一種架空輸電線(xiàn)路爬塔機(jī)器人及其上下桿塔方法

國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司輸電檢修分公司 毛 盾 鄒德華 劉蘭蘭 李 鵬 許文韜 喬明明

超特高壓輸電線(xiàn)路的檢修和運(yùn)行維護(hù)關(guān)系著電網(wǎng)供電的可靠性，電力鐵塔的呼高越來(lái)越高，部分已達(dá)70米以上，人工爬鐵塔體力消耗大，從而作業(yè)危險(xiǎn)性增高，有必要通過(guò)機(jī)器人輔助高空作業(yè)人員完成爬塔工作。上世紀(jì)90年代西班牙、以色列、英國(guó)等國(guó)及國(guó)內(nèi)部分大學(xué)開(kāi)展了爬塔機(jī)器人項(xiàng)目的研究，這些機(jī)器人按運(yùn)動(dòng)方式可大致分為夾持式、吸附式和蠕動(dòng)式，國(guó)外研發(fā)的電磁式吸附鐵塔機(jī)器人和國(guó)內(nèi)研發(fā)的具有機(jī)械臂和夾持爪的夾持式機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中都取得了較好的效果。這些機(jī)器人具有自由度高、靈活性好、能適應(yīng)多種鐵塔或桿塔環(huán)境的優(yōu)點(diǎn)，但也有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、活動(dòng)空間大、保養(yǎng)維護(hù)不方便等缺點(diǎn)[1]。

1 爬塔機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境描述

輸電線(xiàn)路鐵塔按形狀一般分為酒杯型、貓頭型、上字型、干字型和桶型五種，按用途分有耐張塔、直線(xiàn)塔、轉(zhuǎn)角塔、換位塔（更換導(dǎo)線(xiàn)相位位置塔）、終端塔和跨越塔等。整個(gè)鐵塔主要由塔頭、塔身和塔腿三大部分組成，酒杯型塔或貓頭型塔頸部以上為塔頭部分，一般將與基礎(chǔ)連接的那段桁架稱(chēng)為塔腿，兩者之間的稱(chēng)為塔身[2]。

輸電線(xiàn)路的鐵塔普遍較高，工作人員在攀登鐵塔作業(yè)過(guò)程若沒(méi)有有效的裝置保護(hù)，時(shí)時(shí)存在著高出墜落的危險(xiǎn)，Q/GDW 1799.2-2013《國(guó)家電網(wǎng)公司電力安全工作規(guī)程線(xiàn)路部分》中明確規(guī)定：鋼管桿塔、30m以上桿塔和220kV及以上線(xiàn)路桿塔宜設(shè)置工作人員上下桿塔和桿塔水平移動(dòng)的防墜安全保護(hù)裝置。目前普遍使用的安全保護(hù)裝置為軌道式攀登鐵塔防墜落裝置，但其存在一些缺點(diǎn)：軌道銹蝕出現(xiàn)卡阻、防墜軌道模塊廠家型號(hào)不統(tǒng)一、防墜軌道因安裝工藝不到位常出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，對(duì)登高作業(yè)人員爬塔安全帶來(lái)一定的危險(xiǎn)[3]。

2 爬塔機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)作業(yè)任務(wù)的需求分析，本文所設(shè)計(jì)機(jī)器人需基本滿(mǎn)足上下攀爬功能、自鎖防墜功能和攜物提升功能。爬塔機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)根據(jù)功能需求劃分為基座設(shè)計(jì)、傳動(dòng)設(shè)計(jì)和防墜設(shè)計(jì)三部分組成，機(jī)器人的機(jī)械本體由防墜器、防墜牽繩卡、主推桿、微型推桿、電源、固定器、擺桿支撐座、上提桁架、下推桁架、穩(wěn)定扣、拉簧扣、止推桿和電磁剎車(chē)扣組成。按照日常檢修任務(wù)來(lái)劃分，機(jī)器人的工作模式主要分為上升模式、載人載物模式和下降模式，整個(gè)流程的走完才能算做一次工作任務(wù)的完成。

圖1 機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)圖

爬塔機(jī)器人的基座由固定器、電池盒、芯片盒、止推桿、壓緊螺栓、拉簧扣、穩(wěn)定扣、萬(wàn)向頭、8個(gè)側(cè)部滑輪及2個(gè)頂部滾輪聯(lián)接構(gòu)成，基座的主要作用是為傳動(dòng)裝置和防墜裝置提供一個(gè)可聯(lián)接且能穩(wěn)固的基座，同時(shí)可將整個(gè)機(jī)械裝置通過(guò)基座上的固定器扣在防墜導(dǎo)軌上。機(jī)械的基座由上下兩部分組成、依靠壓緊螺栓連接，壓緊螺栓可繞內(nèi)部軸旋轉(zhuǎn)，具有一個(gè)自由度。下半部分基座中的固定器內(nèi)置了芯片盒用來(lái)放置控制整個(gè)機(jī)械裝置的STM15的單片機(jī)，固定器內(nèi)部放置了側(cè)部滑輪和頂部滾輪使整個(gè)裝置減少了摩擦力，能在防墜導(dǎo)軌上滑動(dòng)。

