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)出串聯(lián)的包括七個(gè)節(jié)點(diǎn)單元和兩端各有一雙“V”字型爪子的仿人手臂攀爬電力鐵塔機(jī)器人如圖7所示。

圖7 仿人手臂攀爬機(jī)構(gòu)

該機(jī)器人結(jié)構(gòu)近乎對(duì)稱，連桿3、4、5、6由金屬制圓筒構(gòu)成，且分別有一旋轉(zhuǎn)接點(diǎn)7、8、9、10，這四個(gè)旋轉(zhuǎn)接點(diǎn)將金屬圓筒分為兩部分，內(nèi)置在圓筒中接點(diǎn)處的電機(jī)作用使兩部分在節(jié)點(diǎn)處可實(shí)現(xiàn)任意角度相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)11、12、13也有電機(jī)作用使兩個(gè)連桿在0—330角度范圍內(nèi)做相對(duì)旋轉(zhuǎn)動(dòng)作。我們知道一個(gè)控制結(jié)構(gòu)如果有六個(gè)自由度就可以到達(dá)其在三維空間的任何地方，該攀爬機(jī)構(gòu)共有七個(gè)旋轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)單元，九個(gè)自由度，原理上可以接觸到電力鐵塔的任何部位，較好的實(shí)現(xiàn)越障功能，實(shí)現(xiàn)全面、詳細(xì)檢測(cè)。針對(duì)L型鐵塔鋼架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙“V”字型爪子1、2，這在設(shè)計(jì)上是一個(gè)難點(diǎn)，必須保證爪子牢固地抓緊鐵塔的鋼架結(jié)構(gòu)并保持機(jī)器人的平衡。機(jī)器人由此七個(gè)連接單元和兩個(gè)爪子單元組成，模塊化的構(gòu)成不但會(huì)減少設(shè)計(jì)、制造和維修的成本，而且我們可以容易的由這些連接單元組成具有任意數(shù)量自由度和其他結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。

3 攀爬電力鐵塔機(jī)器人爬行方案的確定

由以上設(shè)計(jì)的兩種爬行機(jī)構(gòu)可知，攀援式攀爬機(jī)構(gòu)有16個(gè)自由度，四只手臂有三只總是同時(shí)固定，可以保證本體的穩(wěn)定性，具備越障能力，對(duì)鐵塔鋼架的承載能力較強(qiáng)。仿人手臂攀爬機(jī)構(gòu)靈巧度高，他的移動(dòng)爪子可以接觸到3D工作空間的任何機(jī)構(gòu)，允許其在復(fù)雜環(huán)境中做各種運(yùn)動(dòng)和自由行走，可以滿足攀爬和操作功能；緊密性好，緊湊嬌小的結(jié)構(gòu)對(duì)于避免機(jī)器人和環(huán)境之間的碰撞是有好處的；重量輕。

比較兩種爬行機(jī)構(gòu)知攀援式攀爬機(jī)構(gòu)其體積大，對(duì)四只手臂的協(xié)調(diào)性要求較高，對(duì)鐵塔鋼架的適應(yīng)能力較差，同時(shí)復(fù)雜的鐵塔鋼架結(jié)構(gòu)使其路徑規(guī)劃和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都較為復(fù)雜，同時(shí)在靈巧度及輕重量方面都不如仿人手臂攀爬機(jī)構(gòu)。所以，確定仿人手臂攀爬機(jī)構(gòu)為最終方案。

4 攀爬電力鐵塔機(jī)器人基于 SolidWorks的三維實(shí)體建模和基于ADAMS的虛擬仿真

在確定了攀爬電力鐵塔機(jī)器人整體方案的前提下，在SolidWorks平臺(tái)上進(jìn)行了零件圖、子裝配圖、總裝圖的仿真設(shè)計(jì)與裝配，建立起了設(shè)計(jì)方案的三維實(shí)體模型，然后，將其導(dǎo)入ADAMS軟件中，進(jìn)一步建立起虛擬樣機(jī)仿真模型，并對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)方面的仿真與分析。仿真結(jié)果顯示，該攀爬機(jī)器人能很好的完成攀爬越障動(dòng)作，運(yùn)行穩(wěn)定，證明了該設(shè)計(jì)方案的可行性。

5 結(jié)論

以上通過分析、比較幾種爬行結(jié)構(gòu)，結(jié)合攀爬電力鐵塔機(jī)器人的性能要求及工作環(huán)境確定了一種攀爬電力鐵塔機(jī)器人的爬行方案。通過在SolidWorks平臺(tái)上的三維建模，在ADAMS軟件中的虛擬仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。攀爬電力鐵塔機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及到機(jī)構(gòu)、控制、通信、定位系統(tǒng)、可動(dòng)平臺(tái)上傳感器的融合、電源等多個(gè)領(lǐng)域。爬行方案的確定，是該項(xiàng)目研制的基礎(chǔ)。從樣機(jī)的試制，以至達(dá)到實(shí)用化的目標(biāo)，仍需做大量的研究工作。

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