輸電拉線除銹機(jī)器人的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

楊蔚華, 徐山青, 余波明, 方子帆， 何孔德

(1.三峽大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院, 宜昌 443002； 2.三峽大學(xué)機(jī)器人與智能系統(tǒng)宜昌市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 宜昌 443002； 3.江蘇省電力有限公司檢修分公司, 淮安 223001)

拉線是輸電線路拉門塔的關(guān)鍵受力部位，其質(zhì)量的好壞直接影響到輸電線路的安全穩(wěn)定。因輸電線路一般要經(jīng)過地形氣候多變的復(fù)雜地段，一些不利的環(huán)境和自然因素都會導(dǎo)致拉線發(fā)生銹蝕，銹蝕將使得拉線工作能力下降，影響桿塔安全運(yùn)行，嚴(yán)重時還會造成斷線倒桿，導(dǎo)致停電大事故，給電網(wǎng)及地方經(jīng)濟(jì)帶來損失，而頻繁調(diào)整或更換拉線會大大增加運(yùn)維工作量，因此有必要對拉線進(jìn)行定期除銹防護(hù)，但目前普遍采用手工或簡易工具進(jìn)行除銹防護(hù)，效率低、勞動強(qiáng)度高、安全性差且效果不理想。到目前為止，國內(nèi)外使用纜索涂裝的方法主要有兩種，一種是針對小型斜拉橋使用的液壓升降平臺進(jìn)行纜索涂裝，另一種是利用預(yù)先裝在塔頂?shù)牡觞c(diǎn)，用鋼絲拖動吊籃搭載工作人員沿纜索進(jìn)行涂裝。前一種方法的工作范圍十分有限，后一種方法采用人工方式，不僅效率低、成本高，而且安全性較差。鑒于這種現(xiàn)狀，采用爬纜機(jī)器人搭載噴涂裝置對纜索進(jìn)行自動涂裝將成為發(fā)展趨勢，因此要實(shí)現(xiàn)對拉線的自動除銹和噴漆，前提是要實(shí)現(xiàn)在拉線上的自動爬升，也就是需要對管線爬升技術(shù)和裝置進(jìn)行研究。由文獻(xiàn)檢索可知，目前尚未見專用于在拉線上爬升的裝置，但與此類似的自動爬升裝置已早有研究，即爬桿機(jī)器人和爬纜機(jī)器人，國內(nèi)外許多高校和科研院所進(jìn)行了相關(guān)的研究，綜合起來，根據(jù)移動和貼附功能的實(shí)現(xiàn)方式不同，現(xiàn)有的爬升機(jī)器人可以分為多輪驅(qū)動移動式[1-2]、夾緊蠕動式[3]、螺旋爬升式[4]和多足攀爬式[5]。夾緊蠕動式利用了仿生學(xué)原理，如仿尺蠖、樹懶、人類攀爬，其特點(diǎn)是運(yùn)動間歇式，爬升速度較慢，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，工作效率較低。螺旋爬升式靈活性強(qiáng)，具有較好的越障能力，但是爬行速度較慢，執(zhí)行能力單一，各部件的配合及運(yùn)動控制復(fù)雜。多足攀爬式擁有較為強(qiáng)大的運(yùn)動能力，但其機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制方法都比較復(fù)雜，造價高，只能在連續(xù)的表面上進(jìn)行攀爬，機(jī)動性能較差，不適合纜索類表面爬升。相對于以上三種形式，多輪驅(qū)動移動式的突出優(yōu)點(diǎn)是爬升速度快、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠性較高、控制較簡單。

