拆線機器人的輪式爬線機構(gòu)及頂升裝置設計

段家振，黃 勃，史如新，劉洪濤，樊衛(wèi)華

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 常州供電分公司，江蘇 常州 213003; 2.南京理工大學 自動化學院，南京 210094)

0 引言

隨著我國的電力建設飛速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模已上升至世界首位，目前電網(wǎng)建設的投入仍保持著較高增長速度。在新輸電線路投入建設和使用的同時，國內(nèi)電網(wǎng)還存在著數(shù)量巨大的老舊線路，這些線路或因用電需求的增長需要增容，或因城市改造需變更架設地點，或鐵路電氣化改造，需要進行拆除。目前，我國電網(wǎng)老舊線路的拆除施工依靠人工完成，拆線施工的各項籌備工作及流程極其繁瑣，審批手續(xù)涉及的部門很多，造成準備周期冗長，施工難度大、窗口期短，施工進度緩慢，特別是當一些線路穿越了各種復雜的地理環(huán)境，如大面積大型水庫、湖泊、高速公路、建筑物等，拆線施工將面臨更大的困難[1-2]。為此，國家電網(wǎng)與國內(nèi)科研機構(gòu)共同研發(fā)了用于拆線施工的拆線機器人，以自動化設備代替施工人員完成上塔后的部分拆線工作，可有效地提高施工效率，降低施工籌備工作的強度、安全事故隱患。

用于替代工人的拆線機器人需要完成的主要任務是架設索道，具體而言就是將架設索道需要的牽引繩和掛鉤從一個桿塔運送至另一個桿塔。完成這項功能所需的基本能力就是爬線，即機器人能從一個桿塔沿待拆除的架空導地線行進至另一個桿塔處。此后，由工人或其他自動設備完成舊線路拆除、收回等工作。

目前，國內(nèi)外拆線機器人的研究尚處于起步階段，沒有相關(guān)成果的報道。但拆線機器人爬線機構(gòu)的技術(shù)解決方案可以參考已經(jīng)在電力行業(yè)中得到應用的巡線機器人。國外對巡線機器人的研究始于20世紀80年代末，日本、加拿大、美國等發(fā)達國家先后開展了相關(guān)研究，研究內(nèi)容包括機器人的整機設計、爬線機構(gòu)設計、越障、巡檢、電磁兼容性等核心關(guān)鍵技術(shù)[3]。國內(nèi)對于架空線路巡線機器人的研究起步略晚，但核心關(guān)鍵技術(shù)的突破速度要高于國外，一些產(chǎn)品已經(jīng)得到了應用驗證。吳功平等[4]設計了一種基于行程放大機構(gòu)和抓握機構(gòu)的架空高壓輸電線自動爬行機器人，通過電液伺服系統(tǒng)的自適應控制實現(xiàn)爬行功能，但電液伺服系統(tǒng)的體積和可維護性較弱。楊愷等[5]設計了一種應用于110 kV高壓輸電線路的輕量化雙臂巡線機器人，通過雙機械臂的運動規(guī)劃和協(xié)同控制實現(xiàn)了爬線功能，但雙機械臂的結(jié)構(gòu)和控制較為復雜。毛先胤等[6]針對110 kV高壓輸電線路提出了一種與文獻[5]類似的輕量化雙臂巡線機器人。周風余等[7]設計了一種多節(jié)分體機構(gòu)和輪臂復合機構(gòu)的巡線機器人，綜合運用輪式移動和步進式蠕動爬行動作，實現(xiàn)爬線功能。目前，國內(nèi)對于沿線行進、跨越簡單障礙等方面都具有了成熟的方案和技術(shù)，不過在跨越復雜障礙方面還與國外有一定的差距[8]，許多研究機構(gòu)及人員在堅持不懈的努力。周自更等[10]設計了一種掛接在多根線纜上運行的循線機器人，可以克服間隔棒等障礙物。王恩陽等[11]提出了電纜巡線機器人的改良技術(shù)要求和思路。董浩[12]提出了一種基于靈長類動物攀爬特征的巡線機器人機械結(jié)構(gòu)，但尚未進行實際實驗和測試。魏永樂等[13]對雙臂巡線機器人進行了越障過程的受力分析，并用仿真驗證了所提力學模型和該結(jié)構(gòu)的可行性。封尚等[14]提出了一種具有加緊機構(gòu)的輪式行走機構(gòu)，具有一定的爬坡能力。劉一等[15]研究了一種兩吊臂式巡線機器人的動力學模型，并分析了越障的動作機理。

