砍樹機器人的開發(fā)及應(yīng)用

蔡邱申

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東江門529000）

0 引言

目前，樹障管理是輸電運維工作中的重點問題，江門供電局轄區(qū)眾多線路跨越山地林區(qū)，線路范圍內(nèi)植物繁多。江門地處亞熱帶，氣候常年溫暖濕潤，植物生長速度快，桉樹、竹樹等高桿植物尤多。而線路范圍內(nèi)的高桿植物生長超過一定高度會對輸電線路的運行造成威脅，嚴(yán)重時會導(dǎo)致線路跳閘，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因此，如何解決樹障問題成為了輸電管理一所線路日常運維工作的一大難題。當(dāng)進行高桿植物砍伐時，由于樹木與帶電導(dǎo)線距離較小，再加上砍伐作業(yè)環(huán)境復(fù)雜多變，高桿植物與帶電導(dǎo)線的距離可能會小于安全距離，從而使得帶電導(dǎo)線對高桿植物進行放電，危及作業(yè)人員的生命安全。

1 清除樹障存在的問題

在輸電線路運維過程中，工作人員發(fā)現(xiàn)有樹木威脅電網(wǎng)安全，需對樹障進行清理時經(jīng)常遇到樹木的種植主人不允許整棵樹砍倒，只允許修剪樹尾和橫枝的情況。而現(xiàn)有修剪樹尾和橫枝的工作方法有以下3種：（1）高空斗車處理；（2）高枝油鋸或勾鐮處理；（3）爬梯登高處理。其中高空斗車處理樹障受地形條件影響，只適用于平坦處；高枝油鋸或勾鐮處理和爬梯登高處理作業(yè)高度有限，不方便且不全部適用。

2 確定課題

現(xiàn)研制一種砍樹機器人，應(yīng)用于日常輸電線路樹障砍伐，可攀爬樹木砍伐超過線路安全距離的枝干。相較于傳統(tǒng)人工砍樹，砍樹機器人一方面為作業(yè)人員節(jié)省了作業(yè)時間，降低了作業(yè)強度；另一方面可以從樹木的任意高度進行砍伐，保證線路安全運行。相較于傳統(tǒng)機械砍樹，砍樹機器人具有攜帶方便、操作簡單、適用范圍廣、減輕作業(yè)人員勞動強度等優(yōu)點，可用于山地等多種復(fù)雜地形。

3 砍樹機器人的設(shè)計

3.1 提出方案

據(jù)統(tǒng)計，輸電線路樹障多為桉樹，桉樹有以下幾個特點：樹木筆直，樹干從下往上呈現(xiàn)從粗到細(xì)的狀態(tài)，樹身的橫枝較少。鑒于此，設(shè)計的砍樹機器人需具備以下幾個特點：

（1）配備樹木分枝鋸，能夠清除上升階段的樹木分支；

（2）配備樹木砍伐鋸，能夠砍伐樹木；

（3）配備遠(yuǎn)程遙控裝置；

（4）制作電路板，控制電動機運行、停止；

（5）配備樹木倒向控制裝置，保障電網(wǎng)和人身安全；

（6）結(jié)構(gòu)強度需滿足上樹階段的動力需求；

（7）輪的耐磨性能應(yīng)能保障機器人完成上樹、下樹整個過程。

根據(jù)方案需求，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)思路，得出方案圖，如圖1所示。

圖1 方案圖

3.2 設(shè)計初步使用圖

使用AutoCAD畫出模型的三視圖，如圖2所示。

圖2 砍樹機器人主視圖、俯視圖及左視圖

3.3 技術(shù)原理

砍樹機器人由電路控制部分、機械部分、控制斷枝倒向部分組成。

（1）電路控制部分由動力部分及遙控部分組成。動力部分由24 V電池組成，驅(qū)動功率為500 W的電機，帶動主動輪運動；遙控部分采用藍(lán)牙遙控模塊，使用手機藍(lán)牙對機器人進行遠(yuǎn)程控制。

