一種在架空導線上行走的單履帶機器人

湯春俊，許 劍，劉田野，毛水強，陳溫奇，胡 驍

(1.金華送變電工程有限公司,浙江 金華 310016) (2.金華鉑騰科技有限公司,浙江 金華 310016)

1 項目背景及現狀

架空高壓輸電線路是電力工業的大動脈。隨著輸電線路向山區、邊遠地區延伸，對架線施工裝備的智能化與自動化的要求不斷提高。在架線施工中，存在一些與輸電導線自身相關的作業工序。例如，緊線作業過程中對觀測檔的導線弧垂進行觀測、緊線完成后對交叉跨越安全距離進行驗收、導線上指定間距噴印標記來指導間隔棒的放置、導線上拉網等等。當前，這些作業工序基本依賴人工完成，需要專業的現場人員及儀器，有時必須通過攀爬導線來開展高空作業(如圖1所示)，加大了勞動強度及人員傷亡的風險。

圖1 架空輸電線路線上的人工作業

為提升以上這類作業工序的自動化水平，需要研制一種適合在施工階段的導線上行走的機器人來開展各種作業活動。

根據行業調查與文獻研究[1-6]，現有在線路上行走的機器人大多應用于巡線作業。巡線機器人一般是在已拉緊的導地線上行走，其主體結構的設計重點是實現機器人的動作多樣性與桿塔翻越功能，并不適合在起伏坡度較大、尚未拉緊且易隨風擺動的導線上作業。

本文所提出及研制的導線行走機器人，強調其在導線上行進時的動力性、可靠性與安全性，需具備足夠的爬坡能力與附著于導線的能力。此外，在架線施工中，兩相鄰鐵搭之間的導線上可能存在接續管，其外徑比導線大，要求行走機器人能翻越接續管。

2 機器人的總體方案與行走驅動的設計計算

本文針對輸電線路架線施工中所存在自動化需求，提出了一種單履帶式導線行走機器人的總體方案，使其可在施工階段的輸電線路上行走并完成各項測量、牽引等作業，進而開展詳細設計與計算。

行走機器人的關鍵功能與指標描述包括如下方面：

1)行走時不損傷鋁導線表面；

2)在導線上行走速度無級可調，并可達到2.5km/h；

3)可在較大坡度的導線上啟、停與巡航，爬坡能力最高可達45°；

4)可越過導線上的接續管(接續管的直徑最大為導線直徑的2倍)；

5) 能應對5級風速下的導線擺動；

6) 續航里程超過3km。

該機器人的組成部分如圖2所示。

圖2 行走機器人組成結構

導線行走機器人各部分的詳細設計具體闡述如下。

2.1 行走機構

行走機構是實現機器人在導線上行進的關鍵部分。鑒于目前主流的架空輸電線路采用鋼芯鋁導線，行走機構需避免對材質較軟的鋁導線表面造成損傷，且其結構設計應遵循緊湊、整體減重的原則。行走機構的組成如圖3所示。

1—電機；2—減速機；3—驅動輪；4—支撐輪；5—導向輪；6—測速傳感器

2.1.1結構材料的選擇

為有效減重，框架結構梁采用7075鋁合金，驅動輪、支撐輪以及導向輪均采用MC尼龍。

2.1.2行走部件

與導線接觸的部分采用單條橡膠履帶，可有效保護導線表面免受硬刮傷。

2.1.3附著于鋁導線的機能設計

采用兩組壓緊滾輪，分別布置于履帶前后兩端對應的導線下方。

壓緊滾輪組包括拉緊彈簧、滾輪、掛鉤與連桿(如圖4所示)。此結構將履帶與滾輪分置于導線的上下兩側，并形成施加于導線的壓緊力。 通過改變壓緊力的大小，可以調節橡膠履帶與導線之間可產生的最大附著力。

圖4 壓緊滾輪組成與結構

導線下方的壓緊滾輪為自帶滾動軸承的自由輪，它雖承受來自導線的徑向推力并在軸承上產生一定的滾動阻力扭矩， 但該阻力扭矩顯著低于導線對滾輪施加的摩擦產生的動力扭矩。 因此，機器人在線上行走時，導線與滾輪不會產生相對滑動，避免作業過程中對導線的滑動磨損。

壓緊滾輪的輪槽采用大、小兩段圓弧輪廓設計，下端的小圓弧輪槽與導線輪廓一致并可靠接觸，使導線成為機器人行走的“軌道”，有效防止走偏。此外，壓緊滾輪的上端大圓弧輪廓以及掛鉤與拉簧可解決機器人在導線上行走時翻越接續管的難題。在行走機構通過接續管時，壓緊滾輪上的拉簧被拉長，接續管外緣與滾輪上的大圓弧輪槽接觸，而滾輪兩側的掛鉤可圍繞掛鉤掛點自由轉動。掛點處的銅套與掛鉤形成滑動副，減少旋轉摩擦阻力。

