輸電線路樹木修枝機械的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

金勛俊， 李端玲

(陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

我國電力事業(yè)的不斷發(fā)展為許多偏遠(yuǎn)地區(qū)提供了電力服務(wù)，但與此同時輸電線路附近生長過高的樹木也為線路的安全運行帶來了很大的隱患，每年因樹木接觸下相導(dǎo)線從而造成電路短路、森林火災(zāi)和人畜觸電傷亡等事故時有發(fā)生，并且由樹木引起的輸電線路事故都會給電力部門造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。以廣東云安縣為例，2017年電路事故中因樹木造成的故障占21%，投入搶修車輛及維護人員分別達(dá)325車次和1 672人次，清理線路附近樹木65 820棵，砍伐竹子71 123棵，不僅耗費大量人力、物力與財力，更為電力供給的安全性及可靠性帶來巨大挑戰(zhàn)[2]。

為解決因樹木引起輸電線路發(fā)生電路事故的問題，通常需要對這些樹木進行修剪或整株砍伐，這稱之為樹障清理，但整株砍伐容易引起經(jīng)濟糾紛，所以常對樹木進行樹枝修剪作業(yè)。傳統(tǒng)的樹障清理工作主要由人工手持刀具、手鋸或油鋸，通過樹木攀爬登高作業(yè)、搭乘斗臂車高空作業(yè)或通過延長桿等方式完成，但人工清理樹障存在工作效率低、勞動強度大和人員高處墜落及觸電風(fēng)險等問題[3-4]，人工修枝如圖1所示。解決上述問題的有效措施是使用機械修枝代替人工修枝，機械修枝不僅可以提高工作效率，減小人員勞動強度和傷亡風(fēng)險，還能夠降低人工成本，以及極大的提高電力供給的安全性和可靠性。

圖1 人工修枝作業(yè)

目前，輸電線路樹木修枝機械主要分為四種，即車載式、空中平臺式、沿線路行走式和沿樹干攀爬式[5]，本文對這四種修枝機械的研究現(xiàn)狀進行了闡述，對其各自的優(yōu)缺點進行了分析，最后針對輸電線路樹木修枝機械現(xiàn)有的問題進行了探討，并對其今后的發(fā)展方向進行了展望。

1 輸電線路樹木修枝機械的研究現(xiàn)狀

1.1 車載式修枝機械

車載式修枝機械出現(xiàn)較早，其結(jié)構(gòu)主要由地面運輸平臺、機械臂和末端修剪工具等構(gòu)成，地面運輸平臺多為車輛，工作過程一般是先由操作人員駕駛運輸平臺將機械臂運送至樹障附近，再操縱機械臂調(diào)整其位姿使機械臂末端的修剪工具到達(dá)修剪點，最后由修剪工具清理樹枝完成清障作業(yè)。

國外對車載式修枝機械的研究和應(yīng)用較早，如Dixon R E[6]等設(shè)計了一款名為“Right-Of-Way”的樹木修剪機器人，如圖2所示，該機器人的機械臂由多段鉸接式吊桿組成并安裝于運載車輛上，機械臂末端安裝有由一排圓盤鋸組成的修剪工具，這款機器人主要用于清理農(nóng)村地區(qū)輸電線路附近的樹枝。美國Goldenberg A[7]等設(shè)計了一種樹障清理機器人，如圖3所示，該機器人具有兩個超長的大臂，在大臂末端安裝有兩個分別具有3自由度和6自由度的小臂，其清理樹枝的高度可達(dá)到15 m。美國TerraTech公司設(shè)計了一種樹障清理機械手[8]，如圖4所示，該機械手具備多種功能，除了可切割樹枝，還具有夾持裝置用于防止清理掉的樹枝倒向線路，另外還安裝有一個化學(xué)噴頭用于噴灑除草劑。