與針對輸電線路桿塔的拉線進(jìn)行除銹噴漆研究之密切相關(guān)的就是輸電線路巡線機(jī)器人。從國內(nèi)外已取得的研究成果可以看出，輸電線路巡線機(jī)器人技術(shù)已較為成熟，有的已處于實(shí)用階段。例如：肖時雨等[6]基于仿生學(xué)原理模仿人爬樹的運(yùn)動姿態(tài)，設(shè)計了一種新型四臂式巡檢機(jī)器人；Shruthi等[7]研制了一種雙臂多自由度輸電線路巡檢機(jī)器人，具備較強(qiáng)爬坡和越障能力；何緣[8]研制了高壓輸電線路穿越式巡檢機(jī)器人；王吉岱等[9]模仿長臂猿手臂的運(yùn)動特點(diǎn)，提出了一種基于靈長類動物特征的三臂對稱分布式高壓輸電線路仿生機(jī)器人，解決了傳統(tǒng)巡檢機(jī)器人作業(yè)范圍小、不能跨越引流線等問題。

以上機(jī)器人都是在某一特定環(huán)境下實(shí)現(xiàn)其功能的，對于像拉線這種直徑較小、斜度大、且爬升距離較長的特殊對象就不能適應(yīng)了。綜上，在多規(guī)格尺寸、大傾角和細(xì)長型的拉線上進(jìn)行自動除銹防護(hù)的機(jī)器人目前還沒有現(xiàn)成的方案和產(chǎn)品，為此，在借鑒前人關(guān)于多輪驅(qū)動移動式爬升機(jī)器人和輸電線路巡檢機(jī)器人的研究成果的基礎(chǔ)上，現(xiàn)通過設(shè)計和創(chuàng)新，研發(fā)一種拉線防銹防護(hù)機(jī)器人，代替人工操作，進(jìn)行高空作業(yè)，提高工作效率和質(zhì)量，將具有廣闊的市場前景和較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 輸電拉線除銹機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計

針對輸電拉線銹蝕缺陷的工程實(shí)際問題，通過設(shè)計和創(chuàng)新，研發(fā)一種拉線除銹機(jī)器人，使之在不拆卸拉線的情況下對拉線進(jìn)行自動除銹防護(hù)。考慮輸電線路野外現(xiàn)場作業(yè)條件和環(huán)境的限制，要求具有輕量化、便于攜帶、易操作和安全性好的特點(diǎn)，設(shè)計的具體技術(shù)要求如下。

(1) 覆蓋常用拉線規(guī)格的直徑范圍：8～20 mm。

(2)作業(yè)高度：0～20 m。

(3)移動速度：300 m/h，具有最大45°的爬坡能力，續(xù)航時間2 h。

(4)負(fù)載能力≥2 kg；本體質(zhì)量<8 kg。

(5)能提供足夠的附著在拉線上夾持力，防止墜落。

(6)控制方式：采用遠(yuǎn)程無線控制，遙控距離>100 m。

1.1 系統(tǒng)工作原理及組成

(1)輸電拉線除銹機(jī)器人基本工作原理。在驅(qū)動機(jī)構(gòu)的帶動下，使整個機(jī)器人在線上行走，并在機(jī)器人上搭載除銹模塊和刷漆防護(hù)模塊，在上升和下降的過程中完成除銹、清掃和刷漆工作，實(shí)現(xiàn)“行走、除銹、清掃、刷漆”為一體的多功能需求。

(2)系統(tǒng)組成。整體系統(tǒng)主要包括機(jī)械本體系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，基本架構(gòu)如圖1所示，其中機(jī)械系統(tǒng)作為功能實(shí)現(xiàn)的根本，主要是由行走系統(tǒng)、壓緊調(diào)節(jié)系統(tǒng)、除銹系統(tǒng)及刷漆系統(tǒng)組成，而運(yùn)動控制系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)及電源系統(tǒng)歸屬于控制系統(tǒng)。

圖1 輸電拉線除銹機(jī)器人的系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture of rust removal robot

