一種多功能電桿爬桿機(jī)器人的研制

樊三軍 盧興福 龍武藝

摘要：介紹了一種多功能爬桿機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研制過(guò)程，對(duì)爬桿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和組成進(jìn)行了詳細(xì)介紹，并介紹了多功能機(jī)器人研制過(guò)程中，遇到的主要問(wèn)題及相應(yīng)解決辦法。

關(guān)鍵詞：電桿爬桿;多功能機(jī)器人;工作平臺(tái)

0? 引言

在電力系統(tǒng)中，配網(wǎng)系統(tǒng)的水泥電桿使用量一直很大，配網(wǎng)的水泥電桿上的異物去除、缺陷的巡查、重物沿桿提升等工作越來(lái)越多，現(xiàn)目前還是采用人工向上攀爬的方式進(jìn)行操作，工作人員的工作量都比較大，勞動(dòng)強(qiáng)度高，工作效率還低下，存在重大的安全隱患，這是目前需要解決的問(wèn)題。

隨著傳感器技術(shù)、信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及人工智能等多學(xué)科的飛速發(fā)展，機(jī)器人代替人工去完成高重復(fù)性、低效率的工作已成必然趨勢(shì)[1]。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種多功能電桿爬桿機(jī)器人，通過(guò)控制機(jī)器人來(lái)完成上述水泥電桿上的異物去除、缺陷的巡查、重物沿桿提升等工作，具備帶電作業(yè)能力，能夠建立一個(gè)自動(dòng)控制工作平臺(tái)減少人工風(fēng)險(xiǎn)，減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度及提高工作效率，促進(jìn)作業(yè)規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化開(kāi)展，在電網(wǎng)危險(xiǎn)地方避免了人員傷害情況的發(fā)生[2]。

1爬桿機(jī)器人技術(shù)參數(shù)與控制思路

考慮到機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)的功能，結(jié)合工作實(shí)際場(chǎng)景，對(duì)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)做了以下規(guī)定：1、機(jī)器人的外形尺寸長(zhǎng)寬高都不超過(guò)1米，主機(jī)質(zhì)量不超過(guò)50公斤;2、為了完成機(jī)器人負(fù)重爬升安裝作業(yè)，要求其額定提升負(fù)重不低于100公斤，具有掉電防墜自鎖功能，且恢復(fù)供電后，仍然能繼續(xù)工作;4、具有爬升高度與爬升抱緊力、提升負(fù)載力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控;5、爬桿速度在1.5-3米/分鐘之間，爬桿高度為15米，電桿直徑為25-40厘米之間;6、機(jī)器人工作平臺(tái)可以安裝橫擔(dān)及自動(dòng)扳手機(jī)構(gòu)及相應(yīng)的電氣控制接口以及安裝X-Y雙軸機(jī)械臂+電動(dòng)夾持手指及相應(yīng)電氣控制接口。

機(jī)器人本體采用特殊鋁合金制成，具備剛度和韌性，通過(guò)螺母鎖緊裝置固定在電桿上。機(jī)器人的移動(dòng)由控制裝置操縱驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)導(dǎo)輪滾動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)制定位置時(shí)，螺母鎖緊裝置再次將機(jī)器人固定在電桿上。當(dāng)需要進(jìn)行相關(guān)作業(yè)時(shí)，由控制裝置操作機(jī)械臂或者其他自動(dòng)裝置完成。所有操作都通過(guò)相應(yīng)傳感器來(lái)感知定位，機(jī)器人工作依靠工作人員在電桿附近通過(guò)平板遙控操作，可通過(guò)視頻接口查看相應(yīng)操作過(guò)程。由于本機(jī)器人具備負(fù)重、安裝及多重功能，因此本機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度不宜設(shè)置太快，且結(jié)構(gòu)設(shè)置上不能翻越障礙（電桿連接頭除外）。

2爬桿機(jī)器人的組成

我們把整個(gè)機(jī)器人分成四個(gè)功能部分：一是固定系統(tǒng)，確保設(shè)備能固定在電桿上;二是升降系統(tǒng)，使得設(shè)備在電桿上移動(dòng);三是智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間交流、控制，操作設(shè)備;四是功能布置平臺(tái)，安裝機(jī)械臂，并配有攝像頭。

2.1固定系統(tǒng)

固定系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)器人的基礎(chǔ)部件，確保設(shè)備能固定在電桿上，不會(huì)滑動(dòng)或者跌落，由支撐裝置和夾緊裝置組成。支撐裝置包括功能平臺(tái)和支撐平臺(tái)，功能平臺(tái)位于支撐平臺(tái)的上方并通過(guò)六根轉(zhuǎn)軸活動(dòng)連接，轉(zhuǎn)軸頂端固定連接在功能平臺(tái)的底部，在轉(zhuǎn)軸的下部設(shè)有軸套，通過(guò)軸套上的凹槽卡接在支撐平臺(tái)的弧形孔上，支撐平臺(tái)的下方安裝功能平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。夾緊裝置包括下支撐平臺(tái)和對(duì)稱(chēng)的兩塊夾板，下支撐平臺(tái)通過(guò)導(dǎo)向裝置和驅(qū)動(dòng)裝置固定連接有可相向滑動(dòng)的兩塊夾板，夾板上固定連接有相互垂直的兩個(gè)裝有滑軌的固定支架。支撐平臺(tái)上的夾緊電機(jī)啟動(dòng)后，帶動(dòng)下層的絲桿旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使相對(duì)的兩個(gè)螺紋套夾緊，機(jī)器人就固定在了電桿上。

2.2升降系統(tǒng)