圖2 “Right-Of-Way”的樹木修剪機器人

圖3 Goldenberg A樹障清理機器人

圖4 TerraTech機械手

鄭子杰[9]等發(fā)明了一種基于多軸機械臂升降平臺的輸電線路樹障清理裝置，如圖5所示。該裝置的結(jié)構(gòu)主要由升降平臺、升降裝置、多自由度機械臂和末端作業(yè)工具組成。升降平臺可根據(jù)地面的傾斜度調(diào)整自身角度，使整個裝置始終處于豎直狀態(tài)，升降裝置可將多自由度機械臂提升至一定高度，機械臂在調(diào)整位姿后，使用末端作業(yè)工具完成樹障清理。

圖5 多軸機械臂升降平臺樹障清理裝置

1.2 空中平臺式修枝機械

空中平臺式修枝機械是指使用空中機器人作為空中平臺搭載修剪工具實現(xiàn)樹障清理的修枝機械，空中機器人一般是無人機和直升機，其具有自我感知和自主執(zhí)行任務(wù)的能力。空中平臺式修枝機械的結(jié)構(gòu)一般由空中機器人、連接裝置和末端修剪工具等組成，工作過程一般是由操作人員遠(yuǎn)程控制空中機器人將修剪工具運送至樹障附近，然后由修剪工具完成樹障清理。

Molina J等[10-11]基于多旋翼空中機器人平臺開發(fā)了一種樹障清理機器人，如圖6所示。該機器人主要由空中機器人平臺、懸掛裝置和圓鋸構(gòu)成，在清理樹枝之前，機器人先飛行到目標(biāo)樹枝下方，再通過懸掛裝置懸掛在樹枝上，隨后用圓鋸切斷樹枝完成樹障清理，該機器人設(shè)計懸掛裝置的目的是減少飛行時間從而增加續(xù)航時間。在此基礎(chǔ)上，Molina J等人[12]根據(jù)樹障清理的實際任務(wù)環(huán)境，通過參數(shù)計算設(shè)計了圓鋸尺寸并確定了該懸掛式空中樹障清理機器人的操作流程，最終進行了真實環(huán)境下的樹枝切割實驗，實現(xiàn)了對3 cm直徑樹枝的有效切割。

圖6 Molina J樹障清理機器人

南京航空航天大學(xué)的常樂[13]設(shè)計了一種吊掛刀鋸式結(jié)構(gòu)的樹障清理空中機器人TBCARSS，并對該機器人的飛行控制技術(shù)進行了研究，包括機器人的姿態(tài)和位置控制及刀鋸的擺角控制，設(shè)計了相應(yīng)的控制器并通過樹障清理實驗驗證了控制方案的合理性。李捷文[14]對一種空中樹障清理機器人的刀具系統(tǒng)進行了研究，在刀具結(jié)構(gòu)方面設(shè)計出單鋸、雙鋸和可轉(zhuǎn)動刀具結(jié)構(gòu)，并根據(jù)不同種類的樹木設(shè)計出不同參數(shù)的圓盤鋸，然后對刀具的控制系統(tǒng)進行了研究和設(shè)計，最后將刀具和空中機器人的控制系統(tǒng)相結(jié)合，通過實驗證明了該樹障清理機器人具有良好的清障效果。王少輝[15]開發(fā)了一款用于樹障清理的空中機器人COAR，如圖7所示。王少輝設(shè)計了COAR的整體結(jié)構(gòu)，然后對機器人在作業(yè)過程中受到的擾動情況進行了分析，并設(shè)計了具有魯棒性的位姿控制器，最后搭建COAR樣機驗證了COAR進行樹障清理的可行性。

