一種多功能電桿爬桿機器人的研制

樊三軍 盧興福 龍武藝

摘要：介紹了一種多功能爬桿機器人的設計與研制過程，對爬桿機器人的結構和組成進行了詳細介紹，并介紹了多功能機器人研制過程中，遇到的主要問題及相應解決辦法。

關鍵詞：電桿爬桿;多功能機器人;工作平臺

0? 引言

在電力系統中，配網系統的水泥電桿使用量一直很大，配網的水泥電桿上的異物去除、缺陷的巡查、重物沿桿提升等工作越來越多，現目前還是采用人工向上攀爬的方式進行操作，工作人員的工作量都比較大，勞動強度高，工作效率還低下，存在重大的安全隱患，這是目前需要解決的問題。

隨著傳感器技術、信息技術、計算機技術、自動化技術以及人工智能等多學科的飛速發展，機器人代替人工去完成高重復性、低效率的工作已成必然趨勢[1]。因此，我們設計了一種多功能電桿爬桿機器人，通過控制機器人來完成上述水泥電桿上的異物去除、缺陷的巡查、重物沿桿提升等工作，具備帶電作業能力，能夠建立一個自動控制工作平臺減少人工風險，減輕了工作人員的勞動強度及提高工作效率，促進作業規范化、標準化開展，在電網危險地方避免了人員傷害情況的發生[2]。

1爬桿機器人技術參數與控制思路

考慮到機器人需要實現的功能，結合工作實際場景，對機器人的技術參數做了以下規定：1、機器人的外形尺寸長寬高都不超過1米，主機質量不超過50公斤;2、為了完成機器人負重爬升安裝作業，要求其額定提升負重不低于100公斤，具有掉電防墜自鎖功能，且恢復供電后，仍然能繼續工作;4、具有爬升高度與爬升抱緊力、提升負載力進行實時監控;5、爬桿速度在1.5-3米/分鐘之間，爬桿高度為15米，電桿直徑為25-40厘米之間;6、機器人工作平臺可以安裝橫擔及自動扳手機構及相應的電氣控制接口以及安裝X-Y雙軸機械臂+電動夾持手指及相應電氣控制接口。

機器人本體采用特殊鋁合金制成，具備剛度和韌性，通過螺母鎖緊裝置固定在電桿上。機器人的移動由控制裝置操縱驅動電機，帶動導輪滾動，當到達制定位置時，螺母鎖緊裝置再次將機器人固定在電桿上。當需要進行相關作業時，由控制裝置操作機械臂或者其他自動裝置完成。所有操作都通過相應傳感器來感知定位，機器人工作依靠工作人員在電桿附近通過平板遙控操作，可通過視頻接口查看相應操作過程。由于本機器人具備負重、安裝及多重功能，因此本機器人的運動速度不宜設置太快，且結構設置上不能翻越障礙（電桿連接頭除外）。

2爬桿機器人的組成

我們把整個機器人分成四個功能部分：一是固定系統，確保設備能固定在電桿上;二是升降系統，使得設備在電桿上移動;三是智能系統，實現人機之間交流、控制，操作設備;四是功能布置平臺，安裝機械臂，并配有攝像頭。

2.1固定系統

固定系統是整個機器人的基礎部件，確保設備能固定在電桿上，不會滑動或者跌落，由支撐裝置和夾緊裝置組成。支撐裝置包括功能平臺和支撐平臺，功能平臺位于支撐平臺的上方并通過六根轉軸活動連接，轉軸頂端固定連接在功能平臺的底部，在轉軸的下部設有軸套，通過軸套上的凹槽卡接在支撐平臺的弧形孔上，支撐平臺的下方安裝功能平臺驅動電機。夾緊裝置包括下支撐平臺和對稱的兩塊夾板，下支撐平臺通過導向裝置和驅動裝置固定連接有可相向滑動的兩塊夾板，夾板上固定連接有相互垂直的兩個裝有滑軌的固定支架。支撐平臺上的夾緊電機啟動后，帶動下層的絲桿旋轉，進而使相對的兩個螺紋套夾緊，機器人就固定在了電桿上。