升降系統(tǒng)包括提升電機(jī)和絲桿，提升電機(jī)固定連接在支撐平臺(tái)上，通過(guò)聯(lián)軸器與絲桿連接。機(jī)器人固定在電桿上后，操作控制裝置爬升指令后，夾緊電機(jī)帶動(dòng)下夾板和絲桿旋轉(zhuǎn)，通過(guò)壓力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)設(shè)定的夾緊力，當(dāng)夾緊力檢測(cè)可靠后，驅(qū)動(dòng)提升電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)底端的下支撐平臺(tái)和頂端的支撐平臺(tái)向上移動(dòng)，達(dá)到設(shè)定的運(yùn)動(dòng)位移值后停止。這時(shí)啟動(dòng)底部的夾緊電機(jī)，當(dāng)夾緊力檢測(cè)可靠后，中部的夾緊電機(jī)反轉(zhuǎn)打開(kāi)夾緊裝置，再啟動(dòng)提升電機(jī)正轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)中部的夾緊裝置向上移動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到設(shè)定值后停止。如此反復(fù)運(yùn)動(dòng)直至機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到指定的高度，實(shí)現(xiàn)爬升功能。當(dāng)需要將機(jī)器人下落時(shí)，操作控制裝置，反向運(yùn)動(dòng)模式即可實(shí)現(xiàn)下降功能。

2.3智能系統(tǒng)

智能系統(tǒng)由PLC控制器、觸摸屏控制裝置、拉壓力變送器、激光位移傳感器等組成。通過(guò)PLC控制器完成主程序編輯，設(shè)定機(jī)器人移動(dòng)方式，并確定步幅。觸摸屏控制裝置主要完成對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)控制以及發(fā)送停止指令，并操作功能布置平臺(tái)上的機(jī)器臂完成異物去除、缺陷的巡查、重物沿桿提升等工作，也可操作其它自動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)檢修、攝像等功能。機(jī)器人的移動(dòng)需要借助拉壓力傳感器來(lái)確定機(jī)器人本體是否固定好，在經(jīng)過(guò)控制器確認(rèn)后才執(zhí)行下一步操作。激光位移傳感器主要感知機(jī)器人移動(dòng)的步幅和距離，起到機(jī)器人定位的作用。

2.4功能布置平臺(tái)

功能平臺(tái)位于支撐平臺(tái)的上方，由機(jī)械臂、重物托舉機(jī)構(gòu)和攝像頭等組成。機(jī)械臂可夾持直流電動(dòng)扳手，完成相應(yīng)的安裝拆卸工作。托舉機(jī)構(gòu)具備夾持常規(guī)金具功能，可調(diào)節(jié)夾持寬度。攝像頭為無(wú)線高清特制攝像頭，并配備有視頻接受裝置，可以操縱攝像頭對(duì)桿上情況進(jìn)行觀察，方便做出及時(shí)判斷與操作。

3機(jī)器人研發(fā)過(guò)程主要問(wèn)題及解決方法

在多功能電桿爬桿機(jī)器人研制過(guò)程中，遇到的主要問(wèn)題及相應(yīng)解決辦法如下：

1、如何防止機(jī)器人在電桿上滑動(dòng)。當(dāng)夾緊電機(jī)開(kāi)始工作時(shí)，夾緊電機(jī)的軸與絲桿連接并固定在下支撐平臺(tái)上，采用絲桿上活動(dòng)連接對(duì)稱(chēng)的相配合的兩個(gè)螺紋套，螺紋套與固定座固定連接，螺紋套上安裝壓力傳感器。夾板的側(cè)邊設(shè)有V型缺口，在V型缺口的側(cè)邊上固定連接有夾板墊。在夾緊裝置定位在電桿上時(shí)，通過(guò)四塊夾板墊固定定位在電桿上，防止滑動(dòng)。

2、如何確保機(jī)器人移動(dòng)中的安全。在提升軸絲牙套上安裝壓力傳感器，可以監(jiān)測(cè)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中異物導(dǎo)致的阻力，當(dāng)阻力達(dá)到設(shè)定的值后做到適時(shí)停機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的保護(hù)。且若夾緊壓力不夠時(shí)，下步幅不會(huì)動(dòng)作。

3、當(dāng)需要變換方位時(shí)，功能布置平臺(tái)如何配合。功能布置平臺(tái)通過(guò)六根轉(zhuǎn)軸與支撐平臺(tái)活動(dòng)連接，且能沿支撐平臺(tái)作相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)需要功能平臺(tái)作一定角度旋轉(zhuǎn)時(shí)，操作控制裝置，驅(qū)動(dòng)功能平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，在齒輪的配合下，實(shí)現(xiàn)功能平臺(tái)的角度旋轉(zhuǎn)位移，來(lái)滿足不同角度的需要。

4結(jié)語(yǔ)

本機(jī)器人采用仿生學(xué)原理，通過(guò)機(jī)械裝置和智能控制系統(tǒng)，以直流電源作為動(dòng)力，以步幅的形式實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的登高，兼顧智能化與實(shí)用化，性價(jià)比高，易于操作、學(xué)習(xí)，競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)。登桿的速度為1-3米/分鐘可調(diào)，滿足目前無(wú)障礙物的配網(wǎng)系統(tǒng)水泥桿上作業(yè)要求，通過(guò)更換功能平臺(tái)上的工裝，滿足不同工作的需要，在農(nóng)網(wǎng)的升級(jí)改造中，帶電故障處理等方面有廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)在參加2018國(guó)資委舉辦的熠星創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中得到一致好評(píng)。

參考文獻(xiàn)

[1]原魁，李園，房立新.多移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)研究發(fā)展近況[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2007，33（8）： 785-794.

[2]柴作鴻.多功能巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 天津：天津工業(yè)大學(xué)大學(xué)，2019.