圖7 COAR樹障清理機器人

1.3 沿線路行走式修枝機械

沿線路行走式修枝機械一般由移動平臺、連接裝置和末端修剪工具等構(gòu)成。移動平臺需與導(dǎo)線構(gòu)成等電位，并可以運載整機設(shè)備沿線路行走，在進行修剪作業(yè)時，移動平臺作為設(shè)備的支撐平臺，連接裝置需具備絕緣能力并決定設(shè)備的工作范圍。沿線路行走式修枝機械的工作過程一般是先由移動平臺攜帶作業(yè)設(shè)備沿線路行走，到達(dá)修剪區(qū)域后，移動平臺與電線固定，然后連接裝置調(diào)整位姿使末端修剪工具到達(dá)工作位置，最后由修剪工具清理樹枝完成清障作業(yè)。

Chao Li[16]等提出了一種五自由度串聯(lián)剪枝機器人。Chao Li等在應(yīng)用Denavit-Hartenbreg(D-H)法對機器人的機械手建立模型后，對其求解出運動學(xué)正解和逆解，并運用Monte Carlo(蒙特卡羅)方法得到了剪枝機器人的工作空間，然后在工作空間內(nèi)進行了軌跡規(guī)劃仿真來確保剪枝過程中機械手的工作平穩(wěn)性，最終驗證該剪枝機器人可以靈活地清理1～1.5 m范圍內(nèi)的樹枝。姜鵬[17]等設(shè)計了一種沿220 kV帶電線路行走的修枝機器人，如圖8所示。姜鵬等根據(jù)架空輸電線路設(shè)計規(guī)范確定了修枝機器人的作業(yè)空間，再根據(jù)作業(yè)空間得出機器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后對機器人連接裝置中的絕緣臂進行了最優(yōu)化處理以減輕質(zhì)量，并利用ABAQUS對絕緣臂進行有限元分析以保證其結(jié)構(gòu)滿足強度及剛度要求，最后通過樣機實驗驗證該機器人具備沿220 kV帶電線路修枝的能力。

圖8 220 KV帶電線路修枝機器人

徐志翔[18]等提出了一種新的超長絕緣臂修枝機器人構(gòu)型，并設(shè)計了一款用于修剪樹枝的末端組合工具，如圖9所示，考慮到修枝機器人在修剪樹枝時可能發(fā)生機身翻轉(zhuǎn)問題，因此在移動平臺下方加入了重心調(diào)節(jié)裝置，最后對機器人進行了典型工況的運動仿真和運動學(xué)與動力學(xué)特性分析，為后期優(yōu)化設(shè)計提供了參考。張黎等[19]針對220 kV帶電線路樹枝修剪作業(yè)設(shè)計了一款修枝機器人，如圖10所示，根據(jù)“線—樹”安全距離、架空線下樹木生長規(guī)律和修剪頻率等條件確定了機器人構(gòu)型，然后應(yīng)用MATLAB建立機器人仿真模型，并對作業(yè)空間、逆運動學(xué)及軌跡規(guī)劃進行仿真分析，最后通過樣機實驗證明可鋸切5 cm的樹枝。

圖9 超長絕緣臂修枝機器人

圖10 BTR修枝機器人

1.4 沿樹干攀爬式修枝機械

沿樹干攀爬式修枝機械的結(jié)構(gòu)一般由爬升機構(gòu)和末端修剪工具等組成，爬升機構(gòu)是這類修枝機械的設(shè)計要點，其很大程度上決定了修枝機械的攀爬速度和適應(yīng)性以及清障效率。

