基于攀爬機(jī)器人技術(shù)的電力鐵塔攀爬輔助裝置設(shè)計(jì)

賈宏儒， 馬 奧， 于義亮， 閆可為， 李建紅， 陳貴鋒， 董 明， 王 汀

(1.國網(wǎng)陜西省電力有限公司 超高壓公司， 西安 710075； 2.西安交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 西安 710049；3.國網(wǎng)陜西省電力公司培訓(xùn)中心， 西安 710032)

隨著國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，電力系統(tǒng)已經(jīng)成為支撐各行各業(yè)日常生產(chǎn)的重要保障，而線路故障會(huì)造成不可估量的損失。因此，確保輸電線路的正常穩(wěn)定運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)保證用戶正常用電的重要工作。輸電線路的日常巡查和維護(hù)檢修是保障電力傳輸系統(tǒng)安全穩(wěn)定的前提，對(duì)于安全、可靠地進(jìn)行輸電線路巡查和維護(hù)檢修工作是電網(wǎng)長期以來重點(diǎn)的研究課題[1-5]。

目前，輸電線路的運(yùn)檢工作仍然采用工作人員背帶滑車與絕緣繩上塔的方式實(shí)現(xiàn)。雖然已經(jīng)在塔身設(shè)計(jì)了防墜裝置保障作業(yè)人員的安全性，但防墜裝置并不能很好地配合工作人員的上塔工作，工作人員在上塔過程中經(jīng)常會(huì)遇到防墜裝置卡住的情況，需要作業(yè)人員手動(dòng)調(diào)節(jié)后才能繼續(xù)上塔。這一問題增加了作業(yè)人員工作的勞動(dòng)強(qiáng)度與危險(xiǎn)性，導(dǎo)致了很多作業(yè)人員不愿使用防墜裝置上塔。因此，如何最大限度增加登塔作業(yè)的安全性和降低作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度成為近年來電力運(yùn)維部門迫切需要解決的問題[6-14]。

針對(duì)傳統(tǒng)防墜方式的不足，攀爬輔助機(jī)器人的研究可以運(yùn)用到線路防墜保護(hù)之中，彌補(bǔ)傳統(tǒng)方式的不足。文獻(xiàn)[15-21]論述了目前攀爬機(jī)器人的現(xiàn)狀，從攀爬足的選擇、機(jī)械臂的增加以及體積、重量和控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行了分析。目前常見的爬行軌道爬行機(jī)器人可以分為自噴涂機(jī)器人、內(nèi)框螺旋式管道爬升機(jī)器人、環(huán)抱式爬行機(jī)器人、仿生爬管機(jī)器人。從目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，針對(duì)鐵塔環(huán)境的復(fù)雜性，國內(nèi)外攀爬機(jī)器人主要存在以下問題：輸電線路桿塔塔身是由不同規(guī)格塔材經(jīng)通過螺栓固定連接而成，不同類型的塔材結(jié)構(gòu)不同，攀爬足難以統(tǒng)一選擇；因攀爬電力鐵塔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，攀爬機(jī)器人運(yùn)行動(dòng)作復(fù)雜，相應(yīng)結(jié)構(gòu)體積重量均比較大；因?yàn)殡娏﹁F塔障礙多，環(huán)境復(fù)雜，國內(nèi)外攀爬機(jī)器人前進(jìn)速度較慢且無法適應(yīng)工作人員攀爬習(xí)慣速度，大大影響電力檢修作業(yè)的效率。

本文針對(duì)以上研究中存在的問題，利用兩足往復(fù)式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)以及距離自動(dòng)識(shí)別控制技術(shù)，設(shè)計(jì)出一款超特高壓電力鐵塔攀爬輔助機(jī)器人。該裝置具有背帶重物爬塔的功能，機(jī)器人設(shè)計(jì)上可以掛載上限為10 kg左右的重物，并在鐵塔防墜落T型鋼上配合作業(yè)人員的爬塔需求進(jìn)行爬行，完成部分輕便電力工器具在鐵塔上下部之間的運(yùn)輸，分擔(dān)了登高人員的負(fù)載重量，減輕了作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，增加工作的安全穩(wěn)定性。

1 機(jī)器人的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)