在上固定器和下固定器之間使用一個(gè)由兩個(gè)三接頭組成的萬(wàn)向頭進(jìn)行一個(gè)軟連接，萬(wàn)向頭有上下和前后兩個(gè)自由度。萬(wàn)向頭和壓緊螺栓一起實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在遇到導(dǎo)軌錯(cuò)位或?qū)к壭澢那闆r下能沿軌道轉(zhuǎn)彎而不被卡住的功能?；纳习氩糠值闹雇茥U、拉簧扣、穩(wěn)定器三個(gè)結(jié)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)控制上提桁架傾斜角度的功能，通過(guò)控制上提桁架的角度來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械裝置上半部分的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。機(jī)器人的基座是整個(gè)機(jī)器人的骨架，基座聯(lián)接著傳動(dòng)和防墜兩個(gè)設(shè)計(jì)模塊，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的功能都需要在這骨架上操作。

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人傳動(dòng)裝置由4個(gè)電機(jī)和4個(gè)200N的主推桿結(jié)合的液壓式電動(dòng)推桿以及上提桁架和下推桁架組成，廉價(jià)且有效的解決了機(jī)器人在攀爬鐵塔時(shí)抓取不牢固的問(wèn)題。由于鐵塔的防墜導(dǎo)軌便面比較光滑，機(jī)器人在攀附在鐵塔上運(yùn)動(dòng)上爬時(shí)需要“抓”住導(dǎo)軌，如果采用機(jī)械臂抓住導(dǎo)軌或者用電磁鐵吸附在導(dǎo)軌這幾種方案，這無(wú)疑增加了設(shè)計(jì)的成本。

上下兩個(gè)桁架的在軌道上運(yùn)行時(shí)受推桿的推力或拉力作用下會(huì)產(chǎn)生兩種方向不同的傾斜角。由于傾斜方向的不同，桁架底部與導(dǎo)軌的接觸的點(diǎn)也不一樣，并且金屬材料的接觸面會(huì)在潮濕的環(huán)境下容易打滑，所以在設(shè)計(jì)中人為的將桁架的A面變的粗糙而B(niǎo)面打磨光滑。桁架當(dāng)A面接觸到導(dǎo)軌時(shí)處于卡死狀態(tài)，在B面接觸到導(dǎo)軌時(shí)處于移動(dòng)狀態(tài)。上下兩個(gè)桁架在推桿推動(dòng)或者縮回兩種工作方式下只會(huì)一個(gè)卡死，另一個(gè)可移動(dòng)，且隨著推桿的工作方式交替改變兩個(gè)桁架的狀態(tài)也會(huì)相互交替轉(zhuǎn)換。機(jī)器人的傳動(dòng)設(shè)計(jì)是機(jī)器人的四肢，傳動(dòng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性的好壞決定著機(jī)器人爬升的速度和安全。

機(jī)器人的工作任務(wù)除了攀爬鐵塔之外，還需要攜帶檢修物資或者設(shè)備上塔。機(jī)器人的防墜裝置設(shè)計(jì)由微型推桿、防墜牽繩卡、彈力扣和電磁剎車(chē)扣組成。為了提高機(jī)械裝置防墜功能的可靠性，需要配置兩種不同的防墜方法，一種是依靠機(jī)械裝置設(shè)計(jì)的載物自鎖防墜，另一種是在機(jī)器人下降時(shí)防止它自由降落的電磁剎車(chē)防墜。微型推桿與防墜牽繩卡之間用推桿固定軸連接，通過(guò)微型推桿控制防墜牽繩卡的旋轉(zhuǎn)角度。防墜牽繩卡的頂部有牽繩拉環(huán)，底部有一段鋸齒邊緣。

牽繩拉環(huán)套著牽引繩實(shí)現(xiàn)載物的功能。牽繩拉環(huán)在載物時(shí)，拉動(dòng)整個(gè)防墜牽繩卡的下部鋸齒邊緣與導(dǎo)軌接觸，隨著拉力的增大，使得鋸齒邊緣與導(dǎo)軌之間形成的摩擦力增大，實(shí)現(xiàn)自鎖防墜的功能。電磁剎車(chē)扣內(nèi)的電磁鐵在通電后吸附在軌道表面，實(shí)現(xiàn)下降時(shí)的剎車(chē)防墜。通過(guò)兩種防墜，增加了機(jī)器運(yùn)作時(shí)的安全可靠性。防墜裝置的設(shè)計(jì)有效的解決了物品上下塔的安全問(wèn)題，保證了物資上下塔的安全性也為檢修人員節(jié)約了體力，方便了檢修的工作。