1.2 機(jī)械系統(tǒng)本體設(shè)計

輸電拉線除銹機(jī)器人本體包括行走機(jī)構(gòu)、壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、除銹機(jī)構(gòu)以及刷漆機(jī)構(gòu)等。行走機(jī)構(gòu)和壓緊機(jī)構(gòu)分別與機(jī)架相連，行走機(jī)構(gòu)與壓緊機(jī)構(gòu)相配合，形成上下鎖合的結(jié)構(gòu)形式，完成與拉線的貼合，使得裝置在拉線上拆裝簡單快捷，且保證作業(yè)時的安全性和穩(wěn)定性。

1.2.1 行走機(jī)構(gòu)

要實(shí)現(xiàn)對拉線的自動除銹和噴漆，前提是要實(shí)現(xiàn)在拉線上的爬升和下行，采用輪式行走機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖2所示，為防止單輪打滑對運(yùn)動造成影響，并考慮機(jī)器在線上鎖緊的要求，行走機(jī)構(gòu)采用雙凹槽輪懸掛式結(jié)構(gòu)，擁有前后對稱布置的兩個行走輪。為簡化傳動鏈，行走輪采用帶減速器的直流無刷電機(jī)直接驅(qū)動。

拉線材質(zhì)為鍍鋅鋼絞線，行走輪采用高分子尼龍橡膠材料，行走輪與拉線之間的滾動摩擦因數(shù)f為0.4，裝置總質(zhì)量m為10 kg，拉線安裝傾角θ為45°，根據(jù)裝置的爬坡動力學(xué)原理進(jìn)行分析，受力分析簡圖如圖3所示。

圖2 行走機(jī)構(gòu)Fig.2 Walking mechanism

F為牽引力；Ff為摩擦阻力；G為裝置重力圖3 受力分析簡圖Fig.3 Diagram of force analysis

裝置以勻速運(yùn)動的方式沿拉線爬升時作用于行走輪的牽引力F應(yīng)為

F=mgsinθ+fmgcosθ

(1)

代入相應(yīng)參數(shù)，根據(jù)式(1)得F=97.02 N。

行走驅(qū)動電機(jī)所需的輸出扭矩T為

T=1.5Fr

(2)

式(2)中：r為行走輪的回轉(zhuǎn)半徑，為26 mm。

行走驅(qū)動所需的功率Pw為

(3)

式(3)中：n為行走輪的轉(zhuǎn)速，r/min。由爬線線速度300 m/h和行走輪回轉(zhuǎn)半徑26 mm，經(jīng)計算可得n為30 r/min。

行走驅(qū)動電機(jī)所需的功率P1為

(4)

式(4)中：K為安全系數(shù)，考慮超載或功耗波動等影響，取1.2；η為機(jī)械效率，取0.9。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)式(4)計算可得行走驅(qū)動所需的功率P1為15.8 W，由于設(shè)計選用雙電機(jī)雙輪驅(qū)動的方式，因此選擇直接帶有減速器的直流無刷電機(jī)兩個，型號為：XD-WS37GB3525，工作電壓24 V，負(fù)載電流0.6 A，功率為10 W，工作轉(zhuǎn)速30 r/min，可正反轉(zhuǎn)。

1.2.2 壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

為防止機(jī)器從線上掉落，確保安全，設(shè)計了壓緊機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)如圖4所示，在兩行走輪之間設(shè)置兩個壓緊輪，通過壓緊輪提供足夠的壓緊力來實(shí)現(xiàn)行走輪與線纜之前的充分貼合及預(yù)緊。針對不同拉線直徑及表面銹蝕情況，增加了螺紋連接的調(diào)節(jié)功能，壓緊力通過調(diào)整螺母來調(diào)節(jié)，可以適應(yīng)對不同直徑拉線的鎖緊。

圖4 壓緊調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)Fig.4 Compressing and adjusting mechanism

1.2.3 除銹機(jī)構(gòu)