為簡化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，在保證工作可靠性的前提下盡量減輕項(xiàng)目產(chǎn)品的重量和減小體積，攀爬輔助機(jī)器人用了3個(gè)獨(dú)立的機(jī)械機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行兩足松開/夾緊控制及機(jī)身伸長/縮短控制。重點(diǎn)基于實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、推力強(qiáng)勁、高度可靠考慮，3組傳動(dòng)機(jī)構(gòu)均采用螺桿、螺母傳動(dòng)副。

1.1 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)計(jì)算

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)步驟如下：

1)垂直方向的伸縮機(jī)構(gòu)采用螺桿螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

2)本文中螺桿螺母的螺紋選用傳動(dòng)效率較高的梯形螺紋，該結(jié)構(gòu)具有自鎖能力，在電機(jī)失控的情況下可以自動(dòng)鎖死，保證了機(jī)器本身不會(huì)在鐵塔攀爬中掉落，極大提高了裝置的安全性。

3)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的螺桿選用的材料為耐磨性及尺寸穩(wěn)定性較好的合金工具鋼9Mn2V，螺母外套選用鑄鐵打造，螺母內(nèi)部材料為銅，增加耐磨性。

4)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的各參數(shù)的取值計(jì)算公式如下。

螺紋中徑d為

(1)

式中：F為軸向載荷；Ψ取值2；[p]為許用比壓,取值1.5。

螺紋升角λ為

(2)

式中：P為螺距；x為線數(shù)；Px為導(dǎo)程。

本文中軸向載荷值取1 000 N，螺距取4 mm，故螺紋中徑d取值16 mm，螺紋升角λ為4°33’；螺母高度H取36 mm，旋合圈數(shù)x取值9，基本牙型高度H1取2 mm。

1.2 電動(dòng)機(jī)參數(shù)的設(shè)計(jì)

根據(jù)本文設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的特性，要求電動(dòng)機(jī)在工作中需進(jìn)行頻繁地進(jìn)行起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等操作。因此，選用了轉(zhuǎn)速范圍大、可無級(jí)調(diào)節(jié)的直流伺服電機(jī)。此外，直流伺服電機(jī)還很容易獲得低速，在起停、微升階段有制動(dòng)功能，配合螺桿的自鎖特性，極大提高了設(shè)備的安全性。

電動(dòng)機(jī)整體的機(jī)械傳動(dòng)效率η的計(jì)算公式為

η=η1η2η3

(3)

式中：η1為螺桿的傳動(dòng)效率；η2為滾子軸承的傳動(dòng)效率；η3為聯(lián)軸器的傳動(dòng)效率。所以電動(dòng)機(jī)所需工作功率p為

(4)

式中：F為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)在垂直方向的力；v為螺母軸向移動(dòng)速度。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n為

(5)

通過計(jì)算，本文最終確定電動(dòng)機(jī)的工作功率為256 W，轉(zhuǎn)速設(shè)定為8.36 r/min。

1.3 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上關(guān)于螺桿/螺母傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的推導(dǎo)計(jì)算，設(shè)計(jì)出的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)夾緊和松開方式與兩足往復(fù)式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩足交替往復(fù)完成機(jī)器人以電力鐵塔防墜落T型鋼為導(dǎo)軌進(jìn)行垂直攀爬。采用3個(gè)獨(dú)立的防墜閉鎖裝置，形成多重防墜保護(hù)。

本文對(duì)防墜落器進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的鍥型自鎖器用于設(shè)備攀爬系統(tǒng)，取代原來常用的偏心凸輪和卡爪式自鎖器。其主要結(jié)構(gòu)由制動(dòng)機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。

圖2 新型鍥型自鎖器

2 距離的自動(dòng)識(shí)別控制

為保證機(jī)器人方便于現(xiàn)場實(shí)際工作，在輔助攀爬時(shí)始終與作業(yè)人員保持一定的安全距離，選用兩個(gè)UWB(Ultra Wide Band)無線載波通信模塊+機(jī)身控制器對(duì)機(jī)器人與攀爬作業(yè)人員間距離進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別控制。

2.1 UWB的距離識(shí)別

UWB的距離計(jì)算方法利用了雙向飛行時(shí)間(two way-time of flight,TW-TOF)法，如圖3所示。

圖3 UWB的測距原理

輔助機(jī)器人上搭載的模塊A以及作業(yè)人員身上搭載的模塊B根據(jù)雙向飛行時(shí)間法，在啟動(dòng)階段模塊A會(huì)產(chǎn)生一條獨(dú)立的時(shí)間戳Ta1，模塊A在其時(shí)間戳Ta1發(fā)射一束脈沖信號(hào)，被模塊B在自己的時(shí)間戳Ta2時(shí)刻接收；同時(shí)，模塊B在時(shí)間戳Tb1時(shí)刻發(fā)射另一束脈沖信號(hào)，被模塊A在Tb2時(shí)刻接收。通過這4個(gè)時(shí)間戳，利用式(6)可以確定飛行距離S，即

