一種登高裝置的結(jié)構(gòu)特性研究

何 宇 王 鑫 寇 璽 王 棟 李 陽 譚敏戈 姬曉成 劉紅苗 賀云龍 何睿瀅

（國網(wǎng)陜西省電力公司檢修公司，陜西 西安710065）

由于我國資源分布不均，電能的傳輸必須依靠特高壓輸電線路。因輸電線路一般都存在運行距離長跨越大,且其經(jīng)過的自然地形條件種類繁多,桿塔、金具與附屬設(shè)施長期隱蔽暴露在野外,因受到惡劣的自然環(huán)境及電網(wǎng)本身長期持續(xù)的機械張力、電氣線路閃絡(luò)、材料結(jié)構(gòu)老化的各種因素影響而對線路產(chǎn)生的斷股、磨損、腐蝕等的損傷,必須及時進(jìn)行巡視及檢查和修復(fù)。因此必須對各條輸電線路進(jìn)行定期的巡視進(jìn)行檢查, 隨時掌握和了解各條輸電線路的安全性和運行情況, 線路所受周圍環(huán)境的氣候變化影響情況,以便及時發(fā)現(xiàn)和消除隱患,預(yù)防了事故的再次發(fā)生,確保線路供電安全。

特高壓輸電線路由于高電壓等級以及高程大的桿塔，運維檢修人員登塔不僅費時而且費力，且存在觸電、墜落等安全隱患。而防墜落軌道是目前超高壓桿塔在桿塔組立時，為防止登塔人員意外墜落而沿塔腿設(shè)置的一種T 型鋼軌道。目前其作用僅為為登塔人員懸掛安全繩，加設(shè)一道保護(hù)，實現(xiàn)安全閉環(huán)保護(hù)，但仍不能減輕操作人員的工作強度，且存在工作人員桿塔攀爬過程中易在軌道上卡死等問題。

1 機器人的方案與結(jié)構(gòu)

1.1 機器人概述。根據(jù)特高壓輸電線路防墜軌道的結(jié)構(gòu)特征，以及巡線任務(wù)的要求，通過多種方案的可行性研究以及討論商量，對原型機進(jìn)行大量試驗，不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)與控制方案，最終完成了由行走裝置、聯(lián)接支架、動力系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)等組成的登高裝置的設(shè)計，其行走裝置采用橡膠皮帶底盤結(jié)構(gòu)、蜘蛛臂式的支撐結(jié)構(gòu)、雙副剪叉臂多處鉸接點的過約束配合剪叉臂等。該裝置整體結(jié)構(gòu)簡單可靠，泛用性強，并可實現(xiàn)遠(yuǎn)端遙控自行走。

1.2 工作原理。運用機器人視覺技術(shù)和遙感控制的途徑，最終登高裝置能夠沿著防墜軌道完成爬塔任務(wù)，通過本體所攜帶的可見光以及紅外攝像云臺對線路周圍環(huán)境進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄以及傳輸，最終完成輸電線路的巡檢工作。該裝置對輸電桿塔巡視的內(nèi)容有：能跨越防墜軌道與橫擔(dān)上的障礙物，實現(xiàn)在輸電桿塔的防墜軌道上完成豎直、水平以及轉(zhuǎn)彎等動作，直達(dá)工作任務(wù)地點進(jìn)行下一步巡檢任務(wù)。

如圖1 所示，由于地貌的復(fù)雜性，輸電桿塔都具有一定坡度，因此輸電桿塔上的防墜軌道也具有一定坡度，并且防墜軌道上還存在轉(zhuǎn)彎、連接器和小鐵等各種阻礙，因此登高裝置必須具有續(xù)航時間長、裝置總重低、結(jié)構(gòu)集成、工作靈活等特點，且需4～5 個自由度來實現(xiàn)各動作的完成，以完成預(yù)期的登塔及巡檢的目標(biāo)。

登高裝置利用防墜落軌道的T 型鋼結(jié)構(gòu)，在防墜落軌道的T 型材上通過直流電機控制，實現(xiàn)在防墜落軌道上運動。為了簡化裝置的結(jié)構(gòu)、減輕自重，同時其可以在防墜軌道上完成豎直、水平以及轉(zhuǎn)彎等動作，行走裝置設(shè)置2 個自由度，聯(lián)接支架設(shè)計2 個自由度，合計4 個自由度。

圖1 機器人工作環(huán)境

電機驅(qū)動是登高裝置的主要動力來源，它通過變速齒輪箱把動力傳輸?shù)窖b置的各個齒輪以及曲柄連桿，實現(xiàn)機器人完成相應(yīng)的動作。電機驅(qū)動是目前世界上應(yīng)用最廣泛的一種驅(qū)動方式，其主要分為直流伺服電機與步進(jìn)電機兩種不同的電機驅(qū)動模塊。