機(jī)器人全身材料采用鋁結(jié)構(gòu)，除了價(jià)格便宜和整體有較強(qiáng)的硬度等優(yōu)點(diǎn)之外還可適當(dāng)?shù)臏p輕機(jī)身的重量，其重量與其他類(lèi)型的爬塔機(jī)器人相比僅有5公斤左右。除了機(jī)身的鋁結(jié)構(gòu)外，整個(gè)機(jī)身還配備了4個(gè)液壓式200N電動(dòng)推桿和電池。每個(gè)電動(dòng)推桿自帶一個(gè)電機(jī)，電動(dòng)推桿材質(zhì)使用鋁合金和鋅合金，電動(dòng)推桿的電機(jī)采用的有刷直流電機(jī)，可接12V的直流電壓，輸出5V的電流，額定功率36W～60W,工作時(shí)能耐受-25～+75℃的外部溫度。推桿內(nèi)部?jī)深^各有一個(gè)行程限位開(kāi)關(guān)，伸縮桿運(yùn)行到底或者到頂后都會(huì)自動(dòng)斷電，保護(hù)電機(jī)達(dá)到行程時(shí)不會(huì)空轉(zhuǎn)而燒機(jī)。

推桿工作時(shí)無(wú)信號(hào)輸出，無(wú)法旋轉(zhuǎn)，無(wú)法知道伸出的尺寸，但在任意位置且切斷電源運(yùn)動(dòng)都會(huì)停止，斷電后因推桿內(nèi)部具有自鎖所以不會(huì)出現(xiàn)斷電下滑。機(jī)械裝置內(nèi)部配備了12V的電池，電池可供機(jī)器人空載爬升3小時(shí)。機(jī)器人爬升運(yùn)動(dòng)速度為6～8m/min,裝置的最大荷載重量20kg，在最大負(fù)載狀態(tài)下可持續(xù)工作1h。機(jī)械裝置的整體性能基本滿(mǎn)足日常檢修維護(hù)工作的要求。

3 爬塔機(jī)器人的工作模式

機(jī)器人的工作模式主要分為三種，按照日常檢修任務(wù)來(lái)劃分，分別是上升模式、載人載物模式和下降模式。整個(gè)流程的走完才能算做一次工作任務(wù)的完成。

在上升模式中，機(jī)器人的4個(gè)推桿是同時(shí)推動(dòng)和同縮回的。當(dāng)它放置在防墜導(dǎo)軌上時(shí)，通過(guò)上下推桿同時(shí)推動(dòng)上下桁架，下推桁架在推動(dòng)過(guò)程中受到推桿向下的力處于卡死狀態(tài)，上提桁架在推動(dòng)過(guò)程中受到向上的推力處于移動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)整個(gè)推動(dòng)過(guò)程中由于下推桁架卡死不動(dòng)、上提桁架可以移動(dòng)，整個(gè)爬塔機(jī)器人以下推桁架為固定支點(diǎn)帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械上爬。

當(dāng)推桿推到一定的限度時(shí)，整個(gè)裝置進(jìn)入縮回狀態(tài)。此時(shí)下推桁架受到推桿的向上的拉力改變?yōu)橐苿?dòng)狀態(tài)，上提桁架受到推桿向下的拉力改變?yōu)榭ㄋ罓顟B(tài)。此時(shí)整個(gè)拉過(guò)程中由于下推桁架可以移動(dòng)，上提桁架卡死不動(dòng)，整個(gè)機(jī)器人以上提桁架為固定支點(diǎn)，通過(guò)推桿的拉縮從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)械上爬。因桁架要進(jìn)入卡死狀態(tài)須有傾斜角度，如主推桿完全收回、桁架會(huì)垂直于導(dǎo)軌平面，所以主推桿不能完全縮回。機(jī)械裝置的持續(xù)爬升是依靠主推桿不斷進(jìn)入推拉的循環(huán)過(guò)程而實(shí)現(xiàn)的。