2.1.4將機器人安置于導線的過程

先將履帶結構放置在導線上，將前后兩組壓緊滾輪的兩側掛鉤分別掛入履帶支撐梁兩側的銅套上，然后將滾輪兩側的拉簧拉伸后與履帶機構上的掛點對接。如圖4(b)所示，在拉簧的拉力作用下，履帶、導線與壓緊滾輪三者順次接觸并壓緊，從而使行走機構與導線可靠貼合。

2.2 行走驅動與控制

行走機構的驅動力由直流無刷電機提供，并通過減速機調節至所需的輸出扭矩與轉速，減速機輸出軸與驅動輪連接，驅動輪直接驅動橡膠履帶，完成功率傳遞。減速機輸入軸與輸出軸成90°，使電機本體與履帶相平行，有效控制了機構的寬度。

地面部分可通過無線通訊來遙控機器人的啟、停與巡航，并可在線調節行進的速度；與此同時，操作人員可通過地面部分的計算機顯示屏實時獲取線上行走機器人經由無線通訊傳來的反饋信息(如行走速度、其他測量數據、圖像等)。

2.3 行走力學分析與傳動鏈校核計算

行走驅動的傳動鏈直接決定了機器人在導線上行走可達到的牽引力與行進速度。在履帶特性、驅動輪結構尺寸選定的情況下，影響傳動鏈的關鍵設計參數為拉簧的拉力、電機與減速機的參數。進行傳動鏈計算及部件選型所依據的行走力學分析如圖5所示。

G—機器人自重；F1—拉簧拉力；f—履帶與導線之間的靜摩擦力；α—設計最大爬坡角度

將機器人所附著的導線近似為一個具有指定角度的 “斜坡”，機器人靜止在“斜坡”上時，履帶與導線之間的靜摩擦力f與機器人沿斜坡向下的自重分力Gsinα達到平衡并等值。若履帶與導線之間由機器人自重分力Gcosα所產生的靜摩擦力Gcosα小于Gsinα時，履帶將相對導線滑動。為避免產生滑動，需利用拉簧額外施加的拉力F1來增大履帶與導線之間的壓力，從而增大f的允許值，即

f=μ靜(F1+Gcosα)

(1)

式中:μ靜為履帶與導線的靜摩擦系數。

則拉簧拉力為：

(2)

理論上，拉簧施加的拉力F1只需能避免履帶相對導線下滑即可。取f=Gsinα，則可算出所需F1的最小值。在實際中，拉簧拉力可在此最小值基礎上增加適當的余量。

另一方面，若設計擬達到的機器人行進速度為v，履帶與導線的接觸半徑為r，則可根據式(3)、(4)算出所需的減速機輸出轉速nR以及電機輸出轉速nM。

(3)

nM=nRi

(4)

式中:i為減速機的速比。

另外，根據本文2.2所述，減速機輸出軸與驅動輪直連并驅動履帶，其輸出扭矩為機器人提供了主動牽引力。機器人的行駛阻力則包含爬坡阻力(自重分力Gsinα)、履帶與導線間的滾動阻力等。為使機器人能在設計最大坡度的導線上持續行駛，必須確保牽引力超過最大行駛阻力，則可由此得出減速機的輸出扭矩TR。

(5)

式中：FX為滾動阻力，可采用試驗方式來估算，可將機器人放置于無坡度的導線上，并測試其被拖行所需的力。

進一步可得出電機所需的輸出扭矩TM：

(6)

電機所需輸出功率PM：

(7)

通過以上分析，根據機器人的設計最大爬坡角度α、行進速度v、履帶與導線接觸半徑r、機器人自重G，并結合對滾動阻力的試驗測定，可估算出所需的電機功率；此外，通過電機與減速機的轉速及扭矩的參數匹配，可進一步完成電機與減速機的參數選型。

3 行走機器人的制作與試驗應用

本文設計的單履帶行走機器人的關鍵功能通過實際制作的樣機在導線上的作業得到了充分檢驗。 如圖6所示，行走機器人不僅在給定遙控距離完成了線上行走、翻越壓接管，并可在一定載荷下進行主動牽引。

圖6 單履帶機器人的線上行走與作業

該行走機器人已被用于搭載及牽引其他檢測、監測儀器，實現了線上無人化。

4 結束語

本文所提出并研制的單履帶導線行走機器人充分利用橡膠履帶的特點并通過機械結構與傳動鏈的設計實現了無損、可靠的導線上行走。地面人員可通過無線通訊來遙控線上機器人，也可通過機器人搭載的傳感與圖像功能來實時了解其在導線上的作業情況。通過真實架空導線上的試驗，本文所設計并實現的行走機器人表現了良好的牽引能力，且結構緊湊，可作為各種線上檢測與作業的動力主體。另一方面，行走機器人樣機尚在初步應用階段，需要更詳細的分析與驗證來優化設計,其環境適應能力與防護等級也有待進一步考核與提升。