Ueki S[20]等設(shè)計了一種模仿伐木工人爬樹方式的修枝機器人，如圖11所示。該機器人配備了四個具有非反向驅(qū)動特性的輪子，每一個輪子都由直流伺服電機驅(qū)動，機器人可沿樹干直線或螺旋方式向上攀爬。Ueki S等在室內(nèi)使用直徑0.25 m、摩擦系數(shù)0.4的樹干作為對象對修枝機器人進行了基本性能評估、不均勻表面穩(wěn)定性評估及修枝可行性等實驗，實驗結(jié)果表明該修枝機器人各項性能表現(xiàn)良好。Ishigure Y[21]等設(shè)計了一種具有節(jié)能鏈鋸驅(qū)動的修枝機器人，如圖12所示，該機器人由爬升機構(gòu)、姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)和剪枝機構(gòu)等構(gòu)成，總重13 kg。爬升機構(gòu)中的四個主動輪都裝有轉(zhuǎn)向裝置，在樹干上沒有樹枝間隔時能以0.25 m/s的速度直線攀爬，當(dāng)有樹枝間隔時能以0.02 m/s的速度螺旋攀爬，姿態(tài)調(diào)整機構(gòu)可以調(diào)整機器人在攀爬和剪枝過程中出現(xiàn)的傾斜角度，剪枝機構(gòu)具有防咬合、鏈鋸姿態(tài)調(diào)整和低摩擦等功能及特性，并且節(jié)能鏈鋸可以減少34%的電力消耗。

圖11 Ueki S修枝機器人

圖12 節(jié)能鏈鋸修枝機器人

Guang-Hua Fu[22]等針對速生林設(shè)計了一種修枝機器人，如圖13所示。該機器人由爬升機構(gòu)、轉(zhuǎn)臺機構(gòu)和剪枝機構(gòu)構(gòu)成，總重40 kg，可攀爬直徑150 mm～350 mm的樹干，爬樹速度20 mm/s，最大修剪直徑30 mm，機器人動力由24 V直流電池提供，該機器人可快速修剪樹干側(cè)枝，能夠滿足速生林修剪作業(yè)實際要求。朱和平[23]等發(fā)明了一種結(jié)構(gòu)新穎的蛇形修枝裝置，如圖14所示，該裝置主要由兩部分構(gòu)成，包括爬行機構(gòu)和修剪機構(gòu)，爬行機構(gòu)由多個通過關(guān)節(jié)軸連接的蛇節(jié)構(gòu)成，關(guān)節(jié)軸處設(shè)有關(guān)節(jié)扭簧且每個蛇節(jié)都裝有車輪，修剪機構(gòu)安裝于爬行機構(gòu)頂部，修剪工具主要是刀片。清理樹障時，需要爬行機構(gòu)繞樹干往上攀爬至指定位置，然后由修剪工具完成清障作業(yè)，該裝置對樹干的通直度要求很高，且只能螺旋攀爬，所以攀爬速度和清障效率很低。

圖13 速生林修枝機器人

圖14 蛇形修枝機器人

1.5 四種修枝機械的優(yōu)缺點分析

上述四種輸電線路修枝機械由于結(jié)構(gòu)特性等原因都具有各自的優(yōu)勢與局限性，在實際應(yīng)用中可根據(jù)各自的優(yōu)缺點選擇合適的類型。車載式修枝機械具有作業(yè)時間長、負(fù)載能力大和效率高等優(yōu)點，但制作成本較高，工作環(huán)境限制大，不適用于密林及地形復(fù)雜的區(qū)域；空中平臺式與車載式修枝機械相比，最大的優(yōu)勢在于不受地形限制，但其續(xù)航時間短、負(fù)載能力小，進行切割作業(yè)時存在碰撞和飛行不穩(wěn)定的問題；沿線路行走式修枝機械同樣不受地形限制，且清障效率較高，但控制較為復(fù)雜，存在行走及修枝過程中設(shè)備重心不穩(wěn)定從而可能發(fā)生傾翻的問題；沿樹干攀爬式修枝機械運輸方便，清障效率較快，但對樹干的通直度要求很高，所以適用于某些特定樹種的修枝作業(yè)。

2 輸電線路樹木修枝機械現(xiàn)存的問題及展望

2.1 現(xiàn)存的問題

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，目前我國對輸電線路樹木修枝機械的研究多集中于理論研究與試驗驗證，且取得了一定的成果，但想要應(yīng)用于實際還存有許多問題尚未解決：