2.2升降系統

升降系統包括提升電機和絲桿，提升電機固定連接在支撐平臺上，通過聯軸器與絲桿連接。機器人固定在電桿上后，操作控制裝置爬升指令后，夾緊電機帶動下夾板和絲桿旋轉，通過壓力傳感器來監測設定的夾緊力，當夾緊力檢測可靠后，驅動提升電機反轉，帶動底端的下支撐平臺和頂端的支撐平臺向上移動，達到設定的運動位移值后停止。這時啟動底部的夾緊電機，當夾緊力檢測可靠后，中部的夾緊電機反轉打開夾緊裝置，再啟動提升電機正轉，從而帶動中部的夾緊裝置向上移動，運動到設定值后停止。如此反復運動直至機器人運動到指定的高度，實現爬升功能。當需要將機器人下落時，操作控制裝置，反向運動模式即可實現下降功能。

2.3智能系統

智能系統由PLC控制器、觸摸屏控制裝置、拉壓力變送器、激光位移傳感器等組成。通過PLC控制器完成主程序編輯，設定機器人移動方式，并確定步幅。觸摸屏控制裝置主要完成對機器人的移動控制以及發送停止指令，并操作功能布置平臺上的機器臂完成異物去除、缺陷的巡查、重物沿桿提升等工作，也可操作其它自動裝置來實現檢修、攝像等功能。機器人的移動需要借助拉壓力傳感器來確定機器人本體是否固定好，在經過控制器確認后才執行下一步操作。激光位移傳感器主要感知機器人移動的步幅和距離，起到機器人定位的作用。

2.4功能布置平臺

功能平臺位于支撐平臺的上方，由機械臂、重物托舉機構和攝像頭等組成。機械臂可夾持直流電動扳手，完成相應的安裝拆卸工作。托舉機構具備夾持常規金具功能，可調節夾持寬度。攝像頭為無線高清特制攝像頭，并配備有視頻接受裝置，可以操縱攝像頭對桿上情況進行觀察，方便做出及時判斷與操作。

3機器人研發過程主要問題及解決方法

在多功能電桿爬桿機器人研制過程中，遇到的主要問題及相應解決辦法如下：

1、如何防止機器人在電桿上滑動。當夾緊電機開始工作時，夾緊電機的軸與絲桿連接并固定在下支撐平臺上，采用絲桿上活動連接對稱的相配合的兩個螺紋套，螺紋套與固定座固定連接，螺紋套上安裝壓力傳感器。夾板的側邊設有V型缺口，在V型缺口的側邊上固定連接有夾板墊。在夾緊裝置定位在電桿上時，通過四塊夾板墊固定定位在電桿上，防止滑動。

2、如何確保機器人移動中的安全。在提升軸絲牙套上安裝壓力傳感器，可以監測機器人在運動過程中異物導致的阻力，當阻力達到設定的值后做到適時停機，實現對機器人的保護。且若夾緊壓力不夠時，下步幅不會動作。

3、當需要變換方位時，功能布置平臺如何配合。功能布置平臺通過六根轉軸與支撐平臺活動連接，且能沿支撐平臺作相對旋轉運動。當需要功能平臺作一定角度旋轉時，操作控制裝置，驅動功能平臺驅動電機轉動，在齒輪的配合下，實現功能平臺的角度旋轉位移，來滿足不同角度的需要。

4結語

本機器人采用仿生學原理，通過機械裝置和智能控制系統，以直流電源作為動力，以步幅的形式實現機器人的登高，兼顧智能化與實用化，性價比高，易于操作、學習，競爭力強。登桿的速度為1-3米/分鐘可調，滿足目前無障礙物的配網系統水泥桿上作業要求，通過更換功能平臺上的工裝，滿足不同工作的需要，在農網的升級改造中，帶電故障處理等方面有廣闊的應用前景，同時在參加2018國資委舉辦的熠星創新創業大賽中得到一致好評。

參考文獻

[1]原魁，李園，房立新.多移動機器人系統研究發展近況[J]. 自動化學報，2007，33（8）： 785-794.

[2]柴作鴻.多功能巡檢機器人的系統設計[D]. 天津：天津工業大學大學，2019.