除銹機(jī)構(gòu)主要由上下兩把除銹刷、兩個除銹驅(qū)動電機(jī)組成(圖5)。除銹刷可看成是一種多刃切削刀具，每根刷絲皆能進(jìn)行切削，在與拉線表面接觸的過程中，由于它們之間有擠壓力，利用驅(qū)動電機(jī)帶動除銹刷高速旋轉(zhuǎn)，通過它們之間的相對運(yùn)動，借助于鋼絲刷對拉線的連續(xù)摩擦和切削，達(dá)到除銹的目的。為適應(yīng)拉線圓柱表面的除銹，除銹刷在軸向方向做成內(nèi)凹型，上、下兩個鋼絲刷形成對刷，能更好地除去拉線表面的鐵銹，且不受行走速度的限制，可以連續(xù)或間斷性工作。由于很難分析達(dá)到最佳除銹效果的條件，實(shí)際除銹阻力要由試驗(yàn)確定，結(jié)構(gòu)設(shè)計先對除銹阻力進(jìn)行估算，假設(shè)除銹時刷子與拉線表面的最大正壓力為裝置自重G的1/3，于是有最大摩擦阻力F2為

(5)

式(5)中：G為裝置自重，為98 N；f′為滾動摩擦阻力因數(shù)，取0.3。根據(jù)式(5)可得F2=9.8 N。

圖5 除銹機(jī)構(gòu)Fig.5 Rust removal mechanism

最大摩擦阻力矩Mf為

Mf=F2R

(6)

式(6)中：F2為最大摩擦阻力，為9.8 N；R為平均阻力半徑，25 mm。根據(jù)式(6)可得Mf=0.245 N·m。

除銹驅(qū)動電機(jī)所需功率P2為

P2=Mfω

(7)

式(7)中：Mf為最大摩擦阻力矩，為0.245 N·m；ω為除銹刷轉(zhuǎn)動角速度，為31.4 rad/s，根據(jù)式(7)可得P2=7.69 W。

根據(jù)以上計算結(jié)果，選取帶減速器的無刷直流電機(jī)，型號為：XD-WS37GB3525，工作電壓24 V，負(fù)載電流0.6 A，功率Pd為10 W，工作轉(zhuǎn)速 300 r/min。

1.2.4 刷漆機(jī)構(gòu)

刷漆機(jī)構(gòu)如圖6所示，采用模塊化搭載被動刷漆的方式，包括儲漆盒、油漆刷、漆刷盒、固定拉板。當(dāng)儲漆盒注入油漆后，就會通過內(nèi)置漏網(wǎng)滲透到拉線表面，儲漆盒采用旋轉(zhuǎn)開合設(shè)計，既方便從拉線上拆裝，又可以使油漆被漏網(wǎng)接住，有利于油漆均勻散布于拉線表面。另外附加了漆刷盒，兼具清掃和刷漆功能，當(dāng)漆刷盒內(nèi)的油漆刷經(jīng)過時，可以把滴漏的油漆刷均勻。為了達(dá)到更好的刷漆效果，通過控制行走驅(qū)動電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)裝置在線上的上行和下滑行走，讓裝置在拉線上來回多運(yùn)行幾次，以便多刷幾道油漆，達(dá)到較好的防護(hù)效果。

圖6 刷漆機(jī)構(gòu)Fig.6 Painting mechanism

1.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成對機(jī)器人的啟動、爬升、下降回收、除銹作業(yè)的控制，由電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)和手持遙控系統(tǒng)構(gòu)成。采用4個24 V的可充電鋰電池分別給行走機(jī)構(gòu)和除銹機(jī)構(gòu)的4個驅(qū)動電機(jī)供電，驅(qū)動電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)、啟動和停止采用繼電器和限位開關(guān)來控制，根據(jù)設(shè)計要求對相關(guān)電氣設(shè)備和驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計，滿足了實(shí)際除銹作業(yè)的動作需求。為了方便投放和操作，整個機(jī)器人的工作過程采用手持無線遙控方式，設(shè)計了相應(yīng)遙控器，遙控器能發(fā)出8條指令，分別控制啟動、關(guān)機(jī)、爬升、下降、除銹等工作狀態(tài)，控制距離可達(dá)200 m，適應(yīng)野外作業(yè)需求，且操作方便快捷。