在載人載物模式中，當(dāng)機(jī)器人爬升到指定的高度后需完成載物的工作任務(wù)，在進(jìn)行大重量載物過(guò)程中，需有防墜功能來(lái)保護(hù)工作人員的生命安全和公司的物資財(cái)產(chǎn)。機(jī)械進(jìn)入自鎖防墜模式，需下方工作人員通過(guò)遙控器控制機(jī)械裝置中的微型推桿推動(dòng)防墜牽繩卡繞微型推桿固定軸旋轉(zhuǎn)，使得防墜牽繩卡下方的鋸齒狀接觸面充分與導(dǎo)軌進(jìn)行接觸，產(chǎn)生一種能防止機(jī)械墜落的摩擦力。與此同時(shí)，攜帶的人或物在限定范圍內(nèi)的重量加大，會(huì)使得防墜牽繩卡底部的鋸齒狀接觸面對(duì)導(dǎo)軌的壓力增加，進(jìn)而摩擦力也增加，機(jī)械也能自適應(yīng)于攜帶物體重量的加大。

在下降模式中，當(dāng)機(jī)器人在鐵塔上完成工作任務(wù)后機(jī)器人進(jìn)入下降模式。在下降模式中機(jī)器人的電池對(duì)電磁鐵放電，電磁鐵通電后有一定的磁力吸附在導(dǎo)軌上，整個(gè)裝置在磁力的作用下產(chǎn)生向上的摩擦力克服了自身向下的重力，同時(shí)完全收回四根主推桿和微型推桿，并合上防墜牽繩卡的彈力扣。防墜牽繩卡的彈力扣主要是為了在人工拉動(dòng)牽引繩下降時(shí)能卡住牽繩卡不使它旋轉(zhuǎn)，從而避免裝置進(jìn)入自鎖狀態(tài)。此時(shí)上下推桁架均無(wú)傾斜角度可以移動(dòng)，機(jī)械裝置完成相應(yīng)的操作后，下方工作人員拉動(dòng)牽引繩，在外力的作用下拉動(dòng)整個(gè)機(jī)械裝置從防墜導(dǎo)軌上下降。

機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)整體流程：工作人員將樣機(jī)取下，在上塔人員準(zhǔn)備上塔時(shí)，塔下人員安裝上電池后把機(jī)器人架在導(dǎo)軌上，再打開(kāi)電磁鐵吸住導(dǎo)軌防墜；塔下人員檢測(cè)4個(gè)主推桿和微型推桿是否能正常工作，檢測(cè)樣機(jī)的攀爬步態(tài)是否正常；關(guān)閉電磁鐵、掛上牽引繩，攜帶一定質(zhì)量的重物做抗沖擊實(shí)驗(yàn)。完成抗沖擊實(shí)驗(yàn)后上塔人員開(kāi)始爬塔，塔下人員控制機(jī)器人掛上檢修裝備載物上升；樣機(jī)完成載物后，合上彈力扣、打開(kāi)電磁鐵，人工拉下樣機(jī)，塔上人員下塔。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際作業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了所研制的爬塔機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期各項(xiàng)功能：

沿軌道爬升和下降功能：通過(guò)對(duì)主推桿的遠(yuǎn)程遙控，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在鐵塔軌道上的正常爬升和下降的作業(yè)功能。試驗(yàn)作業(yè)過(guò)程中可越過(guò)導(dǎo)軌上的腳釘?shù)穆菽福瑫r(shí)能規(guī)避鐵塔上面聯(lián)接的角鋼、障礙和角鋼上的缺陷。當(dāng)遇到彎曲的導(dǎo)軌時(shí)，也可順利依靠萬(wàn)向頭和壓緊螺栓的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，能適應(yīng)角鋼表面的誤差和形變，關(guān)鍵動(dòng)作也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)上的要求；防墜功能：機(jī)器人的電磁鐵可牢固吸附在導(dǎo)軌表面。防墜牽引繩的鋸齒邊緣也可適應(yīng)載物重量的加大。兩種防墜同時(shí)開(kāi)啟后能承受80kg左右的沖擊，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的防墜功能，保證了工作人員的生命安全和設(shè)備的財(cái)產(chǎn)安全。

載物功能：機(jī)器人通過(guò)牽引繩可以勻速、穩(wěn)定的將試驗(yàn)物品搭上指定位置。整個(gè)載物上升和下降過(guò)程沒(méi)有出現(xiàn)牽引繩晃蕩、機(jī)器人固定不牢及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)頓挫的現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的在鐵塔軌道上的載物功能；上下塔功能：在實(shí)際攀爬作業(yè)試驗(yàn)中，可通過(guò)塔上人員和塔下人員配合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的上下塔功能；人－機(jī)交互操作功能：機(jī)器人與地面通過(guò)遙控器采用無(wú)線(xiàn)遙控進(jìn)行通信，通信信號(hào)穩(wěn)定、控制可靠。當(dāng)機(jī)器人攀爬至頂后也能可靠地進(jìn)行遙控，實(shí)際效果滿(mǎn)足機(jī)器人的控制要求。