縱觀上述巡線機器人的爬線機構(gòu)，主要可分為步進式爬行機構(gòu)(如圖1(a)所示)和輪式爬行機構(gòu)(如圖1(b)所示)兩類[2]。輪式爬行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為簡單，可靠性較高，使用較步進式爬行機構(gòu)更普遍。如圖1(b)所示的輪式爬行機構(gòu)，在機器人行進過程中主要依靠機器人自身的重量產(chǎn)生行走輪與架空線之間的壓力，從而使得行走輪與架空線之間生成摩擦力，這樣行走輪滾動時不產(chǎn)生打滑，機器人才能前進。當機器人足夠重，且架空線的垂弧度較小時，機器人爬行機構(gòu)能夠提供足夠的摩擦力，保證機器人行進中不出現(xiàn)打滑。但如果兩個桿塔之間的架空輸電線垂弧度較大，或由于架空線表面因銹蝕、濕滑、雨雪覆蓋等情況，導致機器人行走輪與輸電線之間的摩擦力不足，則將出現(xiàn)打滑，甚至倒溜的現(xiàn)象，使得拆線施工無法順利完成。

圖1 巡線機器人常見的爬行機構(gòu)

針對上述問題，本文給出了一種改進的輪式爬行機構(gòu)，通過加入頂升裝置，提供額外的張緊力/壓力，以克服現(xiàn)有輪式爬行機構(gòu)的不足。為保證頂升裝置能夠提供足夠的頂升力，本文進行了爬線機器人的受力情況，推導了頂升裝置的張緊力與機器人爬線坡度之間的關(guān)系；并利用該結(jié)果，計算了拆線施工機器人的頂升裝置參數(shù)，完成了頂升裝置電動缸的選型；最后，開展了機器人爬線實驗，實驗結(jié)果表明本文的設計能夠提供額外的摩擦力，有利于機器人爬坡能力的提升。

1 拆線施工機器人的爬線機構(gòu)

為幫助理解，首先說明如圖1(b)所示的輪式機器人爬線行進機構(gòu)的工作原理。不失一般性，該機器人的輪式爬線機構(gòu)可以抽象成如圖2所示的結(jié)構(gòu)，其中主動輪其中的一個或者兩個由電機帶動，可以進行正反向旋轉(zhuǎn)，依靠電機的旋轉(zhuǎn)將電能轉(zhuǎn)化成機械能，實現(xiàn)機器人的爬線運動功能。

圖2 輪式拆線施工機器人結(jié)構(gòu)示意圖

當機器人需要爬線時，機器人的主動輪放置于架空導線的上方。此時機器人本身重量在主動輪輪轂與架空導線之間產(chǎn)生一定的壓力，壓力又產(chǎn)生摩擦力。當主動輪的輪轂與架空導線之間的摩擦力足夠時，主動輪的轉(zhuǎn)動將帶動機器人沿著架空導線前進或后退。

不難理解，圖2所示的機器人爬線時所需要的摩擦力由機器人自身重量提供。當架空線纜接近于水平時，機器人自身的重量可以提供足夠大的摩擦力，保證機器人在架空線纜上行進而不打滑。但實際上，為保障架空線路的安全，架空線纜必須具有一定的垂弧度，不能完全拉緊。因此拆線機器人在爬線時大部分時間處于上坡或下坡的工作狀態(tài)，一般的過程是先下坡，后上坡。在機器人上坡過程中，如果主動輪與架空導線之間的摩擦力不夠，則會出現(xiàn)機器人主動輪空轉(zhuǎn)而機器人并不行進的打滑現(xiàn)象，這將導致機器人無法完成架設索道的任務。為增強爬坡能力，圖2所示的機器人只有通過加重機器人自身重量，來提供更大的摩擦力，以滿足爬坡的需要。但加重機器人本體的重量將會使得機器人無法由工人攜帶至桿塔的線路處，因此這種結(jié)構(gòu)的機器人的爬坡能力不足以應付大多數(shù)的應用需求。

針對上述不足，本文設計了如圖3所示的拆線施工機器人輪式爬行機構(gòu)。該爬行機構(gòu)在圖2結(jié)構(gòu)的基礎上增加了頂升裝置，由頂升裝置和張緊輪、主動輪和驅(qū)動電機組成。

圖3 拆線施工機器人結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3(a)所示的爬線行進機構(gòu)的立柱上安裝有兩個主動輪，用于掛在架空線上。主動輪不能升高或降低，由直流電機提供動力，可雙向轉(zhuǎn)動，且支持速度調(diào)節(jié)。兩個主動輪之間通過同步帶傳動，實現(xiàn)兩輪驅(qū)動，以適應機器人前后雙向移動的需求。