基于上述主要機(jī)構(gòu)的設(shè)計結(jié)果，考慮各功能模塊的合理布置，進(jìn)一步完成裝置整體布局設(shè)計，根據(jù)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和布局設(shè)計，采用SolidWorks三維軟件，對整個裝置系統(tǒng)進(jìn)行三維建模，并進(jìn)行虛擬裝配，最后得到拉線除銹機(jī)器人的三維實(shí)體模型如圖7所示。

圖7 拉線除銹人三維實(shí)體模型Fig.7 3D solid model of rust removal robot

2 輸電拉線除銹機(jī)器人動力學(xué)仿真分析

2.1 虛擬樣機(jī)模型的建立

基于上述建立的拉線除銹機(jī)器人的三維實(shí)體模型進(jìn)行動力學(xué)仿真，首先采用Parasolid格式導(dǎo)入ADAMS/View環(huán)境中，對導(dǎo)入模型后進(jìn)行適當(dāng)簡化。為減少約束的添加，提高仿真效率，在ADAMS中對獨(dú)立構(gòu)件進(jìn)行布爾運(yùn)算將其重新構(gòu)造成一個構(gòu)件，為同一種材料的構(gòu)件進(jìn)行布爾加運(yùn)算。然后對模型的各個構(gòu)件添加質(zhì)量和材料信息，盡量保證各個構(gòu)件的質(zhì)量與實(shí)際零部件的質(zhì)量相一致，以保證仿真的準(zhǔn)確性[10]。

為了能夠反映拉線除銹防護(hù)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動情況，對各個構(gòu)件約束的添加必不可少。在地面與拉索線兩端添加固定約束；行走輪、壓緊輪以及除銹刷輪存在旋轉(zhuǎn)副的地方添加旋轉(zhuǎn)副；在驅(qū)動輪與拉線之間、除銹刷與拉線之間存在接觸，分別添加接觸約束[11]。接觸參數(shù)設(shè)置見表1。

根據(jù)機(jī)器人爬升過程中的運(yùn)動及受力情況先進(jìn)行重力設(shè)置，通過設(shè)置不同的x、y和z值，模擬機(jī)器在傾斜拉線上的爬升情況；然后對各個驅(qū)動輪和除銹刷輪添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動以及添加各個輪與纜索之間的接觸力，還原機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動情況。最后建立了能夠反映設(shè)計特征參數(shù)的拉線除銹機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，如圖8所示。

表1 接觸參數(shù)設(shè)置Table 1 Setting of contact parameters

圖8 虛擬樣機(jī)Fig.8 Virtual prototype

2.2 動力學(xué)仿真分析

除銹機(jī)器人實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)比較復(fù)雜，很難通過虛擬樣機(jī)完全模擬，為簡化計算，提高仿真效率，做了如下假定：①由于拉線為鋼絞線，工作時始終處于拉緊狀態(tài)，因此假設(shè)纜索機(jī)器人各部件和拉線都是剛性的；②不考慮風(fēng)載的影響；③拉線始終處于繃緊狀態(tài)，不考慮其撓度的影響。通過如上假定，機(jī)器人的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)成為一個多剛體運(yùn)動學(xué)系統(tǒng)，并可以滿足仿真精度的要求。

設(shè)置仿真時間和步數(shù)，仿真時間t=10 s，steps=1 000。對機(jī)器人在45°傾斜角度拉線上的爬升運(yùn)動進(jìn)行仿真分析，通過動畫仿真可以看出，機(jī)器人整體運(yùn)動平穩(wěn)，并得到有關(guān)動力學(xué)仿真結(jié)果曲線如圖9所示。