(1)輸電線路修枝機械多在野外工作，其應(yīng)該具備長時間工作的能力，而空中平臺式、沿線路行走式和沿樹干攀爬式等修枝機械多用電力作為動力來源，其續(xù)航時間難以滿足工作要求；

(2)障礙樹枝的材質(zhì)和尺寸多種多樣，針對不同的材質(zhì)和尺寸應(yīng)使用不同的末端作業(yè)工具，這樣可以提高修枝效率和延長作業(yè)工具的使用壽命，但目前各種修枝機械的末端作業(yè)工具種類較為單一；

(3)輸電線路修枝機械對障礙樹枝的識別與定位仍依靠人工，這導(dǎo)致修枝機械的自動化程度仍舊不高。

2.2 展望

針對以上存在的問題，現(xiàn)提出以下幾點建議供輸電線路修枝機械未來的研究作為參考。

(1)多措施并用以延長續(xù)航時間。如使用新型電池代替?zhèn)鹘y(tǒng)電池；優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)，在滿足功能需求的情況下盡可能使機械結(jié)構(gòu)簡單化；選用質(zhì)量較輕且滿足功能要求的材料來降低設(shè)備重量等。

(2)末端作業(yè)工具多功能化和集成化。用于修枝的末端作業(yè)工具可以分為三種，包括鋸、剪和旋轉(zhuǎn)刀具，鋸片一般用于鋸切直徑較大、材質(zhì)較硬的樹枝，剪一般用于剪切細(xì)而脆的樹枝，旋轉(zhuǎn)刀具一般用于切割材質(zhì)較軟的樹枝[24]，將這三種工具集成配備于修枝機械使其末端作業(yè)工具多功能化，則對障礙樹枝的清理效率和適應(yīng)性將大大提高。另外設(shè)計末端作業(yè)工具時應(yīng)考慮機械結(jié)構(gòu)(大小、形狀、重量)和動力來源(電動、液壓、氣動)[25]，所設(shè)計的末端作業(yè)工具應(yīng)緊湊而輕便，同時需考慮到與攝像機和傳感器等其他部件的集成性。

(3)應(yīng)用機器視覺技術(shù)進行樹枝的自動識別與定位。機器視覺作為一種有效的分枝檢測技術(shù)，在過去被廣泛應(yīng)用于各種果樹修枝過程中，機器視覺在修枝過程中主要完成樹的三維重建、分枝檢測和剪枝點定位等任務(wù)，因此也可用于輸電線路的樹枝修剪過程[26]。樹的三維重建可為修枝機械提供許多關(guān)鍵信息，包括樹干和樹枝的外觀、直徑、方向和結(jié)構(gòu)等，分枝檢測可確定障礙樹枝的位置，剪枝點定位可確定修剪工具的作業(yè)點，因此將機器視覺技術(shù)應(yīng)用于輸電線路修枝機械可提高其自動化程度。

3 結(jié)束語

本文闡述了研究輸電線路修枝機械的重要意義，對現(xiàn)在常見的四種輸電線路修枝機械的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和各自的優(yōu)缺點進行了分析，并探討了輸電線路樹木修枝機械現(xiàn)存的問題，最后根據(jù)現(xiàn)存的問題提出了未來研究展望。根據(jù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，我國輸電線路樹木修枝機械化與自動化水平還不高，需要解決的問題還很多，距離大規(guī)模實際應(yīng)用還有一定的距離。常見的車載式、空中平臺式、沿線路行走式和沿樹干攀爬式等修枝機械由于結(jié)構(gòu)特性等原因都具有各自的優(yōu)勢和局限性，合理利用其優(yōu)勢和完善解決其局限性對樹障清理十分重要，另外在續(xù)航時間、末端作業(yè)工具多功能化和集成化以及應(yīng)用機器視覺技術(shù)提高修枝機械的自動化程度等方面還需要進一步研究。