輸電線路走廊下大型樹木遠(yuǎn)程帶電砍伐機(jī)器人

鄭孝干，楊毅豪，蔡金林，馮振波

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司福州供電公司，福建 福州 350009；2.國網(wǎng)福建省電力有限公司輸電帶電作業(yè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350002；3.福州億力電力工程有限公司，福建 福州 350004）

1 引言

高壓輸電線路作為整個(gè)電網(wǎng)的大動(dòng)脈，擔(dān)負(fù)著傳輸電能的重?fù)?dān)，其安全穩(wěn)定直接影響到電力系統(tǒng)的可靠性［1-2］。同時(shí)高壓線路具有檔距大、輸電距離遠(yuǎn)、線路走廊環(huán)境特征復(fù)雜、要求高等特點(diǎn)［3-4］。全國有數(shù)萬公里的高壓輸電線路穿梭在崇山峻嶺中，大型樹木的增長導(dǎo)致的安全距離不足嚴(yán)重威脅著線路的安全運(yùn)行，如線路發(fā)生接地故障、防雷性能下降等，對(duì)樹冠的放電也有可能引發(fā)山林火災(zāi)［5-6］。因此對(duì)線路走廊下安全距離過近的大型樹木的砍伐作業(yè)是提高電網(wǎng)可靠性的重要措施之一。目前，針對(duì)線路廊道下的問題，文獻(xiàn)［7］通過試驗(yàn)方式研究了（±800）kV 直流輸電線路對(duì)鄰近樹木影響，確定在運(yùn)線路與樹木的最小安全距離，而文獻(xiàn)［5］利用有限元的方法構(gòu)建了線路下樹木表面的電場(chǎng)模型，研究確定1100kV 特高壓直流輸電線路的樹木安全距離。文獻(xiàn)［8］利用圖像識(shí)別算法提取樹梢與帶電導(dǎo)線的距離用于預(yù)警。文獻(xiàn)［9］詳細(xì)分析了樹木對(duì)輸電線路的防雷擊效果的影響。在對(duì)危險(xiǎn)樹木的清除上，文獻(xiàn)［10-11］分別基于無人機(jī)激光雷達(dá)技術(shù)的構(gòu)建了輸電線路走廊書障預(yù)警平臺(tái)和清理方法，但這只能對(duì)樹冠細(xì)枝進(jìn)行清除，在特殊偏遠(yuǎn)的山區(qū)，電力運(yùn)維人員根本無法有效得進(jìn)行短時(shí)頻繁的缺陷跟蹤。因此對(duì)于大型樹木，目前是通過人工徒手近距離砍伐的方式進(jìn)行，但在電力系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)外曾發(fā)生過多起因砍伐樹木倒落造成的人身傷害事故［12-14］。作業(yè)人員在砍伐的過程中不僅要預(yù)防電鋸傷害、鋸子導(dǎo)板和鋸鏈被倒落的樹木壓砸彈跳等安全隱患對(duì)人身安全造成的威脅，同時(shí)還要時(shí)刻警惕判斷樹木倒落時(shí)機(jī)和自身安全撤離時(shí)機(jī)，這對(duì)作業(yè)人員的專業(yè)素質(zhì)有著很大的要求。若砍伐接近帶電導(dǎo)線的大型樹木時(shí)，對(duì)樹木倒向判斷失誤或人員撤離不及時(shí)，極有可能造成人身觸電或其他危險(xiǎn)情況，有文獻(xiàn)研究砍樹導(dǎo)向輔助鉤［15］來控制樹木砍伐方向，常規(guī)的對(duì)大型樹木的砍伐作業(yè)方式，需要運(yùn)維人員運(yùn)送登高竹梯和牽引裝置等大型設(shè)備進(jìn)入山區(qū)，花費(fèi)大量的人力物力。

因此，針對(duì)上述安全隱患、運(yùn)維人員技能專業(yè)要求等問題，這里通過機(jī)器人設(shè)計(jì)需求進(jìn)行機(jī)構(gòu)部件機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并融合樹木砍伐三角形原理、人機(jī)協(xié)同控制、視頻無線傳輸、APP 研發(fā)等技術(shù)，提出了一套基于Arduino mega2560芯片開發(fā)輸電線路走廊大型樹木遠(yuǎn)程帶電砍伐機(jī)器人的硬件機(jī)械及軟件的設(shè)計(jì)方案，該方案可在輸電線路帶電的情況下，通過遠(yuǎn)程可視化遙控的方式，控制裝有電鋸的機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)對(duì)大型樹木的砍伐，使作業(yè)人員遠(yuǎn)離樹木倒落范圍，不僅提高作業(yè)效率，而且大大提高大型樹木砍伐作業(yè)的安全性。