由圖9(a)機(jī)器人質(zhì)心位移圖可以看出，位移是逐漸遞增的，說明機(jī)構(gòu)能沿著拉線持續(xù)爬升；由圖9(b)機(jī)器人質(zhì)心速度圖可以看出速度曲線啟動之初有波動，但從0.3 s開始總體呈現(xiàn)上升趨勢，約2 s 時到達(dá)峰值，之后基本維持在平均速度87.5 mm/s，只有小幅的波動，符合預(yù)定的爬升速度的要求，后期由于驅(qū)動扭矩的去除，速度開始加速下降。通過以上兩個運(yùn)動線圖說明整個機(jī)構(gòu)在拉線上能夠較穩(wěn)定地爬升，滿足設(shè)定的爬升速度要求，且沒有出現(xiàn)墜落和原地打滑的現(xiàn)象，由此可見機(jī)構(gòu)的理論分析和設(shè)計計算是正確的。

由圖9(c)機(jī)器人質(zhì)心加速度圖可以看出在啟動的瞬間由于速度的突變存在一定的沖擊，但啟動后，加速度整體峰值沒有產(chǎn)生明顯的波動，整體趨于0，說明機(jī)器人在拉線上行進(jìn)平穩(wěn)，證明了裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性。

由圖9(d)除銹刷接觸力線圖可以看出，除銹刷和拉線之間有持續(xù)的接觸力存在，雖然存在峰值波動但整體維持在穩(wěn)定的水平，說明二者能保持直接接觸，且能夠通過相對運(yùn)動產(chǎn)生摩擦力，從而達(dá)到除銹的效果，這符合除銹機(jī)器人沿拉線邊爬升邊除銹的工作要求。

3 輸電拉線除銹機(jī)器人試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計圖紙，制定合理的制造工藝和精度，進(jìn)行零部件制作，并進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的裝配以及電氣設(shè)備的安裝，得到了機(jī)器人的實(shí)物樣機(jī)，如圖10所示。

為驗(yàn)證實(shí)際使用效果，實(shí)地選擇拉線塔，進(jìn)行了現(xiàn)場除銹運(yùn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)在15 mm直徑的拉線上進(jìn)行，拉線傾斜度為45°左右，表面有比較明顯的銹蝕。試驗(yàn)場景如圖11(a)和圖11(b)所示，通過試驗(yàn)證明了機(jī)器人能夠穩(wěn)定地在拉線上爬升和下降，運(yùn)動平穩(wěn)，未出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、掉落等情況，并且可以連續(xù)或間斷地進(jìn)行除銹操作，整個過程實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。除銹對比效果如圖11(c)所示，可以看出該裝置具有較好的除銹效果，達(dá)到了設(shè)計和使用要求。

圖9 仿真分析結(jié)果線圖Fig.9 Diagram of simulation analysis results

圖10 除銹機(jī)器人的實(shí)物樣機(jī)Fig.10 Physical prototype of rust removal robot

圖11 現(xiàn)場試驗(yàn)圖Fig.11 Diagram of the scene simulation experiment

4 結(jié)論

(1)為解決在多規(guī)格、細(xì)長型、大傾角的輸電拉線上難以自動除銹防護(hù)的難題，設(shè)計并研制了一種新型拉線除銹防護(hù)機(jī)器人，該機(jī)器人集“行走、除銹、清掃、刷漆”多功能為一體，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作效率高、操作簡便、安全可靠的特點(diǎn)。

(2)基于SolidWorks和ADMAS建立了機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，通過動力學(xué)仿真分析驗(yàn)證了機(jī)器人本體機(jī)構(gòu)設(shè)計計算的合理性。

(3)通過實(shí)物樣機(jī)的現(xiàn)場試驗(yàn)，進(jìn)一步證明了設(shè)計方案的可行性和有效性，實(shí)現(xiàn)了拉線表面的自動除銹和防護(hù)，節(jié)省了線路運(yùn)維成本，而且防患于未然，保障了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，具有一定的推廣應(yīng)用價值。