兩根立柱中間，安裝有頂升裝置，其可調(diào)節(jié)端安裝有一對張緊輪。頂升裝置可控制張緊輪升降。張緊輪不具備動力，在機器人開始爬線，即主動輪開始轉(zhuǎn)動前，通過調(diào)節(jié)頂升裝置將架空線夾緊在兩對輪子之間，以提供額外的壓力。

頂升裝置可調(diào)節(jié)端在完成升降運動后，保持在升降高度，并提供一定的額外壓力。這個額外的壓力可以提供輪子和架空線之間的額外摩擦力。這樣機器人應能夠具備更強的爬坡能力，而且由于不再單獨依賴于機器人自身重量提供摩擦力，可以對機器人本體進行輕量化設計，便于施工工人攜帶至空中，具有更大的應用場合。

此外，主動輪和張緊輪的輪轂均采用弧形，以增大輪轂與線纜之間的接觸面。輪轂的材質(zhì)選用摩擦系數(shù)比較大、耐磨性比較好的樹脂材料，增大主動輪與架空線纜之間摩擦力的同時，降低輪子的磨損率，延長使用壽命。

由于在機器人爬線行進過程中，架空線的垂弧度會發(fā)生變化，導線表面的光滑程度不同，因此各段的摩擦系數(shù)也不相同，因此需要對機器人爬線行進過程中的受力情況進行分析，以更好地實施張緊力控制，保證機器人順利行進，以完成拆線施工任務。

2 機器人受力分析

機器人在兩個桿塔之間的架空線上行進時，由于架空線不可避免地存在一定的垂弧度，因此機器人的行進情況可以分為下坡和爬坡兩種。對于機器人下坡而言，即便摩擦力不夠，出現(xiàn)打滑，也不至于影響機器人完成任務。而機器人上坡時，若因摩擦力不夠會導致機器人輪子打滑，機器人無法上坡，甚至會倒溜，不能完成爬線行進的任務目標。因此，本節(jié)重點分析機器人爬坡的受力情況。

對于如圖2所示的爬行機構(gòu)，機器人爬坡時，若不發(fā)生打滑現(xiàn)象，則機器人主動輪和線纜之間是相對靜止的，因此此時機器人的受力情況分別如圖4所示。

圖4 機器人爬坡時受力示意圖

圖中，M為機器人與負荷的質(zhì)量，F(xiàn)wa，F(xiàn)wb分別為架空線路在前后主動輪與線路交點A，B處產(chǎn)生的支持力，F(xiàn)a，F(xiàn)b分別為A，B處的靜摩擦力，F(xiàn)Na，F(xiàn)Nb分別為頂升裝置在A，B兩點提供的壓力，F(xiàn)l為機器人負荷在A，B點處的合力，g為重力加速度。

由圖3可知，機器人A，B兩點在x和y方向上的受力情況如式(1)所示：

(1)

由于機器人A，B兩點處受到的線纜支撐力來自于機器人自身重量，因此有：

Fwa+Fwb=-Mgcosα

(2)

其中:負號表示方向相反。

由于機器人的立柱等結(jié)構(gòu)可視為剛體，故A，B兩點在y方向上的合力為：

(3)

此合力將產(chǎn)生機器人主動輪所需的靜摩擦力，因此有

Fa+Fb=μ(FNa+FNb+Mgcosα)

(4)

其中:μ為主動輪與導線之間的靜摩擦系數(shù)。

由式(1)～(4)可知，機器人在x方向所受到的合力為：

=μ(FNa+FNb+Mgcosα)-Mgsinα-Fl

(5)

當μ(FNa+FNb+Mgcosα)-Mgsinα-Fl>0時，摩擦力足夠，機器人爬坡過程中不會打滑。否則機器人爬坡過程中將出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

不難看出，若沒有頂升裝置提供的額外壓力，即FNa+FNb=0，則機器人爬坡所需的靜摩擦力完全來自于機器人自身的重量，當μ(Mgcosα)-Mgsinα-Fl<0時機器人將出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。而靜摩擦系數(shù)μ取決于主動輪的材質(zhì)和架空線纜的材質(zhì)，設主動輪采用硬樹脂材料，架空線纜的材質(zhì)為鋼芯鋁絞線，通過查閱相關(guān)手冊可知，此時μ=0.33，另設Fl=15 N，機器人的質(zhì)量為20 kg，則由式(2)～(5)可得，A、B點合力與線纜坡度之間的關(guān)系曲線如圖4中實線所示，表明當坡度α>14°后，機器人將無法順利爬線。