2 機(jī)器人設(shè)計(jì)需求

由于高壓輸電線一般處于山區(qū)，廊道下樹木多為不同直徑、不同品種的大型樹木，這要求機(jī)器人具備一定適應(yīng)性。同時(shí)為了便于輸電運(yùn)維人員攜帶，在重量和體積上也有所要求，因此綜合作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境及運(yùn)維人員作業(yè)需求，機(jī)器人應(yīng)具備特性，如表1所示。

表1 機(jī)器人具備的特性Tab.1 The Necessary Features for the Robot

3 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)組成

為了機(jī)器人可以滿足單人野外攜帶的需求，機(jī)器人采用可組裝設(shè)計(jì)，其可以拆分為伐木機(jī)構(gòu)、輔助部件和監(jiān)視控制三部分，具體的結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。

圖1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 The Mechanism Design of Robot

3.2 組件機(jī)械設(shè)計(jì)

輔助部件包括弧形分為弧形夾具、柔性抱箍兩部分組成。其功能主要是通過柔性抱箍將弧形夾具固定在樹干上，使得機(jī)器人懸掛于半空，柔性抱箍可根據(jù)不同直徑的樹木自由調(diào)節(jié)，長度范圍在（600～12000）mm。而弧形夾具采用7075航空鋁合金，其是一種冷處理鍛壓合金，強(qiáng)度高，遠(yuǎn)勝于軟鋼，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其長度單位為mm。

圖2 弧形夾具設(shè)計(jì)Fig.2 The Mechanism Design of Arc Fixture

動(dòng)作的執(zhí)行主要依靠伐木機(jī)，伐木機(jī)構(gòu)包括控制大臂、翻轉(zhuǎn)小臂、整機(jī)底座、伐木電鋸四部分，機(jī)器人利用控制大臂與翻轉(zhuǎn)小臂可實(shí)現(xiàn)電鋸任意角度的動(dòng)作路徑實(shí)現(xiàn)。其中控制大臂主要作用是控制伐木機(jī)械在X軸上水平移動(dòng)、Z軸上圓周旋轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3所示。而翻轉(zhuǎn)小臂由小臂和底座組成，主要作用是控制電鋸沿X軸上進(jìn)行進(jìn)刀和伐木之間85°翻轉(zhuǎn)，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖4所示。利用控制大臂和翻轉(zhuǎn)小臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)機(jī)器任意角度的作業(yè)。整機(jī)底座主要是伐木電鋸的承托平臺(tái)，使電鋸固定于翻轉(zhuǎn)小臂末端?？刂拼蟊?、翻轉(zhuǎn)小臂、整機(jī)底座材料均采用7075航空鋁合金。舵機(jī)是控制的是旋轉(zhuǎn)攝像頭的角度，保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況無死角的傳輸回后臺(tái)。

圖3 控制大臂設(shè)計(jì)Fig.3 The Mechanism Design of Arm

圖4 翻轉(zhuǎn)小臂設(shè)計(jì)Fig.4 The Mechanism Design of Whirling Arm

4 機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 機(jī)器人控制系統(tǒng)方案

機(jī)器人的本體控制采用的是Arduino mega2560 主控芯片，工作電壓為5V，它具有54路數(shù)字輸入/輸出口，其中，含有15路PWM 輸出口，15路模擬輸入，4路UART 接口，一個(gè)16MHz晶體振蕩器，14 路數(shù)字輸入輸出口，每一路能輸出和接入最大電流為40mA。機(jī)器人控制系統(tǒng)應(yīng)用中，將其中3個(gè)IO 上拉，用于接收限位開關(guān)的低電平信號(hào)。22-23IO 用于滑臺(tái)電機(jī)的PUL（脈沖）和DIR（方向）輸出，24-25IO 用于推桿電機(jī)的PUL（脈沖）和DIR（方向）輸出，26-27IO 用于翻轉(zhuǎn)電機(jī)的PUL（脈沖）和DIR（方向）輸出，IO30、IO32、IO33 分別初始化為低電平，連接繼電器用于控制電鋸的開關(guān)、保險(xiǎn)裝置以及切割開關(guān)。IO9 用于控制攝像頭的旋轉(zhuǎn)。4 路串口信號(hào)，其中，一路串口接收口與內(nèi)部ATmega8U2 USB-to-TTL 芯片相連，提供TTL 電壓水平的串口接收信號(hào)。其中，一組串口采用全雙工通訊方式，用于2.4g無線通訊端，接收RX 遙控端的命令信號(hào)，反饋TX 信息狀態(tài)。具體，如圖5所示。