（2）機械部分由攀爬裝置和砍樹裝置組成。攀爬裝置由兩個動力輪及六個輔助輪組成，六個輔助輪分別固定在兩個可拆卸的圓形不銹鋼環(huán)上，動力輪固定在連接兩圓形不銹鋼環(huán)的直材上，使用過程中，將可拆卸的不銹鋼環(huán)拆分為兩個半圓環(huán)，利用彈簧使分開的兩個半圓環(huán)與樹干保持夾緊狀態(tài)，輪子與樹干形成銳角，啟動電機使機器人旋轉(zhuǎn)上升，上升階段通過控制動力輪的轉(zhuǎn)速來控制攀爬的速度和高度。砍樹裝置由兩把固定式往復(fù)鋸組成，豎鋸與樹干保持平行狀態(tài)并貼合樹干，用來修剪上升過程中的橫枝；橫鋸與樹干形成垂直狀態(tài)，用來對樹干進行砍伐。

（3）控制斷枝倒向部分由液壓頂及控制電路組成。液壓頂安置在機器人頂部，與樹木保持一定角度，鋸樹期間控制液壓頂，使液壓頂頂住被鋸樹干，進而控制斷落樹木倒下方向。

3.4 技術(shù)關(guān)鍵點

（1）電機驅(qū)動電源選用高密度可充電電池，電池容量為10 000 MAh，充滿電時間為4 h，連續(xù)作業(yè)可使用3 h。

（2）電池采用支架安裝固定，更換過程簡便，僅需5 min。

（3）機器人爬樹部分由八個輪組成，在安裝初期需要兩個不銹鋼圓環(huán)分開，夾在樹干兩側(cè)，由彈簧自動收縮固定，將八個輪與樹干緊貼，啟動電機。

（4）豎鋸與樹干保持平行狀態(tài)并貼合樹干，用來修剪上升過程中的樹干上橫枝，解決橫枝阻礙機器人爬升的問題。

（5）控制斷枝倒向部分的液壓頂頂住被鋸樹干，解決控制斷落樹木倒下方向的問題。

（6）遠(yuǎn)程控制部分采用藍(lán)牙遙控模塊，使用手機藍(lán)牙進行控制，有效距離100 m。

4 產(chǎn)生的效益

本項目成果效益明顯，利用新型砍樹裝置，提高了砍樹修枝作業(yè)的時間效率，給日?？硺涔ぷ鲙砹朔e極效益，符合人機功效原則。該成果可以在其他需要砍樹的專業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，一經(jīng)研發(fā)可批量投入使用，具備較佳的應(yīng)用價值和推廣意義。

（1）經(jīng)濟效益：每次作業(yè)減少人員數(shù)量3人，平均砍樹時間約1.45 h，操作人員時薪按60元/h計算，共減少費用約1.45×60×3=261元；每次作業(yè)減少操作人員工時約0.87 h，共減少操作人員工耗費約0.87×60×3=156.6元。

（2）安全效益：本項目取得了良好的安全效益，減少了作業(yè)人員工作量，通過避免砍樹作業(yè)人員與待砍伐的高桿植物直接接觸，降低了觸電風(fēng)險，減少了人身傷害，提高了安全系數(shù)，為工作人員創(chuàng)造了較為理想的工作環(huán)境，確保了人員與樹木、導(dǎo)線的安全距離。

（3）無形效益：該新型砍樹裝置使用了鋰電池，對環(huán)境無污染。使用新型砍樹裝置，大大縮短了處理樹障的時間，提高了供電可靠性，減少了工作步驟，從而縮短了作業(yè)總耗時，且操作簡單，有效提高了工作效率。

5 結(jié)語

砍樹機器人為員工在工作中對使用的工器具實現(xiàn)的創(chuàng)新，有效解決了砍樹作業(yè)準(zhǔn)備時間長、工作效率低以及容易造成人身傷害風(fēng)險等問題，達(dá)到了預(yù)期效果，為建設(shè)智能電網(wǎng)貢獻了一份力量。