當加入頂升裝置后，設定頂升裝置提供的額外壓力FNa+FNb=50 N，此時A、B點合力與線纜坡度之間的關(guān)系曲線如圖5中虛線所示。不難發(fā)現(xiàn)，由于機器人爬坡所需的摩擦力通過自身重量和頂升機構(gòu)的額外壓力共同提供，可以適應更大的線纜垂弧度。

圖5 機器人爬線能力曲線

進一步，為尋找使得機器人爬線不打滑，頂升裝置應提供的頂升力，將式(5)變換為：

(6)

根據(jù)此式繪制頂升力與機器人爬線角度時間的關(guān)系曲線，可得如圖6所示的曲線，其中機器人質(zhì)量、摩擦系數(shù)、負荷的取值同前。

圖6 機器人頂升力與爬線角度關(guān)系曲線

由圖6得知，當機器人所需爬線角度低于14°時，即使不加頂升力機器人也能順利爬線，當大于此角度時，頂升機構(gòu)必須提供一定的壓力才能保證機器人爬線不打滑。而且隨著所需爬線角度的增大頂升力也須增大，這和常規(guī)認知是相符的。但必須說明的是，圖6的計算是在理想條件下進行的。在實際使用中，當爬線角度增大到一定程度后，光依靠頂升力的增加實際上也無法實現(xiàn)順利爬線的目標，造成這種現(xiàn)象的原因是各方面綜合作用的結(jié)果，在這里就不再仔細分析。

3 頂升裝置與伺服電機選型

3.1 頂升裝置的選型

本節(jié)基于第2節(jié)的分析結(jié)果，研究頂升裝置的選型。

常見的頂升裝置有：液壓缸、氣壓缸、電動缸等。液壓缸和氣壓缸的體積較大，響應速度慢，而且必須攜帶油泵或氣泵，不便于工人攜帶，因此不適用于拆線施工機器人。電動缸以電動機作為執(zhí)行器，帶動各種螺桿旋轉(zhuǎn)，將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。具有體積小、響應快等優(yōu)點，而且可通過精確控制電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)，實現(xiàn)精確的位置控制和力控制。因此，本文選用電動缸作為頂升裝置。

電動缸的執(zhí)行電機可以采用伺服電動機、步進電動機、交流電動機等。由于拆線施工機器人在高空作業(yè)，通過自身的電池提供能源，因此交流電機并不適合，而直流伺服電機可以配備傳感器，實現(xiàn)電流、速度和位置閉環(huán)控制，因此本文采用直流伺服電機作為電動缸的執(zhí)行電機。

此外，由于待拆除的架空導地線的線徑因電壓等級不同，而有所變化，電動缸的有效行程應≥50 mm。同時考慮減小機器人的體積，本文采用如圖7所示的折返式電動缸。其工作原理是伺服電機通過聯(lián)軸器連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的滾珠沿著螺母和螺桿之間的滑槽滾動，將伺服電機的回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動。由滾珠絲杠副的滑動部分帶動張緊輪進行升降運動以調(diào)整推力。電動缸的執(zhí)行電機選用伺服電機，由伺服電機及其配套的驅(qū)動器構(gòu)成位置閉環(huán)，實現(xiàn)頂升力矩、行程的精確控制。

圖7 頂升裝置示意圖

滾珠絲杠采用1 004高精密絲杠，主要參數(shù)如表1所示。

表1 滾珠絲杠主要參數(shù)

3.2 伺服電機的選型

伺服電動缸的伺服電機是提供頂升力的關(guān)鍵設備，其選型必須與拆線機器人的參數(shù)和運動條件相匹配。為此，首先給出拆線機器人的主要參數(shù)，如表2所示。

表2 機器人主要參數(shù)和運行要求

將上述參數(shù)代入式(5)和(6)中，可得頂升裝置所需提供的推力：

(7)

根據(jù)上述參數(shù)，計算伺服電機的額定扭矩。

1)計算滾珠絲杠的最大軸向力：

FA=FD+m1g(sinβ+μ2cosβ)=59.8 N

(8)

式中，m1=1 kg為滾珠絲杠副滑動部分的質(zhì)量；β滑動部分移動方向和水平軸的夾角，由于絲杠垂直安裝，取β=90°；μ2為滑動面的摩擦系數(shù)，這里取0.004。

2)計算電機的負載扭矩：

(9)