S=C[(Ta2-Ta1)-(Tb2-Tb1)]

(6)

式中：C表示光速，其值為3×108m/s。

用于攀爬輔助機(jī)器人的UWB測距系統(tǒng)包括放置于登塔作業(yè)人員衣兜里的活動(dòng)標(biāo)簽(能夠發(fā)射UWB信號(hào)來確定位置)，以及安裝于攀爬輔助機(jī)器人機(jī)身上的UWB基站(能夠接收并估算從標(biāo)簽發(fā)送過來的信號(hào))。

2.2 距離的自動(dòng)控制

在獲取到距離信息后，為確保機(jī)器人在輔助攀爬時(shí)始終與作業(yè)人員保持一定的安全距離，設(shè)計(jì)了一套距離自動(dòng)控制程序來實(shí)現(xiàn)這一功能。該程序分為自檢與掛裝模塊、爬行模塊，如圖4所示。

圖4 距離自動(dòng)控制程序流程

通過圖4中的距離自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在輔助攀爬時(shí)與作業(yè)人員的距離控制，時(shí)刻保持機(jī)器人在作業(yè)人員上方跟隨式的輔助攀爬。同時(shí)，通過程序設(shè)計(jì)，完成了機(jī)器人兩個(gè)攀爬腳的相互鎖緊配合，保障了機(jī)器人不會(huì)存在掉落的風(fēng)險(xiǎn)。

3 現(xiàn)場測試

為驗(yàn)證輔助攀爬機(jī)器人的現(xiàn)場應(yīng)用性能，在某750 kV輸電線路桿塔從攀爬、負(fù)重、防墜功能3方面開展2次現(xiàn)場測試，如圖5所示。

圖5 輔助攀爬機(jī)器人現(xiàn)場測試

現(xiàn)場對(duì)輔助機(jī)器人的攀爬、防墜、負(fù)重功能的測試結(jié)果見表1。

表1 輔助機(jī)器人的測試結(jié)果

測試結(jié)果表明，攀爬輔助機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在電力鐵塔防墜落T型鋼上垂直攀爬前進(jìn)，行走速度可在0～0.3 m/s范圍內(nèi)分多檔可調(diào)。同時(shí)，攀爬輔助機(jī)器人具有不低于10 kg的負(fù)重攀爬能力以及100 kg以上的防墜保護(hù)功能。攀爬輔助機(jī)器人的距離自動(dòng)控制系統(tǒng)在工作過程中能自動(dòng)識(shí)別機(jī)器人與作業(yè)人員高度距離，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，始終讓攀爬輔助機(jī)器人始終位于電力作業(yè)人員上方2～5 m距離爬行。

4 結(jié)論

本文研制了超特高壓電力鐵塔攀爬輔助機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了在鐵塔T型防墜軌道上的直線攀爬，能夠進(jìn)行攀爬人員防墜落保護(hù)和運(yùn)送小物，裝置體積小、重量輕，運(yùn)輸安裝方便，工作穩(wěn)定可靠。本裝置的核心技術(shù)包括以下3點(diǎn)：

1)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)夾緊和松開方式與兩足往復(fù)式運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，兩足交替往復(fù)完成機(jī)器人以電力鐵塔防墜落T型鋼為導(dǎo)軌進(jìn)行直線攀爬，行走速度可在0～0.3 m/s范圍內(nèi)分多檔可調(diào)。同時(shí)，攀爬輔助機(jī)器人具有不低于10 kg的負(fù)重攀爬能力以及100 kg以上的防墜保護(hù)功能。

2)采用UWB無線載波通信模塊+機(jī)身控制器對(duì)機(jī)器人與攀爬作業(yè)人員間距離進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別控制，始終讓攀爬輔助機(jī)器人位于電力作業(yè)人員上方2～5 m距離爬行。

3)采用3個(gè)獨(dú)立的防墜閉鎖裝置，形成多重防墜保護(hù)，在傳統(tǒng)防墜模塊的基礎(chǔ)上提升了機(jī)器人的安全保護(hù)能力。