圖5 機(jī)器人控制系統(tǒng)Fig.5 The Design of Robot Control System

無線圖傳采用TX-58600 發(fā)射機(jī)，該發(fā)射機(jī)緊湊結(jié)構(gòu)，體積小，發(fā)射功率大，采用大規(guī)模集成電路，可靠性高，并且內(nèi)置頻率鎖相環(huán)、具有低諧波輻射、高穩(wěn)定性，可支持5.8G視頻/音頻同步傳輸。攝像頭傳感器采用SONY CMOS IMX238，60幀720P高清（逐行掃描），130 萬像素彩色圖像傳感器，高彩色分辨率，高溫工作下，穩(wěn)定的暗電平，畫面清晰沒有豎紋。整個(gè)模塊采用的是5.8G無線圖傳，傳輸距離可達(dá)（800～2000）m，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)樹木砍伐距離要求。圖像傳輸攝像頭可實(shí)現(xiàn)上下左右四個(gè)方向進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保最大限度觀察現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況。

4.2 機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)包括了數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、數(shù)據(jù)采集、緊急停機(jī)等功能。在開機(jī)初始化時(shí)，拉高限位開關(guān)的IO 為高電平，當(dāng)電鋸到達(dá)限位，限位開關(guān)即會(huì)發(fā)出低電平信號(hào)，運(yùn)動(dòng)停止。程序同時(shí)復(fù)位滑臺(tái)、推桿、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的初始定位，以保證切割時(shí)的定位準(zhǔn)確。程序流程圖，如圖6 所示。在對(duì)機(jī)器人本體控制主要分為兩部分，一部分是對(duì)執(zhí)行切割動(dòng)作的電鋸的控制，主要通過PWM來控制位移電機(jī)和電鋸轉(zhuǎn)速，以達(dá)到精準(zhǔn)切割的效果，另一部分是攝像頭角度的調(diào)節(jié)，利用機(jī)器人本體的攝像頭角度控制電機(jī)來實(shí)現(xiàn)上下左右四個(gè)方向的調(diào)節(jié)，確保最大限度準(zhǔn)確反饋現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況給后臺(tái)。為了控制倒樹方向，電控程序電鋸的動(dòng)作是模擬樹木砍伐規(guī)程［16］規(guī)定中的核心步驟，如圖7所示。首先將砍伐機(jī)器人固定在合適位置并設(shè)定好參數(shù)后，然后對(duì)樹干先鋸下口，后鋸上口，下口的深度為樹木根部直徑的1/4—1/3，下口開口高度為其深度的1/2，宜開三角形下口，其角度為（30～45）°，深度為根徑的1/4。通過上述部分，使樹木倒向切割下口的方向。

圖6 機(jī)器人軟件程序流程圖Fig.6 The Flow Chart of Robot Program Designing

圖7 機(jī)器人砍伐動(dòng)作示意圖Fig.7 Schematic Diagram of Wood-Cutting by Robot

4.3 機(jī)器人操作平臺(tái)

機(jī)器臂的上位機(jī)控制平臺(tái)采用兩個(gè)模式，一種是采用Usart HMI串口屏控制，采用2.4G頻段，杜絕高壓低頻干擾，其界面，如圖8（a）所示。

圖8 上位機(jī)控制平臺(tái)Fig.8 The Upper System of Control Platform

該模式為電力運(yùn)維人員主要選擇的操作模式；另一種是做為前者的后備應(yīng)急措施，采用WIFI無線與手機(jī)APP連接的模式，這種模式由于采用低功率WIFI發(fā)射模塊，所以在距離有所限制，由于只是作為備選使用，因此軟件配置上只是滿足于基本需求，其操作界面，如圖8（b）所示。

5 機(jī)器人樣機(jī)試驗(yàn)

根據(jù)前述設(shè)計(jì)方案制作實(shí)物，其成品，如圖8所示。其中，控制大臂實(shí)物，如圖9（a）所示。小臂及小臂底座實(shí)物，如圖9（b）所示。