2 登高裝置的支撐研究

2.1 材料與通信模塊選擇。由于受到自身重力和負(fù)載的影響，從而會本裝置實際到達(dá)的位置與預(yù)定的位置之間存在偏差，這樣就會導(dǎo)致登高裝置在防墜軌道上完成轉(zhuǎn)彎動作后與實際軌道不匹配，從而導(dǎo)致無法進(jìn)行下一步的工作任務(wù)等。基于計算式Δx＝K×F 計算基于裝置自重和負(fù)載引起的關(guān)節(jié)角變形，其中Δx 表示所述關(guān)節(jié)角變形，K 表示關(guān)節(jié)剛度，F(xiàn) 表示自重和負(fù)載。在考慮自重與機構(gòu)轉(zhuǎn)角精度等因素，根據(jù)登高裝置在爬塔的過程中各實測位置對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修正。綜上所述，我們選用非金屬絕緣復(fù)合材料來制作登高裝置的機械結(jié)構(gòu)部分，該材料符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，保證外界對裝置的干擾盡可能降到最低，裝置擁有全量程精度高、穩(wěn)定性能強、一致性好、響應(yīng)速度快等特點，最終機器人的設(shè)計自重為20KG。

本裝置的無線發(fā)射接收電路主要利用nRF1024 與外圍器件構(gòu)成的電路組成，其主要部分是天線。簡而言之，就是一個特定形狀的導(dǎo)體，它可以將電流轉(zhuǎn)化為射頻能量并以電波形式發(fā)射出去，或?qū)o線電波接收進(jìn)來。任何一個無線系統(tǒng)都有天線，天線設(shè)計的好壞直接影響無線系統(tǒng)的收發(fā)能力。

本裝置中的無線數(shù)據(jù)傳輸主要由無線數(shù)據(jù)收發(fā)器nRF1024、STC51 單片機和顯示部分組成。nRF1024 收發(fā)器與單片機STC51 間通過SPI 口進(jìn)行通信。nRF1024 采用FSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)，頻道之間的轉(zhuǎn)換時間小于650μs，且該模塊集成度高，由一個完全集成的頻率調(diào)制器、一個帶解調(diào)器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調(diào)制器組成，工作頻率穩(wěn)定可靠，外圍元器件少，不需外加聲表濾波器。

2.2 機器人穩(wěn)定攀爬條件。通過壓緊使輪行走皮帶與防墜軌道緊貼，實現(xiàn)登高裝置抱緊防墜軌道以及在防墜軌道上完成下一步的動作，若裝置本體不發(fā)生墜落、機身不發(fā)生傾覆，說明登高裝置固緊在防墜軌道上了。接下來將對這兩種情況進(jìn)行力學(xué)分析。

2.2.1 裝置本體不發(fā)生滑落條件。裝置總重力為G，四個壓緊輪的壓力分別為Fp1、Fp2、Fp3、Fp4，壓緊輪和防墜軌道上的靜摩擦力分別為f1、f2、f3、f4，T 型側(cè)面軌道對壓緊輪的支持力分別為FN1、FN2、FN3、FN4。設(shè)壓緊輪與軌道的摩擦系數(shù)為μ，列出的平衡方程為：

列出裝置壓緊輪與防墜軌道產(chǎn)生的靜摩擦力與裝置總重力的平衡方程為：

聯(lián)合（1）式、（2）式，要使裝置不發(fā)生墜落需滿足：

2.2.2 裝置本體不發(fā)生傾覆條件。防墜軌道的軌面與裝置的質(zhì)心之間存在一小段距離，所以登高裝置在運動的過程中有傾覆的可能，要使得裝置總體穩(wěn)定，則應(yīng)滿足下列條件：

其中：h 為質(zhì)心M 與軌面的垂直距離。將（4）變形，可知FP1需滿足：

3 結(jié)論

登高裝置由行走裝置、聯(lián)接支架、動力系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)等組成，整體結(jié)構(gòu)簡單可靠，泛用性強，可設(shè)備端遙控自行走，在特殊惡劣天氣情況下不需要人員再登塔檢查作業(yè)，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)快速提高檢修效率，還可以大大提升檢修工作的安全可靠性。利用目前特高壓輸電線路已加裝的防墜落軌道，在惡劣天氣下仍可完成檢測任務(wù)，降低了人員登塔的風(fēng)險隱患，極大的減輕運維檢修人員對桿塔的運行巡視工作、及時發(fā)現(xiàn)隱患和缺陷位置，實現(xiàn)對智能電網(wǎng)輸電線路信息化、現(xiàn)代化的科學(xué)管理。