式中，η1=0.9為滾珠絲杠副的機械效率；Ph=0.004 m為滾珠絲杠的導程。

伺服電動缸的電機額定轉(zhuǎn)矩大于計算所得的TL，即可滿足系統(tǒng)的需求。初步選用杰瑞特ZSMH040X型號的直流伺服電機，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 ZSMH040X伺服電機主要參數(shù)

聯(lián)軸器選用雙膜片聯(lián)軸器，質(zhì)量為34 g，直徑為26 mm。

3)計算克服負載慣量和電機轉(zhuǎn)子慣量所需的啟動轉(zhuǎn)矩：

負載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：

(10)

式中，m1=1 kg為滑動部分的質(zhì)量。

滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量：

(11)

式中，LB=0.2 m 為滾珠絲杠的長度；DB=0.01 m為滾珠絲杠的直徑；ρ=7 900 kg·m3為滾珠絲杠的密度。

聯(lián)軸器慣量：

(12)

式中，m2=0.034 kg為聯(lián)軸器質(zhì)量；DC=0.026 m為聯(lián)軸器外徑。

負載慣量：

JZ=JL+JB+JC=4.46×10-6N·m

(13)

則電機的啟動轉(zhuǎn)矩：

TS=(JM+JZ)a=0.0038 N·m

(14)

式中，JM=5×10-6kg·m2為電機轉(zhuǎn)子慣量；a=400°/s2為伺服電機的最大角加速。

4)計算伺服電機最大輸出轉(zhuǎn)矩：

TM=(TS+TL)×S=0.336 N·m

(15)

式中，S為安全系數(shù)(2～4)，本文取4。

初選伺服電機的瞬時最大轉(zhuǎn)矩大于TM，符合要求。

5)慣量匹配：

為保證足夠的角加速度使系統(tǒng)反應靈敏，且滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性要求，負載慣量與電機轉(zhuǎn)子慣量應小于2.1[9]，大于5時考慮使用減速裝置，以提高慣量匹配。初選的伺服電機滿足慣量匹配原則，無需配備減速裝置。

4 實驗結(jié)果與分析

按照上述設計方案加工制作的拆線施工機器人樣機如圖8所示，經(jīng)量測，機器人本體質(zhì)量約為20 kg，最大爬線速度約1.0 m/s，頂升機構(gòu)的附加壓力為50 N，持續(xù)工作時間約45 min。

圖8 拆線施工機器人樣機

為測試機器人的功能和爬線能力，在實驗場地上搭建了如圖9所示的測試線路，該測試線路總長度約30 m，兩端可以調(diào)節(jié)高度，以模擬架空線纜存在不同垂弧度的情形。

圖9 拆線機器人實驗場景

機器人測試分兩組進行。第一組測試模擬沒有頂升機構(gòu)提供額外壓力時的情形，不升起頂升裝置；第二組測試時，升起頂升裝置，提供額外的壓力。每一組測試又分7次進行，通過調(diào)節(jié)模擬架空輸電線纜的角度，將輸電線纜的垂弧度分別從0°，按5°一個區(qū)間，上升到30°，觀察機器人爬坡能力。此外，為測試機器人是否具有翻越修補架空線能力，在測試完無修補的架空線纜后，在線纜上設置了3處模擬修補處，測試機器人是否能夠翻越修補后的架空線。

測試結(jié)果如表4和5所示，表中，OK表示順利通過，F(xiàn)ail表示無法順利通過，出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

表4 爬坡測試結(jié)果一覽表(無修補)

表5 翻越修補架空線結(jié)果一覽表

測試結(jié)果，使用頂升機構(gòu)提供附加壓力后，機器人的爬坡能力從15°提高到20°左右，且對20～30 mm線徑的變化具有適應能力，可以翻越修補過后的架空線，完成牽引繩的釋放，架設索道的功能，達到了預期的目標。

5 結(jié)束語

本文在分析現(xiàn)有巡線機器人的輪式行進機構(gòu)不足的基礎上，提出了拆線施工機器人的爬線行進機構(gòu)，該機構(gòu)在現(xiàn)有輪式行進機構(gòu)的基礎上，增加了以伺服電動缸為執(zhí)行電機的頂升裝置，使得主動輪、張緊輪與架空導地線纜之間保持足夠的壓力和摩擦力，這樣機器人可以適應更大坡度，拓展了使用場景。本文還分析了機器人爬坡時的受力情況，給出了頂升裝置提供的壓力與機器人爬坡角度之間的定量關(guān)系，并以某款拆線施工機器人為例，對頂升裝置進行了選型計算。對機器人樣機的測試結(jié)果表明本文的計算可以滿足實際運行的要求。