圖9 機(jī)器人金具樣品Fig.9 The Prototype of Hardware

通過各部件組裝，機(jī)器人樣機(jī)，如圖10所示。這里分別對(duì)不同直徑的樹木進(jìn)行功能性驗(yàn)證，并測(cè)試了定制軌跡等功能試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，首先對(duì)作業(yè)點(diǎn)進(jìn)行確認(rèn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行分析，然后將弧形夾具安裝在伐木作業(yè)面樹干上，用柔性抱箍將夾具固定在樹干上，并收緊。同時(shí)將控制大臂、電鋸等部件組裝固定完畢，最終檢查安裝、接線情況確認(rèn)無誤，開始切割，安裝過程，如圖11所示。機(jī)器人先于樹干一側(cè)割一個(gè)下口，再于另一側(cè)切割下口，具體切割方法見章節(jié)4.2。同時(shí)通過遠(yuǎn)程終端實(shí)時(shí)監(jiān)控切割畫面細(xì)節(jié)，如圖12所示。圖中可以看出機(jī)器人可以有效對(duì)樹木進(jìn)行砍伐。機(jī)器人在進(jìn)行智能砍伐與傳統(tǒng)人工砍伐相比，由于不需要搬運(yùn)登高竹梯和牽引裝置、電力運(yùn)維人員在安全范圍內(nèi)遠(yuǎn)程進(jìn)行切割，線路不停電，同時(shí)對(duì)人員專業(yè)素質(zhì)要求不高，可以有效避免在帶電線路下進(jìn)行作業(yè)所引發(fā)的人員傷亡事故風(fēng)險(xiǎn)。傳統(tǒng)作業(yè)方式需要多（2～3）名工人，而這里所設(shè)計(jì)的機(jī)器人只需要一個(gè)作業(yè)人員遠(yuǎn)程操控即可，因此機(jī)器人切割在安全性、效率性、成本性上都有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，樣機(jī)已在國網(wǎng)福建省電力有限公司國網(wǎng)福州供電公司轄區(qū)內(nèi)220kV 中榕Ⅰ路、220kV 中榕Ⅱ路、110kV北西線等線路開展應(yīng)用，通過現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員實(shí)踐表明，機(jī)器人相對(duì)于傳統(tǒng)人工砍伐具有一定的優(yōu)越性。

圖10 遠(yuǎn)程可視化帶電砍伐機(jī)器人樣機(jī)Fig.10 The Principle Prototype of Robot

圖11 設(shè)備安裝過程Fig.11 The Process of Installing Equipment

圖12 遠(yuǎn)程監(jiān)控畫面Fig.12 Display of Remote Monitoring

6 結(jié)論

這里介紹一種可實(shí)現(xiàn)線路不停電方式下，對(duì)輸電線路廊道下大型樹木進(jìn)行遠(yuǎn)程智能砍伐的機(jī)器人，首先分析了輸電線路廊道下的大型樹木砍伐作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)和作業(yè)需求，確定了機(jī)器人應(yīng)具備的特性，其次利用無線遠(yuǎn)程傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)傳送切割畫面，結(jié)合樹木三角形砍伐原理、人機(jī)協(xié)同控制技術(shù)，通過上位機(jī)控制平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)機(jī)器人還設(shè)計(jì)了合理的控制方案和電源配置方案。最后通過對(duì)樣機(jī)的測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）樣機(jī)可適用樹干最大直徑為800mm的樹干砍伐作業(yè)；（2）監(jiān)控圖像傳輸距離最大可達(dá)2000m，最佳作業(yè)為1600m范圍內(nèi)；圖像儲(chǔ)存時(shí)長最大可達(dá)250min；（3）樣機(jī)組裝后旋轉(zhuǎn)臺(tái)長度393mm，寬度121mm，高度229mm，總重量為5.795kg；主機(jī)長度451mm，寬度217mm，高度225mm，總重量為7.410kg；除電鋸?fù)猓D(zhuǎn)臺(tái)與主機(jī)可拆卸元件單體最大重量為2.98kg；（4）樣機(jī)整體外殼采用7075航空鋁合金，滿足防爆要求。電能管理系統(tǒng)，電鋸采用80V、5AH大容量鋰電池獨(dú)立供電；24V主機(jī)電源采用容量為10.8AH聚合物6串電池組供電；（5）經(jīng)實(shí)際在220kV中榕Ⅱ路、110kV北西線的線路環(huán)境中對(duì)樣機(jī)試用，在對(duì)樹冠較為靠近帶電輸電線路作業(yè)時(shí)，線路可采取不停電方式，人員可以有效控制在安全距離外。綜上所述，這里所設(shè)計(jì)的機(jī)器人樣機(jī)具備表1所列機(jī)器人特性，可以滿足輸電運(yùn)維作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境與作業(yè)人員的需求。同時(shí)砍樹機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用，可以有效避免在帶電線路廊道下砍伐大型樹木對(duì)電力運(yùn)維人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，并且輕便可組裝的設(shè)計(jì)也可以滿足運(yùn)維人員巡檢攜帶的需求，可以很好有效替代人工砍伐作業(yè)。